Определение прочностных характеристик железобетонных и каменных конструкций

Важнейшей нормируемой характеристикой и показателем качества железобетонных конструкций, определяемой при обследовании зданий и сооружений, является прочность бетона, или соответствующий ей класс бетона.

Как правило, фактическую прочность (класс) устанавливают для оценки соответствия проектной прочности (класса) бетона при наличии проектной и рабочей документации либо для получения новых сведений о прочности бетона, на который документация отсутствует.

В расчетах железобетонных конструкций используется призменная прочность бетона на сжатие, однако на практике извлечение образцов такой формы из тела конструкций достаточно проблематично. Ввиду этого в настоящее время при обследовании железобетона определяется прочность материала на осевое сжатие, получаемое на основании неразрушающих методов (подразделяющиеся на прямые и косвенные), а также разрушающих испытаний.

В расчетах железобетонных конструкций используется призменная прочность бетона на сжатие, однако на практике извлечение образцов такой формы из тела конструкций достаточно проблематично. Ввиду этого в настоящее время при обследовании железобетона определяется прочность материала на осевое сжатие, получаемое на основании неразрушающих методов (подразделяющиеся на прямые и косвенные), а также разрушающих испытаний.

Наша компания предоставляет услуги по четырем наиболее распространенным и точным методам определения прочности бетона, а именно:

• лабораторный метод (разрушающий),

• метод отрыва со скалыванием (неразрушающий прямой),

• метод ударного импульса (неразрушающий косвенный),

• ультразвуковой метод (неразрушающий косвенный). 

Все методы подходят и для сборных изделий (конструкций), и для конструкций из монолитного железобетона.
Первые два метода можно проводить и автономно, и параллельно для получения исчерпывающих данных о прочности бетона конструкций зданий и сооружений, так как они являются наиболее достоверными.

Метод ударного импульса и ультразвуковой метод являются неразрушающими косвенными и самостоятельно используются лишь для получения приближенных, оценочных результатов. Это обусловлено тем, что зависимость между косвенной измеряемой характеристикой и прочностью на осевое сжатие может варьироваться из-за случайных факторов, например, точного фактического зернового состава, вид цемента, водоцементного соотношения, условий твердения и набора прочности бетона, в том числе климатические. Для вычисления точных данных, сопоставимых с реальными значениями прочности бетона, устанавливаются градуировочные зависимости для каждого типа бетона (конструкций) на основе параллельных испытаний прямым методом, в данном случае методе отрыва со скалыванием или лабораторного.

У каждого из методов есть как и свои плюсы, так и минусы, эталонного метода не существует. По своему «юридическому» статусу методы по действующим нормативам уравнены. 

В целом, исходя из своего многолетнего опыта, наша компания чаще всего при обследовании железобетонных конструкций зданий и сооружений проводит параллельные испытания и комбинирует вышеперечисленные методы для получения наиболее четкой, надежной, ясной и достоверной картины о представлении прочностных характеристик бетона строительных конструкций. Однако точные методы и количество испытаний, входящие в программу проведения технического обследования, выбираются для каждого объекта индивидуально по ряду множества причин.

Лабораторный метод

Используемые приборы и оборудование: локатор арматуры ПОИСК-2.6 (свидетельство о поверке № СП 2882611) или георадар Proceq GPE Live, установка алмазного бурения KEOS KS-250 set, гидравлических пресс в лаборатории. Норматив: ГОСТ 28570-2019. 

Является базовым и самым точным методом по ряду причин: происходит непосредственное измерение искомого значения прочности бетона на осевое сжатие на прессе в лаборатории, к плюсам можно отнести также и производство отбора пробы материала из тела конструкции, а не только с поверхности. Метод необходим в первую очередь для ответственных конструкций, однако для рядовых конструкций его так же желательно использовать для установки градуировки или сверки результатов с параллельным испытанием прямого неразрушающего метода.

Преимущества

• Наибольшая точность и достоверность результатов среди всех методов, диапазон измерения прочности в целом не ограничен и зависит от конкретной испытательной установки.

• Влияние внешних факторов на результат (влажности, армирования, дефектов поверхностного слоя и прочих) сводится к минимуму.

• По отобранным образцам можно дополнительно визуально определить структуру бетона (вид размер заполнителя, ношения заполнителя к раствору), залегание арматуры (защитный слой) и саму арматуру в случае ее попадания в тело керна, а также каких-либо внутренних дефектов, таких как, поры вследствие низкого качества технологии строительства.

Недостатки

• По программе проведения обследования выбирается контрольный участок, на поверхности которого предварительно определяется и отмечается расположение арматурных стержней с помощью локатора ПОИСК-2.6 либо георадара Proceq GPE Live.
  
• Устанавливается бур KEOS KS-250 set между отмеченными стержнями арматуры на поверхности участка, чтобы они не попали в будущую пробу, далее непосредственно производится бурение керна (цилиндра) из тела конструкции.

• Отобранные образцы маркируются и отправляются в лабораторию, куда также предоставляют необходимую информацию о кернах.

• Согласно нормативу в зависимости от диаметра образца-цилиндра и его высоты в лаборатории сами образцы могут быть разделены на несколько контрольных. Если размер выбуренных образцов уже соответствует необходимым размерам контрольных образцов, то их перед испытанием на сжатие их необходимо только прошлифовать, сделав поверхности плоскими и ровными.

• На гидравлическом прессе проводится испытания на осевое сжатие уже подготовленного контрольного образца до его разрушения, фиксируется максимальная прочность. Оформляются протоколы испытаний.

Метод отрыва со скалыванием

Используемые приборы и оборудование: перфоратор, измеритель прочности ОНИКС-1.ОС (свидетельство о №12691/2020). Норматив: ГОСТ 22690-2015.

Данный неразрушающий прямой метод является, вероятно, самым распространенным и оптимальным в обследовании зданий и сооружений на сегодняшний момент. Физический смысл испытания отрыва со скалыванием основан на связи прочности бетона со значением усилия местного разрушения бетона при вырыве из него специального анкерного устройства. Отрыв со скалыванием рекомендован для использования в качестве базового метода во всех случаях, когда затруднительно извлечь достаточное количество кернов для испытаний разрушающими методами.

Преимущества

• Большая точность получаемых результатов.

• Простота использования прибора ОНИКС-1.ОС.

• Менее трудоемкий и долгий по выполнению в сравнении с лабораторными испытаниями.

• Достоверные данные получаются сразу после испытания благодаря тому, что в приборе ОНИКС-1.ОС заранее задаются необходимые коэффициенты, учитывающие проскальзывание анкера, его тип, а также вид бетона и крупность заполнителя.

• Наличие в нормативе четких указаний и пояснений по градуировочным зависимостям, с помощью которых можно проводить и максимально уточнять испытания неразрушающими косвенными методами.

• Присутствует набор различных типов анкеров в зависимости от предполагаемого класса бетона, благодаря чему прибор предоставляет возможность оценки бетона любого типа и любой прочности.

• Прибор ОНИКС-1.ОС имеет собственный запатентованный анкер с зубом, главным достоинством которого является большее сцепление с бетоном, чем у приоров-аналогов, вследствие чего минимизируется вероятность проскальзывания анкера, а, значит, и некачественного измерения.

• Легкая работы с результатами, полученными при испытании (при помощи сервисной программы просмотр данных, удаление данных, экспорт данных в MS Excel, экспорт данных в PDF, печать отчета, просмотр промежуточных измерений, просмотр и печать диаграммы промежуточных измерений).

Недостатки

• Требуется предварительная работа по поиску арматурных стержней в теле бетонной конструкции – аналогично лабораторному методу. В нормативе указан минимальный радиус, в пределах испытания которого арматурных стержней не должно быть, т.к. они существенно могут повлиять на показания прибора.

• Более трудоемкий и длительный в сравнении косвенными испытаниями (поэтому при больших объемах работ обычно комбинируется с ними).

• Результаты менее точны в сравнении с самым главным лабораторным методом в силу того, что отрыв со скалыванием измеряет прочность лишь поверхностного слоя бетона, а с глубиной она может иметь несколько другое значение.

• Невозможность реалистичной оценки сильноармированных и тонких конструкций.

Методика проведения испытаний

• По программе проведения обследования выбирается контрольный участок, на поверхности которого предварительно определяется и отмечается расположение арматурных стержней с помощью локатора ПОИСК-2.6 либо георадара Proceq GPE Live.

• В середине отмеченного участка между стержнями арматуры (чтобы арматура не попадала в зону отрыва и не влияла на результат измерения) перпендикулярно поверхности просверливается шпур сверлильным или ударно-вращательным инструментом (перфоратором) определенной глубиной в зависимости от анкера.

• В шпуре устанавливается кольцевая проточка с помощью специального ручного расточного устройства или устройства с электроприводом (у которого имеется алмазный диск).

• В шпур устанавливается и закрепляется анкер, он цепляется зубом за канавку-проточку. На анкер ставится и крепится гидропресс прибора ОНИКС-1.ОС. Прибор включается, на нем задаются предварительно параметры и коэффициенты для испытуемого бетона. Далее путем нагружения гидропресса (вращения ручки прибора) наращивается усилие на анкере, в результате чего происходит отрыв со скалыванием, прибор автоматически фиксирует разрушающее усилие и экстремальную прочность и показывает соответствующий ей класс бетона.

• Результаты заносятся в протоколы либо выгружаются с прибора. 

Метод ударного импульса

Используемые приборы и оборудование: измеритель прочности ударно-импульсный (склерометр) ОНИКС-2.6 (свидетельство о поверке № СП 2882637). Норматив: ГОСТ 22690-2015.

Позволяет оценить прочность, твердость, упругопластические свойства, и, кроме того, выявлять неоднородности, зоны плохого уплотнения бетона. Метод основан на измерении энергии удара и её изменения в момент соударения бойка с поверхностью бетона. 

Метод является косвенным и без градуировочной зависимости не является достоверным. Без градуировки погрешность может составлять до ±50%, что недопустимо и может использоваться только для грубой оценки прочности. Для получения градуировочной зависимости параллельно с ударно-импульсным методом проводится в обязательном порядке прямой метод измерения прочности бетона, например, лабораторный метод или отрыва со скалыванием.

Преимущества

• Большой диапазон измерения прочности: до 100 МПа. Это предоставляет возможность испытывать прибором данного конструкции высокопрочных бетонов.

• Широкий диапазон рабочих температур, при которых можно проводить исследования: от -20 до +50^оС.

• Простота работы с прибором, скорость использования, отсутствие необходимости разрушения поверхности.

• Возможность испытаний не только бетона, но и растворов, строительной керамики.

• Получение предварительных данных на месте проведения испытаний (возможность на месте определить дефектные участки конструкций).

• Легкая работа с результатами, полученными при испытании (при помощи сервисной программы просмотр данных, удаление данных, экспорт данных в MS Excel, экспорт данных в PDF, печать отчета, просмотр промежуточных измерений, просмотр и печать диаграммы промежуточных измерений).

Недостатки

• Необходимость подготовки поверхности. Любые неровности и шероховатости поверхности очень сильно влияют на показания прибора, в результате чего погрешность может оказаться значительной.

• Зависимость от прямого метода, необходимость построения градуировочной зависимости. Получение точных результатов только после достаточно объемной обработки.

Методика проведения испытаний

• Испытание преимущественно проводится на участке конструкции не менее 100 см².

• Число и расположение участков должно приниматься по программе испытаний, но не менее 10 ударов.

• Граница участка испытания должна быть не менее 50 мм от края конструкции.

• Расстояние между точками испытания должно быть не менее 15 мм.

• Шероховатость участка испытаний должна быть не более 400 мкм, в противном случае производится зачистка поверхности абразивным камнем с последующей очисткой поверхности от пыли.

• Сопоставление полученных данных по результатам испытаний с градуировочной зависимостью или уточнение градуировочной зависимости путем ввода коэффициента совпадения К_с.

• Распечатка или выгрузка результатов измерений, дальнейшее построение градуировочной зависимости и уточнение натурных измерений, занесение их в протоколы.

Ультразвуковой метод

Используемые приборы и оборудование: ультразвуковой измеритель прочности ПУЛЬСАР-2.2 (свидетельство о поверке №12691/2020). Норматив: ГОСТ 17624-2012.

Быстрый метод для контроля прочности бетона, его однородности и класса на основании поверхностного или сквозного измерения в нем времени и скорости распространения ультразвука. Метод также является косвенным и без градуировочной зависимости не является достоверным. Без градуировки погрешность может составлять до ±30-50%, что недопустимо и может использоваться только для грубой оценки прочности. Для получения градуировочной зависимости параллельно с ударно-импульсным методом проводится в обязательном порядке прямой метод измерения прочности бетона, например, лабораторный метод или отрыва со скалыванием.

Преимущества

• Высокая скорость проведения испытаний, простота использования прибора.
• Способность проведения как поверхностного, так сплошного (сквозного) измерения конструкции. При двустороннем доступе к конструкции (стены, колонны, перегородки, диафрагмы и др.) используется, как правило, сплошной прозвучивание, в противном случае стены фундаментов, плиты, полы по грунту – первым способом.

• Обширный диапазон измерения скорости ультразвука, позволяющий в том числе контролировать материалов с низкой плотностью и соответственно низкой ультразвуковой скорости.

• Легкая работа с обработкой результатов, полученными при испытании (при помощи сервисной программы просмотр данных, удаление данных, экспорт данных в MS Excel, экспорт данных в PDF, печать отчета, просмотр промежуточных измерений, просмотр и печать диаграммы промежуточных измерений).

• Дополнительный полезный функционал прибора ПУЛЬСАР-2.2: аналогичные функции распространяются не только на бетонные, но и на материалы из других конструкций, кроме того, непосредственно на объекте можно сразу обнаружить дефектные участки, провести измерение глубины трещин, определить расположение и размеры внутренних скрытых пустот, оценить пористость и трещиноватость.  Прибор имеет ручной режим измерения и вспомогательный софт (просмотр осциллограмм принимаемого сигнала) для более быстрого расчета градуировочных зависимостей.

Недостатки

• Зависимость от прямого метода, необходимость построения градуировочной зависимости. Получение точных результатов только после обработки.

• Без градуировочной зависимости погрешность измерений может достигать ±30-50%.

Метод проведения испытаний

• Особых предварительных работ метод не требует. При включении необходимо стандартно задать необходимые характеристики испытания (например, способ прозвучивания, нужное число измерений в серии, по результатам которой будет сформирован результат), определяемые программой технического обследования, и характеристики материала (вид, состав), параметры калибровки для определенного типа измерения.

• Далее непосредственно проводится измерение при установке испытующего датчика прибора перпендикулярно поверхности контролируемого участка. При завершении необходимого числа измерений в серии прибор показывает результат средней скорости ультразвука, средней прочности и соответствующей ей класса бетона, а также коэффициент вариации и коэффициент неоднородности. Результаты сохраняются в архиве прибора.

• Распечатка или выгрузка результатов измерений, дальнейшее построение градуировочной зависимости и уточнение натурных измерений, занесение их в протоколы.