Точность и оперативность определения фактического класса бетона при операционном и приемо-сдаточном контроле качества сборных и монолитных железобетонных конструкций имеют важное практическое значение. При этом прямой разрушающий метод определения прочности бетона не всегда позволяет надежно контролировать качество бетона в производственных условиях: прочность бетона в стандартных бетонных образцах может значительно отличаться от фактической прочности в конструкциях, так как их объем составляет ничтожно малую долю от объема конструкций, кроме того, условия уплотнения и твердения бетона образцов также существенно отличаются от их реальных условий в конструкциях.

Эффективный контроль качества бетона состоит в определении его прочности непосредственно в конструкциях и сооружениях без их разрушения, так называемыми неразрушающими методами, многие из которых основаны на современных достижениях физики. Существующие методы неразрушающих испытаний прочности бетона многочисленны и разнообразны по сложности: от простых механических молотков до электронных приборов.

В настоящее время неразрушающие методы контроля прочности бетона широко применяются не только в России и СНГ, но и в странах Западной и Восточной Европы, США, Канаде и т. д., а их развитию уделяется большое внимание.

На данный момент разработаны достаточно точные неразрушающие методы, позволяющие решить практически все вопросы контроля прочности бетона (ГОСТ 17624-2012, ГОСТ 22690-2015, ГОСТ 31914-2012) и оценки его фактического класса (ГОСТ 18105-2018).

В ряде таких случаев, как, например, контроль распалубочной прочности, когда не требуется оценка класса бетона, оправдано применение экспресс-методов оценки прочности, основанных на использовании простых приборов и методик, доступных для строительных организаций – производителей работ. Одним из таких методов может стать метод погружения стальных дюбелей, получивший распространение в Европе и США.

Метод определения прочности бетона путем погружения стальных дюбелей применялся в нашей стране и за рубежом с 60-х гг. прошлого века [1] и основан на погружении стального дюбеля с помощью строительного монтажного пистолета за счет энергии воспламенения порохового заряда. Подробное описание этого метода приведено в патенте на изобретение РФ [2]. Данный метод был рекомендован для контроля прочности тяжелых и легких бетонов и представлен как косвенный, требующий привязки к прямым методам [3][4].

В зарубежных нормативных документах получили распространение два схожих метода контроля. Первый из них, «Windsor-test» [13], применяется для контроля прочности тяжелого и легкого бетона прочностью на сжатие от 3,6 до 110 МПа и предполагает применение специально изготовленных для этого метода патронов и инденторов, не имеющих широкого распространения и не используемых иначе в строительстве (рис. 1). Применению данного метода посвящены стандарты: ASTM C 803-02 [5] в Северной Америке и BS 1881-207 [6] в Великобритании.

Связь между прочностью бетона и глубиной погружения стандартного индентора указывает производитель прибора с учетом твердости щебня по шкале Мооса [13], где твердость щебня определяется либо в пробах, взятых на заводе-изготовителе бетона, либо по образцам, отобранным из конструкции. Как отмечают авторы [10], часто эта связь недостаточно точна, и требуется построение градуировочной зависимости на стандартных образцах, испытываемых на сжатие в прессе.

Основными факторами, влияющими на изменчивость показаний прочности с применением метода «Windsor-test», по мнению авторов [10], являются: ошибки оператора, неисправность оборудования, размер заполнителя и неоднородность бетона как конструкционного материала, но наибольшую погрешность, как принято считать, привносит размер заполнителя: при крупности заполнителя 20 мм коэффициент вариации может составлять 5 %, при 55 мм – до 14 %. Тем не менее, как отмечают авторы [10], данный метод можно успешно применять в случае определения распалубочной прочности, где требования к точности не столь высоки.

Методика требует выполнения не менее трех выстрелов на участке контроля и содержит требования по допустимой изменчивости проведенных замеров, не содержит требований или ограничений по возрасту, водонепроницаемости или влажности бетона, однако требует либо подтверждения данных по твердости заполнителя, либо уточнения зависимости по результатам испытания стандартных образцов бетона.

Второй метод – комбинированный метод пенетрации и сопротивления вырыву [12] – основан на зависимости прочности бетона от отношения усилия вырыва P к глубине погружения дюбеля L. Наиболее полное описание метода изложено в инструкции по контролю прочности мелкозернистого бетона фирмы Hilti [8]. Методика основана на погружении стандартных стальных дюбелей одной определенной марки с помощью порохового пистолета Hilti-DX-450 и зарядов пониженной мощности (с зеленой и желтой цветовой маркировкой патронов). Инструкция содержит указания по количеству испытаний на участке контроля (10 выстрелов с расстоянием между дюбелями не менее 8 см и расстоянии до края не менее 10 см), указания по измерению глубины погружения, усилия вырыва, отбраковке выпадающих результатов и оценке результатов контроля. Прочность бетона определяется в диапазоне 2–16 МПа при применении зеленого патрона и 17–56 МПа при применении желтого патрона. Прочность бетона (цилиндровая прочность) определяется по универсальным градуировочным зависимостям, представленным на рис. 2, в зависимости от отношения усилия вырыва F к глубине погружения дюбеля L:

fc = (F/L+2.7)/7.69 (зеленый патрон)(1)

fc = 0.152*F/L – 1.82 (желтый патрон)(2)

Методика Hilti применяется только для мелкозернистого торкретбетона и не имеет ограничений по его влажности, водонепроницаемости и возрасту. Методика содержит требование по оценке результатов контроля по стандарту EN 12504-1, согласно которому все неразрушающие методы, в том числе рассматриваемый метод, являются косвенными и требуют привязки к конкретному объекту испытаний по результатам испытания отобранных из бетона кернов. Методика не содержит данных о точности метода контроля.

Немецкий стандарт DIN EN 14488-2 [9] содержит требования и ограничения к методу контроля, аналогичные требованиям [8], однако содержит градуировочные зависимости для бетонов с различной крупностью заполнителя:

– для тяжелого бетона с крупностью заполнителя 8 мм и менее:

R = (F/L+2.7)/7.69,(3)

– для тяжелого бетона с крупностью заполнителя 16 мм и менее:

R = (F/L+0.02)/6.69, (4)

– для силикатного бетона с крупностью заполнителя 16 мм и менее:

R = (F/L+3.32)/5.13.(5)

Стандарт [9] применяется для контроля прочности бетонов от 3 до 16 МПа. В стандарте отмечается, что в настоящее время нет данных о точности метода.

В литературе [7][11] также имеются сведения об использовании пневматических пистолетов для погружения дюбелей.

Таким образом, имеющиеся зарубежные и отечественные исследования указывают на то, что рассматриваемый метод является косвенным и требует корректировки с помощью привязки к результатам контроля прямыми неразрушающими методами.

Следует отметить, что для стандартизованного метода «Windsor-test» [5][6][10][13] не указано требование по допустимому разбросу «мощности» порохового заряда и допустимой изменчивости геометрических характеристик индентора. Однако указано, что применение метода допускается только для специально изготовленных для этого метода пистолета, патрона и индентора, поставляемых производителем в комплекте и больше нигде не применяемых. По-видимому, калибровка указанного оборудования и допуск к его применению осуществляются производителем оборудования.

Стандартизованный европейский метод [9] допускает применение обычных патронов для строительных работ, разброс мощности которых составляет ± 20 % от среднего номинального значения и одной определенной марки дюбелей, допускает оценку прочности в ограниченном диапазоне: от 3 до 16 МПа.

Стандарт организации Hilti [8] также допускает применение обычных патронов для строительных работ, разброс мощности которых составляет ± 20 % от среднего номинального значения и одной определенной марки дюбелей, но допускает оценку прочности только мелкозернистого торкрет-бетона.

Оба стандарта [8][9], допускающие применение обычных патронов для строительных работ, не содержат указаний по точности метода и прямых зависимостей прочности от глубины погружения дюбеля, а содержат зависимости прочности от отношения усилия вырыва (Р или F) к глубине погружения дюбеля (L). Это является следствием более высокой корреляции прочности бетона с этим соотношением (P/L или F/L), чем с глубиной погружения дюбеля (L) [12]. Одной из причин этого может быть разброс мощности обычных патронов для строительных работ.

Согласно данным производителей, разброс мощности имеющихся в настоящее время на рынке патронов от среднего номинального значения составляет ± 16 % для отечественных производителей и ± 50 % – для иностранных. В результате точность метода и корреляционные зависимости прочности от глубины погружения дюбеля могут оказаться значительно хуже, чем для ранее исследованных методов.

Анализ материалов зарубежных и отечественных исследований, а также зарубежных нормативных документов выявил существенные ограничения для применения метода определения прочности бетона в конструкциях, основанного на связи с глубиной погружения стального стержня под действием энергии порохового заряда.

Наибольшее влияние на точность и возможность применения данного метода оказывают твердость, вид и крупность заполнителя. Не менее существенное влияние оказывают разброс мощности порохового заряда и параметры индентора: для специально изготовленных комплектов оборудования (пистолетов, зарядов и инденторов) стандартизированы градуировочные зависимости; для обычных пистолетов, патронов и дюбелей, применяемых в строительстве, стандартизированы градуировочные зависимости только для отдельных видов бетонов или бетонов низкой прочности, при этом приведены не зависимости прочности от глубины погружения, а зависимости прочности от производной характеристики – отношения усилия вырыва дюбеля к глубине его погружения. Наиболее вероятной причиной является более высокая допустимая изменчивость мощности выстрела порохового заряда для обычного общестроительного оборудования по сравнению со специально изготовленным оборудованием.

Доступные для анализа зарубежные стандарты регламентируют применение рассматриваемого метода контроля в качестве косвенного метода, требующего корректировки с учетом результатов испытаний стандартных образцов или кернов, отобранных из конструкций, и не содержат данных по точности метода такого контроля.