Badanie sklerometryczne betonu – jak prawidłowo ocenić wytrzymałość betonu?

Badanie sklerometryczne betonu jest jedną z najczęściej stosowanych metod oceny jakości betonu w istniejących konstrukcjach. Młotek Schmidta pozwala szybko i w sposób mało inwazyjny ocenić powierzchniową twardość betonu oraz jego jednorodność. Wynik badania może być również wykorzystany do oszacowania wytrzymałości betonu na ściskanie, jednak samo odczytanie liczby odbicia nie oznacza jeszcze, że znamy klasę betonu.

W praktyce rzeczoznawczej ma to ogromne znaczenie. Prawidłowo przeprowadzone badanie sklerometryczne wymaga odpowiedniego przygotowania powierzchni, właściwego rozmieszczenia punktów pomiarowych, odpowiedniej liczby odczytów, kontroli przyrządu, analizy statystycznej oraz zastosowania właściwej zależności pomiędzy liczbą odbicia R a wytrzymałością betonu. Zasady te zostały szczegółowo przedstawione w poradniku ITB nr 503/2022 „Ocena wytrzymałości betonu w konstrukcjach na podstawie badań sklerometrycznych” autorstwa Leonarda Runkiewicza i Jana Sieczkowskiego.

Na czym polega badanie sklerometryczne betonu?

Sklerometr Schmidta jest przyrządem wykorzystującym metodę odskoku. W czasie pomiaru sprężynowy mechanizm sklerometru powoduje uderzenie stalowego bijaka w powierzchnię betonu. Po uderzeniu bijak odskakuje, a wielkość tego odskoku zostaje odczytana na skali jako liczba odbicia R. Parametr ten jest związany z dynamiczną twardością powierzchni betonu.

Trzeba jednak wyraźnie rozróżnić dwie kwestie: pomiar liczby odbicia oraz ocenę wytrzymałości betonu na ściskanie. Sklerometr bada przede wszystkim właściwości powierzchniowej warstwy betonu. Autorzy poradnika wskazują, że w zależności od rodzaju betonu i zastosowanego przyrządu uzyskiwana informacja odnosi się zasadniczo do warstwy o grubości około 3–10 cm.

Z tego powodu liczba odbicia R nie może być automatycznie utożsamiana z wytrzymałością betonu. Do przeliczenia wyników potrzebna jest odpowiednia zależność empiryczna pomiędzy liczbą odbicia i wytrzymałością na ściskanie. Poradnik podkreśla również, że metoda sklerometryczna nie stanowi alternatywy dla bezpośredniego oznaczania wytrzymałości, lecz przy zastosowaniu właściwych zależności może umożliwić jej oszacowanie.

Do czego wykorzystuje się badania sklerometryczne?

Badanie młotkiem Schmidta może mieć kilka zastosowań. Po pierwsze pozwala ocenić jednorodność betonu w obrębie badanego elementu. Po drugie umożliwia wskazanie obszarów, w których jakość betonu może być niższa od pozostałej części konstrukcji. Po trzecie, przy zastosowaniu właściwej procedury oceny, może być wykorzystane do oszacowania wytrzymałości betonu na ściskanie.

W praktyce diagnostycznej szczególnie wartościowe jest połączenie badań sklerometrycznych z innymi metodami. Badanie sklerometrem może pozwolić zidentyfikować miejsca wymagające dokładniejszego rozpoznania, a następnie na podstawie tych wyników można zaplanować wykonanie odwiertów rdzeniowych.

Rodzaje sklerometrów Schmidta

Poradnik ITB opisuje kilka podstawowych typów sklerometrów. Wśród nich znajdują się:

typ N – średni, o energii uderzenia 2,25 Nm, przeznaczony przede wszystkim do betonu zwykłego w konstrukcjach i prefabrykatach,
typ L – lekki, o energii uderzenia 0,75 Nm, stosowany m.in. do betonów lekkich i zapraw,
typ M – ciężki, o energii uderzenia 30 Nm, stosowany m.in. do konstrukcji masywnych,
typ P – wahadłowy, przeznaczony do materiałów o niższej twardości i wytrzymałości.

Dobór rodzaju sklerometru powinien odpowiadać materiałowi oraz warunkom badania.

Jak przygotować powierzchnię betonu do badania?

Jednym z najczęściej niedocenianych elementów badań sklerometrycznych jest przygotowanie powierzchni. Miejsce pomiarowe należy oczyścić ze słabo związanych cząstek betonu i wygładzić ręcznie lub mechanicznie. W zależności od stanu powierzchni zalecane jest zeszlifowanie warstwy o grubości około 1–3 mm.

Nie wszystkie miejsca na elemencie nadają się do badania. Należy unikać obszarów uszkodzonych, porowatych, z rakami betonowymi, kawernami, lokalnym nagromadzeniem grubego kruszywa lub w miejscach, które nie reprezentują badanego betonu. Szczególną ostrożność należy zachować w przypadku górnych powierzchni elementów, na których może występować warstwa stwardniałego mleczka cementowego.

Jak rozmieszczać punkty pomiarowe?

Miejsca pomiarowe powinny być rozmieszczone możliwie równomiernie na badanym elemencie lub fragmencie konstrukcji. Odległość miejsca pomiarowego od krawędzi elementu oraz od sąsiednich punktów nie powinna być mniejsza niż 25 mm. Poradnik zaleca również stosowanie siatki prostokątnej o rozstawie od 25 do 50 mm, której przecięcia mogą być wykorzystywane jako punkty uderzenia sklerometru.

Ile pomiarów należy wykonać?

W każdym miejscu pomiarowym należy wykonać co najmniej 9 miarodajnych odczytów. W przypadku sklerometrów typu N, L i M za miarodajny uznaje się odczyt, który nie różni się od mediany wyników danego miejsca o więcej niż 5 jednostek. Dla typu P granica ta wynosi 10 jednostek.

Każdy odczyt powinien być wykonany w innym punkcie. Odległość między środkami przyłożenia trzpienia powinna wynosić co najmniej 25 mm. Jeżeli więcej niż 20% wyników w danym miejscu różni się od mediany o więcej niż 30%, cały zestaw odczytów z tego miejsca należy odrzucić.

Ile miejsc pomiarowych trzeba zbadać?

Poradnik w ślad za normami [4,5] wskazuje, że przy określaniu wytrzymałości betonu w elemencie lub fragmencie konstrukcji wykonanym z jednej partii betonu zasadniczo należy wykonać badania w odpowiedniej liczbie miejsc. Jako podstawową wartość wskazano co najmniej 12 miejsc, natomiast dla elementów o długości powyżej 6 m przyjmuje się 15 miejsc. Dla mniejszych elementów oraz w niektórych przypadkach kontroli prefabrykatów liczba ta może zostać zmniejszona do 6 miejsc.

W dalszej procedurze oceny statystycznej poradnik posługuje się również liczbą co najmniej 15 miejsc dla określonych przypadków oceny. Z tego względu w profesjonalnym opracowaniu należy zawsze podać nie tylko liczbę pomiarów, ale również cel badania oraz przyjętą procedurę oceny.

Dlaczego sama liczba odbicia R nie wystarcza?

To jeden z najważniejszych problemów związanych z interpretacją badań sklerometrycznych. Dwie konstrukcje mogą charakteryzować się podobną liczbą odbicia, ale wykonane z betonu o innej charakterystyce technologicznej, innym wieku lub innym stanie wilgotnościowym mogą nie dawać identycznej zależności pomiędzy R i wytrzymałością.

Poradnik przewiduje dlatego wykorzystanie empirycznej zależności fc–R. Zależność ta może zostać wyznaczona w sposób dokładny poprzez skalowanie albo przybliżona poprzez odpowiednie dostosowanie istniejącej podstawowej krzywej regresji.

Dokładne skalowanie zależności między R a wytrzymałością

Wariant dokładny polega na określeniu korelacji pomiędzy liczbą odbicia a wytrzymałością oznaczoną na próbkach walcowych, czyli rdzeniach pobranych z konstrukcji. Poradnik wskazuje ten sposób jako zalecany w odniesieniu do PN-EN 13791:2019 oraz PN-B-06262.

Średnia wytrzymałość, minimalna wytrzymałość i wytrzymałość charakterystyczna

Profesjonalna ocena betonu powinna rozróżniać kilka różnych parametrów. Średnia wytrzymałość betonu w konstrukcji nie jest tym samym co najmniejsza oznaczona wytrzymałość ani tym samym co wytrzymałość charakterystyczna.

Poradnik definiuje średnią wytrzymałość jako średnią wartości uzyskanych w poszczególnych miejscach pomiarowych. Dla określenia wartości minimalnej wykorzystywana jest zależność statystyczna uwzględniająca odchylenie standardowe.

W przypadku charakterystycznej wytrzymałości betonu w konstrukcji poradnik wskazuje, że należy rozpatrzyć dwie wartości wynikające z odpowiednich zależności i przyjąć mniejszą z nich. W uproszczeniu występują zależności:

gdzie:

fck,is,R – charakterystyczna wytrzymałość betonu na ściskanie w konstrukcji, określona na podstawie badań sklerometrycznych, odpowiadająca wymaganiom norm projektowania,

fmin(fis,min,R lub fis,lowest,R) – najmniejsza wartość wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji, oznaczona pośrednio na podstawie badań sklerometrycznych, ,

fm (fm(n),is,R) – średnia wytrzymałość betonu na ściskanie w konstrukcji, oznaczona pośrednio na podstawie badań sklerometrycznych.

sR – odchylenie standardowe wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji, oznaczanej metodą sklerometryczną,

tmin – parametr zależny od rozkładu wyników i założonego prawdopodobieństwa; dla rozkładu normalnego i prawdopodobieństwa 0,90 wartość tmin = 1,48,

0,85 – współczynnik uwzględniający zmniejszenie charakterystycznej wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcji w stosunku do wytrzymałości betonu określonej na znormalizowanych próbkach, wykonywanych w formach, według norm projektowania konstrukcji.

Jest to istotne z punktu widzenia oceny konstrukcji, ponieważ wnioski nie powinny być formułowane wyłącznie na podstawie pojedynczej wartości średniej.

Klasę wytrzymałości betonu po co najmniej 28 dniach dojrzewania można oszacować zgodnie z załącznikiem B normy [5] na podstawie minimalnej liczby odbicia i mediany, korzystając z tablicy 1

Tabela 1. Liczba odbicia na bazie odległości odbicia (typ R) i powiązane klasy wytrzymałości betonu (zwykłego) na ściskanie wg PN-EN 206

Najniższa liczba odbicia ze wszystkich pomiarów w obrębie miejsca pomiarowego	Mediana liczby odbicia dla miejsca pomiarowego	Klasa wytrzymałości betonu na ściskanie wg PN-EN 206
≥ 26	≥ 30	C8/10
≥ 30	≥ 33	C12/15
≥ 32	≥ 35	C16/20
≥ 35	≥ 38	C20/25
≥ 37	≥ 40	C25/30
≥ 40	≥ 43	C30/37
≥ 44	≥ 47	C35/45
≥ 46	≥ 49	C40/50
≥ 48	≥ 51	C45/55
≥ 50	≥ 53	C50/60
≥ 53	≥ 57	C55/67
≥ 57	≥ 60	C60/75
≥ 62	≥ 65	C70/85
≥ 66	≥ 69	C80/95

Czy badanie sklerometryczne może zastąpić odwierty?

Nie w każdym przypadku. Sklerometr jest bardzo dobrym narzędziem do rozpoznania jednorodności i określenia potencjalnie słabszych obszarów, natomiast bezpośrednie badanie wytrzymałości na ściskanie wykonuje się na próbkach pobranych z konstrukcji.

W praktyce bardzo skuteczne jest połączenie obu metod: najpierw wykonuje się rozpoznanie sklerometryczne, następnie na podstawie rozkładu wyników wybiera się reprezentatywne lub problemowe miejsca do pobrania rdzeni. Uzyskane wyniki laboratoryjne mogą następnie zostać wykorzystane do odpowiedniej korelacji z wynikami sklerometrycznymi.

Najczęstsze błędy przy badaniach młotkiem Schmidta

Do najczęstszych błędów przy badaniu młotkiem Schmidta należą:

Traktowanie liczby R jako bezpośredniej wytrzymałości betonu.
Wykonywanie zbyt małej liczby odczytów.
Brak odpowiedniej liczby miejsc pomiarowych.
Brak kontroli sklerometru przed i po badaniu.
Pomiar na nieprzygotowanej lub niereprezentatywnej powierzchni.
Brak uwzględnienia kąta ustawienia sklerometru.
Pomijanie analizy statystycznej wyników.
Stosowanie przypadkowej krzywej regresji.
Określanie klasy betonu wyłącznie na podstawie kilku odczytów.
Brak rozróżnienia pomiędzy wytrzymałością średnią a charakterystyczną.

Właśnie dlatego dokumentacja badania powinna przedstawiać nie tylko końcową wartość wytrzymałości, ale cały tok postępowania pomiarowego i obliczeniowego.

Jak wygląda prawidłowa procedura diagnostyczna z wykorzystaniem sklerometru?

W praktyce można przyjąć następujący schemat:

oględziny konstrukcji i rozpoznanie jej elementów,
podział konstrukcji na odpowiednie obszary i populacje betonu,
kontrola sklerometru,
przygotowanie powierzchni,
wykonanie odpowiedniej liczby odczytów,
wyznaczenie median dla poszczególnych miejsc,
analiza statystyczna wyników,
identyfikacja obszarów o odmiennych właściwościach,
wykonanie odwiertów, jeżeli zakres diagnostyki tego wymaga,
ustalenie lub dostosowanie zależności korelacyjnej,
wyznaczenie wytrzymałości średniej, minimalnej i charakterystycznej,
ocena wyników w odniesieniu do rzeczywistego stanu konstrukcji.

Podsumowanie

Badanie sklerometryczne betonu jest bardzo użyteczną metodą diagnostyczną, ale jego wartość zależy przede wszystkim od sposobu wykonania i interpretacji. Prawidłowe badanie nie polega na wykonaniu kilku uderzeń młotkiem Schmidta i odczytaniu jednej wartości z tabeli. Konieczne jest właściwe przygotowanie powierzchni, odpowiednia liczba punktów i odczytów, kontrola przyrządu, uwzględnienie kierunku uderzenia, zastosowanie mediany oraz przeprowadzenie analizy statystycznej.

Jeżeli celem jest wiarygodna ocena wytrzymałości betonu w istniejącej konstrukcji, szczególnego znaczenia nabiera prawidłowo dobrana zależność f–R. W dokładnym wariancie podstawą jej wyznaczenia są badania korelacyjne z wykorzystaniem próbek rdzeniowych. W wariancie przybliżonym wykorzystuje się podstawową krzywą regresji i dostosowuje ją do rzeczywistego betonu na podstawie badań kontrolnych.

Dobrze zaplanowane badanie sklerometryczne może więc stanowić ważny element diagnostyki konstrukcji, ekspertyzy budowlanej, oceny stanu technicznego oraz weryfikacji właściwości betonu w istniejącym obiekcie. Szczególnie wartościowe jest połączenie badań sklerometrycznych z odwiertami rdzeniowymi i innymi metodami diagnostycznymi.

Literatura

1. Runkiewicz L., Sieczkowski J., Ocena wytrzymałości betonu w konstrukcjach na podstawie badań sklerometrycznych. Poradnik, Instytut Techniki Budowlanej, Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 503/2022, Warszawa 2022.

2.Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A., Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.

3.PN-EN 12504-2 – Badanie betonu w konstrukcjach. Część 2: Badanie nieniszczące. Oznaczenie liczby odbicia

4. PN-EN 13791:2008 – Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych

5. PN-EN 13791:2019-12 – Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych.

6. PN-B-06262:1974 – Nieniszczące badania konstrukcji z betonu. Metoda sklerometryczna badania wytrzymałości betonu na ściskanie za pomocą młotka Schmidta typu N

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Czy badanie młotkiem Schmidta jest badaniem niszczącym?

Badanie sklerometryczne zalicza się do metod nieniszczących, ponieważ nie powoduje uszkodzenia elementu w sposób porównywalny z pobraniem odwiertu.

Ile odczytów należy wykonać w jednym miejscu?

Poradnik ITB wskazuje co najmniej 9 miarodajnych odczytów w jednym miejscu pomiarowym.

Czy liczba odbicia R jest równa wytrzymałości betonu?

Nie. R jest wynikiem pomiaru pośredniego i wymaga odpowiedniej zależności empirycznej.

Kiedy potrzebne są odwierty rdzeniowe?

Przede wszystkim wtedy, gdy konieczna jest bardziej bezpośrednia ocena wytrzymałości betonu lub gdy zachodzi potrzeba wykonania odpowiedniego skalowania zależności f–R.

Czy stary beton można badać sklerometrem?

Tak, jednak przy interpretacji wyników należy uwzględnić charakterystykę betonu, jego wiek oraz warunki, w jakich wykonuje się pomiary.

Dlaczego powierzchnię betonu trzeba przygotować?

Słabo związane warstwy, mleczko cementowe lub nierówności powierzchni mogą wpływać na wynik odczytu. Poradnik zaleca oczyszczenie i wygładzenie miejsca pomiarowego.

Czy na podstawie sklerometru można określić klasę betonu?

Można oszacować wytrzymałość betonu przy zastosowaniu odpowiedniej procedury i zależności empirycznej, ale nie należy utożsamiać pojedynczego wskazania R z konkretną klasą betonu.

Czy badanie sklerometryczne może być elementem ekspertyzy budowlanej?

Tak. Poradnik ITB jest przeznaczony między innymi dla specjalistów zajmujących się rzeczoznawstwem budowlanym.

badania betonu, badania nieniszczące, badanie sklerometryczne, beton konstrukcyjny, diagnostyka betonu, diagnostyka konstrukcji, ekspertyza budowlana, klasa betonu, konstrukcje żelbetowe, liczba odbicia, młotek Schmidta, ocena betonu, pomiar sklerometryczny, rzeczoznawca budowlany, wytrzymałość betonu