Ověřování homogenity drátkobetonu na kalibračních vzorcích vyvíjenou magnetickou metodou

Silné magnety mají široké použití. Dají se například využít pro ověřování homogenity ztvrdlého drátkobetonu – metodu, kterou Ústavu stavebního zkušebnictví VUT v Brně vyvíjel tehdejší doktorand Ing. et Ing. Petr Bílek a profesor Ing. Leonard Hobst, CSc. Příspěvek publikujeme v původním znění.

1. Úvod

 Betony vyztužené rozptýlenou ocelovou výztuží (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 nepříznivá složka 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. Tato nová metoda je vyvíjena na Ústavu stavebního zkušebnictví VUT v Brně. 

2. Teoretický základ užité metody

2.1 Magnetická metoda kontroly homogenity drátkobetonu

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 beton, 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).

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 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 v určité vzdálenosti od povrchu permanentních magnetů (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 nejsilnější na povrchu permanentních magnetů a do 20 mm od středu magnetu, dále pak výrazně ubývá. Pozdějším výzkumem a měřením na vzorcích bude ověřováno, do jaké vzdálenosti od středu magnetu intenzita magnetického pole ovlivňuje měření.

3. Postup provedených měření vývojovou sondou PeMaSo-01

Na základě prvních pokusných měření, která prokázala, že uvažované předpoklady 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 Teslametrem. Jako nejvýhodnější se jevila vzdálenost mezi 50 mm a 60 mm Hallovy sondy od povrchu magnetů. 

Kontrolní měření, provedená na 4 vzorcích – krychlích s vyvrtaným otvorem, ukázala velmi dobrou korelaci (Obr.7) mezi úbytkem intenzity magnetického pole a rostoucí koncentrací drátků ve vzorcích. [2]

Tato korelace byla ověřena experimentálním měřením na sadě zkušebních vzorků (krychlích s velikostí hrany 150 mm) o různých koncentracích drátků. Střed každé krychle byl opatřen průběžným jádrovým vývrtem (Obr 8.) [3].

4. Postup provedených měření prototypem sondy pemaso-02

Po prvních zkušenostech z měření bylo nutné vývojovou sondu upravit, tak aby bylo možné zasunovat sondu do hlubších vývrtů, popř. posouvat sondu vývrtem (Obr.9 a Obr.10). Cílem měření je získat rozsáhlejší sady výsledků na nových vzorcích s delším vývrtem. Důležité bylo též vytvořit sadu vzorků se zaručenou koncentrací drátků, na kterých by se dala magnetická metoda nakalibrovat. Použité vzorky v předchozích měřeních bylo možné využít pouze pro tato první měření, protože při výrobě krychlí dochází ke „stěnovým efektům“, které mění koncentraci drátků v blízkosti stěn. Z tohoto hlediska bylo proto vhodné zhotovit větší kalibrační vzorky, které je pak možné řezáním upravit do tvaru vhodného pro kalibraci.

Obr. 10: Prototyp magnetické sondy PeMaSo-02.

Vývojová sonda PeMaSo-01 sloužila k ověření činnosti a ověření volby parametrů. Nebylo možné jí měřit v hloubce drátkobetonové konstrukce. Za tím účelem byla zhotovena sonda PeMaSo-02, kde jsou napevno nastaveny parametry stanovené pro měření jako optimální (Obr. 10).

Pro další zkoušky byly zhotoveny drátkobetonové vzorky o délce 300 mm, ze tří typů drátků (FIBREX, TRI-TREG a DRAMIX), o třech různých objemových koncentracích drátků (0,5 %, 1,0 % a 1,5 %), u kterých se dá předpokládat, že se sníží okrajové efekty, způsobené jednosměrnou orientací drátků při hutnění kalibračního vzorku (celkem zhotoveno 9 vzorků).

5. Výsledky

Při měření sondou PeMaSo-2 ve všech devíti kalibračních vzorcích o délce 300 mm bylo zjištěno jisté kolísání hodnot při krokovém měření po 10 mm. Toto kolísání svědčí o tom, že i při zachování konstantní koncentrace drátků v kalibračním vzorku, může být měření ovlivněno převažujícím směrem rozptýlených drátků. Výsledná měření proto musí být stanovena jako aritmetický průměr řady dílčích měření. V ilustrativním grafu na obr. 11 je vynesena hodnota měření pro tři koncentrace drátků FIBREX ve třech vzorcích. V tab. 1 je pak uvedena i zprůměrovaná hodnota měření na vzorcích s drátky DRAMIX a TRI-TREG (výsledky z 9 vzorků).

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  Výzkumného záměru MSM 0021630519.

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 978-80-214-4144-6.

2. 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.

3. 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.

4. HOBST, L.; ANTON, O.; VODIČKA, J.; ŠČUČKA, J. Radiografická metoda stanovení homogenity drátkobetonu v konstrukcích. In Zborník príspevkou zo 17. konferencie s medzinárodnou účasťou Condtrumat 2011. 2011. Košická Belá: Technická univerzita v Košiciach, 2011. s. 215-220. ISBN: 978-80-553-0685- 8.

5. 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

Podívejte se i na další tipy využití magnetů od našich zákazníků.