Оптимальные методы определения прочности бетона при обследовании зданий и сооружений

Основной целью технического обследования зданий и сооружений является определение фактической категории технического состояния несущих конструкций, которая зависит в т.ч. от ее несущей способности. Несущая способность железобетонной конструкции в значительной части определяется прочностью бетона, а несущая способность бетонной конструкции полностью зависит от данного параметра. Таким образом, весьма важное место при определении категории технического состояния бетонных и железобетонных несущих конструкций занимает определение прочности бетона. При этом обследования выполняются часто по отношению к объектам в процессе их эксплуатации, что часто вызывает необходимость проводить испытания с минимальными разрушениями и в минимальные сроки. Также экономическая ситуация требует выполнять испытания с минимальными расходами материальных и временных ресурсов при этом обеспечивая достоверность результатов.

Наиболее распространенные методы определения прочности бетона подразделяются на три группы:

1. Определение прочности бетона разрушающим методом – определение прочности бетона по контрольным образцам, то есть путем испытания отобранных из конструкций образцов, установленные ГОСТ 28570-90 [1];
2. Определение прочности бетона неразрушающим прямым методом – механические методы испытания бетона: отрыв со скалыванием и скалывание ребра при стандартной схеме испытаний в ограниченно диапазоне прочности бетона, установленные ГОСТ 22690-2015 [2];
3. Определение прочности бетона неразрушающим косвенным методом – механические методы испытания бетона: метод упругого отскока, метод пластической деформации, метод ударного импульса, метод отрыва, установленные ГОСТ 22690-2015 [2], а также ультразвуковой метод, установленный ГОСТ 17624-2012 [3].

При этом правила контроля и оценки прочности бетона устанавливаются ГОСТ 18105-2010[4], объединяющим все вышеуказанные методы определения прочности бетона в единую систему.

ГОСТ 18105-2010 [4] устанавливает четыре схемы испытаний: А, Б, В и Г. Из них на практике при обследовании зданий и сооружений реализуемыми являются схемы В и Г. Обе схемы требуют использования градуировочной зависимости при обработке результатов испытаний косвенными методами, что требует проведения параллельных испытаний с применением прямых или разрушающих методов : для схемы В не мене чем на 12 участках, для схемы Г не менее чем на 3-х участках [2, 3]. Таким образом, действующие нормы не допускают использования только косвенных методов для определения прочности бетона.

В виду вышеуказанного, выбор оптимального метода определения прочности означает выбор комбинации методов, состоящей из прямого или разрушающего метода и косвенного. В большинстве случаев, на практике, в силу высокой стоимости оборудования, выбор прямого или разрушающего метода ограничен наличием всего лишь одного прибора (прибор для определения прочности бетона), как правило, отрыва со скалыванием как наиболее доступного из них, и весь выбор сводится к выбору прибора для косвенного метода. Тем не менее, в рамках данной статьи рассмотрим также разрушающие методы определения прочности бетона.

Рассмотрим стоимость необходимого оборудования для испытания бетона различными методами (см. Табл.1). Стоимость оборудования получена путем анализа предложения на рынке и отражает порядок текущих цен.

Таблица 1

Из выше представленной таблицы следует, что разрушающие методы испытания бетона требуют значительно больших начальных капиталовложений, что делает этот метод весьма дорогостоящим. Однако данный метод позволяет получать наиболее достоверные данные о прочности бетона по всему спектру прочностей, в т.ч. и потому, что испытанию подвергаются глубинные слои бетона конструкций. Стоимость приборов для неразрушающих прямых методов сопоставима и их можно отнести к одному стоимостному диапазону, который существенно ниже уровня стоимости оборудования для разрушающих методов, однако при этом данный класс приборов позволяет получать данные для построения градуировочных зависимостей для косвенных методов. Стоимость приборов для косвенных методов измерения значительно варьируется в зависимости от исполнения. В частности приборы для упругого отскока по своей стоимости могут достигать уровня ста тысяч рублей при наличии электронных компонентов. Также следует отметить, что метод пластической деформации, несмотря на низкую стоимость оборудования, в настоящее время практически не используется.

Также важным фактором при выборе методов испытания бетона являются затраты времени на их проведение, которые складываются из времени на подготовку оборудования, подготовку мест испытания и непосредственно на проведение самих испытаний. Следует отметить, что при примерно равных временных затратах на выполнение одного измерения различными косвенными методами определения прочности бетона минимальное количество этих измерений для участка, т.е. для получения единичной прочности, существенно различается. Минимальное число измерений на участке, установленное соответствующими ГОСТами [2, 3] для различных методов испытаний, представлено в табл.2.

Таблица 2

Примечание: образцы для разрушающего метода могут быть изготовлены из одной пробы бетона, т.е. из одного отобранного керна.

Таким образом, время, необходимое для проведения испытаний на участке будет складываться из времени необходимого на проведение одного измерения умноженного на количество этих измерений. Поскольку время на выполнение одного измерения косвенными методами исчисляется секундами, то, даже не смотря на значительное различие в числе минимально необходимом количестве измерений на участок, время необходимое на проведение испытания на участке в целом будет не значительным и не превысит 10 минут. Исключением является метода пластической деформации, при котором требуется сопоставление размеров отпечатков, а не простое снятие показаний прибора, что, хоть и не значительно, но увеличивает время испытаний по отношению к другим косвенным методам. И совершенно очевидно, что однозначным лидером среди косвенных методов по сокращению временных затрат на испытания следует признать ультразвуковой метод.

Неразрушающие прямые методы, а именно методы отрыва со скалыванием и скалывания ребра по временным затратам на одно измерение находятся примерно на одном уровне. При этом основное время при испытаниях данными методами уходит на подготовку – сверление шпура и закрепление прибора, само испытание занимает несколько минут. По опыту применения данных методов, можно утверждать, что на испытание одного участка требуется от 20 до 40 минут.

Время необходимое на проведение испытания методом отрыва обуславливается сроком твердения клеящего состава, который достигает 12 часов, что делает это метод достаточно затратным по времени.

Время необходимое на испытания разрушающими методами складывается из времени необходимого на отбор образца, его доставку в стационарную лабораторию, подготовку к испытаниям и сами испытания и может достигать, в зависимости от сложности логистики, нескольких часов и даже суток. Таким образом, данный метод является также весьма затратным и по времени.

Несмотря на описанные выше показатели, основным для рассматриваемых методов и реализующих их приборов является достоверность результатов определения прочности бетона. Наиболее достоверные, можно сказать эталонные, результаты дает разрушающий метод в силу того, что измеряется показатель, разрушающее сжимающее усилие, напрямую связанный с прочностью образцов, а также того, что испытаниям подвергаются образцы, включающие в себя бетон из глубины конструкции.

Достоверные результаты, в пределах стандартной схемы испытаний, также дают прямые неразрушающие методы, основанные на измерении усилия необходимого для местного разрушения конструкции, происходящего на некоторую глубину (скол ребра, вырыв анкерного устройства с бетонным окружением). Однако следует заметить, что при испытании высокопрочных бетонов данные методы также следует считать косвенными в силу значительной разницы прочностей бетона у поверхности и в глубине конструкции.

Наименее достоверные результаты дают методы, основанные на измерении косвенной характеристики прочности бетона, поскольку измерения производятся на поверхности конструкции, бетон которой по прочности может существенно отличаться от бетона в глубине. Так же, на величину косвенной характеристики могут оказывать влияние факторы, не влияющие на прочность бетона или влияние которых нельзя учесть при испытаниях. Именно поэтому косвенные методы определения прочности бетона нельзя использовать без построения градуировочных зависимостей для конкретного вида бетона.

Также на достоверность результатов оказывает влияние погрешность измерений приборов. Из статьи «О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений» [5] (Таблица 2. Результаты исследования прочности бетона колодца различными методами) следует, что наименьшей погрешностью из приборов для косвенных методов определения прочности обладают ультразвуковые приборы – средний коэффициент вариации 4,5%, разброс результатов измерения методом упругого отскока характеризуется коэффициентов вариации 8,1%, коэффициент вариации при методе ударного импульса составил 31,6%. Таким образом, лидером среди косвенных методов является ультразвуковой метод, обладающий минимальной погрешностью измерений.

В заключении можно указать на то, что механические косвенные методы определения прочности бетона чувствительны к пространственному положению конструкции, т.е. измерения зависят от направления хода бойка (снизу вверх, сверху вниз, горизонтально, под углом), что налагает дополнительные требования к аккуратности снятия показаний приборов и что необходимо учитывать при обработке результатов.

Из всего выше изложенного можно сделать вывод о том, что оптимальная комбинация методов определения прочности бетона включает в себя:

• из прямых неразрушающих методов метод отрыва со скалыванием, т.к. не всегда можно найти подходящий угол для метода скалывания ребра;
• из косвенных неразрушающих методов ультразвуковой метод как оптимальный по всем показателям (приемлемая стоимость прибора, высокая скорость измерений, низкая погрешность измерений, отсутствие чувствительности к пространственному положению).

Использование данной комбинации методов позволяет получить достоверные результаты измерений прочности бетона при минимальных материальных и временных затратах при выполнении технических обследований зданий и сооружений в большинстве ситуаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.
   GOST 28570-90. Concretes. Methods of strength evaluation on cores drilled from structures. (In Russian).
2. ГОСТ 22690-2015. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.
   GOST 22690-2015. Concretes. Determination of strength by mechanical methods of nondestructive testing. (In Russian).
3. ГОСТ 17624-2012. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.
   GOST 17624-2012. Concretes. Ultrasonic method of strength determination. (In Russian).
4. ГОСТ 18105-2010. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности.
   GOST 18105-2010. Concretes. Rules for control and assessment of strength. (In Russian).
5. Улыбин А.В. О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений. // Инженерно-строительный журнал. 2011. №4(22) С. 10-15.
   Ulybin A.V. On the Choice of Concrete Strength Inspection Methods of Ready-built Structures. Magazine of Civil Engineering. 2011. No. 4(22), pp. 10-15.
6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
   SP 13-102-2003. Pravila obsledovaniya nesushchikh stroitel'nykh konstruktsii zdanii i sooruzhenii. [Regulations for inspection the structures of buildings and erections]. (In Russian).
7. Зубков В.А. Определение прочности бетона. М.: АСВ. 1998. 120с.
   Zubkov V.A. Opredelenie prochnosti betona. [Determination of concrete strength]. Moscow: ASV. 1998. 120p.