Некоторые особенности использования средств и методов НК при обследовании бетонных и железобетонных конструкций
Об авторах
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
Зав. кафедрой технологии конструкционных материалов и метрологии СПбГАСУ, к. т. н., доцент, специалист II уровня по визуальному и измерительному контролю.
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.