Контроль прочности монолитных бетонных конструкций: особенности методик

Американский комик Джордж Карлин однажды сказал: «Мне нравится, когда через трещину в бетоне прорастает цветок или небольшой пучок травы. Это чертовски героично». А еще это чертовски трагично, ведь бетон в строительстве стал символом чего-то фундаментального, почти вечного. Даже обывателю понятно, что любая трещина в бетонной конструкции говорит не только о снижении ее прочности, но, возможно, и о скором разрушении. Специалист же добавит, что цветы, проросшие в бетоне, символизируют не столько героизм, сколько отсутствие должного контроля прочности монолитных бетонных конструкций. Когда и какими методами следует проверять проектную прочность бетона, чтобы строительный объект не стал поводом для шуток, разбираемся в статье.

1. От чего зависит набор прочности бетона
2. Виды прочности бетона
3. На каких этапах требуется производить контроль прочности бетона
4. ГОСТ 18105-2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности». Важные выписки
5. Классификация методов контроля прочности эксплуатируемых бетонных конструкций
6. Особенности разрушающих методов контроля прочности бетона
7. Особенности неразрушающих методов контроля прочности бетона

От чего зависит набор прочности бетона

Бетон – такой простой материала, но такая неисчерпаемая тема для разнообразных разговоров. Мы, вроде бы, уже обсудили и классификацию бетонов, их морозостойкость и водонепроницаемость, качество бетонных смесей, входной контроль качества, контроль за укладкой, даже уход в процессе укладки, в зависимости от сезона. Но каждая новая тема раскрывает еще немало следующих. Вот, и говоря подробно о методиках проверки бетона на прочность, нельзя не затронуть косвенный вопрос: какие факторы влияют на скорость набора прочности бетона.

Итак, в первые сутки, в процессе схватывания бетонной смеси, важны:

1. Температура воздуха. Чем она выше, тем интенсивнее протекает внутренний процесс. При 20°С смесь начнет схватываться в течение двух часов после укладки, и схватиться за час. А, вот при 0°С весь процесс займет более 20 часов.
2. Перемешивание перед укладкой. Если бетонную смесь как следует не перемешать, она просто не затвердеет, а в последствии будет иметь более плохие показатели качества.

А в процессе твердения бетона (в период со 2 до 28 сутки), на набор прочности будут влиять:

1. Температура и влажность, которую следует поддерживать определенным образом, также как, избегать чрезмерной влажности. Таким образом, при оптимальных температурно-влажностных условиях, уже через неделю бетон наберет прочность около 30% от марочного значения, а через две – 70%.
2. Активность, свежесть, состав цемента, способ его хранения. Сюда относятся тонкость помола и гранулометрия, дата производства, которая является отправной точки по потере прочностных характеристик, а также все добавки и пластификаторы, влияющие на внутренние химические реакции.
3. Водоцементное соотношение. Другими словами, технология приготовления смеси. При соотношении воды к цементу 0,3, не появится излишков воды, но смесь получится жесткой. Поэтому идеальным считается соотношение от 0,45 до 0,55, но не более, иначе в бетоне при твердении появятся слишком большие поры и прочие воздушные дефекты.

Виды прочности бетона

По ходу реализации проекта, прочность бетона из нормативной превращается в фактическую по следующей «лесенке»:

1. Нормативная прочность бетона для каждого отдельного проекта определяется ГОСТами и прочими нормативными документами, на нее ориентируется проектировщик.
2. Проектная прочность – та самая, которую проектировщик в результате использует в конкретном проекте и та самая, которую бетон должен достичь на 100% в процессе затвердевания к 28 дню.
3. Распалубочная прочность означает, что с забетонированной конструкции можно снять опалубку. Она достигается на разном этапе затвердевания для разных конструкций. Снять опалубку с монолитного фундамента возможно уже через 5-7 суток, а лестничный проем – только через 28.
4. Фактическая прочность определяется путем проведения испытаний. Она должна составлять не менее 85% от проектной.

На каких этапах требуется производить контроль прочности бетона

Неважно, какой именно объект возводится, это может быть садовая дорожка или взлетно-посадочная полоса на аэродроме, фундамент под беседку или небоскреб. Прочность бетона зависит от очень многих переменных, начиная с качественных компонентов и грамотного замеса, заканчивая правильным уходом за застывающей смесью в течение всего срока набора прочности. Хотя прочность бетон набирает в течение всего срока службы. Поэтому контроль за прочность можно условно разделить на два больших этапа: до 28 дней и после.

28 дней – это проектный возраст достижения 100% прочности бетона. Несмотря на то, что бетон продолжает твердеть долгие годы после этого срока, далее его прочность в процентах уже не измеряется. Считается, что через три года показатель может вдвое превысить значение, полученное через 28 дней после заливки. Поэтому контроль прочности требуется постоянно. На этапе до 28 дней, сюда нужно отнести:

• контроль качества бетонной смеси, поступающей на строительную площадку в автомиксере, чтобы подтвердить ее соответствие проектных характеристикам;
• контроль качества сухих бетонных смесей, поступающих на площадку в пакетах, а также последующий контроль изготовления смеси на площадке, чтобы получить готовую смесь с необходимыми параметрами;
• контроль процесса укладки бетона, чтобы избежать появления пустот, которые напрямую влияют на будущую прочность;
• контроль за правильным уходом за бетонной смесью, чтобы бетон набрал проектную прочность в установленный срок;
• промежуточный контроль прочности бетона спустя две недели после заливки, когда его прочность достигает 70% от предусмотренной для соответствующей марки бетона;
• контроль прочности бетона по достижению возраста в 28 суток, чтобы подтвердить 100% набор проектной прочности.

О том, каким образом специалисты строительной лаборатории проверяют качество бетонной смеси на площадке и ее укладку в опалубку, мы рассказывали вот здесь. Также мы разбирали правила ухода за застывающей смесью в холодный и теплый сезоны, вот здесь. Поэтому сегодня остановимся подробнее на тех методах контроля прочности монолитных бетонных конструкций, которые используют при достижении бетоном 28-дневного возраста и далее при эксплуатации. И, в первую очередь, обратимся к нормативам.

ГОСТ 18105-2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности». Важные выписки

Всякий строительный вопрос регулируется своим ГОСТом. Для работы с бетонами, их существует множество, в том числе для контроля и оценки его прочности. На данный момент актуальной является версия ГОСТ 18105-2018, действие которой распространяется на все виды бетонов, для которых нормируется прочность.

Согласно этому документу:

1. Контролю подлежат все бетонные смеси в промежуточном и проектном возрасте, а также монолитные, сборные и сборно-монолитные бетонные и железобетонные конструкции в промежуточном, проектном возрасте и при дальнейшей эксплуатации.
2. Контроль прочности бетона не должен приводить к нарушению эксплуатационной пригодности конструкций.
3. При контроле прочности бетона монолитных конструкций в промежуточном возрасте испытанию подвергают не менее одной конструкции каждого вида (колонна, стена, перекрытие и т.д.). При контроле прочности бетона в проектном возрасте проводят сплошной контроль прочности бетона всех конструкций группы.
4. При выявлении зон или групп конструкций, прочность бетона которых ниже проектной на 15% и более, такие зоны или группы конструкций проверяют на прочность дополнительно и отдельно от основной конструкции.
5. В случаях, когда доступ к определенной зоне или конструкции в целом ограничен (чаще всего при наличии заглубленных конструкций), прочность бетона оценивают по контрольным образцам, при условии их твердения согласно проекту или технологическому регламенту.
6. Контролю подлежит не менее одного участка монолитной конструкции на каждые 20 кв. м., а для расчета характеристик однородности прочности бетона таких участков должно быть не менее 6 (количество зависит от параметров конструкции).
7. Не менее двух кернов должно быть изъято на каждые 12 кв. м. конструкции, при проверке прочности бетона по контрольным образцам.

Классификация методов контроля прочности эксплуатируемых бетонных конструкций

Методики исследования прочности бетона после его 100% затвердения можно разделить на две большие группы: разрушающие методы и не разрушающие методы. Причем неразрушающие методы подразделяются, в свою очередь, на прямые и косвенные.

Наиболее достоверными считаются разрушающие методики, поскольку они:

• применяются на контрольных образцах (кубах или кернах), изъятых из самой конструкции;
• основаны на прямом физическом воздействии на образец, приводящим к его разрушению;
• не зависят от сторонних факторов, таких как дефекты, арматура, погодные условия.

Однако эти же методики являются наиболее трудозатратными и продолжительными и дорогостоящими, по сравнению с неразрушающими методиками, а также приводят, пусть и к локальным, но разрушениям конструкции, поэтому при исследованиях используются достаточно редко.

Схематичная классификация методов выглядит следующим образом:

Особенности разрушающих методов контроля прочности бетона

Разрушающие методики не предполагают нанесение монолитной конструкции критичных повреждений, а лишь отбор образцов по нормативам и их последующее разрушение на специальном оборудовании в строительной лаборатории.

Изъять бетонный куб или керн из выбранного участка конструкции возможно выпиливанием и выбуриванием. Последний вариант считается менее трудозатратным.

Отобранные образцы испытывают в гидравлическом прессе до полного разрушения, с целью узнать прочность уже затвердевшей бетонной конструкции:

• на сжатие,
• на растяжение при изгибе.

Фиксируется необходимое для этого усилие. Чтобы исключить влияние случайных факторов и возможных погрешностей, испытывают контрольную партию образцов (согласно программе проведения испытаний), после чего выводят усредненное значение показателя.

Испытание образца на прочность на сжатие до полного разрушения является наиболее популярной методикой, которая показывает способность бетона выдерживать расчетные нагрузки, а значит подтвердить свою марку. По ходу затвердевания бетонной смеси, проводят 2-3 такие проверки, чаще всего в промежуточной стадии, когда бетон достигает 70% прочности (1-2 недели), а также по истечению 28 суток, чтобы подтвердить его 100% затвердение.

Испытание бетонного образца на растяжение при изгибе используют гораздо реже, поскольку сгенерировать нужную растягивающую силу крайне сложно. Однако методика весьма эффективна для того, чтобы узнать нагрузку, при которой в бетоне возможно образование трещин, из которых в дальнейшем и растут цветы и травы. Эксперимент проводят на разрывной машине, где возможно воспроизвести симметричную и центральную нагрузки. Машина фиксирует показатели на момент разламывания образца, а прочность конструкции рассчитывается по формуле.

Особенности неразрушающих методов контроля прочности бетона

1. Прямые неразрушающие тесты бетона на прочность также называют механическими, поскольку по ходу проведение испытания на исследуемую плоскость оказывается механическое воздействие с помощью определенных приборов. Однако они не наносят повреждений бетонным конструкциям.

Метод отрыва заключается в нанесении на поверхность эпоксидного состава, к которому приклеивается стальной высокопрочный диск. Диск отрывают от конструкции специальным механизмом с приложенным усилием, при котором отрывается также небольшой слой бетона. Величина приложенного усилия преобразуется в показатель прочности бетона через математическую формулу. Однако эту методику в России используют редко, ввиду проблемы фиксации металлических дисков эпоксидным клеем при отрицательной температуре воздуха.

Метод отрыва со скалыванием отличается от предыдущего тем, что никакой эпоксидный состав не используется. В бетонной плоскости просверливаются отверстия для закрепления анкеров лепесткового типа, которые вырывают из конструкции механическим способом и, опять же, подсчитывают приложенное для этого усилие. Такое исследование проводится редко, поскольку требует незначительного повреждения конструкции и дополнительных трудозатрат на бурение. Он также полностью не подходит для конструкций и элементов незначительной толщины.

Метод скалывания ребра имеет говорящее название, поскольку используется только на угловых горизонтальных участках. К ребру крепится специальный прибор, которые позволяет постепенно и плавно увеличивать нагрузку до момента отрыва небольшого фрагмента от тела конструкции. Глубину и усилие скола устанавливают в момент разрушения, затем искомая прочность рассчитывается по формуле.

2. Косвенные неразрушающие методы проверки бетона на прочность имеют один существенный минус и такой же существенный плюс. Главным недостатком этой группы исследования считается погрешность результатов, сгладить которую требуется дополнительными вычислениями и построением градуированной зависимости. Главное преимущество очевидно – исследуемая конструкция не подвергается ни разрушению, ни даже механическому воздействию.

Ультразвуковой контроль подразумевает использование прибора, который устанавливается поочередно на каждый участок конструкции (согласно программе проведения испытаний) и прозванивается. Это значит, что ультразвуковой сигнал проходит через бетон насквозь или вдоль поверхности и возвращается обратно в прибор. Данные о прочности получают путем сравнивания скорости прохождения волн в эталонном образце и готовой конструкции.

Ударно-импульсная методика задействует так называемый молоток Шмидта или металлический боек сферической формы, которым ударяют о бетонную поверхность, не нанося повреждений. После чего энергия ударного импульса фиксируется с помощью специального устройства магнитострикционного или пьезоэлектрического типа и преобразуется в электрический сигнал. Точность полученных данных о прочности бетона считается невысокой.

При испытании бетона методом обратного отскока используется склерометр — прибор для определения твердости материалов, который с давних пор и до середины ХХ века оставался единственным признанным способом оценки твердости. По сути сейчас склерометром можно назвать любой прибор, который позволяет определять твердость с помощью удара по бетонной поверхности до появления царапины. Прибор фиксирует усилие обратного движения бойка, после чего вычисляется зависимость.

И, наконец, метод пластической деформации также предполагает приложение ударной нагрузки, но уже с помощью молотка Кашкарова. Этот прибор также предназначен для определения прочности бетона и железобетона. О поверхность бетона ударяется металлический шарик так, чтобы осталась вмятина. Глубину этой вмятины впоследствии сличают с эталоном. Молоток Кашкарова, в сочетании с ультразвуковой методикой, чаще других используют при контроле прочности монолитных бетонных конструкций.