книги из ГПНТБ / Джонс, Р. Неразрушающие методы испытаний бетонов

б) энергия снижается наполовину от величины, соответствующей ре зонансу. В этом случае энергия пропорциональна квадрату амплитуды, а величина амплитуды, на которой измеряется интервал А/, будет:

резонансной кривой.

Логарифмический декремент А и добротность Q связаны между собой

1.6. АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ

Составными элементами испытательной аппаратуры резонансного мето­ да для бетона являются [5]: генератор звуковой частоты, усилитель мощ­ ности, излучатель звуковых колебаний, приемник звуковых колебаний, усилитель приемника с индикатором резонанса.

На рис. 1.9 приведена блок-схема аппаратуры, отдельные элементы ко­ торой изображены в виде последовательных блоков.

В соответствии с расположением аппаратуры, согласно рисунку, выход генератора соединяют через усилитель мощности с излучателем, который создает колебания в образце. Амплитуда колебаний образца может быть из­ мерена по шкале прибора — индикатора напряжения или же тока после того, как колебания будут восприняты и преобразованы в напряжение приемни­ ком, а затем усилены в усилителе приемника.

Низкочастотный широкополосный генератор типа RC может покрывать различные резонансы. Как правило, для этого достаточен диапазон от 50 до'20 000 гц. Диапазон резонансных частот для типовых бетонных или раст­ ворных образцов приведен в табл. 1.7.

I частомер \

I_________ I

Рис. 1.9. Блок-схема аппаратуры для резонансных испытаний

20

Т а б л и ц а 1.7. Область резонансных частот в бетонных образцах1

При резонансных испытаниях точность измерения частот должна быть порядка 0,5%, хотя во многих случаях можно принимать точность 1 % [6]. Ошибки в определении динамического модуля упругости необходимо при­ нимать равными двойным ошибкам при измерении соответствующих частот.

При выборе генератора колебаний основную роль играет стабильность диапазона частот в процессе работы и, в частности, отклонения нулевого отсчета в аппарате при нагревании. Ошибка калибровки генератора не должна превышать 0,5%. Ошибка в считывании частот по круговой шкале должна быть меньше 0,5%. Напряжение выхода излучателя должно быть регулируемым и изменяться не больше чем на 10 в при изменении частот

впределах ±20% . При желании повысить точность измерения параллельно

сизлучателем подключают цифровой частотомер, по которому отсчитывают показания с точностью до 1 гц и даже его долей. Этот частотомер показан на схеме 1.9 и является очень эффективным при измерении затухания по методу оценки ширины резонансной кривой.

Мощность на выходе большинства генераторов звуковой частоты не­ достаточна. Поэтому для обеспечения соответствующей работы йзлучателя

между ним и генератором предусматривается усилитель мощности с мощ­ ностью на выходе 4—5 вт. В других случаях полезно осуществить выбор усилителя мощности таким образом, чтобы выход усилителя соответствовал импедансу Z излучателя в частотном интервале, в котором он работает. Одним из типов излучателя является плоский излучатель в виде катушки с подвижным сердечником, работающим на переменный импеданс в слыши­ мой области частот с сопротивлением около 3 ом для низкой частоты и для высокой частоты 10—12 ом. В этих условиях осуществляется три выхода с сопротивлением, равным 3, 6 и 10 ом, которые обеспечивают хорошую связь усилителя и излучателя для всех частотных полос. Когда в усилителе распо­ лагают одним выходом, соответствующий импеданс излучателя должен соответствовать частоте 1000 гц.

В качестве эффективного возбудителя колебаний рекомендуется электро­ динамический с катушкой и подвижным сердечником, с относительно не­ большим потреблением мощности и"незначительной возбуждающей силой, что очень ценно при испытании на ^колебания образцов малых размеров

(рис. 1.10, а и б).

21

Катушка возбудителя с подвижным сердечником, соединенным с нако­ нечником, передает колебания образцу. Передача колебаний образцу про­ изводится посредством дополнительной детали, которая имеет хороший кон­ такт с бетонной призмой. Магнитная часть излучателя не имеет связи с ка­ тушкой, таким образом допускается взаимное смещение оси катушки и маг­ нитного сердечника.

Существуют также возбудители с катушками и подвижным сердечни­ ком, которые передают колебания образцу не с помощью непосредственного контакта, а бесконтактным методом с помощью электродинамического виб­ ратора с воздушной подушкой (рис. 1.10, в). В таком случае образцу пере­ дается незначительное количество энергии, однако к образцу не присоеди­ няется дополнительная масса.

Когда пользуются непосредственным контактом, то масса катушки с сердечником и наконечником вибратора должна составлять меньше 0,2 массы образца. В любом варианте необходимо, чтобы излучатель не имел резонанса в области измеряемых частот.

Приемник может быть одного из следующих типов (рис. 1.11): пьезоэлектрический -акселерометр с кристаллом, который достаточно

прост для применения непосредственно на образце или может быть закреп­ лен самостоятельно и поддерживать связь с балкой путем легкого соедине­ ния (рис. 1.11, а);

приемник типа микрофона, у которого наконечник опирается на обра­ зец и соответствует направлению колебаний;

приемник электромагнитного типа, подобный применяемому в теле­ фоне, состоящий из двух частей: диска из ковкого железа или другого маг­ нитного металла, приклеенного к образцу, и магнитного приемника, распо­ ложенного вблизи диска, но без касания (рис. 1.11, б).

Излучатели и приемники для соблюдения контакта с образцом должны опираться на ровную или закругленную поверхность таким образом, чтобы материал в этом месте не разрушался во время испытания.

Рис. 1.10. Возбудители колебаний

22

Может быть использован любой из этих приемников, необходимо толь­ ко, чтобы его колеблющаяся масса была меньше 0,2 от массы образца и чтобы его собственная частота не была близка частотам диапазона 50—20 000 гц.

Усилитель приемника — один из обычных линейных усилителей на­ пряжения с коэффициентом усиления приблизительно равным а = 105. Необходимо, чтобы максимум сигнала на выходе излучателя был постоян­ ным и устойчивым в пределах а ± 0,5% на ширину полосы в 5% главной частоты. Также необходимо, чтобы максимальная чувствительность была бы по отношению к сигналу больше 40 дб. Желательно иметь на выходе усили­ теля измеритель напряжения, который можно использовать в качестве ин­ дикатора резонанса путем наблюдения максимального значения напряже­ ния.

К схеме применяемой аппаратуры следует добавить описанные выше эффективные приборы, а именно:

дополнительный звукосниматель, указанный на рис. 1.9, для уточнения тона резонанса. Он устанавливается вдоль образца и контролирует положе­ ние пучностей и узлов колебания;

дополнительный индикатор резонанса, в качестве которого можно ис­ пользовать осциллоскоп (электронно-лучевую трубку) одной из пар откло­ няющих пластинок, связанный с сигналом излучения, и другой —с сигналом приемника и усилителя. Форма интерференционных фигур Лиссажу на экране электронно-лучевой трубки помогает различать гармоники колеба­ ний образца;

дополнительный измеритель частот, соединенный параллельно с гене­ ратором колебаний, обычно цифровой, позволяет измерять резонансные час­ тоты с точностью до 1 гц или его долей.

Для измерения коэффициента затухания по ширине резонансной кри­ вой применяется также аппаратура, имеющая на шкале вольтметра резо­ нансного индикатора отметку, равную 0,707 максимального отклонения амплитуды и обеспечивающая возможность регулирования отсчетов с по­ мощью потенциометра.

Применение метода измерения логарифмического декремента при сво­ бодных колебаниях предполагает наличие дополнительной блокировки аппа­ ратуры, называемой анализатором логарифмического декремента (амплиту­ ды затухающих колебаний). Эта аппаратура возбуждает непрерывное пе­ риодическое колебание образца и служит для количественного подсчета периодов с помощью числового частотомера, на котором осуществляется счет колебаний до тех пор, пока амплитуда колебаний не уменьшится напо­ ловину от начального значения. Точность подсчета должна быть не меньше 1 цикла.

На рис. 1.12 показана в качестве примера аппаратура, изготовляемая для измерения резонансным методом в Румынии, марки I.S.P.H. INCERG (Институт исследований и экономики строительных конструкций), а также аппаратура, изготовляемая в зарубежных странах1, например электроди-

1 В Советском Союзе для резонансных испытаний образцов бетона выпускаются серийный прибор ИРЧ-1 (измеритель резонансной частоты) и ряд других (примеч. науч. ред.).

23

а

Рис. 1.11. Приемники колебаний

Рис. 1.12. Резонанс­ ный прибор ISPH

Рис. 1.13. Резонанс­ ный прибор Dawe

24

намический испытатель материалов типа SCT/5 или EDT/6, изготовляемый фирмой «Доу» (Великобритания) (рис. 1.13); можно указать также прибор Е — G Metr Kottas, изготовляемый фирмой WTW — Weilheim R. F.

в ФРГ. Последний аппарат позволяет измерять также скорости распростра­ нения ультразвукового импульса на небольших образцах (меньше 30 см).

1.7. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА

Резонансные методы применяются в научных 'исследованиях главным образом на образцах для определения динамических упругих постоянных бетона при изучении таких процессов, как твердение бетона, а также для определения влияния условий твердения на процесс набора прочности. Резонансные методы были использованы при исследовании поведения бето­ на при воздействии агрессивных химических агентов и главным образом при попеременном замораживании-оттаивании при испытании бетона на морозо­ стойкость. Следует сказать, что имеется попытка использования резонансно­ го метода для определения механической прочности бетона на образцах или для общей оценки качества бетона в конструктивных элементах, как, на­ пример, шпал из предварительно-напряженного железобетона для железной дороги или сборных железобетонных свай при забивке в грунт.

1.7.1. Исследование процессов твердения бетона

Резонансные методы применяются для контроля твердения бетона в возрасте 1—15 суток. Для возраста бетона меньше 1 суток резонансные методы малопригодны, так как возникшие колебания образца приводят к разрушению при длительных испытаниях. Для бетона в возрасте 15 су­ ток и выше изменения собственных частот или затухания незначительны, поэтому при экспериментальных измерениях возникают значительные по­ грешности.

Для установления возраста бетона, влияющего на возбуждение в нем изгибных колебаний определенной частоты, испытывались бетонные образ­ цы очень раннего возраста, начиная с 8 ч с момента изготовления. Эти об­ разцы изготовляли из цемента с высокой начальной прочностью.

Результаты исследования выполнены в 1NCERC [7] на призме 10х10х

Х55 см.

Путем периодических резонансных измерений в ходе процесса тверде­ ния бетона определено, что окончательная фаза твердения проходит между 11—12 ч с момента затворения. Установление предельных границ произво­ дилось с помощью так называемой теории связанной точечной системы [7]*, на основании которой показано, что в момент прохождения процесса твер­ дения от одной фазы к другой на диаграмме изменения собственной частоты колебаний появляется характерная зона, названная зоной точечных эле­ ментов. Для облегчения представления эта зона может быть заменена точ­ кой, находящейся на пересечении продолжения прямых, проведенных из крайних точечных элементов, за пределами которых происходил процесс

* Теория связанной точечной системы кратко изложена автором в [7] и не явля­ ется общеизвестной (примеч. науч. ред.).

25

п

%

твердения до и пбсле зоны точечных элементов (рис. 1.14). Эти точечные элементы соответствуют аналогичным точкам на диаграмме скорости распро­ странения волн ультразвука и другим типам аномалий на диаграмме изме­ нения прочности при сжатии. Определение процесса твердения, которое соответствует этой фазе, остается еще нерешенной проблемой.

Контроль процесса твердения бетона в возрасте 11—12 ч с момента при­

расте от 1 дня на продольные колебания. Параллельно были испытаны кубы со стороной 10 см на разрушающую нагрузку при сжатии.

26

Точечные элементы, расположенные в местахперелома на обоих кри­ вых диаграммы, соответствуют возрастам образцов с момента изготовления, равным 2, 5 и 11 суткам. Эти точки встречаются на диаграмме там, где из­ меняется резонансная частота и прочность при сжатии, и соответствуют теоретическим соображениям, изложенным в главе 2, а скорость распро­ странения ультразвука указывает на то, что структурообразование тесно связано с ростом во времени механической прочности бетона. Положение

твердения, водоцементного отношения, состава и тонкости помола цемента. Подробнее эти зависимости излагаются в главе 3.

Контроль процесса твердения, который продолжается за пределами 10—20 суток после приготовления бетона (рис. 1.16), для резонансного ме­ тода является более сложной задачей вследствие незначительного измене­ ния частоты.

1.7.2. Исследование влияния влажности на твердение бетона

Условия твердения оказывают решающее влияние на изменение во вре­ мени механической прочности бетона. В первой части этого раздела изла­ гаются исследования, выполненные в INCERC [8] и относящиеся к влиянию влажности на твердение бетона, приготовленного на цементе с высокой на­ чальной активностью (минералогический состав: C3S — 44%, C2S — 24%, С3А — 12%, C4AF — 11%). Для исследования был принят способ возбуж­ дения изгибных колебаний на призмах размером 10x10x55 см, из которых одна хранилась на воздухе (Um = 40%), другая — постоянно под влажным песком (Uт = 100%). Изменения во времени частот собственных колеба­ ний образцов даны в виде двух кривых, изображенных на рис. 1.17. Разность этих частот, изменяющаяся во времени, показана на рис. 1.18. При рассмот­ рении рис. 1.18 можно сделать вывод, что на части кривой имеется сущест­ венная разница между твердением двух образцов бетона (около 80—90%) в интервале первых 4—5 суток с момента приготовления.

27

В этот период, по-видимому, наиболее интенсивно развивается хими­ ческий процесс гидратации и усадки бетона, приготовленного из цемента с высокой начальной активностью. Затем, продолжая непрерывно разви­ ваться, процесс протекает медленно и влажность имеет второстепенное зна­ чение для твердения этого бетона, во всяком случае для химического про­ цесса старения геля, для которого влажность играет важную роль.

Из этого следует практический вывод, что для бетонов, приготовленных на быстросхватывающемся цементе, повышенная влажность во время твер­ дения имеет важное значение во время хранения в первые 4—5 суток с мо­ мента изготовления. Это тот промежуток времени, в течение которого нужна эффективная защита бетона от потери воды, например путем полива, как это делается в Румынии в жаркое и сухое время года.

Изменение динамического модуля упругости показано на рис. 1.19

и1.20. Эти данные сопоставимы с результатами, полученными Шефдевилем

в1953 г. в условиях различной влажности при схватывании цемента1. Образ­ цы, изготовленные на портландцементе, сохранялись в трех различных режимах: непрерывно в воде (300 суток), непрерывно на открытом воздухе (300 суток) и 150 суток на открытом воздухе, а затем 150 суток в воде, пос­ ле чего подвергались испытаниям. Результаты Шефдевиля приведены на

рис. 1.20 в виде графиков изменения динамических модулей упругости во времени.

Из приведенных зависимостей видно, что динамический модуль упру­ гости образца, хранившегося на воздухе, в первые 20 суток увеличивался, затем начинал снижаться и в возрасте более 100 суток имел предельное зна­ чение. Это снижение происходило в процессе разрушения структуры бето-

1 Обширные эксперименты с использованием резонансного метода были проведе­ ны В. А. Латишенко в 1955—1957 гг. по изучению влияния водонасыщения на свойства бетона. См. «Зависимость частоты собственных колебаний, динамического модуля упру­ гости и логарифмического декремента затухания бетона от водонасыщения». — В кн.: Исследования по бетону и железобетону, вып. 2. Изд. АН Латв. ССР, Рига, 1957 (примеч. науч. ред.).

28

на за счет образования микротрещин от усадочных напряжений. Динамиче­ ский модуль упругости образца, хранившегося в воде, был приблизительно на 20—25% больше модуля образца, хранившегося на воздухе.

Усадка образца, находившегося в воде, не вызвала изменений свойств бетона. Наоборот, при погружении в воду образца, хранившегося на возду­ хе, выяснилось, что модуль его упругости быстро увеличивался, но не до­ стиг того значения модуля упругости, который был у образца, непрерывно хранившегося в воде. Очевидно, качество первого образца понизилось в ре­ зультате разрушения структуры во время хранения на воздухе; это явление необратимо, и полного залечивания микротрещин в воде не может быть.

1.7.3.Определение динамического модуля упругости

иего связь со статическим модулем упругости 1

Под динамическим модулем упругости нами понимается отношение напряжения к деформации на уровне напряжений предельно малых величин при воздействии динамической нагрузки. Вычисление производится после испытаний резонансным методом по одному из уравнений (1.20) или (1.33) в зависимости от использования продольных или изгибных колебаний.

Наиболее простое соотношение (1.20), поправочные коэффициенты сl — небольшие, техника испытания проста и предпочтительна по сравнению с ме­ тодом резонанса изгибных колебаний.

Величина динамического модуля упругости зависит от состава бетона, а именно: происхождения и зернового состава заполнителя, типа и дози­

гости бетона зависит от вида заполнителя, а также от разницы модулей уп­ ругости бетона и заполнителя, на котором он приготовлен, последний имеет более высокий модуль упругости2. В данном случае подтверждается, что здесь играет роль целый ряд свойств компонентов бетона.

Увеличение мелких фракций заполнителя приводит к уменьшению ди­

Марка и дозировка цемента незначительно влияют на динамический модуль упругости, но влияют на механическую прочность бетона [9].

Водоцементное отношение и плотность бетона оказывают сильное влия­ ние на величину динамического модуля упругости вследствие изменения

1 Связь динамического и статического модуля упругости бетона неоднократно изучалась советскими исследователями как в теоретическом плане, так и в эксперимен­ тальном. См. работы Н. А. Крылова (ЛКВВИА им. А. Ф. Можайского), В. Н. Морщихина, В. Е. Гринберга, В. В. Судакова (ЛенЗНИИЭП) (примеч. науч. ред.).

2 Для легкого бетона этот вывод не подтверждается, что видно из данных послед­ ней строки табл. 1.8 (примеч. науч. ред.).

29