книги из ГПНТБ / Ананьин, Г. П. Управление качеством продукции на заводах железобетонных изделий учебное пособие

- 51 -

Методы ультразвукового контроля находят прииенение не толь­ ко при оценке готовой продукции, но ташке и в некоторых звеньях технологической цепи изготовления железобетонных изделий.

Так, Куйбышевским и Одесским филиалами института "Оргзнергострой" были проведены реконструкция и усовершенствование про­ парочных камер с введением ультразвукового контроля__йабора проч­ ности бетона. Набор прочности бетона в усовершенствованных; полуавтоклавных камерах контролировался прибором УКБ-Ш.

Использование специально сконструированных во БНИИжелезобетоне импульсных установок АИС-1 и АИП-Д-12 позволяет прекращать процесс пропарки в кассетных установках, яиных камерах и на стендах силового вибропроката в оптимальные сроки.

ГЛАВА 1У

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

§ II. Теоретические основы электрических методов контроля

Электрические методы контроля качества .железобетонных из­ делий основаны на различии электрических свойств исследуемого материала. К числу таких свойств, наиболее часто используемых для указанных целей, относятся:

,а) удельное электрическое сопротивление р ' или удель­

- 52 -

натуры. Электропроводность железобетона разнообразна как по при роде, так и по величине. Она может быть электронной (металли­ ческая арматура и минералы полупроводники) или ионной (минера­ лы полупроводники и диэлектрики).

Электропроводность,, а следовательно, удельное электричес­ кое сопротивление железобетона определяются электропроводное!!!

входящих в него отдельных составляющих, их объемным содержание! и структурой. Цементная масса, связывающая составные компонент! бетона, чаще всего представлена минералами с низкой электропро/ водностью.

На величину электропроводности существенное влияние ока­ зывает изменение температуры.

известно, что с повышением температуры электропроводность проводников уменьшается, а диэлектриков увеличивается. Сниже­ ние электропроводности проводников происходит вследствие роста тепловых колебаний ионов решетки, что препятствует свободному движению электронов. Увеличение электропроводности диэлектри­ ков объясняется повышением кинетической энергии ионов.®

Зависимость электропроводности диэлектриков от температу­

В полупроводниках с ростом температуры электропроводном! повышается из-за увеличения концентрации электронов, что выра­

Существенное влияние на величину электропроводности ока­ зывает пористость и связанная о ней влажность.

*В дальнейшем электрические свойства рассматривается яр* менительно только к бетону, без учета арматуры.

- 53 -

Зависимость электропроводности от пористости сухого бето­ на при изолированных сферических порах следующая:

(71)

где - удельная электропроводность минерального скелета;

р- пористость в долях единицы.

На электропроводность бетона влияет также форма пор и трещин, их размеры и ориентировка в пространстве.

При насыщении бетона водой его электропроводность резко возрастает и из-за значительного электрического сопротивления минерального скелета определяется электропроводностью воды в

порах, т.е. при

1W

(72).

где - электропроводность воды;

W - элагооодеряание бетона в долях единицы.

Резкий рост электропроводности бетона при насыщении его водой происходит только в начальной стадии увлажнения, так как основную роль в электропроводности играют токопроводящие каналы, возникающие при увлажнении пор. При дальнейшем насы­ щении заметного увеличения электропроводности не наблюдается.

Для более точного определения зависимости электропровод­ ности от влажности с учетом пористости следует пользоваться формулой, выведенной из представления, что бетон состоит из слоев породы и воды;

(73)

Величина электропроводности зависит от частоты электри­ ческого поля: с увеличением частоты электропроводность в боль­ шинстве случаев возрастает по линейному закону.

Удельная электропроводность, а также обратная ей величи­ на - удельное электрическое сопротивление - широко используются при контроле твердения бетона, определении влажности исходных инертных материалов и в ряде других случаев.

- 54 -

Удельное электрическое сопротивление можно подсчитать по формуле

казаниям приборов, либо по напряжению и силе тока, проходяще­ го через образец. Для измерения больших сопротивлений приме­ няют мегаомметры и тераомметры.

Большую погрешность при измерениях вносят несовершенные контакты между бетоном и электродами. Рекомендуется применять электроды из жидкого проводяика, не проникающего в поры,напри­ мер из ртути. Можно также использовать покрытие поверхности образца в местах контактов токопроводящим материалом: напыле­ ние металлических пленок в вакууме, вдавливание или вплавливание медных электродов.

П о л я р и з а ц и я бетона , как и всякого твердого тела, возникает при наложении внешнего электрического поля.

В этом случае в бетоне происходят смешение и раздвижка внутрен­ них связанных зарядов, в результате чего образуются диполи с осями, ориентированными в направлении поля.

Различают следующие виды поляризации: электронную, ионную,

макроструктурную (рис. 18).

При электронной поляризации орбиты электронов сдви­

Суммарный дипольный момент единицы объема материала V будет представлять собой вектор электронной поляризации Рэ

- 56 -

где <Ч/- поляризуемость молекулы; Е - напряженность поля;

60 - диэлектрическая проницаемость s вакууме;

Л- количество поляризующихся молекул.

Макроструктурная (объемная) поляризация может возникать в многофазной системе, состоящей иг кристаллов, обладающих рагличными свойствами, и пустот, заполненных жидкостью или вогдухом.

При наложении внешнего электрического поля свободные влекТ' роны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих вклю­ чениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. Включение приобретает дипольный момент, и его можно уподобить большой молекуле.

Время макроструктурной поляризации на порядок больше электронной,и вследствие того, что это время совпадает с ча­ стотой применяемых в практике электромагнитных полей, такую поляризацию называют релаксационной.

Кроме того, в неэатвердевшем бетоне имеет место так называемая электрохимическая поляризация, возникающая при про­ хождении тока через влажные многофазные породы. Причинами электрохимической поляризации являются процессы электроос­ моса (перемещения молекул жидкости с зарядом одного знака к электроду противоположной полярности); электрофореза (смеще­ ния заряженных твердых частиц н электроду 'противоположного знака); перераспределения концентрации растворов; возникнове­ ния продуктов электролиза; окислительно-восстановительные.

Электрохимическая поляризация протекает значительно мед­ леннее, чем другие типы поляризации. Время поляриэации и ее величина тем больше, чем подвижнее молекулы материала, и опре­ деляются по спаду тока в образце через определенный период.

Суммарная поляризация бетона представляет собой средний дипольный момент единицы объема и выражается суммой всех ти­

- 57 -

где (Х0 - условный средний коэффициент поляризации. Некоторые естественные и искусственные кристаллы обладает

особыии поляризационные свойствами, выражающимися в пьезоэф­ фекте, пироэффекте, явлениях сегнетоэлектричества и поляриза­ ции при трении.

Пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации крис­ таллов при механических деформациях. При нагружении кристал­ ла пьезоэлектрика на его противоположных плоскостях возникают разноименные заряды, которые после снятия нагрузки исчезают. Эффект обратим, т.е. при помещении кристалла в электрическое поле происходит его деформация.

Подача на плоскости кристалла переменного напряжения вы­ зывает его вибрацию. Наибольшая амплитуда колебаний достигает­ ся в том случае, когда электрическая ось минерала совпадает с направлением силовых линий поля и частота поля соответствует резонансной частоте кристалла. Частота собственных колебаний кристалла определяется его размерами. Так, для типичного пьезо­ электрика - кварцевой пластины - она может быть определена из выражения

где Ек - модуль упругости кварца вдоль оси, перпендикуляр*- ной направлению излучения;

рк - плотность кварца;

d - толщина пластинки кварца.

ваться при изменении температуры. Это явление называется пироаффектом, а минералы - пироэлектриками. При нагревании крис­ талла пироэлектрика на одном конце возникают положительные, а на. .другом отрицательные заряды. При охлаждении пироэлектри-

- 58 -

ка знаки зарядов меняются. Появление зарядов на концах пиро­ электрика связано с дополнительным смещением диполей вдоль электрической оси под влиянием температуры.

Пироэффект обратим, т.е. при помещении пироэлектрика в электрическое поле и совмещении его электрической оси с направ­ лением силовых линий поля происходит нагревание или охлажде­ ние кристалла. Типичным пироэлектриком является турмалин.

Часть пироэлектриков, у которых внешним электрическим полем можно изменять направленность спонтанной поляризации, относится к группе сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрики облаг дают исключительно высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от температуры, при определенных значениях которой они деполяризуются. К сегнетоэлектрикам относятся борацит, • сегнетова соль, титанаты бария и др.

В состав бетона входят, как правило, минералы диэлектри­ ки и слабые полупроводники, поляризующиеся при трении. Это явление называется трибоэлектричеством. Характер поляризации выражается в том, что один из минералов (с большей диэлектри­ ческой проницаемостью)приобретает положительный заряд, а дру­ гой - отрицательный.

Поляризуемость отдельных минералов, в том числе особые поляризационные свойства, широко используются в аппаратуре контроля. Так, в частности, преобразователи акустической1энер­ гии в электрическую (датчики импульсных методов контроля) из­ готавливаются из кристаллов, обладающих пьезоэффектом.

С учетом взаимодействия диполей внутри поляризованного объема выражение для диэлектрической проницаемости принимает

вид формулы Клаузиуса - Мосотти:

где ОС - коэффициент поляризации атома

с

- 59 -

Диэлектрическая проницаемость большинства твердых минера­ лов, составляющих бетон, при небольших частотах электрического поля изменяется в пределах от 2 до 20. Наименьшее значение 5 наблюдается у минералов, обладающих только электронной поляри­ зацией.

Диэлектрическая проницаемость бетона является функцией значений проницаемости отдельных входящих в его состав мине­ ралов, их концентрации и взаимного расположения. Учитывая хао* тичное расположение минеральных образований в бетоне, следует для расчета Вер пользоваться формулой Лихтеннеккера:

Диэлектрической проницаемостью можно пользоваться в электрических методах контроля при определении влажности ис­ ходных материалов и при наблюдениях за твердением и набором прочности бетона. Установлено, что значения Вер являются ли­

цементом, когда образуются различные химические соединения, не являющиеся нейтральными. В большинстве случаев получающий­ ся раствор носит щелочной характер. Кислотные или щелочные

- 60 -

свойства водных растворов обычно выражаются с помощью водород­ ного показателя pH-Jiov&pitfym степени истинной концентрации

водородных ионов, взятого с обратным знаком. Электрохимическая активность проявляется в поляризации водных растворов под воз­ действием тех или иных физико-химических факторов при отсутст­ вии внешнего электрического поля. По мере твердения бетона сни­ маются концентрация pH и количество воды, изменяется также степень поляризации раствора. Это явление используется в ме­ тоде pH -метрии, который можно применять для контроля про­ цесса нарастания прочности бетона в любых условиях.

§ 12. Методы контроля, основанные на электрическом сопротивлении (проводимости)

Изменение электрических свойств бетона, которое в опреде­ ленных условиях может быть замерено соответствующими прибора- . ми, позволяет-контролировать степень уплотнения бетонной сме­ си, шероховатость поверхности изделия, прочностные характе­ ристики.

Контроль степени уплотнения бетонной смеси по всей длине изделия при продольно-горизонтальном вибрировании иожет быть осуществлен методом измерения омического сопротивления.

При этом методе в момент формования устанавливают в бе­ тонную смесь по всей длине изделия плававшие, электроды. Глу­ бина опускания электродов должна быть такой, чтобы их концы размещались в середине сечения изделия, где предполагается наименьшая степень уплотнения.

На рис. 19 представлен плавающий электрод типа "вилка”.

Рис. 19. Плававший элект­ род типа "вилка" для измере­ ния электрического сопротив­

ления бетонной смеси:

I - колодка; 2 - электрод; 3 - провод