21.01.2021

Ультразвуковой импульсный метод определения прочности бетона


Граница между ультразвуковыми и звуковыми колебаниями определяется верхним пределом слышимости человеческого уха. Принято колебание с частотой от 20 периодов в секунду (20 Гц) до 20 000 (20 кГц) относить к звуковым, а с частотой более 20 кГц — к ультразвуковым.

Частота колебаний f, их период Т, длина волны Л и скорость их распространения v связаны следующими зависимостями:
Ультразвуковой импульсный метод определения прочности бетона

При распространении колебаний в твердом теле возникают малые упругие деформации. Волновое движение представляет собой колебательный процесс, при котором энергия колебаний передается в направлении его распространения.

В зависимости от свойств среды и условий передачи колебаний различают следующие виды упругих волн: продольные, поперечные или сдвиговые, изгибные, растяжения и поверхностные (волны Рэлея). Зависимость между скоростями упругих волн и характеристиками среды, в которой они распространяются, выражается следующими формулами:

[здесь r — радиус стержня (для пластины толщина), а значения коэффициента k и порядок определения uд приведены ранее].

В практике определения прочностных свойств бетона в основном применяют измерение скорости распространения продольных ультразвуковых волн. Сущность ультразвукового импульсного метода состоит в том, что измеряют скорость распространения через бетон переднего фронта продольной ультразвуковой волны (в дальнейшем называемой «скоростью ультразвука») и. Исходя из зависимости R=f(v), по измеренной v определяют прочность бетона. Для измерения v необходимо знать время прохождения ультразвука на участке определенной длины, называемом базой прозвучивания l. Поскольку скорость ультразвука в бетоне велика (до 5 км/с), при обычных значениях l (до 1,5 м) приходится определять весьма малые интервалы времени, измеряемые в микросекундах. Для возбуждения ультразвуковых волн и измерения времени их прохождения через бетон применяют специальную аппаратуру, принцип работы которой состоит в следующем. Электронный генератор высокочастотных импульсов периодически посылает электрические импульсы на излучатель. В последнем имеется пьезобатарея, обычно состоящая из кристаллов сегнетовой соли, преобразующая электрические импульсы в ультразвуковые механические волны. Из излучателя ультразвуковые волны проходят через исследуемый бетонный момент и попадают на щуп-приемник. В приемнике ультразвуковые колебания преобразуются в электрические импульсы, направляемые в усилитель. Усиленный импульс попадает на индикатор — электронно-лучевую трубку. Имеющееся в приборе электронное устройство, называемое «ждущей задержанной разверткой», включается одновременно с пуском импульсного генератора. Развертка смещает электронный луч по экрану электронно-лучевой трубки слева направо, и при этом в левой части экрана индикатора возникает вертикальная отметка, соответствующая моменту посылки импульсов, а в правой части — изображение прошедших через бетон ультразвуковых импульсов. Электронный генератор создает на экране индикатора электронную шкалу меток времени в виде вертикальных отметок с определенными интервалами, по числу которых определяют время прохождения ультразвукового импульса через бетон.

В приборах последних моделей амплитуду временного интервала между зондирующим и прошедшим через бетон импульсами измеряют малогабаритным цифровым вольтметром. Приборы выполнены на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах. ГОСТ 17624—78 предусматривает применение для испытания бетона приборов, которые выпускаются промышленными и опытными заводами (рис. III.15). Могут применяться и другие приборы, у которых предельная основная относительная погрешность измерения времени распространения ультразвука А<±(0,01<+0,1) мкс (табл. III.12). Контроль метрологических характеристик ультразвуковых приборов — определение основной и дополнительных погрешностей, измерение времени прохождения ультразвуковых колебаний — следует проводить согласно.

Ультразвуковым методом по ГОСТ 17624—78 определяют прочность бетонов, тяжелых, на пористых заполнителях, а также ячеистых и плотных силикатных бетонов. Испытание состоит в измерении времени распространения ультразвука и базы прозвучивания. По измеренным величинам рассчитывают v, а затем по зависимости «v—Rсж» определяют прочность бетона.

Поверхность бетона, на которой устанавливают щупы (ультразвуковые преобразователи), не должна иметь наплывов и вмятин, а также раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм. С поверхности должны быть удалены декоративное покрытие или облицовочный материал. Для обеспечения надежного акустического контакта между бетоном и рабочей поверхностью щупов применяют вязкие контактные среды (смазки) или эластичные прокладки. При испытаниях конструкций и образцов, применяемых для построения зависимости «v—Rсж», должна применяться одинаковая контактная смазка. Измерение базы прозвучивания проводят с погрешностью не более ±0,5%. При испытании кубов прозвучивание ведут в направлении, перпендикулярном к направлению укладки бетонной смеси в форму. Определение производится в кубах на трех уровнях по высоте, при этом разброс не должен превышать 5%.

Время t, мкс, распространения ультразвука может измеряться как способом сквозного, так и поверхностного прозвучивания. Для первого способа Rсж определяют по предварительно полученной градуировочной зависимости «v—Rсж»; для второго способа — по зависимости «t—Rсж». Значение V, м/с, вычисляют по формуле: V=10в3*l/t, где l — база прозвучивания, мм.

При применении метода поверхностного прозвучивания щупы устанавливают по одной плоскости изделия на постоянной базе (l=150—400 мм). При сквозном прозвучивании помимо стандартного варианта соосного расположения щупов применяют способ диагонального прозвучивания (рис. III.16). Измерение способом поверхностного прозвучивания проводят в тех случаях, когда имеется односторонний допуск к изделию для тонкостенных изделий.

Испытания проводят при температуре от 0 до 50° С, а для изделий, проверяемых сразу после тепловой обработки, — до 65° С. Температура бетона изделия на контролируемых участках не должна отличаться от температуры образцов, испытанных для построения градуировочной зависимости, более чем на ±5° С. На участке проводят одно измерение скорости в направлении, перпендикулярном к направлению уплотнения бетона. Щупы не следует устанавливать ближе чем 5 см от края конструкции, а направление прозвучивания должно быть перпендикулярным к направлению арматуры, при этом концентрация арматуры по линии прозвучивания не должна превышать 5%. Можно проводить прозвучивание параллельно арматуре, если ее d<18 мм, а расположена она от линии прозвучивания не ближе 50 мм. Следует учитывать обжатие бетона в преднапряженных конструкциях.

Для построения градуировочных зависимостей «v—Rсж» и «t—Rсж» изготовляют не менее 15 серий образцов по ГОСТ 10180—78. Градуировочные зависимости строят отдельно для контроля марки бетона, Rотл, Rобж и т. п. Изменения прочности в образцах достигают за счет изменения Ц/В на ±0,4. Возраст конструкции не должен отличаться от возраста образцов, испытанных при построении градуировочной зависимости более чем на 50%. Отдельную зависимость строят для бетона нормального твердения по результатам испытания кубов в возрасте 3, 7, 14, 28 сут, а для массивных конструкций — 7, 28, 60, 90 сут.

Для зависимости «v—Rсж» размер кубов должен быть не менее 10х10х10 см, а для мелкозернистого бетона 7x7x7 см; для «t—Rсж» — не менее 15X15x15 или 10x10x30 см.

При отсутствии градуировочной зависимости, а также контрольных образцов или при ограниченном числе последних значения Rcж можно ориентировочно вычислить для тяжелых бетонов по формулам:

[здесь q определяют (q=Rсжф/v4) по данным испытания не менее трех образцов-кубов или кернов, при этом v в конструкциях не должно отличаться от v образцов более чем на ±7%; R0 — прочность бетона на участке конструкции, где не менее чем на пяти участках найдено vнаиб].

Прочность определяют испытанием вырезанного на одном из участков керна, в этом случае допускается отличие vконстр от v не более чем на 10%.

Определение прочностных характеристик по методике ВНИИФТРИ-МИСИ-ВЗПИ в основном аналогично стандартному.

Допускается применять приборы с частотой 25—150 кГц, точность измерения времени прохождения импульсов — не менее 0,2 мкс; при полной длительности развертки не менее 500 мкс. Требования к изготовлению образцов приведены в главе IV. Коэффициент вариации в партии образцов не должен превышать 5%.

Для обеспечения акустического контакта кроме рекомендуемых стандартом материалов можно применять пластилин, меловое тесто и воско-канифольный компаунд, а при допущении разрушения щупов и эпоксидный клей. В тех случаях, когда прижим щупов обеспечивается специальными приспособлениями, усилие прижима должно быть в пределах 20—30 Н.

Если заранее полученная зависимость «Rсж—v» отсутствует, рекомендуется кроме формулы Rсж=qv4 применять и формулу


[здесь Rсж, — кубиковая прочность, полученная по результатам испытания единичного (i-гo) образца; vi — скорость ультразвука в i-м образце; n — число образцов (n больше 9)].

Если вместо кубов испытывают призмы, то соответственно рассчитывают призменную прочность Rпр, МПа.

Кроме того, для расчета Rпр в Методике приводится ряд экспериментально-теоретических формул:

формула И.С. Вайнштока и Э.А. Школьника (для сравнительных испытаний)

где е — эмпирический коэффициент, учитывающий относительное число контактов на единицу площади (е<1); а и b — характеристики упругих и плотностных свойств бетона; 0 — экспериментальный коэффициент неупругости бетона; А — коэффициент, учитывающий структуру микродефектов бетона и напряженное состояние (Л=2,22*10в-3); Eд — динамический модуль упругости; vз — относительное содержание заполнителя в бетоне по объему; Eэ и Eц — модули упругости соответственно заполнителя и цементного камня; р — плотность бетона; Rпр — призменная прочность образца с минимальной пористостью для данной партии; v0 — скорость ультразвука в образце в Rпр0; k — коэффициент пропорциональности (k=0,75); Rnpом — призменная прочность образца, в котором предварительно измеренная скорость была максимальной для данной партии; vом — максимальная скорость ультразвука для данной партии.

На зависимость «Rсж—v» по-разному влияют многочисленные технологические факторы. Количество, тип и зерновой состав крупного заполнителя влияют на скорость ультразвука в бетоне. Обычно Ед крупного заполнителя больше, чем у цементного камня, поэтому при увеличении содержания щебня в бетоне или применении заполнителя с более высоким значением Ед растет скорость ультразвука. Вследствие этого при определении прочности бетона в зависимости от v будут получены завышенные значения Rсж. Таким образом, скорость ультразвука в большей мере, чем Rсж, определяется количеством и типом применяемого заполнителя. Испытания образцов цементного камня, раствора и бетона показали, что при одинаковых значениях Rсж скорость ультразвука возрастает в такой последовательности: образцы из цементного камня — цементного раствора — бетона. Изменение крупности заполнителя существенно не влияет на связь «Rсж—V», однако во многих случаях, особенно при прозвучивании тонкостенных изделий, изменение зернового состава и предельной крупности приводит к нарушению указанной зависимости. Следует отметить, что на связь «Rсж—V» больше, чем другие факторы, влияет вид крупного заполнителя.

Применение в бетоне песков различных месторождений незначительно влияет на связь «Rсж—v». Несколько большие изменения могут быть вследствие колебания расхода песка. Так, изменение соотношения П/Ц на 10% (при постоянном расходе щебня) приводит к отклонениям при определении Rсж импульсным методом на 5/10%.

Вид цемента, его марка, минералогический состав, тонкость помола, содержание минеральных добавок не вносят существенных изменений в связь «Rсж—v».

Что касается влияния расхода цемента, то возможны два случая. Первый — расход цемента изменяется незначительно (10—15%), а содержание крупного заполнителя остается постоянным. Здесь представляется возможным использовать установленную зависимость «Rсж—v», имея в виду, что подобное изменение состава приводит к ошибке примерно до 6%. При увеличении или уменьшении расхода цемента в 2 раза вычисленное значение Rсж соответственно изменяется примерно на 30%. Во втором случае изменяется не только расход цемента, но и содержание крупного заполнителя в бетоне. В этом случае пользоваться постоянными зависимостями «Rсж—v» нельзя. При таком же изменении расхода цемента (в 2 раза) Rсж может увеличиваться (уменьшаться) до 80% при одной и той же скорости ультразвука.

С уменьшением В/Ц увеличиваются плотность и прочность бетона, а также его упругие характеристики и соответственно возрастает скорость ультразвука. Обратная зависимость наблюдается при увеличении В/Ц. Таким образом, изменение В/Ц не вносит существенных отклонений в установленную зависимость «Rсж—v».

На зависимость «Rсж—v» влияет вид тепловой обработки. Кроме того, при испытаниях бетона, подвергнутого тепловой обработке, необходимо учитывать, что в бетоне с более высокой температурой значения v получаются несколько заниженными, чем при испытании того же бетона с нормальной температурой (20°С).

Зависимости «Rсж—v» можно использовать для оценки прочности бетонов с примерно одинаковой степенью уплотнения; при постоянном составе бетона она характеризуется его объемной массой. Пористость бетона, вызванная недоуплотнением смеси на 5%, уменьшает Rсж до 24% при снижении v на 2%, поэтому при использовании импульсного ультразвукового способа для оценки качества бетона желательно проверить mV в исследуемой конструкции.

Использование в бетоне добавок — ускорителей твердения (СаСl2), пластифицирующих (ССБ, СДБ) не нарушает связь «Rсж—v». Следует учитывать, что при использовании воздухововлекающих добавок Rсж при практически неизменной v может снизиться. Нитрит натрия и поташ существенно не влияют на зависимость «Rсж—v». Rсж с увеличением влажности уменьшается, в то время, как по мере заполнения пор в бетоне водой значение v возрастает. Степень изменения v зависит от структуры бетона и с увеличением его пористости все больше будут различаться значения Rсж, полученные для сухого и мокрого бетона. При отрицательных температурах по мере замерзания воды в порах это явление становится более сложным и меньше поддается учету, поэтому влажность испытываемых изделий не должна отличаться более, чем на 3% от тарировочных образцов.

Как правило, при возрастании напряжений в бетоне до (0,35-0,4)Rпp скорость ультразвука в направлении, перпендикулярном к сжимающей нагрузке, несколько возрастает за счет обжатия бетона. Обжатие бетона фиксируется также увеличением v на 2—3% вдоль действия силы. При напряжениях (0,35-0,4)Rпр v начинает снижаться. Если в начальной стадии обжатия v возрастала, то при о=0,7Rпр она равна начальной. С дальнейшим ростом нагрузки и образованием микротрещин значение v резко падает и степень (уменьшение v составляет к моменту разрушения образца 30—50%).

Поскольку скорость ультразвука характеризует только упругие свойства бетона, являющегося упруговязкопластичным материалом, предложено использовать для оценки качества бетона ряд других акустических характеристик (коэффициент затухания, релеевское рассеяние, анализ спектра частот и др.). Пока эти методы используются только в научно-исследовательских работах.

Импульсный ультразвуковой метод применяется более широко, чём другие физические методы. Он особенно удобен в условиях заводского производства различного рода изделий и деталей. Так, в процессе тепловлажностной обработки можно вести непрерывный контроль нарастания прочности бетона по скорости ультразвука. Импульсный метод позволяет дополнить выборочный контроль качества бетона по результатам испытания образцов массовой проверкой выпускаемой продукции. Испытания импульсным методом могут быть повторены сколько угодно раз на одних и тех же изделиях (образцах) без разрушения или повреждения последних и не требуют их специальной подготовки. Время распространения ультразвука можно измерять с высокой точностью (погрешность не более ±0,5%). Ультразвуковой импульсный метод позволяет определить ряд физических характеристик бетона: Eд, Сдuд, начало и развитие трещинообразования и др. Метод позволяет определять свойства бетона не только в поверхностном слое, но и по всей толщине изделия. Этим методом можно испытывать изделия любой формы. Указанные особенности являются основными преимуществами ультразвукового импульсного метода.

Однако импульсный ультразвуковой метод не может пока применяться для испытания конструкций длиной более 8-12 м. Определенные трудности, особенно в автоматизированных установках, вызывают необходимость обеспечения надежного акустического контакта; процесс испытания конструкций больших размеров довольно длителен. Основной недостаток метода — погрешность при переходе от акустических характеристик к Rсж. В известной мере эту погрешность можно уменьшить, испытывая исследуемые и эталонные бетоны с достаточно близкими свойствами, что регламентируется требованиями методики, или определяя Rсж по данным измерения различных характеристик бетона.





Яндекс.Метрика