Молоток Шмидта

Идея прибора для быстрой оценки прочности бетона без разрушения конструкции возникла в середине XX века в связи с бурным развитием предварительно напряжённого железобетона и потребностью строительной отрасли в оперативных методах контроля качества материала непосредственно на объекте. В 1948 году швейцарский инженер Эрнст О. Шмидт разработал и запатентовал первый широко признанный прибор для определения прочности бетона по принципу упругого отскока, который впоследствии получил его имя^[1].

В последующие годы Шмидт совместно с Антонио Брандестини — одним из основателей компании «BBR Network», занимавшейся технологиями предварительно напряжённого бетона, — довёл конструкцию прибора до промышленного образца и организовал его серийное производство и сбыт. 8 апреля 1954 года Брандестини основал в Цюрихе компанию «Proceq», название которой образовано от слов «processes» и «equipment»; первым и главным продуктом новой фирмы стал именно молоток Шмидта, ставший, по оценке самой компании, «всемирным бестселлером»^[1].

В начале 1950-х годов прибор, выпускавшийся под маркой «Original Schmidt», был официально представлен на рынке и в течение нескольких лет получил международное признание, став эталоном, на основе которого впоследствии были разработаны основные национальные и международные стандарты испытаний методом упругого отскока. Модель типа «N» (со стандартной энергией удара) и типа «L» (с пониженной энергией удара, предназначенная для менее прочных и более тонких конструкций) заложили основу всего последующего семейства приборов^[1].

На протяжении 1960—1980-х годов компания «Proceq» продолжала совершенствовать конструкцию прибора, в частности, был выпущен вариант «NR»/«LR» с функцией записи результатов ударов на бумажную ленту (ёмкостью до 4000 ударов), а в 1990 году появился «Digi-Schmidt» — первая модификация молотка Шмидта с цифровым дисплеем для отображения и сохранения настроек и результатов испытаний. В дальнейшем на основе того же принципа упругого отскока было создано семейство приборов, адаптированных под контроль иных материалов и объектов — от металлических изделий до горных пород^[1].

Со временем метод, реализованный молотком Шмидта, стал одним из базовых способов неразрушающего контроля не только в строительстве, но и в горном деле и инженерной геологии, где он применяется для оценки прочностных характеристик образцов и массивов горных пород^[2].

Молоток Шмидта представляет собой компактный ручной прибор цилиндрической формы, основными узлами которого являются корпус, взводимая спиральная пружина, ударный поршень (плунжер), боёк-индентор, выдвигаемый из корпуса и упирающийся в испытуемую поверхность, а также измерительная шкала (механическая или, в более современных модификациях, электронная) для регистрации величины отскока^[1].

Принцип действия прибора заключается в следующем: оператор прижимает боёк прибора перпендикулярно к испытуемой поверхности и плавно надвигает корпус, взводя внутреннюю пружину; по достижении определённого сжатия пружина автоматически освобождается и с заданной, строго фиксированной энергией толкает поршень в сторону испытуемой поверхности^[1]. После удара поршень отскакивает от поверхности на расстояние, зависящее от твёрдости и упругих свойств материала, а достигнутое значение отскока фиксируется указателем на шкале прибора в условных единицах — так называемых числах отскока^[3].

Чем выше прочность (твёрдость) испытуемого материала, тем меньше энергии поглощается при ударе и тем больше расстояние, на которое отскакивает поршень, соответственно тем выше показание прибора. Полученное число отскока само по себе является лишь косвенным показателем и не выражает прочность материала непосредственно в единицах давления; для перевода показаний в значения прочности на сжатие применяется предварительно установленная градуировочная зависимость между косвенным показателем прибора и прочностью, определённой прямыми или разрушающими методами испытаний на контрольных образцах или участках конструкции^[3].

Классическая механическая модель «Original Schmidt» выпускалась в двух основных модификациях: тип «N» — со стандартной энергией удара, предназначенный для испытания конструкций толщиной не менее 100 мм, и тип «L» — с пониженной энергией удара, применяемый для хрупких материалов и конструкций толщиной менее 100 мм. Позднее на основе того же принципа упругого отскока был разработан цифровой измерительный принцип «SilverSchmidt», при котором прибор фиксирует истинный коэффициент отскока (отношение скоростей движения бойка до и после удара) и автоматически пересчитывает его в значение прочности на сжатие, что повышает точность измерений по сравнению с чисто механической шкалой^[1].

Показания молотка Шмидта чувствительны к ряду факторов, не связанных напрямую с прочностью материала: к положению прибора относительно горизонта (углу удара), степени карбонизации (для бетона), влажности и шероховатости поверхности, а также к наличию крупных пор или заполнителя непосредственно под точкой удара. Для корректного применения метода прибор перед испытаниями подлежит метрологической аттестации и поверке, а полученные результаты нормируются с учётом соответствующих поправочных коэффициентов^[3].

Основной областью применения молотка Шмидта является оперативная, неразрушающая оценка прочности бетона на сжатие непосредственно в конструкциях — монолитных, сборных и сборно-монолитных бетонных и железобетонных изделиях, конструкциях и сооружениях — без необходимости отбора образцов или их разрушения. Метод, реализуемый прибором, в нормативных документах именуется методом упругого отскока и применяется для контроля прочности бетона в промежуточном и проектном возрасте, а также при обследовании существующих конструкций, в том числе в возрасте, превышающем проектный^[3].

Помимо контроля бетона строительных конструкций, принцип упругого отскока, реализованный в молотке Шмидта, был адаптирован для испытаний иных материалов. Так, специализированные модификации прибора («RockSchmidt», «PaperSchmidt») применяются для оценки твёрдости и косвенной прочности образцов горных пород, а также рулонных материалов и покрытий^[1].

В инженерной геологии и горном деле молоток Шмидта используется для оценки предела прочности горных пород непосредственно в образце — прибор позволяет получить косвенную характеристику прочности породы по величине отскока бойка, что даёт возможность быстро оценивать прочностные свойства образцов и участков массива без проведения трудоёмких разрушающих испытаний на прессовом оборудовании. Такой подход находит применение при геомеханическом обследовании горных выработок, изучении устойчивости бортов карьеров и других задачах, требующих оперативной характеристики прочности пород^[2].

В строительной практике прибор также применяется для определения момента, подходящего для распалубки конструкций (по достижении бетоном необходимой распалубочной прочности), для оценки однородности прочности бетона по сечению или площади конструкции, а отдельные модификации прибора — для контроля качества растворных швов кирпичной кладки и испытания лёгких и малопрочных материалов, включая свежеуложенный бетон и гипсовые плиты^[1].

Испытания бетона методом упругого отскока с использованием молотка Шмидта регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 22690-2015 «Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля», введённым в действие на территории Российской Федерации с 1 апреля 2016 года взамен ранее действовавшего ГОСТ 22690-88. Указанный стандарт распространяется на конструкционные тяжёлые, мелкозернистые, лёгкие и напрягающие бетоны монолитных, сборных и сборно-монолитных конструкций и устанавливает механические методы определения прочности на сжатие, в том числе методы упругого отскока, пластической деформации и ударного импульса^[3].

Согласно нормативным ограничениям, метод упругого отскока признаётся косвенным неразрушающим методом определения прочности бетона: его применение допускается только после установления или привязки градуировочной зависимости «показание прибора — прочность бетона», а рекомендуемый диапазон применимости метода по прочности бетона на сжатие составляет от 5 до 50 МПа. Испытания проводят на участках конструкции без видимых повреждений, при этом устанавливаются требования к минимальному числу измерений на одном участке, минимальному расстоянию между точками измерения и до края конструкции, а также к минимальной толщине испытуемого элемента^[3].

Стандарт также нормирует допустимые условия проведения испытаний — в частности, возраст бетона конструкции не должен отличаться от возраста образцов, использованных при построении градуировочной зависимости, более чем на 25 %, а испытания следует проводить при положительной температуре бетона либо с учётом дополнительных требований при отрицательных температурах не ниже минус 10 °С. Отдельно установлено, что использование заранее известных (непривязанных) градуировочных зависимостей допускается лишь для получения ориентировочных значений прочности и не может служить основанием для оценки класса бетона по прочности^[3].

На международном уровне метод упругого отскока и, соответственно, применение молотка Шмидта регламентируются европейским стандартом EN 12504-2, положения которого были в основном учтены при разработке действующей редакции ГОСТ 22690-2015^[3].