Застосування УЗ методів в контролі будівельних матеріалів та конструкцій

Продукция / Ультразвуковой контроль и акустическая эмиссия / Ультразвуковой контроль строительных материалов

ЗАСТОСУВАННЯ УЗ МЕТОДІВ В КОНТРОЛІ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ТА КОНСТРУКЦІЙ

      На даному етапі розвитку будівельної галузі бетон залишається одним із найголовніших будівельних матеріалів. Тому левова частка сфери контролю будівельних матеріалів та конструкцій припадає саме на контроль бетону. В наш час одержують бетони із різноманітними фізико-механічними властивостями. Параметрами, що підлягають контролю, зокрема і НК, в бетонах є міцність, величина захисного шару, вологість, морозостійкість, волого-непроникність та ряд інших. При виробництві залізобетонних конструкцій також контролюють натяг арматури та величину вібрації при ущільненні бетонної суміші. Але основним контрольованим параметром для бетонів залишається міцність, як властивість матеріалу чинити опір руйнуванню під дією внутрішніх навантажень, викликаних зовнішніми силами та іншими факторами.
Питання контролю міцності бетону, хоча і є складним, однак залишається досить актуальним, оскільки даний параметр є основною характеристикою і дає змогу перевірити відповідність бетону заявленим паспортним даним, визначати оптимальний час зняття опалубки в процесі будівництва, робити  оцінку стану будівельних конструкцій в процесі їх експлуатації.
     Існує декілька методів випробувань бетону на міцність. До поширених руйнівних методів відносять метод стандартних зразків та метод вирубування кернів із конструкцій що підлягають контролю. Основна відмінність методів НК від двох попередніх полягає в тому, що при використанні методів НК безпосередньою вимірювальною величиною є не міцність, а деякий фізичний показник, зв’язаний з міцністю бетону певною кореляційною залежністю. Тобто всі методи НК міцності бетону потребують побудови індивідуальних градуювальних залежностей по результатах випробувань стандартних зразків, виготовлених з бетону такого ж складу і віку, що і контрольований об’єкт. 
     До основних методів НК відносять: метод пластичної деформації (вимірювання розміру відбитку, молоток Кашкарова); метод пружного відскоку; метод ударного імпульсу; метод відриву зі сколюванням; метод відриву стальних дисків; ультразвуковий метод.
      На точність вимірювання міцності НК методами можуть чинити вплив такі фактори як: тип цементу, основа цементу, тип заповнення, умови твердіння, вік бетону, вологість і температура поверхні, тип поверхні, карбонізація поверхневого шару і ще ряд інших факторів. Далеко не всі з перерахований факторів можуть враховуватися при побудові градуювальної залежності, тому такі фактори необхідно враховувати при розробці методики вимірювання на конкретний тип об’єкту. 
     Перелік активних акустичних методів є достатньо широким. До найбільш розповсюджених в практиці НК можна віднести наступні методи: проходження, відбивання, комбіновані, власних частот (спектральні), що включають метод вільних коливань (резонансний), і імпедансний. Всі активні акустичні методи неруйнівного контролю бетону використовують параметри процесу утворення хвиль та поширення в контрольованій конструкції чи зразку механічних коливань з метою оцінки міцністних властивостей бетону. Наглядним представником методів проходження є ультразвуковий імпульсний метод, суть якого полягає в реєстрації часу (швидкості) проходження хвиль від збуджуючого випромінювача до приймаючого перетворювача, з наступним перерахунком одержаної характеристики в значення міцності бетону по встановленій раніше градуювальній залежності.
    Відомі експериментально-емпіричні залежності зв’язку швидкість-міцність, в яких знаходить відображення методика проведення градуювальних руйнівних випробувань і деяких технологічних факторів. Так пропонується розглядати залежність між швидкістю пружних хвиль та міцністю бетону, враховуючи, що зниження міцності обумовлюється наявністю різного роду дефектів. При цьому зниження міцності відбувається по експоненціальному закону, параметри якого в кожному окремому випадку різні.
     Розвиток хвильових процесів в бетоні залежить від фізико-механічних властивостей і умов формування хвилі. Характер затухання та зміни швидкості поширення хвилі пов’язаний не тільки із міцністю та пружними властивостями бетону, а і з різними дисперсійними явищами. Має місце релаксаційна, резонансна і температурна дисперсія швидкості. З теорії та практики випробувань будівельних матеріалів та конструкцій відомо, що між модулем пружності бетону та його міцністю немає стійкого кореляційного зв’язку. Відповідно, ступінь невизначеності зв’язку швидкості пружних хвиль і міцності бетону не повинна бути меншою, ніж зв’язок із модулем пружності та міцністю. Однак, практика ультразвукового контролю показує, що кореляція швидкості поздовжніх хвиль  та міцності має більш стійкий характер, ніж для пружних модулів та міцності, тому що враховує вплив всіх параметрів одночасно.
    При використанні перетворювачів, що випромінюють коливання з нормальним до поверхні контролю вектором зміщення, а саме такий тип збудження акустичних хвиль реалізовано в більшості приладів, виникає три основних типи хвиль: поздовжні, поперечні та поверхневі (хвилі Релея), що мають різну інтенсивність та швидкість поширення. Інтенсивність поздовжньої хвилі в напрямку вздовж контрольованої поверхні мінімальна і сильно залежить від конструктивних особливостей перетворювача, характеру акустичного контакту та модуля пружності матеріалу. Максимум інтенсивності поперечної хвилі спостерігається в напрямку близько 50° від нормалі; хвиля Релея поширюється вздовж поверхні, її рівень сильно залежить від стану поверхні. В результаті, рівень сигналу повздовжньої хвилі при поверхневому контролі бетону типовими перетворювачами в декілька раз (10 і більше) нижчий, ніж при наскрізному на такій ж базі, і може бути замаскований сигналом хвилі Релея, швидкість якої майже в два рази є меншою.
     На рис 1.1 наведено узагальнені кінетичні залежності для динамічного модуля пружності та коефіцієнта Пуассона і зв’язок їх значення із характерними періодами структуроутворення бетону.

Рисунок 1.1 Кінетичні залежності для міцністних, пружних та акустичних
 характеристик бетону:
  - швидкість поздовжніх та поперечних хвиль;   - міцність на стискання;
  - пластична міцність;   - динамічний модуль пружності і коефіцієнт Пуассона.

     В індукційному періоді – до моменту  t1, швидкість повздовжніх хвиль міняється несуттєво. Часовий проміжок t1 - t2  відповідає періоду схоплення бетону. В цей період починається інтенсивне наростання динамічного модуля пружності Е і деяке зменшення коефіцієнту Пуассона, і відповідача їм динаміка росту швидкості пружних хвиль. Таким чином видно, що по швидкості повздовжніх хвиль можна надійно виявити час початку схоплення цементу t1. Подальший розвиток процесів структуроутворення цементного каменю характеризується більш інтенсивним кристалоутворенням і подальшим ростом швидкості хвиль. Міцність утвореної структури наростає значно повільніше за наростання швидкості повздовжніх хвиль, що проявляється в утворенні часового зсуву між цими процесами. Коефіцієнт Пуассона з розвитком процесів твердіння плавно знижується до значення  0,3...0,2. Наведені залежності дозволяють досить точно (для практики) визначити міцність бетону. 
    Компанією „УЛЬТРАКОН” розроблено та представлено на ринку приладів НК будівельних матеріалів та конструкцій ультразвуковий прилад УК-39, який призначений для вимірювання часу та швидкості поширення ультразвукових коливань у будівельних матеріалах та конструкціях імпульсним методом при наскрізному та поверхневому прозвучуванні.
    

     Прилад вимірює час проходження ультразвукових коливань в матеріалі, який перераховує в значення швидкості коливань, а також в величину міцності, після одержання експериментальних залежностей згідно з ГОСТ 17624 (для бетону) і ГОСТ 24332 (для цегли). 
         Для зручності та зменшення обсягу роботи під час проведення контролю було розроблену спеціальну програму, що в повній мірі реалізує вимоги ГОСТ 17624 і після введення значень швидкості проходження УЗ коливань в контрольованому об’єкті та значень одержаних результатів міцності на випробовуваних зразках, визначає тип градуювальної залежності та здійснює обрахунок необхідних коефіцієнтів. Ввівши значення цих коефіцієнтів безпосередньо в програму приладу можна проводити контроль будівельних матеріалів із одержанням значення їх міцності. 
                                                                       


     Отже, акустичні методи неруйнівного контролю будівельних матеріалів та конструкцій, в силу фізичних принципів, покладених в їх основу, є фактично вимірювачами динамічних параметрів пружності контрольованого середовища. Контролювати міцність матеріалу, в тому числі і бетону, можна лише  в тій мірі, в якій показники міцності можуть бути зв’язані із показниками пружності, наприклад в випадку зниження міцності та пружності бетону внаслідок структурних порушень – пористості, мікротріщин. Зв’язок цей є неоднозначним і залежить від багатьох факторів і, в першу чергу, від співвідношення компонентів бетону та умов твердіння [4].
     Дослідження показують, що більша точність в визначенні міцності бетону досягається при використанні таких самих режимів вимірювання швидкості пружних хвиль (частота коливання, база прозву чування, алгоритм реєстрації акустичного сигналу на прийомі) як і при побудові градуювальних залежностей. Позиції ультразвукового імпульсного методу більш стійкі, коли вимагається відслідковувати кінетику процесу набору міцності бетону, як для звичайних так і для прискорених режимів твердіння. Такий підхід дозволяє розглядати метод як потенційно придатний для прогнозування термінів досягнення бетоном розпалубочної міцності. Виявлення неоднорідності бетону, наявності структурних порушень та дефектів, оцінка параметрів міцності пружності і пластичності є пріоритетною областю використання ультразвукового імпульсного методу у порівнянні з механічними. До переваг методу можна віднести його здатність давати інтегральну оцінку якості бетону в певному об’ємі, а не в окремих точках; а також, прогнозовану частотою коливань (0,06 – 1 МГц), в порівнянні з іншими методами, чутливість до структурних порушень.

2007 © «Ультракон»
МЕТА - Украина. Рейтинг сайтов
Дизайн «Дельта Сервис»