НЕРАЗРУШАЮЩИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

  В практике обследования и испытания жилых зданий используются следующие методы контроля.
  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). Сочность 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. 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 lдругого каменного материала принимают среднюю величину отношения ряда отпечатков, по значению которой с помощью тариро-иочной кривой находят среднее значение прочности материала.
  К ударным приборам этого типа относится и склерометр СД-2. Рабочим элементом склерометра является диск 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 отпечатки 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 (пистолет ЦНИИСКа им. В.А. Кучеренко, прибор ПМ). Однако при испытании кирпичной кладки ударные способы могут быть использованы частично, только применительно к растворам в швах кладки, так как кирпич при ударе разрушается (откалывается) и размер отпечатка не может быть зафиксирован. Поэтому прочность кирпичной кладки определяют дифференцированно: прочность кладки – импульсным акустическим способом, а прочность раствора – склерометрическим способом.
  Для определения прочности раствора в кирпичной кладке исследовалась возможность использования прибора СД-2.
В лабораторных условиях для различных видов раствора – цементного, сложного и известкового – по результатам испытания образцов была получена корреляция прочности каждого из видов раствора и отношения отпечатков на образце и эталоне (рис. 1). При этом особое внимание уделялось выяснению возможности применения такого способа при разной ширине шва. Для определения степени влияния ширины шва на показания прибора были изготовлены образцы формы, приведенной на рис. 5.2. При испытании каждого образца по поверхности раствора в шве кладки наносили серию ударов. Улары производили на расстоянии 2 мм один от другого с таким условием, чтобы ширина шва в точках испытания изменялась в пределах от 3 до 30 мм с шагом 3 мм. Результаты анализа данных испытаний приведены на рис. 5.2. Как видно из графика, при толщине шва более 10 мм влияние стесненных условий для склерометра СД-2 становится незначительным.

Зависимость отношения отпечатков от прочности раствора
Рис. 1. Зависимость отношения отпечатков от прочности раствора: У – известковый, 2–цементно-известковый. 3 – цементный.

Зависимость отпечатков от толщины шва
Рис .2. Зависимость отпечатков от толщины шва.

  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 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 или 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 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. Эйдсльманом. 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 конструкций. 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.
  Физические методы испытания материалов и конструкций. Из физических методов испытаний широкое распространение получили импульсный акустический, радиометрический и магнитометрический методы. При испытаниях строительных материалов и конструкций физическими методами измерения проводят специальными электронными приборами.
  Радиометрический метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма-излучения с исследуемой средой.
  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 относи-1СЛЫЮЙ атомной массы элементов среды.
  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.
  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 тупа 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).
  Импульсный акустический метод, получивший наиболее широкое распространение, основан на использовании закономерности распространения упругих волн в 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 и пр.).
  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 распространения выявляют методом последовательного приближения при сквозном прозвучивании конструкции.
  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.
  Теорией распространения волн напряжений в твердых телах установлено, что в них независимо от метода возбуждения распространяются два вида волн – продольные и поперечные, а при конечных размерах конструкций, кроме указанных, на границе раздела сред – еще и поверхностные волны. Поэтому при установлении различного рода корреляций необходимо идентифицировать тип волны для получения сопоставимых результатов испытаний материалов и конструкций. Для этих целей могут быть использованы известные соотношения между геометрическими размерами исследуемого изделия и длиной волны, размером излучателя и длиной волны и т. д.
  На практике из-за конечных размеров конструкции амплитуда поперечных и поверхностных волн может искажаться даже в самом начале в связи с интерференцией, возникающей при приходе отраженных эхо-импульсов одновременно с поперечной или поверхностной волной. Кроме того, при установке датчиков на испытываемую конструкцию необходимо учитывать величину (протяженность) ближней зоны волнового поля (зона дифракции Френеля), где интенсивность колебаний резко меняется. Протяженность ближней зоны зависит от соотношения между диаметром излучателя и длиной упругой волны А., варьируя частоту излучателя, можно выбрать наиболее удобное расположение приемника и излучателя.
  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.
  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, а именно: направления поляризации, соответствующие данной нормали полны, совпадают с направлениями основных напряжений, лежащих во фронте волны.
  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.