Техническое обследование бетонных и железобетонных конструкций сопровождается инструментальным контролем прочности вяжущего материала после его твердения. На практике существует несколько способов определения прочностных характеристик бетона – разрушающий – проводится в лабораторных условиях и неразрушающий – выполняется без забора образцов и влияния на целостность структуры несущей конструкции. В зависимости от используемого метрологического инструмента, выбирается методика обследования, а, по результатам экспертизы, оформляется соответствующее техническое заключение. При оценке состояния возведённой конструкции, чаще всего, применяются неразрушающие методы контроля прочности бетона.
От чего зависит и на что влияет прочность бетона
Но показатель прочности бетона влияют множество критериев, каждый из которых подробно описывается ниже.
Время
Если графически описать зависимость прочности бетона от времени твердения свежеуложенной смеси, можно получить кривую со следующими характерными точками:
- Сразу после схватывания, в зависимости от класса и количества вяжущего вещества, конструктивный элемент начинает стремительно набирать прочность, достигая 50% от проектного значения за 3 суток. Именно поэтому, по истечение всего нескольких дней, по свежеуложенному материалу можно свободно передвигаться и продолжать строительно-монтажные работы.
- Снятие опалубки происходит на 6 – 7 сутки после заливки – когда материал набирает 70% заявленной паспортной прочности.
- Далее, материал продолжает твердеть ещё 3 недели. Согласно физико-механическим и химическим свойствам материала, 100% прочность достигается на 28 сутки после укладки.
Таким образом, полноценная эксплуатация конструкции с приложением всех расчётных нагрузок допускается примерно через 1 месяц после её возведения.
Температура
Твердение строительного материала происходит путём вступления частиц вяжущего вещества в химическую реакцию с водой. Данные процессы ускоряются при повышении температуры окружающей среды:
- При укладке, в бетонной смеси происходят внутренние изотермические процессы, из-за чего возведённая конструкция греет сама себя. Таким образом, при укрытии теплоизолирующими материалами, твердение строительного материала происходит без замедления реакции при температуре окружающего воздуха не менее +3 … +5 оС.
- Оптимальной температурой при твердении в естественных условиях считается температура +18 … +25 оС. В такой ситуации максимально точно соблюдается график естественного твердения, из расчёта набора 100% несущей способности за 28 суток.
- При необходимости ускорения процессов набора несущей способности, а также исключения риска промерзания конструкции, в конструкцию укладывается греющий кабель, который обеспечивает ускорение химической реакции. При температуре до +60 оС, набор 70% прочности происходит на 4 – 5 сутки.
- В промышленных условиях используется автоклав – специальные печи, температура в которых может достигать 100 оС, при высоком содержании водяных паров и давлении. Такие условия твердения считаются наилучшими для изделий ЖБИ.
Время твердения и скорость набора прочности бетона прямопропорционально зависят от температуры окружающей среды.
Влажность
Цемент, в отличие от гипса, является гидравлическим вяжущим, и скорость набора несущей способности во многом зависит от концентрации водяных паров. Именно поэтому, в сухую погоду поверхность фундаментной плиты или перекрытия периодически проливается водой для ускорения твердения. Лишняя влага также позволяет избежать усадочных трещин на поверхности материала.
Идеальные условия достигаются при создания водяной бани, когда конструкция твердеет в отдельной камере, герметично закрытой через гидрозатвор. Лучшим показателем для химической реакции является создание среды с влажностью до 98% – 100%.
Состав и характеристики цемента
Физико-механические характеристики строительного материала определяются количеством и параметрами гидравлического вяжущего – цемента:
- Количество цемента. При производстве строительных материалов на БСУ, технологи пользуются рекомендуемыми соотношениями всех заполнителей – песка, щебня, цемента и воды. От количества и пропорций этих ингредиентов зависит класс готового материала. При увеличении содержания цемента, несущая способность строительного материала неизменно повышается.
Процентное содержание вяжущего благотворно сказывается на несущей способности конструкции лишь до определённого момента. При значительном превышении количества, по сравнению с нормативными показателями, при усадке, в монолите появляются сквозные трещины.
- Степень химической активности цемента. Этот показатель определяется, исходя из состава и условий производства цемента. В зависимости от типа клинкера, который является основным компонентом строительного материала, определяется марка вяжущего – М50 – М600, от которой зависит на показатель прочности бетона.
- Водоцементное отношение – такой качественный показатель бетонной смеси, при котором достигается полное обволакивание всех пылевидных частиц вяжущего водной средой. Слишком большое количество воды неизбежно влечёт за собой увеличение подвижности и образование трещин.
При выборе цемента также важно обращать внимание на дату его производства – любой сухой материал со временем поглощает влагу из атмосферы, что влечёт за собой химическую реакцию и, как следствие, несоответствие заявленной марке.
Какой бывает прочность бетона
Чтобы понять, что такое прочность бетона, необходимо с разобраться в базовых видах данной физико-механической характеристики строительного материала. Существует 3 вида показателей прочности батона:
- На сжатие. Главная качественная характеристика материала, исходя из значений которой, по результатам испытаний, определяется класс конструктивного элемента. В соответствии с таблицами нормативных документов, класс строительного материала может быть от В2,5 до В45 (показатели несущей способности образца при сжатии в лабораторных условиях составляют от 50 кгс/см2 до 400 кгс/см2). Параметр учитывается проектировщиками при конструировании расчётной модели каркаса сооружения.
- На растяжение. Рассматриваемый показатель прочности примерно в 10 раз ниже, чем на сжатие. В связи с этим, при возведении монолитных конструкций, применяется армированный железобетон, так как совместная работа двух материалов приводит хорошим показателям прочности на растяжение. При недостаточном армировании, конструкция быстро разрушается.
- На изгиб. Данная характеристика также является слабым местом бетонных конструкций, так как, при испытаниях бруска или балки, нижняя зона сечения испытывает растягивающие усилия, а верхняя – сжимающие. При неравномерном сопротивлении структуры материала, конструкция теряет несущую способность уже при приложении 15% нагрузки от предела прочности на сжатие.
При проведении испытаний бетона на прочность, в расчёт берутся все 3 показателя, значения которых сравниваются с нормативными параметрами, по результатам оформления протокола.
Требования к проверке
При определении прочности бетона неразрушающим методом, либо по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов, эксперты руководствуются нормативными требованиями ГОСТ, СНиП и СП, которые включат в себя следующие условия:
- Инспекция материала должна производиться минимум дважды – перед отправкой товарного бетона на строительно-монтажный участок для укладки в конструкцию и после твердения, неразрушающими методами.
- Существуют также требования по заливке кубиков с габаритами 100х100х100 мм одновременно с возведением конструкции. В дальнейшем, образцы отправляются в лабораторию для испытаний на гидравлическом прессе.
- При определении физико-механических характеристик, обязательными параметрами являются прочность на сжатие (Rb) и на растяжение (Rbt).
- Для получения достоверного отчёта, нормативные документы также регламентируют определение марки по морозостойкости (F) и класса по водонепроницаемости (W).
- На финальном этапе, определяется объёмный вес материала, значение которого зависит от плотности основных ингредиентов и количества пор в структуре.
Все полученные показатели заносятся в протокол, оформленный по установленной форме и сопоставляются с паспортными данными материала, указанными производителем.
Как определить прочность бетона?
При испытаниях бетона на прочность используются 2 основных методики – проверка конструкций без нарушения целостности её структуры и выборочный отбор образцов для проведения испытаний разрушающими методами в лаборатории.
Разрушающие методы
Определение прочности разрушающими методами выполняется, согласно регламентам, прописанным в нормативной документации, с соблюдением определённых алгоритмов:
- Эксперт выборочно определяет участки конструкций, подлежащих инспекции с целью определения достоверных технических характеристик.
- Из несущих конструкций вырубаются или вырезаются готовые образцы таким образом, чтобы не снизить несущую способность структуры каркаса сооружения.
- Образцы доставляются в лабораторию, где они подвергаются серии испытаний путём полного разрушения с фиксацией фактического предела прочности материала.
- Результаты экспертизы отображаются в протоколе. Далее, полученные показатели сравниваются с нормативными значениями и паспортными данными материала, отражёнными в сопроводительной документации от поставщика.
По результатам камеральной обработки испытаний бетона на прочность, лаборант оформляет заключение, в котором указывается вывод на предмет соответствия фактического класса строительного материала и его основных характеристик теоретическим значениям.
Неразрушающие прямые методы
На практике, применяются несколько неразрушающих методов контроля прочности бетона, уложенного в готовую конструкцию:
- Метод отрыва. Метрологический прибор оснащается контактной поверхностью, которая приклеивается к бетонной конструкции с применением двухкомпонентного клеевого состава. Штамп оснащается штифтом, который крепится к силовой установке. Поворотом рукоятки, штамп оказывает отрывающее усилие, в результате которого часть бетона отслаивается от общей структуры. Лаборант фиксирует предельный показатель Rbt, при котором структура продолжает сопротивляться отрыву.
- Метод отрыва со скалыванием. Технология испытания аналогична предыдущему способу с разницей в креплении штампа. Элемент, передающий нагрузку, фиксируется в заранее просверленное перфоратором отверстие в конструктивном элементе при помощи клинового анкера. Метиз впоследствии захватывается цангой прибора. Далее, на структуру передаётся отрывающее усилие, а эксперт фиксирует достигнутый предел прочности.
- Метод скалывания ребра. Может применяться только для структур с особой формой профиля. Поверхность должна иметь выступающие элементы, на которые передаётся нагрузка с помощью метрологического оборудования. При увеличении давления, ребро отделяется от общей структуры, и зафиксированное усилие определяет предел прочности на скалывание.
Рассматриваемая методика определения прочности бетона применяется только для тех железобетонных конструкций, защитный слой каменного материала которых превышает 2 см до ближайшей грани арматурной стали.
Неразрушающие косвенные методы
Неразрушающие методы определения прочности бетона также подразумевают проведение испытаний, при которых определяются косвенные показатели качества. Конечный показатель рассчитывается с применением закономерностей, графиков и формул:
- Ультразвуковое исследование. Экспертиза проводится на 2 образцах – эталоне с минимальным количеством или отсутствием дефектов и на реальной конструкции. По результатам прозвонки нескольких выборочных участков и фиксации показаний пробора, производится сопоставление результатов с данными эталонного образца. Далее, определяется класс бетона по формуле.
- Определение несущей способности бетона методом ударного импульса. При испытании используется молоток Шмидта, которым оказывают ударное воздействие на поверхность конструкции. На приборе имеется индикатор, который фиксирует показания ударного импульса, используемого в формуле для определения прочности бетона.
- Упругий отскок. Способ считается одним из самых простых – для проведения испытания применяется специальный прибор – стекломер. При ударе электронная шкала фиксирует, насколько глубоко рабочий орган прибора погружается в толщу бетонной структуры.
- Пластический отскок. Проводится с применением молотка Кашкарова. Перед ударом, в полость бойка помещается металлический стержень, на котором фиксируется диаметр вмятины от шарика с безупречной жёсткостью. На основе замеров, по таблицам, прилагаемых к прибору, определяется класс строительного материала.
Косвенные методы определения прочности бетона отличаются невысокой точностью, но позволяют сэкономить много времени на проведении сложных испытаний. Инспекция данными способами может проводиться на стройке, при наличии простого механического оборудования.
Способы определения прочности бетона в лабораторных условиях
Способы идентификации прочности бетона с применением сложных гидравлических прессов считаются максимально точными и ложатся в основу экспертизы строительных конструкции. Существует несколько способов проведения данной операции.
Прочность на сжатие бетона
Служит главным испытанием, при необходимости определения фактического класса конструктивного элемента. Экспертиза проводится с применением гидравлического пресса, оказывающего усилие до 250 тонн и имеющего нижнюю неподвижную опору. Алгоритм испытаний:
- Отобранный образец доводится до состояния кубика с ровными гранями и габаритами 100 мм, либо 150 мм.
- Заготовка помещается на нижнюю платформу пресса.
- Пресс приводится в действие, оператор постепенно увеличивает нагрузку.
- Первоначальное усилие, передаваемое оборудованием, составляет 25 тонн. Далее, с нормативным шагом 5 тонн оператор постепенно увеличивает давление.
- На определённом этапе бетонный кубик расслаивается, что означает достижение предела прочности бетона.
- На индикаторе автоматически фиксируется предельный показатель давления за секунду до разрушения образца.
- После испытания, эксперт делит достигнутый показатель на площадь сечения кубика, для получения значения кгс/см2.
В исследовании участвуют не менее 3 образцов конструкции, доставленных с объекта. Конечный показатель определяется, исходя из наименьшего значения предела несущей способности испытуемого экземпляра.
Прочность на разрыв
При проведении испытания данной категории, используется особый пресс, который обеспечивает вертикальное перемещение штока, с помощью червячного привода. Для проведения таких испытаний, используется выбранный и доставленный со строительно-монтажного участка образец, которому придаётся форма стержня или бруска.
Заготовка фиксируется цанговым или гарпунным методом к металлическим захватам метрологического оборудования. Далее, к ней прикладывается усилие.
По мере расслаивания образца, лаборант снимает показатели значения Rbt на индикаторе прибора. Сразу после разрушения, стрелка останавливается, и показатель несущей способности на разрыв определяется, как отношение итогового разрушающего усилия к площади минимального сечения бетонной заготовки.
Прочность бетона на изгиб
При проведении испытаний используются миниатюрные балки, для которых замеряется длина и площадь поперченного сечения.
На платформу пресса помещаются 2 стальных бруска, расстояние между которыми является пролётом импровизированной балочной конструкции. Строго по центру верхней части сечения устанавливается 3-й стальной брусок, который служит опорным элементом для передачи точечного усилия.
Верхняя платформа пресса опускается на опорный брусок, который передаёт нагрузку в центр пролёта балки. По мере увеличения давления, стрелка индикатора отклоняется до тех пор, пока не происходит разрушение заготовки.
На основе полученного показателя, определяется внутренний момент и, по формуле предельного равновесия, вычисляется показатель прочности бетона.
Неразрушающие методы контроля прочности бетона или способы определения прочности на месте
Любая экспертиза железобетонных конструкций, в соответствии с требованиями регламентов, начинается с инструментального контроля бетона неразрушающими методами. Алгоритм проведения испытания зависит от времени твердения свежеуложенного бетона.
Схватывание бетона
На момент схватывания бетона допускается проведение визуального обследования свежеуложенного материала, на предмет определения качества заполнителя и водоцементного отношения.
Также, широко применяется метод определения подвижности свежеуложенного строительного материала путём осадки конуса, который проводится, в соответствии со следующим алгоритмом:
- На строительно-монтажном участке имеется специальный прибор, в виде усечённого конуса из стали, основания которого полностью открыты.
- Конус устанавливается на твёрдую и гладкую горизонтальную поверхность таким образом, чтобы его большее основание стояло на ней.
- Внутрь устройства подаётся жидкий бетон до тех пор, пока оно не заполнится до верха.
- Когда конус наполняется, производится уплотнение бетона методом штыкования.
- Бетон подаётся повторно, до заполнения прибора.
- Лаборант аккуратно поднимает конус, в результате чего бетон остаётся на поверхности.
- Сразу после извлечения формы, строительный материал даёт осадку под собственным весом.
- Величина осадки замеряется линейкой. Далее, этот параметр сравнивается с табличными данными.
Существует 4 степени подвижности бетонной смеси – от П1 до П4, каждая из которых определяется величиной осадки конуса в сантиметрах.
Стадия твердения бетона
На стадии твердения бетона применяются все косвенные методы определения прочности бетона – ударный отскок, пластический отскок или ударный импульс. Любая методика в полном объёме повторяет указанные выше технологические процессы.
Разница заключается в камеральных обработках полученных результатов. Исходя из графика твердения свежеуложенного материала, определяется его фактические показатель прочности, методом экстраполяции. Например, если через 7 суток после укладки в опалубку, конструкция показывает предел прочности бетона для класса В15, это означает, что через нормативные 28 суток она наберёт этот параметр до соответствия классу В25.
Комбинированные методы контроля
Комбинированные методы контроля прочности бетона базируются на проведении одновременных прямых и косвенных испытаний. Конечные значения сопоставляются между собой и отличаются повышенной точностью. Кроме того, если какая-то из методик показывает результат, отличный от эталонных значений, это является показателем необходимости проведения повторных испытаний.
В любом случае, следует учесть, что бетон – неоднородная структура, и его работа не подчиняется законам классической механики. Для получения точных результатов, контрольные замеры осуществляются в нескольких местах, а конечный показатель прочности бетона определяется, исходя из самого невыгодного результата испытаний.
Виды бетонных смесей и сфера их использования
В мире существует широкий ассортимент видов бетонных смесей, каждый из которых широко применяется при производстве строительно-монтажных работ разных категорий. Рассматриваемые строительные материалы классифицируются на разные типы, согласно следующим признакам:
- По типу вяжущего:
- Цементные – предназначены для устройства монолитных железобетонных несущих конструкций. При правильном расчёте и подборе сечений полностью отвечают требованиям по обеспечению безопасной эксплуатации объекта.
- Силикатные – применяются при производстве штучных каменных материалов, а также для возведения несущих каркасов бюджетных объектов. Изготавливаются на основе кремниевых добавок и извести.
- Гипсовые – изготавливаются на основе кальциевого воздушного вяжущего. Подходят для возведения внутренних перегородок и производства декоративных элементов чистовой отделки помещений.
- Битумные – являются основой для производства асфальтов с последующим использованием в дорожном строительстве.
- Полимерные – современные материалы, широко используемые для возведения несущих и ограждающих конструкций с применением инновационных технологий.
- По типу используемого крупного заполнителя:
- На гранитном щебне – подходят для устройства несущих конструкций с максимальной степенью ответственности.
- На известковом щебне – применяются при производстве отделочных работ, возведении внутренних перегородок, а также массивных конструкций.
- По структуре – существует 5 основных типов:
- Особо тяжёлые. Используются для монтажа ответственных большепролётных конструкций, высотных зданий свыше 75 метров и других уникальных объектов.
- Тяжёлые. Используются для приготовления стандартного бетона, используемого в несущих конструкциях монолитных каркасов зданий.
- Облегчённые. Применяются для малоэтажного строительства, в качестве несущих и ограждающих конструкций.
- Лёгкие. Используются для возведения ограждающих элементов наружных стен и перегородок.
- Особо лёгкие. Применяются для производства декоративных элементов внутренней отделки помещении.
К каждой новой партии бетонной смеси прикладывается паспорт качества, в котором отображаются все перечисленные выше параметры. При определении прочности бетона, эксперт сопоставляет реальные характеристики с данными, заявленными производителем.
Заключение
Определение прочности бетона, уложенного в конструкцию – важный этап строительно-монтажных работ. Обследование назначается при наличии подозрений на несоответствие фактических характеристик материала сведениям, заявленным производителем. Помимо визуального обследования, существуют разрушающие или неразрушающие методы контроля прочности бетона. По результатам инспекции, уполномоченное лицо оформляет протоколы и заключение, в котором отображается фактический класс материала, марки по морозостойкости, водонепроницаемости и другие важные параметры обследованных образцов.
