Schmidtovo kladivo: Princípy, použitie a kľúčová úloha v stavebníctve a geomorfológii

Schmidt hammer, v preklade Schmidtovo kladivo, je nástroj určený pôvodne predovšetkým pre stavebníctvo. Tento nástroj, pre ktorý sa niekedy používa tiež názov "švajčiarske kladivo" alebo sklerometer, je založený na princípe merania intenzity spätného odrazu vystrelenej pružiny proti preverovanému materiálu. Na základe tohto odrazu je zisťovaná pevnosť materiálu v tlaku.

Schmidtovo kladivo bolo vynájdené už v roku 1948, vďaka práci vedca zo Švajčiarska - Ernesta Schmidta. Ing. Ernst Schmidt z Bazileja zadal už v roku 1954 prvý model tohto prístroja do výroby švajčiarskej firme PROCEQ. Odvtedy bolo vyvinutých ďalších deväť modelov tohto tvrdomerného kladivka.

Použitým spôsobom merania patrí Schmidtovo kladivko medzi tzv. „tvrdomerné“ (sklerometrické) metódy, keď sa požadovaná veličina zisťuje nepriamo prostredníctvom merania veľkosti pružnej reakcie od vyvodeného úderu. Sklerometrický prieskum je založený na meraní povrchovej tvrdosti materiálu z hľadiska indexu odrazu. Ide o nedeštruktívnu metódu testovania, pretože sa vyhýba poškodeniu a nutnosti zastaviť prevádzku konštrukcií. Výhodou je jeho jednoduché použitie, ktoré umožňuje jeho aplikáciu v interiéri aj exteriéri.

Historický kontext merania pevnosti materiálov

Metódy zisťovania pevnosti materiálov prešli dlhým vývojom. Starí Rimania, ktorí využívali cementovú maltu pre jej vysokú pevnosť v tlaku, zisťovali jej vlastnosti škrabnutím oceľovým klincom po povrchu. Betonári 50. rokov nášho storočia posudzovali pevnosť betónu poklepaním ľahkým strúhadlom na stavebný dielec. Potrebné informácie o požadovanej pevnosti im poskytoval zvuk, ktorý pritom vznikal a ďalej predovšetkým intenzita odrazu „meraná“ v zápästí. Skúsený praktík bol dokonca schopný určiť na základe svojich pozorovaní pevnosť v betóne, či stupeň jeho zatvrdnutia (vek).

Málokto však má absolútny sluch a takú prax, aby mohol zodpovedne posudzovať kvalitu betónu len podľa zvuku. Napriek tomu však práve tento princíp merania vytvoril v tej dobe základ pre vývoj mechanického meracieho prístroja, v ktorom je sila úderu na povrch betónu presne definovaná vymrštením stanovenej hmoty pružinou so známou charakteristikou a meria sa hodnota veľkosti spätného odrazu, ktorá sa odčíta na stupnici prístroja.

Ako Schmidtovo kladivo funguje

Fungovanie sklerometra má základ v podobe odrazu, charakterizovaného elasticitou, ktorá vzniká pri meraní nárazového impulzu, ktorý vzniká v štruktúrach pri ich zaťažení. Vnútorný rázový člen prístroja - „kladivo“ narazí definovanou energiou na povrch betónu a odrazí sa späť. Veľkosť odrazu je závislá od tvrdosti betónu. Prístroj sa používa na meranie pružnosti a pevnosti betónu. Pri meraní kladivo určuje množstvo energie použité na test.

Pomocou prepočtového diagramu pozostávajúceho z troch kriviek, ktoré zodpovedajú trom základným smerom rázu, tj hore, dole, alebo vodorovne - sa určuje pevnosť v tlaku v N/mm². Pre stanovenie optimálneho priebehu týchto kriviek bolo v rôznych laboratóriách a skúšobných ústavoch premeraných na 20.000 betónových kociek. Pretože sa pri týchto skúškach betón vôbec neporuší, alebo sa poruší len tak málo, že tým nie je narušená funkcia skúšobného telesa, dielca alebo konštrukcie, patrí táto skúška medzi tzv. „nedeštruktívne“ metódy skúšania betónu.

Oblasti použitia Schmidtovho kladiva

Schmidtovo kladivo našlo uplatnenie v nasledujúcich oblastiach:

• Meranie pevnosti betónového výrobku, ako aj malty.
• Pomáha pri identifikácii slabých miest v konkrétnych výrobkoch.
• Umožňuje kontrolovať kvalitu hotového objektu, ktorý je zostavený z betónových prvkov.

Využitie v geomorfológii

Geomorfologie, teda nauka o tvarech povrchu zemského a o jejich vývoji, najčastejšie používa nástroj Schmidt hammer k tomu, aby jeho prostredníctvom zistila stáří rôznych povrchov. Nejde teda o presné časové určenie, kedy bol materiál obnažený, ale iba o porovnávanie relatívnej doby zvetrávania. To pomáha napríklad určiť hranicu, kam siahali ľadovcové štíty v dobách ľadových.

Metóda využíva toho, že odkryvy, ktoré neboli prikryté ľadovcom, vykazujú výrazne vyššie hodnoty zvetrania povrchu, pretože sú oveľa dlhšie vystavené exogénnym činiteľom (zrážky, vietor, činnosť organizmov). Českí vedci si dali za cieľ nájdený vzťah spresniť, aby finálna interpretácia viac odpovedala skutočnosti. Nerovnosti na skúmanej ploche môžu pomerne významne rozostriť výsledné hodnoty, a tak sa zbrúsenie javí ako dobré východisko.

Na otázku, či brúsenie stojí za námahu a či „nezmaže“ zbrúsenie vrchnej vrstvy informácie o histórii zvetrávania, sa pokúšali nájsť odpoveď Barbora Černá a Zbyněk Engel z katedry fyzickej geografie a geoekológie Prírodovedeckej fakulty UK na severných svahoch Jizerských hôr. Oblast je zaujímavá aj tým, že testované lokality sa nachádzali ako v miestach, kam kontinentálny ľadovec prenikol (cca do výšky 400 - 500 m n.m.), tak aj mimo dosahu ľadovca. Otestovaných bolo takmer 50 lokalít. Zatiaľ čo rozptyl získaných dát sa po zbrúsení zvýšil, variačný koeficient, teda relatívna veľkosť rozptýlenosti dát vzhľadom k priemeru, sa znížila. Zkvalitnenie vedeckých výstupov tak môže pomôcť zafarbiť mnoho bielych miest na mape maximálneho rozšírenia ľadovcových štítov v posledných dobách ľadových.

Typy a modely Schmidtovho kladiva

Rozsah merača je pomerne široký. Modely sa môžu líšiť v závislosti od vlastností testovaných predmetov, napríklad hrúbky, veľkosti, energie nárazu. Kladivá Schmidt môžu pokrývať betónové výrobky v rozsahu 10 až 70 N/mm². Sila nárazovej energie má priamy vplyv na pevnosť betónových a železobetónových povrchov, preto môžu byť viacerých typov. Podľa princípu činnosti sú metre pevnosti betónových konštrukcií rozdelené do niekoľkých podtypov:

• Sklerometer s mechanickým pôsobením: Je vybavený valcovým telom s bicím mechanizmom umiestneným vo vnútri. V tomto prípade je tento vybavený indikátorovou stupnicou so šípkou, ako aj odpudivou pružinou. Tento typ Schmidtovho kladiva našiel svoje uplatnenie pri určovaní pevnosti betónovej konštrukcie, ktorá má rozsah 5 až 50 MPa. Tento typ merača sa používa pri práci s betónovými a železobetónovými predmetmi.
• Tester pevnosti s ultrazvukovým pôsobením: Jeho dizajn má vstavanú alebo externú jednotku. Hodnoty je možné vidieť na špeciálnom displeji, ktorý má pamäťovú vlastnosť a ukladá dáta. Schmidtovo kladivo má možnosť pripojenia k počítaču, keďže je navyše vybavené konektormi. Tento typ sklerometra pracuje s hodnotami pevnosti od 5 do 120 MPa.

Prehľad vybraných modelov

K dispozícii sú rôzne modely Schmidtovho kladiva, ktoré sú prispôsobené pre špecifické aplikácie:

• Model N: základný typ používaný v rozsahu kubickej pevnosti 10 až 70 MPa v normálnom pozemnom a mostnom staviteľstve.
• Model L: typ so zníženou rázovou energiou (cca 1/3) oproti modelu N, používaný v rozsahu kubickej pevnosti 10 až 70 MPa. Týmto modelom sa skúšajú tenkovrstvové stavebné prvky a konštrukcie s hrúbkou pod 100 mm, aby sa zabránilo vzniku rázom vyvolaných vibrácií, ktoré by ovplyvnili namerané hodnoty. Vhodný na meranie tenkovrstvových betónových poterov.
• Model P: typový rad určený na skúšanie stavebných materiálov s nízkou tvrdosťou a pevnosťou a na skúšanie počiatočných pevností mált.
• MSh-20: Tento nástroj sa vyznačuje najnižšou nárazovou silou - 196 J. Je schopný presne a kvalitatívne určiť pevnosť cementovej a murovacej malty.
• RT kladivo: pracuje s hodnotou 200-500 J. Merač sa zvyčajne používa na meranie pevnosti prvého čerstvého betónu v poteroch vyrobených zo zmesi piesku a cementu. Hlavným smerom pri aplikácii kladiva Schmidt je nastavenie pevnosti betónu, ktorý sa vyznačuje hrúbkou nie väčšou ako 10 cm, ako aj tehly.
• MSh-225 (N): ide o najvýkonnejší typ sklerometra, ktorý pracuje s nárazovou silou 2207 J. Prístroj je schopný určiť pevnosť konštrukcie, ktorá má hrúbku 7 až 10 cm a viac. Prístroj má merací rozsah od 10 do 70 MPa.

Modely N a L sa dodávajú aj v modifikácii s registračným zariadením, ktoré zaznamenáva namerané hodnoty na registračnej páske. Odpadá tým nutnosť zaznamenávania či diktovania nameraných hodnôt a hlavne nebezpečenstvo vzniku chýb pri prenose. Skúška tak zaberie menej času, odstráni sa nebezpečenstvo vzniku chyby z odčítania a okrem toho zostane vo forme registračnej pásky zachovaný dokument, ktorý môže aj dodatočne poskytovať informácie o výsledkoch skúšok. Z tohto dôvodu môžeme tento typ prístrojov veľmi odporučiť.

Schmidtovo kladivo DRC Ectha 1000 sa používa na kvalitatívnu analýzu betónu na staveniskách s cieľom odhadnúť jeho vlastnosti. Balenie obsahuje Schmidtovo kladivo DRC Echta 1000, brúsny kameň v plastovom puzdre, meraciu mriežku 30 x 30 cm, ceruzku, 100 ml fľašu s fenolftaleínom a pevný prenosný plastový kufrík s triedou odolnosti IP67.

Medzi digitálne modely patria Digitálne Schmidtovo kladivo Proceq OS8000 L, Proceq OS8000 N, Proceq OS8200 L, Proceq OS8200 N. Schmidtovo digitálne kladivo DRC Ectha PRO sa používa na kvalitatívnu analýzu.

Technické parametre Schmidtovho kladiva DRC Echta 1000

Pre ilustráciu sú uvedené technické parametre jedného z modelov:

• rozsah: 5-120 N/mm²
• energia nárazu: 2.207 NM
• minimálna hrúbka testovanej konštrukcie: > 100 mm
• rozmery: 300 x 70 x 70 mm
• hmotnosť: 1,3 kg

Porovnanie vybraných modelov Schmidtovho kladiva

Nižšie uvedená tabuľka poskytuje prehľad kľúčových vlastností vybraných modelov Schmidtovho kladiva, ktoré ilustrujú ich rôznorodosť a špecifické aplikácie:

Postup merania Schmidtovým kladivom

Pre získanie spoľahlivých výsledkov je nevyhnutné dodržiavať štandardizovaný postup merania. Betón sa skúša na vybraných skúšobných miestach, ktoré sa volia tak, aby svojim rozložením a počtom reprezentovali skúšanú plochu betónu. Rozloženie skúšobných miest je uvedené v STN EN 12504-2, ktorou bola nahradená pôvodná česká norma ČSN 73 1373. Tieto skúšobné miesta sa označujú a zakresľujú do skúšobných protokolov a správy o vykonanej skúške. Veľkosť skúšobných miest musí byť taká, aby sa na nich dal vykonať potrebný počet meraní vzájomne dostatočne vzdialených. Betón v skúšobných miestach musí byť rovnomerný, bez štrkových miest.

Príprava povrchu a kalibrácia

Pred vlastným meraním sa vybrúsením za sucha pomocou brúsneho kameňa odstráni na skúšobných miestach skarbonatovaná vrstva betónu (cementové mlieko). Nerovnosti na skúmanej ploche môžu pomerne významne rozostriť výsledné hodnoty, a tak sa zbrúsenie javí ako dobré východisko. České štúdie, napríklad práca Barbory Čiernej a Zbyňka Engela, skúmali vplyv zbrúsenia na presnosť merania. Zistili, že zatiaľ čo rozptyl získaných dát sa po zbrúsení zvýšil, variačný koeficient, teda relatívna veľkosť rozptýlenosti dát vzhľadom k priemeru, sa znížila. Týmto je betón pripravený na vykonanie merania.

Uvedená norma predpisuje, že pred každým meraním sa majú vykonať aspoň 3 rázy nanečisto, aby sa overila správnosť funkcie prístroja. Pred každou sériou skúšok na povrchu betónu sa musí tvrdomer overiť na kalibračnej kovadline, ako aj po ukončení skúšania.

Vykonanie a vyhodnotenie merania

Razník tvrdomeru sa priloží na skúšobnom mieste kolmo na povrch betónu, pričom sa celý tvrdomer stláča plynulým pohybom, až sa vyvodí ráz. V tomto okamihu je vo vnútri tvrdomeru proti razníku vrhnuté silou pružiny nárazové závažie, ktoré je po údere odmrštené určitý úsek späť. Veľkosť úseku ukáže ručička na stupnici. Na každom skúšobnom mieste sa vykoná najmenej deväť čítaní.

Pri základných modeloch N a L sa po každom ráze zistená hodnota zapíše, pri registračných modeloch postačí mať vopred stanovený plán rozmiestnenia skúšobných miest merania, kontrolovať iba, či namerané hodnoty neprevyšujú stanovený rozptyl a odpočítať ich napr. až po skončení merania v kancelárii. Dôležité! Ak počas merania úder zasiahne prázdnu náplň, získané údaje sa neberú do úvahy.

Zo všetkých platných meraní na jednom skúšobnom mieste sa vypočíta podľa originálneho znenia normy STN EN 12504-2 medián (v slovenskom preklade chybne uvedená stredná hodnota). Ak viac ako 20% všetkých čítaní sa líši od hodnoty vypočítaného mediánu o viac ako 6 jednotiek, potom celá sada čítania musí byť zamietnutá.

Pevnosť betónu zistíme odčítaním z prevodného diagramu, alebo tabuľky pre príslušný typ tvrdomeru a zaokrúhlime ju na celé číslo. Zistené hodnoty uvedieme do tabuľky, ktorá je súčasťou skúšobného protokolu. Ten musí obsahovať všetky potrebné náležitosti pre presnú identifikáciu miest merania, tabuľku nameraných a prepočítaných hodnôt vrátane ďalších predpísaných formálnych náležitostí ako sú dátum, čas, podmienky prostredia (teplota, vlhkosť), zachovanie postupu uvedeného normou.

Porovnanie s inými metódami testovania betónu

Výsledkom merania Schmidtovým kladivkom je tzv. „pevnosť betónu v tlaku s nezaručenou presnosťou (Rbe)“. Túto pevnosť je možné porovnať s tzv. „krychelnou pevnosťou betónu“, zisťovanou laboratórne stláčaním skúšobných kociek, ktoré boli zhotovené súčasne s výrobou príslušnej betónovej konštrukcie. Táto metóda však vypovedá skôr o kvalite použitej betónovej zmesi, než o kvalite betónovej konštrukcie z nej vyrobenej.

Ďalšou metódou skúšania kvality betónu sú ultrazvukové merania. Zatiaľ čo pri meraní Schmidtovým kladivkom sa jedná o povrchové meranie na konkrétnom mieste, ultrazvukovým prístrojom je možné merať čas, ktorý potrebuje ultrazvukový signál na prechod celou vrstvou betónu a tým posudzovať kvalitu betónového prvku v celom priereze. Je síce vypracovaná kombinovaná metóda zložená z merania Schmidtovým kladivkom a ultrazvukovým prístrojom, ktorá dáva presnejšie výsledky, avšak pri podlahách je nevýhodou, že je možné ultrazvukom vykonávať iba tzv. nepriame meranie (tj na ploche), čím je potlačený vlastný efekt kombinovanej metódy.

V pôvodnej ČSN 73 1373 sú uvedené ešte ďalšie tvrdomerné metódy (napr. Waitzmannovo kladivko, guličkový a špičákový tvrdomer), avšak tieto sa už v praxi spravidla nepoužívajú.

Bežné chyby a obmedzenia pri používaní Schmidtovho kladiva

Hoci je Schmidtovo kladivo všestranným nástrojom, jeho nesprávne použitie alebo nedostatočná údržba môže viesť k nepresným výsledkom a skresleným informáciám o pevnosti materiálu.

Nesprávne použitie nástroja

• Použitie Schmidtovho kladivka na meranie iných materiálov: Schmidtovo kladivko je určené len na meranie obyčajného hutného betónu, ktorý je zhotovený z bežne používaného kameniva s objemovou hmotnosťou zŕn väčšou ako 2500 kg/m3 a z portlandského cementu. Z tohto dôvodu je nevhodné použitie tejto metódy napríklad na meranie pevnosti v tlaku betónových podláh s finálnou úpravou. Je dôležité poznamenať, že existujú špecializované verzie, ako napríklad Schmidtovo kladivo na drevo DRC, ktoré slúži na kvalitatívne posúdenie tvrdosti a pružnosti dreva, čo podčiarkuje potrebu výberu správneho nástroja pre konkrétny materiál.
• Nedostatočná, alebo dokonca žiadna príprava povrchu skúšobného miesta: Zvlášť u betónov so silnou vrstvou vyplaveného cementového mlieka je tak meranie úplne znehodnotené. To sa týka aj betónových podláh zasypaných začerstva cementom a zahladených, tzv. „gletovaných“ podláh. Pokiaľ vykonáme meranie na tejto vrstve, zistíme vysoké pevnosti, ktoré však nezodpovedajú skutočnej pevnosti celého prierezu konštrukcie.
• Meranie na štrkovitom betóne s veľkými zrnami kameniva: Ak vykonáme skúšobné meranie priamo na kamenive, zaznamenáme vysokú hodnotu, ktorá však nezodpovedá pevnosti betónu ako celku.
• Meranie na extrémne tenkých plávajúcich poteroch: Ak sa meranie vykonáva na potere, ktorého hrúbka sa pohybuje okolo 2-4 cm, ktorý zároveň nie je pevne spojený s podkladom („duté miesta“), nemožno túto metódu použiť. Tenká vrstva poteru pod úderom razníka Schmidtovho kladivka pruží a zistená hodnota následne nezodpovedá skutočnosti. Takéto merania sprevádzajú charakteristický „dutý“ zvuk a na ukazovateli sa obvykle neukáže žiadna hodnota.

Starostlivosť o prístroj a kvalifikácia obsluhy

• Nevyčistený, nezriadený prístroj: Vzhľadom na podmienky, v akých sa Schmidtovo kladivko používa, najmä vysoké prašnosti na stavbách, je nutné ho podľa frekvencie používania dávať čistiť a nastavovať v autorizovanom servise. Neodporúča sa vykonávať demontáž a čistenie vlastnými silami, pretože po zostavení nie je možnosť správneho nastavenia a kontroly meraných hodnôt na stanovenej metrologicky naviazanej nákove. V žiadnom prípade sa nesmú pri údržbe prístroja používať oleje alebo tuky - ich použitie má za následok spolu s prachom z prevádzky vznik brúsnej pasty, následné skresľovanie nameraných hodnôt až zadretiu.
• Nekvalifikovaná obsluha: Tiež kvalifikácia pracovníka vykonávajúceho skúšku je veľmi dôležitá. Ten musí vedieť posúdiť, či na stanovenom mieste možno vykonať po riadnej úprave povrchu plnohodnotné meranie, musí s citom dodržiavať vždy kolmý smer tvrdomeru k povrchu meraného miesta a pevné pritlačenie k povrchu, aby nedošlo k odskočeniu celého prístroja.

Metrológia a kalibrácia

Tvrdomerné kladivko SCHMIDT bolo pôvodne podľa zákona č.505/1990 Zb. o metrológii vedené ako stanovené meradlo s predpísanou lehotou metrologického overovania 1 rok. V súčasnej dobe je už zo stanovených meradiel vybraté. Toto meradlo sa teraz kalibruje, užívateľ si stanovuje kalibračné lehoty sám. Prístroj sa používa na kalibráciu a pravidelné riadenie Schmidtovho kladiva, čo zaručuje dlhodobú presnosť a spoľahlivosť meraní.

tags: #ako #sa #pouziva #kladivo #schmidt