ПОСОБИЕ ПО ОЦЕНКЕ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ - Методика применения инструментальных методов испытаний материалов и конструкций Приложение 3

Приложение 3

Методика применения инструментальных методов испытаний материалов и конструкций

1. Механические методы.

К этим методам относятся:

• ударный с применением испытательных молотков, дисков;
• метод вырыва - с изъятием закладного или заложенного в существующую конструкцию стержня с помощью устройства, выполняющего вырыв детали и замер усилия вырыва.

1. 1. Ударный метод.

Определяется прочность бетона, раствора, естественного камня по тарировочному графику по среднеарифметическому значению отпечатков, образованных при ударе испытательным устройством по поверхности испытываемого материала. На поверхности испытываемого участка конструкции, освобожденного от облицовочного слоя, наносится серия (10-12) ударов с расстоянием между ними не менее 30 мм. Измеряются диаметры образованных лунок на поверхности конструкции, определяется их среднеарифметическое значение и по тарировочной кривой, приложенной к молотку Физделя, устанавливается прочность испытываемого материала (рис. 1).

Рис.1  Тарировочная зависимость

размера отпечатка от прочности бетона

При использовании молотка Кашкарова (эталонный молоток НИИ Мосстроя) определяется среднеарифметическое значение отношения размеров отпечатков (лунок) на поверхностях конструкции и эталонного стержня, перемещаемого после каждого удара в отверстии ударной части молотка; прочность материала в этом случае определяется по тарировочной кривой - среднеарифметическое значение отношений размера отпечатка на эталоне к размеру отпечатка на поверхности конструкции (рис. 2).

Рис. 2  Тарировочная зависимость отношения размера

отпечатка на эталоне к размеру отпечатка на

поверхности конструкции от прочности бетона

1. 2. Метод вырыва.

Метод вырыва основан на гипотезе о связи между прочностью материала и силами сцепления в нем. Сущность метода испытания материала в конструкциях на совместный обрыв и скалывание заключается в оценке прочностных свойств по величине усилия, необходимого при вырывании закрепленного в конструкции разжимного корпуса и специального стержня. Стержень заделывается в конструкцию путем зачеканки или при их устройстве. Косвенным показателем прочности служит величина вырывного усилия (рис. 3).

Для испытания твердого материала на отрыв и скалывание применяется прибор ГПНВ-5. С его помощью вырывают заделанные в конструкцию разъемные конусы или стержни.

Рис.3.  Тарировочная зависимость усилия вырыва от прочности бетона

Величина вырывного усилия определяется по шкале манометра. Переход от косвенных показателей прочности к значению действительной прочности материала в конструкции производится по тарировочным кривым. Прибор ГПНВ-5 может быть применен при проведении комплексных испытаний. Для этого используются выдвижные ножки прибора с шариковыми опорами; в результате применения прибора в таком виде получают второй косвенный показатель прочности - диаметр отпечатка. Прибор ГПНВ-5 разработан и изготовляется Донецким ПромстройНИИпроектом. Следует отметить, что если ударным способом можно определить прочность материала только на поверхности конструкции, то при вырыве закладной детали из конструкции определяется интегральное значение прочности материала на глубину разъемного конуса или стержня, что приближает результаты испытаний к реальным условиям.

1-шарнирное крепление стрелки

2-стрелка

3-шкала

Пластины изготавливаются из пластмассы с делениями и без них

Рис. 3. Методика установки маяков

а) рычажных, б) алебастровых, в) пластинчатых

1.3. Компенсационный метод.

К механическим методам испытаний относится способ определения напряженного состояния материала массивных конструкций, предложенный В.И. Кравцовым и С.Я. Эйдельманом. Этот метод заключается в следующем. Ниже сечения, по которому определяется напряжение, фиксируется по паре точек, расстояние между которыми замеряется с точностью до 0, 01 мм. Затем над одной парой точек пробивается борозда на глубину 30±40 см, что приводит к разгрузке поверхностного слоя конструкции. В этом случае расстояние между точками этой пары увеличивается. После этого производится загружение материала конструкции при введении в борозду компенсатора, представляющего собой стальное жесткое кольцо, перекрытое с двух сторон гибкой или жесткой мембраной, до тех пор, пока расстояние между точками становится равным первоначальному. При этом давление, создаваемое компенсатором, принимается равным напряжению конструкции в этом сечении.

1.4. Метод контроля трещин в конструкциях.

1.4.1. Контроль над трещинами осуществляется с помощью маяков - цементных и алебастровых, рычажных и пластинчатых. Маяки ставятся на очищенную поверхность конструкции перпендикулярно трещине: цементные и алебастровые - не менее двух на трещину и на каждый метр по одному маяку, остальные - на каждые 3 метра по одному маяку, но не менее одного маяка на трещину.

На конструкции и в специальном журнале отмечается номер и дата установки маяка; в журнале, кроме того, записывается ширина раскрытия трещины и приводится схема установки маяков (рис. 3).

При разрыве цементного или алебастрового маяка, что свидетельствует о развитие трещины, ставятся новые маяки, и в журнале указывается дата появления разрыва.

Наблюдение за маяками и установка новых маяков продолжается до прекращения развития трещины.

2. Неразрушающие методы испытаний.

2.1 .Ультразвуковой метод.

Для определения акустических характеристик материала применяется электронно-акустическая аппаратура, в состав которой входят микросекундомер, датчики-приемники импульсов и токоподводящие проводы.

При импульсных акустических (ультразвуковых) испытаниях измеряемой характеристикой является время прохождения акустического сигнала между датчиком и приемником в испытываемом материале.

На экране электронно-лучевой трубки время определяется в интервале между зондирующим импульсом и моментом прохождения соответствующей волны.

Чтобы определить истинное время распространения волны, следует учитывать потери времени, связанные с обработкой информации в приборе. Эти потери оцениваются двумя способами:

первый - перед началом испытаний поверхность датчика и приемника прижимают друг к другу и определяют время между зондирующим импульсом и первым вступлением приходящей волны. Измеряемое время и есть определяемые потери;

второй - на эталонном однородном материале производят прозвучивание с базой измерения в 50 и 100 см. В этом случае

t_пр=2t₅₀-t₁₀₀                      (5.5)

где   t_пр       время распространения колебаний при базе измерения 50 см

t₅₀      время распространения колебаний при базе измерения 100 см;

t₁₀₀     время, затрачиваемое прибором на обработку информации

По известной базе измерения (расстояние между датчиком и приемником в свету) и найденному времени распространения колебаний определяется скорость прохождения импульса (скорость ультразвука)

С=I/t

где I - база измерения.

Перед началом прозвучивания следует определить однородность испытываемого материала, для чего при поверхностном прозвучивании измеряют базу измерения. По данным испытаний строятся годографы продольной волны. Прямолинейный характер годографа свидетельствует о постоянной скорости независимо от базы измерения. При этом, для определения глубины распространения трещины, выходящей на поверхность конструкции, используется способ построения годографа. По локальному увеличению времени (разрыв годографа) прохождения акустического импульса в зависимости от базы измерения при фиксированном положении датчика вычисляется глубина проникания трещины  (рис. 4). Невидимые дефекты конструкций (пустоты, инородные включения и т. д.), и зона их распространения выявляются при сквозном прозвучивании методом последовательного приближения, т.е. при перемещении датчиков и приемников вдоль поверхности конструкции определяются границы дефектов по локальному изменению скорости ультразвука.

Рис. 4. Годограф при определении глубины проникания трещины

Прижим датчиков к поверхности конструкции производится вручную с предварительным нанесением слоя солидола, пластилина, технического вазелина на рабочую поверхность датчика и приемника для создания плотного контакта.

По значению скорости ультразвука и тарировочной кривой для бетона соответствующего   состава   устанавливается   прочность   однородного (изотропного) материала: тяжелого бетона, раствора, естественных камней изверженного происхождения (гранит, сиенит, диабаз и пр.), металлы. При испытаниях неоднородных (анизотропных, квазиизотропных) материалов (кирпич, кладочные материалы, легкие бетоны и пр.) тарировочные кривые предусматривают зависимость между прочностью материала и его акустическим сопротивлением - комплексной характеристикой, выражающейся произведением скорости ультразвука на плотность материала. Плотность, при этом, определяется с помощью плотномера - прибор радиометрических методов испытаний.

2.2. Радиометрические методы.

2.2.1 .Методика определения плотности материала.

Радиометрический метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма- излучения с исследуемой средой. Взаимодействие излучения с материалом определяется основным законом ослабления ионизирующего излучения, который имеет вид:

J = J_oe ^-mx                      (5.3)

где   интенсивность излучения после и до взаимодействия с материалом

е       основание натуральных логарифмов

х       толщина испытываемой конструкции

m      линейный коэффициент ослабления m = m¹/r

m¹      массовый коэффициент ослабления

r       плотность материала

Для определения плотности строительных материалов используются источники Cs-137 и Са-60, энергия которых 0,66 мэв и 1,25 мэв соответственно.

Плотность строительных материалов можно находить двумя способами: методом сквозного просвечивания и методом рассеяния.

Рис. 5. Схема поверхностного просвечивания (рассеяния)

При определении плотности материала в конструкции при возможном подходе к ней с одной стороны используется метод рассеяния, при котором источник излучения и счетчик импульсов находится у одной и той же поверхности конструкции. В качестве датчика для определения плотности применяется выносной элемент типа ИП-3. В качестве счетно-запоминающего устройства применяется радиометры типа Б-3 или Б-4. При определении плотности материала в конструкции необходимо иметь в виду величину насыщения (минимальную толщину конструкции), при которой возможно определение плотности материала методом рассеяния. Значение этой величины для Е=1,25 мэв и Е=0,66 мэв при испытании различных материалов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Значение глубины насыщения

Значения таблицы 5.1. позволяют выбрать тип источника для того или иного материала и способ просвечивания в зависимости от толщины испытываемой конструкции. При испытаниях материала методом рассеяния (рис. 5) необходимо учитывать влияние граничных условий, имея в виду, что расстояние от края испытываемой конструкции до датчика должно быть не менее величины насыщения.

Определения плотности материала осуществляется по тарировочной кривой J = f(r) для применяемых в строительстве и используемых в существующих зданиях материалов, (рис. 6).

Рис. 6. Тарировочная зависимость.

2.2.2. Методика определения влажности материала.

Нейтронный метод (как разновидность радиометрического метода) основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на легких ядрах, к которым относятся ядра водорода. А водород, если он не входит в химический состав испытываемого материала, является составной частью воды. Каменные строительные материалы представляют собой совокупность следующих элементов: железо, кальций, калий, алюминий, магний, натрий, углерод. Замедление нейтронов происходит в связи со сталкиванием c ядрами атомов указанных элементов. Как видно из таблицы 5.2. наибольшее число столкновений связано с наличием в материале атомов водорода, входящего в состав воды определяющей влажность материала.

Таблица 5.2. Характеристика элементов

Таким образом, появление медленных нейтронов, фиксируемых измерительным прибором, свидетельствует о наличии в материале, прежде всего, атомов водорода, т.е. число замедленных (фиксируемых) нейтронов является функцией влажности материала, не содержащего в своем химическом составе водорода.

В качестве источников нейтронного излучения применяется Rа-Ве или Pа-Ве. В комплект аппаратуры для нейтронного метода измерения влажности входят датчик НВ-3 и счетно-запоминающие устройства С 4-3, С 4-4 или "Бамбук", с помощью которых можно получить сведения о влажности материала при прижиме датчика к испытываемой конструкции по тарировочным графикам или непосредственно по шкале прибора ("Бамбук"). При возможности подхода к конструкции с обеих сторон применяется метод сквозного просвечивания, он дает наиболее доверительные данные с минимальным приближением к действительным значениям влажности. В большинстве же случаев применим только односторонний доступ к испытываемой конструкции - в этом случае используются испытания по схеме рассеяния.

Для измерения влажности органических материалов (в первую очередь древесины), в химическом составе которых преобладающее место занимает водород, применяется метод измерения электропроводности материала с применением электронного влагомера ЭВ-2м.

При испытании конструкций в тело конструкции вводят иглу щупа, а на приборе записываются значения влажности сосны (для других пород древесины и прочих органических материалов имеются переводные таблицы).

2.3. Магнитный (магнитометрический) метод основан на взаимодействии магнитного поля с введением в него ферромагнетиком (металлом). Этот метод применяется при обследовании железобетонных конструкций, когда необходимо установить расположение и сечение арматуры и величину ее защитного слоя, а также при обследовании каменных конструкций с закладным металлом или деревянных перекрытий, или перекрытий из кирпичных и бетонных сводов по металлическим балкам с определением положения и рабочего сечения металлических элементов.

Для измерения диаметра арматуры и толщины защитного слоя в железобетонных конструкциях используется прибор ИЗС-2 на полупроводниках. Выявление металла и определение его рабочего сечения в неметаллических конструкциях производится с помощью приборов МП-I и ИСМ. Определение сечения арматуры, закладка металла и несущих балок осуществляется по тарировочным кривым, приложенным к паспортам указанных приборов.

2.4. Измерение теплозащитных качеств ограждающих конструкций и обнаружение зоны несоответствия фактических теплозащитных свойств расчетным (зоны промерзания) осуществляется теплофизическим методом. Фактические теплозащитные качества оцениваются замером фактического теплового потока и сравнением его с расчетным, определенным по формуле

где   t_b  t_n      расчетная температура внутреннего и наружного воздуха (СНиП-А.7-71)

t_b t_n   расчетная температура соответственно внутренней и наружной поверхностей конструкции

R₀          общее термическое сопротивление, м²ч град/ккал

R_b  R_n сопротивление конструкции; при многослойной конструкции равно сумме сопротивлений слоев

R_k          сопротивление тепловосприятию и теплопередаче (СНиП П-А.7-71)

Фактический тепловой поток замеряется тепломером с потенциометром Ленинградского института холодильной промышленности. При оперативном обследовании он может быть вычислен по приведенной формуле путем замера фактических величин, входящих в правую часть формулы: t_{b -} t_n - термощупом ТМ (А) или ЦЛЭМ (Б); t_{b -} t_n - термометром или электротермометром.

Если замеры фактических температур производятся не в самое холодное время, то при переходе от фактических значений t_b и t_b к нормативным вводится коэффициент тепловосприятия a в равной сумме коэффициентов a_k и a_a, определяемых по приведенным графикам (рис. 7 и 8).

Рис.7 Определение t у вертикальных поверхностей

Рис.8. Определение t у вертикальных поверхностей

2.4. Акустический метод предусматривает измерение звукоизоляции вертикальных (стен и перегородок) и горизонтальных (перекрытий) конструкций. При определении звукоизолирующей способности конструкций используется генератор "белого шума" ГШН - 1 с диапазоном частот от 40 до 6000 Гц, усилитель мощности УМ-50, октавный фильтр для воспроизводства звука в октавных полосах в диапазоне частот 100 -3200 Гц, громкоговоритель, шумомер Ш-60-И, ударная машина, анализатор шума АМ-2М ЛИОТ. Проверка звукоизолирующей способности конструкций производится выборочно из расчета одна комната на один этаж.

При испытании перегородок по одну сторону перегородки устанавливается передающий тракт (генератор "белого"* шума, усилитель, октавный фильтр, громкоговоритель), измеряются и записываются уровни звукового давления в каждой полосе. По другую сторону перегородки монтируется приемный тракт, (микрофон, шумомер, анализатор), с помощью которого измеряются уровни звукового давления. Среднее значение уровней звукового давления получается для шести различных положений микрофона. Падение среднего значения звукового давления должна быть не менее нормативного для данного типа конструкции.

Для определения звукоизолирующей способности перекрытия на пол последовательно в трех точках по диагонали комнаты устанавливается ударная (тональная) машина (имеет 5 молотков по 0,5 кг, свободно падающих с высоты 4 см). При испытании перекрытия машина производит 10 ударов в секунду. Под перекрытием монтируется приемный тракт для получения средних октавных уровней ударного шума. Анализ проверки звукоизолирующей способности перекрытия аналогичен проверке перегородки.

2.5. Геодезический метод.

При обследовании зданий приходится осуществлять контроль как за местными, так и за общими деформациями.

2 5.1.К местным деформациям относятся деформации в отдельных узлах, сдвиги и повороты конструкций в узлах.

Прогибы конструкций измеряются индикаторами часового типа - мессурами, а также прогибомерами Аистова, Максимова, системы ЛИСИ.

Мессуры устанавливаются вплотную к конструкции. Подвижный стержень под действием прогибающейся конструкции получает перемещение, которое передается стрелке прибора, и, таким образом, фиксируется. Перемещение передвижного стержня прибора и будет прогибом конструкции.

_______

* - "белым" шумом называется шум, состоящий из звуков различной частоты (от 40 Гц до 6 кГц), имеющих одинаковую интенсивность

Линейные деформации конструкций измеряются проволочными тензометрами сопротивления, приклеенными к поверхности конструкции; удлинение (укорочение) конструкции приводит к измерению сопротивления проводника, фиксируемого измерительным прибором, оттарированным на длину проводника. В качестве измерителя прогибов используются также прогибомеры, основанные на принципе сообщающихся сосудов. Такой прогибомер состоит из стеклянных трубок, соединяемых между собой гибким шлангом, заполненным водой. С помощью такого прогибомера определяется относительный прогиб элементов одного и того же перекрытия или прогиб перекрытия относительно какой-либо фиксированной точки здания. Измеряемые значения действительных прогибов перекрытий сравниваются с предельно допустимыми прогибами.

2.5.2.К общим деформациям относятся деформации и перемещения отдельных точек сооружения и всего сооружения в целом относительно опорной геодезической сети. Общие деформации измеряются с помощью геодезических приборов и инструментов (табл. 5.3).

Таблица 5.3. Средства и способы геодезического контроля общих деформаций.

2.6. Перемещения и деформации основных конструктивных элементов зданий, возникающих под действием статистических и динамических нагрузок, наиболее точно измеряются методом стереофотограметрии. Этот способ обеспечивает объективность показаний и позволяет выполнять контрольные измерения в камеральных условиях в любое время; определение прогибов и деформаций производится по трем взаимно перпендикулярным осям.

.Для производства измерений применяются специальные фотограмметрические приборы:

• фототеодолиты и стереофотограмметрические камеры;
• стереокомпаратор для камеральной обработки негативов съемки;
• стереопланиграф - фотограмметрический прибор универсального типа, позволяющий обрабатывать снимки, выполненные любым способом. При помощи специального вычерчивающего устройства- координатографа - одновременно с измерением негатива автоматически выполняется чертеж исследуемого объекта в нужном масштабе;

киносъемочную аппаратуру для исследования деформаций при динамических нагрузках. Камеральную обработку выполняют при этом на любом из перечисленных приборов.

Обработка снимков производится как на стереопроекторе с нанесением на оптическое изображение соответствующей масштабной двух - или трехмерной линейки.

2.7. Замеры освещенности производятся в точках, наиболее удаленных от источника естественного или искусственного освещения. Уровень освещенности, определяемый с помощью люксометров Ю-15, Ю-16, Ю-17, ЛМ-3, сравнивается с нормативным по СНиП П. -А. 9.-71. В общем случае освещенность замеряется в горизонтальной плоскости на высоте 0,8 м от пола. Контрольных точек должно быть не менее 10.

2.8. Контроль герметичности стыков панелей в полносборных зданиях. Контроль состоит в определении коэффициента воздухопроницаемости стыков; адгезии герметики к бетону - А; относительного удлинения на разрыв тиоколовых герметиков- e₂; толщины пленки герметика -s.

При определении коэффициента воздухопроницаемости датчика скорости прибора ИВС-2М замеряется скорость воздушного потока. По сечению коллектора прибора и значению скорости потока определяется расход отсасываемого (нагнетаемого) воздуха и коэффициент воздухопроницаемости определяется по формуле:

i_с = 17,316Q_об/Нgt

где   17,316  коэффициент прибора

Q_об       расход воздуха, измеряемый прибором, л

Н          разрежение внутри камеры прибора, мм. вод. ст.

g_t          плотность воздуха, кг/ м³ (в таблице в паспорте прибора).

По оценке адгезии на проверяемый стык наклеивается штамп, зенкером подрезается по периметру и зацепом прибора обрывается. Показание прибора сравниваются с пределом прочности герметика по паспорту.

Оптимальное удлинение тиоколовых герметиков при разрыве e₂ не должно быть меньше 100% (ГОСТ 11309-65), а разность e_2mах - e_2min в серии испытаний не должна быть больше 10%. Оптимальное удлинение при разрыве тиоколовых герметиков определяется в результате испытания срезанных со стыка проб- полосок длиной 110-115 мм и шириной 15-20 мм - с участка рядом с местом проверки адгезии герметика к бетону. С каждого дефектного участка берется 3 пробы. За окончательное значение берется худший результат из трех испытаний. Все участки среза проб восстанавливаются тем же герметиком. Испытание пленки проводится на разрывной машине.

Толщину пленки герметика определяют прибором алтайского треста "Стройгаз", изготовленного на базе индикатора, по методике, приложенной к паспорту прибора.