Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

65

Współczesne metody badań półnieniszczących konstrukcji betonowych

Roman KINASH

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Jan WITOSIŃSKI

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Oksana KINASH

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

STRESZCZENIE: Omówiono techniki współczesnych metod badań półnieniszczącyzh

wytrzymałości na ściskanie betonu „pull-out” w zastosowaniu do badań konstrukcji

podziemnych jednostronnie dostępnych. W celu weryfikacji podano wyniki badań

porównawczych dokładności oceny wytrzymałości betonu metodami niszczącymi,

nieniszczącymi oraz metodą „pull-out”. Dla porównania parametrów wytrzymałości

określonej różnymi metodami w artykule przedstawiono wartości współczynników

korygujących dla różnych metod badań. Ze względu na znacznie wyższą dokładność

określania wytrzymałości betonu w porównaniu z metodami nieniszczącymi, metoda „pull-

out” jest zalecana do stosowania w budownictwie podziemnym.

SŁOWA KLUCZOWE: konstrukcje betonowe, badania półnieniszczące, wytrzymałość

betonu

1. WPROWADZENIE

Wytrzymałość na ściskanie betonu jest jedną z podstawowych wielkości, którą można

określić, prowadząc diagnostykę istniejącej konstrukcji, przy użyciu metod nieniszczących,

półniszczących oraz niszczących badań wytrzymałościowych [11]. Badania półnieniszczące

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

66

(seminiszcące) polegają na wyrywaniu bloków lub kotew osadzonych w stwardniałym

betonie – metoda „pull- out” albo umieszczonych w konstrukcji przed jej zabetonowaniem –

metoda lock-out, odrywaniu przyklejonych do powierzchni betonu stalowych krążków -

metoda „pull-off” [1].

Metody „pull- out” i „pull-off” stanowią pewną nowość w krajowym budownictwie

górniczym. W UE metoda pull-out została znormalizowana w normie PN-EN 12504-3 [6],

natomiast druga z metod również jest w opracowaniu. Pomimo podobnej nazwy obie metody

są przeznaczone do badań różnych parametrów, natomiast cechą wspólną jest podobna

aparatura oraz sposób oddziaływania na obiekt. Stąd możliwe jest wykorzystanie do

pomiarów różnych parametrów tej samej aparatury, ale w różnych zakresach i przy różnym

oprzyrządowaniu pomiarowym.

2. TECHNIKI METODY „PULL-OUT” W ZASTOSOWANIU DO BADAŃ

KONSTRUKCJI PODZIEMNYCH JEDNOSTRONNIE DOSTĘPNYCH

Techniki „pull-out” dotyczą grupy metod badawczych określania parametrów

wytrzymałościowych betonu na podstawie wartości siły określanej przy wyrywaniu z betonu

stalowych kotwi o różnym kształcie. Kotew tego typu może być wcześniej zabetonowana lub

osadzona w nawiercanych otworach. Określony sposób zniszczenia betonu podczas

wyrywania kotwy, pozwala na określanie ścisłej korelacji między zarejestrowaną siłą

wyrywającą a wytrzymałością betonu. Metoda ta, z niewielkimi wyjątkami (rodzaj i wymiar

kruszywa), jest niezależna od wpływu rodzaju cementu i wartości współczynnika w/c,

warunków twardnienia, zawartości dodatków. Najczęściej używa się jej w trakcie realizacji

konstrukcji do kontroli przyrostu wytrzymałości betonu – jest wtedy niezmiernie pomocna

w podejmowaniu decyzji o ewentualnym rozdeskowaniu lub obciążeniu, albo jej sprężeniu

lub możliwości dalszego użytkowania konstrukcji. Z tego też względu metoda ta znalazła

uznanie w wielu krajach skandynawskich, a także w USA i Wielkiej Brytanii, gdzie jest

powszechnie wykorzystywana.

Metoda ta została po raz pierwszy zastosowana w badaniach betonu przez B.G.

Skramtajewa [13] do określenia wytrzymałości betonu in situ.

Proponowane w normie PN-EN 12504-3 [6] są dwa układy pomiarowe tj. :

a – kotew jest wcześniej zabetonowana podczas betonowania konstrukcji. (Technika

„LOK-test” rys.1 wg [2]),

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

67

b – kotew jest zakładana do wywierconych otworów pomiarowych w istniejącej

konstrukcji. (Technika ”CAPO-test” rys. 2 wg [2]).

Siła wyrywająca kotew jest przekazywana za pośrednictwem siłownika hydraulicznego

lub mechanicznego na trzpień kotwi. Siłownik z drugiej strony oparty jest na pierścieniu

oporowym. Przygotowanie do pomiarów pokazano na rys. 3. Układ „a” jest stosowany

w obecnie wykonywanych budowlach inżynierskich tj. wiaduktach, mostach, tunelach itp.

Natomiast pomiary systemem CAPO-test są wykonywane w istniejących już konstrukcjach

betonowych i żelbetowych w tym również tunelach oraz inżynierskich obiektach

podziemnych.

Rys. 1. Układ pomiarowy z kotwią wcześniej zabetonowaną. Pomiar w technice „LOK-Test” [2]

Fig. 1. The measuring system with the earlier concrete embedment anchor. A measuring in the technique

“LOK– Test” [6]

Rys. 2. Układ pomiarowy do badań wytrzymałości w systemie ”CAPO-test” [2]: a – wiercony otwór z

wewnętrznym podcięciem, b – idea metody

Fig. 2. The measuring system to the resistance research of the system “CAPO – test” [2]: a – a drilling

opening with internal relief, b – an idea of the method

Wymienione wyżej układy pomiarowe pozwalają na określanie wytrzymałości betonu

w warstwie podpowierzchniowej na głębokości do około 3cm. Jest to metoda tak dokładna,

że ogranicza stosowanie metod nieniszczących tj. sklerometrycznej i ultradźwiękowej.

b Fa

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

68

Korelacja „siła wyrywająca – wytrzymałość” w przyję ą

liniowy. Oznacza to, że w przeciwieństwie do metod nieniszczą ą

na kruszywach lekkich oraz betonów o uziarnieniu kruszywa powyż

out jest niezależna od wpływu parametrów materiałowych oraz technologicznych. Należą

nich wskaźnik w/c, warunki dojrzewania, wiek betonu, dodatki mikrokrzemionki, pyłów,

włókien itp.

Rys. 3. Próbka z zabudowaną kotwią do do badan w systemie „LOK

Fig. 3. The sample of the built-up anchor to researches in the system “LOK

Na rys.4 widoczny nakręcony na kotew pierś ń ś ń

aparatury DYNA EXTRACTION TESTER ( Firma PROCEQ

pokazano wyrwany stożek materiału z próbki kostkowej wg rys.

Rys. 4. Próbka z urządzeniem DYNAMETR Z25 (25kN do badań

Fig. 4. The sample of DINAMETR Z25 instalation (25 kN to the rese

ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

ść” w przyjętym systemie pomiarowym ma związek

ż ństwie do metod nieniszczących z wyłączeniem betonów

kruszywach lekkich oraz betonów o uziarnieniu kruszywa powyżej 38mm, metoda pull-

żna od wpływu parametrów materiałowych oraz technologicznych. Należą do

źnik w/c, warunki dojrzewania, wiek betonu, dodatki mikrokrzemionki, pyłów,

ą ą do do badan w systemie „LOK-test” [2]

up anchor to researches in the system “LOK – test” [2]

ęcony na kotew pierścień pośredni oraz trzpień do wyrywania

aparatury DYNA EXTRACTION TESTER ( Firma PROCEQ – Szwajcaria) [14]. Na rys. 5.

żek materiału z próbki kostkowej wg rys. 1.

m DYNAMETR Z25 (25kN do badań w systemie „LOK-test” [2]

Fig. 4. The sample of DINAMETR Z25 instalation (25 kN to the research in the system “LOK –test” [2]

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

69

Na rys. 4. widoczny czujnik obciążeń, pierś ń

sterującego DYNAMETR Z25 (Producent Firma PROCEQ, Zurich

Rys.5. Wyrwany stożek materiału z próbki kostkowej wg rys.1

Fig. 5. A plucked-up cone of material from the sample of cube in the obedience to fig. 1

3. WYNIKI BADAŃ PORÓWNAWCZYCH ORAZ OCENA DO

Zalecana krzywa korelacji związku „wytrzymałość

przedstawiana w postaci wielomianu tj. Y = aX +b gdzie Y= f

fci = 1,41*F – 2,82 (dla betonu o wytrzymałości na ściskanie do 50 MPa), (1) fci = 1,59*F – 9,59 (dla betonu o wytrzymałości na ściskanie powyż gdzie: fci - wytrzymałość kostkowa na ściskanie MPa;

Wg amerykańskich przepisów zawartych w Normie ACI 228.1 In

Estimate Concrete Strength [12]

f

W celu weryfikacji w pracy [2] przeprowadzono badania porównawcze dokładnoś

wytrzymałości betonu metodami nieniszczącymi oraz metodą

wyniki przedstawiono w tabeli 1 oraz na rys.6 otrzymują ż ść

2,5951. Zmieniając oznaczenia otrzymujemy, f

wartościom pośrednim współczynników w wyżej podanych zależ ś

ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

ąż ń, pierścień oporowy oraz fragment modułu

Firma PROCEQ, Zurich – Szwajcaria).

żek materiału z próbki kostkowej wg rys.1 [2]

cube in the obedience to fig. 1 [2]

WCZYCH ORAZ OCENA DOKŁADNOŚCI

ązku „wytrzymałość = F(siła wyrywająca)” wg [4] jest

przedstawiana w postaci wielomianu tj. Y = aX +b gdzie Y= fci; X=F:

ści na ściskanie do 50 MPa), (1)

ś ściskanie powyżej 50 MPa), (2)

ściskanie MPa; F- siła wyrywająca kotew [kN].

ńskich przepisów zawartych w Normie ACI 228.1 In-Place Methods to

fci = 0,76F1,16, (3)

fci = 0,69F

1,12, (4)

W celu weryfikacji w pracy [2] przeprowadzono badania porównawcze dokładności oceny

ś ącymi oraz metodą „pull-out”. Przykładowe

wyniki przedstawiono w tabeli 1 oraz na rys.6 otrzymując zależność w postaci Y=1,5381X–

ąc oznaczenia otrzymujemy, fci =1,54F–2,60 [MPa]. Odpowiada to

ś ś żej podanych zależnościach (1) i (2).

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

70

Y=1,5381*X – 2,5951 lub fci = 1,54F – 2,60 [MPa], (5)

gdzie: fci – wytrzymałość na ściskanie [MPa]; F – siła wyrywająca [kN]. Współczynniki: a=1,54; b=–2,60.

Tabela 1. Wyniki badań [2]

Table 1. The results of the researches [2]

Nr

Beton C8/10 Beton C12/15 Beton C16/20 Beton C20/25

Pull-

out Prasa

Pull-

out Prasa Pull-out Prasa Pull-out Prasa

1 8,91 11,11 16,29 17,19 17,36 18,79 27,11 29,98

2 7,02 9,60 14,34 15,59 18,38 19,59 26,66 30,78

3 9,53 10,39 14,01 15,99 18,64 19,99 25,91 29,19

Rys. 6. Zależność pomiędzy siłą wyrywającą i wytrzymałością na ściskanie betonu w metodzie pull-out [2]

Fig. 6. The dependence between force and compression strength of a concrete using the method “pull-out” [2]

Porównanie krzywych korelacji zawartych w obowiązujących przepisach PN-EN

13791:2008 [7], zaleceniach producentów [14] oraz w Normie ACI 228.1R [12]

przedstawiono na rys. 7.

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

71

Rys. 7. Porównanie krzywych korelacji fF-F wg różnych przepisów [11]

Fig. 7. The comparison of the crooked correlations fF – F in an obedience to different rules [11]

Z przedstawionego porównania wynika, że korelacje między siłą wyrywającą

a wytrzymałością betonu na ściskanie według zaleceń producenta [14] i zaleceń

amerykańskich są do siebie bardzo zbliżone. Z kolei krzywa korelacji proponowana przez

obecnie stosowaną normę [6] może dawać znacznie większy zapas bezpieczeństwa.

Korzystając z równania krzywej bazowej podanej przez producenta lub z przepisów

amerykańskich, można wyznaczyć skorygowaną krzywą bazową i na jej podstawie

oszacować wytrzymałość betonu in situ w dowolnej liczbie miejsc. Pojawia się jednak

problem, przy jakich wartościach rozrzutów wartości oczekiwanych wyniki badań uznać

można za wiarygodne. Trudno tu odnieść się do krajowej praktyki, ponieważ polskie tradycje

w tym względzie są znacznie mniejsze niż w przypadku innych metod nieniszczących. Jeżeli

uzna się za podstawowe badanie wytrzymałości na próbkach, wyniki pomiarów metodą „pull-

out” w stosunkowo dużej liczbie miejsc konstrukcji mogą stanowić istotną informację

w przypadku ograniczonej liczby próbek (n < 6).

Każde urządzenie należy wykalibrować, tzn. znaleźć poprawną zależność między

wytrzymałością betonu na ściskanie (fc,cube) a siłą wyrywającą (F).

Dla porównania wartości wytrzymałości określonej różnymi metodami na rys. 8

przedstawiono wartości współczynników korygujących dla różnych metod badań.

Za współczynnik korygujący Ck dla każdej z stosowanych metod przyjęte są wartości średnie

otrzymane z wyników badań próbek betonowych.

Widoczna jest ponad dwukrotnie większa dokładność metody pull-out w porównaniu

z metodami nieniszczącymi.

Wartość współczynnika korygującego Ck wyniosła:

- metoda pull-out: Ck= 1,12 ( różnica ok.12%); współczynnik zmienności νk= 7%;

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

72

- metoda sklerometryczna : Ck= 0,76 (różnica ok.24%); współczynnik zmiennoś

metoda ultradźwiękowa: Ck= 1,33 (różnica ok.33%); współczynnik zmiennoś

Rys. 8. Wartości współczynników korygujących dla metody pull

Fig. 8. The value of o correct factors of the method “pull-

Ze względu na znacznie wyższą dokładność ś ś

w porównaniu z metodami nieniszczącymi, metoda „pull

w budownictwie inżynierskim przez Instytut Budowy Dróg i Mostów

4. WNIOSKI

1. W celu weryfikacji podano wyniki badań ś

wytrzymałości betonu metodami niszczącymi, nieniszczą ą

2. Dla porównania parametrów wytrzymałoś ś ż

przedstawiono wartości współczynników korygują ż ń

Widoczna jest ponad dwukrotnie większa do

z metodami nieniszczącymi.

3. Metoda „pull- out” ze względu na dokładność ę źć

np. oceny wytrzymałości betonu w obudowach szybów oraz podszybi, komór

wielkowymiarowych oraz betonowych i żelbetowych konstrukcji podziemnych.

4. Po przyjęciu normy PN-EN 12504-3 metoda „pull

stosowania również w budownictwie górniczym.

oczekiwan

ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

żnica ok.24%); współczynnik zmienności νk= 13%;

żnica ok.33%); współczynnik zmienności νk= 27%.

ących dla metody pull-out i metod nieniszczących [2]

-out” and the non – destructive methods [2]

ę ż ą dokładność określania wytrzymałości betonu

ącymi, metoda „pull-out” jest zalecana do stosowania

żynierskim przez Instytut Budowy Dróg i Mostów [15].

W celu weryfikacji podano wyniki badań porównawczych dokładności oceny

ącymi, nieniszczącymi oraz metodą „pull-out”.

Dla porównania parametrów wytrzymałości betonu określonej różnymi metodami

ści współczynników korygujących dla różnych metod badań.

ększa dokładność metody „pull-out” w porównaniu

ę ść i prostotę powinna znaleźć zastosowanie do

ści betonu w obudowach szybów oraz podszybi, komór

żelbetowych konstrukcji podziemnych.

etoda „pull- out” została wprowadzona do

ż w budownictwie górniczym.

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

73

5. LITERATURA

[1] Brunarski L.: Nowe normowe kryteria zgodności wytrzymałości betonu. Budownictwo,

Technologie, Architektura. Polski Cement. KRAKÓW 2004, nr 2

[2] Helicki B.: Porównanie dokładności oceny wytrzymałości betonu zwykłego metodami

półnieniszczącymi i nieniszczącymi. Praca dyplomowa – magisterska. Kraków AGH, KGBiG ,

2004r. Promotor: Dr inż. Jan Witosiński.

[3] Moczko A.: Badanie odwiertów rdzeniowych w świetle aktualnych unormowań prawnych. Część

2 – badania wytrzymałościowe i interpretacja uzyskiwanych wyników. Budownictwo

i Architektura. Wyd. Polski Cement., KRAKÓW 04-06 2004r

[4] Moczko A.: Współczesne metody nieniszczącej diagnostyki zbiorników betonowych. Seminarium naukowo-

techniczne „ Zbiorniki w infrastrukturze podziemnej miast.” Instytut Inżynierii Lądowej Politechniki

Wrocławskiej, raport serii PRE 41/98, Wrocław, Listopad 1998r.

[5] PN-EN 12390: 2002 Badania betonu. Część 3. Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.

PKN, Warszawa, 2002

[6] PN-EN 12504-3: 2005 Badania betonu w konstrukcjach. Część 3. Oznaczanie siły wyrywającej.

PKN, Warszawa 2006

[7] PN-EN 13791:2008 Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach

prefabrykowanych betonowych. PKN, Warszawa, 2008

[8] PN-ISO 2602:1994 Statystyczna interpretacja wyników badań. Estymacja wartości średniej.

Przedział ufności. PKN,Warszawa1994

[9] PN-ISO 3534-1:2009 Statystyka. Słownik i symbole. Część 1: Ogólne terminy statystyczne

i terminy wykorzystywane w rachunku prawdopodobieństwa. PKN, Warszawa 2009

[10] PN-ISO 3534-2:1994 Statystyka. Statystyczne sterowanie jakością. PKN, Warszawa 1994

[11] Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. T. 1. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne

betonu i stali / Łukasz Drobiec, Radosław Jasiński, Adam Piekarczyk. Warszawa: Wydawnictwo

Naukowe PWN, 2010.

[12] ACI 228.1R In-Place Methods to Estimate Concrete Strength. Manual of Concrete Practice. Report of ACI

Committee 2287, 2002. American Concrete Institute, Farminington Hills, MI 2002

[13] Skramtajew B.G.: Determining concrete strength for control of concrete structures, Journal of

ACI, 1938, vol.34

[14] Materiały reklamowe Firmy PROCEQ, Zurich – Szwajcaria

[15] Zalecenia dotyczące oceny jakości betonu "in-situ" w istniejących konstrukcjach obiektów

mostowych: Wydawnictwo: IBDIM, 1998

Artykuł opracowano w ramach pracy statutowej WGiG AGH nr 11.11.100.197