Overovanie homogenity drôtkobetónu na kalibračných vzorkách vyvíjanou magnetickou metódou

Silné magnety majú široké využitie. Dajú sa napríklad využiť na overovanie homogenity stvrdnutého drôtkobetónu – metódy, ktorú na Ústave stavebného skúšobníctva VUT v Brne vyvíjali vtedajší doktorand Ing. et Ing. Petr Bílek a profesor Ing. Leonard Hobst, CSc. Príspevok publikujeme v pôvodnom znení.

1. Úvod

Betóny vystužené rozptýlenou oceľovou výstužou (drôtikmi) sú známe pod názvom drôtkobetóny. V posledných rokoch sa vďaka dobrým fyzikálno-mechanickým vlastnostiam drôtkobetónu veľmi často objavuje snaha projektantov využiť tento materiál aj pre nosné konštrukcie. Ukazuje sa, že aplikácia drôtkobetónu na takéto konštrukcie je cestou, ktorá vedie k ekonomickým efektom.

Podmienkou efektívneho využitia drôtkobetónu v konštrukciách je však zabezpečenie homogénneho rozloženia drôtikov v celom objeme konštrukcie.

Samotné drôtiky sú tvarovo nepriaznivou zložkou zmesi a výrazne zhoršujú spracovateľnosť drôtkobetónovej zmesi. Súčasná kontrola homogenity prebieha zatiaľ na čerstvej zmesi, ale ak drôtkobetón stvrdne a stane sa súčasťou konštrukcie, nie sú v súčasnosti vyvinuté žiadne známe spoľahlivé metódy, ako homogenitu drôtkobetónu na konštrukcii (napr. drôtkobetónovej podlahovej doske, nosníku) overiť bez toho, aby došlo k jej znehodnoteniu.

Príspevok sa zaoberá rozvojom semidestruktívnej metódy overovania homogenity stvrdnutého drôtkobetónu pomocou permanentných magnetov. Táto nová metóda je vyvíjaná na Ústave stavebného skúšobníctva VUT v Brne.

2. Teoretický základ použitej metódy

2.1 Magnetická metóda kontroly homogenity drôtkobetónu

Pri návrhu skúšobnej metódy sa vychádzalo z požiadavky praxe, aby sa koncentrácia drôtikov sledovala aj vo vnútri drôtkobetónovej konštrukcie. Túto požiadavku je možné splniť, ak sa v konštrukcii zhotoví vývrt, v okolí ktorého bude meraná koncentrácia drôtikov. Vychádzalo sa pritom z predpokladu, že drôtiky v drôtkobetóne sú tvorené bežnou oceľou, ktorá má vysokú permeabilitu µ » 1, na rozdiel od betónu, ktorý má veľmi nízku permeabilitu µ ~ 1. Dá sa teda predpokladať, že drôtiky rozptýlené v betóne zvýšia jeho permeabilitu, ktorá by mala byť v korelácii s ich koncentráciou.

Na vytvorenie magnetického poľa boli vybrané permanentné magnety. V prvej fáze bolo experimentálne sledované správanie magnetického poľa v okolí permanentných magnetov, pričom boli využité oceľové piliny vysypané do okolia permanentných magnetov (obr. 1).

Na základe tvaru magnetického poľa bola navrhnutá schéma hĺbkovej magnetickej sondy, pri ktorej by sa zmena magnetického poľa merala sondou. Na meranie intenzity magnetického poľa bol použitý teslameter Bell 5180 vybavený radiálnou Hallovou sondou (obr. 2). Na základe meraní bola navrhnutá schéma hĺbkovej magnetickej sondy, ktorá pozostávala z permanentných magnetov valcového tvaru, pričom zmena magnetického poľa bola meraná Hallovou sondou v osi valcovej meracej sondy v určitej vzdialenosti od povrchu permanentných magnetov (obr. 3).

2.2 Matematický model šírenia magnetického poľa betónom

Na zistenie približného prestupu magnetického poľa (permeability permanentných magnetov) v drôtkobetóne bol vytvorený matematický model a vypočítaný v programe MATLAB (autor prof. Ing. Jiří Vala, CSc.). Výsledky boli experimentálne overené v rámci riešenia projektu.

Z výsledkov je zrejmé (obr. 4 a 5), že intenzita magnetického poľa je najsilnejšia na povrchu permanentných magnetov a do vzdialenosti 20 mm od stredu magnetu, ďalej potom výrazne klesá. Neskorším výskumom a meraniami na vzorkách bude overované, do akej vzdialenosti od stredu magnetu intenzita magnetického poľa ovplyvňuje meranie.

3. Postup vykonaných meraní vývojovou sondou PeMaSo-01

Na základe prvých experimentálnych meraní, ktoré preukázali, že uvažované predpoklady sú správne, bola skonštruovaná skúšobná sonda (Permanentné-Magnety-Sonda s názvom PeMaSo-01), ktorá pozostávala z hliníkovej rúrky s vonkajším priemerom 24 mm, do ktorej bolo možné umiestňovať valcové permanentné magnety s priemerom Ø 22 mm (obr. 6).

Vzdialenosť Hallovej sondy od povrchu magnetov bola nastaviteľná. Séria meraní preukázala, že optimálnym počtom permanentných magnetov sú 4 magnety umiestnené za sebou. Pri meraní Hallovou sondou sa preukázalo, že so zvyšujúcou sa vzdialenosťou Hallovej sondy od povrchu magnetov síce rastie citlivosť prístroja, avšak klesá intenzita magnetického poľa meraná teslametrom. Ako najvýhodnejšia sa javila vzdialenosť Hallovej sondy od povrchu magnetov v rozmedzí 50 mm až 60 mm.

Kontrolné merania vykonané na 4 vzorkách – kockách s vyvŕtaným otvorom – preukázali veľmi dobrú koreláciu (obr. 7) medzi poklesom intenzity magnetického poľa a rastúcou koncentráciou drôtikov vo vzorkách. [2]

4. Postup vykonaných meraní prototypom sondy PeMaSo-02

Po prvých skúsenostiach z meraní bolo potrebné vývojovú sondu upraviť tak, aby bolo možné zasúvať sondu do hlbších vývrtov, prípadne sondu posúvať vo vývrte (obr. 9 a obr. 10). Cieľom meraní je získať rozsiahlejšie súbory výsledkov na nových vzorkách s dlhším vývrtom.

Dôležité bolo tiež vytvoriť súbor vzoriek so zaručenou koncentráciou drôtikov, na ktorých by sa dala magnetická metóda kalibrovať. Vzorky použité v predchádzajúcich meraniach bolo možné využiť iba na tieto prvé merania, pretože pri výrobe kociek dochádza k „stenovým efektom“, ktoré menia koncentráciu drôtikov v blízkosti stien. Z tohto hľadiska bolo preto vhodné zhotoviť väčšie kalibračné vzorky, ktoré je následne možné rezaním upraviť do tvaru vhodného na kalibráciu.

Vývojová sonda PeMaSo-01 slúžila na overenie funkčnosti a overenie voľby parametrov. Nebolo ňou možné merať v hĺbke drôtkobetónovej konštrukcie. Na tento účel bola zhotovená sonda PeMaSo-02, pri ktorej sú napevno nastavené parametre stanovené ako optimálne pre meranie (obr. 10).

Pre ďalšie skúšky boli zhotovené drôtkobetónové vzorky s dĺžkou 300 mm z troch typov drôtikov (FIBREX, TRI-TREG a DRAMIX) a s tromi rôznymi objemovými koncentráciami drôtikov (0,5 %, 1,0 % a 1,5 %), pri ktorých možno predpokladať zníženie okrajových efektov spôsobených jednosmernou orientáciou drôtikov pri hutnení kalibračnej vzorky (celkovo bolo zhotovených 9 vzoriek).

5. Výsledky

Pri meraní sondou PeMaSo-02 vo všetkých deviatich kalibračných vzorkách s dĺžkou 300 mm bolo zistené určité kolísanie hodnôt pri krokovom meraní po 10 mm. Toto kolísanie svedčí o tom, že aj pri zachovaní konštantnej koncentrácie drôtikov v kalibračnej vzorke môže byť meranie ovplyvnené prevládajúcim smerom rozptýlených drôtikov.

Výsledné hodnoty merania preto musia byť stanovené ako aritmetický priemer série čiastkových meraní. V ilustračnom grafe na obr. 11 je znázornená hodnota merania pre tri koncentrácie drôtikov FIBREX v troch vzorkách. V tab. 1 je potom uvedená aj spriemerovaná hodnota merania na vzorkách s drôtikmi DRAMIX a TRI-TREG (výsledky z 9 vzoriek).

Tab. 1: Priemerné namerané hodnoty intenzity magnetického poľa vo vývrte na všetkých vzorkách.

6. Záver

Využitie magnetických vlastností drôtikov obsiahnutých v drôtkobetóne sa ukazuje ako perspektívna metóda. Potvrdilo sa však zistenie, že aj pri rovnakej koncentrácii drôtikov v kalibračných vzorkách môže byť bezprostredná odozva jednotlivých metód ovplyvnená orientáciou drôtikov v mieste merania. Je zrejmé, že tieto metódy budú na dosiahnutie hodnoverných výsledkov vyžadovať viac čiastkových meraní, ktoré budú štatisticky spracované.

Ďalšou úlohou bude určenie presnej oblasti, z ktorej sa získavajú namerané údaje. Znalosť presnej oblasti, pre ktorú sú získané údaje platné, t. j. určenie dosahu magnetického poľa, je dôležitým prvkom overovania homogenity drôtkobetónu, aby bola možná kontrola koncentrácie drôtikov na rozsiahlych konštrukciách zhotovených z drôtkobetónu.

Poďakovanie

Príspevok vznikol v rámci riešenia projektu GAČR 103/09/H085 a Výskumného zámeru MSM 0021630519.

Literatúra

HOBST, L.; ANTON, O.; ŠČUČKA, J.; VODIČKA, J. Overovanie homogenity drôtkobetónu. In Zborník recenzovaných príspevkov konferencie Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2010. Brno, VUT v Brne, FAST. 2010. s. 43 – 50. ISBN 978-80-214-4144-6.

HOBST, L.; ANTON, O.; BÍLEK, P.; VODIČKA, J. Prvé skúsenosti s overovaním homogenity stvrdnutého drôtkobetónu vyvíjanou magnetickou metódou. In Sanácia betónových konštrukcií. Bratislava: Vydavateľstvo JAGA, 2011. s. 49 – 54. ISBN 978-80-8076-095-3.

BÍLEK, P. Prvé merania a poznatky pri overovaní homogenity drôtkobetónu v konštrukcii vyvíjanou magnetickou metódou. In Juniorstav 2012 – Zborník anotácií. Brno: omegadesign, 2012. s. 235 – 235. ISBN 978-80-214-4393-8.

HOBST, L.; ANTON, O.; VODIČKA, J.; ŠČUČKA, J. Rádiografická metóda stanovenia homogenity drôtkobetónu v konštrukciách. In Zborník príspevkov zo 17. konferencie s medzinárodnou účasťou Construmat 2011. Košická Belá: Technická univerzita v Košiciach, 2011. s. 215 – 220. ISBN 978-80-553-0685-8.

HOBST, L.; ANTON, O.; VALA, J.; HORÁK, M. A Magnetic Method for Testing of Homogeneity of Fibre Concrete. In 9th International Conference NDT 2011 Nedestruktivní testování v technických oborech. Brno, 2011. s. 19 – 29. ISBN 978-80-7204-774-1.

Kontakt na autora

Prof. Ing. Leonard Hobst, CSc., Brno
e-mail: leonard.hobst@vut.cz

Pozrite si aj ďalšie tipy na využitie magnetov od našich zákazníkov.