НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ БЕТОНА. ИХ ВАЖНОСТЬ И СЛОЖНОСТИ ПРАВИЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Расчет несущей способности железобетонной конструкции осуществляется, исходя из ее геометрических размеров, схемы армирования, а также значения основной механической характеристики бетона – параметра прочности на сжатие. Образцы для контрольных испытаний данного параметра формируются во время изготовления бетонной смеси на заводе-производителе, а также во время формирования конструкций на строительной площадке из данной бетонной смеси. Существует также способ оценки значения параметра прочности бетона на сжатие непосредственно в конструкциях – с помощью применения неразрушающих методов контроля. Преимуществом данных методов является их относительная легкость для массового приложения, недостатком — высокая вероятность получения недостоверных результатов, во избежание чего необходимо строго придерживаться определенных норм процедуры испытания.

Бетон является многокомпонентным, сложным по структуре материалом, механические свойства которого измеряют на образце объемом не менее 1 дм3, и которые зависят от большого количества технологических факторов изготовления – соотношение компонентов, их качественных характеристик, параметров технологических режимов перемешивания, формирования, уплотнения и твердения бетонной смеси. Поэтому механические свойства готового бетона, при большом объеме изготовления, характеризуются высокой неоднородностью, которая предопределяет большую степень риска появления брака (продукции с заниженными показателями прочности на сжатие). На заводах по изготовлению бетонной смеси обязательным является выборочный активный контроль качества готовой продукции – из каждого замеса бетона изготовляются серии из не меньше как 4-х образцов, которые в проектном возрасте испытываются на сжатие на прессе. Кроме того, проводится строгий контроль постоянства технологических параметров изготовления бетонной смеси.

Каждый замес бетонной смеси, которая поступает на объект монолитного строительства с завода в бетоновозе, имеет паспорт, в котором основной характеристикой отмечен класс бетонной смеси по прочности на сжатие – например, С25. Данная характеристика значит, что при изготовлении бетонных конструкций из данного замеса по стандартной технологии (при качественном виброуплотнении –  тем продолжительнее, чем менее подвижной является бетонная смесь, а также при температуре 20°С и относительной влажности 90 % внешней среды во время затвердевания), 95 % из объема изготовленного бетона будет иметь значение параметра прочности на сжатие не меньше чем 25 МПа.

Следовательно, класс бетона – это гарантированное значение прочности бетона в данном объеме продукции, то есть значение, ниже которого прочность бетона в данном объеме продукции не опустится с высокой степенью вероятности (95 %). Но не следует считать классом бетона в конструкциях в проектном возрасте значения класса из паспортных данных на бетонную смесь, которая поступает на строительство. Для того, чтобы класс бетона готовых конструкций отвечал заявленному классу бетонной смеси (например, С25), еще необходимо придерживаться правильности изготовления конструкций из этой смеси – в основном, за параметром уплотнения и параметрами тепло-влажностного режима во время затвердевания. Кроме того, нередкими являются случаи, когда бетонная смесь по своему составу не отвечает заявленному в паспорте классу. Это может быть по причине не добавления цемента или его низкой марки (экономии данного наиболее дорогого компонента), но чаще всего – является результатом того, что в бетонную смесь добавляется вода, чтобы ее подвижность не уменьшилась до уровня невозможности укладывания, которое случается во время слишком длительной транспортировки (например, когда завод по производству смеси находится на относительно большом расстоянии от строительной площадки, и бетоновозы попадают в пробки на дорогах).

Согласно стандартов, во время каждой новой рабочей смены монолитного строительства, на строительной площадке обязательным является формирование серии (около 3-х) контрольных образцов – из тех же смесей, из которых проводится изготовление конструкций. Таким образом, проводится проверка соответствия заявленного класса бетонной смеси прочности бетона в готовых конструкциях. Но данный вид проверки носит очень приближенный характер. Во-первых, она не носит статистический характер (малая выборка, которая не может отвечать за контроль всего объема продукции), во-вторых, есть высокая вероятность некачественного изготовления образцов – при отборе смеси из верха «отстоянного» замеса, при отсутствии уплотнения арматурным стержнем, при хранении на солнце летом или в мороз зимой во время затвердевания. Все это может занизить значение прочности образцов относительно значения прочности бетона в конструкциях.

Если возникает необходимость точного определения класса бетона в совокупности изготовленных железобетонных конструкций, данную задачу можно выполнить исключительно средствами неразрушающего контроля, за результатом достаточно сложной измерительной процедуры, которая состоит из нескольких этапов. При этом обследование должно проводиться в достаточно большой выборке конструкций, которая должна охватывать близко 10 % от изготовленного объема продукции.

В первую очередь, что должен понимать любой строитель при изготовлении изделий из бетона, а особенно специалист из технадзора – если на строительство приезжает лаборатория и проводит определение прочности бетона чисто неразрушающими методами (приборы на рис. 1, ав), и при этом вовсе не применяет прямых испытаний прочности (таких испытаний, во время которых происходит разрушение структуры бетона — приборы на рис. 1, бг), результаты такого определения прочности бетона не могут быть достоверными в принципе.

Приборы методов неразрушающего контроля параметра прочности бетона на сжатие

Рис. 1. Приборы методов неразрушающего контроля параметра прочности бетона на сжатие: а) молоток Шмидта (метод упругого отскока); б) прибор метода отрыва со скалыванием; в) прибор ультразвукового метода при поверхностном «прозвучивании»; г) прибор метода отрыва диска.

Для объяснения данного утверждения без углубления в научную суть вопроса, приведем результаты определения прочности бетона на разных объектах строительства одним и тем же прибором типа «молоток Шмидта», который реализует неразрушающий метод «упругого отскока». На рис. 1, а представлен внешний вид данного прибора, принцип работы которого заключается в следующем. Мощная пружина осуществляет достаточно сильный удар тяжелым индентором, который имеет округлую форму наконечника, по поверхности бетона, после чего индентор осуществляет обратный ход (отскок) на определенную длину, уже без действия сжатия пружины, то есть, «свободным ходом». Принцип метода заключается в том, что чем крепче является бетон, тем тверже является его поверхность, и тем больше будет величина отскока индентора.

На трех объектах строительства проводилось испытание бетона разных конструкций одновременно двумя методами, на одних и тех же участках бетонной поверхности. Первым методом был метод упругого отскока, который осуществлялся молотком Шмидта, который изображен на рис. 1, а. Вторым методом был отрыв со скалыванием, который осуществлялся с помощью прибора, который изображен на рис. 1, б. Особенность метода отрыва со скалыванием есть то, что он, фактически, есть прямым – при испытании измеряется сила, с которым разрушается бетон при вырывании анкера, и потому результаты измерения им прочности – есть с высокой степенью точными, в не зависимости от того, каким является состав бетона. О чисто неразрушающем методе упругого отскока такого, к сожалению, сказать нельзя – что будет доказано дальше на основании результатов парного испытания данными двумя методами на двух объектах строительства, которые в графическом виде представлены на рис. 2.

schema

На рис. 2 нанесены точки по двум координатам: по оси абсцисс – параметр упругого отскока, по оси ординат – параметр прочности бетона на сжатие. Каждая точка отвечает парному испытанию данных параметров на отдельном участке конструкции: сначала участок испытывали методом отскока (серия из 5-10 ударов), потом на ней осуществлялся отрыв установленного анкера.

На первом объекте, в мае 2018 г., обследовались монолитные железобетонные конструкции, которые были изготовлены в 2003 г. Результаты парного испытания участков конструкций на данном объекте изображены не закрашенными фигурами: кружочками — в одном здании, треугольниками — в другом здании, которое было изготовлено на пол года раньше. Как видим, результаты парных испытаний в разных зданиях «ложатся» на разные прямолинейные зависимости, разница между которыми 4-10 МПа по прочности, в диапазоне основной массы результатов отскока.

На втором объекте, в июне 2018 г., обследовались сборные железобетонные конструкции, которые были изготовлены в 70-х годах прошлого века. Результаты парного испытания участков конструкций на данном объекте изображены закрашенными фигурами: кружочками – железобетонных колонн и ригелей, которые устроены между этажами, треугольниками – железобетонных диафрагм и балок, которые размещены на чердаке. Как видно из рисунка, результаты парных испытаний на разных типах конструкций накладываются на разные прямолинейные зависимости, которые близки к прямолинейным зависимостям первого объекта.

На рис. 2, по результатам испытаний на обоих объектах, сплошными линиями нанесены две прямолинейных зависимости, которые строились методом наименьших квадратов между показателем упругого отскока и параметром прочности бетона на сжатие – две градуировочные зависимости для метода упругого отскока на данных двух объектах. Для второго объекта, прочность на сжатие бетона колонн и ригелей определялась по показателю отскока за «верхней» зависимостью, тогда как прочность диафрагм и балок на чердаке – за «нижней» зависимостью. Представим себе, что на втором объекте была установлена общая зависимость для всех типов конструкций, которая изображена на рис. 2 штрих-пунктирной линией.

По рисунку видно, что при определении прочности бетона всех конструкций за единственной градуировочной зависимостью (за прямой, которая нанесена штрих-пунктирной линией), отдельные типы конструкций будут иметь систематические погрешности определения прочности бетона: колонны и ригели между этажами (точки, которые обозначены затемненными «кружочками») будут иметь исключительно заниженные показатели, тогда как диафрагмы и ригеля на чердаке (точки, которые обозначены затемненными «треугольниками»), будут иметь преимущественно завышенные показатели. Балки на чердаке (три результата с прочностью в среднем 45 МПа) существенно отличаются по прочности от ригелей между этажами (результаты с прочностью в среднем 56 МПа), тогда как при определении прочности бетона по показателям упругого отскока за единственной градуировочной зависимостью, данные конструкции имели бы практически одинаковые результаты прочности на сжатие.

Пунктирными линиями на рис. 2 изображен также диапазон зависимостей, который предоставляется в технической документации на прибор – как видим, построенные на объектах зависимости далеки от этого диапазона. Если бы определяли прочность бетона даже за самой нижней кривой из этого диапазона по показателям отскока, погрешность определения прочности бетона составляла бы около 15 МПа (30 %) – причем, в сторону завышения результата. Наиболее вероятно, что такая ситуация имеет место потому, что у старого бетона происходит карбонизация поверхности (что вызывает ее большее «утверднение», в сравнении с бетоном во всей толще), и потому показатели отскока имеют более завышенные значения. Но даже для конструкций приблизительно одного возраста изготовления, но изготовленных из разных за рецептурой бетонных смесей, градуировочные зависимости сильно отличаются. На данном примере очевидно демонстрируется необходимость установления градуировочной зависимости на каждом новом объекте исследования, то есть, необходимость проведения прямых испытаний прочности вместе с применением чисто неразрушающих методов.

То же самое, относительно необходимости проведения прямых испытаний и построения градуировочной зависимости на каждом новом объекте строительства, касается и других чисто неразрушающих методов контроля, например ультразвукового метода (рис. 1, в) или метода ударного импульса.

Вывод

Применение неразрушающих методов контроля прочности бетона является крайне востребованным в практике строительства, поскольку очень часто необходимо установить класс бетона в конструкциях, для которых нет никаких контрольных образцов. В таком случае необходимо определить прочность бетона в большом количестве конструкций, для чего неразрушающий контроль намного удешевляет обследование – если сравнивать со сплошным испытанием «полуразрушающим» методом отрыва со скалыванием (по меньшей мере, по два отрыва на конструкцию) или с выбуриванием цилиндрических образцов из тела конструкции.

И в то же время, процедура определения прочности бетона неразрушающими методами является достаточно сложной и ответственной – при применении упрощенной, неправильной процедуры погрешность определения прочности может достигать 100 %, и что является особенно опасным, может отклоняться в сторону завышения результата. Следовательно, существует большой риск возникновения погрешности, которая связана с субъективным фактором – насколько тщательным образом исследователь проводит построение градуировочной зависимости. Поэтому очень важным является вызов квалифицированных специалистов, с большим опытом применения данных методов.

В Украине пока что отсутствует сертификация специалистов по данному направлению неразрушающего контроля – из-за нехватки специалистов наивысшего уровня в центрах сертификации, хотя применение приборов на практике является достаточно широким. И достаточно часто, к сожалению, неправильного применения – основная функция которого заключается в «нагнетании» исполнителей работ по изготовлению бетонных конструкций со стороны работника из технадзора, путем периодического «постукивания» каким-то хитрым прибором по поверхности бетонных конструкций. С другой стороны, такое приложение также можно считать в определенной степени эффективным и таким, которое приносит позитивные результаты.

Наша лаборатория всегда отвечает за результат и гарантирует Вам точность определения прочностных свойств бетона, с готовностью доказать справедливость своих результатов испытания перед квалифицированной комиссией или в судебном порядке.

 

Заведующий испытательной лабораторией УИТЦ

Ловейкин С.А.