Nedestruktivní stanovení pevností vápenopískových cihel mechanickým odrazovým tvrdoměrem
Odrazové tvrdoměry odpovídající specifikaci ČSN EN 12504-2 resp. ČSN 73 1373 jsou využívány především pro stanovení pevnosti v tlaku betonu v konstrukci. V článku jsou presentovány poznatky o využití mechanického odrazového tvrdoměru s energií rázu 0,735 N.m (typ L) pro stanovení pevnosti v tlaku a tahu za ohybu vápenopískových cihel formátu 290 × 140 × 65 mm. Jsou uvedeny kalibrační vztahy pro predikci pevnosti v tlaku a tahu za ohybu z hodnoty odrazu tvrdoměru. Prakticky je využitelný kalibrační vztah pro predikci pevnosti v tlaku, 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.
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 Rzi na výrobku se vypočítá průměrná hodnota odrazu na výrobku RI. Pro soubor hodnot Rzi na výrobku se vypočítají horní a spodní mez, která je ±13 % od střední hodnoty a hodnoty Ri, které leží mimo tento interval, se vyloučí. Ze zbývajících hodnot, se znovu vypočítá střední hodnota. Jestliže po vyloučení odlehlých hodnot Ri 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 Ri a jí příslušející pevnost v tahu za ohybu σpo,i a pevnost v tlaku σpd,i. Bod vztahu je určen dvojicí Ri a σpo,i resp. Ri a σpd,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:
R ∈ {22; 47} fpo,e ∈ {0,7; 4,4 MPa} r = 0,830 (1)
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:
R ∈ {22; 47} fpd,e ∈ {17; 60 MPa} r = 0,951 (2)
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
- BUNGEY, J. H. – MILLARD, S. G. Testing of Concrete in Structures. London: Chapman & Hall, 1996.
- JONES R., Non-Destructive Testing of Concrete. London: Cambridge University Press, 1962.
- Malhotra, V. N. – Carino, N. J.: Handbook on nondestructive testing of concrete, 2nd edition, CRC Press, USA, 2004.
- Pavlík, A. – Doležel, J., Nedstruktivní vyšetřování betonových konstrukcí, 1. vydání, Praha: SNTL – Nakladatelství technické literartury, 1977.
- ASTM C805/C805-13a Standard Test Method for Rebound Number of Hardened Concrete. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2013.
- ASTM D5873−14 Standard Test Method for Determination of Rock Hardness by Rebound Hammer Method. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2014.
- ČSN 73 1370 Nedestruktivní zkoušení betonu. Společná ustanovení. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1983.
- ČSN 73 1373 Nedestruktivní zkoušení betonu – Tvrdoměrné metody zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
- ČSN 73 2605 Skúšanie tehliarskych výrobkov. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1979.
- 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.
- ČSN EN 13791 Posuzování pevnosti betonu v tlaku v konstrukcích a v prefabrikovaných betonových dílcích. Praha: Český normalizační institut, 2007.
- 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.
- ISO 1920-7. Testing of concrete – Part 7: non-destructive tests on hardened concrete. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization; 2004.
- Janko, J. Statistické tabulky. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd; 1958.
Příspěvek se zaměřuje na odrazové – celosvětově nejpoužívanější nedestruktivní metody, používané pro stanovení zejména kvality betonu. Přestože existuje několik výrobců odrazových pružinových tvrdoměrů, je základním celosvětově akceptovaným typem tzv. Schmidtův tvrdoměr, který vychází z patentové přihlášky Švýcara Schmidta z roku 1949. V konkurenci s různými tvrdoměrnými metodami v 50. letech minulého století (u nás např. tzv. Waitzmanovo kladívko) vyšel Schmidtův tvrdoměr jednoznačně jako vítěz s ohledem na kompaktnost zařízení a zejména dlouhodobě vytvářené a budované obecné kalibrační vztahy. Ty byly však v širší míře použitelné až cca po 10 letech od vzniku patentu a teprve v roce 1964 vydává německý Výbor pro železobeton publikaci autorů Gaedeho a Schmidta, která otevřela cestu Schmidtovu tvrdoměru jako uznávanému nástroji pro kvalifikovaný odhad pevnosti betonu zejména v tlaku. S ohledem na různou masivnost zkoušení železobetonových prvků vznikly postupně tři modifikace s různou energií úderů (M, N a L).
Po roce 2000 byl Schmidtův tvrdoměr postupně doplněn i elektronickým hardwarem, umožňujícím bezproblémový záznam výsledků, jejich statistické vyhodnocení a rychlou interpretaci pomocí zabudovaných kalibračních vztahů. Právě tyto kalibrační vztahy jsou však zásadním parametrem, který ovlivňuje objektivitu výstupu Schmidtova tvrdoměru. Jejich charakterizace je proto nezbytná, aby bylo možné získat správnou představu o „přesnosti“ metody, která pochopitelně nemůže být absolutní s ohledem na proměnlivou skladbu/strukturu různých betonů. Zejména starší kalibrační vztahy, a to i kalibrační vztah, uvedený ve starší i dnes platné ČSN 73 1373 (2011), jsou poplatné technologickým zásadám skladby betonu z 60. a 70. let minulého století a neodrážejí zcela dnešní skladby betonových směsí s vysokým přebytkem jemných podílů, a tedy s vysokým obsahem maltového tmele. To vše může výrazně měnit parametry odskoku Schmidtova tvrdoměru, a tedy i výsledné pevnosti, převedené podle staršího kalibračního vztahu. Jako nejobjektivnější a nejnázornější vyjádření této nikoliv fyzikální, ale statistické závislostí mezi pevnosti betonu a odskokem Schmidtova tvrdoměru, jsou tzv. toleranční meze. Ty jsou ekvidistantní vůči odvozené regresní křivce (kalibračnímu vztahu) a vyjadřují míru pravděpodobnosti, s jakou se v uvedeném rozmezí nachází zvolené procento výsledků. Ve stavebnictví, ve kterém se velmi často pracuje s tzv. pětiprocentním kvantilem, se za korektní považují meze, definované tak, že uvnitř jimi vymezené plochy se nachází z devadesátipěti procentní pravděpodobností 95 % výsledků.
Příspěvek doc. Ing. Jiřího Brožovského, CSc. je proto mimořádně cenným příspěvkem, a to zejména s ohledem na vytvoření konkrétního kalibračního vztahu pro vápenopískové cihly, které našly v minulosti i v současnosti v tuzemsku široké využití. Obecně stanovení výpočtové pevnosti zdiva je značným problémem, protože standardní destruktivní zkoušky, používané pro hodnocení betonu, jsou u zděných konstrukčních prvků jen omezeně použitelné. Standardním postupem je proto buď destruktivní či vhodněji nedestruktivní stanovení pevnosti zdicích prvků (cihel) a zdicí malty. Z obou těchto parametrů lze pak odvodit s přijatelnou přesností výpočtovou pevnost zdiva, použitelnou ve statickém výpočtu. Vzhledem k stále častěji navrhovaným rekonstrukcím nejrůznějších objektů je tak vytvoření obecně použitelného kalibračního vztahu pro vápenopískové cihly cenným přínosem, a to s ohledem na tuzemskou specifičnost tohoto staviva. Proto také nejsou při hodnocení vápenopískových cihel použitelné prakticky žádné dostupné výsledky zahraniční.
Práci považuji proto za velmi cennou, zajímavou a pro odbornou i laickou veřejnost přínosnou. Zjištěný koeficient korelace pevnosti s v tlaku na úrovni r = 0,951 lze charakterizovat pro nedestruktivní nepřímou metodu jaké výborný a prakticky dostatečně spolehlivě použitelný.
Rebound hammers complying with the specifications of ČSN EN 12504-2 resp. ČSN 73 1373 is used primarily for the determination of compressive strength of concrete in the structure. The paper presents the knowledge of the use of mechanical rebound hammer with impact energy of 0.735 N.m (type L) for the determination of compressive strength and tensile bending of calcium silicate bricks 290 × 140 × 65 mm. Calibration relationships for compression and tensile strength bending from the rebound number are presented. In practice, the calibration relationship for compressive strength prediction is applicable, the relationship for tensile bending strength does not show sufficient tightness between the variables and can only be used provided that a refinement coefficient is defined in the sense of ČSN 73 1370.
