Метрология стандартизация и сертификация в строительном материалове
..pdf
Рис. 5.10. Косвенные характеристики определяют в направлении, перпендикулярном направлению бетонирования
Точность неразрушающих методов складывается из точности измерения принятой косвенной характеристики Xi и точности используемой зависимости f, по которой вычисляют прочность. Необходимым условием применения любого метода является достаточная точность измерения определяемой характеристики Xi. Для ряда методов нужна специальная аппаратура с высокой точностью измерения, например для времени распространения ультразвука. Однако точность измерения имеет пределы, за которыми ее повышение уже не способствует более точному определению прочности. Диаметр лунки у склерометрического метода можно измерить с точностью 0,01 мм и более. Однако вряд ли такая точность необходима, поскольку влияние шероховатости и низкая чувствительность функции не позволяют учесть малые изменения прочности. Большое влияние на точность измерения имеет непостоянство зависимости величины косвенной характеристики от прочности бетона, связанной с изменением его состава, различными свойствами составляющих компонентов, условиями твердения, состоянием поверхности и другими факторами.
311
Такое положение в ряде случаев требует определения зависимости Xi от Rc экспериментальным путем в каждом конкретном случае для конкретного состава бетона, что иногда затрудняет или исключает полностью применение метода.
Непостоянство связи Ri = f (Хi) приводит к тому, что каждому частному значению Xi соответствует не одно какое-то значение Ri, а целый ряд значений в диапазоне от Ri – Rin до Ri + Rin, где Ri и Rin – абсолютные значения точности, соответствующие данной величине Ri. Следовательно, как бы точно мы не измеряли величину косвенной характеристики, абсолютно точно измерить Rn неразрушающими методами невозможно. Повышение точности можно достигнуть только за счет определения функции конкретно для того состава бетона, который предполагается испытывать.
Метод пластических деформаций
Этот метод заимствован из практики определения твердости материалов и иногда называется склерометрическим по названию приборов – склерометров.
Метод основан на использовании зависимости между прочностью бетона и размером отпечатка, полученного вследствие пластических деформаций от вдавливания сферического штампа,
Rc = f (Eпл) |
(5.19) |
где Епл – пластические деформации растворной части бетона.
Штамп может вдавливаться статической или динамической нагрузкой. Наибольшее распространение полу-
312
чили приборы, в которых штамп вдавливается динамической нагрузкой в виде удара, который наносится с помощью молотка или путем использования энергии сжатой пружины. При этом удар должен наноситься в растворную часть бетона.
В качестве штампа могут применяться диски, конусы, четырехгранная пирамида, но чаще всего используют ударники со сферическим наконечником.
Исследования твердости металлов и некоторых других кристаллических материалов показали, что размер вдавливаемого шарика должен отвечать условию
0,2D < d < 0,6D, |
(5.20) |
где D – диаметр шарика, d – диаметр отпечатка.
Если это условие не соблюдается, то рекомендуется уменьшить диаметр шарика или увеличить силу удара.
Полученный отпечаток имеет сферическую форму и может быть охарактеризован величиной диаметра лунки d или ее глубиной h.
Измерить h с такой же точностью, как и d, значительно труднее. Кроме того, при измерении размеров лунки величина h колеблется в меньших пределах, чем d.
Исходя из схемы, приведенной на рис. 5.11, можно записать:
D |
2 |
||
|
|
− h |
|
2 |
|||
|
|
||
отсюда
d 2
4
+ |
d |
2 = |
D |
2 |
, |
|
|
|
|||||
2 |
|
2 |
|
|
||
= h(D − h).
(5.21)
(5.22)
313
Рис. 5.11. Схема вдавливания сферического штампа: 1 – стальной шарик, 2 – исследуемый бетон
Из полученного выражения следует, что при изменении d в пределах от 0,2 D до 0,6 D величина h изменится только в пределах от 0,01 D до 0,09 D. Таким образом, измерить диаметр отпечатка существующими приборами можно значительно точнее, чем его глубину.
Использование метода пластических деформаций было положено в основу создания большого числа приборов для измерения прочности бетона. Первые исследования в области применения пластических деформаций для оценки прочности бетона были проведены Б.Г. Скрамтаевым и в дальнейшем развиты Н.А. Физделем, К.П. Кашкаровым, М.Ю. Лещинским, М.А. Новгородским и другими, а за рубежом – Крэбсом, Мильсом, Джиуси, Вандонсом и Вильямсом и другими учеными. В результате этих исследований появилось множество приборов и устройств, основанных на использовании метода пластических деформаций. Наибольшее распространение на строительных площадках получили только те приборы, которые имеют простую конструкцию, надежны и удобны в эксплуатации, иногда в ущерб точности измерения.
314
Шариковый молоток Н.А. Физделя
Ручной шариковый молоток изготавливается из инструментальной стали, с одной стороны его имеется сферическое гнездо, в котором завальцован стальной шарик диаметром 17,463 мм. Масса молотка – 250 г.
Прочность бетона определяют локтевым ударом молотка по поверхности бетона. В результате этого удара в бетоне проявляются пластические деформации и на поверхности остается отпечаток сферической формы. Прочность бетона Rс определяют по графику в зависимости от диаметра отпечатка dб, т.е.
Rс = f (dб). |
(5.23) |
Величину dб можно измерить с помощью угловой масштабной линейки, мерительной лупой Польди или другим инструментом с точностью 0,1 мм.
Шариковый молоток Н.А. Физделя является практически первым прибором, который получил массовое применение на стройке. Однако точность измерения сравнительно низкая, поскольку на диаметр отпечатка влияет не только прочность бетона, но и сила удара, то есть субъективный фактор. В настоящее время этот молоток не рекомендуется для измерения прочности, а может быть использован только для ориентировочной ее оценки.
Молоток К.П. Кашкарова
Данный молоток отличается от ранее рассмотренного тем, что с целью устранения влияния силы удара на результаты измерения в нем предусмотрена установка эталонного стержня, и во время удара одновременно образуются отпечатки на бетонной поверхности и на эталоне.
315
Прочность бетона определяют по графику в зависимости от величины отношения диаметра отпечатка на бетоне dб к диаметру отпечатка на эталоне dэ
Rc = |
|
dб |
|
|
|
f |
. |
(5.24) |
|||
|
|||||
|
dэ |
|
|||
В данном случае практически исключается влияние силы удара на результаты измерения, поскольку при ее изменении изменяются dб и dэ, а их соотношение должно оставаться постоянным.
Однако такое положение будет справедливым только в том случае, когда испытуемая конструкция и эталонный стержень изготовлены из одного материала, как, например, в приборе Польди для определения твердости стали. В молотке Кашкарова в качестве эталонного стержня применяется круглая сталь марки ВстЗпс диаметром 10 мм, а испытуемый материал является бетоном. Скорость нарастания пластических деформаций при ударе у этих материалов будет различная, поэтому полностью исключить влияние изменения силы удара на результаты измерения не удается, но оно будет в значительной степени меньше, чем у молотка Физделя.
Конструкция молотка приведена на рис. 5.12. Поверхность эталонного стержня не должна подвергаться механической обработке, т.к. при этом увеличится твердость стали по сравнению с эталоном, который применялся при построении графика.
При испытании молоток устанавливают перпендикулярно к поверхности бетона и ударяют другим слесарным молотком по наковальне. Всего наносят на одном участке
316
не менее 5 ударов, при этом расстояние между отпечатками должно быть не ближе 30 мм друг от друга и от края конструкции. После каждого удара эталонный стержень передвигают, чтобы расстояние между центрами соседних отпечатков было не менее 10 мм.
Рис. 5.12. Конструкция молотка К.П. Кашкарова: 1 – корпус; 2 – наковальня; 3 – обрезиненный наконечник; 4 – металлическая
ручка; 5 – обойма; 6 – стакан с отверстиями для шарика и эталонного стержня; 7 – пружина; 8 – шарик диаметром 17,46; 9 – эталонный стержень; 10 – белая бумага; 11 – копировальная бумага;
12 – бетонная конструкция
Для получения более четких отпечатков на бетоне на его поверхности закрепляют копировальную красящим слоем наружу и белую бумагу, и через них наносят удар. В этом случае отпечаток на бетоне будет зафиксирован на бумаге, с которой измеряют dб. Такая методика облегчает процесс измерения диаметра отпечатка.
Отпечатки на бетоне и эталоне нумеруются, а величины диаметров записываются в журнал в определенной последовательности, чтобы каждому значению dб соответствовало свое значение dэ.
317
Прочность бетона определяют по графику, приведенному на рис. 5.13, в зависимости от величины отношения отпечатков dб/ dэ.
Рис. 5.13. График зависимости dб/dэ от прочности бетона
Введение в конструкцию молотка эталонного стержня повысило точность измерения, но вместе с этим увеличило и трудоемкость проведения испытаний. Автоматизации процесс испытания практически не поддается. К недостаткам прибора следует также отнести низкую точность (15–20 %) и то обстоятельство, что с его помощью можно оценить прочность бетона только в поверхностном слое (до10 мм), в котором иногда бетон подвержен карбонизации. Не учитывается возможная адгезия растворной части от зерен крупного заполнителя. Метод практически не чувстви-
318
телен к изменению прочности крупного заполнителя и его зерновому составу.
Однако благодаря простоте конструкции и несложным операциям при проведении испытаний молоток К.П. Кашкарова является одним из самых распространенных приборов, используемых на стройках и заводах ЖБИ. Точность измерения можно несколько повысить, если для каждого конкретного состава бетона строить свои графики.
Пружинный склерометр
В пружинных склерометрах применяется метод пластических деформаций, а для нанесения удара используется энергия сжатой пружины. Конструктивно пружинные склерометры значительно сложнее, чем молоток Кашкарова, но при их эксплуатации в несколько раз повышается производительность контроля.
Использование пружины вместо слесарного молотка преследовало цель нормировать энергию удара и отказаться от применения эталонного стержня. Но со временем происходит старение пружины, т.е. уменьшается усилие при сжатии на определенную длину, в этом случае уменьшается энергия удара.
Для исключения влияния старения пружины на результаты измерения в склерометрах должно быть предусмотрено регулировочное устройство.
На рис. 5.14 приведена конструкция пружинного склерометра ПМ-2. В приборе установлены две пружины 5 и 9, одна из которых 5 соединяет боек 3 с неподвижной втулкой 8. Боек перемещается внутри цилиндрического корпуса 7. Шток 4 бойка соединен с ударником 2, на конце которого находится стальной шарик 1 диаметром 17,463 мм.
319
При касании ударника испытуемой конструкции и плавном нажатии на заднюю крышку 10 шток с ударником и защелкой 6 перемещаются, сжимая при этом пружину 5. После их перемещения на заданную величину защелка 6 соскакивает с бойка, пружина освобождается и шток с ударником наносит удар по бетонной поверхности, оставляя на ней отпечаток.
Рис. 5.14. Пружинный склерометр ПМ-2: 1 – шарик; 2 – удароник; 3 – боек; 4 – шток; 5, 9 – пружины; 6 – защелка;
7 – цилиндрический корпус; 8 – втулка; 10 – крышка
Прочность бетона определяется по графику в зависимости от диаметра отпечатка. Недостатки пружинных склерометров такие же, которые присущи методу пластических деформаций.
Прибор НИИЖБ
Принцип действия прибора основан на создании отпечатка на бетонной поверхности путем вдавливания штампов со сферическими поверхностями радиусами 10, 14, 24 мм. Нагрузку создают с помощью гидравлического домкрата и насосной станции. Прочность бетона определяют по графику в зависимости от диаметра отпечатка. Ввиду большой трудоемкости при проведении испытаний этот прибор не нашел широкого применения.
320