11. Приборы и методы неразрушающего контроля качества материалов строительных конструкций

При оценке несущей способности и общего состояния конструкции одним из основных факторов является прочностные показатели материала конструкции.

Классический способ определения механических свойств строительных материалов является испытание до разрушения образцов определенной формы и размера.

В случае проверки прочности бетона существующей конструкции или сооружения это осуществляется извлечением из него образцов: выкалыванием, выпиливанием и высверливанием. При этом нарушается целостность самой конструкции и «естество» вынимаемого образца – нарушается структура, появляются трещинки и д.т. (ГОСТ 10180-67).

Развитие физики и радиоэлектроники позволило разработать и внедрить в исследовательскую практику так называемые неразрушающие методы контроля качества материала. Условно их можно разделить на физические, механические и комплексные.

Наряду с большими преимуществами (целостность конструкции, многократное испытание, быстрота и определение параметров в любой точке конструкции) этого метода можно отметить его недостатки: результат не получают непосредственно в виде искомого фактора, а в виде косвенного показателя (скорость прохождения ультразвука, диаметр отпечатка).

Рассмотрим подробнее отдельные виды приборов неразрушающего метода испытаний.

Резонансный метод. Этот метод основан на возбуждении колебаний в образцах. Колебания переменной частоты изгибные, крутильные, продольные.

После снятия показаний строят резонансную кривую. Далее по этой кривой определяют динамический модуль упругости , модуль сдвига , логарифмический декремент затухания и показатель прочности бетона.

При определении частот собственных колебаний и логарифмического декремента затухания колебаний для железобетонных конструкций, работающих на статические и динамические нагрузки, используют изгибные колебания.

Частоту изгибных колебаний определяют по формуле: , где

- частота собственных колебаний (гц); - коэффициент, характеризующий тон колебаний, вид опорного закрепления или для арочных конструкций стрелу подъема; - приведенная жесткость; - погонная масса (кг сек/см²); - поправочный коэффициент, зависящий от отношения высоты сечения к пролету ( ) и коэффициента Пуассона (для ); - длина элемента (см.).

Логарифмический декремент колебаний определяется по ширине резонансного пика на уровне половины максимальной амплитуды по формуле: , где - резонансная частота колебаний образца; и - частоты колебаний соответствующие амплитудам, равным до и после резонанса.

Схема определения частоты собственных изгибных колебаний образца.

Испытуемый образец устанавливается на опоры стенда. Частота собственных колебаний стенда в 12-15 раз больше, чем собственная частота элемента. С помощью возбудителя, установленного внизу балки посредине в ней возбуждают незатухающие колебания. В том же месте, но с верхней стороны образца установлен приемник с усилителем, который соединен с осциллографом.

Резонанс – совпадение частот собственных и вынужденных колебаний. Значение резонансной частоты определяется по шкале генератора колебаний.

Для определения предела прочности бетона резонансным методом применяют приборы типа ИЧМК-2, ИАЗ3, УЗ-5, ПИК-8 и т.д.

Прочность бетона оценивается с помощью специальной тарировочной кривой, построенной для бетона испытываемого образца.

Динамический модуль упругости можно выразить через частоту собственных продольных колебаний: , где - длина образца; - акустическая плотность бетона; - частота собственных колебаний образца.

Коэффициент Пуассона: , где - коэффициент формы сечения образца ( , ); и - частоты собственных колебаний образца при продольных и крутильных колебаниях.

Импульсивный ультразвуковой метод. Механические колебания, частота которых превышает 20кгц, называют ультразвуковыми.

В твердых телах могут распространяться продольные, поперечные (сдвиговые) и поверхностные волны.

продольные поперечные поверхностные

1- направление вибрации; 2- направление волн.

Скорости продольных волн примерно вдвое больше скорости поперечных. Скорость поперечных примерно на 10% меньше поперечных. Между скоростью распространения ультразвука (м/сек), длиной волны (м) и частотой (гц) существует зависимость: .

Скорость распространения ультразвука зависит от плотности и упругости среды: , где - акустическая плотность среды, - объемная масса материала.

Эта формула соответствует стержневым телам (призма, цилиндр) с соотношением размеров и ( - длина стержня, - диаметр).

Для типа скорость определяется по формуле: , где - динамический коэффициент Пуассона, определяемый отношением скоростей распространения продольных и поперечных волн: .

В бетонных массивах при , скорость распространения ультразвуковых поперечных волн равна: .

В неоднородных телах при распространении ультразвуковых волн всех видов имеет место отражение, перелом и дифракция законы, которых аналогичны законам оптики.

Для получения ультразвука существует несколько способов, в том числе пьезоэлектрический. Он основан на способности некоторых кристаллов менять размеры под воздействием электрического тока. Такими свойствами обладает кварц, сегнетовая соль, титанат бария и т.д. Это свойство обратимое (т.е. при деформировании таких веществ на них выделяется электрический заряд) и называется пьезоэффектом.

Высокочастотный электронный генератор (1) периодически посылает импульсы в излучатель (датчик 2), в котором находится пьезоэлемент, преобразующий электроимпульсы в ультразвуковые. Пройдя исследуемый бетонный элемент (3), импульсы попадают на приемный щуп (датчик 4), где они преобразуются в электрические импульсы. Пройдя через усилитель (5), сигнал попадает на экран осциллографа (6).

В момент попадания электрического импульса на щуп-излучатель на экране осциллографа появляется зубец (а), зубец (b) появится при поступлении на щуп-приемник ультразвуковой волны после прохождения ею материала. Специальный блок меток электронного времени показывает время прохождения метки. Умножая количество меток между зубцами на цену деления получим время (t) в микросекундах.

Рис. 17. Упрощенная блок схема ультразвукового прибора.

Первый прибор был изготовлен в МГУ в 1947 году. Сейчас имеются несколько приборов: УП-4; УКБ-1; Ш; ДУК-20; Бетон-3М и другие.

Определение прочности бетона ультразвуковым методом производят следующим образом:

1. Выбирается место «прозвучивания». Раковины и трещины заштукатуривают и затирают.

2. Железобетонные конструкции и изделия с большой площадью поверхности прозвучивают в точка, расстояние между которыми 1-2 м.

3. При испытании железобетонных конструкций направление движения ультразвуковой волны не должно совпадать с направлением арматуры.

4. В точках соприкосновения щупов и поверхности бетона покрывают акустической смазкой (машинное масло, жидкое мыло, солидол, технический вазелин). При серийном испытании конструкций контактная смазка должна быть одинаковой.

5. Схема измерения (расположения щупов) зависит от размеров элементов и доступности их поверхностей.

Рис. 18. Сквозное прзвучивание поверхностей элемента.

а) при доступности обоих поверхностей элемента при толщине бетонного массива до 15 см. b) при невозможности установки щупов на одной прямой. c) при доступности одной стороны. d) тоже взаимно перпендикулярных сторон.

Автоматический измеритель деформаций АИД-1М:

1 - рукоятка устройства для балансировки моста на фазе;

2 – шкала;

3 – клемма для заземления прибора;

4 – выключатель сетевого питания;

5 – стрелки

6 – клеммы А, О, К для подключения тензорезисторов;

7 – индикаторная лампа.

Рис. 19. Автоматический измеритель деформаций АИД-1М.

Прочность бетона исследуемой конструкции определяют по тарировочной кривой, которую заранее строят для заданного состава бетона. Тарировочную кривую строят путем параллельных испытаний стандартных кубов 20х20х20 см в количестве 48 штук, производится сопоставления скорости прохождения ультразвука и предела прочности на сжатие на прессе.

Направление прозвучивания должно быть перпендикулярно бетонированию. Для прозвучивания выбирают 4 точки по углам куба и одну в середине. В этих точках измеряют базу прозвучивания (толщину куба). , где и - эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам обработки испытаний; - основание натурального логарифма; - плотность материала.

При отсутствии возможности построения тарировочной кривой ориентировочное значение прочности бетона можно определить по формуле: , где - среднее значение предела прочности по данным испытания контрольных кубов; - скорость распространения ультразвука в бетоне конструкции; - средняя скорость распространения ультразвука в контрольных кубах.

Ударный метод. Аналогичен ультразвуковому. Применяется при изделиях большой длины и объема.

Радиометрический метод. Сущность радиометрического метода – пучок гамма лучей проходит через массу бетона, интенсивность его уменьшается. Это уменьшение находится в определенной зависимости от разных показателей бетона, и в том числе предела прочности.

Наиболее распространенным источником гамма-излучения является СО⁶⁰. Активность его равна 15 милликюри и проникающая способность до 80 см бетона.

Скорость распространения гамма лучей постоянна, не зависит от количества энергии и равна 300000 км/сек (скорость света).

Радиометрическим способом можно контролировать:

- плотность и влажность;

- качество выпускаемой продукции (раковины, скрытые дефекты);

- контроль управления технологическим процессом.

Существует два метода контроля плотности бетонных и железобетонных конструкций:

- метод сквозного просвечивания;

- метод рассеяния луча.

На рисунках 21 и 22 представлены лабораторная и полевая установки для контроля плотности конструкций.

1. источник радиоактивности;

2. бетонный элемент;

3. счетчик импульсов (ФЗУ-52, кристалл NaJ);

4. регистрирующий прибор.

5. Особое внимание при производстве работ следует обратить на технику безопасности.

Рис. 21. Сквозное просвечивание.	Рассеянное (ослабленное) излучение.