Odtrhová pevnost

Co je to? Název přesně a výstižně vyjadřuje to, o co jde: o adhezní napětí v mezní (stykové) vrstvě nebo o kohezní napětí v některé z přítomných vrstev, odtrhává-li se něco od něčeho. Samozřejmě tím není myšleno třeba odtržení rukávu od saka při rvačce, ale jedná se o objektivní a exaktní zkoušku stavebního materiálu nebo konstrukce. Ke zkoušenému materiálu (vrstvě, souvrství) se vhodným (tím je myšleno materiál, vrstvu nebo souvrství neovlivňujícím) způsobem připojí (přilepí) vhodný (tím je myšleno nedeformující se, tuhý) element, nazývaný obvykle »terč« (ačkoli střelecký terč připomíná jen svým kruhovým tvarem a navíc ani nemusí být vždy kruhový), který je upraven pro připojení k danému zkušebnímu zařízení.

Zkušebním zařízením se pak vyvozuje na terč (a potažmo i na materiál, vrstvu nebo souvrství pod ním) pokud možno kolmá (k připojené ploše terče) síla, vzrůstající pokud možno předepsanou a definovanou rychlostí až do porušení v některé části zkoušeného systému.

Vhodným měřícím zařízením se přitom určuje velikost působící síly v každém okamžiku zkoušky a hlavně v okamžiku porušení. Velikost působící síly, dělená plošným rozměrem terče, udává pak onu odtrhovou pevnost. Jde tedy vlastně o pevnost v čistém tahu nejslabší části zkoušeného systému. Pokud jsou zachována jistá pravidla, která budou zmíněna dále, poskytuje tato zkouška nejobjektivnější hodnotu tahové pevnosti daného systému ze všech známých zkoušek a navíc ji lze aplikovat in situ, tedy na místě, na stavbě, bez ovlivnění různými zásahy, potřebnými k přípravě tahové zkoušky jinými metodami nebo bez nejistoty mezi realitou a výsledky zkušebních těles, je-li kontrola prováděna jejich pomocí.

K čemu to je?

Pozornému čtenáři předchozího odstavce netřeba patrně dalšího vysvětlení. Jde prostě o zjištění jednoho z důležitých kvalitativních mechanických parametrů materiálu či soustavy materiálů (vrstev). Jde-li o zkoušku materiálu, jde skutečně pouze o stanovení jeho pevnosti v čistém tahu. Jde-li o souvrství, jde o zjištění nejslabšího článku tohoto souvrství. Může to být pevnost v čistém tahu kterékoli z jeho částí, nebo soudržnost (přilnavost, adheze) mezi některými z přítomných vrstev. Z toho již plyne, kdy a proč takovou zkoušku je třeba provést. Často je předepsána s ohledem na další namáhání (které může být jakéhokoli druhu, od mechanického až třeba opakovaným zmrazováním), např. normou či jiným předpisem nebo požadavkem investora, určitá hodnota tahové pevnosti. Ve většině případů jde o posouzení vlastností souvrství, u nichž je předepsána (ovšem kromě jiného) určitá minimální hodnota tahové pevnosti základní (podkladní) vrstvy systému před pokládáním či nanášením další vrstvy nebo dalších vrstev. Po dokončení (někdy i v průběhu prací u vícevrstvých systémů) je třeba se přesvědčit, nebo je předpisem přímo požadováno se přesvědčit, o kvalitě vykonaných prací. K tomu všemu (opět budiž zdůrazněno, že kromě jiného) slouží jedinečným způsobem právě odtrhová zkouška. Rozhodně žádná jiná mechanická zkouška (např. zkouška tvrdosti Schmidtovým kladívkem) nemůže podat objektivnější výsledky o kvalitě zkoušeného materiálu nebo souvrství. Odtrhová zkouška se používá (kromě již zmíněného požadavku na určení objektivní pevnosti materiálu v čistém tahu) především tam, kde se zkoušený systém skládá z více vrstev, jako jsou nátěry a laky, izolační vrstvy, různé podlahoviny, omítky, nástřiky, lepené vrstvy (dlažby, obklady, mozaiky apod.) atd.

Jak na to?

Pomineme-li v tomto okamžiku zkušební přístroj, kterému se budeme věnovat zvlášť později, je třeba při zkoušce odtrhové pevnosti dbát (ostatně jako při jakékoli zkoušce. která má mít objektivní vypovídací schopnost) na důsledné splnění řady parametrů a postupů. Tak především plocha, na které se provádí zkouška, musí být přesně a definovaně ohraničena. To se zajišťuje vývrtem (předvrtem), který musí být přesně tak velký, jako jsou použité zkušební terče. Vývrt, který má být nejméně o 5 mm hlubší, než poslední hranice mezi vrstvami nebo než povrch při zkoušce materiálu, zajistí, že k porušení dojde na definované ploše a je možno proto z mezní síly stanovit přesně i mezní napětí, či odtrhovou pevnost. Bez vývrtu nemá odtrhová zkouška žádnou objektivní cenu. Napětí pod terčem se v takovém případě roznáší s rostoucí hloubkou na stále větší plochu a porušení nastává v náhodně nejslabších místech v zasažené oblasti. Velikost zatěžované plochy (a tedy zkušebního terče) nemá podstatný (nebo žádný) vliv, pokud se nevybočí ze zásady, že jednak průměr terče musí být alespoň třikrát větší, než největší zrno (nehomogenita) zkoušeného materiálu a dále, že k porušení dochází při napětí, převyšujícím alespoň pětinu odpovídajícího silového rozsahu zkušebního přístroje. Tak např. při odtrhové zkoušce betonové mazaniny s velikostí zrn do 15 mm musí mít terč průměr alespoň 45 mm a při odtrhové pevnosti 0,8 MPa by maximální silová kapacita přístroje při použití terče o průměru 50 mm měla být nejvýše 8 kN. Při odtrhové pevnosti např. 0,4 MPa a stejné velikosti terče by maximální silová kapacita přístroje neměla přestoupit 4 kN. Proto je vhodné použít spíše než subtilního přístroje větší průměr terče: např. 75 mm, tedy s průměrem 1,5 krát větším, je největší přijatelná silová kapacita přístroje 2,25 krát větší, tedy alespoň 9 kN. U relativně homogenních materiálů nezáleží tedy prakticky vůbec na velikosti zkušebního terče, je-li zachována úměrně dostatečná velikost silové kapacity přístroje tak, aby se nejmenší naměřená hodnota pevnosti pohybovala alespoň nad jednu pětinu maximální síly, kterou lze přístrojem vyvodit. Další veličinou, která významně ovlivňuje dosažený výsledek, tedy odtrhovou pevnost, je rychlost zatěžování. Čím pomaleji je zatěžováno, tím se získá nižší hodnota pevnosti a naopak. Nejčastěji je považována za rozumnou rychlost zatěžování 100 N/sec a při všech zkouškách by měla být dodržována, mají-li být výsledky srovnatelné. Zkušební terče musí být, jak již bylo zmíněno, dostatečně tuhé, aby nedocházelo během zatěžování k jejich deformaci a tím nerovnoměrnému rozdělení napětí na stykové ploše, a tedy ani ve zkoušeném systému. Deformace terčů může způsobit zdánlivě nižší hodnoty odtrhové pevnosti, přičemž toto snížení není prakticky definovatelné. Terče musí být proto vyrobeny z materiálu s co nejvyšším modulem pružnosti a určitou minimální tloušťkou či s vyztužením např. žebírky nebo radiálními náběhy. Lepidlo nesmí chemicky ovlivňovat látku, na níž je lepen, ani nesmí významným způsobem fyzikálně měnit zkoušenou látku (např. hloubkovou penetrací). Proto i tomuto hledisku je třeba věnovat přiměřenou pozornost, jinak lze získat udivující výsledky, které ale s odtrhovou pevností zkoušeného systému nemají nic společného.

S čím na to?

Samozřejmě s přístrojem a příslušenstvím specielně ke zkouškám odtrhové pevnosti navrženými a vybavenými. Prvním úkonem je provedení vývrtu (někdy nazývaným předvrtem či návrtem) do potřebné hloubky jádrovým vrtákem a to tak, aby vývrt byl co nejpřesnější, tedy odvrtaná spára co nejtenčí a v celé hloubce stejná. Toho se dosáhne jednak použitím vrtáku (obvykle diamantového) určeného pro daný materiál, jednak použitím speciálního zařízení k vývrtu. To musí zajistit, aby vyvrtávání probíhalo po celou dobu vrtání ve stejné stopě, tedy aby bylo zajištěno, že nedojde během vrtání k postrannímu posuvu vrtáku, dále, aby vrták, pokud jde o tvrdé materiály, byl stejnoměrně a trvale během celého vrtání chlazen dostatečným přísunem vody a konečně, aby podle druhu vrtáku i vrtaného materiálu byly jeho otáčky přiměřené. Z uvedeného například plyne, že v žádném případě nelze vývrt řádně provést tzv. z ruky, bez chlazení (ve většině případů) a s vrtačkou bez možnosti měnit otáčky. Před další přípravou zkoušky je třeba povrch dobře mechanicky očistit a, pokud vrtání probíhalo za mokra, vývrt a zkoušené těleso řádně, ale rozumnou teplotou, vysušit. Lze použít s výhodou např. horkovzdušné pistole, nicméně je třeba úzkostlivě dbát na to, aby teplota horkého vzduchu nepřekročila kritickou teplotu vysušovaného materiálu, nad níž již dochází k nevratným chemickým nebo strukturálním změnám. Na vysušený a očištěný povrch vývrtu nalepí se pak, znovu zdůrazněno vhodným lepidlem, zkušební terč. Vrstva lepidla by měla být co nejslabší a případné přetoky lepidla na okrajích musí být ještě v čerstvém stavu důsledně odstraněny. Zejména je třeba dbát na to, aby lepidlo nevteklo do vyvrtané spáry. Po úplném vytvrzení (které je různé podle druhu lepidla a je udáno jeho výrobcem, také ovšem v závislosti na podmínkách okolí), které by mělo probíhat za mírného tlaku (tedy s terči zatíženými přiměřeným závažím), dochází konečně k osazení zkušebního zařízení a uchycení zkušebních terčů k němu. Zde je nutné, aby pokud možno působící síla byla kolmá ke styčné ploše terče s vyšetřovaným materiálem nebo systémem. Často se objevuje v praxi nepříliš odborně podložený názor, že by přístroj měl stát na jakési podložce co největších rozměrů, opřených třemi výškově aretovatelnými body (nožičkami) o podklad, aby bylo dosaženo (jde-li ovšem o zkoušku na horizontálním povrchu) perfektně horizontálního postavení podložky a tím perfektně vertikálního postavení zkušebního přístroje (a tedy i působení síly). Zastáncům tohoto názoru poněkud uniká, že zkušební terč a jeho podklad, vzdálený značně od podpor přístroje, může být významně nerovnoběžný s podložkou a tím se ze zdánlivé přednosti tohoto řešení stává významná nevýhoda. Naopak, přesný opak této koncepce je smysluplný: čím blíže bude opěrná plocha (nebo body) k terči, tím přesnější bude měření, neboť působící síla bude působit s větší jistotou kolmo ke stykové ploše terče s podkladem. Mírná nerovnost (nehorizontálnost) povrchu přitom nijak nevadí. Je samozřejmé, že obě řešení musí vyvozovat sílu na terč přes funkční kloubové uložení, o tom není pochyb. Druhé řešení přináší ihned další výhodu: celé zařízení se stává významně lehčí, operativnější, snadněji manipulovatelnější a ovladatelnější. Nezbytné je, aby vyvozovaná síla byla měřena elektronicky. Mechanické měření např. hodinkovými indikátory je nepřesné a vždy bude, i když budou deklarovány sebejistější kontrolní ručičky hodinek. Domněnka, že lze získat přesný výsledek tímto způsobem je a zůstane pouhou iluzí. Rychlost zatěžování při ručním zatěžování musí být nějakým způsobem měřena a zřetelně indikovatelná. To lze zajistit opět pouze elektronicky. Při zatěžování elektrickým motorem je pak nezbytná zpětná vazba, bez které nelze zabezpečit v průběhu celého měření přesnou hodnotu rychlosti zatěžování. To je opět možné jen elektronicky. Ideálem je, aby bylo možno veškeré informace o mnoha zkouškách provedených v terénu (na stavbě), kde obvykle nejsou nejlepší podmínky pro úřadování, nechat uloženy v měřící jednotce a pracovat s nimi později, v příjemných podmínkách své kanceláře.

A konečně. Máme řešení?

Nestává se to nejčastěji, ale máme. Úsilím zkušených pracovníků společnosti COMING Plus a.s. byl vyvinut, zkonstruován, mnohonásobně vyzkoušen a nyní je již běžně vyráběn odtrhový přístroj OP ve třech verzích lišících se komfortem a doplňkovým vybavením. Přístroje jsou však konstruovány tak, že lze začít s nejjednodušším přístrojem a postupně jej doplňovat a vybavovat se dalším příslušenstvím až k nejkomplexnější verzi.

Přístroj OP 1/X je nejjednodušší, lehce přenosný, ale zajišťující dvě nejhlavnější funkce: umožňuje měřit napětí (na displeji v MPa pro terč o průměru 50 mm) při rostoucím i klesajícím zatížení stejně jako určit a zaznamenat napětí při porušení a dále zvukově indikuje rychlost zatěžování 100 N/sec. K dalším funkcím přístroje patří samozřejmě varování před přetížením a vybitím baterie. X ve zlomku označení přístroje určuje silový rozsah, postupně 3; 7; 11; 15 a 25 kN (označení 0, 1, 2, 3, 4), což odpovídá pro nejobvyklejší průměr terče 50 mm napětí ca 1,5; 3,5; 5,5; 7,5 a 12,5 MPa. Zatěžovací část přístroje OP 1 je shodná se zatěžovací částí ostatních verzí přístrojů a zatěžování lze vyvozovat buď ručně vratidlem (základní vybavení), nebo ručně prostřednictvím převodovky. Do základní výbavy patří deset terčů průměru 50 mm, dva terče průměru 100 mm, adaptér pro tyto terče, nástavec ramen vratidla a baterie 9 V. K měřicí jednotce lze připojit kterýkoli ze silových modifikací zatěžovací jednotky, vyžadující však nové přecejchování celé soustavy.

Přístroj OP2/X je vybaven v základním provedení komplexní měřicí a řídicí jednotkou (v plastovém pouzdře), která umožňuje specifikovat volitelné parametry zkoušky, jako je průměr kruhového terče nebo plocha terče jiného tvaru, rychlost zatěžování, zobrazení síly nebo napětí na barevném mnohořádkovém displeji, grafické zobrazení skutečné a zvolené rychlosti zatěžování (podle něhož lze velice citlivě reagovat při ručním zatěžování) a dále udává řadu dalších potřebných hodnot, vztahujících se ke zkoušce, jako datum a čas měření (s časovou základnou řízenou LCF signálem s přesností jedna miliontina vteřiny za sto let), pořadové číslo měření (v rozsahu 1 až 100). Měřicí jednotka umí podle volby komunikovat v českém nebo anglickém jazyce a pracovat s metrickými nebo anglickými jednotkami. Samozřejmostí je i varování před přetížením, stejně jako údaj o okamžité úrovni nabití akumulátoru. Všechny potřebné údaje o každé zkoušce jsou uvedeny na displeji a zachovány v paměti přístroje, nezávisle na zdroji proudu. Tyto údaje o každé v paměti uložené zkoušce lze vyvolat v digitální nebo grafické formě kdykoli na displeji, nebo vytisknout (např. i přímo na místě zkoušení) po připojení minitiskárny (doplňková výbava), či konečně po připojení k počítači získaná data uložit a zpracovat kdykoli později libovolným způsobem. Zabudovaný akumulátorový zdroj vystačí pokrýt bez dobíjení nejméně 100 kompletních měření. V základním vybavení tohoto typu přístroje je integrovaný dobíjecí člen měřicí jednotky, 5 terčů průměru 50 mm, po jednom terči průměru 75, 100, 125 a 150 mm, adaptéry pro terče průměru 75 a 100 mm, 125 a 150 mm a adaptér pro kruhové nebo čtvercové terče průměru 50 mm větší tloušťky, jmenovitě 10 mm, adaptér pro měření na svislých nebo silně skloněných površích a samozřejmě příslušné propojovací kabely a software měřící jednotky. Základní zatěžovací systém u tohoto typu je ruční vratidlo, lze však použít jak ruční převodovku, tak akumulátorový motor s kapacitou akumulátoru až 100 měření (obojí doplňková výbava), pro jehož zapojení a řízení se zpětnou vazbou je měřící jednotka opatřena. Zatěžovací rozsahy jsou obdobné jako u přístroje OP 1, na měřící jednotce jsou nastavitelné a jednotlivé silové modifikace se liší pouze typem zatěžovací jednotky. Při změně silové modifikace (zatěžovací jednotky) je přirozeně nutné provést nové přecejchování soupravy.

Přístroj OP3/X obsahuje v základním provedení kromě výbavy přístroje OP2/X téměř všechny další doplňky, jako je např. ruční převodovka (s kličkou), akumulátorový motor s nabíjecím zdrojem, minitiskárna s nabíjecím zdrojem, ale ještě další adaptér pro měření na silně nerovných površích k zajištění vertikálního postavení zatěžovací jednotky. Tento poslední doplněk je sice objektivně zbytečný (jak vysvětleno shora), nicméně uspokojí ty experimentátory, kteří jeho použití pokládají za nezbytné. Měřící jednotka, která je uložena v hliníkovém pouzdře, je vybavena stejným softwarem jako měřící jednotka přístroje OP2/X, v dalším inovovaném typu se však počítá s doplňkovým vybavením, které dále zlepší komfort užití. Klávesnice bude vybavena číselnou stupnicí s možností alfanumerického přepnutí (podobně jako u mobilních telefonů), aby bylo možno nejen využít základní statistický software v jednotce vložený, ale i zapisovat k jednotlivým měřením poznámky např. o umístění měřeného místa, o způsobu porušení (k tomu bude též sloužit speciální zabudovaná stupnice), takže veškeré údaje o každém měření budou soustředěny na jednom místě a experimentátor nebude potřebovat žádné další pomůcky (zápisník, psací potřeby atd). Základní vybavení tohoto přístroje je ještě doplněno soupravou lepidel 5×6 g na akrylátové bázi (souprava stačí k přilepení nejméně tří terčů průměru 50 mm).

Ke všem třem přístrojům patří, a je pro správné provedení zkoušky nezbytné, zařízení na provedení bezchybného vývrtu. Takové zařízení musí být stabilní, musí mít možnost proměny otáček, musí být vybaveno vhodným jádrovým vrtákem a zařízením na kontinuální chlazení řezu. Takové zařízení, které se v praxi výborně osvědčilo pro svou jednoduchost a stabilitu, je rovněž k přístrojům dodáváno jako zvláštní příslušenství (P 29).