Некоторые особенности использования средств и методов НК при обследовании бетонных и железобетонных конструкций



 Об авторах

Белый Григорий Иванович

 

 

Белый Григорий Иванович 

Зав. кафедрой металлических кон­струкций и испытаний сооружений СПбГАСУ, д. т. н., профессор, ди­ректор ЗАО «ЭРКОН», эксперт выс­шей квалификации по зданиям и сооружениям, соавтор учебника в трех томах «Металлические кон­струкции», разработчик ряда МУ и РД Госгортехнадзора РФ.

 

 

 Гордиенко Евгений Григорьевич

 

 

Гордиенко Евгений Григорьевич 

Зав. кафедрой технологии конст­рукционных материалов и метроло­гии СПбГАСУ, к. т. н., доцент, спе­циалист II уровня по визуальному и измерительному контролю.

 

 

 

 Гордиенко Валерий Евгеньевич

 

 

Гордиенко Валерий Евгеньевич 

Руководитель лаборатории НК и технической диагностики СПбГАСУ, к. т. н., доцент, специалист II уро­вня по УЗК.

 

 

 

Бетон и железобетон были и остаются одними из основных строительных композиционных материалов, которые использу­ются при сооружении промыш­ленных и гражданских зданий, мостов, тоннелей, взлетно-посадочных полос, гидротехнических и других соору­жений. В технически развитых странах на одного жителя приходится в год более 1 м3 бетона и железобетона, и хотя в Рос­сии этот показатель почти втрое ниже, объем применения железобетонных кон­струкций очень высок. Это требует раз­работки надежных способов и средств диагностического контроля, которые бы позволили дать объективную оценку со­стояния железобетонных конструкций и оценить их остаточный ресурс.

Условия затвердевания бетонной композиционной смеси, а также ее меняющийся состав, состоящий из раз­личных видов вяжущих материалов, наполнителей, специальных добавок и воды, вносят существенные трудности в проведение контроля. Физико-механи­ческие свойства строительных изделий могут определяться как на образцах, вырезанных из изделий, так и на образ­цах, изготовленных по той же технологии, что и контролируемая партия. Высокая надежность в первом случае может обеспечиваться только при большой выборке объектов контроля и стабиль­ном процессе их изготовления. Однако такой контроль в современных условиях маловероятен. Объективность контроля во втором случае также стоит под во­просом, вследствие различных условий изготовления образцов-свидетелей и крупногабаритных конструкций. Для экс­плуатируемых конструкций затруднитель­но смоделировать необходимые условия изготовления исследуемых образцов, а использовать разрушающие методы контроля зачастую не представляется возможным.

Поэтому повышение достоверности и на­дежности контроля может быть достигнуто за счет привлечения неразрушающих мето­дов, которые обеспечивают высокую про­изводительность контроля непосредствен­но в конструкциях и сооружениях. Такая постановка вопроса особенно актуальна при обследовании зданий и сооружений, когда неизвестны характеристики бетона и арматуры.

Надежность результатов НК строитель­ных конструкций из бетона и железобе­тона в значительной степени зависит от возможностей применяемой аппаратуры и методик исследования. При определении прочности бетона можно использовать раз­личные методы: отрыв со скалыванием, ударно-импульсный и ультразвуковой, каж­дый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Наиболее точным является метод отры­ва со скалыванием, который применяется в особо ответственных случаях при обсле­довании железобетонных конструкций и сооружений. Этот метод позволяет контро­лировать прочность бетона на глубине до 50 мм, т. е. на глубине заделки анкера. Недостатком его является высокая трудо­емкость и невозможность использования в густоармированных участках исследуе­мого объекта, что можно компенсировать методом скалывания ребра, обеспечиваю­щим более высокую производительность.

Основными производителями сертифицирован­ных приборов для реализации метода отрыва со скалыванием являются: СКБ «Стройприбор» (Челя­бинск), ВЗ «Эталон» (Москва) и «Контрос - Стройприбор» (Москва). НПП «Карат» выпускает прибор для испытания бетона методом отрыва со скалыванием Оникс-ОС. Это первый из приборов, проходящий сертификацию с утверждением типа и внесением в Госреестр.

СКБ «Стройприбор» с 2001 г. производит две современные модели: приборы ПОС-30МГ4 и ПОС-50МГ4, предназначенные для испытания бе­тонов, имеющих прочность 5 ÷ 100 МПа (предель­ное усилие вырыва 30 и 50 кН соответственно). Приборы комплектуются анкерами типов ІІ -48, ∅ 24 мм и ІІ-35, ∅ 16 мм. Оригинальная конст­рукция прибора П0С-30МГ4 «Скол» обеспечивает возможность испытания бетона методом отрыва

со скалыванием или методом скалывания ребра. Время подготовки прибора к работе не более 5 мин. Прибор работает с анкером типа II-35, ∅ 16 мм и предназначен для контроля бетона прочностью 5 ÷ 100 МПа. Приборы ПОС-50МГ4, -30МГ4 и ПОС-30МГ4 «Скол» широко применяются для кон­троля прочности сборного и монолитного железо­бетона, а также для уточнения градуировочных характеристик ультразвуковых приборов и прибо­ров, работающих по методам ударного импульса, упругого отскока и пластической деформации в со­ответствии с Приложением 9. Приборы имеют устройство контроля величины проскальзывания анкера и электронный силоизмеритель, снабжены микропроцессорным измерительным блоком, обес­печивающим контроль скорости нагружения, запо­минание усилия отрыва и ввод с клавиатуры харак­теристик анкера и контролируемого бетона.

Измеритель прочности бетона ОНИКС-ОС НПП «Карат» применяется как при обследовании желе­зобетонных конструкций и сооружений, так и для корректировки калибровочных коэффициентов ультразвуковых и ударно-импульсных приборов. Предельное усилие вырыва 50 кН, диапазон по прочности 5 ÷ 100 МПа. Он выполнен в виде мик­ропроцессорного устройства и гидравлического пресса с пространственной самоустановкой оси вырыва и механизмом защиты от проскальзыва­ния анкера, что позволило существенно улучшить метрологические и эксплуатационные характери­стики. Микропроцессорное устройство обеспечи­вает полный контроль процессов нагружения и измерения в реальном времени Гидравлический пресс имеет, в сравнении с аналогами, наимень­шие габариты и массу.

Метод отрыва широко применяется за рубежом для оценки прочности бетона в процессе эксплуатации. Согласно стандартам BS 1881:207, ASTM C900, EN 12399, UNI 9536, 10157 на исследуе­мой поверхности бетона с помощью специ­альной фрезы вырезается круговая канав­ка на поверхность которой наклеивается отрывное устройство, с помощью которого вырывают подрезанную пробу, при этом си­ла вырыва нормируется. В соответствии со стандартами ISO 4624, NF P34501/301, EN 12618 и другими прочностные испыта­ния реализуются посредством вырывания конуса. В этом случае после засверловки отверстия, определяющего высоту выры­ваемого конуса, вводится самораскрываю­щаяся фреза, которая определяет высоту вырываемого конуса. Затем, используя специальное устройство, вырывает конус с помощью разъемного кольца.

Для ударно-импульсного метода харак­терна высокая производительность при повышении достоверности измерений и автоматизации процесса контроля. Основ­ное достоинство метода - слабое влияние состава бетона на результаты измерений. Недостатки - контроль прочности только в поверхностном слое, который не всегда ха­рактеризует глубинные слои из-за разной степени старения бетона и изменения структуры и свойств поверхностного слоя под воздействием внешней среды. Однако при контролетолькочто изготовленной кон­струкции, тонкостенного изделия, а также диагностирования состояния поверхно­стного слоя бетона этот недостаток не сказывается.

СКБ «Стройприбор» разработало два микро­процессорных прибора, реализующих этот метод: ИПС-МГЧ и ИПС-МГЧ+. Они предназначены для оперативного контроля прочности и однородности бетона, раствора и строительной керамики мето­дом ударного импульса по ГОСТ 22690. Приборы имеют градуировочную зависимость, обеспечиваю- щуюопределение прочности легких и тяжелых бето­нов с прочностью от 3 до 100 МПа, с погрешностью не более 10 %. Прибор ИПС-МГ4 производится с 1984 г. В 2000 г. разработан прибор ИПС-МГ4+, который в отличие от предшественника хранит в программном устройстве около 100 градуировоч­ных зависимостей, учитывающих вид бетона, вид заполнителя, условия твердения и возраст бетона. Выбор градуировочных зависимостей производит­ся в диалоговом режиме с клавиатуры прибора. В обоих приборах предусмотрен режим занесения в программное устройство индивидуальных градуи­ровочных характеристик, установленных пользова­телем. В настоящее время в эксплуатации находят­ся более 1700 приборов типа ИПС.

Отличительной особенностью прибора «Оникс-2.4» НПП «Карат» является определение прочности бетона одновременно по ударному импульсу и упругому отскоку, что позволяет расши­рить информационный массив, повысить достовер­ность результатов и сократить количество ударов. Диапазон измеряемой прочности 1 ÷ 30 или 5 ÷ 100 МПа выбирается через пункт меню «диапазон», обеспечивая возможность контроля широкого спек­тра материалов. Кроме контроля железобетонных изделий прибор применим для контроля керамиче­ского и силикатного кирпича, штукатурки и изделий из композиционных материалов. Оригинальная кон­струкция датчика-склерометра имеет минимальную массу и очень удобна в использовании. Она позволя­ет пользователю работать одной рукой, выполнять измерения в труднодоступных местах с высокой точностью и интенсивностью нанесения ударов. В настоящее время в эксплуатации находится более 600 приборов серии «Оникс».

Ультразвуковой метод позволяет оцени­вать прочность бетона, находить внутрен­ние дефекты (пустоты, трещины), осущест­влять технический контроль, определять геометрические параметры различных строительных конструкций. Работы по соз­данию аппаратуры для УЗК железобетона стали проводиться в нашей стране с 1970-х годов, однако, в отличие от ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений и ме­таллоконструкций, в случае железобетон­ных конструкций наблюдается отставание, объясняемое недостаточностью современ­ных средств измерения и методического обеспечения. Перенесение средств и мето­дов УЗК металлов и сплавов на контроль бетона невозможно. При этом для кон­троля металлических конструкций исполь­зуются высокочастотные ультразвуковые колебания, а для железобетона - низко­частотные (из-за быстрого затуханием в нем высокочастотных колебаний).

В основу метода УЗК положена зависи­мость скорости распространения акустиче­ских волн от физико-механических свойств бетона. При появлении дефектов скорость распространения колебаний в бетоне уменьшается. Используя заранее опреде­ленные корреляционные зависимости, по значению скорости можно сказать о проч­ности, пористости и кажущейся прочности объекта. Для контроля бетонных и железо­бетонных конструкций широко использу­ются методы сквозного и поверхностного прозвучивания. При сквозном прозвучивании можно оценить характеристику бетона и состояние конструктивного элемента в целом с учетом имеющихся дефектов, что позволяет оценить несущую способность контролируемого объекта. Этот метод является наиболее информативным при техническом обследовании строительных сооружений.

Заслуживает внимания разработанный и выпускаемый МНПО «Спектр» ультразвуковой дефектоскоп А 1220, который производится серийно и эксплуатируется в странах Восточ­ной и Западной Европы. Он предназначен для контроля толщины и поиска дефектов внутри конструкций из железобетона и подоб­ных материалов при одностороннем доступе к объекту контроля эхо-импульсным методом и позволяет осуществлять контроль бетона на глубину до 1 м. На глубинах до 500 мм позволя­ет обнаруживать пустотные каналы диаметром 12 мм. Обеспечение предельных возмож­ностей УЗК по критериям чувствительности и пространственного разрешения дефектов при одностороннем доступе можно реализовать ульт­развуковым томографом А 1230 МНПО «Спектр». Томограф обеспечивает реконструкцию внутрен­ней структуры бетонных и железобетонных кон­струкций и представляет результаты контроля в трехмерном виде. Чувствительность прибора достаточна для обнаружения в бетонах марки 400 с наибольшей крупностью заполнителя 20 мм пустот объемом » 30 см3 на глубинах до 300 мм или протяженных пустотных дефектов диа­метром 15 ÷ 20 мм на глубинах до 500 мм.

При поверхностном прозвучивании желе­зобетонных конструкций используются ультра­звуковые приборы, которые отличает простота использования, высокая достоверность и точ­ность измерений, а также высокая конструктив­ная надежность. Ультразвуковой тестер УК 1401 МНПО «Спектр», являющийся одним из наиболее широко применяемых приборов в России, позво­ляет контролировать прочность конструкций как в процессе их изготовления, так и в процессе эксплуатации; поиск поверхностных дефектов ти­па трещин и оценку их глубины; вести контроль созревания бетона при возведении зданий ме­тодом перемещаемой оснастки. С его помощью решена проблема оценки несущей способности железобетонных опор, основанной на измерени­ях скорости распространения ультразвука в теле стойки в продольном и поперечном направлени­ях [9]. Ультразвуковой универсальный прибор «Пульсар 1.0» НПП «Карат» обеспечивает работу как со смазкой, так и с сухим контактом при поверхностном, сквозном и угловом прозву­чивании на произвольной базе. Он позволяет измерять скорость прохождения ультразвуковых колебаний, определять прочность бетона (тяже­лого, легкого) производить поиск дефектов, а также оценивать пористость, трещиноватость и анизотропию композитных материалов. В про­граммном обеспечении прибора предусмотрена возможность реализации режима «эхо-локации» (измерение толщины однородных материалов при одностороннем доступе).

Метод сквозного и поверхностного прозвучивания реализован в приборе «Бетон-32» ЗАО «Интротрест», предна­значенном для контроля прочности строительных материалов в строящихся и эксплуатируемых зданиях и сооружени­ях. В основу метода положено измерение времени распространения колебаний в контролируемом объекте и дальнейшая корреляция измерения с прочностными характеристиками данного материала. Ряд европейских и американских компа­ний выпускают аналогичные ультразву­ковые приборы для сквозного и поверх­ностного прозвучивания по стандартной схеме с вязким акустическим контак­том. Это фирма Krautkramer, Германия (USD-10 NF, USM-23 LM), фирма Star- mans, Чехия (DIO-562 LF) и другие. Стои­мость этих приборов выше стоимости отечественных, в то же время техниче­ская информация об их реальных воз­можностях и примерах эффективного применения отсутствует.

Для определения параметров армирова­ния (расположение и направление армату­ры, ее диаметр, толщина защитного слоя бетона) широко используется магнитный метод. Без такой информации нельзя рассчитать несущую способность конст­рукции, определить опасные участки, вос­становить документацию и т. д.

Выпускаемые приборы ИПА-МГЧ (СКБ «Стройприбор») и «Поиск-2.3/2.4» (НПП «Карат») предна­значены для контроля толщины защитного слоя бетона и расположения стержневой арматуры диаметром от 3 до 40 мм (ИПА-МГ4) и от 3 до 50 мм («Поиск-2.3») по ГОСТ 22904. Преду­смотрена возможность определения диаметра арматурных стержней при известном защитном слое. Прибор «Поиск-2.3» имеет расширенный диапазон определения толщины защитного слоя и режим определения диаметра арматурных стержней при неизвестной толщине защитного слоя.

Для повышения производительности труда, получения достоверных данных и более надежного расчета остаточного ресурса необходимо сочетать различные методы и методики в едином комплексе. Так, например, проведение измерений вы­сокопроизводительными приборами (удар­но-импульсным прибором «Оникс-2.4» и ультразвуковым «Пульсар-1.0») сочетать с трудоемкими, но точными измерениями прибором «Оникс-ОС» для корректировки в процессе измерений их калибровочных коэффициентов. Однако наиболее досто­верные результаты испытания бетона на прочность, особенно в монолитных конст­рукциях ответственного назначения, мож­но получить сочетанием неразрушающих и разрушающих методов контроля.

Методы НК обладают такими неоспори­мыми преимуществами, как:

  • получение экспресс-информации;
  • снижение материальных и временных затрат при диагностировании;
  • проведение исследований в труднодос­тупных, а также в опасных местах, где применение разрушающего контроля приведет к ослаблению конструкции.

В то же время методы НК зачастую не дают необходимой точности результатов; кроме того, существует ряд ограничений на использование приборов НК при обследовании крупногабаритных конструкций. Поэтому у испытателей появляется некоторая неуверенность в полученных значени­ях прочности. Особенно остро это проявляется тогда, когда отличия максимальных напряжений (которые могут возникать от действующих и прогнозируемых нагрузок) от расчетных со­противлений бетона, составляют несколько процентов. При этом ставится под сомнение дальнейшая эксплуатация конст­рукции без усиления. В этих условиях незаменимыми являют­ся разрушающие методы контроля. Пробы для разрушающего контроля в этом случае необходимо брать в зонах, наиболее приближенных к местам НК, и в количестве, позволяющем корректировать достоверность данных НК.

Сочетание НК с разрушающим применялось на ряде промышленных объектов фирмой «ЭРКОН» (Санкт-Пе­тербург). Так, например, проводились испытания бетон­ного основания каре резервуарного парка и фундамен­тов емкостного оборудования на прибрежном складе нефтепродуктов ООО «Несте СПб». Отбор проб из желе­зобетонных конструкций проводился с помощью станка «Hydrostress СН 6330», который позволяет выполнять выбури­вание кернов диаметром 75 мм и длиной 200 ÷ 1500 мм и более в зависимости от применяемой насадки. Распиловка кернов позволяет получать образцы - цилиндры с необходи­мыми для испытаний соотношениями высота/диаметр. Приме­нение комплекса методов и методик неразрушающего и разру­шающего контроля позволило значительно уменьшить объем ремонтно-восстановительных работ и обоснованно выделить те элементы конструкций, которые нуждаются в усилении.

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку