теоретичний матеріал до теми 2

3.1. Механічні методи

До механічних належать методи місцевого руйнування (висми­кування анкерів, сколювання й відриву), пластичних деформацій, пружного відскоку.

Методи випробувань шляхом місцевого руйнування, хоча і належать до неруйнуючих, дають можливість визначити міцність матеріалів шляхом їх порушення на локальній ділянці. До цих методів відносяться висмикування анкера, відриву та сколювання ребра, метод пластичних деформацій, метод пружного відскоку.

Метод висмикування попередньо (під час бетонування конс­трукції) замонолічених анкерів базується на залежності сили ви­ смикування від міцності бетону.
Під час випробувань за допомогою гідравлічного домкрата із тіла бетону 2 (рис. 1) висмикується анкер 1 та фіксується величина сили, при якій анкер був висмикнутий.

Риссунок 1 - Визначення міцності бе­ тону висмикуванням анкера: І — анкер: 2 — бетон

Менш трудомістким і більш доступним є спосіб відриву від по­верхні бетону дисків (рис. 2). При цьому на поверхню бетонного зразка, що досліджується, за допомогою синтетичного клею (на­ приклад епоксидного) прикріплюють металевий диск. Поверхня бетону повинна бути старанно оброблена, а міцність клейового шва — не меншою за міцність бетону на відрив. Недопустимі напливи клею за межами диска.
Навантаження виконують за допомогою гідравлічного прила­ду ГПНВ-5 зі швидкістю не більше ніж 1 кН/с. Міцність бетону при цьому методі визначають, використовуючи градуювальну криву залежно від величини умовного напруження на відрив.

Рисунок 2 - Визначення міцності бе­ тону відривом приклеєного диска: 1 — сталевий диск; 2 —шар клею; З —• бетон

При визначенні міцності бетону сколюванням (рис. 3) також використовують прилад типу ГПНВ-5(ГПНС-5) (гідравлічний прес-насос).
Ширина ділянки відколу дорівнює 20 мм, а ребро пошкоджу­ ється на довжині 80... 100 мм.Для отримання вірогідного результа­ ту необхідно взяти не менше від двох (на сусідніх гранях конструк­ цій) даних випробувань та знайти середнє арифметичне, а за ним — міцність бетону при стиску

 

Рисунок 3 - Схема визначення міцності бетону за зусиллям сколювання

Рисунок 4 -Приклад градуювальної кривої

Прес-насос ГПНС-5 

Метод пластичних деформацій у даний час набув найбільшого поширення. Він побудований на оцінюванні місцевих деформацій матеріалу, викликаних прикладанням зовнішнього зосередженого навантаження. Суть методу полягає у визначенні міцності матеріа­лу за його твердістю.

Твердість за Брінелем (НВ) визначають шляхом утискання ста­левої кульки в тіло металу, що досліджується (рис 5) .

Рисунок 5 - Визначення твердості за Брінелем: 1 — сталева кулька; 2 — матеріал, що випробовується; В — діаметр кульки; сі — діаметр відбит­ ка на матеріалі

Між тимчасовим опором вуглецевої сталі та твердістю НВ існує кореляційна залежність:δ = 0,35 НВ, МПа.

У ролі органа, що вдавлюється в метал, можна використовува­ ти також алмазний конус із кутом біля вершини 120°(метод Роквелла) або алмазну піраміду з двогранним кутом біля вершини, рівним 136° (метод Віккерса). Між цими трьома значеннями твер­ дості встановлена функціональна залежність, і за допомогою спеці­ альних таблиць можна перейти від одного значення до іншого.

Під час визначення твердості приладом Польді немає необхід­ ності вимірювати силу, прикладену до частини приладу, що втискається в матеріал. Цей принцип полягає у зіставленні величини відбитка на металі та еталонному бруску (рис. 6). Під час удару по стрижню 1 на поверхні металу 4 й еталонному бруску 3, твердість якого НВ„ відома, залишаються відбитки. Діаметр кульки  відомий, замірюючи діаметри відбитків на поверхні металу, можна визначити твердість першого.

Рисунок 6 - Визначення твердості приладом Польді: 1 — стрижень; 2 — сталева кулька; 3 — еталонний брусок; 4 — метал, що випробовується; б,, — діаметр відбитка на еталонному бруску; сі — те ж на металі, що випробовується.

Механічні методи базуються на двох принципах:

– опірність матеріалу конструкції щодо потрапляння в неї більш твердого тіла (використовують будівельні молотки);

– залежність величини пружного відскоку від матеріалу під час нанесення удару (використовують будівельні пістолети).

Під час використання молотків заміряється відбиток на бетоні (еталонний молоток Кашкарова, молоток Шмідта (рис. 9), молоток Фізделя), під час використання пістолетів на шкалі фіксується величина пружного відскоку (пістолет ЦНДІБК, склерометр).

Міцність бетону в конструкції визначають ударним випробу­ ванням (метод відбитка).

При застосуванні цього методу дотриму­ ються таких правил:

— випробування необхідно проводити в найбільш напружених місцях, а також на ділянках із дефектами або зниженою міцніс­ тю бетону;

— бетонна поверхня має бути сухою, чистою, без затверділого це­ ментного молока. У протилежному випадку верхній шар бетону товщиною 5... 10 мм знімають шліфуванням або бурінням;

— кожна випробувальна ділянка повинна мати площу не менше ніж 400 см повітряно-сухої поверхні і включати не менше ніж 10... 12 точок вимірювання. Для достовірного судження про міцність бетону конструкції або споруди в цілому необхідно мати не менше ніж 15 ділянок (для окремих елементів конс­трукції, наприклад нижнього пояса ферми, достатньо трьох ділянок);

— сусідні точки вимірювань повинні знаходитись одна від одної на відстані не менше ніж 20 мм, а від грані елемента — не менше ніж 40 мм;,

— У місцях, де залягає крупний заповнювач, а також там, де є пори, проведення випробувань не допускається.

Найпростішим методом польової оцінки міцності бетону є кульковий молоток Фізделя (рис. 7). Молоток виготовляють із вуглецевої сталі. Ударний кінець його закінчується кулькою діаметром 17,463 мм, зробленою зі сталі твердістю 62...66 Rс. Кулька вільно закільцьована і легко крутиться у сферичному гнізді. Протилежний загострений кінець молотка піддається загартуванню. Маса молотка разом із кулькою 250 ± 5 г, а дерев'яної ручки - 100 ± 10 г.

Рисунок 7 - Молоток Фізделя

Під час контролю якості бетону під дією ліктьового удару мо­лотком кулька занурюється в бетон. За розміром одержаної лунки в бетоні можна судити про пластичні властивості матеріалу та його міцність. Діаметр лунок вимірюють за допомогою штангенциркуля  або збільшувальної проградуйованої лупи з 10-кратним збільшен­ ням тощо.
Для зменшення по­хибки вимірювання в подальшому обробітку використовують серед­нє арифметичне двох взаємно перпендику­лярних діаметрів. Далі за залежністю визначити міцність бе­тону на стиск.

Метод К.П. Кашкарова (рис. 8).

У середині головки молотка є порожній стакан та пружина. Еталонний стрижень має діаметр 10... 12 мм та довжину 100... 150 мм. Виготовлений він із круглої сталі марки СтЗсп2 або СтЗпс2 з тимчасовим опором розриву 420...460 МПа.
Під час удару по поверхні бетону кулькою остання залишає відби­ ток на поверхні бетону та еталонного стрижня. Удар може викону­ ватись або безпосередньо молотком К.П. Кашкарова, або за допо­ могою додаткового молотка. Після кожного удару еталонний стрижень повинен бути зсунутий не менше ніж на 10 мм. Для зруч­ності вимірювання діаметра лунок на бетоні їх відбиток одержують на папері. Для цього необхідно на поверхню бетону покласти копіювальний папір (активним шаром догори), а на нього аркуш тонкого білого паперу. Удар наносять по цьому аркушеві.
Вимірювання діаметрів відбитків виконують із точністю до 0,1 мм за допомогою штангенциркуля, мікроскопа, проградуйованої лупи, спеціального кутового шаблона тощо. За відношенням діа­метрів відбитків на бетоні  і еталонному стрижні за графіком  можна визначити міцність бетону на стиск. 

 

в)

 г) 

Рисунок 8 - Молоток Кашкарова:

а – молоток; б – кутовий масштаб; 1 – головка молотка; 2 – металева ручка; 3 – гумова ручка; 4 – гніздо для кульки; 5 – сталева кулька; 6 – еталонний стрижень із дроту; 

 в) загальний вигляд 1 — бетон, що випробовується, 2 — індентор (кулька), З — еталонний стрижень, 4 — стакан, 5 — пружина, 6 — корпус, 7 — головка, 8 — ручка

г) схема нанесення удару

Метод оцінювання міцності деревини був запропонований Пєвцовим. Суть методу полягає в тому, що на горизонтальну поверхню деревини з висоти 500 ± 1 мм падає металева кулька діаметром 25 ± 0,05 мм із питомою вагою 7,8 т/м". За величиною відбитка на деревині, викликаного ударом кульки, визначають ударну, а потім і граничну міцність матеріалу. Під час випробувань повинно бути оброблено не менше трьох відбитків, розташованих один від одного на відстані 40 ± 5 мм.

Схема приладу Пєвцова: 1 - основа, 2 - штатив, 3 - електромагніт; 4 - кулька; 5- тумблер;м 6- зразок деревини

Суть вогнепального методу визначення міцності деревини, запропонованого Кашкаровим, полягає у визначенні глибини проникнення кулі в масив деревини. За величиною глибини цього проникнення, використовуючи емпіричні залежності, можна визна­ чити міцність матеріалу. Деревину прострілюють зі спортивної малокаліберної (калібр 5,6 мм) гвинтівки ТОЗ-8 або ТОЗ-9 із відстані 100 мм у радіальному чи близькому до нього напрямі.
Обріз гвинтівки фіксують на вказаній відстані від деревини за допомогою упорної підставки, що являє собою відрізок сталевої труби діаметром 3/4 дюйма з прорізами для виходу порохових газів.
У зразок, що досліджується, стріляють не менше трьох разів.
Потім за середньоарифметичним значенням за допомогою таблиць визначають граничну міцність та об’ємну масу деревини.

Метод пружного відскоку базується на кореляційній залежності між пружними характеристиками матеріалу та його міцністю. Цю залежність визначають приладами, побудованими за двома принципами.
Один із них оснований на відскакуванні бійка від ударника — наковальні, притиснутої до поверхні бетону; другий — на відскаку­ ванні бійка безпосередньо від бетону. Більш поширеним є перший метод, тому що, виконавши деталь наковальні, яка торкається бетонної поверхні, у вигляді кульки, можна отримати міцність як методом відскоку, так і методом відбитка, дублюючи виміри.
Для вимірювання відскоку використовують прилад, що нази­ вається склерометром (за кордоном найбільш поширений склерометр Шмідта, а в Україні — прилад КМ та його модифікація ЦНДІБК). Склерометри розміщують на поверхні бетону, притис­ кають до місця випробування зі зростаючим зусиллям. При певно­ му зусиллі звільняється ударна пружина, яка через бойок наносить удар по ударнику з однаковою енергією . За величиною відскоку бійка можна судити про міцність бетону на стиск.

Рисунок 9 – Молоток Шмідта: а – схематична будова; б – приклад використання; 1 – ударний плунжер; 2 – бетонна поверхня; 3 – корпусна частина; 4 – повзунок, оснащений напрямними стрижнями; 5 – конус корпусних частини; 6 – кнопка-фіксатор; 7 – шток бойка; 8 – шайба для установ-лення бойка; 9 – ковпачок; 10 – кільце для рознімання;  11 – задня кришка інструмента; 12 – стискальна пружина; 13 – запобіжна частина конструкції; 14 – бойок; 15 – пружина для фіксації; 16 – ударна пружина; 17 – втулка; 18 – повстяне кільце; 19 – дисплейне вікно; 20 – гвинт зчеплення; 21 – контрольна гайка; 22 – штифт; 23 – запобіжна пружина

До найбільш сучасних склерометрів належать ПМ-2 (пружинний молоток), Ц-22 та прилади, розроблені в НДІ будівництва. Останні являють собою ви­ мірювальні комплекси, до яких входять: безпосередньо прилад, магнітнопружний перетворювач та аналого -цифровий перетворювач із мікропроцесором.

Рисунок 10 - Пружинний молоток ПМ-2: а) загальний вигляд; б) схема приладу. 1 - кулька, 2- ударник, 3- бойок, 4 - шток, 5,9 - пружини, 6- застібка з зубом, 7 - циліндричний корпус, 8 - втулка, 10 - кришка.