Обследование и испытание зданий и сооружений. Обследование и испытание зданий и сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Метрологическая аттестация средств измерений – исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных. Государственную поверку производят специализированные органы метрологической службы, как правило, после длительного хранения приборов или после их ремонта. Ведомственные поверки производят регулярно перед применением приборов для оценки их работоспособности. Метрологический надзор – контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом средств измерений. По- верка или аттестация средств измерений сводится к сли-чению рабочих средств измерений с эталоном или об-разцовыми средствами измерений на основании поверочной схемы. Поверочная схема – утвержденный в определенном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений. Сущность разделения мер и приборов на рабочие и образцовые лежит не в конструкции и не в точности, а в назначении приборов. Прибор может предназначаться, как правило, или для практических измерений, или для хранения и передачи единиц, т.е. для использования в качестве 39 образцового. Только меры и приборы самой низшей точности не могут быть образцовыми. Образцовые меры и приборы нельзя применять для практических измерений – это одно из основных правил метрологии. Образцовый прибор изолируется и выполняет только функции поверки и градуировки. Не каждую меру и не каждый измерительный прибор можно использовать как образцовые. К образцовым приборам предъявляют более высокие требования в отношении воспроизводимости, стабильности показаний, чем к аналогичным приборам. Средства поверки – это технические средства, необходимые для осуществления поверки средств измерений в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на методы и средства поверки. Средства поверки включают в себя рабочие эталоны, образцовые средства измерений, в том числе стандартные образцы и образцовые меры, вспомогательные приборы, устройства и материалы, поверочные приспособления. Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Они состоят из системы мер, измерительных приборов и преобразователей, а также измерительных установок и систем. Под измерительным прибором понимают средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдения. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением. Измерение включает следующие элементы: объект измерения, свойства или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу измерения; техническое средство измерения, градуированное в выбранных единицах; 40 метод измерения; регистрирующее устройство, воспринимающее результат измерения; окончательный результат измерения. Измерения характеризуются рядом параметров: 1) погрешностью измерения – разностью между истинными и измеренными значениями величин; 2) точностью измерения – степенью приближения результатов измерения к истинному значению; 3) достоверностью измерения – вероятностью отклонения измерения от истинного значения; 4) диапазоном измерений – областью значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений; 5) ценой деления шкалы – разностью значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы; 6) пределом измерений – наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений; 7) чувствительностью измерительного прибора – отношением изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Различают три класса измерений: - особо точные, - высокоточные, - технические. Особо точные – связаны с установлением эталона, высокоточные измерения проводятся при градуировании измерительных систем, а также при проведении измерений в особо ответственных испытаниях. Технические – производят с помощью средств измерений технического класса точности. Применяются в практике испытаний строительных конструкций. Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями измерений. Погрешности, порожденные несовершенством метода измерений, неточной градуировкой и неправильной установкой измерительной аппаратуры, называют 41 систематическими. Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально. В настоящее время для устранения систематических погрешностей применяется микропроцессорная техника. Случайные погрешности обусловлены влиянием на результаты измерений неконтролируемых факторов (случайные колебания температуры, вибрация и т. д.). Такие погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений. При измерениях могут возникать грубые ошибки, вызванные неисправностью измерительных систем, ошибками регистратора и т. д. Эти ошибки также могут быть выявлены методами математической статистики. Стандартизованы методы и средства измерений, предназначенные для определения: - состава материалов (химического, минерального, фазового); - структуры материалов (твердого вещества, порового пространства); - показателей качества, установленных стандартом технических условий на данный материал. Показатели качества могут быть: - физическими величинами с соответствующей размерностью, общими в качественном отношении для материалов, но индивидуальными для каждого материала в количественном отношении (плотность, теплопроводность и др.); - техническими характеристиками, измеряемыми в условных единицах и оцениваемыми по условным шкалам (водонепроницаемость, морозостойкость и т.п.). Для определения показателей качества применяют физические методы, использующие законы физики и соответствующие количественные зависимости, а также сравнительные методы измерения технических характеристик в условных единицах (циклы замораживания и оттаивания и т.п.). В некоторых случаях удается установить корреляционную 42 связь между физическим и техническим показателями качества материала. Примером является связь между коэффициентом фильтрации воды и маркой по водонепроницаемости бетона. Единицы физических величин, необходимые в строительно- монтажных работах, а также наименования и обозначения единиц устанавливают СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве». Стандартизация средств измерений возможна лишь после проведения их государственных испытаний. Государственные испытания включают в себя экспертизу технической документации на вновь разрабатываемые средства измерений и их экспериментальное исследование, проводимые органами государственной метрологической службы либо по их поручению. Эти испытания проводят для определения степени соответствия средств измерений установленным нормам, потребностям промышленности и современному уровню развития приборостроения, а также целесообразности их производства. Следует отметить, что иногда стандартизуются методы, которые требуют применения средств измерений, не выпускаемых серийно и не имеющих метрологического обеспечения. В этих случаях стандарт не может считаться внедренным, а результаты его использования не имеют юридической силы. Проблемы метрологического обеспечения измерений неразрывно связаны с задачами, стоящими перед стандартизацией. Стандартизация – это установление и применение правил для упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон и, в частности, для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении функциональных условий и требований техники безопасности. Объектами стандартизации являются конкретная продукция, нормы, требования, методы, термины, обозначения 43 и т. д., имеющие перспективу многократного применения, используемые в науке, технике, строительстве. В строительстве стандартизации подлежат методы рас- чета и проектирования конструкций и сооружений, требования к материалам и изделиям, допуски на стадии монтажа и строительства конструкций зданий и сооружений, методы испытаний и проведения измерений, методы представления и обработки получаемых результатов измерений и т. д. Сущность новой системы технического регулирования в строительстве В связи с начавшейся реформой правового регулирования отношений в сфере производства, контроля качества материальной продукции идет процесс пересмотра всей существующей системы нормативных документов, в том числе и в строительной отрасли. Поскольку в учебной литературе происходящие изменения еще не получили освещения, представляется целесообразным ознакомиться с ними. В 2003 году вступил в действие Федеральный закон «О техническом регулировании». Понятие «техническое регулирование заключает в себе все то, что связано с нормированием обязательных требований к продукции материального производства, процессам и иным объектам технического регулирования, а также их стандартизации, сертификации и правовому регулированию отношений при оценке соответствия их задекларированным свойствам. До введения в действие закона о техническом регулировании в области строительства техническое регулирование осуществлялось посредством нормативных документов – СниПов, ГОСТов, утвержденных федеральными или региональными органами управления, соблюдение и исполнение которых являлось обязательным. В этих документах содержалось много требований, ненужных в условиях рыночной экономики, а исключительно государственная система сертификации продукции ограничивала инициативу предпринимателей в вопросах 44 изменения потребительских свойств с целью повышения ее конкурентоспособности. Цель закона о техническом регулировании – создание правовой основы для сближения существующей в России национальной системы технического регулирования с международными нормами, а также сведение функций государства к требованию и контролю исключительно по вопросам, связанным с безопасностью продукции материального производства. Эти требования распространяются как на продукцию, находящуюся в обращении на внутреннем рынке, так и на импортируемую из- за рубежа. В соответствии с законом о техническом регулировании общие обязательные требования по безопасности продукции материального производства излагаются в главном отраслевом нормативно-правовом документе – «Общем техническом регламенте» и в дополняющих его «Специальных технических регламентах». Исполнение требований, содержащихся в этих документах, является обязательным и подлежит государственному контролю. Для детализации требований общего и специальных технических регламентов разрабатываются ведомственные нормативные документы добровольного применения, которые должны содержать доказательную базу, гарантирующую соблюдение требований технических регламентов. Все документы по субординации разделены на два уровня. Высший уровень составляют технические регламенты – общий и специальные. Документы этого уровня имеют государственный законодательный статус. Во второй уровень, подчиненный, входят все остальные нормативные документы, имеющие статус документов добровольного применения. Структура системы разрабатываемых нормативных документов для строительной отрасли приведена на рис. 2.1. В настоящее время основополагающим правовым документом является Федеральный закон Российской 45 Федерации от 30.12.2009 г. №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». В нем установлены требования по общим аспектам безопасности всех зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения на всех стадиях их жизненного цикла, включая инженерные изыскания, проектирование, строительство, эксплуатацию, снос. Рис. 2.1. Система нормативных документов технического регулирования в строительстве Регламент устанавливает шесть видов безопасности строительной продукции – механическую, пожарную, условий проживания (биологическую, химическую, радиационную), условий пользования (электробезопасность, термо- безопасность), безопасность в сложных природных и техногенных условиях. Даже безопасность зданий с точки зрения их воздействия на окружающую среду. Эти комп- лексные требования призваны сделать максимально комфортными условия пребывания людей в квартирах, школах, клубах, общественных и производственных помещениях. А в 46 чрезвычайных обстоятельствах – еще и сохранить здоровье и жизнь, предотвратить имущественный ущерб. В частности, правила пожарной безопасности предусматривают такое проектирование, строительство и эксплуатацию зданий, при которых исключается всякая возможность возгорания. В случае же катаклизмов постройки должны устоять ровно столько времени, сколько это необходимо для эвакуации людей. Одно из важнейших требований регламента – обеспечение доступа пожарных к любым точкам помещения. Вопросы планировки и эксплуатации помещений также «в поле внимания» технического регламента. Документ регламентирует требования к качеству воды, воздуха, нормы инсоляции, защиту от шума, максимально допустимый уровень напряженности электромагнитных полей и ионизирующих излучений в зданиях. Там не должны возникать «угрозы несчастных случаев и нанесения травм» из-за разного рода скольжений, падений, столкновений, ожогов, поражений электрическим током. Подумали авторы документа и об инвалидах. Им в техническом регламенте посвящена отдельная глава. Главное, что отныне все лестницы, лифты, подъемники, словом, объекты «транспортной инфраструктуры» в зданиях должны быть оборудованы специальными удобными приспособлениями для людей с ограниченными возможностями. Еще одна новация документа в том, что отныне владельцы и пользователи зданий обязаны будут их идентифицировать по уровню ответственности - он может быть повышенный, нормальный и пониженный. От уровня ответственности будут зависеть коэффициенты, закладываемые в расчетные формулы при выполнении проектных работ. Ответил закон и на вопрос, что дальше будет с действующими на нынешний момент строительными нормами и правилами, оставшимися с советских времен. Согласно документу СНиПы, СанПиНы и ГОСТы, конкретизирующие те или иные положения техрегламента, перейдут в правительственный перечень, будут называться сводами 47 правил. В дополнение к ним будут разрабатываться и национальные строительные стандарты. Своды правил и национальные стандарты при необходимости смогут пересматриваться и актуализироваться государством, но не реже, чем в пять лет. Техрегламент вступил в силу 30 июня 2010 года. Планировалось на уровне правительства утвердить отдельным перечнем своды правил и национальных стандартов, однако на настоящее время эта работа до конца не выполнена. Принятие техрегламента – это только первый шаг по реформированию системы технического нормирования в сфере градостроительной деятельности. Для того, чтобы иметь возможность реально пользоваться данным техническим регламентом, необходимо переработать 162 технических документа в различных сферах. Ожидается, что с вступлением в силу техрегламента в этот процесс активно включится бизнес, в частности, строительные саморегулируемые организации. По мнению экспертов, к европейскому уровню строительства страна приблизится тогда, когда бизнес будет сам финансировать разработку нормативов, обеспечивающих качество как стройматериалов, так и зданий и сооружений. Именно такой порядок сложился в Германии, где институт нормирования является частной организацией, работающей по контракту с государством. В Германии бизнес на 98 % финансирует разработку строительных нормативов, влияющих на качество, а безопасность берет на себя государство. В этом же направлении должна идти и Россия, заявляют эксперты. Специальные технические регламенты разрабатываются в дополнение к общему, в них устанавливаются специальные требования безопасности к зданиям и сооружениям определенного назначения. В систему нормативных документов добровольного применения входят следующие: - Федеральные строительные нормы (ФСН), своды правил к ним (ФСП); - Территориальные строительные нормы (ТСН); 48 - Национальные стандарты России. Федеральные строительные нормы (ФСН) содержат положения, которые обеспечивают соблюдение требований общего и специальных технических регламентов, а Федеральные своды правил (ФСП) содержат рекомендуемые способы, применение которых позволяет обеспечить соблюдение требований технических регламентов, строительных норм и правил. Территориальные строительные нормы (ТСН) устанавливают (для добровольного применения) правила типологического социально-экономического и технического характера, учитывающие природно-климатические, социально- демографические, национальные и иные особенности субъектов Российской Федерации, не противоречащие нормативным документам федерального уровня. Соблюдение данных норм допускается только в пределах территории данного субъекта Российской Федерации. Национальные стандарты Российской Федерации – утвержденные Росстандартом нормативные документы, устанавливающие конкретные параметры и характеристики отдельных частей зданий, сооружений, требования к строительным материалам и изделиям, а также методы их испытаний и т.п. В соответствии с Законом №384-ФЗ, статус ГОСТов понижается с уровня документов обязательного до добровольного применения. Обязательный характер имеют только положения, определяющие безопасность продукции. Закон не требует отмены действующих ГОСТов. Они будут постепенно заменяться техническими регламентами, однако потребителям предоставляется право пользоваться действующими на территории Российской Федерации национальными и государственными стандартами. Сертификация и декларирование соответствия Сертификация и декларирование соответствия – это две формы подтверждения того, что предъявленная продукция удовлетворяет требованиям соответствующих технических 49 регламентов, а до введения в действие новых технических регламентов удовлетворяет действующим государственным стандартам, строительным нормам и правилам. Подтверждение соответствия может носить добровольный или обязательный характер. Как правило, сертификация или декларирование производятся на добровольной основе. Обязательный характер они носят, если для данного вида продукции это оговорено в техническом регламенте. Сертификат соответствия или декларацию соответствия на основании протоколов проведенных испытаний и других сопровождающих документов, представленных заявителем, имеет право выдать только орган по сертификации, аккредитованный Правительством Российской Федерации в установленном порядке. Стандарты существенно влияют на темпы развития и уровень производства. Базируясь на последних достижениях науки, техники и практического опыта, стандартизация во многом не только фиксирует достигнутый уровень производства, но и является одним из рычагов прогресса науки и техники. Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите основные этапы обследования строительных конструкций. 2. Какую информацию дает визуальная оценка сооружения? 3. Перечислите положительные и отрицательные стороны неразрушающих методов испытания. 4. Сформулируйте основные задачи, которые решаются с помощью испытаний. 5. Что такое метрология? 6. Что предполагает единство измерений? 7. Какие системы включает метрологическое обеспечение? 8. Что рассматривают в метрологии? 9. Приведите основное уравнение измерения. 50 10. Что называют эталоном измерения? 11. В чем заключается сущность новой системы технического регулирования в строительстве? 51 Неразрушающие методы испытаний В соответствии с нормативами дефекты разделяют на явные, скрытые, а также критические, значительные и малозначительные. Такое разделение дефектов производят для последующего выбора вида контроля качества конструкций. Неразрушающий контроль подразделяют на несколько основных видов: магнитный, электрический, вихретоковый, оптический, радиационный, акустический и проникающий физических полей. При производстве, испытаниях изделий средства неразрушающего контроля используют: - для выявления соответствия материалов, полуфабрикатов и готовых изделий заданным техническим требованиям (пассивный контроль); - для целей управления и регулирования технологическими процессами (активный контроль). При эксплуатации и ремонте конструкций и изделий с помощью средств неразрушающего контроля предотвращаются поломки и аварии, сокращаются простои и эксплуатационные расходы, увеличиваются срок эксплуатации и межремонтных периодов, а также сокращаются продолжительность и стоимость ремонтов. На основании результатов неразрушающего контроля изделие может быть изъято из эксплуатации или усилено. Эффективность применения неразрушающего контроля определяется его принципиальными преимуществами по сравнению с визуальным осмотром и разрушающими испытаниями изделий Методы контроля, основанные на визуальном осмотре поверхности изделий, просты, не требуют высокой квалификации контролеров и применения сложной дорогостоящей аппаратуры. В то же время они малопроизводительны, не могут быть полностью автоматизированы и являются субъективными, так как 52 достоверность результатов зависит от самочувствия, опыта и добросовестности контролеров. Дефекты многих видов не имеют выхода на поверхность или не видны даже при просмотре с увеличением. К преимуществам разрушающих испытаний следует отнести то, что в процессе испытаний можно измерить разрушающие нагрузки или другие важнейшие характеристики, определяющие эксплуатационную надежность конструкций. Принципиальным недостатком разрушающих испытаний является то, что они проводятся выборочно, т.е. только на части изделий партии. Поскольку испытываемые материалы и изделия разрушаются в процессе контроля, достоверность разрушающих методов зависит от однородности исследуемых свойств в образцах и изделиях, а также от сходства условий испытаний с условиями эксплуатации. По сравнению с неразрушающим контролем, разрушающие испытания, как правило, более трудоемки, менее производительны и труднее поддаются автоматизации. Исходя из вышесказанного, неразрушающие методы испытания будут являться наиболее оптимальными. Рассмотрим подробнее данные методы. Общие сведения о неразрушающих методах испытаний Структурные характеристики свойства строительных материалов принято разделять на основные, одинаково важные для всех строительных материалов (например, плотность, пористость, прочность), и специальные, позволяющие оценить возможность применения данного материала для определенных целей (например, водонепроницаемость, огнеупорность). В соответствии с возможными воздействиями на материал структурные характеристики и свойства строительных материалов подразделяют на: 53 - структурные характеристики и параметры состояния, например плотность, пористость, дисперсность, влажность и др.; - физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям, например водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность, электропроводность и т.п.; - механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок, например прочность, твердость, истираемость и др.; - химические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость против химической коррозии; - долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени. Свойства материалов оценивают числовыми показателями, устанавливаемыми путем испытаний по стандартным методикам. Наиболее часто при обследовании экспертов интересуют прочностные деформативные характеристики материалов, которые определяют несущую способность конструкций на момент обследования. Физико-механические характеристики могут определяться лабораторными испытаниями или неразрушающими методами, а наиболее правильно – сочетая оба подхода. Рассмотрим особенности неразрушающих методов испытаний. В настоящее время неразрушающие методы широко используются для контроля и обеспечения качественного технологического процесса в целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии, машиностроении химической промышленности и т.п. В сочетании с быстродействующими вычислительными устройствами применение неразрушающих методов дает возможность перейти к полной автоматизации 54 производства с обеспечением необходимого соблюдения качества продукции В строительном деле неразрушающие методы применяются главным образом для контроля сварных металлоконструкций, при изготовлении железобетонных деталей и элементов и т. д. Неразрушающие методы контроля применяются и при освидетельствовании сооружений. Они яв- ляются весьма перспективными для контроля на поточных ли- ниях на заводах строительных конструкций (в первую очередь железобетонных) не только для выявления уже допущенных дефектов и отступления от требований ТУ, но и, прежде всего, для предупреждения самой возможности таких нарушений По физическим принципам неразрушающих исследований различают следующие основные методы: 1) при помощи проникающих сред (жидких, газообразных и др.) 2) механические методы испытания; 3) физические методы испытания. Механические методы испытания Первую группу механических методов испытаний составляют ударные способы, основанные на гипотезе о связи между твердостью материала и его прочностью. Простейшим из них является способ определения прочности молотком И.А. Физделя. При локтевых ударах (в момент нанесения удара локоть руки прижат к поверхности испытываемой конструкции) молотка по поверхности конструкции на последней остаются отпечатки – лунки, по среднему диаметру которых в соответствии с тарировочной кривой определяют прочность материала (бетона, раствора, естественных камней). Точность этого способа невелика, так как сила удара не регламентирована. Большую точность дают ударные приборы, позволяющие сравнивать размеры лунок на поверхности конструкций и эталонном образце, образованных при одном ударе. При ударе эталонным молотком К.П. Кашкарова получается одновременно два отпечатка – на эталоне и конструкции. 55 Отношение диаметров получаемых отпечатков зависит от твердости бетона и твердости металла эталонного стержня и практически не зависит от скорости, направления и силы удара, наносимого молотком. При этом за косвенную характеристику прочности бетона или другого каменного материала принимают среднюю величину отношения ряда отпечатков, по значению которой с помощью тарировочной кривой находят среднее значение прочности материала. К ударным приборам этого типа относится и склерометр СД-2. Рабочим элементом склерометра является диск диаметром 20 мм с толщиной рабочей части 1 мм. Ребро диска приводят в соприкосновение с поверхностями испытываемого образца и эталона и производят легкий удар по направляющей. При этом на поверхности образца и эталона образуются отпе- чатки ребра диска. По соотношению отпечатков с помощью тарировочной кривой определяют прочность бетона и раствора. Широкое применение при испытании бетонных и железобетонных конструкций нашли способы ударного действия с постоянной энергией удара (приборы Молоток Шмидта, Молоток Сильвершмидт). Однако при испытании кирпичной кладки ударные способы могут быть использованы частично, только применительно к растворам и швам кладки, так как кирпич при ударе разрушается (откалывается) и размер отпечатка не может быть зафиксирован. Поэтому прочность кирпичной кладки определяют дифференцировано: прочность кладки – импульсным акустическим способом, а прочность раствора – склерометрическим способом. Ко второй группе механических методов относится метод вырыва, основанный на гипотезе о связи между прочностью материала и силами сцепления в нем. Сущность метода испытания твердого связного материала в конструкциях на совместный отрыв и скалывание заключается в оценке прочностных свойств материала по величине усилия, которое необходимо приложить, чтобы 56 вырвать закрепленные в конструкции разъемный корпус и специальный стержень. Для испытания бетона на отрыв и скалывание применяют прибор ГПНВ – 5, с помощью которого вырывают заделанные в бетон разъемные конусы и стержни. Величину вырывного усилия определяют по шкале манометра. Переход от косвенных показателей прочности к значению действительной прочности бетона в конструкции производится по тарировочным кривым. Прибор ГПНВ – 5 может использоваться также и для комплексных испытаний. С помощью этого прибора можно получить второй косвенный показатель прочности – диаметр отпечатка. Следует отметить, что если ударным способом можно определить прочность материала только на поверхности конструкции, то при вырыве в закладной детали из конструкции находят интегральное значение прочности материала на глубину разъемного конуса или стержня, что приближает условия испытаний к реальным. К механическим методам испытаний относится компенсационный способ определения напряженного состояния материала массивных конструкций, предложенный В.И. Кравцовым и С.Я. Эйдельманом. Этот способ заключается в следующем. Ниже сечения, по которому определяют напряжение, фиксируют по паре точек, расстояние между которыми замеряют с точностью до 0,01 мм. Затем над одной парой точек пробивают борозду на глубину 30-40 см, что приводит к разгрузке поверхностного слоя конструкции. В этом случае расстояние между точками данной пары увеличивается. После этого материал конструкции снова нагружают, вводя в борозду компенсатор, представляющий собой жесткое стальное кольцо, перекрытое с двух сторон гибкой или жесткой мембраной. С помощью компрессора в кольце создают давление, при котором расстояние между точками станет равным первоначальному. При этом давление, создаваемое компрессором, принимают равным напряжению конструкции в этом сечении. 57 Физические методы испытания материалов и конструкций Из физических методов испытаний широкое распространение получили импульсный акустический, радиационные, магнитные, электромагнитные и электрические, радиодефектоскопия и инфракрасная дефектоскопия. При испытаниях строительных материалов и конструкций физическими методами измерения проводят специальными электронными приборами. Импульсный акустический метод, получивший наиболее широкое распространение, основан на использовании закономерности распространения упругих волн материале. Импульсный акустический метод может применяться самостоятельно и в комплексе с другими методами. Как самостоятельное средство этот метод применяется для оценки однородности материала конструкций, определения коэффициента Пуассона, изучения процессов структурных изменений в несущих конструкциях под воздействием нагрузок или внешней среды, установления прочности материалов (тяжелого бетона, тяжелых естественных камней), определения наличия и зоны распространения дефектов в конструкциях (трещины, пустоты, инородные включения). В комплексе с другими методами импульсный акустический метод применяется для определения модуля упругости материала и прочности легких каменных материалов в конструкциях (керамзитобетон, шлакобетон, кирпич, кирпичная кладка и пр.). С помощью импульсного акустического метода может быть выявлена дефектность каменных конструкций. 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 вычисляют глубину трещины. Невидимые дефекты конструкций (пустоты, инородные включения и т.д.) и зону их 58 распространения выявляют методом последовательного приближения при сквозном прозвучивании конструкций. С помощью указанного метода может быть также установлена прочность материала по корреляции между прочностью и его физическими характеристиками – скоростью распространения упругих волн, акустическим сопротивлением или акустической жесткостью среды. Для бетона и его аналогов (газобетона, керамзитобетона и шлакобетона) указанные зависимости уже установлены. Возможность применения импульсного метода для определения прочности кирпичной кладки до настоящего времени исследована недостаточно полно. Для изучения физико-механических свойств материалов и дефектоскопии строительных конструкций применяются радиационные методы. Наиболее распространенными на практике являются: - рентгеновский метод; - метод тормозного излучения ускорителей электронов; - γ - метод (радиометрический метод). Эти методы применяются при решении идентичных задач. Перспективными являются метод радиографии, построенный на использовании позитронов и нейтронный метод. Использование нейтронов позволяет определять содержание влаги в материале, а использование позитронов - усталостные напряжения в материалах. Рентгеновское, тормозное излучение ускорителей электронов и γ-излучение по своей природе являются высокочастотными электромагнитными волнами, распространяющимися в вакууме со скоростью света. Источниками ионизирующего излучения в диапазоне от 0,5 до 10000 кэВ служат рентгеновские аппараты. Предел просвечиваемого слоя составляет: для металла – 100, для бетона – до 350, для пластмассы – до 500 мм. Источниками высокоэнергетического тормозного ионизирующего излучения в диапазоне до 35 мэВ служат ускорители электронов. С их помощью возможно 59 просвечивание слоя стали до 450, бетона до 2000 мм. Источниками γ-излучений являются радиоактивные изотопы. Толщины просвечиваемых слоев металла достигают 100, бетона – до 300, пластмассы – до 500 мм. Характеристическое излучение испускается возбужденными атомами при их переходе в основное или менее возбужденное состояние. Этот процесс заключается в переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние, из которых выбиты электроны при бомбардировке атома заряженными частицами. Тормозное излучение возникает при прохождении электрона через поле атома или ядра, которым он тормозится. Рентгеновский метод Рентгеновское излучение возникает в результате резкого торможения электронов, образующих пучок катодных лучей, при столкновении с атомами материала анода. При торможении электронов в веществе возникает непрерывный спектр рентгеновских лучей, характерный для вещества мишени. Одновременно наблюдается и характеристическое излучение. Часть кинетической энергии электронов тратится на нагревание анода. Кванты рентгеновского излучения обладают свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние) и волновыми свойствами (преломление, интерференция, дифракция). Энергия находится в зависимости от длины волны: чем меньше длина излучения волны, тем больше его энергия, следовательно, проникающая способность. При переходе преграды рентгеновскими лучами их интенсивность снижается по мере увеличения толщины преграды при наличии плотных включений. Наличие пустот равноценно уменьшению толщины преграды. На практике применяют рентгеновское излучение при напряжениях на источнике от 1 В до 1000 кВ. В переносных рентгеновских аппаратах, применяемых для строительных целей, трубки питаются напряжением 100 – 200 кВ, что позволяет получать рентгеновское излучение с энергией Е=70 - 140 МэВ. 60 Радиометрический метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма-излучения с исследуемой средой. Взаимодействие излучения с веществом определяется основным законом ослабления ионизирующего излучения, который имеет вид (формула 3.1): I = I о e -µх , (2.1) где I и I о – интенсивность излучения после и до взаимодействия с материалом; e – основание натуральных логарифмов; х – толщина испытываемой конструкции; µ - линейный коэффициент ослабления, равный (формула 3.2): µ = µ’/ ρ, (2.2) где µ’ – массовый коэффициент ослабления; ρ – плотность материала. Рис.2.1. Схема радиометрического контроля Для определения плотности строительных материалов используют источники Cs – 137 и Со – 60, энергия которых Е = 0,66 и 1,25 МэВ соответственно. Плотность строительных материалов можно найти методом сквозного просвечивания или методом рассеяния. Если к конструкции возможно подойти только с одной стороны, для определения плотности применяют метод рассеяния, при котором источник излучения и счетчик импульсов находятся у одной и той же поверхности 61 конструкции. Датчиком для определения плотности является выносной элемент ИП – 3. Счетно-запоминающим устройством служат радиометры типа Б – 3 или Б – 4. Для определения плотности материала в конструкции необходимо знать величину насыщения – минимальную толщину конструкции, при которой можно найти плотность материала методом рассеяния. Значения этой величины для Е = 1,25 и 0,66 МэВ при испытании различных материалов приведены в таблице [2] (стр.267, табл. 5.14). Данные данной таблицы позволяют выбрать тип источника для того или иного материала и способ просвечивания в зависимости от толщины испытываемой конструкции. При испытаниях материала методом рассеяния необходимо учитывать влияние граничных условий, поэтому расстояние от края испытываемой конструкции до датчика должно быть не менее величины насыщения. Плотность материала определяют по тарировочной кривой I = f (ρ), которая строится по результатам испытания серии образцов плотностью 0,5 – 2,5 т/м 3 , размерами 500×500×250 мм. Нейтронный метод определения влажности материалов основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на легких ядрах, в первую очередь на ядрах водорода. Характеристика степени замедления нейтронов – логарифмический декремент затухания энергии – является функцией относительной атомной массы элементов среды. В противоположность декременту затухания число столкновений, необходимых быстрому нейтрону для замедления до уровня теплового (медленного) нейтрона, с уменьшением относительной атомной массы элементов уменьшается и для водорода является минимальным. В комплект аппаратуры для нейтронного метода измерения влажности входят датчик НВ – 3 и счетно- запоминающее устройство СЧ – 3, СЧ – 4 или прибор «Бамбук», с помощью которого можно получить сведения о влажности материала по тарировочным графикам или непосредственно по шкале. 62 Датчик в зависимости от цели использования или условий испытания может работать по схемам рассеяния или сквозного просвечивания. Для измерения влажности материала эксплуатируемых конструкций целесообразно использовать схему рассеяния. Для измерения влажности древесины применяют электронный влагомер ЭВ – 2М, принцип действия которого основан на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Прибор состоит из щупа и преобразователя, расположенного в пластмассовом корпусе. Для измерения влажности в диапазоне 7 – 22% прибор представляет собой ламповый омметр, в диапазоне 20 – 60% - магнитоэлектрический омметр. При работе иглу щупа прибора вводят в древесину; показания прибора соответствуют влажности сосны (для других пород имеется переводная таблица). В настоящее время эффективно развивающийся метод неразрушающего контроля с использованием позитронов (метод радиографии) применяется для определения величины и степени пластической деформации, а также для определения напряжений в материалах до появления усталостных трещин. В начальной стадии усталостного разрушения материала происходит образование в нем дислокаций. В областях дислокации до появления трещин накапливаются отрицательные заряды. При облучении металла позитронами последние притягиваются к дислокациям, где они в результате взаимодействия со скопившимися электронами образуют γ- излучение. Среднее время жизни позитронов можно связать с наличием области усталости в металле. С помощью методов, основанных на использовании ионизирующего излучения, можно решать многие задачи, связанные с изучением состояния строительных конструкций. К этим задачам относятся: выявление дефектов при сварке металлических конструкций, дефектов прокатных листов, трещин, зазоров между заклепками и основным материалом, коррозионных поражений, определение толщины защитного 63 слоя бетона, размеров и расположения арматуры в железобетонных конструкциях, измерение напряжений, определение объемной массы строительных материалов, выявление толщин изделий, определение влажности строительных материалов, выявление напряжений в металлах до появления усталостных трещин. Магнитометрический метод основан на взаимодействии магнитного поля с введенным в него ферромагнетиком (металлом). Этот метод применяют при обследовании железобетонных конструкций, когда необходимо установить расположение и сечение арматуры и величину ее защитного слоя, а также при обследовании каменных конструкций с закладными металлическими деталями или перекрытий по металлическим балкам, чтобы определить положение и рабочее сечение металлических элементов. Для установления диаметра арматуры и толщины защитного слоя в железобетонных конструкциях используется прибор ИЗС – 2, работающий на полупроводниках. Щуп прибора представляет собой преобразователь трансформаторного типа, состоящий из двух частей, в каждую из которых вмонтированы две индукционные катушки. Индикатором служит микроамперметр М – 24. При перемещении щупа по поверхности конструкции наличие металла фиксируется по минимальному отклонению стрелки амперметра. При обнаружении металла щуп устанавливают на риску и по показаниям индикатора записывают толщину защитного слоя для арматуры всех диаметров, которые указаны на его шкале. Затем под щуп подкладывают прокладки толщиной 10 мм и снова определяют толщину защитного слоя для всех диаметров. Искомый диаметр устанавливают по той шкале, на которой положение стрелки индикатора соответствует толщине защитного слоя бетона с учетом толщины прокладки. Выявить наличие металла в конструкции можно также с помощью приборов МИ – 1 (металлоискатель) или ИСМ. Прибор ИСМ состоит из двух генераторов высокой частоты, 64 усилителя-ограничителя, ограничительного каскада, дифференцирующего контура и индикатора. Индикатором служит амперметр М – 24. С первым генератором соединен выносной щуп. Второй генератор является эталонным. Принцип работы прибора основан на изменении частот генератора под воздействием металла на колебательный контур. При поиске скрытого металла щуп перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстоянии 5 – 7 см от поверхности конструкции. Наличие металла обнаруживается по отклонению стрелки. Для определения точного места нахождения металла щупом совершают возвратно-поступательные движения до максимального отклонения стрелки. Положения металла отмечают риской на поверхности конструкции. Используя тарировочную таблицу, можно также определить номер проката балки. Методами, основанными на СВЧ – излучении, могут быть определены напряженное состояние изотропных материалов и дефектность конструкций. В основу метода определения напряженного состояния положен эффект Брюстера, заключающийся в том, что изотропный материал, находящийся в напряженном состоянии, обладает, подобно кристаллу, свойствами двойного лучепреломления. Применение методов СВЧ перспективно также для определения дефектов конструкции. При перемещении установки вдоль поверхности исследуемой конструкции выявляют места и зону распространения скрытых дефектов, в том числе участки с нарушенным шагом стержней арматуры железобетонных конструкций. Методы проникающих сред В резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других аналогичных конструкциях, требующих обеспечения не только прочности, но и плотности соединений, контроль осуществляют с помощью проникающих сред. Кроме 65 применявшихся ранее испытаний водой и керосином, в настоящее время разработаны и другие приемы. Испытания водой. Проверяемые емкости заполняются водой до отметки обычно несколько выше эксплуатационной. В закрытых сосудах давление жидкости повышается дополнительным нагнетанием воды или воздуха. Гидростатическим давлением проверяются как плотность, так и прочность соединений и всего сооружения в целом. Контроль швов и соединений заливкой воды совмещается, таким образом, со статическим испытанием исследуемой емкости. Отдельные швы металлоконструкций могут проверяться сильной струѐй воды из брандспойта, направленной под давлением примерно 1атм нормально к поверхности шва. При наличии дефектов вода просачивается сквозь неплотности проверяемого соединения. Проба керосином. Благодаря своей малой вязкости и незначительному, по сравнению с водой, поверхностному натяжению керосин легко проникает через самые малые поры и выступает на противоположной поверхности. При опробовании поверхность шва с одной стороны обильно смачивается или опрыскивается керосином. Для облегчения наблюдений шов заранее подбеливается водным раствором мела. На этом подсохшем светлом фоне отчетливо выявляются затем ржавые пятна и полосы, возникающие при просачивании керосина. Проба сжатым воздухом. При наиболее простом применении данного метода проверяемые швы обмазываются мыльной водой. С другой стороны шов обдувается сжатым воздухом, подаваемым из шланга под давлением порядка 4атм нормально к исследуемому шву. В замкнутые емкости сжатый воздух подается внутрь их объема. Признаком дефектности шва служит появление мыльных пузырей на обмазке. Более совершенным является применение ультразвуковых "течеискателей", принцип работы которых основан на регистрации ультразвуковых колебаний, возникающих в местах нарушения сплошности, под действием вытекающей здесь под 66 давлением струи газа (воздуха). С помощью течеискателей можно выявлять неплотности размером до 0,1мм при избыточном давлении порядка 0,4атм. Место нахождения дефекта определяется с точностью до 1,5-2см. Проба вакуумом. Проверка вакуумом требует доступа к конструкции лишь с одной ее стороны, что является существенным преимуществом данного метода. К шву прибавляется металлическая кассета в виде плоской коробки без дна с прозрачным верхом, через который виден проверяемый шов. Вакуум-насосом со шлангом, присоединенным к кассете, в которой создается небольшое разрежение, внешним воздушным давлением стенки кассеты, снабженные по их нижнему периметру мягкой резиновой прокладкой, прижимаются при этом к конструкции. Исследуемый шов предварительно должен быть смочен мыльным раствором. В местах нарушений плотности шва воздух, проникая сквозь эти неплотности, образует в мыльной пене, отчетливо видные стойкие пузыри. При сварке сосудов высокого давления и других особо ответственных, требующих полной герметичности, конструкций для увеличения надежности контроля применяется проверка плотности соединений химическими реагентами, например, воздушно-аммиачной смесью или другими газообразными соединениями, обладающими высокой проникающей способностью. Химические методы проверки плотности соединений обладают большой чувствительностью и дают возможность очень четко определять места нахождения дефектов, чем и обуславливается в наиболее серьезных случаях целесообразность применения этих более сложных приемов. В данной лекции были рассмотрены неразрушающие методы испытаний, а также методы проникающих сред, которые применяются при обследовании и испытании зданий и сооружений. Более подробно вопросы с вышеуказанными методами будут доведены на практическом и лабораторном занятиях. 67 Вопросы для самоконтроля: 1. В каких целях используют средства неразрушающего контроля на стадии производства строительных материалов и продукции? 2. Перечислите преимущества и недостатки разрушающих методов испытаний. 3. Как подразделяются структурные характеристики и свойства строительных материалов в соответствии возможными воздействиями на материал? 4. Какие характеристики строительных материалов являются предметом изучения экспертов при обследовании? 5. Назовите особенности неразрушающих методов испытаний. 6. Как классифицируют неразрушающие методы испытаний по физическим принципам? 7. Назовите способы, с помощью которых определяют прочность бетона. 8. В чем заключается сущность метода испытания твердого связного материала на совместный отрыв и скалывание? 9. Каким образом осуществляется контроль в конструкциях, требующих плотности соединения? 10. В чем заключается компенсационный способ определения напряженного состояния материала? 11. Назовите принцип работы ультразвуковых «течеискателей». |