Nová srovnávací měření při kontrole homogenity drátkobetonu

1. Úvod

Betony, které obsahují rozptýlenou ocelovou výztuž (drátky) jsou známé pod názvem drátkobetony. V posledních letech se díky dobrým fyzikálně mechanických vlastnostem drátkobetonu velmi často vyskytuje snaha projektantů využít tohoto materiálu také pro nosné konstrukce. Ukazuje se, že aplikace drátkobetonu na takovéto konstrukce je cestou, která vede k ekonomickým efektům.

Podmínkou efektivního využití drátkobetonu v konstrukcích je však zajištění homogenního rozložení drátků v celém objemu konstrukce.

Samotné drátky jsou tvarově nepříznivou složkou směsi a velmi zhoršují zpracovatelnost drátkobetonové směsi. Současná kontrola homogenity probíhá dosud na čerstvé směsi, ale pokud drátkobeton ztvrdne a je součástí konstrukce, nejsou v současnosti vyvinuty žádné známé spolehlivé metody, jak homogenitu drátkobetonu na konstrukci (např. drátkobetonové podlahové desky, nosníky) ověřit, aniž by došlo k jejímu znehodnocení.

Příspěvek se zabývá rozvojem semidestruktivní metody ověřování homogenity ztvrdlého drátkobetonu za pomoci permanentních magnetů a popisuje prvá srovnávací měření na testovacích vzorcích s „neznámou“ koncentrací drátkobetonu.

2. Teoretický základ užité metody

2.1. Magnetická metoda kontroly homogenity drátkobetonu

Obrázek 1.: Zobrazení magnetického pole v okolí sondy pomocí ocelových pilin

Při návrhu zkušební metody se vycházelo z požadavku praxe, aby koncentrace drátků byla sledována i uvnitř drátkobetonové konstrukce. Teno požadavek je možno splnit, pokud do konstrukce bude zhotoven vývrt, v jehož okolí bude měřena koncentrace drátků. Vycházelo se přitom z předpokladu, že drátky v drátkobetonu jsou tvořeny běžnou ocelí, která má vysokou permeabilitu µ»1 na rozdíl od betonu, který má velmi nízkou permeabilitu µ~1. Dá se tedy předpokládat, že drátky rozptýlené v betonu zvýší jeho permeabilitu, která by měla být v korelaci s jejich koncentrací. Pro vytvoření magnetického pole byly vybrány permanentní magnety. V první fázi bylo pokusně sledováno chování magnetického pole v okolí permanentních magnetů, k čemuž byly využity ocelové piliny vysypané do okolí permanentních magnetů (obr. 1).

Obrázek 2.: Gauss-teslameter Bell 5180 s radiální Hallovou sondou

Obrázek 3.: Porušení magnetických siločar v drátkobetonu vlivem drátků

Na základě tvaru magnetického pole bylo navrženo schéma hloubkové magnetické sondy, kde změna magnetického pole by byla měřena sondou. Pro měření intenzity magnetického pole byl použit Gauss-teslameter Bell 5180, osazený radiální Hallovou sondou (obr. 2). Na základě měření bylo navrženo schéma hloubkové magnetické sondy, které sestávalo z permanentních magnetů válcovitého tvaru, a změna magnetického pole byla měřena Hallovou sondou v ose válcovité měřící sondy. Optimální vzdálenost sondy od povrchu permanentních magnetů x byla stanovena na základě řady měření na kalibračních vzorcích (obr. 3).

2.2. Matematický model šíření magnetického pole betonem

Pro zjištění přibližného prostupu magnetického pole (permeability permanentních magnetů) v drátkobetonu byl vytvořen matematický model a spočten v programu MATLAB (autor prof. Ing. Jiří Vala, CSc.). Výsledky byly ověřeny experimentálně v rámci řešení projektu.

Z výsledků je patrné (obr. 4 a 5.), že intenzita magnetické pole je největší na povrchu permanentních magnetů a do 20 mm od středu magnetu, dále pak výrazně ubývá. Pozdějším výzkumem a měřením na vzorcích bylo ověřeno, že největší odezva je do 10 mm od povrchu sondy a nad 20 mm od povrchu sondy je ovlivnění strukturou drátkobetonu již velmi nízké.

Průběh magnetického pole v okolí permanentních magnetů

Obrázek 4.: Lineární stupnice

Obrázek 5.: Logaritmická stupnice

3. Postup při měření vyvíjenou sondou PeMaSo-01

Obrázek 6.: Skladba vývojové magnetické sondy

Na základě prvních pokusných měření, která prokázala, že uvažované předpoklady tvaru magnetického pole jsou správné, byla sestrojena pokusná sonda (Permanentní-Magnety-Sonda nazvaná PeMaSo-01), která byla tvořena hliníkovou trubkou vnějšího průměru 24 mm, do které mohly být umisťovány válečkové permanentní magnety Ø 22 mm (obr. 6).

Vzdálenost Hallovy sondy od povrchu magnetů byla nastavitelná. Řada měření prokázala, že optimální množství permanentních magnetů jsou 4 magnety za sebou. Při měření Hallovou sondou se prokázalo, že se vzrůstající vzdáleností Hallovy sondy od povrchu magnetů sice roste citlivost přístroje, klesá však intenzita magnetického pole měřená Gauss-teslametrem. Jako nejvýhodnější se jevila vzdálenost mezi 50 mm a 60 mm Hallovy sondy od povrchu magnetů.

Kontrolní měření, provedená na 4 sadách kalibračních vzorků – krychlích s vyvrtaným otvorem ø 25 mm, ukázala velmi dobrou korelaci (obr. 7) mezi úbytkem intenzity magnetického pole a rostoucí koncentrací drátků ve vzorcích [2]. Konfigurace umístění magnetické sondy v kalibračním vzorku je na obr. 8.

Obrázek 7.: Korelace mezi úbytkem intenzity magnetického pole a rostoucí koncentrací drátků ve vzorcích

Obrázek 8.: Jeden z dvanácti vzorků opatřeného vývrtem se zasunutou sondou

4. Ověření magnetické metody na testovacích vzorcích

Obrázek 9.: Měřená oblast v krychli 150 × 150 × 150 mm

Pro ověření správnosti magnetické metody byly zhotoveny na Fakultě stavební ČVUT v Praze „testovací vzorky“, u kterých byla zaznamenána koncentrace drátků při výrobě, ale tato hodnota pro jednotlivé vzorky nebyla sdělena před měřením pracovníkům FAST VUT v Brně. Celkem bylo dodáno 12 krychlí drátkobetonu rozměrů 150 × 150 × 150 mm. Pro zvýšení přesnosti měření a počtu hodnocení byly do každého vzorku vyvrtány vždy 2 otvory Ø 25 mm, vzdálené od sebe 40 mm, což zaručovalo, že tyto paralelní otvory se nebudou ovlivňovat při měření.

Měření probíhala sondou PeMaSo-1 tak, že byla vyhodnocena 4 měření uprostřed sondy po krocích 10 mm. Další měření již by byla částečně ovlivněna „okrajovým efektem“ (obr. 9).

Měřená oblast Y nabývá hodnot 8 až 12 cm od horního líce testovacího vzorku (obr. 9).

5. Výsledky srovnávacích měření

Naměřené výsledky z „testovacích vzorků“ byly vyhodnoceny z kalibračních vztahů, získaných na „kalibračních vzorcích“ (obr. 8). Po „odtajnění“ hodnot koncentrace drátků v drátkobetonu byly výsledky vyneseny do dvou grafů – obr. 10 a obr. 11. Graf obr. 10 je vynesen pro drátky Dramix o koncentraci 0,32 % (25 kg/m³), dále 0,51 % (40 kg/m³) a 0,89 % (70 kg/m³) a pro stejné koncentrace je vynesen i graf obr. 11, kde ovšem výztuž tvoří drátky Tri-treg.

Z grafů je zřejmé, že pro nízké koncentrace drátkobetonu výsledky měření velmi dobře odpovídají koncentraci drátků v testovacích vzorcích. U vyšších koncentrací drátkobetonu roste i rozptyl měření, přičemž naměřené hodnoty zůstávají „pod hodnotami“, které jsou uváděny na „testovacích vzorcích“. Je to pravděpodobně způsobeno tím, že se zvyšující se koncentrací drátků roste i pravděpodobnost většího rozptylu. Liší se tedy (pravděpodobně) koncentrace drátků u kalibračních vzorků a testovacích vzorků při vyšší koncentraci drátků ve vzorcích.

Obrázek 10.: Graf výsledků měření vzorků z drátků TRI-TREG

Obrázek 11.: Graf výsledků měření vzorků z drátků DRAMIX

6. Závěr

Využití magnetických vlastností drátků, obsažených v drátkobetonu se ukazuje jako perspektivní metoda. Potvrdilo se však zjištění, že i při stejné koncentraci drátků v kalibračních vzorcích může být bezprostřední odezva jednotlivých metod ovlivněna orientací drátků v místě měření. Je zřejmé, že tyto metody budou vyžadovat k dosažení hodnověrných výsledků více dílčích měření, která budou statisticky zpracována.

Dalším úkolem bude určení přesné oblasti, ze které jsou získávána naměřená data. Znalost přesné oblasti pro jakou jsou získaná data platná, tzn. určení dosahu magnetického pole, je důležitým prvkem ověřování homogenity drátkobetonu, aby byla možná kontrola koncentrace drátků na rozsáhlých konstrukcích, zhotovených z drátkobetonu.

Poděkování

Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu GAČR 103/09/H085 a FAST/ÚSI-S-12-1.

Literatura

• [1] HOBST, L.; ANTON, O.; ŠČUČKA, J.; VODIČKA, J. Ověřování homogenity drátkobetonu. In Sborník recenzovaných příspěvků konference Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2010. Brno, VUT v Brně, FAST. 2010. s. 43–50. ISBN: 978-80-214-4144-
• [2] HOBST, L.; ANTON, O.; VODIČKA, J.; ŠČUČKA, J. Radiografická metoda stanovení homogenity drátkobetonu v konstrukcích. In Zborník príspevkou zo 17. konferencie s medzinárodnou účasťou Construmat 2011. 2011. Košická Belá: Technická univerzita v Košiciach, 2011. s. 215–220. ISBN: 978-80-553-0685- 8.
• [3] HOBST, L.; ANTON, O.; Bílek, P.; VODIČKA, J. Prvé zkušenosti s ověřováním homogenity ztvrdlého drátkobetonu vyvíjenou magnetickou metodou. In Sanácia betónových konštrukcií. Bratislava: Vydavatel'stvo JAGA, 2011. s. 49–54. ISBN: 978-80-8076-095- 3.
• [4] HOBST, L.; ANTON, O.; VALA, J.; HORÁK, M. A Magnetic Method for Testing of Homogeneity of Fibre Concrete. In 9^th International Conference NDT 2011 Nedestruktivní testování v technických oborech. Brno: 2011. s. 19–29. ISBN: 978-80-7204-774- 1.
• [5] BÍLEK, P. První měření a poznatky s ověřováním homogenity drátkobetonu v konstrukci vyvíjenou magnetickou metodou. In Juniorstav 2012 – Sborník anotací. Brno: omegadesign, 2012. s. 235–235. ISBN: 978-80-214-4393- 8.
• [6] BÍLEK, P.; HOBST, L. Ověřování homogenity drátkobetonu na kalibračních vzorcích vyvíjenou magnetickou metodou. Sanace betonových konstrukcí, 2012, roč. 2012, č. 1, s. 278–284. ISSN: 1211- 3700.