Оценка прочностных характеристик монолитного бетона неразрушающими методами
По материалам Международной научной конференции "Технология строительства и реконструкции: проблемы и решения" — TCR-2004, состоявшейся 25-26 октября 2004 г. в Минске в БНТУ.
Достоверность и технологическая надежность неразрушающих методов контроля бетонных изделий зависит как от метрологических характеристик применяемых средств контроля, от степени надежности используемых характеристик связи "измеряемый косвенный параметр — прочность бетона", так и от конкретных технологических условий их применения. Обеспечить на строительной площадке рекомендуемые нормативными документами условия применения неразрушающих методов контроля бывает затруднительно во многих случаях. В частности, технология монолитного строительства далеко не всегда может обеспечить необходимое качество открытой поверхности изделия, а доступ к "качественным" донным и боковым поверхностям закрыт опалубкой. Вследствие этого главным критерием оценки распалубочной прочности бетона по-прежнему остается результат испытаний образцов-кубов, условия твердения которых, как показывает практика, могут заметно отличаться от условий твердения самого изделия. В настоящее время к наиболее развитым средствам неразрушающего контроля прочностных характеристик бетона можно отнести приборы, реализующие метод упругого отскока (молоток Шмидта), метод пластической деформации, ультразвуковой импульсный метод, ударно-импульсный метод и условно неразрушающий метод, или, точнее, метод локального разрушения — метод отрыва со скалыванием. У каждого из перечисленных методов есть свои сильные и слабые стороны. Авторами в период с 2003 по 2004 гг. на объектах г. Минска был выполнен ряд работ по оценке эффективности различных методов неразрушающего контроля монолитного бетона с целью отслеживания кинетики и уточнения сроков набора изделием распалубочной прочности. Основной тип изделий — плиты основания, плиты перекрытий и колонны. Контроль осуществлялся двумя типами приборов: склерометром ОМШ-1 (ГОСТ-22690) и ультразвуковым тестером УК1401. Ряд измерений выполнен прибором ИПС-МГ4, реализующим ударно-импульсный метод контроля. Кроме использования перечисленных средств, производилась выборка образцов-кернов из контролируемых изделий и испытания образцов — кубов бетона.
Оценка прочности бетона на ранней стадии твердения (1-4 сут.) плит основания и перекрытий осуществлялась, как правило, на основе измерений свойств бетона открытой верхней поверхности, имеющей неровности 2-7 мм. В летний период на многих изделиях наблюдались явные признаки пересушивания верхнего слоя. Очевидно, что указанные условия далеки от благоприятных для применения перечисленных средств контроля. Именно по этой причине полученные при испытаниях результаты представляют интерес и могут способствовать более широкому применению неразрушающих средств контроля в практике монолитного строительства. Методика обмера пикетных точек контроля заключалась в получении 8-11 отсчетов с зоны поверхности размером 0,5х0,5 м. Оценка прочности для ультразвукового контроля производилась по формуле: R=AeBt, где R — кубиковая прочность бетона (МПа), t — время распространения (мкс) УЗК на постоянной базе 150 мм, А = 309,075 и B = -0,07185 — коэффициенты.
Данные прибора ОМШ-1 (зав. №0896) обрабатывались с использованием полиномиального представления функции связи: R=-0,84763+0,19135x-0,000424x2+0,000202x3, где R — кубиковая прочность (МПа), x — величина отскока. В приборе ИПС-МГ4 использовалась типовая усредненная характеристика. Необходимо заметить, что указанные тарировочные кривые были получены после значительной коррекции на основании данных испытаний бетона методом отрыва со скалыванием и испытаний выбранных образцов-кернов. В частности, использование для ультразвука тарировочной кривой, построенной по ГОСТовской методике на основании лабораторных испытаний кубиков и призм из используемых марок бетонов, приводило к заметному завышению оценок прочности готовых изделий. Вероятной причиной этого может являться иной механизм колебаний прочности бетона в изделии, в отличие от испытательных образцов, где изменения прочности достигались, в основном, вариацией дозировки цемента.
Во избежание влияния арматуры первые серии измерений прочности бетона проводились в зонах, свободных от армирования. В дальнейшем выявилось, что, несмотря на интенсивное армирование изделий (шаг армирования — 15-22 см, диаметр арматуры — 12-25 мм, толщина защитного слоя — 35-55 мм), его заметного влияния на показания приборов не наблюдалось за исключением случаев уменьшения защитного слоя до 25-30 мм и раскрытия трещин в зоне контроля усадочных трещин на поверхности, что легко фиксировалось ультразвуковыми измерениями. Наличие трещин фиксировалось по заметному (на 20-40%) увеличению времени прохождения, причем визуально трещина обнаруживалась не всегда. Оценки глубины трещин, выполненные по формуле:
где DC — глубина трещины; В — база прозвучивания, t0 и t — отсчеты времени прохождения волны соответственно параллельно трещине и через трещину, TК — поправка, — дали значения в пределах толщины защитного слоя (30-70 мм).
Для оценки степени влияния состояния поверхности плит на оценки прочности были выполнены серии измерений на выровненных, шлифованных абразивным камнем поверхностях и "как есть". В таблице 1 приведены некоторые результаты. Данные в столбцах 2 и 4 получены после сошлифовывания неровностей поверхности бетона, в столбцах 1 и 3 — без обработки поверхности. Видно, что результаты ультразвуковых испытаний, в отличие от данных ОМШ-1, не подвержены заметному влиянию этого фактора. Необходимо отметить эффективность прибора УК1401 для подобных измерений.
Стабильность результатов его измерений достигается, по-видимому, не только за счет сухого точечного акустического контакта (СТК), но и за счет особого режима возбуждения и приема акустических колебаний: протектор излучающего преобразователя прибора совершает колебания, касательные к поверхности изделия (а не нормальные, как в приборах старых типов). Это возбуждает в бетоне в направлении приема интенсивную подповерхностную продольную волну, которая надежно фиксируется на приеме несмотря на ее значительное затухание в бетоне и точках контакта.
Важным моментом, как уже упоминалось, является выбор поверхности контроля. Произвести сравнение позволило наличие конструктивно предусмотренных в некоторых изделиях, в частности, плитах перекрытий, сквозных проемов с вертикальным расположением стенок. Испытания (рис. 1) показали сопоставимость результатов оценки прочности бетона, полученных ультразвуковым импульсным методом на горизонтальной открытой поверхности плиты (0,25 пов., рис. 1) и вертикальной гладкой поверхности на 3 см ниже уровня поверхности — разница в оценке прочности не превышала 5-7%. Значительно большее отличие оценок прочности бетона от средней по сечению плиты наблюдается при контроле донной зоны — разница достигает 35% и более. Для механических методов испытаний картина выглядит несколько сложнее — проявляется фактор времени: на самой начальной стадии твердения (1-2 сут.), когда бетон еще "мягкий", качество поверхности практически не отражается на результатах измерения. По мере набора прочности "поверхностная" оценка начинает отставать от "пристеночной" оценки изделия, достигая к 28 суткам лишь 60-70% от нее. Это позволяет для контроля по поверхности при оценке начальной стадии твердения бетона (до 3-4 сут.) рекомендовать механические методы контроля как менее технологозависимые. По мере твердения бетона это их достоинство теряется, и преимущество переходит к ультразвуку.
Рис. 1. Распределение значений прочности бетона плиты перекрытия толщиной 0,22 м по высоте сечения по результатам ультразвукового контроля: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 4,5 суток, прочность бетона образцов-кубов — 21,2 МПа.
Рис. 2. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 1 сутки, шаг горизонтальных осей — 8 м
Рис. 3. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 4 суток, шаг горизонтальных осей — 8 м
Рис. 4. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 3 месяца, шаг горизонтальных осей — 8 м
Оперативность в выполнении измерений неразрушающими методами дает возможность получать большие массивы данных о прочности бетона изделий в различных точках. Такая возможность в совокупности с компьютерной обработкой данных позволяет визуализировать процесс набора прочности по всей площади изделия. На рис. 2, 3 и 4 представлены характерные картины распределения оценок прочности по поверхности плиты перекрытия для различных значений возраста бетона. Оценки прочности получены на основе совместного учета данных ультразвукового контроля и данных механических методов. Наблюдающаяся в отдельных случаях значительная дифференциация оценок прочности бетона по площади плиты по мере созревания бетона снижалась. Если в возрасте бетона до 2-3 суток величина Rmax/Rmin достигала значений 1,8-2,5 (рис. 2), то к моменту достижения 28-суточного и большего возраста эта величина снижалась до 1,2-1,4 (рис. 4). При этом топография картины прочности, как правило, сохраняется, хотя и сглаживается. Аналогичные картины только для ультразвукового метода, имеющего высокую чувствительность к структурным нарушениям контролируемой среды, выглядят более рельефными, что, по нашему мнению, свидетельствует о присутствии именно этого фактора в снижении прочности бетона в изделии. В пользу этого предположения свидетельствует и повышенная трещиноватость бетона в зонах с пониженной прочностью, особенно на границах с более прочными областями. Значительная дифференциация прочности по площади плиты (до 4-кратной) к 28-суточному возрасту снизилась до 1,5. Характерным явилось большое количество усадочных трещин в зоне, где прочность в раннем сроке твердения была низкой.
Анализ данных кинетики твердения бетона показал наличие следующих характерных моментов:
— интенсивный рост оценок прочности по всем трем использованным методам начиная непосредственно с момента схватывания бетона;
— резкое замедление процесса твердения в интервале сроков 3-5 суток (при среднесуточной температуре 16°-20°С).
Весьма характерными выглядят данные ультразвукового контроля, опережающие рост оценок прочности бетона механическими методами: возрастание скорости ультразвукового импульса в первые 2-3 дня с последующим резким замедлением на 4-5-е сутки. В некоторых случаях наблюдался выраженный максимум для скорости ультразвука в интервале сроков 3-5 суток. Наличие точки экстремума является косвенным признаком завершения начальной стадии набора прочности — формирования "каркаса" твердой структуры бетона — и может служить сигналом о приближении к его распалубочной прочности. Что касается оценки абсолютного значения кубиковой прочности бетона на данной стадии твердения, то, как указывалось выше, приоритет здесь следует отдать механическим методам. Сказанное отнюдь не означает, что ультразвук неприменим для этой цели. Наоборот, используя данные ультразвукового контроля, следует вводить поправки к данным механических методов. Даже при выполнении простого усреднения данных трех использованных методов ни разу полученная оценка прочности бетона не отличалась от данных испытания кернов более, чем на 20%.
Подводя итог вышеизложенному, можно констатировать:
— Неразрушающий контроль прочности бетона не отрицает применения разрушающих испытаний, особенно в спорных ситуациях. И, дополняя их достоверной и значительно более объемной информацией о состоянии монолитного бетона, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации изделий в целом.
— Одним из факторов, препятствующих применению неразрушающего контроля прочностных характеристик бетона, является неразвитость нормативной базы, ее отставание от развития самих средств контроля, а также отсутствие развернутых рекомендаций по их использованию в конкретных технологических условиях.
— Определенную тормозящую роль играет и субъективный фактор, когда неразрушающий контроль бетона вскрывает локальные нарушения в технологии бетонирования, которые остались бы незамеченными при традиционной оценке его качества.
С. ЛЕОНОВИЧ, доктор техн. наук, Д. СНЕЖКОВ (Белорусский национальный технический университет), М. АШМЯН (ОАО "Минскпромстрой")
Достоверность и технологическая надежность неразрушающих методов контроля бетонных изделий зависит как от метрологических характеристик применяемых средств контроля, от степени надежности используемых характеристик связи "измеряемый косвенный параметр — прочность бетона", так и от конкретных технологических условий их применения. Обеспечить на строительной площадке рекомендуемые нормативными документами условия применения неразрушающих методов контроля бывает затруднительно во многих случаях. В частности, технология монолитного строительства далеко не всегда может обеспечить необходимое качество открытой поверхности изделия, а доступ к "качественным" донным и боковым поверхностям закрыт опалубкой. Вследствие этого главным критерием оценки распалубочной прочности бетона по-прежнему остается результат испытаний образцов-кубов, условия твердения которых, как показывает практика, могут заметно отличаться от условий твердения самого изделия. В настоящее время к наиболее развитым средствам неразрушающего контроля прочностных характеристик бетона можно отнести приборы, реализующие метод упругого отскока (молоток Шмидта), метод пластической деформации, ультразвуковой импульсный метод, ударно-импульсный метод и условно неразрушающий метод, или, точнее, метод локального разрушения — метод отрыва со скалыванием. У каждого из перечисленных методов есть свои сильные и слабые стороны. Авторами в период с 2003 по 2004 гг. на объектах г. Минска был выполнен ряд работ по оценке эффективности различных методов неразрушающего контроля монолитного бетона с целью отслеживания кинетики и уточнения сроков набора изделием распалубочной прочности. Основной тип изделий — плиты основания, плиты перекрытий и колонны. Контроль осуществлялся двумя типами приборов: склерометром ОМШ-1 (ГОСТ-22690) и ультразвуковым тестером УК1401. Ряд измерений выполнен прибором ИПС-МГ4, реализующим ударно-импульсный метод контроля. Кроме использования перечисленных средств, производилась выборка образцов-кернов из контролируемых изделий и испытания образцов — кубов бетона.
Оценка прочности бетона на ранней стадии твердения (1-4 сут.) плит основания и перекрытий осуществлялась, как правило, на основе измерений свойств бетона открытой верхней поверхности, имеющей неровности 2-7 мм. В летний период на многих изделиях наблюдались явные признаки пересушивания верхнего слоя. Очевидно, что указанные условия далеки от благоприятных для применения перечисленных средств контроля. Именно по этой причине полученные при испытаниях результаты представляют интерес и могут способствовать более широкому применению неразрушающих средств контроля в практике монолитного строительства. Методика обмера пикетных точек контроля заключалась в получении 8-11 отсчетов с зоны поверхности размером 0,5х0,5 м. Оценка прочности для ультразвукового контроля производилась по формуле: R=AeBt, где R — кубиковая прочность бетона (МПа), t — время распространения (мкс) УЗК на постоянной базе 150 мм, А = 309,075 и B = -0,07185 — коэффициенты.
Данные прибора ОМШ-1 (зав. №0896) обрабатывались с использованием полиномиального представления функции связи: R=-0,84763+0,19135x-0,000424x2+0,000202x3, где R — кубиковая прочность (МПа), x — величина отскока. В приборе ИПС-МГ4 использовалась типовая усредненная характеристика. Необходимо заметить, что указанные тарировочные кривые были получены после значительной коррекции на основании данных испытаний бетона методом отрыва со скалыванием и испытаний выбранных образцов-кернов. В частности, использование для ультразвука тарировочной кривой, построенной по ГОСТовской методике на основании лабораторных испытаний кубиков и призм из используемых марок бетонов, приводило к заметному завышению оценок прочности готовых изделий. Вероятной причиной этого может являться иной механизм колебаний прочности бетона в изделии, в отличие от испытательных образцов, где изменения прочности достигались, в основном, вариацией дозировки цемента.
Во избежание влияния арматуры первые серии измерений прочности бетона проводились в зонах, свободных от армирования. В дальнейшем выявилось, что, несмотря на интенсивное армирование изделий (шаг армирования — 15-22 см, диаметр арматуры — 12-25 мм, толщина защитного слоя — 35-55 мм), его заметного влияния на показания приборов не наблюдалось за исключением случаев уменьшения защитного слоя до 25-30 мм и раскрытия трещин в зоне контроля усадочных трещин на поверхности, что легко фиксировалось ультразвуковыми измерениями. Наличие трещин фиксировалось по заметному (на 20-40%) увеличению времени прохождения, причем визуально трещина обнаруживалась не всегда. Оценки глубины трещин, выполненные по формуле:
где DC — глубина трещины; В — база прозвучивания, t0 и t — отсчеты времени прохождения волны соответственно параллельно трещине и через трещину, TК — поправка, — дали значения в пределах толщины защитного слоя (30-70 мм).
Для оценки степени влияния состояния поверхности плит на оценки прочности были выполнены серии измерений на выровненных, шлифованных абразивным камнем поверхностях и "как есть". В таблице 1 приведены некоторые результаты. Данные в столбцах 2 и 4 получены после сошлифовывания неровностей поверхности бетона, в столбцах 1 и 3 — без обработки поверхности. Видно, что результаты ультразвуковых испытаний, в отличие от данных ОМШ-1, не подвержены заметному влиянию этого фактора. Необходимо отметить эффективность прибора УК1401 для подобных измерений.
Стабильность результатов его измерений достигается, по-видимому, не только за счет сухого точечного акустического контакта (СТК), но и за счет особого режима возбуждения и приема акустических колебаний: протектор излучающего преобразователя прибора совершает колебания, касательные к поверхности изделия (а не нормальные, как в приборах старых типов). Это возбуждает в бетоне в направлении приема интенсивную подповерхностную продольную волну, которая надежно фиксируется на приеме несмотря на ее значительное затухание в бетоне и точках контакта.
Важным моментом, как уже упоминалось, является выбор поверхности контроля. Произвести сравнение позволило наличие конструктивно предусмотренных в некоторых изделиях, в частности, плитах перекрытий, сквозных проемов с вертикальным расположением стенок. Испытания (рис. 1) показали сопоставимость результатов оценки прочности бетона, полученных ультразвуковым импульсным методом на горизонтальной открытой поверхности плиты (0,25 пов., рис. 1) и вертикальной гладкой поверхности на 3 см ниже уровня поверхности — разница в оценке прочности не превышала 5-7%. Значительно большее отличие оценок прочности бетона от средней по сечению плиты наблюдается при контроле донной зоны — разница достигает 35% и более. Для механических методов испытаний картина выглядит несколько сложнее — проявляется фактор времени: на самой начальной стадии твердения (1-2 сут.), когда бетон еще "мягкий", качество поверхности практически не отражается на результатах измерения. По мере набора прочности "поверхностная" оценка начинает отставать от "пристеночной" оценки изделия, достигая к 28 суткам лишь 60-70% от нее. Это позволяет для контроля по поверхности при оценке начальной стадии твердения бетона (до 3-4 сут.) рекомендовать механические методы контроля как менее технологозависимые. По мере твердения бетона это их достоинство теряется, и преимущество переходит к ультразвуку.
Рис. 1. Распределение значений прочности бетона плиты перекрытия толщиной 0,22 м по высоте сечения по результатам ультразвукового контроля: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 4,5 суток, прочность бетона образцов-кубов — 21,2 МПа.
Рис. 2. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 1 сутки, шаг горизонтальных осей — 8 м
Рис. 3. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 4 суток, шаг горизонтальных осей — 8 м
Рис. 4. Распределение оценок прочности бетона по площади плиты перекрытия: класс бетона по прочности — В30, возраст бетона — 3 месяца, шаг горизонтальных осей — 8 м
Оперативность в выполнении измерений неразрушающими методами дает возможность получать большие массивы данных о прочности бетона изделий в различных точках. Такая возможность в совокупности с компьютерной обработкой данных позволяет визуализировать процесс набора прочности по всей площади изделия. На рис. 2, 3 и 4 представлены характерные картины распределения оценок прочности по поверхности плиты перекрытия для различных значений возраста бетона. Оценки прочности получены на основе совместного учета данных ультразвукового контроля и данных механических методов. Наблюдающаяся в отдельных случаях значительная дифференциация оценок прочности бетона по площади плиты по мере созревания бетона снижалась. Если в возрасте бетона до 2-3 суток величина Rmax/Rmin достигала значений 1,8-2,5 (рис. 2), то к моменту достижения 28-суточного и большего возраста эта величина снижалась до 1,2-1,4 (рис. 4). При этом топография картины прочности, как правило, сохраняется, хотя и сглаживается. Аналогичные картины только для ультразвукового метода, имеющего высокую чувствительность к структурным нарушениям контролируемой среды, выглядят более рельефными, что, по нашему мнению, свидетельствует о присутствии именно этого фактора в снижении прочности бетона в изделии. В пользу этого предположения свидетельствует и повышенная трещиноватость бетона в зонах с пониженной прочностью, особенно на границах с более прочными областями. Значительная дифференциация прочности по площади плиты (до 4-кратной) к 28-суточному возрасту снизилась до 1,5. Характерным явилось большое количество усадочных трещин в зоне, где прочность в раннем сроке твердения была низкой.
Анализ данных кинетики твердения бетона показал наличие следующих характерных моментов:
— интенсивный рост оценок прочности по всем трем использованным методам начиная непосредственно с момента схватывания бетона;
— резкое замедление процесса твердения в интервале сроков 3-5 суток (при среднесуточной температуре 16°-20°С).
Весьма характерными выглядят данные ультразвукового контроля, опережающие рост оценок прочности бетона механическими методами: возрастание скорости ультразвукового импульса в первые 2-3 дня с последующим резким замедлением на 4-5-е сутки. В некоторых случаях наблюдался выраженный максимум для скорости ультразвука в интервале сроков 3-5 суток. Наличие точки экстремума является косвенным признаком завершения начальной стадии набора прочности — формирования "каркаса" твердой структуры бетона — и может служить сигналом о приближении к его распалубочной прочности. Что касается оценки абсолютного значения кубиковой прочности бетона на данной стадии твердения, то, как указывалось выше, приоритет здесь следует отдать механическим методам. Сказанное отнюдь не означает, что ультразвук неприменим для этой цели. Наоборот, используя данные ультразвукового контроля, следует вводить поправки к данным механических методов. Даже при выполнении простого усреднения данных трех использованных методов ни разу полученная оценка прочности бетона не отличалась от данных испытания кернов более, чем на 20%.
Подводя итог вышеизложенному, можно констатировать:
— Неразрушающий контроль прочности бетона не отрицает применения разрушающих испытаний, особенно в спорных ситуациях. И, дополняя их достоверной и значительно более объемной информацией о состоянии монолитного бетона, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации изделий в целом.
— Одним из факторов, препятствующих применению неразрушающего контроля прочностных характеристик бетона, является неразвитость нормативной базы, ее отставание от развития самих средств контроля, а также отсутствие развернутых рекомендаций по их использованию в конкретных технологических условиях.
— Определенную тормозящую роль играет и субъективный фактор, когда неразрушающий контроль бетона вскрывает локальные нарушения в технологии бетонирования, которые остались бы незамеченными при традиционной оценке его качества.
С. ЛЕОНОВИЧ, доктор техн. наук, Д. СНЕЖКОВ (Белорусский национальный технический университет), М. АШМЯН (ОАО "Минскпромстрой")
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 51 за 2004 год в рубрике материалы и технологии
