CC BY
38
УДК 691:620.179.1
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КЛАССА СТАЛЬНОЙ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРЫ Ж.П. Елизова, Е.Н. Бухаров, А.С. Сидоров, Д.М. Трофимов
В данной статье рассмотрена актуальная проблема определения класса стальной стержневой арматуры неразрушающим методом контроля при обследовании технического состояния зданий и сооружений.
Приведены основные методы определения класса арматуры. Определена перспективность применения ультразвукового метода неразрушающего контроля для определения прочности арматуры по измерению твердости стали по боковой поверхности стержневой арматуры. Рассмотрены основные возможности твердомера МЕТ-УДА. Уделено внимание способам обработки боковой поверхности стержневой арматуры.
Приведены экспериментальные данные, показывающие выявленные погрешности в определении класса арматуры. Сделаны выводы о необходимости проведения дополнительных испытаний.
Ключевые слова: армирование; обследование; техническая диагностика; обследование железобетонных конструкций; железобетонные конструкции; определение класса стальной стержневой арматуры.
ON STEEL REINFORCING ROD RATING Zh.P. Elizova, E.N. Bukharov, A.S. Sidorov, D.M. Trofimov
The authors study the issue of steel reinforcing rod rating by non-destructive control method of structural survey.
The article provides the main principles of steel reinforcing rod rating; defines reasonability of sound velocity method when rating reinforcing durability and steel hardness of reinforcing rod side surface. The authors describe main properties of the MET-UDA hardness tester, processing ways of reinforcing rod side surface.
The article presents test data demonstrating discrepancies found in steel reinforcing rod rating process; touches upon necessity of supplement tests.
Key words: reinforcement, examination, engineering diagnostics, examination of reinforced concrete structures, reinforced concrete structures, steel reinforcing rod rating.
В последние годы все большее распространение находят неразрушающие методы контроля при строительстве, реконструкции и техническом перевооружении. Не уступая в точности исследований, неразрушающие методы контроля просты и не требуют больших материальных расходов. Время на их выполнение в несколько раз меньше, чем при разрушающих методах контроля. Неразрушающие методы контроля наиболее эффективны при определении напряженно-деформированного состояния материала, конструкций, их прочности, качества сварных швов, коррозионного износа, толщины защитного покрытия и др.
При техническом обследовании железобетонных элементов одной из задач является определение параметров армирования. Самой сложной задачей в определении и важным для результатов расчета является определение класса арматуры, прочности арматурной стали.
На сегодняшний день определение класса арматуры возможно следующими методами: по профилю боковой поверхности, по химическому составу, по прочностным характеристикам. Наиболее точным методом на сегодняшний день является определение класса арматуры испытанием отобранного образца на растяжение или сгиб в лабораторных условиях согласно ГОСТ 12004-81 «Сталь арматурная. Методы испытаний на растяжение», СТО АСЧМ 2-93 «Прокат арматурной стали. Метод испытания на растяжение». Данный вид контроля качества имеет ряд недостатков, таких как:
- повреждение конструкции и ее ослабление при отборе образцов;
- трудоемкость работы по отбору образца для проведения испытаний;
- сложность восполнения поврежденного участка арматурного стального стержня.
Перспективными представляется использование методов неразрушающего контроля, оценка прочности арматуры по измерению твердости стали.
Основываясь на экспериментальном исследовании А.В. Улыбина, описанном в статье «Методы контроля параметров армирования железобетонных конструкций», можно сделать вывод о возможности определения класса арматуры по использованию измерений твердости стали. Для эксперимента был использован твердомер МЕТ-УД, исследования были выполнены на образцах арматуры.
Изготовление поперечного среза арматуры проводилось двумя способами:
1. Торцовкой с помощью монтажной пилы с абразивным диском и последующей шлифовкой (с термическим влиянием).
2. Торцовкой на токарном станке и последующей шлифовкой (условно без термического влияния).
А.В. Улыбиным были сделаны выводы о том, что результаты проведенного эксперимента достоверны, использование измерений твердости стали для определения класса
арматуры возможно. Но исследования, проведенные А.В. Улыбиным, проводились разрушающим методом, поскольку были отобраны образцы арматуры.
На данный момент перспективным представляется неразрушающий метод контроля для измерения твердости портативными приборами по боковой поверхности арматуры без отбора образца из конструкции.
Для проведения исследования вышеуказанным методом авторами использован портативный прибор МЕТ-УДА, реализующий метод ультразвукового контактного импеданса (UCI).
Данный прибор имеет ряд основных необходимых для эксперимента возможностей:
- измерение твёрдости металлов и сплавов по стандартизованным шкалам твёрдости Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD);
- использование шкалы Rm (МПа) для определения предела прочности на разрыв (для сталей перлитного класса по ГОСТ 23761);
- возможность контроля твердости изделий, которые по габаритам недоступны для стационарных твердомеров;
- измерение твердости любых по массе изделий толщиной от 1 мм (металлические покрытия, малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т. д.);
- не оставляет видимого отпечатка на испытуемой поверхности изделия (шейки коленчатых валов, зеркальные поверхности, ножи);
- наличие архива и программного обеспечения для связи с компьютером.
Принципом действия прибора является следующее.
Для определения значения твердости методом UCI и методом отскока (Лейба), диагонали отпечатка не определяются оптически, как это принято в классических методах. Твердость определяется электронным способом, посредством изменения ультразвуковой частоты (в случае использования ультразвукового датчика) и на определении отношения скоростей бойка, находящегося внутри датчика, до и после удара (в случае использования динамического датчика).
Ультразвуковой датчик в основе своей использует стальной стержень с алмазной пирамидой Виккерса (угол между гранями 136), который является акустическим резонатором встроенного генератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в контролируемое изделие под действием фиксированного усилия калиброванной пружины, происходит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твёрдостью материала. Относительное изменение частоты резонатора преобразуется электронным блоком в значение твёрдости выбранной шкалы и выводится на дисплей.
Боек, расположенный в динамическом датчике, имеет на конце твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с контролируемой поверхностью в момент удара. Внутри бойка находится постоянный магнит. Боёк, после нажатия спусковой кнопки, при помощи предварительно взведенной пружины, выбрасывается на измеряемую поверхность. При этом боёк перемещается внутри катушки индуктивности и своим магнитным полем наводит в ней ЭДС. Сигнал с выхода катушки индуктивности подается на вход электронного блока, где преобразуется в значение твёрдости выбранной шкалы и выводится на дисплей.
При исследовании неразрушающим методом твердости значительное внимание необходимо уделить подготовке боковой поверхности арматурного стержня (в зоне вскрытия защитного слоя бетона) участка заданной площади, ровности и шероховатости, необходимой для применения метода контроля.
Во избежание изменения механических свойств стали или наклепа, который сопровождается выходом на поверхность обследуемого арматурного стержня дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металла деформации противоположного знака, при под-
готовке поверхности необходимо предусмотреть возможность регулировки скорости вращения шлифовальной машины. После среза части сечения арматуры необходимо произвести дополнительную обработку поверхности с помощью наждачной бумаги. Используя низкую скорость шлифования при обследовании арматурной стали можно предположить о возможности достижения необходимой точности измерения твердости по боковой поверхности портативным прибором - твердомером МЕТ-УДА.
Целью проводимого автором эксперимента является:
1. Выявление вариантов подготовки боковой поверхности арматурного стержня путем низкоскоростной шлифовки разными способами для предотвращения изменения механических свойств структуры (поверхностного слоя) стали.
2. Определение твердости по боковой поверхности стальной арматуры методом неразрушающего контроля, используя портативный прибор МЕТ-УДА, пользуясь стандартизованными шкалами Бринелля, Виккерса.
3. Оценка прочности арматуры по полученному измерению твердости стали с сопоставлением данных фактической прочности при разрыве.
4. Определение достоверных данных о классе арматуры из полученных прочностных характеристик.
Для испытаний были отобраны образцы арматурной стали диаметром 10 и 12 мм класса А-400.
Поперечный (торцевой) срез и обработка боковой поверхности образцов производились различными методами:
1. Торцовкой с помощью углошлифовальной машины, скорость вращения вала 6600 об/мин., на котором установлен режущий диск, и с последующей шлифовкой этой же машиной.
2. Торцовкой с помощью углошлифовальной машины, скорость вращения вала 3000 об/мин., на котором установлен режущий диск, и с последующей шлифовкой этой же машиной, но уже вместо режущего диска установлена насадка со шлифовальным кругом.
3. Зачистка боковой поверхности стержня арматуры с помощью углошлифовальной машины, скорость вращения вала 6600 об/мин., на котором установлен режущий диск, и с последующей шлифовкой этой же машиной.
4. Зачистка боковой поверхности стержня арматуры с помощью углошлифовальной машины, скорость вращения вала 3000 об/мин., на котором установлен режущий диск, и с последующей шлифовкой этой же машиной, но уже вместо режущего диска установлена насадка со шлифовальным кругом.
Проведенные измерения твердости показали, что при обработке боковой поверхности стержней-образцов по методу № 3, относительно метода № 4, проявляется повышение твердости, и, как следствие, расчетного значения предела прочности при разрыве, что дает завышение результатов в среднем на 8-10 %. Поэтому предпочтительной представляется подготовка боковой поверхности стержней низкоскоростной зачисткой абразивом с последующей шлифовкой специальными шлифовальными кругами.
При сопоставлении результатов испытаний образцов на разрывной машине и результатов определения прочности через показатель твердости (табл. 1 и рис. 1) выявлено:
1. Расчетный предел прочности, определенный через показатель твердости, измеряемый по боковой поверхности стержней, стабильно превышает фактический показатель временного сопротивления, что может быть связано с явлением наклепа металла при его прокате по боковой поверхности.
2. Имеет место определенная нестабильность отклонений, что может быть вызвано разным качеством подготовки поверхности при малом числе испытаний на одном образце.
Таблица 1
Сопоставление результатов определения прочности испытаниями на разрывной машине и через определение твердости
Образец Фактический предел текучести, Мпа Фактическое вр. сопр., Мпа Rm, кгс/мм 2 Расчетный предел прочности, Мпа
Метод обр.2 д 4 о.4 « ю Е ° Метод обр.2 Метод обр.4
d=10мм 1 458,60 675,16 67,3 79,1 659,54 775,18
2 471,34 687,90 79,9 74,7 783,02 732,06
3 458,60 668,79 94,5 73,9 926,1 724,22
4 458,60 675,16 79 73,1 774,2 716,38
5 471,34 681,53 80,2 74,5 785,96 730,1
d=12мм 1 424,78 690,27 57 71,2 558,6 697,76
2 433,63 637,17 69,3 71,4 679,14 699,72
3 433,63 646,02 74,7 78,7 732,06 771,26
4 442,48 654,87 58,6 67,5 574,28 661,5
5 442,48 654,87 65,2 68,9 638,96 675,22
На основании вышеизложенного, можно сделать следующие предварительные выводы:
1. Метод потенциально может быть применим для определения фактических показателей прочности арматурной стали.
Арматура диаметр 10мм
950.00 щ 925,00 ^ 900,00
£ 875,00
“ 850,00
£ 825,00
о- 800,00
0 775,00 ш 750,00
1 725,00
* 700,00
£ 675,00
650.00 “ 625,00
600.00
0 2 4 6
Номера образцов
Арматура диаметр 12мм
800,00
775.00
750.00
725.00 у 700,00 <и 675,00
I 650,00 ш 625,00 ™ 600,00
575.00
550.00
525.00
500.00
0 2 4 6
Название оси
Рис. 1. Графики результатов определения прочности
2. Для построения регрессионных зависимостей расчетного предела прочности требуется проведение дальнейших испытаний для арматуры разных классов и различных диаметров при определенных параметрах технологической подготовки поверхности стержней с увеличением объема экспериментальной выборки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Улыбин А.В. Методы контроля параметров армирования железобетонных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1(27). С. 4-13.
2. Хомич В.М., Логвинов Д.Н. Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей. Новосибирск. : Известия вузов. Строительство. 1999. № 11. С. 133-137.
3. ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.
4. Колмаков А.Г. Методы измерения твердости. М. : Интермет Инжиниринг, 2000.
412 с.
5. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий. М. : АО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», 1997. 179 с.
6. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. СПб : Издательский Дом KN+, 2001. 140 с.
7. ГОСТ 1497-84*. Металлы. Методы испытания на растяжение с 1 января 1986 г. 50 с.
8. ГОСТ 22761-77. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия с 1 января 1979 г. Изд-во стандартов, 1989. 10 с.
9. СТО 22-04-02. Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств стали в металлических конструкциях неразрушающим методом с 2002.10.23. М., 2003. 11 с.
Информация об авторах
Елизова Жанна Павловна, магистрант, тел.: 89027608959,
e-mail: j_pozdnyakova@mail.ru; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Бухаров Евгений Николаевич, студент, Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Сидоров Александр Сергеевич, студент, Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Трофимов Денис Михайлович, студент, Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Elizova Zh.P., candidate for a master's degree, tel.: 89027608959,
e-mail: j_pozdnyakova@mail.ru; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Bukharov E.N., undergraduate, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Sidorov A.S., undergraduate, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Trofimov D.M., undergraduate, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
