В статье проведена экспериментальная оценка влияния микрорельефа поверхности бетона на достоверность определения прочности методом упругого отскока. На серии образцов-кубов классов В15, В25 и В35 с контролируемым изменением параметра шероховатости Rz установлены количественные зависимости между высотой микронеровностей и снижением показаний склерометра, превышение параметром шероховатости значения 0,6 мм приводит к формированию систематической погрешности, достигающей 20% от истинной прочности.
На основе полученных данных предложены рекомендации по корректировке результатов измерений в зависимости от класса шероховатости поверхности.
Надежная диагностика бетонных конструкций требует прецизионных методов неразрушающего контроля. В настоящее время, широко применяются классические методы, однако их точность часто снижается из-за влияния внешних факторов, природа которых активно изучалась в современных исследованиях [1-3], смещая фокус с констатации проблем на их количественный анализ и разработку алгоритмических решений. Для оперативного контроля на строительных площадках и при обследовании эксплуатируемых зданий широкое распространение получил метод упругого отскока (склерометрия), как наиболее быстрый и простой в реализации [4,5]. Приборы, такие как цифровые склерометры Proceq SilverSchmidt, позволяют в считанные секунды получить значение числа отскока (R), которое затем по градуировочным зависимостям пересчитывается в прочность бетона.
Однако, актуальные публикации позволили выявить, что точность рассматриваемого метода подвержена влиянию ряда дестабилизирующих факторов. Традиционно основное внимание уделялось карбонизации поверхностного слоя и упругости опалубки, а работы последних лет [6, 7] с применением методов 3D-профилометрии убедительно доказали, что микрорельеф поверхности играет не менее, а иногда и более значимую роль. Микровыступы и впадины демпфируют энергию удара, приводя к занижению числа отскока, при этом в большинстве действующих нормативных документов и методик влияние шероховатости либо не учитывается, либо даются лишь качественные рекомендации по выбору «гладких» участков.
Целью данной работы является количественная оценка влияния параметров шероховатости поверхности бетона на результаты определения прочности методом отскока и разработка практических рекомендаций по компенсации выявленной погрешности.
Для достижения поставленной цели была разработана программа экспериментальных исследований, включающая изготовление образцов с заданными свойствами, проведение измерений неразрушающими и разрушающим методами, а также статистическую обработку полученных данных.
В соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012 были изготовлены образцы-кубы с ребром 150 мм. Для исследования были выбраны три класса бетона по прочности на сжатие: В15, В25 и В35. Состав бетонной смеси для каждого класса подбирался с тем, чтобы обеспечить требуемую прочность и удобоукладываемость, всего было изготовлено 45 образцов (по 15 на каждый класс).
Все образцы после распалубки твердели в течение 28 суток в камере нормального твердения (ВК-72-1) при температуре 20±2°С и относительной влажности 95±5%. По истечении срока твердения образцы каждого класса были разделены на 3 группы по 5 образцов для создания различных классов шероховатости на рабочих гранях:
- группа 1 (эталонная) - гладкая поверхность, соответствующая классу опалубки, дополнительной обработке не подвергалась;
- группа 2 (средняя шероховатость) - поверхность обрабатывалась наждачной бумагой с зернистостью Р40 на плоскошлифовальном станке для создания равномерной шероховатости;
- группа 3 (высокая шероховатость) - поверхность обрабатывалась металлической щеткой для имитации грубой фактуры, характерной для старых или поврежденных конструкций.
Параметры шероховатости (средняя высота микронеровностей Rz, мкм) для каждой группы определялись с помощью профилометра MarSurf PS10, для каждой грани выполнялось по 5 измерений. Средние значения Rz для групп составили:
- группа 1 – 15-25 мкм;
- группа 2 – 250-320 мкм;
- группа 3 – 610-780 мкм.
На каждом образце измерения выполнялись в следующей последовательности:
1. Метод отскока - измерения проводились цифровым склерометром Proceq SilverSchmidt (тип N, энергия удара 2,207 Н·м), прошедшим государственную поверку, на каждой из четырех боковых граней (противоположных граням, контактировавшим с прессом) выполнялось по десять ударов в соответствии с требованиями ГОСТ 22690-2015, фиксировались значения числа отскока R. Расчёт прочности по методу отскока производился по встроенной в прибор градуировочной зависимости «число отскока - прочность».
2. Разрушающий контроль - после завершения неразрушающих измерений образцы испытывались на сжатие до разрушения на гидравлическом прессе ПГМ-500МГ-4 (класс точности 1,0). Фиксировалось разрушающее усилие и вычислялось истинное значение предела прочности на сжатие.
В ходе эксперимента были получены массивы данных по трем группам образцов для каждого класса бетона, обработка результатов измерений проводилась в соответствии с ГОСТ Р 8.736-2011. Для каждой группы образцов были рассчитаны:
- среднее арифметическое значение прочности по методу отскока;
- среднее арифметическое значение истинной прочности;
- абсолютная и относительная систематическая погрешность метода отскока по отношению к истинной прочности, за систематическую погрешность принималось среднее арифметическое отклонение результатов неразрушающего контроля от истинных значений;
- среднее квадратическое отклонение (S) и коэффициент вариации (V) для обоих методов.
Основные результаты, агрегированные по группам шероховатости (независимо от класса бетона для оценки влияния именно поверхности), представлены в таблице 1.
Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:
1. Подтверждена гипотеза о значимом влиянии микрорельефа, а именно о том, что увеличение параметра шероховатости Rz ведет к монотонному росту систематического занижения результатов.
2. Для образцов с гладкой поверхностью (имитация качественной опалубочной) систематическая погрешность метода находится в пределах ±2,1%, что является приемлемым для данного вида контроля.
3. Для образцов со средней шероховатостью занижение результатов составляет в среднем 11,5%, это говорит о том, что при реальном обследовании конструкций с необработанной поверхностью стандартные градуировочные кривые будут систематически занижать прочность.
4. Наибольшая погрешность (более 20%) зафиксирована для образцов с высокой шероховатостью, в данной группе также наблюдается существенное увеличение коэффициента вариации (до 12,1%), что указывает на появление значительной случайной составляющей погрешности из-за нестабильности условий контакта бойка с поверхностью.
Для установления количественной связи между параметром шероховатости Rz и величиной систематической погрешности δ полученные экспериментальные данные были подвергнуты регрессионному анализу, выбор вида аппроксимирующей функции осуществлялся на основе оценки поля корреляции и минимизации остаточной суммы квадратов отклонений (метод наименьших квадратов). Наилучшее соответствие экспериментальным точкам (таблица 1) показала логарифмическая модель вида:
δ = a·ln(Rz) + b (1)
Расчет коэффициентов a и b, выполненный с использованием MS Excel, позволил получить следующее уравнение регрессии:
δ = -5,8·ln(Rz) + 16,2 (2)
Высокое значение коэффициента детерминации (R² = 0,99) подтверждает адекватность предложенной модели и свидетельствует о том, что более 99% вариации погрешности определения прочности обусловлено именно изменением шероховатости поверхности. Полученная зависимость может быть использована для практической корректировки результатов неразрушающего контроля.
Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами исследований, опубликованных в работах [8, 9], где авторы также указывают на критическую роль состояния поверхности, однако в отличие от качественных выводов предшественников, в данной работе предложена количественная мера рассматриваемого влияния.
Практическая значимость работы заключается в возможности уточнения результатов полевых обследований, на основании проведенного исследования можно предложить следующий алгоритм действий инженера при использовании метода:
1, Визуальная и инструментальная оценка поверхности - перед началом измерений необходимо оценить микрорельеф, при отсутствии профилометра допустимо использование эталонов шероховатости (сравнения с образцами, имеющими известный параметр Rz) или отнесение поверхности к одному из трех классов: гладкая (опалубочная), среднешероховатая, грубая.
2. Выбор способа интерпретации данных:
- для гладких поверхностей (Rz <50 мкм) возможно использование стандартных градуировочных зависимостей, заложенных в прибор;
- для поверхностей со средней и высокой шероховатостью (Rz>50 мкм) рекомендуется либо использовать предварительно построенные для данного типа поверхности градуировочные зависимости (по образцам-спутникам).
3. Статистическая обработка - учитывая рост коэффициента вариации на шероховатых поверхностях, для получения достоверного результата количество измерений на таких участках должно быть увеличено по сравнению с требованиями для гладких поверхностей.
Дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку мобильных приложений для автоматической классификации поверхности по фотоизображениям и расчета поправочных коэффициентов в режиме реального времени.
Проведенное исследование, позволило сформулировать следующие выводы о методах неразрушающего контроля прочности бетона. Погрешности классических методов имеют систематическую природу и поддаются количественной оценке. Подтверждено, что для метода отскока ключевым дестабилизирующим фактором является микрошероховатость поверхности (Rz), вызывающая занижение показаний на 15-22%.
На основе испытаний образцов-кубов бетона классов В15, В25 и В35 с контролируемым параметром шероховатости Rz получена эмпирическая зависимость относительной погрешности измерений от высоты микронеровностей, которая подтверждает нелинейный характер влияния микрорельефа на показания склерометра.
Выявлено, что для образцов с гладкой поверхностью (Rz<50 мкм) систематическая погрешность метода не превышает ±2,5%, что находится в пределах допустимых значений для данного вида контроля, при увеличении шероховатости до средних значений (Rz = 250–320 мкм) погрешность возрастает до 11–12%, а для грубых поверхностей (Rz > 600 мкм) достигает 20–22%.
Установлено, что с ростом шероховатости увеличивается не только систематическая, но и случайная составляющая погрешности, коэффициент вариации результатов измерений на образцах с высокой шероховатостью (Rz>600 мкм) достигает 12%, что в 2,5 раза превышает аналогичный показатель для гладких поверхностей, свидетельствуя о необходимости увеличения количества единичных измерений на шероховатых участках.
На основе полученных результатов разработаны практические рекомендации по корректировке данных неразрушающего контроля, включающие классификацию поверхностей по степени шероховатости и применение поправочных коэффициентов, доказано, что предложенный подход позволяет существенно повысить достоверность оценки прочности бетона методом отскока при обследовании реальных конструкций, имеющих необработанные или поврежденные поверхности.
Список использованных источников
1. Сагайдак А.И., Бардаков В.В., Боровкова Е.С. Разработка методики контроля и прогноза прочности бетона в раннем возрасте методом акустической эмиссии. Бетон и железобетон. 2023;615(1):33-42.
2. Толыпина Наталья Максимовна, Данилов Дмитрий Юрьевич УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА ДЕСТРУКЦИИ БЕТОНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АГРЕССИВНЫХ СРЕД // Вестник СибАДИ. 2024. №4 (98).
3. Д. С. Дехтерев Оценка применяемых методов контроля прочности бетона при обследовании технического состояния монолитных зданий // ИВД. 2025. №6 (126).
4. ГОСТ 22690-2015. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. – М.: Стандартинформ, 2016. – 16 с.
5. Неразрушающий контроль: справочник: в 7 т. Т. 3: Ультразвуковой контроль / И. Н. Ермолов [и др.]; под общ. ред. В. В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2024. – 864 с.
6. Черепанова Дария Алексеевна Наследственность показателей качества бетона как фактор эффективного контроля // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2025. №4.
7. Коротких Д.Н., Капустин Д.Е. Прогнозирование прочности и контроль качества укладки монолитного бетона в конструкциях с несъемной опалубкой // Железобетонные конструкции. 2024. No8(4). С.55-69.
8. Черепанова Д.А., Леикин А.П. Повышение достоверности результатов контроля прочности бетона при сжатии // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2025. – №3. – С. 45-52.
9. Дехтерев Д.С. Оценка применяемых методов контроля прочности бетона при обследовании технического состояния монолитных зданий // ИВД. – 2025. – №6 (126).
10. Комов В. М. Статистический контроль качества бетонов для предотвращения «локальных выбросов» прочности в объеме материала / В. М. Комов, Ю. А. Беленцов, Д. А. Черепанова // Актуальные проблемы естественных и технических наук: сборник статей межвузовской научно-практической конференции. — СПб., 2023. — С. 234-244.
11. Беленцов Ю. А. Влияние методики контроля качества бетона по физико-механическим показателям на надежность строительных конструкций / Ю. А. Беленцов// Бетон и железобетон. — 2023. — № 619(5/6). — С. 25-31.
12. Казанская Л. Ф. Взаимосвязь факторов, определяющих долговечность бетонов / Л. Ф. Казанская, В. А. Майер, Э. С. Сибгатуллин // Известия Петербургского университета путей сообщения. — 2024. — Т. 21. — № 4. — С. 931-943.
13. Грачев, И. А. Проблемы и перспективы применения материалов с функцией фазового перехода в бетонах / И. А. Грачев, Э. Р. Рахматуллина, А. В. Маркин // Дни студенческой науки: Сборник докладов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института промышленного и гражданского строительства, Москва, 26 февраля – 01 марта 2024 года. – Москва: Московский государственный строительный университет (национальный исследовательский университет), 2024. – С. 440-442. – EDN UTWLTH
14. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. – М.: Стандартинформ, 2013. – 32 с.
15. ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. – М.: Стандартинформ, 2013. – 20 с.
Статью подготовил:
Эксперт по инспекционному контролю в строительстве
Отдела обследования грунтов и конструктивных слоев дорожных одежд
ГБУ «ЦЭИИС» И.Д. Коваль