Nedestruktivní stanovení pevností vápenopískových cihel mechanickým odrazovým tvrdoměrem

Úvod

Nedestruktivní metoda odrazových tvrdoměrů je v současné době ve stavební praxi v největším rozsahu využívána především pro zjišťování pevnosti v tlaku betonu zabudovaného v konstrukci.

Využití odrazových tvrdoměrů samostatně nebo v kombinaci s ultrazvukovou impulsovou metodou je popsáno v řadě odborných publikacích, např. Bungey [1], Jones [2], Malhotra, Carino [3], Pavlík, Doležel [4]. Postupy pro zkoušení betonu zabudovaného v konstrukcích odrazovými tvrdoměry a vyhodnocení výsledků měření je kodifikovány technických normách ať již národních, evropských nebo mezinárodních, např. ČSN 73 1373 [8], ČSN EN 12504-2 [10], ČSN EN 13791 [11], ASTM C805/C805-13a [5], ISO 1920-7 [13].

Využití odrazových tvrdoměrů pro zjišťování pevnosti v tlaku jiných stavebních materiálů je limitováno především chybějícími využitelnými kalibračními vztahy umožňujícími stanovení z hodnoty odrazu tvrdoměru a podporou v normativních dokumentech, které by kodifikovaly jak metodiku vlastního provádění zkoušek, tak i postupy vyhodnocení jejich výsledků.

V článku jsou uvedeny vztahy pro predikci pevností vápenopískových cihel z výsledků měření mechanickým odrazovým tvrdoměrem odpovídající specifikaci ČSN EN 12504-2 [10] resp. ČSN 73 1373 [8] s energií rázu 0,735 Nm.

1. Charakteristika zkušebního zařízení

Odrazové tvrdoměry patří mezi nejrozšířenější zkušební zařízení ve stavební praxi. Principiálně je tento typ tvrdoměrů založen na zkoušení povrchové tvrdosti. Pracuje na principu odrazu pružného těles od tvrdého povrchu, výsledkem zkoušky je hodnota odrazu zobrazená na přímkové stupnici tvrdoměru, charakterizující tvrdost zkoušeného materiálu, ze které se zpravidla určuje pevnost v tlaku zkoušeného materiálu. Existuje několik typů a druhů tvrdoměrů pro zkoušení různých pevnostních tříd a druhů betonů [10].

Odrazové tvrdoměry se mohou lišit energií rázu, pro zkoušení betonů se nejčastěji používají tvrdoměry s energií rázu 2,205 Nm, označované také jako typ N. Odrazové tvrdoměry s energií rázu 0,735 Nm, označované také jako typ L, jsou využívány pro zkoušení kamene – viz ASTM D5873-14 [6] nebo při zkoušení betonu subtilních betonových konstrukcí s tloušťkou od 60 mm – viz ČSN 73 1373 [8].

Pro zkoušky byl použit mechanický odrazový tvrdoměr s energií rázu 0,735 Nm (typ L). Výstupem z měření je hodnota odrazu.

Nevýhodou tohoto tvrdoměru je, že při vyhodnocení výsledků zkoušek je nezbytné zohledňovat polohu tvrdoměru při zkoušení (důsledek působení zemské přitažlivosti).

Za základní směr zkoušení je uvažován směr vodorovný.

2. Základní charakteristika vápenopískových cihel a metodika zkoušek

• Zkušební tělesa: vápenopískové cihly o rozměru 290 × 140 × 65 mm; pevnost v tahu za ohybu se pohybovala v rozmezí 0,7–5,0 MPa, pevnost v tlaku v rozmezí 16,5–61,5 MPa, objemová hmotnost 1650–1880 kg/m³.
• Zkušební plocha: Povrch zkušebních ploch nebyl upravován, protože cihly z výroby mají hladký povrch, byly odstraňovány pouze případné nečistoty a cizorodé částice.
• Stav cihel při zkoušení: cihly byly vysušeny do konstantní hmotnosti.

a) Měření odrazovým tvrdoměrem

Zkoušky byly prováděny na celých výrobcích. Cihly se uloží do zkušebního lisu a zatíží se zatížením odpovídajícím 10% pevnosti v tlaku – viz ČSN 73 1373 [8]. Na zkoušených cihlách bylo provedeno celkem 16 měření hodnoty odrazu, které byly rovnoměrně rozloženy po všech obvodových plochách cihly.

Tvrdoměr se přiloží na zkušební plochu tak, aby byl kolmo ke zkoušené ploše a plynule se zvyšuje tlak na razník dokud ocelový beran nevyvodí ráz – v daném případě byl směr zkoušení vodorovný.

Výsledkem měření je soubor hodnot odrazů na zkoušeném výrobku. Ze souboru jednotlivých hodnot parametru nedestruktivního zkoušení R_zi na výrobku se vypočítá průměrná hodnota odrazu na výrobku R_I. Pro soubor hodnot R_zi na výrobku se vypočítají horní a spodní mez, která je ±13 % od střední hodnoty a hodnoty R_i, které leží mimo tento interval, se vyloučí. Ze zbývajících hodnot, se znovu vypočítá střední hodnota. Jestliže po vyloučení odlehlých hodnot R_i zůstane méně než 15 platných hodnot, zkoušený výrobek se vyloučí a nahradí se novým.

b) Kalibrační vztahy pro predikci pevností vápenopískových cihel

Pro zpracování kalibračního vztahu pro predikci pevnosti v tlaku resp. pevnosti v tahu za ohybu z hodnoty odrazu tvrdoměru bylo odzkoušeno 150 vzorků.

Vzorky pro zkoušky byly vysušeny do konstantní hmotnosti. Nejdříve byly provedeny měření odrazovým tvrdoměrem postupem uvedeným v čl. 4.1 a) a následně byla destruktivně stanovena pevnost v tahu za ohybu postupem dle ČSN 73 2605 část B [9]; (vzdálenost podpor byla 240 mm) a pevnost v tlaku postupem dle ČSN EN 772-1+A1 [12].

3. Výsledky zkoušek

Výsledky měření hodnot odrazu a pevnosti v tlaku destruktivně jsou znázorněny v obr. 1 a výsledky měření hodnot odrazu a pevnosti v tahu za ohybu destruktivně jsou znázorněny v obr. 2

Obr. 1 – Závislost mezi hodnotou odrazu a pevností v tlaku

Obr. 2 – Závislost mezi hodnotou odrazu a pevností v tahu za ohybu

4. Kalibrační vztahy pro predikci pevnosti v tlaku resp. tahu za ohybu z hodnoty odrazu

Pro zpracování kalibračního vztahu pro predikci pevností vápenopískových cihel byla pro každé zkušební těleso stanovena hodnota ukazatele nedestruktivního zkoušení R_i a jí příslušející pevnost v tahu za ohybu σ_po,i a pevnost v tlaku σ_pd,i. Bod vztahu je určen dvojicí R_i a σ_po,i resp. R_i a σ_pd,i.

Z těchto dvojic se vypočte vztah metodami regresní analýzy, v daném případě, metodou nejmenších čtverců.

Využitelnost kalibračních vztahů hodnocena na základě hodnoty korelačního koeficientu r, který charakterizuje těsnost korelace mezi pevností a hodnotou odrazu. Pro hodnocení byla využita kritéria uvedená v [14]:

• 0,5 ≤ r < 0,7 – význačná těsnost vztahu
• 0,7 ≤ r < 0,9 – vysoký stupeň těsnosti vztahu
• 0,9 ≤ r          – vysoká vázanost mezi proměnnými

Z hlediska praktického využití jsou vhodné kalibrační vztahy s hodnotou korelačního koeficientu r ≥ 0,85.

Na základě výsledků měření mechanickým odrazovým tvrdoměrem s energií rázu 0,735 Nm (typ L) a zkoušek pevnosti v tlaku a tahu za ohybu byly zpracovány kalibrační vztahy pro predikci pevností (1) a (2):

Pevnost v tahu za ohybu:

Pevnost v tahu za ohybu: kalibrační vztah pro predikci pevnosti v tahu za ohybu vápenopískových cihel z hodnoty odrazu tvrdoměru s energií rázu 0,735 Nm vykazuje vysokou těsnost, ale nesplňuje kritérium z hlediska praktické využitelnosti, protože korelační koeficient r = 0,830, tzn. je menší než požadovaných r ≥ 0,85. Nižší těsnost korelace u vztahu pro určení pevnosti v tahu za ohybu lze vysvětlit její vyšší citlivosti na výrobní vlivy a defekty ve struktuře.

Pevnost v tlaku:

Pevnost v tlaku: kalibrační vztah pro predikci pevnosti v tlaku vápenopískových cihel z hodnoty odrazu tvrdoměru s energií rázu 0,735 Nm se vyznačuje vysokou těsností mezi proměnnými, r = 0,951 a je vhodný pro praktické použití.

Závěr

Byla prokázaná praktická využitelnost mechanického odrazového tvrdoměru energií rázu 0,735 Nm (typ L), který odpovídá specifikaci ČSN EN 12504-2 resp. ČSN 73 1373, pro predikci pevnosti v tlaku plných vápenopískových cihel formátu 290 × 140 × 65 mm z hodnoty odrazu; zpracovaný kalibrační vztah se vyznačuje vysokou těsností mezi proměnnými.

Kalibrační vztah pro predikci pevnosti v tahu za ohybu nevykazuje dostatečnou těsnost mezi proměnným a lze ho využít pouze za předpokladu, že bude stanoven upřesňující součinitel ve smyslu ustanovení ČSN 73 1370 ze zkoušek provedených minimálně na 5 vzorcích.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

1. BUNGEY, J. H. – MILLARD, S. G. Testing of Concrete in Structures. London: Chapman & Hall, 1996.
2. JONES R., Non-Destructive Testing of Concrete. London: Cambridge University Press, 1962.
3. Malhotra, V. N. – Carino, N. J.: Handbook on nondestructive testing of concrete, 2^nd edition, CRC Press, USA, 2004.
4. Pavlík, A. – Doležel, J., Nedstruktivní vyšetřování betonových konstrukcí, 1. vydání, Praha: SNTL – Nakladatelství technické literartury, 1977.
5. ASTM C805/C805-13a Standard Test Method for Rebound Number of Hardened Concrete. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2013.
6. ASTM D5873−14 Standard Test Method for Determination of Rock Hardness by Rebound Hammer Method. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2014.
7. ČSN 73 1370 Nedestruktivní zkoušení betonu. Společná ustanovení. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1983.
8. ČSN 73 1373 Nedestruktivní zkoušení betonu – Tvrdoměrné metody zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
9. ČSN 73 2605 Skúšanie tehliarskych výrobkov. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1979.
10. ČSN EN 12504-2 Zkoušení betonu v konstrukcích – Část 2: Nedestruktivní zkoušení – Stanovení tvrdosti odrazovým tvrdoměrem. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2013.
11. ČSN EN 13791 Posuzování pevnosti betonu v tlaku v konstrukcích a v prefabrikovaných betonových dílcích. Praha: Český normalizační institut, 2007.
12. ČSN EN 772-1+A1 Zkušební metody pro zdicí prvky – Část 1: Stanovení pevnosti v tlaku. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016.
13. ISO 1920-7. Testing of concrete – Part 7: non-destructive tests on hardened concrete. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization; 2004.
14. Janko, J. Statistické tabulky. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd; 1958.