Проблеми і завдання акустичного контролю будівельних конструкцій з природного каменю

Безпека функціонування споруд з природного каменю, що є найважливішим економічним і соціальним чинником, значною мірою визначається технічним станом кам'яних будівельних конструкцій (БК) і заходами з контролю їхньої якості як у процесі спорудження, так і протягом всього часу експлуатації. Одним зі способів забезпечення безаварійної експлуатації є моніторинг якості кам'яних БК із застосуванням методів неруйнівного контролю (НК).

Для отримання інформації про міцність виробів з природного каменю, наявність дефектів, габарити БК розроблені різні методи й засоби НК, зокрема методи та засоби акустичного (в першу чергу, ультразвукового – УЗ) контролю. На підставі отриманих за допомогою цих методів даних роблять висновки про загальний стан споруди, визначають залишковий ресурс конструкцій.

Для діагностики стану будівельних конструкцій з природного каменю використовують різні фізичні методи неруйнівного контролю: тепловий, магнітний, радіохвильовий (георадар), рентгенівський, радіаційний, акустичний та ін.

Серед перерахованих видів НК найширшого поширення набули акустичні методи. Це пов'язано, в першу чергу, з високою інформативністю, безпекою, простотою використання і відносною дешевизною апаратури контролю. Відповідно до ГОСТ 23829–85, акустичні методи контролю розділені на дві умовні групи (рис. 1):

1. активні методи, засновані на випромінюванні в контрольований виріб акустичних хвиль від зовнішнього джерела та їх прийомі;

2. пасивні методи, засновані на реєстрації акустичних хвиль, що виникають у матеріалах і виробах.

Акустичні методи неруйнівного контролю

Рис. 1. Класифікація акустичних методів неруйнівного контролю

© В.В. Коробійчук, 2011

Серед активних методів, що використовуються при НК природного каменю, можна виділити найпоширеніші методи проходження (тіньовий, коли випромінювач і приймач знаходяться на протилежних сторонах) і методи відбиття (луна-імпульсний метод контролю, коли випромінювач і приймач розташовуються на одній стороні контрольованого виробу), а так само їх комбінації.

Серед пасивних методів набули поширення метод акустичної емісії, пов'язаний з виникненням пружних коливань при пластичній деформації твердих середовищ, методи вібродіагностики і шумодіагностики, які полягають в аналізі спектра вібрації або шуму виробу.

Всі перераховані акустичні методи найактивніше використовуються для контролю виробів із «дзвінких» матеріалів (металів). Для виробів з природного каменю, який має «складні» акустичні властивості, ці методи можуть бути застосовані тільки з істотними обмеженнями.

Природний камінь (як і інші подібні матеріали, що мають високу неоднорідність внутрішньої структури) є дуже складним об'єктом контролю для акустичних методів, що обумовлюється декількома причинами:

1. Надзвичайно високе згасання УЗ коливань у пружних матеріалах, що складаються з різнорідних частинок (до яких належить і природний камінь), визначається, в основному, розсіянням і обмежує можливість підвищення робочої частоти.

Швидке зростання коефіцієнта згасання акустичних хвиль від частоти робить практично неможливим використання сигналів з частотами більше 200 кГц для контролю таких матеріалів. Причому вже в діапазоні від 100 до 200 кГц згасання росте так значно, що спектр прийнятого сигналу виявляється помітно обмеженим з боку верхніх частот.

2. Грубозерниста (порівняно з довжиною акустичної хвилі) структура матеріалу породжує сильний структурний шум (відбиття УЗ сигналу від елементів структури – акустичних неоднорідностей), рівень якого тим більший, чим вища частота сигналу (чим ближчий середній розмір структурних неоднорідностей до довжини хвилі УЗ сигналу), що також обмежує зверху можливості вибору робочої частоти сигналу.

Швидке зростання згасання УЗ сигналів при збільшенні частоти, а також високий рівень структурного шуму обмежують використання УЗ методів і вимагають зниження робочої частоти зондуючого сигналу до 50–80 кГц. При середній швидкості ультразвуку в камені 4000 м/с такі частоти відповідають довжинам хвиль 80 і 50 мм. При подальшому зниженні частоти роздільна здатність і точність знижуються до неприйнятних значень. Проте навіть при такому зниженні частоти зондуючого сигналу максимальна глибина контролю луна-методом не перевищує 1 м, а похибка вимірювання глибини залягання дефекту або товщини складає більше 10 %. Використання складномодульних сигналів з подальшою оптимальною фільтрацією луна-сигналів, застосування інших радіотехнічних методів дозволяє збільшити максимальну глибину контролю до 1,5 м.

Таким чином, ми бачимо, що методи власних частот (в основному імпакт-луна метод) є найпоширенішими методами визначення товщини і швидкості розповсюдження акустичної хвилі у кам'яних виробах завтовшки більше 1,5 м.

УДК 504.064.2:379.85

Н.М. Лазун, магістр

Науковий керівник – к.с.-г.н., доц. Скрипніченко С.В.

Житомирський державний технологічний університет