6.1.1 Основные методы ультразвуковой дефектоскопии

Для обнаружения и оценки размеров дефектов в бетоне нахо­дят применение два основных метода УЗ дефектоскопии: теневой и эхо-метод. На рис. 6.1 проиллюстрирован ТЕНЕВОЙ метод. Излу­чатель и приемник УЗК располагаются с противоположных сторон изделия и соосно перемещаются по поверхности контролируемого изделия. Если между излучателем и приемником окажется дефект, - позиция II, то интенсивность УЗК у приемника резко уменьшится (приемник попал в акустическую тень дефекта). Одним из недостат­ков метода является необходимость соосного расположения датчи­ков, что затруднительно выполнить при больших размерах изделия.

Рис. 6.1. Основные методы УЗ дефектоскопии:

а - теневой; б - эхо-метод;

1 - излучающий преобразователь;

2 - приемный преобразователь.

3 - дефект.

От этого недостатка свободен ЭХО метод - рис. 6.9б.; излу­чатель и приемник УЗК располагаются рядом, с одной стороны изделия. Информационным параметром является время распро­странения УЗК; без дефекта (позиция I), время распространения отраженного эхо-сигнала максимальное; при наличии дефекта (по­зиция II), время распространения скачком уменьшится, т.к. со­кращается путь для акустического сигнала от излучателя к при­емнику.

Необходимо отметить высокую чувствительность ультразву­ковых методов при обнаружении трещин, даже на самой ранней ста­дии их раскрытия. Повышение частоты зондирующего акустичес­кого сигнала позволяет повысить чувствительность методов поис­ка дефектов (это позволяет излучать УЗК более направленным пуч­ком и фиксировать более мелкие дефекты).

Но для бетонов есть ограничение в повышении частоты сиг­нала, обусловленное влиянием крупного заполнителя, зерна кото­рого при большой частоте колебаний дают ложные сигналы. Обычно для целей дефектоскопии ж/б изделий используют УЗК в диапазоне 40÷400 кГц.

6.1.2 Использование ультразвука для оценки прочнос­ти бетона

Пропуская через исследуемый материал ультразвуковой сиг­нал и измеряя его параметры, имеется возможность оценить меха­нические свойства образца материала: динамический модуль упругости Е, коэффициент Пуассона, вязкопластические свой­ства, прочность.

Это позволяет осуществлять так называемый пассивный конт­роль готовой продукции в строительном производстве, а также со­здавать системы, в том числе и автоматические, активного контро­ля в процессе изготовления изделий, например, в процессе тепло-влажностной обработки ж/б конструкций.

К основным акустическим характеристикам материала отно­сятся: скорость распространения - С и коэффициент затухания - А.

Скорость распространения УЗК связана с динамическим модулем упругости материала Е соотношением:

где р - плотность материала.

В практике строительства, большой интерес представляют ме­тоды оценки прочности бетона с помощью ультразвука. В настоя­щее время практическое применение находит метод, основанный на существовании корреляции между скоростью УЗК и прочностью бетона R. Корреляция параметров означает их статистическую связь, т.е. проявляющуюся при достаточно большом количестве опы­тов-измерений, характер этой связи выявляется при использовании методов усреднения результатов замеров.

На рис. 6.2 показан характерный пример массива точек зависи­мости "скорость - прочность" для бетона.

"Расплывчатый" характер зависимости обусловлен тем, что кро­ме прочности, на величину скорости оказывает влияние множество факторов: вариации состава компонентов, гранулометрический со­став крупного заполнителя, водоцементное отношение бетонной смеси и др., и не позволяет с приемлемой точностью по скорости УЗК оп­ределять прочность бетона. В настоящее время точных аналити­ческих зависимостей, связывающих акустические характеристики бетона с указанными факторами, не получено, и это накладывает серьезные ограничения на использование метода оценки прочности. Более того, даже если бы такие зависимости были получе­ны, то пользоваться ими было бы затруднительно, т.к. количе­ственно измерить дестабилизирующие технологические факто­ры практически возможно лишь в заводских условиях, а для "незнакомого" бетона, например при обследовании старых конст­рукций, они будут неизвестны.

В настоящее время более перспективным направлением совер­шенствования неразрушающего контроля прочности бетона на осно­ве ультразвука представляются так называемые МНОГОПАРАМЕТРОВЫЕ методы; например учет скорости УЗК при различ­ных частотах колебаний (это позволит методу "почувствовать" гранулометрический состав бетона), измерение скорости УЗК при различных уровнях мощности излучаемых колебаний и некоторые другие. Но, к сожалению, степень разработанности этих методов для нужд практики недостаточна.

Рис. 6.2. Типичный вид корреляционного поля скорость УЗК - прочность бетона

Что касается практического использования ультразвукового метода контроля прочности бетона, то сейчас находит применение лишь "традиционный", и лишь в условиях "стабильной" технологии, когда указанные дестабилизирующие факторы длительное время остаются неизменными, что имеет место в условиях завода ЖБИ.

В этом случае для каждого применяемого состава бетона и технологических условий изготовления изделий строится так назы­ваемая тарировочная зависимость "скорость - прочность". Заме­ряя скорость УЗК в бетоне, пользуясь тарировочной зависимостью, получают значение прочности - Рис. 6.3.

Методика построения тарировочной кривой определена ГОСТ-17624.

Порядок построения тарировочной зависимости следующий: изготавливается серия образцов - кубиков или призм размером 15×15×15 см

или 10×10×10 см. У каждого образца измеряется ско­рость УЗК, а затем образец испытывается на прессе до разруше­ния. Получается одна точка зависимости, координаты которой - из­меренные значения скорости УЗК и прочности кубика на сжатие. Скорость распространения ультразвука определяется по измеренно­му времени t и расстоянию L между преобразователями на поверх­ности испытываемого образца:

C = L/t (6.3.)

Рис. 6.3. Построение тарировочной зависимости

"скорость УЗК- прочность бетона"

Необходимо подчеркнуть следующее: ультразвуковой контроль, основанный на использовании тарировочных зависимостей "скорость - прочность", даже для стабильных технологических условий изготовления Ж/Б изделия, является ПРОГНОЗИРУЮЩИМ методом контроля. Это значит, что значение прочности бетона, измеренное этим методом, имеет ВЕРОЯТНОСТНЫЙ характер, т.е., метод дает основание лишь предполагать с большей или меньшей степенью уверенности, что измеренное значение соответствует с заданной погрешностью фактической прочности бетона, значение же фактической прочности может быть получено лишь путем разрушающих испытаний образцов бетона или фрагментов конструкции.

Впрочем, это качество присуще всем методам контроля прочности бетона, неразрушающим в большой степени, разрушающим, в том числе и "гостированному" методу испытаний образцов - кубиков, в меньшей. Прочность кубика это лишь прочность бетона кубика, а не всего изделия в целом; даже если образец вырезан из него.

В практике лабораторных испытаний различных конструкцион­ных материалов находят применение и другие акустические мето­ды, например: резонансный (вибрационный), метод акустической эмиссии. Суть резонансного метода заключается в использовании небольших по амплитуде колебаний (продольных, изгибных, крутиль­ных) всего образца или конструкции в целом. В зависимости от гео­метрических размеров и свойств материала образца, меняется час­тота и степень затухания собственных резонансных колебаний.

Метод акустической эмиссии основан на изучении упругих волн, возникающих в процессе деформации, когда имеет место перестройка связей внутренней кристаллической структуры твердого тела. При этом наблюдаются одиночные, очень короткие по длительности аку­стические импульсы, энергетический спектр которых лежит в ульт­развуковой области частот. По частоте следования импульсов, их длительности и амплитуде можно судить о характеристиках испы­туемого материала в условиях механических нагрузок или в процес­се образования кристаллической структуры.