Методы оценки прочности бетона эксплуатируемых конструкций

Как отмечалось в главе III, бетон в процессе эксплуатации испыты­вает различные воздействия, в результате которых его прочность изме­няется во времени. Это изменение может происходить в трех направ­лениях:

• при благоприятных температурно-влажностных условиях вследствие продолжающейся гидратации цемента прочность бетона может возрас­тать;

• под влиянием окружающей среды в бетоне появляются микроразру­шения структуры, однако продолжающаяся гидратация цемента ком­пенсирует снижение прочности от этих микроразрушений, и в целом прочность бетона остается постоянной;

• под влиянием окружающей среды в структуре бетона идет интенсив­ное накопление микроразрушений, гидратация цемента из-за неблаго­приятных температурно-влажностных условий или вовсе отсутствует, или идет крайне медленно, и вследствие этого идет устойчивое сниже­ние прочности бетона.

Первый случай наблюдается в подземной части опор, где имеются соответствующие условия для продолжения гидратации цемента и роста прочности бетона. Второй случай характерен для небольшой переходной зоны из грунта в надземную часть конструкций или для теплых влажных районов эксплуатации опор. И наконец, третий случай является доми­нирующим для надземной части всего парка опор, эксплуатирующихся на сети электрифицированных железных дорог.

Снижение прочности бетона является одним из факторов уменьше­ния несущей способности опор в процессе их эксплуатации и, соответ­ственно, снижения их надежности и уровня безопасности. Однако сниже-

 

128

 

Глава 5. Ультразвуковая диагностика прочности бетона

ние прочности неодинаково влияет на уменьшение несущей способно­сти различных типов опор. Наибо­лее чувствительны-ми к изменению прочности бетона на сжатие явля­ются предварительно напряженные опоры, армированные высокоп-роч­ной проволокой. У таких опор даже небольшое уменьшение прочности бетона на сжатие приводит к ощу­тимому снижению несущей спо­собности (рис. 5.1, кривая 1).

Анализ показывает, что отме­ченная степень влияния проч­ности бетона на несущую спо­собность предварительно напря­женных опор связана прежде всего с применением высокой степени натяжения высокопрочной проволоки. При такой арматуре степень ее натяжения для полного использования прочностных свойств достига­ла величин порядка 800 — 950 МПа. При таком натяжении в предельном состоянии напряжения в сжатой зоне оказываются непогашенными и несущая способность конструкций определяется исключительно проч­ностными свойствами бетона. Более того, при понижении прочности бетона под влиянием предварительного напряжения уровень микро-трещинообразования превышается, а в стадии, близкой к предельной, процесс микротрещинообразования приобретает лавинный характер, в результате чего бетон теряет прочность полностью. Иной характер вли­яния уменьшенной прочности бетона на несущую способность наблю­дается у опор с ненапряженной арматурой. У этих опор решающее зна­чение для несущей способности имеет состояние и количество стерж­невой арматуры. Даже при значительном снижении прочности бетона несущая способность конструкций изменяется незначительно. Она не может понизиться ниже определенного уровня из-за наличия ненапря­женной стержневой арматуры.

Из сказанного можно сделать вывод о том, насколько важен контроль прочности бетона опор, особенно предварительно напряженных. При этом следует подчеркнуть, что контроль должен быть неразрушающим, при этом он должен позволять оценивать прочность бетона на любом этапе эксплуатации конструкций и на любой стадии деградации струк­туры бетона.

В настоящее время известно много методов неразрушающего кон­троля прочности бетона. Их применяют преимущественно в строитель­ной индустрии для инспекционного контроля прочности бетона строя-

 

129

 

 

Глава 5. Ультразвуковая диагностика прочности бетона

щихся зданий и сооружений, а также для определения передаточной и отпускной прочности бетона на заводах железобетонных конструкций. Однако на практике отсутствуют приемлемые методы контроля проч­ности бетона эксплуатируемых конструкций, в которых снижение его прочности происходит из-за появления повреждений в структуре. По этой причине и в связи с участившимися случаями разрушения опор из-за снижения прочности бетона ВНИИЖТом была в 1984—1985 гг. предпринята попытка разработки специального метода неразрушающего контроля прочности бетона эксплуатируемых опор контактной сети. При этом исследовалась возможность использования двух наиболее рас­пространенных методов контроля: отрыва со скалыванием и упругого отскока. Метод отрыва со скалыванием был предложен И. В. Вольфом и Б. Г. Скрамтаевым примерно 50 лет назад. Он заключался в том, что из бетона конструкции вырывают анкерное устройство в виде стержня с утолщенной головкой или разжимного конуса. При этом вместе с ан­керным устройством вырывается небольшой конус бетона. Для осущест­вления метода имеются различные приборы.

В соответствии со стандартом применительно к контролю прочно­сти бетона опор контактной сети исследовали два варианта метода от­рыва со скалыванием: с применением анкера в виде стержня из высоко­прочной проволоки с высаженной головкой или анкера в виде разжим­ного конуса.

В результате испытаний было установлено следующее:

1. Анкер в виде стержня из высокопрочной проволоки с высаженной головкой установить практически невозможно вследствие недостаточного сцепления клея с бетоном при его затвердевании в естественных условиях. При затвердевании клея на воздухе на внутренней поверхности гнезда для установки анкера появляется конденсат влаги, препятствующей образованию надежного контакта клея с бетоном;

2. При использовании разжимного конуса усилие вырыва в значи­тельной степени зависит от первоначальной затяжки анкера, что вносит большую неопределенность в результаты испытаний;

3. Метод отрыва со скалыванием трудоемок и малопроизводителен. При его применении повреждается конструкция, что уменьшает ее не­сущую способность;

4. Этот метод неприемлем при повреждении бетона по всему объему конструкции. Прочность бетона оценивается им на небольшой глуби­не - до 20 мм. Более глубокая часть, которая, как правило, имеет боль­шое количество микроповреждений, остается вне контроля.

Метод упругого отскока основан на наличии связи между прочно­стью бетона и его упругими характеристиками. Их оценивают по вы­соте отскока бойка ударника, плотно прижатого к поверхности бето­на. Этот метод наиболее прост, удобен и наименее трудоемок. Для его

 

130

 

Глава 5. Ультразвуковая диагностика прочности бетона

реализации используют, как правило, склерометр Шмидта или прибор типа КМ.

Метод упругого отскока для определения прочности бетона опор был испытан на ряде дорог. В результате испытаний установлено следующее:

1. Для высокоточного контроля прочности бетона с применением метода упругого отскока требуется построение тарировочных зависи­мостей прочности от высоты отскока бойка, которые для эксплуати­руемых опор получить практически невозможно. При отсутствии таких зависимостей точность оценки прочности бетона находится в пределах ±50%, причем, как правило, в сторону завышения. Данный вывод под­твержден результатами механических испытаний опор, проводившихся одновременно с неразрушаюшими испытаниями;

2. Метод отскока непригоден для бетонов с прочностью свыше 50 МПа, он требует корректировки при контроле прочности бетона кри­волинейных поверхностей, а также влажных бетонов;

3. Метод отскока позволяет контролировать прочность бетона по­верхностных слоев конструкций и не может быть использован для кон­троля внутренних слоев, повреждающихся в процессе эксплуатации в наибольшей степени;

4. Этот метод пригоден для контроля прочности бетона без трещин. В зоне трещин или повреждений метод не отражает фактической проч­ности бетона.

Таким образом, анализ и проведенные испытания показали нали­чие непреодолимых трудностей в использовании стандартных методов оценки прочности бетона, базирующихся на зависимостях показатель — прочность. Получить такие зависимости для эксплуатируемых опор не представляется возможным в силу многообразия примененных мате­риалов для изготовления опор, особенностей технологий различных за­водов, многообразия условий эксплуатации различных конструкций и т.д. Более того, непреодолимые препятствия создает то обстоятельство, что повреждение и разрушение конструкций в процессе эксплуатации происходит крайне неравномерно по их объему. Разрушение может на­чинаться в одном месте, затем приостанавливаться и происходить в дру­гом месте, после этого происходить снова в первом месте, и так далее, пока не будет заполнен весь объем конструкции разрушениями и по­вреждениями.

Учитывая сказанное и принимая во внимание результаты исследова­ний, при разработке метода диагностики прочности бетона и несущей способности железобетонных опор отказались от традиционных под­ходов, связанных с построением тарировочных зависимостей. В осно­ву разработанного ВНИИЖТом метода диагностики прочности бетона и несущей способности предварительно напряженных железобетон­ных опор положен новый подход [41], в соответствии с которым проч-

 

131

 

Глава 5. Ультразвуковая диагностика прочности бетона

 

                                                  ность бетона и несущая спо-собность опор определяются одним параметром - объемом повреж­дений в структуре бетона незави­симо от марки опор, года их выпу­ска, завода-изготовителя, состава бетона, применяемых материалов, тех-нологии изготовления и т.д. Представленный объем повреж­дений в структуре бетона уста­навливается с учетом безопасно­сти конструк-ций одинаковым для всех опор и принимается равным 40%. На основании опыта эксплу­атации и исследований считается, что основным видом повреждений являются микротрещины в структу­ре бетона, возникающие в последнем под влиянием комплекса внешних воздействий. Химические перерождения цементного камня вследствие карбонизации извести и возможной гидратации цемента из-за неболь­шого влияния не учитываются. При этом принимается во внимание за­кономерность в расположении микротрещин в структуре - их ориента­ция вдоль предварительно напряженной арматуры.

Для оценки объема повреждений в структуре бетона используются ультразвуковые колебания. Основным показателем поврежденности при этом является отношение времени распространения ультразвука в направлении, перпендикулярном напряженной арматуре, ко времени распространения ультразвука вдоль этой арматуры. Как показывают ис­следования, по мере накопления повреждений в бетоне наиболее интен­сивно изменяется время распространения ультразвука в направлении, перпендикулярном напряженной арматуре, и в значительно меньшей степени вдоль нее (рис. 5.2). При этом при отсутствии в бетоне повреж­дений это отношение близко к 1,05, а в стадии, близкой к разрушению, оно равно 1,6-1,7.

Прочность поврежденного бетона R _П с учетом отмеченного показа­теля определяется с помощью выражения

R _П = R _н {А-В k),                                                           (5.1)

где R _н — прочность неповрежденного бетона, определяемая любым не-разрушающим способом на неповрежденном участке опоры, например в подземной части конструкций; А и B -коэффициенты для центрифу­гированного бетона предварительно напряженных опор, равные соот­ветственно 2,65 и 1,65; k -коэффициент поврежденности бетона, опре­деляемый по ультразвуковым измерениям.

 

132

 

Глава 5. Ультразвуковая диагностика прочности бетона

Прочность неповрежденного бетона при использовании ультразву­кового метода может быть определена по формуле

                                                                                                  

                                                                                         

                                                                                                                                                                         (5.2)

где v - скорость ультразвука, км/с; у —плотность бетона, кг/м³; а - кон­центрация крупного заполнителя в бетоне.

Используя (5.1) и (5.2), можно определить прочность бетона на лю­бой стадии повреждения.