СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА МОНОЛИТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И АНКЕРНОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА МОНОЛИТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR TESTING STRENGTH OF MONOLITHIC CONCRETE BUILDING STRUCTURES AND ANCHOR DEVICE FOR TESTING STRENGTH OF MONOLITHIC CONCRETE STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, в частности к испытаниям бетона монолитных вертикальных строительных конструкций методом отрыва со скалыванием.
Существующие способы испытания бетона строительных конструкций имеют свои достоинства и недостатки, но одними из основных - эталонными способами - являются прямые неразрушающие испытания, а именно метод отрыва со скалыванием. Современный способ реализации данного метода основан на большом количестве промежуточных операций, требующих дополнительных трудозатрат, материальных ресурсов и оказывающих влияние на точность получаемых результатов. Влияние данных факторов в большинстве случаев трудно оценить. В связи с этим актуальной становится задача поиска новых решений реализации известного метода отрыва со скалыванием.
Предлагается способ испытания стандартным силовым устройством, применяемым для традиционного метода отрыва со скалыванием, бетона конструкции посредством анкерного приспособления, которое устанавливается в процессе опалубочных работ в технологическое отверстие в месте прохода тяжа для соединения щитов опалубки.
Известны способы для испытания бетона в конструкции, основанные на использовании косвенной зависимости между прочностью бетона и значением усилия локального разрушения бетона при вырыве (отрыве со скалыванием) из него анкерного устройства. Эти способы на основе применения специальных устройств позволяют равномерно возрастающим усилием находящегося в бетоне на определенной глубине анкера нагрузить до отрыва фрагмент бетона. По зафиксированному усилию отрыва вычисляется величина прочности бетона в автоматическом или ручном режиме. В качестве анкерного приспособления традиционно используются три типа анкера по ГОСТ 22690-88 «Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля». Это, во-первых, рабочий стержень, закрепляемый на опалубке перед бетонированием и вырываемый в требуемый период набора прочности. Второй и третий типы - это рабочие стержни с разжимным конусом и тремя сегментными рифлеными щеками, которые устанавливаются в конструкцию непосредственно перед испытанием. Для этого выполняется шпур под выбранный анкер и его установка.
Наиболее распространенным типом анкера является второй, применяемый как при обследовании эксплуатируемых конструкций, так и при контроле качества нового строительства в процессе возведения здания. К недостаткам данного способа относится большой объем дополнительных операций (требуется определить расположение арматурных стержней в теле бетона, выполнить строго вертикальное бурение на определенную глубину). Соответственно, качество их выполнения влияет на объективность результатов измерений. При этом испытания анкером II типа (и также III типа) не применимы на ранних сроках набора прочности бетона, в связи с разрушающим действием сверления и подготовки шпура под анкер, что значительно может сказаться на результатах испытаний. Известны устройства для испытания бетона, использующие данный тип анкера [1-6].
Анкер I типа практически не применяется в связи со сложностью и трудоемкостью работ по его установке или закреплению на щитах опалубки. Недостатками данного способа являются необходимость нанесения вреда палубе щита для установки анкера, которую в случае дальнейшего использования необходимо ремонтировать, и то, что после изготовления конструкции часть анкера, за которую крепится в последующем вырывающее устройство, выступает над ее поверхностью. При этом в связи с отсутствием подготовительных мероприятий, свойственных II типу анкеров, факторов, которые могут повлиять на итоговый результат (положение арматурных стержней в теле бетона, вертикальность и глубина отверстия под анкер), значительно меньше, что положительно сказывается на вариации измерений и их точности. Известны устройства для испытания бетона, в случае которых можно использовать I тип анкера [1-3, 7].
К настоящему времени основные изменения в совершенствовании метода отрыва со скалыванием коснулись применяемых устройств (применение электронных блоков управления; приспособлений, улучшающих качество выполняемых шпуров и т.д.), но не типа анкеров, которые остаются типовыми согласно ГОСТ 22690-88.
Проведен анализ зарубежного опыта [8, 9]. Известные способы также подразумевает установку закладываемого заранее анкера в тело бетона по аналогии с типом анкера I по ГОСТ 22690. Основным отличием является применение с прибором опорного кольца, фиксирующего зону разрушения в строго определенных границах.
В 60-х гг. XX века P. Kierkegaard-Hansen (Дания) проводил исследования по определению оптимальной геометрии испытаний, возможности испытаний в «полевых» условиях с использованием более простого (наименее трудоемкого в работе) оборудования и высокой корреляции между предельной нагрузкой при отрыве и прочностью на сжатие испытываемого бетона конструкции. Он усовершенствовал метод, разработанный И.В. Вольфом за счет ряда нововведений:
- определил оптимальные параметры метода, определяемые глубиной замоноличивания своего типа анкера, диаметром заделываемого конца стержня и диаметром опорного кольца;
- исследовал эффект уменьшения диаметра опорного кольца. Опорное кольцо позволило уменьшить разброс получаемых значений, поверхность разрушения получила форму идеального конуса.
В 1975 г. Kaindl (Австрия) представил различные модификации систем вырыва. Некоторые из них включали экраны, помещенные вокруг головки стержня, чтобы исключить крупный заполнитель из зоны разрушения. Целью было уменьшить разброс получаемых значений испытаний. Но экраны не нашли широкого применения. Другие модификации включали использование т.н. «сжимаемых прокладок», чтобы допустить испытание на отрыв без снятия опалубки или проводить испытания глубоко в конструкции. Сведения по результатам таких испытаний практически отсутствуют.
На материалах данных исследований основаны современные стандарты стран Европы и США: BS EN 12504-3:2005 «Testing concrete in structures - Part 3: «Determination of pull-out force» («Испытание бетона в конструкциях - Часть 3: Определение силы вырыва») и ASTM С900-06 «Standard test method for pullout strength of hardened concrete» («Стандартный метод определения прочности затвердевшего бетона на вырыв»).
Кроме ограничения зоны отрыва со скалыванием для повышения точности результатов, основные недостатки рассмотренных выше способов испытаний зарубежные разработки не решили.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности являются способ и анкерное приспособление, раскрытые в патенте на изобретение RU №2271528 С1 (МПК G01N 3/00, опубл. 10.03.2006 г.) и выбранные в качестве прототипа. Данному способу присущи все недостатки при использовании как анкера I типа, так и II (III).
В известном способе испытания на прочность бетона строительных конструкций осуществляются путем вырыва со скалыванием силовым устройством куска монолитного бетона конструкции посредством анкерного приспособления, установленного в предварительно просверленном в монолитном бетоне конструкции отверстии, и измерении прилагаемой силы отрыва, отличающемся тем, что в отверстии растачивают профильную канавку, а на анкерном приспособлении выполняют выступ, соответствующий по расположению, форме и размерам расточенной профильной канавке. Анкерное приспособление для испытания бетона строительных конструкций содержит анкер с резьбовой головкой на одном конце для соединения с тягой, рабочую часть на другом конце, выполненную в виде разжимного и обратного конуса, и центральную цилиндрическую часть, и отличается тем, что центральная цилиндрическая часть выполнена с лысками, а приспособление снабжено облегающими обратный конус сегментами, выполненными с опорными буртами с внутренними лысками для сопряжения с лысками центральной цилиндрической части, на конце сегментов выполнены выступы, форма и размеры которых соответствует расточной канавке в отверстии бетона.
Технической задачей изобретения является совершенствование способа испытания прочности бетона монолитных строительных конструкций и анкерного приспособления за счет снижения трудоемкости и количества подготовительных операций для осуществления непосредственных испытаний, которые к тому же оказывают влияние на точность получаемых результатов.
Указанный результат достигается тем, что в способе испытания прочности бетона монолитных строительных конструкций путем отрыва со скалыванием силовым устройством куска бетона монолитных строительных конструкций посредством анкерного приспособления и измерение прилагаемой силы отрыва, анкерное приспособление, закрепленное на трубке, предварительно устанавливают при монтаже опалубки монолитных строительных конструкций в зоне расположения тяжей, соединяющих щиты опалубки.
Указанный результат достигается также тем, что в анкерном приспособлении для испытания прочности бетона монолитных строительных конструкций, содержащем анкер с центральной цилиндрической частью и рабочей частью, на одном конце цилиндрической части анкера внутри выполнена резьба для перехода на муфту-тягу, а рабочая часть выполнена цилиндрической с возможностью закрепления на трубке и с опорной площадкой для отрыва куска бетона монолитных строительных конструкций.
Предлагаемое анкерное приспособление устанавливается в процессе монтажа опалубки монолитных железобетонных стен, балок или колонн вместе с трубкой для прохода тяжей многократного использования. При распалубке конструкции тяж извлекают из трубки и используют вторично. Трубка, выполняющая до этого роль распорки вместе с анкером, остаются в теле бетона. Остающиеся в конструкции (стена, балка и т.д.) технологические отверстия традиционно заделываются раствором, бетонными или пластмассовыми пробками. В нашем случае заложенное в теле бетона анкерное приспособление позволяет провести оценку его прочности на данном участке методом отрыва со скалыванием.
По причинам единственности функции образующегося технологического отверстия в ходе бетонных работ и необходимости заделки его после вынимания стяжки возникает возможность установки предлагаемого типа анкера на конце пластиковой трубки в опалубку для осуществления впоследствии отрыва для оценки прочности бетона в конструкции. По сравнению с принятыми способами и применяемыми анкерами, поставляемыми с отечественными приборами ГПНВ-5, ОНИКС-ОС, ПОС-50МГ4, а также регламентируемыми ГОСТ 22690-88 и используемыми за рубежом в т.н. LOK-TEST, можно выделить следующие преимущества:
- исключается необходимость в изготовлении специального отверстия под анкер в опалубке;
- анкер совместим с современными опалубочными системами (конструкция щитов опалубки зачастую имеет отверстия для прохода тяжей);
- совмещаются мероприятия (технологические операции) по ремонту зон повреждения от отрыва с работой по зачеканке отверстий;
- исключается появление дополнительных зон ослабления бетона от новых отрывов кусков бетона;
- предварительный контроль положения анкера относительно устанавливаемых арматурных стержней в теле будущей конструкции (как и у анкеров I типа), что исключает затраты на их поиск при последующих испытаниях и ненужной отбраковке в случае неудачных вырывов (оголения арматуры) из-за возможной неточности неразрушающих магнитных методов;
- фиксированное положение анкера в теле бетона, включая глубину заложения (как и у анкеров I типа);
- отсутствие подготовительных мероприятий, свойственных II типу анкеров (как и у анкеров I типа), и, соответственно, факторов, которые могут повлиять на итоговый результат (положение арматурных стержней в теле бетона, вертикальность и глубина отверстия под анкер), что в итоге положительно сказывается на вариации измерений и их точности;
- способ применим как на ранних сроках набора прочности бетона (как и у анкеров I типа), т.к. отсутствует вредное воздействие на бетон сверления и подготовки шпура под анкер; так и при последующей эксплуатации здания или сооружения, т.к. анкер находится в теле бетона и не выступает над поверхностью в отличие от анкера I типа. В последнем случае отверстие с анкером может быть не зачеканено, а скрыто, например, только листом ГВЛ, обеспечив при этом возможность последующих испытаний. Таким образом, предлагаемый способ имеет неограниченный диапазон применения во времени;
- возможность быстрой установки большого количества анкеров при минимизации трудовых и материальных ресурсов, вырыв которых можно производить при последующих обследованиях конструкций.
Анкерное приспособление поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - схема анкера для осуществления отрыва со скалыванием (вырыва);
- на фиг. 2 - схема установки анкера в опалубке перед бетонированием;
- на фиг. 3 - схема осуществления отрыва со скалыванием (вырыва) фрагмента бетона.
Анкерное приспособление для испытания прочности бетона монолитных строительных конструкций, содержащее анкер 1 с центральной цилиндрической частью 2 и рабочей частью 3, выполнено таким образом, что на одном конце цилиндрической части анкера внутри имеется резьба 4 для перехода на муфту-тягу 11, а рабочая часть является цилиндрической с возможностью закрепления на трубке 7 и с опорной площадкой 5 для отрыва куска бетона вертикальных щитов опалубки 6 монолитных строительных конструкций. Также анкерное приспособление для испытания прочности бетона монолитных строительных конструкций содержит стяжной болт 8 для прохода тяжей многократного использования, стяжную гайку 9, болт перехода 10 на муфту-тягу 11, прибор 12 для приложения усилия отрыва, включающий опорное кольцо прибора 13 для ограничения участка отрыва бетона и формирования конуса разрушения 14.
Способ испытания осуществляется в следующей последовательности: анкер 1 фиксируется предварительно при установке вертикальных щитов опалубки 6 монолитных железобетонных стен, балок или колонн вместе с трубкой 7 для прохода тяжей многократного использования стяжного болта 8, обеспечения распора щитов опалубки 6 со стяжной гайкой 9 и обеспечения проектного размера возводимых конструкций. При распалубке конструкции стяжной болт 8 извлекают из трубки и используют вторично, а трубка 7 вместе с анкером 1 остаются в теле бетона. Затем при наступлении сроков испытаний в анкер 1 вкручивается болт перехода 10 на муфту-тягу 11, также фиксируемую перед испытанием. Прибор 12 для приложения усилия отрыва устанавливается на контролируемую конструкцию вместе с опорным кольцом прибора 13 для ограничения участка отрыва бетона и формирования конуса разрушения 14, образуемым при проведении испытания. В итоге анкерное приспособление позволяет провести оценку прочности бетона на данном участке методом отрыва со скалыванием.
Разработанные детали: анкер 1 и болт перехода 10 должны быть изготовлены из стали твердостью не менее 50HRC.
Установление градуировочной зависимости между косвенной характеристикой усилия отрыва (показаниями прибора) и прочностью бетонных образцов по ГОСТ 10180 должно осуществляться согласно ГОСТ 22690. Рекомендуется для установления градуировочной зависимости:
- использовать не менее 15 серий образцов-кубов по ГОСТ 10180 или не менее 30 отдельных образцов-кубов;
- в каждую серию дополнительно включать не менее трех образцов размером не менее 300×300×300 мм;
- испытание на отрыв со скалыванием проводить по одному на одной из двух (по выбору) боковых граней.
Заявляемый способ испытания бетонов с новым типом анкера может найти широкое применение в строительной индустрии для определения прочности в вертикальных монолитных бетонных и железобетонных изделиях, т.к. снижает трудоемкость установки анкеров, обладает простотой, дает возможность увеличения количества испытаний при меньших затратах при современных высоких темпах бетонирования, поэтому он соответствует критерию «промышленная применимость».
Перечень патентов и авторских свидетельств по методу отрыва со скалыванием (вырыва) (А.с.- авторское свидетельство; П. - патент).
1. А.с. 169860. Прибор для испытания прочности искусственных и естественных каменных материалов / И.В. Вольф. - Опубл. 1965.
2. А.с. 191873. Прибор для испытания прочности бетона в изделиях и конструкциях без разрушения / Б.Г. Скрамтаев, М.Ю. Лещинский. - Опубл. 1967.
3. А.с. 920475. Устройство для механических испытаний бетона / Н.В. Беляев, Н.Д. Лисов, Л.С.Павлов, С.Я. Хомутченко. - Опубл. 1982.
4. П. RU 2212663 С2. Устройство для испытания бетонов / В.В. Гулунов, А.А. Пау, А.В. Гулунов, Г.Б. Гершкович // ООО «Стройприбор». - Опубл. 2003.
5. П. RU 2271528 С1. Способ испытания на прочность бетона строительных конструкций, устройство для расточки профильной канавки, анкерное приспособление для испытания бетона строительных конструкций, силовое устройство для испытания бетона строительных конструкций, кондуктор для сверления отверстий / Б.А. Мельников, В.А. Чебыкин, Г.А. Губайдуллин // ООО НПП «ИНТЕРПРИБОР». - Опубл. 2006.
6. П. RU 140181 U1. Устройство для определения прочности бетона / Г.А. Губайдуллин, С.М. Леонидов, Е.В. Илькаев // ООО НПП «ИНТЕРПРИБОР». - Опубл. 2014.
7. А.с. 51829. Способ испытания прочности бетона / И.В. Вольф. - Опубл. 1937.
8. United States Patent 3 541 845. Method for testing the strength of the material of cast structures, particularly concrete structures / P. Kierkegaard-Hansen. - Опубл. 1970.
9. United States Patent 3 861 201. Method and apparatus for early strength testing of in-place concrete / Franz Kaindl. - Опубл. 1975.