Неразрушающие методы контроля качества материалов строительных конструкций

1. Практическое занятие 1

Неразрушающие методы
контроля качества материалов
строительных конструкций
(часть 1)

2. Классификация методов определения прочностных характеристик материалов и дефектоскопии обследуемых конструкций

Методы
обследования
Неразрушающие
Разрушающие
Механические
Отбор проб из
конструкции
Натурные
испытания
конструкций или
их моделей
Физические
Неупругих
деформаций
Проникающих
сред
Упругого отскока
Акустические
Ударного
импульса
Местных
разрушений
Скалывания
Отрыва со
скалыванием
Отрыва
Магнитные,
электрические и
электромагнитные
Ионизирующих
излучений
Комплексные

3. Цель и задачи работы Цель работы – ознакомление с методами и приборами неразрушающего контроля физико-механических

характеристик
материалов строительных конструкций.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Определение прочности бетона и стали механическими
неразрушающими методами.
2. Определение модуля упругости материалов импульсным
ультразвуковым методом.
3. Определение толщины защитного слоя бетона, направления и
диаметра арматуры в железобетонных конструкциях магнитным
методом.

4.

Общие сведения
Одним из основных условий обеспечения необходимой надёжности
и долговечности зданий и сооружений является контроль качества
строительных конструкций на стадии строительства и мониторинг их
технического состояния в процессе эксплуатации, что обычно связано с
необходимостью определения фактических физико-механических
характеристик материалов, геометрических параметров конструкций (в
том числе толщины защитного слоя бетона, толщины стенок при
одностороннем доступе), диагностикой скрытых дефектов
(дефектоскопией) и другими задачами, решение которых целесообразно
осуществлять без повреждения конструкций, то есть с применением
неразрушающих методов контроля.
Вместе с тем, при обследовании зданий и сооружений для оценки
физико-механических характеристик материалов строительных
конструкций первоначально сформировались и применяются до сих пор
так называемые классические (разрушающие) методы контроля.

5.

Классический метод оценки прочностных и деформативных
характеристик материалов (ГОСТ 10180, ГОСТ 1497 и др.)
предусматривает проведение испытаний образцов до разрушения, при
этом образцы определённой формы и размеров изготавливают из того
же материала, что и конструкция, либо извлекают из конструкции
выпиливанием, высверливанием или выкалыванием (ГОСТ 28570 и др.) и
придают им необходимую форму и размеры. Указанный метод
достаточно прост и позволяет получить непосредственную оценку
требуемых параметров. Вместе с тем, извлечение образцов, во-первых,
ослабляет сечения эксплуатируемой конструкции, что требует
немедленного их усиления (наибольший интерес представляют образцы,
взятые из «ключевых», ответственных элементов конструкций), вовторых, в полученных образцах не всегда удаётся сохранить
ненарушенную структуру и влажность, и, в-третьих, для адекватной
оценки физико-механических свойств количество отобранных образцов
должно быть достаточно большим.

6.

Неразрушающие методы контроля (ГОСТ 22690, ГОСТ 17624 и др.)
дают возможность сохранить эксплуатационную пригодность
рассматриваемого объекта без нарушения его несущей способности и
определять интересующие физико-механические характеристики
материалов в любой доступной точке. Вместе с тем, результаты
испытаний не получают непосредственно в виде искомого фактора
(предела прочности, модуля упругости, плотности, влажности и т.д.), а
находят по косвенным показателям (диаметру отпечатка, скорости
прохождения ультразвука, степени поглощения ионизирующих
излучений и т.д.), что требует дополнительного установления
взаимосвязи между ними.
Различают три группы неразрушающих методов:
1) механические, когда свойства материалов оценивают по
механическим характеристикам их поверхностного слоя;
2) физические, когда свойства материалов оценивают по измеренным с
помощью приборов физическим характеристикам;
3) комплексные, когда с целью уменьшения погрешности и повышения
степени достоверности результатов используются несколько
приборов, принципы действия которых различны.

7.

Механические неразрушающие методы
1. Общая характеристика методов. В зависимости от положенной в
основу физической сущности различают методы, основанные на связи
прочности материала с
- твёрдостью поверхностного слоя, оцениваемой по размерам
отпечатка, получаемого в результате вдавливания в материал штампа
(индентора) при статической или динамической нагрузке (метод
пластической деформации);
- упругими свойствами поверхностного слоя, которые оцениваются
по величине отскока бойка прибора после его удара с нормированной
энергией о поверхность образца (метод упругого отскока) или по
величине электрического импульса, возникающего при отскоке (метод
ударного импульса);
- величиной усилий, которые необходимо приложить для разрушения
(с помощью специальных приспособлений) небольшого участка
конструкции (методы местных разрушений бетона).

8.

Механические неразрушающие методы
2. Испытания металлов. Неразрушающий контроль прочностных
характеристик стали и сплавов в течение уже более 100 лет
осуществляется по показателям твёрдости – способности материала
сопротивляться местному деформированию поверхностного слоя.
Поскольку твёрдость является условным сравнительным параметром,
для её оценки предложены и стандартизированы в международном
масштабе различные методики, и, соответственно, различные шкалы:
- Бринелля (НВ),
- Роквелла (HR),
- Виккерса (HV),
- Шора (HSD).
Приборы для измерения твёрдости материалов (или оценки прочности
по характеристикам твёрдости) называют склерометрами (от греч.
skleros – твёрдый, жёсткий).

9.

Механические неразрушающие методы
Твёрдость материалов по Бринеллю (ГОСТ 9012) определяют при
статическом вдавливании в поверхность испытываемого образца
стального шарика диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кг с
продолжительностью выдержки 10…15 с и последующем измерении
диаметра отпечатка d, мм. Диаметр отпечатка должен находиться в
пределах d = (0,25…0,6)D; при невыполнении этого условия в ГОСТ 9012
предусмотрены другие соотношения D и P. Толщина образца должна
быть не менее десятикратной глубины отпечатка; расстояние между
центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d.
Повторные измерения в одной и той же точке не допускаются.
Число твёрдости НВ соответствует отношению приложенной
нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка А:
HB
P
2P
A D D D2 d 2
В соответствии со сложившейся традицией число твёрдости
выражается в кг/мм2, причём размерность в обозначении не
указывается.

10.

Механические неразрушающие методы
Диапазон измерения твёрдости методом Бринелля – НВ 8…450. При
НВ < 8 шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок
к диаметру шарика и перестанет служить критерием твёрдости; при НВ >
450 величина отпечатка получится очень маленькой и края его будут
столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр, к тому же
шарик может получить значительные остаточные деформации.
Для многих материалов установлены эмпирические зависимости,
связывающие твёрдость НВ с пределом прочности u (временным
сопротивлением), например, для малоуглеродистой стали
u = 3,53НВ, МПа.
От временного сопротивления u малоуглеродистой стали нетрудно
перейти и к её физическому пределу текучести у
у = 0,635 u , МПа.
Для других видов стали (в том числе для арматуры классов А240,
А300, A400), данные зависимости отличается незначительно:
u = (2,94…3,53)НВ, Мпа
у = (0,66…0,68) u , МПа.

11.

Механические неразрушающие методы
Рис. 1.1. Прибор Польди:
1– корпус, 2 – боёк,
3 – стальной шарик
(D = 10 мм), 4 – эталонный
брусок, 5 – испытываемая
конструкция
Приложение значительных усилий
нормированной величины при определении
твёрдости непосредственно по методике
Бринелля требует специального
оборудования (например, прибор ТШ-2М),
поэтому в строительной практике более
удобным для определения твёрдости
оказывается прибор Польди (ПольдиХьютта) ударного действия (рис. 1.1), в
котором величина усилия не нормируется,
но после удара контролируют два отпечатка:
один на испытываемой поверхности, другой
– на эталонном стержне, твёрдость которого
известна (метод двойного отпечатка,
ГОСТ 18661).

12.

Механические неразрушающие методы

13.

Механические неразрушающие методы
Прибор устанавливают перпендикулярно к предварительно
зачищенной поверхности металлической конструкции. Удерживая его
одной рукой, молотком наносят удар по бойку такой силы, чтобы
полученный отпечаток на конструкции имел диаметр d = 2…4 мм.
Контрольными для определения твёрдости являются три отпечатка.
Расстояние между отпечатками должно быть не менее 10 мм. Толщина
конструкции должна быть больше диаметра отпечатка не менее чем в
1,2 раза. Диаметры отпечатков измеряют с точностью до 0,1 мм с
помощью микроскопа или лупы десятикратного увеличения.
Твёрдость испытываемой стали НВ определяют по формуле
где НВэ – твёрдость эталонного бруска в единицах Бринелля, кг/мм2;
D – диаметр стального шарика, D = 10 мм;
dэ, d – диаметры отпечатков на эталоне и на конструкции, мм.

14.

Механические неразрушающие методы
Для повышения точности измерения диаметры отпечатков на эталоне
и на конструкции должны быть близкими по величине, т.е.
предпочтительно применять эталонный брусок, твёрдость которого близка
к твёрдости стали испытываемой конструкции.
Результаты измерений заносят в таблицу 1.1.
Таблица 1.1

15.

Механические неразрушающие методы
В основу определения твёрдости по Роквеллу и Виккерсу, так же, как и по
Бринеллю, положен метод пластической деформации, только вместо
шарика осуществляется вдавливание алмазного конуса стандартных
размеров. Оценка твёрдости по Шору основана на методе упругого
отскока – по величине отскока бойка после его свободного падения на
поверхность металла.
В современных приборах для измерения твёрдости, например, в
электронном малогабаритном переносном твердомере ТЭМП-3 (рис. 1.2)
используется метод ударного импульса. Прибор состоит из электронного
блока и выносного преобразователя (датчика с ударником). Принцип
измерения твёрдости прибором основан на определении отношения
скоростей удара и отскока ударника, преобразуемого электронным
блоком в условную единицу твёрдости Н.
При работе с прибором предварительно загружают пружину ударника,
используя расположенный с торцевой стороны электронного блока
толкатель. Затем устанавливают датчик нормально к поверхности
испытываемого изделия и нажимают на спусковую кнопку. На экране
появляется результат измерения в виде трёхзначного числа Н (условной
твёрдости), которое с помощью специальных таблиц переводят в
требуемые единицы твёрдости (НВ, HR, HV, HSD).

16.

Механические неразрушающие методы
Контрольными для определения твёрдости
металла являются пять измерений на участке
поверхности диаметром не менее 20 мм.
Расстояния между точками измерений должны
быть не менее 3 мм, повторные измерения в
одной точке не допускаются. Масса
контролируемого изделия должна составлять
не менее 1,5 кг. Допускаются измерения на
неплоской поверхности, при этом её радиус
кривизны должен составлять не менее 15 мм.
Результаты, полученные при боковом и нижнем
положении датчика, корректируют
поправочными коэффициентами. Диапазон
измерения твёрдости прибором по шкале
Бринелля составляет НВ 100…450.
Рис. 1.2. Электронный твердомер ТЭМП-3

17.

Механические неразрушающие методы
Результаты измерений заносят в таблицу 1.2.
Таблица 1.2

18.

Механические неразрушающие методы
3. Испытания бетона. Бетон, в отличие от металлов, характеризуется
значительной неоднородностью структуры, поэтому при неразрушающем
контроле его прочности увеличивают число проверяемых точек и
применяют ударник большего диаметра, чтобы передавать усилия более
значительному объёму материала. Согласно ГОСТ 22690, испытания
проводят на поверхностях конструкций, прилегающих при изготовлении к
опалубке, при этом площадь участка для испытания принимают от 100 до
600 см2. Минимальные требования к числу испытаний, расстоянию между
местами испытаний и толщине конструкции приведены в табл. 1.3. Во всех
случаях расстояние от места испытаний до края конструкции и до арматуры
должно составлять не менее 50 мм.
Прочность бетона определяется по градуировочным зависимостям,
предварительно полученным в результате параллельных испытаний
стандартных (ГОСТ 10180) образцов-кубов вначале неразрушающим
методом, а затем классическим (разрушающим). В соответствии с ГОСТ
22690 построение градуировочных зависимостей осуществляется по
результатам испытаний не менее 15 серий образцов-кубов или не менее 30
образцов. Обычно испытывают 45 образцов (15 серий, по три образца в
каждой).

19.

Механические неразрушающие методы
Размеры образцов для градуировочной зависимости выбирают в
соответствии с наибольшей крупностью заполнителя в бетонной смеси, но
не менее 100 мм. Обычно используют кубы с ребром 150 мм. Изменение
прочности бетона в сериях достигается варьированием расхода цемента и
водоцементного отношения. Возраст бетона исследуемой конструкции не
должен отличаться более чем на 50% от возраста образцов, используемых
для построения градуировочной зависимости. При изменении состава
бетона или технологии его производства градуировочную зависимость
следует устанавливать заново.
Таблица 1.3

20.

Механические неразрушающие методы
Приборы, основанные на методе пластической деформации. В
строительной практике широкое распространение получил эталонный
молоток К.П. Кашкарова, принцип действия которого аналогичен
рассмотренному ранее прибору Польди с той лишь разницей, что удар
наносится взмахом самого молотка.
Молоток Кашкарова представляет собой инструмент для косвенного
определения прочности бетона без разрушения или повреждения
конструкции. Оценка производится методом пластической деформации –
по размерам отпечатка, который получен на эталонной пластинке.
Технология получения результата соответствует техническим требованиям
основных нормативных документов — ГОСТ 22690-88, ГОСТ 28570-90, ГОСТ
18105-2010 и ГОСТ 10180-2012. Компактность инструмента и простота
метода (при сравнительно высокой точности и воспроизводимости
результатов) предопределили широкое использование молотка
конструкции Кашкарова в сравнении с приспособлениями аналогичного
назначения (имеются в виду молоток Шмидта, молоток Физделя и пр.).

21.

Механические неразрушающие методы

22.

Механические неразрушающие методы
Состоит из сменного металлического стержня с известной прочностью
(эталонный стержень), индентора (шарика), стакана, пружины, корпуса с
ручкой и головки. Согласно ГОСТ 22690-88, длина молотка 300 мм, вес 0,9
кг.

23.

Механические неразрушающие методы
Принцип действия: молотком наносится удар по поверхности бетона под
углом 90 градусов. Для точности измерения выполняют от 5 — 10 ударов.
При этом на одном эталонном стержне можно выполнить 4 серии
образцов. Расстояние между отметками на стержне 10 −12 мм. При помощи
углового масштаба или измерительной лупы замеряется размер
наибольшего диаметра отпечатков, получившихся на бетоне и стержне. При
этом отпечатки неправильной формы не учитываются. Из полученных
диаметров вычисляется среднеарифметическое что и равно косвенному
значению прочности бетона.
Диапазон определения прочности — 50—500 кг/см².

24.

Механические неразрушающие методы
.

25.

Механические неразрушающие методы
Для измерения отпечатков на бетоне и эталонном стержне рекомендуется применять угловой
масштаб , изготовляемый из стандартных мерительных линеек, на которых цифры 10, 11, 12 и
т.д. заклеиваются и вместо них проставляются 0, 1, 2, 3 и т.д.; допускается использовать лупу с
измерительной линейкой или другой инструмент, позволяющий производить замеры с
точностью до 0,1 мм.
Угловой масштаб
Микроскоп
Бринелля
Измерительная лупа