Механические методы, испытания прочности бетона

Механические методы испытания прочности бетона основаны на связи между твердостью бетона или его прочностью на растяжение и прочностью бетона на сжатие.

Твердость бетона определяют путем вдавливания в него ударника. Прочность бетона на растяжение получают при испытании на отрыв.

Имеется много приборов, позволяющих определить твердость бетона. Среди них можно выделить группу приборов, делающих отпечаток только на поверхности бетона.

Образовать вмятины на поверхности бетона можно следующим образом:

- ручным ударом (шариковый молоток И.А. Физделя);

- ударом бойка под действием пружины (приборы МЗ, ЛИСИ, М.А. Новгородского, Оргсовхозстроя, П.И. Звонарева);

- ударом стрельбой или взрывом (метод Б.В. Скромтаева, метод ВИА, строительно-монтажный пистолет);

- ударом бойка под действием силы тяжести - свободного падения (дисковой прибор ДПГ-4, маятниковый молоток);

- статическим вдавливанием штампа в бетон (способ Г.К. Хайдукова А.К. Годера и Р.К. Рачевского).

Одновременное образование вмятин на поверхности бетона и на эталоне можно получить:

- ручным ударом (эталонный молоток К.П. Кашкарова, прибор ДорНИИ., СД-2);

- ударом бойка под действием пружины (приборы Польди-Вайцмана, И.А. Васильева).

В приборах, дающих только отпечатки на бетоне, кроме дискового прибора ДПГ-4 и прибора, основанного на статическом вдавливании, предложенного Г.К. Хайдуковым, А.И. Годером и P.M. Рачевским, размер отпечатков зависит от силы удара, жесткости пружины, давления пороховых газов. В связи с этим точность определения прочности бетона этими приборами невысокая.

Приборы, основанные на одновременном получении отпечатков на бетоне и эталоне, дают большую точность, так как соотношение диаметров отпечатков на бетоне и эталоне не зависит от силы удара.

Наибольшее распространение для определения прочности бетона получили эталонный молоток К.П. Кашкарова и дисковый прибор ДПГ-4. Достаточно надежным является и прибор, основанный на статическом вдавливании штампа в бетон, разработанный Г.К. Хайдуковым, А.И. Годером и P.M. Рачевским.

При ударе эталонным молотком Кашкарова получаются одновременно два отпечатка - на эталоне и бетоне. Рабочим органом молотка является шарик подшипника диаметром 15 мм. Эталоном служит стальной стержень диаметром 10 мм и длиной 160 мм с одним заостренным концом из арматурной стали класса А-1. Поверхность эталонного стержня для лучшей видимости отпечатков не должна быть шлифованной и иметь естественный цвет побежалости. Отношение диаметров отпечатков бетона и эталона db/dg не зависит от силы улара. По среднему значению этих отношений при пяти ударах и тарировочной кривой (рис. 1.18) определяют прочность бетона на сжатие. Точность измерения отпечатков, на бетоне и эталоне должна быть 0,1 мм. Расстояние между соседними отпечатками на эталоне должно быть не менее 10 мм, а на бетоне - не менее 30 мм.

Тарировочные кривые, полученные с помощью молотка Кашкарова, составлены для бетона влажностью 2...6%. При отклонении влажности от этих пределов прочность бетона, полученная по графику, умножается на поправочный коэффициент k_w, определяемый по табл. 1.8.

На исследуемом участке бетонной поверхности наносят 12 оттисков и измеряют их с точностью до 0,5 мм. Среднее значение, размеров оттисков а 60/. Результаты измерений записывают по возрастающим значениям размеров отпечатков. Два больших результата отбрасывают, а среднее арифметическое из трех последующих наибольших результатов принимают как а_m рассчитывают следующим образом / _m Прочность бетона на сжатие вычисляют по формуле

R=0,103CH/(а_ml), (1.32)

где С - коэффициент дискового прибора, МПа, определяемый по табл. 1.9;

Н - высота падения диска, м;

l - длина стержня прибора, м.

Результаты определения прочности бетона на сжатие прибором ДПГ-4 отличаются от результатов испытания стандартных образцов на 10...15% /60/.

В приборе ОП-1, разработанном на основе предложений Г.К. Хайдукова, А.И. Годера и Р.К. Рачевского, оттиски на вертикальной поверхности бетонного изделия ограниченной толщины получают путем вдавливания сферического штампа с помощью ручного масляного насоса. Давление в насосе контролируется манометром.

Более сложны приборы с гидравлическими штампами типа ОРМ-2-250 и ОРП-4-300. С их помощью можно наносить оттиски на поверхности железобетонных изделий толщиной от 30 до 250 мм. В приборы закладывается кассета с двумя лентами из белой и копировальной бумаги. По мере проведения испытаний кассету проворачивают, нумеруя оттиски.

Твердость бетона можно определить также путем измерения упругого отскока ударника. Определение прочности бетона методом упругого отскока осуществляется с помощью молотка Шмидта, прибора Центральной экспериментальной базы ЦНИИСК и маятникового прибора В.В. Царицына, И.Е. Карниловича и Я.Э. Осадчука.

Молоток Шмидта является прибором, наиболее распространённым за рубежом. Прибор состоит из алюминиевого корпуса, в котором по штоку перемешается молоток. Молоток наносит удар по ударнику с помощью пружины. После удара молоток отскакивает на расстояние, фиксируемое при помощи стрелки на шкале прибора. Шкала градуирована в процентах к пути, пройденному молотком при ударе. С учетом угла наклона бетонной поверхности с использованием тарировочной кривой по величине отскока определяется прочность бетона на сжатие. Прибор не рекомендуется для испытания бетона в возрасте менее 7 и больше 90 суток (при естественном твердении) /60/. Такие рекомендации практически исключают применение молотка Шмидта для испытания старых конструкций.

Прибор КИСИ по принципу действия похож на молоток Шмидта, но имеет несколько отличное от последнего устройство. Шкала прибора, фиксирующая отскок молотка, градуирована в миллиметрах. Прибор позволяет производить испытания на наклонных, вертикальных и горизонтальных поверхностях.

Пружинный прибор Центральной экспериментальной базы ЦНИИСК имеет шкалу с градуировкой в кг/см², что упрощает пользование им по сравнению с молотком Шмидта.

Маятниковый прибор В.В. Царицына, Ю.Е. Карниловича и Э.Я. Осадчука состоит из маятника, свободно качающегося на оси, и шкалы для фиксирования его отскока в кг/см60/ точность определения прочности бетона не ниже ±20%. ² . Прибор предназначен для испытания вертикальных поверхностей. По данным авторов прибора /

Определение прочности бетона на растяжение производится испытанием на отрыв. Б.Г. Скрамтаев предложил /60/ просверлить в бетоне скважину, в которую закладывают стальной вырывной стержень и зачеканивают цементным раствором с В/Ц = 0,15...0,18. Перед установкой вырывного стержня отверстие смачивают водой и протирают тампоном. При выдергивании стержня разрыв происходит по бетону конструкции.

И.В. Вольф предложил закладывать в скважину разжимной конус. Разжимной конус состоит из стержня с конической головкой с одной стороны и нарезкой с другой, трех сегментных щек с рифлеными наружными поверхностями, прижимной гайки и спиральной пружины. Разжимной корпус выдергивают так же, как и вырывной стержень, с помощью специального насоса-пресса. Под действием вырывного усилия сегментные щеки вырывают бетон в виде конуса. Развиваемое усилие фиксируют манометром. В зависимости от усилия вырыва по тарировочной кривой определяют прочность бетона на сжатие.

Заделка вырывных стержней и разжимных конусов должна быть не ближе 80 мм от грани конструкции и не ближе 30 мм от арматурных стержней /60/.

При расстоянии между арматурными стержнями менее 100 мм значение прочности бетона, полученное по тарировочной кривой, умножается на коэффициент менее единицы, зависящий от расстояния между арматурными стержнями и прочности бетона /60/.

Прочность бетона на сжатие можно определить также методом местного разрушения путем скалывания «выступающего» ребра испытываемого элемента. Прибор, действие которого основано на этом принципе, получил название ГПНВ-5 /29/.

Преимущество этого метода перед методом вырыва стержней состоит в том, что он не требует сверления скважин в бетоне.

Методы получения прочности бетона путем его скалывания учитывают не только прочностные свойства растворной составляющей бетона, но и влияние крупного заполнителя на его сцепление с раствором.

Следует иметь в виду, что при использовании методов, основанных на испытании на отрыв, на поверхности железобетонных изделий остаются более или менее значительные следы повреждения конструкции. Так что эти методы полностью неразрушающими назвать нельзя.

При наличии растворных кусков бетона размером не менее 10 мм прочность бетона можно определить методом измельчения /60/.

Метод измельчения основан на энергетическом законе разрушения хрупких тел, в соответствии с которым работа А, затрачиваемая на разрушение хрупкого тела, пропорциональна увеличению его поверхности DS:

A=HDS (1.34)

где Н - коэффициент пропорциональности.

Если работа А при испытании остается постоянной, то величина поверхности материала, образуемая при дроблении, может характеризовать его прочность.

Метод определения прочности бетона путем толчения заключается в следующем. От конструкции отбивают куски раствора размером не менее 10 мм. Попавшие куски крупного заполнителя удаляют. Проба состоит из пяти порций, каждая весом 30...80 г. Порцию кладут в копер, в котором гиря весом 2,4 кг падает на пробу с высоты 60 см пять раз.

Раздробленные в копре навески растворной составляющей бетона смешивают и просеивают через сито с ячейками размером 0,5х0,5 мм. Полученную после просеивания пробу высыпают в трубку объемометра и уплотняют легким постукиванием. Определяют высоту столбика пробы l 60/: _m мм. При каждом испытании производят 10 определений и вычисляют среднее арифметическое значение высоты столбика l_m. Чем выше прочность растворной части бетона, тем меньше значение l_m. Прочность бетона на сжатие, МПа вычисляют по формуле, предложенной авторами метода /

R_m=10 l_m, (1.35)

Среднее значение прочности бетона в конструкции можно получить методами, основанными на определении статического модуля упругости по измеренным деформациям. Автором одного из таких методов является Ю.Л. Нилендер.

Исследуемую железобетонную конструкцию загружают нагрузкой, которая не должна вызвать образование трещин в растянутой зоне бетона. С помощью специальных приборов (индикаторов, тензометров, прогибомеров) измеряют значение суммарных деформаций в виде прогибов, углов поворота и перемещений. При испытании изгибаемых элементов определяют тангенсы углов поворота на опорах и прогиб в какой-нибудь точке в пролете. После этого решают уравнения

E_bJ_redtgI=P¢_A; (1.36)

E_bJ_redtgb=P¢_B; (1.37)

E_bJ_redу_i =M¢_i; (1.38)

где P¢_A и P¢_B опорные реакции от фиктивной нагрузки - площади эпюры моментов;

M¢_i - момент от той же нагрузки в точке i, для которой измерялся прогиб;

у_i - прогиб в точке и i;

J_red - момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения.

По формулам (1.36)...(1.38) вычисляют значения жесткости E 63/ или известную формулу, определяют прочность бетона на сжатие: _bJ_red и определяют ее среднее значение. По геометрическим размерам сечения элемента конструкции и сечению арматуры вычисляют значение момента инерции приведенного сечения J_red и по среднему значению E_bJ_red - начальные модуль упругости E_b. Затем, используя таблицу Норм /

R_m=21Еь/(55000-Е_b). (1.39)

Для бетонов, подвергшихся тепловой обработке при изготовлении конструкции, значение R_m, вычисляют по формуле:

R_m =27Еь/(49500-Е_b). (1.40)

Наибольшую погрешность вносит определение прочности бетона по его начальному модулю упругости. Экспериментальные данные показывают, что в этом случае отклонения опытных значений от расчетных могут составлять ±50% /60/.

Недостатком этого метода является и сложность выполнения испытаний. Однако это единственный метод, позволяющий приближенно оценить среднюю прочность бетона во всей конструкции, а не в отдельных точках.