Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий (стр. 8 )

Прочность бетона в образцах неправильной формы, полученных непосредственно из изделия, определяют методом двойных штампов (рис. 14.3). Если образец не имеет параллельных поверхностей, то с помощью раствора выравнивают две противопо­ложные грани блока. Чтобы обеспечить большую точность испытаний, необходимо добиваться пра­вильной центровки штампов на прессе.

Рис. 14.3 – Испытание бетона штампами: 1 - плиты пресса; 2 - штампы; 3 - образец

Механические методы контроля качества бетона. Известно большое количество методов оп­ределения прочности бетона путем механического воздействия на поверхность образца или изделия.

Эти методы в зависимости от особенностей воздействия можно подразде­лить на три группы.

К первой группе относят методы, основанные на определении проч­ности бетона по усилию, необходимому для отрыва и скалывания куска бе­тона с поверхности конструкции или изделия. Наиболее старый метод - вы­дергивание заранее заделанного в бетон стержня. Стержень изготовляют из арматуры периодического профиля или устраивают на его конце специаль­ное уширение для хорошего сцепления с бетоном. При выдергивании, тако­го стержня вместе с ним выкалывается кусок бетона. Испытание проводят с помощью специального устройства на основе гидравлического домкрата с измерителем усилий, необходимых для выдергивания стержня. По этому усилию судят о прочности бетона.

При испытании на вы­дергивание или отрыв зависимость прочности при сжатии Rб (МПа) от уси­лия отрыва РОТР (кН) обычно имеет прямолинейный характер:

(20.4)

где А и В - эмпирические коэффициенты.

Вторая группа механических испытаний основана на измерении твердости бетона, осуществляемом путем вдавливания в его поверхность штампа определенной формы, чаще всего шарообразной. Вдавливание штампа производят ударом, с помощью пружины или другими способами. В результате воздействия на поверхности бетона образуется вмятина, разме­ры которой являются показателем твердости бетона. При применении шаро­образного штампа получают сферический отпечаток. Прочность бетона ус­танавливают в зависимости от диаметра отпечатка по тарировочной кривой, построенной по результатам предварительных испытаний. Диаметр отпе­чатка в этом случае характеризует твердость бетона. Для получения наиболее точных результатов из­мерения требуется, чтобы диаметр отпечатка был бо­лее 0,2D и менее 0,6 D, где D - диаметр шарика. Если диа­метр отпечатка больше ука­занных пределов, то следует уменьшить силу вдавлива­ния; если диаметр отпечат­ков меньше указанных пре­делов, то применяют шарик меньшего диаметра.

Наиболее простой прибор - шариковый моло­ток конструкции , на одном конце которо­го установлен шарик диаметром 17,46 мм. Испытания производят ударом молотка по бетону и замером диаметра отпечатка. На показатель твердости бетона влияет сила удара, а при применении шарикового молотка трудно обеспечить одинаковую силу удара, поэтому этот метод дает боль­шой разброс результатов.

Сравнительно удобны пружинные молотки, которые вдавливают ша­рик в бетон с помощью предварительно сжатой пружины. При спуске пру­жины специальный боек ударяет по бетону. По диаметру отпечатка судят о прочности бетона. Специально оттарированная пружина обеспечивает по­стоянство силы удара, что повышает точность испытания. Однако в пере­носных небольших по размерам приборах трудно с помощью пружины обеспечить значительную силу удара, что затрудняет испытание высоко­прочных бетонов.

Наиболее точными являются методы, когда при ударе получается два отпечатка: на бетоне и на эталоне, в качестве которого чаще всего использу­ют сталь с заранее установленным показателем твердости. Принцип дейст­вия подобных приборов показан на примере получившего широкое распро­странение эталонного молотка конструкции (рис. 14.4, а).

Рис. 14.4 – Испытание эталонным молотом Кашкарова: а - общий вид; 1 - головка; 2 - стакан; 3 - корпус; 4 - пружина; 5 - шарик; 6 - эталонный стержень; б - тарировочная зависимость

В этом молотке стальной шарик диаметром 15 мм при ударе оставляет отпе­чатки одновременно на бетоне и эталоне, поэтому сила удара в малой мере влияет на результаты испытания, если размер отпечатка на бетоне лежит в указанных выше пределах. В стакане молотка между его корпусом и шари­ком имеется отверстие, в которое вставляют эталонный стержень из круглой прутковой стали СтЗ диаметром 10 мм. Прочность бетона определяют по тарировочной кривой в зависимос­ти от отношения dб / dэт (рис. 14.4, б). Тарировочная кривая составлена для бетона в возрасте 28 сут с влажностью 2 ... 6 %. При других условиях ис­пытания необходимо вводить поправочные коэффициенты или применять свои тарировочные зависимости.

К третьей группе относят приборы, основанные на принципе упру­гого отскока. В этих приборах измеряют высоту упругого отскока бойка, па­дающего с постоянной высоты. Ударная твердость бетона связана с его прочностью: с повышением прочности возрастают ударная твердость и ха­рактеризующая ее высота упругого отскока.

Известно очень много приборов, основанных на этом принципе. На рис. 14.5, а приведена схема молотка Шмидта. Прижимая боек молотка к бе­тону, взводят ударник, смещая его в крайнее положение. Затем нажатием на спусковую кнопку освобождают защелку, ударник под действием пружин ударяет по бойку, после чего отскакивает вверх, перемещая одновременно указатель измерительного устройства, которое затормаживается в крайнем верхнем положении, регистрируя высоту отскока. Последняя зависит от уп­ругих свойств бетона.

а)	б)
Рис. 14.5 – Испытание молотком Шмидта: а - схема молотка; 1 - ударник; 2 - возвратная пружина; 3 - корпус; 4 - указатели высоты отскока бойка; 5 - измерительное устройство; 6 - пружина; 7 - защелка; 8 – спусковая кнопка; 9 - шток; 10 - боек; 11 - образец бетона; б - тарировочные кривые; n – показания прибора

Прочность бетона определяют по тарировочным кривым (рис. 14.5, б). Кривые учитывают положение молотка при испытании, так как величи­на отскока будет в известной мере зависеть от его направления, поскольку на нее в определенной мере влияет сила тяжести. Среднюю величину отско­ка вычисляют по данным пяти измерений, выполненных на определенном участке поверхности бетона. При этом частные значения не должны отли­чаться or среднего более чем на ± 15 %.

Физические методы контроля качества бетона. К ним относят электронно-акустические методы испытания, которые, в свою очередь, можно разделить на импульс­ные и вибрационные. Этими методами опре­деляют скорость и затухание звукового импульса, частоту собственных колебаний и другие подобные характеристики. Так как эти характеристики, как и прочность бетона, зависят от его структуры и свойств составля­ющих, то по ним можно судить о прочности бетона или изменениях его структуры под действием нагрузки, попеременного замораживания и оттаивания и других факторов. Физические методы позволяют определить прочность бетона и изменение его структуры в разных частях конструкции, в том числе и во внутреннем объеме, недоступном для испы­тания поверхностными механическими методами.

Наибольшее распространение получил ультразвуковой импульсный метод (рис. 14.6, а). По этому методу электронный генератор создает высо­кочастотные электрические импульсы, которые в специальном излучателе преобразуются в ультразвуковые механические волны. Излучатель плотно прижимается к образцу или изделию, посылая в него ультразвуковые коле­бания, которые в приемнике вновь преобразуются в электрические. Через усилитель эти колебания подаются на измерительное устройство, где сум­мируются с сигналом, посылаемым генератором. Измерительное устройст­во позволяет определить время прохождения ультразвука через образец t.

Затем по тарировочным зависимостям (рис. 14.6, б) определяют прочность бетона. Чем плотнее бетон, тем выше его прочность и скорость распространения ультразвука.

Рис. 14.6 – Испытание бетона ультразвуковым методом: а - схема испытания:

1 - электронный генератор высокочастотных импульсов; 2 - излучатель;

3 - образец; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - измерительное устройство;

7 - изображение принятого сигнала; 8 - то же, посланного импульса; 9 – блок питания; б - тарировочные зависимости: 1 - бетон на гранитном щебне; 2 – бетон на известняковом щебне; 3 - бетон на гравии

Разновидность импульсного метода - ударный метод, который за­ключается в том, что по образцу наносят удар или серию ударов ручным или электрическим молотком, возбуждая звуковые волны. В двух звукоприемни­ках, установленных на разном расстоянии от места удара, преобразуют зву­ковой импульс в электрический. С помощью регистрирующего электронно­го устройства определяют время прохождения сигнала между звукоприем­никами и затем вычисляют скорость распространения звуковой волны в бе­тоне.

Вибрационные методы основаны на измерении частоты собственных колебаний бетонных образцов или изделий и на определении характеристик их затухания. При этом результаты испытания зависят от качества бетона во всем объеме и являются как бы интегральным показателем качества. На ос­нове подобных испытаний можно судить о появлении в бетоне микродефек­тов, изменении его структуры и свойств.

В вибрационных методах обычно возбуждают и регистрируют изгибные колебания. В зависимости от вида возбуждения колебаний различают резонансный метод и метод затухания колебаний (рис. 14.7).

При первом методе с помощью электродинамического возбудителя колебаний, чаще всего устанавливаемого в середине пролета, в образце воз­буждаются незатухающие колебания, частоту которых можно изменять с помощью генератора звуковой частоты. На некотором расстоянии от возбу­дителя устанавливают приемник, преобразующий колебания изделий в эле­ктрический сигнал, который поступает на индикатор резонанса.

Рис. 14.7 – Схемы вибрационных испытаний бетона: а - резонансным способом;

б - затухающими колебаниями; 1 - образец; 2 - возбудитель колебаний;

3 – приемник колебаний; 4 - измерительный генератор; 5 - индикатор резонанса колебаний; 6 - устройство, формирующее импульсы: 7 - генератор стандартной частоты; 8 - электронный измеритель частоты; 9 - ударник

При изме­нении частоты возбуждаемых колебаний наступает момент, когда частота этих колебаний совпадает с частотой собственных колебаний образца или изделия и возникает резонанс, которому соответствует максимальная вели­чина амплитуды колебаний. Этот момент регистрирует индикатор резонан­са, а по показаниям измерительного генератора звуковой частоты определяют частоту колебаний, сответствующую максимальной амплитуде Аmaх. Ре­гистрируемая частота соответствует частоте собственных колебаний образ­ца, которая зависит от состава и свойств бетона и условий испытания. По частоте собственных колебаний вычисляют динамический модуль упругос­ти ЕД, а по тарировочной зависимости определяют прочность бетона: R6 =J(EД). Для каждого прибора в зависимости от условий испытаний при­меняют свою методику определения динамического модуля упругости. Прочность бетона связана с этой характеристикой выражением

для обычного бетона ориентировочно принимают п = 3; к= 52 • 102.

Испытания методом затухания колебаний проводят с помощью удар­ного приспособления, которым наносят удар по образцу, и специальной ап­паратурой регистрируют частоту колебаний. По тарировочным кривым оп­ределяют прочность бетона.

К физическим методам относят также радиометрические методы, ко­торые получили распространение главным образом для контроля правиль­ности расположения арматуры в железобетонных конструкциях и определе­ния толщины защитного слоя.

14.3 Контроль за деформациями бетона

Внутренние процессы, происходящие в бетоне при твердении, экс­плуатации, нагружении, замерзании и самых различных воздействиях, час­то находят свое внешнее выражение в виде деформаций всего материала или его отдельных составляющих. По характеру деформаций можно судить о происходящих в бетоне изменениях и о его качестве. Обычно для измере­ния деформаций применяют традиционные способы: механические или эле­ктрические тензометры, компараторы, дилатометры (рис. 14.8).

Весьма прост по устройству компаратор стрелочного типа, получив­ший широкое распространение в практике строительных лабораторий. На специальном штативе между нижним неподвижным упором и верхним по­движным (ножка стрелочного индикатора) устанавливают образец бетона, в торцы которого заделаны реперы, обеспечивающие точность и надежность измерении. В качестве реперов используют стальные или стеклянные шари­ки диаметром 5 ... 8 мм, стальные или пластмассовые конусы. Стрелочные индикаторы могут также непосредственно закрепляться на образце бетона. Они позволяют производить измерения с точностью до 0,01 ... 0,001 мм. При базе измерений более 10 см это позволяет измерить относительные деформации порядка , которые характерны для бетона.

Рис. 14.8 – Приборы для измерения деформаций бетона: а - компаратор; б - стрелочный индикатор, закрепленный непосредственно на образце; в - электрический тензодатчик сопротивления; 1 - образец; 2 – стрелочный индикатор; 3 - устройство для установки образца; 4 - измеритель статических деформаций; 5 - тензодатчик

Дилатометры применяют для измерения температурных деформа­ций. Они представляют собой сложные приборы с высококачественной си­стемой измерения и специальными устройствами для нагрева и охлаждения образца; используются главным образом в исследовательских лаборатори­ях.

Большое распространение в последнее время получили электричес­кие проволочные тензодатчики, представляющие собой несколько витков проволоки, наклеенной на бумагу, ткань или пленку. Датчики приклеивают к поверхности материала и присоединяют к приборам, позволяющим реги­стрировать электрическое сопротивление датчика. При деформации поверх­ности бетона соответствующим образом деформируется тензодатчик (про­волока либо растягивается, либо укорачивается) и меняется его омическое сопротивление. По величине изменения сопротивления датчика судят о де­формации. Для изготовления датчиков применяют тонкую константановую, мангановую или нихромовую проволоку диаметром 0,02 ... 0,05 мм. База датчиков, на которой проводят измерения, обычно составляет 5, 10, 20 и 50 мм. Для измерения общих средних деформаций бетона используют датчики с большей базой, для измерения местных деформаций - малые датчики. Относительные деформации ε, регистрируемые датчиком,

где ΔR - изменение сопротивления датчика при его деформации, Ом; R -начальное сопротивление датчика, R =100...400 Ом; k - коэффициент чув­ствительности датчика, для датчиков из константа новой проволоки k = 2.

На основе стрелочных индикаторов и электрических тензометров в лабораториях создают приборы, позволяющие измерять деформации образ­цов и изделий из бетона и железобетона. По результатам измерений, обыч­но дополняемым результатами других испытаний (измерением скорости ультразвука, изменением массы и т. д.), ориентировочно судят о качестве бе­тона или об изменении его структуры и свойств в процессе обработки. На­пример, чем меньше остаточная деформация бетона после тепловой обра­ботки, тем в меньшей степени происходили в нем деструктивные процессы в ходе прогрева и тем лучше при прочих равных условиях его конечные структура и свойства.

Для контроля трещиностойкости бетона и в ряде других случаев же­лательно наблюдать все поле деформаций на поверхности образца или кон­струкции. Большинство известных методов определения деформаций бето­на, в том числе механическими и электрическими тензометрами, позволяет измерять деформации в отдельных точках или на небольших отрезках по­верхности бетона. Для получения общей картины деформаций приходится применять большое количество датчиков или приборов, возрастает трудо­емкость проведения замеров и их камеральной обработки, снижается опера­тивность получения информации и соответствующего обратного воздейст­вия на процесс с целью нейтрализации подмеченных недостатков.

Кроме того, существует вероятность, что при контроле трещиностойкости трещина может возникнуть на участке, не контролируемом датчика­ми, и, следовательно, не будет своевременно зарегистрирована.

Наблюдать и регистрировать с заданной точностью все поле дефор­мации поверхности бетона без непосредственного контакта с ней позволя­ют новые способы - муаровый и галографический.

При определении деформаций муаровым методом на поверхность образца наносят или проецируют рабочий растр, представляющий собой ча­стую сетку линий или точек. При деформировании образца меняется поло­жение отдельных элементов рабочего растра и при совмещении его с кон­трольным растром, не изменяющим своих размеров, возникает муаровая картина, по которой можно вычислить деформации образца (рис. 14.9). Чем больше деформации, тем чаще сетка муаровых полос, интенсивнее их движение.

Рис. 14.9 – Примеры муаровых картин: а - при равномерном сжатии;

б – при местном смятии.

Широкие возможности по наблюдению и регистрации деформаций бетона открывает голография. Голография - это принципиально новый ме­тод получения изображений предметов, основанный на явлении интерфе­ренции света. Для получения голограмм используют свет лазера. В отличие от солнечного света или света электрических ламп, который состоит из спе­ктра световых волн различной длины, лазеры дают монохроматический свет с определенной длиной волны излучения, например, газовый гелий-не­оновый лазер излучает свет с длиной волны 6328 А.

Достоинством голографического метода исследования деформаций является то, что он позволяет наглядно увидеть и зарегистрировать, во-пер­вых, очень малые деформации, характерные для бетона, во-вторых, наблю­дать все поле деформаций и, в-третьих, не требует никакой специальной подготовки образца и позволяет производить наблюдение, регистрацию и измерение деформаций образца без непосредственного контакта с его по­верхностью.

Для наблюдения и определения деформаций бетонных образцов ис­пользуют специальные стенды, на которых можно изучить деформации мо­делей и образцов из любых материалов. Пока еще подобные стенды исполь­зуются для исследований материала в лабораториях, позволяя существенно расширить представления о его деформациях при различных видах внеш­них воздействий.

Для демонстрации возможностей голографии на рис. 14.10 приведе­ны голограммы. Модуль представляет собой образец размером 7x7x3,5 см, в центре которого расположена гладкая арматура диаметром 8 мм. Съемка велась с торца (грани 7x7 см). Образец приклеивали к предметному металлическому столику, чтобы предотвратить его перемещение в момент опыта.

На рис. 14.10,а показана картина деформаций при нагрузке гирей массой 10 г, установленной на верхнюю грань образца. Голограмма получе­на съемкой образцов до и после установки гири. Деформация материала вы­звала перемещение отдельных точек образца, отражающих луч лазера, и при съемке на одну пластинку возникла интерференционная картина, пока­зывающая характер деформации. По этой картине с учетом реальной опти­ческой схемы рассчитывается величина деформации бетона. На рис. 14.10, б показаны деформации образца при нагре­ве стержня арматуры на 2°С.