6.2.2. Ультразвуковая дефектоскопия бетона и железобетона

Ультразвуковая методика выявления зон термических поражений основана на измерении скорости прохождения ультразвукового импульса на различных участках бетонных и железобетонных конструкций, расположенных в зоне пожара.

Ультразвуковые волны, как известно, различают продольные и поверхностные. Проведенные исследования [4, 133] показали, что наи­бо­лее эффективна фиксация прохождения в слое бетона поверхност­ных УЗ-волн. Глубина их локализации в бетоне составляет 25-30 мм при рабочей час­тоте 90 МГц, что позволяет осуществлять зондирование имен­но поверхностного, наиболее подверженного тепловому воздействию пожа­ра слоя.

Разрушение бетона под воздействием температуры, возникновение в его массе микротрещин приводит к последовательному снижению скорости УЗ-импульса с увеличением температуры и длительности нагрева (рис. 1.67). Для отдельных марок бетона и типов заполнителей снижение скорости и ее абсолютные значения при различных температурах несколько отличаются друг от друга, однако тенденция снижения общая. Наличие корреляции скорости прохождения поверхностной УЗ-волны в бетоне с температурой и длительностью нагрева дает возможность рассматривать скорость как критерий степени термического поражения бетонных и железобетонных конструкций на месте пожара. Таким образом, измерив скорость прохождения УЗ-волн на различных участках одной конструкции (например, плиты перекрытия потолка комнаты) или на однотипных конструкциях, можно по полученным данным выявить зоны термического поражения указанных конструкций.

а - бетон М-200 б - бетон М-400

Рис. 1.67. Зависимость относительной скорости поверхностных УЗ-волн от температуры и длительности нагрева бетона [4]

Прозвучивание конструкций проводится с помощью аппаратуры, описанной в главе “Приборы и оборудование...”.

На месте пожара визуальным осмотром выбирают конструкции для обследования. Составляется план конструкции в масштабе и делается разметка для прозвучивания - на плане и на самой конструкции. Шаг про­звучивания (расстояние между участками, на которых производят измерения) выбирается в зависимости от степени поражения и размеров конструкции, в пределах от 25 см до 1 метра.

В точках прозвучивания поверхность конструкции зачищается от остатков штукатурки, шпатлевки и других наслоений для создания хорошего акустического контакта.

Известно, что на результаты прозвучивания может оказывать влияние армирование бетона. Если направление распространения УЗ-волны и направление арматурного стержня совпадают, то скорость волны полу­чается завышенной. Если же направление прозвучивания перпенд­икулярно к арматуре, то арматура не влияет на результаты измерений. Поэтому в намеченной точке конструкцию необходимо прозвучивать при двух взаимно перпендикулярных положениях шаблона с концентраторами и из получен­ных данных выбирать наибольшие значения времени прохождения УЗ-им­пуль­сов. Необходимо также учитывать наличие и направление стыков меж­ду плитами и панелями [4].

В том случае, если прозвучиванию подвергаются вертикальные эле­менты конструкции (стены, колонны и т.д.), точки измерений желательно выб­ирать на одной высоте, прозвучивая стены по всему периметру помещения с шагом в 0,5-2 м (исходя из размеров помещения).

Остановимся немного на технических особенностях самого процесса измерения времени прохождения УЗ-импульса.

Как отмечалось в главе “Приборы и оборудование...”, наиболее надежные результаты дает использование для измерений приборов с электронно-лучевой трубкой для индикации сигнала - типа УКБ или УК-10 П (УК-10 ПМ, УК-10 ПМС). Но и при пользовании этими приборами имеются определенные нюансы, не учитывая которые точных результа­тов не получить.

Ультразвуковой сигнал на экране прибора фиксируется в виде синусоиды (рис.1.68). При этом отсчет прохождения импульса положено производить по визуальному началу фронта (точка (а) на рис. 1.68). Но определение этой точки - довольно сложное дело, так как кривая полога, и на ее крутизну влияет не только природа самого материала, но и множество сопутствующих факторов, в частности, качество акустичес­кого контакта с бетоном. Последнее проявляется в том, что при изме­нении силы прижатия датчиков к бетону точка (а) “плавает”, меняя свои координаты. Неточное же определение начала фронта импульса при­водит к 10-20 % погрешности измерений.

Чтобы уменьшить эту погрешность, в работе [140] предлагается отсчет фронта импульса производить не по точке (а), а по точке (б) мни­мо­го пересечения аппроксимированной кривой с нулевым уровнем (рис. 1.68). Практически сделать это можно, устанавливая на экран элект­ронно-лучевой трубки специальную маску из стекла или прозрачного пластика с изображенным на ней “шаблоном” сигнала. Описание такой маски чита­тель, при необходимости, может найти в статье [140].

Рис. 1.68. Сигнал (осциллограмма) при измерении скорости ультразвука в бетоне

При экспертизе пожа­ров, однако, необходимость в точном опреде­ле­нии абсо­лютного значения скорости прохождения ультразвука возни­ка­ет довольно редко, например, при установ­ле­нии марки бетона, из кото­ро­го сделана конструк­ция. При решении же главной задачи (оценке сте­пени тер­мического пораже­ния конст­­рукций) определяют, как правило, относительную скорость прохождения ультразвука (на одних участках конструкции по сравнению с другими). При этом фиксировать фронт импульса по точке (а) во избежание ошибок также не следует, но можно обойтись и без определения точки (б). Для этого время прохождения УЗ-импульса фиксируют по первому максимуму принимаемого сигнала, т.е. по точке (в) (рис. 1.68). Как показано в работе [133], это удобно и дает достаточно надежные результаты, в том числе, при измерениях непосредственно на месте пожара.

Для каждой выбран­ной точки конструкции на пож­аре целесообразно про­во­дить не менее 3-5 изме­рений и рас­считывать сред­нее значение времени про­хож­дения повер­хностной УЗ-волны (_r, мкс).

Кроме основных измерений, необходимо на однотипной конструкции, вне зоны горения, также определить среднее время прохождения ультра­звуковых волн, которое принимается за эталонное _ro.

Затем рассчитывается относительная скорость УЗ-волны в каждой исследуемой точке - отношение измеренной скорости к эталонной. Расчет проводят по формуле:

C_r/C_ro = (_r - _)/(_ro - _o), (1.57)

где _r - время прохождения поверхностных волн в исследуемой точке, мкс;

_ro- время прохождения поверхностных волн в непрогретой части конструкции, мкс;

_o - время задержки УЗ-импульса в датчиках и соединительных кабелях, мкс.

Время задержки импульса _o определяют, прижав датчики рабочими поверхностями друг к другу.

Рассчитанные значения относительной скорости C_r /C_ro наносят на план конструкции. Затем на плане выделяют зоны, в которых относи­тельная скорость ультразвука находится в пределах 1,0-0,9; 0,9-0,8; 0,8-0,7; 0,6-0,7 и т.д. Зона наименьшей относительной скорости прохож­дения ультра­звука будет соответствовать зоне наибольших разрушений конст­рукций под воздействием тепла [4].

Можно строить зоны термических поражений исследуемых конструкций и не вычисляя относительную скорость, а нанося на план ме­ста пожара непосредственно величины времени прохождения УЗ-им­пульса _r. В этом случае, зоне наибольших разрушений будет соот­ветствовать зона наибольшего времени прохождения УЗ-сигнала.

В случае необходимости и при известном времени активного го­рения, по относительной скорости поверхностных волн и данным рис.1.67 можно оценить максимальные температуры, до которых нагре­вались конструкции при пожаре в помещении.

В отдельных ситуациях, для оценки степени термического пораже­ния бетона, может быть применено и зондирование его продольными УЗ-волнами в направлении действия теплового потока. Такое исследование может оказаться целесообразным, если на месте пожара имеются желе­зобетонные колонны или другие подобные элементы, обогреваемые со всех сторон. Для фиксации скорости (времени) прохождения продоль­ных волн выполняется сквозное прозвучивание конструкции - датчики уста­навливаются по разные ее стороны, навстречу друг другу. На рис. 1.69 и 1.70 показаны зависимости изменения относительной скорости про­дольных волн от температуры и длительности нагрева для бетонного эле­мента сечением 100100 мм, подвергавшегося нагреву в лабораторных условиях.

Естественно, чем эле­мент толще в сечении, тем меньше (при определенной температуре и длитель­нос­ти нагрева) будут изме­не­ния относительной ско­рос­ти прохождения про­доль­ных волн. Вероятно, мож­но считать, что про­дольное прозвучивание це­ле­сооб­раз­но проводить в том слу­чае, если длитель­ность и интенсивность го­рения в поме­щении были достаточ­но велики. По край­ней ме­ре, температура нагрева по­верхности бето­на вряд ли должна быть меньше 400-500 ⁰С.

Рис. 1.70. Зависимость средней относительной скорости продольных УЗ-волн от температуры и продол­жи­тель­ности изотермического наг­рева

Рис. 1.69. Зависимость средней относительной скорости продольных УЗ-волн от конечной температуры нагрева бетонного куба. (Динамический нагрев со скоростью, град/мин:

1 - 10,0; 2 - 5,0. Сквозное прозвучивание в направлении действия теплового потока)

В работе [135] нами исследовалась возможность применения УЗ-метода на других материалах с цементным и известковым вяжущим - цементным камне раствора кирпичной кладки и силикатных кирпичах. Выяснилось, что указанные материалы обладают таким разбросом исход­ных акустических характеристик, что при нагреве до 600 ⁰С зафик­сировать в них ультразвуковым методом какие-либо изменения не уда­ется. При температуре нагрева 700 ⁰С и выше изменения в структуре материалов и, соответственно, скорости прохождения УЗ-волны стано­вятся весьма значительными - время прохождения УЗ-импульса увели­чи­вается (а скорость ультразвука, соответственно, снижается) в 1,5-2,0 и более раз (рис. 1.71). Такие изменения выходят за пределы разброса харак­теристик исходных материалов и могут быть уверенно зафикси­рованы УЗ-методом.

Рис. 1.71. Зависимость времени прохождения УЗ-импульса от темпера­туры и длительности нагрева:

а) цементный камень кладочного раствора; б) силикатный кирпич. (Температура изотермического нагрева указана на рисунке; охлаждение образцов после нагрева производилось водой)

Таким образом, можно констатировать, что метод УЗ-дефек­тоско­пии на материалах и конструкциях на основе цемента и извести может быть применен только для выявления зон нагрева выше 700 ⁰С. Исклю­чением являются рассмотренные ранее конструкции из бетона и железо­бетона заводского производства, у которых более равномерные исходные акустические характеристики позволяют работать в зонах от 200-400 ⁰С и выше.

Учитывая, однако, что УЗ-дефектоскопия является к настоящему времени практически единственным экспресс-методом исследования тако­го рода объектов непосредственно на месте пожара, использование ее даже в качестве метода предварительной оценки и выявления “горячих” (>700 ⁰С) зон нагрева можно считать целесообразным. Для получения более полной информации, после такого предварительного “зондажа” сле­дует отобрать пробы цементного камня, штукатурки, силикатного кирпича и т.п. материалов и исследовать их одним из рассмотренных ниже лабораторных методов - ИК-спектроскопией или рентгеновским фазовым анализом.