Помощь с контрольной работой по основам метрологии для ТулГУ, пример оформления

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1 по дисциплине: «Основы метрологии, стандартизации, сертификации и контроля качества» Вариант 9 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА МЕХАНИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ. УСТАНОВКА ГРАДУИРОВОЧНОЙ ЗАВИСИМОСТИ 1. Общие теоретические сведения а) Достоинства механических методов неразрушающего контроля Основной механической характеристикой бетона и мерой его прочности является предел прочности при сжатии. Определение прочности бетона в большинстве случаев осуществляется по результатам классических разрушающих испытаний бетонных образцов на прессах. Несмотря на это, данный метод не позволяет осуществлять надежный контроль прочности бетона из-за ряда недостатков, связанных: — с различным нарастанием прочностных свойств бетона в образцах и строительных конструкциях из-за неодинаковых температурно-влажностных условий окружающей среды; — с отсутствием возможности определения прочностных свойств бетона в различных зонах контролируемой конструкции; — с практической возможностью определения фактической прочности бетона на сжатие при решении вопроса о возможности досрочного нагружения строящегося монолитного сооружения и в ряде других случаев. Таким образом, все отмеченное свидетельствует о необходимости широкого использования неразрушающих методов со всеми их положительными свойствами в определении прочности бетона непосредственно в конструкциях, не подвергая их разрушению. б) Классификация механических методов определения прочности бетона Механические методы неразрушающего контроля прочности основаны на том, что прочность бетона при сжатии связана с другими механическими свойствами: твердостью, сопротивлением отрыву, усилием при скалывании небольшого куска бетона. В зависимости от вида оцениваемого механического свойства используют следующие методы неразрушающих испытаний: пластической деформации; упругого отскока; отрыва (или отрыва со скалыванием); скалывания ребра; выдергивания стальных деталей. Все механические методы неразрушающего контроля основаны на определении прочности бетона по предварительно установленным градуировочным зависимостям между прочностью бетонных образцов по ГОСТ 10180-90 и косвенным характеристикам прочности. В зависимости от применяемого метода косвенными характеристиками прочности являются: – значение отскока бойка от поверхности бетона; – параметр ударного импульса (энергия удара); – размеры отпечатков на бетоне (диаметр, глубина и т. п.) или соотношение диаметров отпечатков на бетоне и стандартном образце при ударе индентора или его вдавливании в поверхность бетона; – значение напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве приклеенного к нему металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска; – значение усилия местного разрыва, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции; – значение усилия местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства. Выбор того или иного метода испытаний бетона зависит от цели испытания (контроль качества изделий на заводе, выборочный или сплошной контроль прочности, испытание конструкций из бетона с неизвестными свойствами), формы и размеров изделий, вида бетона, а также от требований к точности получаемых результатов и удобству проведения испытаний. Метод неразрушающего контроля в зависимости от значения проектной прочности бетона следует выбирать по табл. 1. Таблица 1 — Метод определения прочности бетона Метод Предельные значения прочности бетона, МПа Упругого отскока и пластической деформации 5-50 Ударного импульса 10-70 Отрыва 5-60 Отрыва со скалыванием 5-100 Скалывания ребра 5-70 Механические методы неразрушающего контроля применяют для определения прочности бетона всех видов нормируемой прочности, а также для определения прочности бетона при отбраковке конструкций. Испытания проводят при положительной температуре бетона. Допускается при контроле конструкций определять прочность при отрицательной температуре, но не ниже минус 10 С при условии, что к моменту замораживания конструкция находилась не менее одной недели при положительной температуре и относительной влажности воздуха не более 75 %. Оценку соответствия значений фактической прочности бетона, полученных с применением указанных методов установленным требованиям, производят по ГОСТ 18105. Оценка прочности бетона Наряду с определением площади и глубины распространения дефекта, в процессе непосредственного обследования проводится проверка прочности бетона неразрушающими методами. К неразрушающим методам обследования конструкций относятся те, которые не нарушают целостность элементов конструкций или приводят к небольшим местным повреждениям поверхности конструкции, не снижающим ее несущей способности. Неразрушающие методы обследования конструкций получили наибольшее развитие для определения механических свойств бетона. Неразрушающие методы испытания бетона в строительных конструкциях подразделяются на механические и физические, хотя такое деление недостаточно строго, так как механика является разделом физики. Механические методы, испытания прочности бетона Механические методы испытания прочности бетона основаны на связи между твердостью бетона или его прочностью на растяжение и прочностью бетона на сжатие. Твердость бетона определяют путем вдавливания в него ударника. Прочность бетона на растяжение получают при испытании на отрыв. Имеется много приборов, позволяющих определить твердость бетона. Среди них можно выделить группу приборов, делающих отпечаток только на поверхности бетона. Образовать вмятины на поверхности бетона можно следующим образом: — ручным ударом (шариковый молоток И.А. Физделя); — ударом бойка под действием пружины (приборы МЗ, ЛИСИ, М.А. Новгородского, Оргсовхозстроя, П.И. Звонарева); — ударом стрельбой или взрывом (метод Б.В. Скромтаева, метод ВИА, строительно-монтажный пистолет); — ударом бойка под действием силы тяжести — свободного падения (дисковой прибор ДПГ-4, маятниковый молоток); — статическим вдавливанием штампа в бетон (способ Г.К. Хайдукова А.К. Годера и Р.К. Рачевского). Одновременное образование вмятин на поверхности бетона и на эталоне можно получить: — ручным ударом (эталонный молоток К.П. Кашкарова, прибор ДорНИИ., СД-2); — ударом бойка под действием пружины (приборы Польди-Вайцмана, И.А. Васильева). В приборах, дающих только отпечатки на бетоне, кроме дискового прибора ДПГ-4 и прибора, основанного на статическом вдавливании, предложенного Г.К. Хайдуковым, А.И. Годером и P.M. Рачевским, размер отпечатков зависит от силы удара, жесткости пружины, давления пороховых газов. В связи с этим точность определения прочности бетона этими приборами невысокая. Приборы, основанные на одновременном получении отпечатков на бетоне и эталоне, дают большую точность, так как соотношение диаметров отпечатков на бетоне и эталоне не зависит от силы удара. Наибольшее распространение для определения прочности бетона получили эталонный молоток К.П. Кашкарова и дисковый прибор ДПГ-4. Достаточно надежным является и прибор, основанный на статическом вдавливании штампа в бетон, разработанный Г.К. Хайдуковым, А.И. Годером и P.M. Рачевским. При ударе эталонным молотком Кашкарова получаются одновременно два отпечатка — на эталоне и бетоне. Рабочим органом молотка является шарик подшипника диаметром 15 мм. Эталоном служит стальной стержень диаметром 10 мм и длиной 160 мм с одним заостренным концом из арматурной стали класса А-1. Поверхность эталонного стержня для лучшей видимости отпечатков не должна быть шлифованной и иметь естественный цвет побежалости. Отношение диаметров отпечатков бетона и эталона db/dg не зависит от силы улара. По среднему значению этих отношений при пяти ударах и тарировочной кривой определяют прочность бетона на сжатие. Точность измерения отпечатков, на бетоне и эталоне должна быть 0,1 мм. Расстояние между соседними отпечатками на эталоне должно быть не менее 10 мм, а на бетоне — не менее 30 мм. Тарировочные кривые, полученные с помощью молотка Кашкарова, составлены для бетона влажностью 2…6%. При отклонении влажности от указанных пределов, необходимо учитывать поправочные коэффициенты, указанные в соответствующей литературе. Дисковый прибор ДПГ-4 был разработан A.M. Губером во ВНИИГ. Прибор состоит из диска, стержня, подножки и угломерной шкалы. Диск изготавливается из стали, его диаметр 160 мм, а толщина 10 мм. Стержень соединяет диск с подножкой и обеспечивает его свободное падение. Подножка служит для опирания прибора на бетонной поверхности в трех точках. Угломерная шкала позволяет вычислять высоту падения диска на бетонную поверхность. На исследуемом участке бетонной поверхности наносят 12 оттисков и измеряют их с точностью до 0,5 мм. Рассчитывают среднее значение, размеров оттисков . Результаты измерений записывают по возрастающим значениям размеров отпечатков. Два больших результата отбрасывают, а среднее арифметическое из трех последующих наибольших результатов принимают как . Прочность бетона на сжатие вычисляют по формуле: , где — коэффициент дискового прибора, учитывающий тип бетона, ; — — высота падения диска, ; — длина стержня прибора, . В приборе ОП-1, разработанном на основе предложений Г.К. Хайдукова, А.И. Годера и Р.К. Рачевского, оттиски на вертикальной поверхности бетонного изделия ограниченной толщины получают путем вдавливания сферического штампа с помощью ручного масляного насоса. Давление в насосе контролируется манометром. Более сложны приборы с гидравлическими штампами типа ОРМ-2-250 и ОРП-4-300. С их помощью можно наносить оттиски на поверхности железобетонных изделий толщиной от 30 до 250 мм. В приборы закладывается кассета с двумя лентами из белой и копировальной бумаги. По мере проведения испытаний кассету проворачивают, нумеруя оттиски. Твердость бетона можно определить также путем измерения упругого отскока ударника. Определение прочности бетона методом упругого отскока осуществляется с помощью молотка Шмидта, прибора Центральной экспериментальной базы ЦНИИСК и маятникового прибора В.В. Царицына, И.Е. Карниловича и Я.Э. Осадчука. Молоток Шмидта является прибором, наиболее распространённым за рубежом. Прибор состоит из алюминиевого корпуса, в котором по штоку перемешается молоток. Молоток наносит удар по ударнику с помощью пружины. После удара молоток отскакивает на расстояние, фиксируемое при помощи стрелки на шкале прибора. Шкала градуирована в процентах к пути, пройденному молотком при ударе. С учетом угла наклона бетонной поверхности с использованием тарировочной кривой по величине отскока определяется прочность бетона на сжатие. Прибор не рекомендуется для испытания бетона в возрасте менее 7 и больше 90 суток (при естественном твердении). Такие рекомендации практически исключают применение молотка Шмидта для испытания старых конструкций. Прибор КИСИ по принципу действия похож на молоток Шмидта, но имеет несколько отличное от последнего устройство. Шкала прибора, фиксирующая отскок молотка, градуирована в миллиметрах. Прибор позволяет производить испытания на наклонных, вертикальных и горизонтальных поверхностях. Пружинный прибор Центральной экспериментальной базы ЦНИИСК имеет шкалу с градуировкой в кг/см2, что упрощает пользование им по сравнению с молотком Шмидта. Маятниковый прибор В.В. Царицына, Ю.Е. Карниловича и Э.Я. Осадчука состоит из маятника, свободно качающегося на оси, и шкалы для фиксирования его отскока в кг/см2 . Прибор предназначен для испытания вертикальных поверхностей. По данным авторов прибора точность определения прочности бетона не ниже ±20%. Физические методы испытания прочности бетона Физические методы обследования конструкций основаны на законах распространения упругих волн в реальных средах, взаимодействия различного рода излучений с испытываемым материалом, металла с электромагнитным полем и т.д. Физические методы испытания прочности бетона могут быть подразделены на резонансные, импульсные ультразвуковые и ударные. Кроме того для определения плотности бетона и дефектов в нем применяются методы, основанные на измерении степени поглощения и рассеивания рентгеновских и гамма-лучей. Резонансный метод. При помощи резонансного метода определяют частоту собственных колебаний образца с последующим расчетом по этой характеристике динамических модулей упругости первого рода (модуля Юнга) и второго рода (модуля сдвига) и логарифмического декремента затухания. Качество бетона можно оценить непосредственно по указанным характеристикам или путем определения прочности из зависимостей, связывающих Rm . Резонансный метод при обследовании зданий можно применять только для испытаний лабораторных образцов и некоторых изделий небольшого объема с точными размерами, поэтому этот метод нельзя отнести к неразрушающим методам испытания реальных конструкций. Импульсный ультразвуковой метод. Он нашел широкое применение для неразрушающих испытаний железобетонных конструкций. Этот метод основан на измерении скорости распространения в бетоне продольных ультразвуковых волн и степени их затухания. Ударный метод. Мощность ультразвуковых колебаний при использовании импульсного метода недостаточна для испытания конструкций большой длины, например дорожных и аэродромных покрытий, и некоторых других массивных сооружений. В этих случаях применяется ударный акустический метод. Оценка качества бетона при испытании ударным методом основывается на измерении скорости распространения в нем продольных волн, вызванных механическим ударом. По физической сущности определение ударным методом аналогично импульсному и базируется на использовании зависимости предела прочности бетона на сжатие от скорости распространения звуковых волн в конструкции. Подготовка к испытаниям Для определения прочности бетона в конструкциях предварительно устанавливают градуировочную зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой прочности (в виде графика, таблицы или формулы). Для установления градуировочных зависимостей используют не менее 15 серий образцов-кубов по ГОСТ 10180-90. Образцы изготавливают в соответствии с ГОСТ 10180-90 в разные смены в течение 5 суток из бетона одного состава, одной и той же технологии и при том же режиме тепловлажностной обработки или тех же условиях твердения, что и конструкции, подлежащие контролю. Рекомендуется изготовлять образцы из бетонной смеси, отличающейся по составу от проектного по цементно-водному отношению в пределах 0,4 соответственно по 5 серий образцов. Размеры образцов для градуировочной зависимости следует выбирать в соответствии с наибольшей крупностью заполнителя в бетонной смеси по ГОСТ 10180-90, но не менее 100Ч100Ч100 мм – для неразрушающих методов отскока, ударного импульса, пластической деформации. Для построения градуировочной зависимости необходимо провести испытания бетонных образцов-кубов сначала неразрушающими, а затем разрушающими методами по ГОСТ 10180-90. За единичное значение прочности бетона принимают значение прочности бетона в серии по ГОСТ 10180-90 или прочность бетона одного образца (если градуировочную зависимость устанавливают по данным испытаний отдельных образцов). За единичное значение косвенного показателя прочности при установлении градуировочной зависимости принимают среднее арифметическое значение этой величины в серии образцов (или образце), используемых для определения единичного значения прочности. Градуировочная зависимость должна иметь среднее квадратическое (остаточное) отклонение ST , не превышающее 12 % при использовании серии образцов, и 15 % – отдельных образцов от среднего значения прочности . Установленная градуировочная зависимость позволяет применять используемый для ее построения неразрушающий метод для контроля строительных железобетонных конструкций. Определение прочности контрольных образцов неразрушающими методами С помощью прибора, для которого определяется градуировочная зависимость, на каждом образце проводят испытания в следующей последовательности: — прибор располагают так, чтобы усилие прикладывалось перпендикулярно к грани контрольного образца в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора, и фиксируют значение косвенной характеристики на этом участке; — перевернув образец-куб, фиксируют значение косвенной характеристики на противоположной грани. — вычисляют среднее значение косвенной характеристики для данного образца. Число испытаний на одном участке, по которым взято среднее значение косвенной характеристики, для методов упругого отскока и пластической деформации должно быть не менее 5-ти. Расстояния между центрами отпечатков должны быть не менее 30 мм, а расстояния от края образца до центра отпечатка – не менее 50 мм. Определение прочности контрольных образцов разрушающими методами Все образцы одной серии должны быть испытаны в расчетном возрасте в течение не более 1 ч. Перед установкой образца на пресс или испытательную машину удаляют частицы бетона, оставшиеся от предыдущего испытания на опорных плитах пресса. Шкалу силоизмерителя испытательной машины, пресса или испытательной установки выбирают из условия, что ожидаемое значение разрушающей нагрузки должно быть в интервале 20-80 % максимальной нагрузки, допускаемой выбранной шкалой. Нагружение образцов производят непрерывно со скоростью, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах 0,6±0,4 МПа/с при испытаниях на сжатие и в пределах 0,05±0,02 МПа/с при испытаниях на растяжение. При этом время нагружения одного образца должно быть не менее 30 с. Максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принимают за разрушающую нагрузку и записывают его в журнал испытаний. При испытании на сжатие образцы-кубы устанавливают одной из граней на нижнюю опорную плиту пресса (или испытательной машины) центрально относительно его продольной оси, используя риски, нанесенные на плиту пресса, дополнительные стальные плиты или специальное центрирующее устройство. Между плитами пресса и опорными поверхностями образца допускается прокладывать дополнительные стальные опорные плиты. Прочность бетона, МПа ( ), следует вычислять с точностью до 0,1 МПа (1 ) при испытаниях на сжатие по формуле: , где – разрушающая нагрузка, Н ( ); – площадь рабочего сечения образца, ( ); – масштабный коэффициент, определяемый по ГОСТ 10180-90 или экспериментально. Методика установления градуировочной зависимости и оценка её погрешности. Уравнение зависимости «косвенная характеристика – прочность» принимают линейным по формуле: , (1) где Rн – прочность бетона, МПа; Н – косвенная характеристика, полученная при испытании неразрушающим методом (величина отскока, мм; диаметр отпечатка, мм). Коэффициенты и рассчитывают по формулам: , (2) (3) где и – соответственно значения прочности и косвенной характеристики для отдельных серий по ГОСТ 10180-78; и – соответственно средние значения прочности и косвенной характеристики. Исходные данные запишем в табл. 2. Таблица 2 — Исходные данные для построения градуировочной зависимости прочности бетона от диаметра отпечатка № з/п ( ) Прочность бетона, Значение косвенной характеристики, 1 19,4 20,7 2 27,3 19,6 3 24,5 18,8 4 22,4 20,0 5 15,9 19,1 6 24,2 18,9 7 23,1 19,2 8 27,2 17,9 9 27,4 18,8 10 23,2 18,6 11 21,6 19,4 12 25,5 19,2 13 26,3 19,5 14 25,2 20,1 15 25,1 19,5 16 29,5 20,3 17 21,3 19,4 18 28,7 18,3 19 24,8 18,2 20 21,3 18,8 Средние значения прочности , определенные путем испытания образцов по ГОСТ 10180-78, и косвенных характеристик , необходимых для определения этих коэффициентов, рассчитывают по формулам: где и – соответственно значения прочности и косвенной характеристики для отдельных серий по ГОСТ 10180-78; — число серий (или отдельных образцов), использовавшихся для построения градуировочной зависимости. Подставим в формулы (4) и (5) исходные данные и средние значения прочности и косвенных характеристик (диаметров отпечатков): Подставляем полученные значения в формулы (2) и (3): Произведенные расчеты и промежуточные значения представлены в табл.3. Таблица 3 — Расчетные данные для определения коэффициентов и 1 19,4 24,195 20,7 19,215 -4,80 1,49 -7,12 2,21 0,9153 6,6082 2 27,3 19,6 3,11 0,39 1,20 0,15 3 24,5 18,8 0,31 0,41 0,13 0,17 4 22,4 20,0 -1,80 0,79 -1,41 0,62 5 15,9 19,1 -8,30 0,11 -0,95 0,01 6 24,2 18,9 0,00 0,32 0,00 0,10 7 23,1 19,2 -1,10 0,02 -0,02 0,00 8 27,2 17,9 3,01 1,32 3,95 1,73 9 27,4 18,8 3,21 0,41 1,33 0,17 10 23,2 18,6 -1,00 0,61 -0,61 0,38 11 21,6 19,4 -2,60 0,18 -0,48 0,03 12 25,5 19,2 1,31 0,02 0,02 0,00 13 26,3 19,5 2,11 0,29 0,60 0,08 14 25,2 20,1 1,01 0,89 0,89 0,78 15 25,1 19,5 0,91 0,29 0,26 0,08 16 29,5 20,3 5,31 1,09 5,76 1,18 17 21,3 19,4 -2,90 0,18 -0,54 0,03 18 28,7 18,3 4,51 0,91 4,12 0,84 19 24,8 18,2 0,61 1,02 0,61 1,03 20 21,3 18,8 -2,90 -0,41 1,20 0,17 Т.о. подставляя коэффициенты в формулу (1), имеем градуировочную зависимость: После построения градуировочной зависимости по формуле (1) произведем ее корректировку путем отбраковки единичных результатов испытаний, не удовлетворяющих условию: (6), где – остаточное среднее квадратическое отклонение, определенное по формуле: (7), где – прочность бетона в серии образцов, определенная по градуировочной зависимости. Произведенные расчеты и промежуточные значения представлены в табл.4. Таблица 4 — Расчетные данные для корректировки градуировочной зависимости 1 19,4 20,7 25,554 -6,154 37,874 3,5727 1,723 2 27,3 19,6 24,547 2,753 7,577 0,770 3 24,5 18,8 23,815 0,685 0,469 0,192 4 22,4 20,0 24,913 -2,513 6,318 0,704 5 15,9 19,1 24,090 -8,190 67,072 2,292 6 24,2 18,9 23,907 0,293 0,086 0,082 7 23,1 19,2 24,181 -1,081 1,169 0,303 8 27,2 17,9 22,991 4,209 17,712 1,178 9 27,4 18,8 23,815 3,585 12,851 1,003 10 23,2 18,6 23,632 -0,432 0,187 0,121 11 21,6 19,4 24,364 -2,764 7,641 0,774 12 25,5 19,2 24,181 1,319 1,739 0,369 13 26,3 19,5 24,456 1,844 3,401 0,516 14 25,2 20,1 25,005 0,195 0,038 0,055 15 25,1 19,5 24,456 0,644 0,415 0,180 16 29,5 20,3 25,188 4,312 18,593 1,207 17 21,3 19,4 24,364 -3,064 9,390 0,858 18 28,7 18,3 23,358 5,342 28,542 1,495 19 24,8 18,2 23,266 1,534 2,353 0,429 20 21,3 18,8 23,815 -2,515 6,326 0,704 Проводим отбраковку. В нашем 5-й результат испытаний имеет максимальное значение , что удовлетворяет условию (6) . Поэтому отбрасываем этот результат испытаний и устанавливаем градуировочную зависимость заново. Подставим в формулы (4) и (5) исходные данные и средние значения прочности и косвенных характеристик (диаметров отпечатков): Подставляем полученные значения в формулы (2) и (3): Произведенные расчеты и промежуточные значения представлены в табл.5.