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

По-видимому, для применения неразрушающего комбинированного метода

вэтой области имеются перспективы повышения точности.

6.Рекомендуется измерения, проведенные неразрушающим методом, дублировать контролем за потерей образцом массы, которая может служить дополнительным критерием оценки разрушения бетона.

7.Для установления типа резонанса в случае сильного повреждения образца воздействием замораживания-оттаивания необходимо использо­ вать дополнительный преобразователь, предназначенный для исследования положения узловых точек.

Для иллюстрации эффективности применения резонансного метода приведены графики на рис. 1.29 и 1.30, показывающие характер изме­ нения резонансных частот изгибных колебаний в функции количества циклов замораживания-оттаивания для бетона, изготовленного с разными добавками пластификаторов [14]. Из графиков видно, что наиболее благо­ приятные результаты получены при снижении отношения В/Ц и с добавка­ ми пластификаторов, которые приводят, по существу, к снижению отноше­ ния В/Ц.

1.7.6. Испытание бетона на воздействие агрессивных сред

Резонансный метод для исследования поведения бетона в агрессивной среде, по имеющимся до 1955 г. данным, применялся редко. Исследования, проведенные в этот период, относились к изучению степени разрушения ка­ нализационных труб агрессивным действием сточных вод такими учеными, как Штудтерхейм, Лохнер и Бюргер. Испытывались составы бетона, отли­ чающиеся только видом заполнителя.На основе полученных резонансным

40

методом результатов был выбран наиболее рациональный состав бетона, ко­ торый позволил увеличить срок эксплуатации канализации.

Резонансные методы были применены также в СССР В. В. Стольниковым и В. Б. Судаковым при изучении воздействия различных агрессивных агентов на бетон. В исследованиях, выполненных в INCERC, был принят резонансный метод изгибных колебаний для измерений собственных частот и затухания, а также метод продольных колебаний для оценки поведения бетона и раствора при агрессивном воздействии С 02; была оценена степень чувствительности цементов, исследована эффективность добавок латекса или специальных замазок для увеличения сопротивляемости агрессивному воз­ действию, исследована возможность применения защитных полимерных составов в промышленности органической химии. На рис. 1.31 приведены сопоставительные данные поведения различных антикоррозийных составов в растворах, содержащих 20% H N 03 [15, 16, 29]. Испытания показывают преимущество применения резонансного метода изгибных колебаний по сравнению с резонансным методом продольных колебаний, проявляемое в по­ вышенной чувствительности к наблюдаемому коррозионному воздействию.

1.7.7. Исследование свойств бетона по затуханию колебаний

Широкое использование в последнее время измерений затухания коле­

ния затухания: метод логарифмического декремента (амплитуды затухаю­ щих свободных колебаний) и метод ширины пика резонансной кривой.

Другие методы связаны с измерением размеров образца, чтобы исклю­ чить из окончательного результата внешнее трение, которое существует за счет контакта с образцом как возбудителя и звукоснимателя (очень жест­ кое соединение вызывает дополнительное трение), так и опор, на которых трение может погасить большую часть энергии колебаний.

Принимая во внимание этот факт, Джонс и Вельх [17] указали на два метода, дающие эквивалентные результаты, не зависящие от порядка гар­ моники колебаний, на которой проведены измерения (табл. 1.12).

41

Т а б л и ц а 1.12. Влияние метода и порядка гармоники на измерения затухания

Из приведенных в таблице результатов видно, что разница между дву­ мя методами для различных порядков гармоники неравномерна, но в преде­ лах современной точности измерений результаты эквивалентны. Однако по

[17] указали, что на основе результатов испытаний, приведенных на рис. 1.32, видно, что независимо от состава испытанного бетона добротность в зависи­

Что касается влияния структуры бетона на затухание, известны сле­ дующие данные. Повышение отношения В/Ц, которое приводит при при­ готовлении бетона к снижению плотности бетона, увеличивает затухание колебаний

и снижает добротность.

Основное влияние зернового состава на затухание колебаний оказывают мел­ кие фракции заполнителя, поскольку боль­ шинство изменений относится к среде це­ ментный раствор—заполнитель. Если увели­ чивать диаметр заполнителя до максималь­ ных размеров, то тогда большое процент­ ное содержание крупных фракций в запол­ нителе может привести к снижению зату­ хания колебаний. Следует отметить, что имеется существенная разница между

42

измерениями затухания резонансным методом и измерениями затухания методом распространения ультразвукового импульса.

в бетоне, приготовленном с таким заполнителем, будет большим, чем в бето­ не, приготовленном на речном гравии.

Присутствие в порах вместо воздуха воды приводит к увеличению зату­ хания колебаний благодаря высокой вязкости воды в порах без воздуха. По этой причине при испытании образца, хранившегося в воде, особое внима­ ние обращается на сохранение постоянной влажности образца во время ис­ пытаний. И в этом случае существует разница между результатами измере­ ний затухания при резонансе и при использовании техники измерения за­ тухания ультразвукового импульса.

1.7.8. Определение механической прочности бетона

Установление связи между резонансной частотой или динамическим мо_ дулем упругости и механической прочностью бетона потребовало на иссле­ дования много времени.

Первые опыты были проведены в США в 1940 г. Томсоном [18], Вилли­ сом и Реусом [19] для установления изменения прочности на растяжение при изгибе (ARu) в зависимости от изменения модуля упругости (AE d). Измере­ ния проводились резонансным методом изгибных колебаний при испытании бетона на морозостойкость. Было предложено уравнение

где ARu и AEd — соответственно изменение прочности в процентах и динамического мо­ дуля упругости, если величины были взяты в кгс/см2.

Дальнейшие попытки [20] нахождения более общего соотношения между прочностью на изгиб и динамическим модулем упругости привели к выраже­ нию в общем виде:

в котором А, В и С постоянные, зависящие от вида испытываемого бетона. Шефдевиль [10] в 1953 г. предложил отношение между прочностью R ti и модулем E d, в котором учел и коэффициент Пуассона v d бетона, в виде

Другая серия исследований была посвящена установлению соотноше­ ния между прочностью при сжатии Rc и динамическим модулем упругости. Впервые Лермит (1950) [21] воспользовался выражением

43

R^ec/CM1

0,02 003 004 000 000 0 0 7 4

Рис. 1.33. Зависимость между прочностью при сжатии, логарифмическим декрементом колебаний и динамическим модулем упругости

в котором постоянная К 3 имеет численное значение 134 ООО, не зависящее от бетона.

С сегодняшних позиций можно сказать, что нельзя ожидать получения единого однозначного соотношения между динамическим модулем упругости и прочностью, не зависящего от вида и количества применяемого цемента, вида и зернового состава заполнителя, возраста и влажности бетона. В це­ лях повышения точности определения прочности ученые направляют свои усилия на использование комбинированных методов неразрушающих испы­ таний. Одним из проверенных комбинированных методов, предложенных Катарином [22], было совместное использование модуля упругости E d и модуля с д в и г а Э т о т метод был применен к стандартному раствору и базировал­ ся на уравнении

с‘°‘-с(1£гУ■ <1'69)

где постоянные b и с зависят от вида цемента; Ь— содержание трехкальцие­ вого силиката в %; отношение db — удельная поверхность цемента.

Другое сочетание предложили Кеслер и Хигучи [23], которые исполь­ зовали совместно динамический модуль упругости и логарифмический де­ кремент колебаний. Для преобразования результатов в прочность они при­ менили график, в котором по оси абсцисс наносили логарифмический де­ кремент Д, а по оси ординат — прочность при сжатии R. На этом графике они

44

нанесли кривые равных значений динамического модуля упругости Е (рис. 1.33). Из пары значений E d, А определяется одно-единственное значе­ ние — прочность при сжатии R. Комбинированный метод, принятый Кес­ лером и Хигучи, представляет собой шаг вперед в сравнении с простым ре­ зонансным методом, основанным на использовании физических величин f или А по отдельности.

Авторы, однако, преувеличивают универсальность метода, претендуя на то, что метод применим во всех случаях, независимо от вида испытывае­ мого бетона. Исследования, выполненные Джонсом и Вельхом [17], показы­ вают, что результаты зависят главным образом от вида применяемого запол­ нителя, а также и других факторов. Без сомнения, эти факторы менее мно­ гочисленны, чем в случае использования зависимостей Rc — E d или Rc — А.

1.7.9. Исследование работы бетона на знакопеременные нагрузки

Резонансная техника изгибных колебаний была разработана относи­ тельно недавно Гетфилдом [24] для нагружения переменными усилиями балок из неармированного бетона. Для испытания был использован возбудитель

скатушкой и подвижным сердечником

идвумя усилителями мощности с по­ ложительной и отрицательной поляри­ зацией, обеспечивающий максималь­ ные усилия около 7 кгс, необходимые

для возбуждения резонанса балки.

f fo

45

6

Благодаря коэффициенту усиления а х 100 фактическое усилие было 700 кгс. Испытываемая балка имела размеры 15x7, 5 х 180 см\ опоры были расположены на 0,224 от длины балки. Принятое усилие давало возмож­ ность создавать переменные деформации, значения которых измерялись с точностью до 0,12. Балку испытывали до разрушения.

Исследованиями было установлено влияние величины переменных уси­ лий на резонансную частоту и результаты были приведены в виде графика на рис. 1.34. Из графика видно, что по мере увеличения усилия резонансная частота снижалась; следовательно, снижался как динамический, так и ста­ тический модуль упругости. Снижение величин модулей упругости, пока­ занное на рис. 1.34, зависит от состава бетона и от вида заполнителя.

Другие интересные наблюдения Гетфилд провел при разгрузке балки, которая не была разрушена после 1 дня испытания. Разгружая постепенно балку типа Б от деформации, получаем кривую возврата резонансной час­ тоты А (кривую А) согласно рис. 1.35. В разгруженном состоянии балку оставляют в течение 2 дней для того, чтобы деформации остановились в на­ чальной точке кривой Б, затем после возобновления нагружения изменение резонансных частот идет по кривой Б.

Такая же операция проводится и с балкой типа D, но с нагружением, близким к предельному, что приводит к разгрузочной кривой D (и F по рис. 1.36) и при новом нагружении к кривой В, ход которой отличается от хода кривых А и Б, полученных при минимуме нагрузки. Из характеристи­ ческих кривых для двух балок следует вывод, что соответственно кривым А и D строят кривые Е и F, изображенные на рис. 1.36. В то время как кри­ вая Е, соответствующая балке типа Б, практически представляет собой прямую, кривая F, соответствующая балке С, далека от прямой линии, и это указывает на то, что эта балка была нагружена деформацией или пере­ менным усилием, которое при достаточно большом количестве загружений привело бы к разрушению балки от усталости.

1.7.10. Контроль качества забивных свай

Один из методов контроля забивных свай разработан Пакэ [25], кото­ рый использовал для этой цели так называемый метод механического им­ педанса, являющийся, по существу, резонансным методом.

Метод основывается на измерении механического импеданса вершины сваи (по отношению к забивке) и представлении его изменения в функции

46

частоты. Известно, что под механическим импедансом подразумевают отно­ шение комплексной амплитуды колебательной силы у верха сваи к скорости перемещения, которое зависит от величины и от частоты вынуждаю­ щей силы.

Общая схема аппаратуры, необходимой для проведения испытания, по­ казана на рис. 1.37. Изменение механического импеданса вверху сваи в за­ висимости от частоты получено на двух опытных сваях с одинаковыми гео­ метрическими размерами, но разных по качеству. Данные испытания пока­ зали четкую разницу между траекториями кривых для двух свай, на кото­ рых показаны разные дополнительные резонансы. Для получения необходи­ мых результатов нужно, чтобы сваи не были очень длинные (до 15 м), тогда затухание не будет слишком большим. В противном случае механический импеданс стремится к волновому сопротивлению, одинаковому для всей сваи данного диаметра независимо от ее качества. Можно доказать, что раз­ мер, от которого зависит характеристический импеданс, представляет со­

бой отношение — (/ — длина сваи; vD— скорость продольных волн, зави­ ло

сящая от типа и арматуры сваи) и, если существуют сомнения относительно величины /, оценка качества сваи не может быть достоверной. В этом случае можно получить одинаковые результаты в опытах с короткой сваей и низ­ ким качеством бетона и с длинной сваей, но из бетона хорошего качества. По этой причине метод является эффективным для свай одинаковой длины.

Характер крепления (заанкеривания) сваи может быть оценен путем сопоставления средних частот. Для свай, которые забиваются в неплотных болотистых грунтах, этот метод неприменим.

47

В итоге метод можно использовать как сравнительный при забивке же­ лезобетонных свай с постоянным поперечным сечением, достаточно боль­ шим диаметром (D ^ 60 см) и длиной до 15 м, допуская обнаружение боль­ ших дефектов, но исключается возможность определить длину заанкеривания сваи и среднюю скорость распространения волн.

1.7.11. Испытание балок из предварительно­ напряженного железобетона изгибными колебаниями

Резонансный метод с успехом применялся Кочисом и его сотрудника­ ми [26] при испытаниях изгибными колебаниями предварительно-напря­ женного железобетона1. Он установил, что как разрушающий момент, так и резонансная частота изгибных колебаний зависят от дополнительных фак­ торов: качества бетона, инерционных характеристик поперечного сечения, пролета или длины балки (шпалы).

Принятая аппаратура состояла из электромагнитного излучателя, соб­ ственная частота которого была выше 200 гц, имеющего движущуюся массу 250 г и мощность 25 вт. Приемник был принят такого же типа, но облег­ ченной модели с резонансной частотой 200 гц и минимальной чувствитель­ ностью 10 мв/g (g — ускорение силы тяжести).

В первую очередь необходимо было установить расстояние между опо­ рами, так как поперечное сечение шпалы было переменным. Выбор точки приложения нагрузки, возможно, был подсказан положением рельсового башмака на шпале длиной 242,6 см, поэтому было принято расстояние от башмака, равное 104,6 см. Теперь становится очевидным, что следует при­ нять два относительно близких резонанса между опорами и вне опор. В ре­ зультате наложения двух резонансов расстояние между опорами оказалось

ным методом определять несущую способность шпал с точностью ±7% и результаты могут быть проверены классическими испытаниями — разру­ шением2. Очевидное преимущество этого метода позволяет более детально контролировать качество продукции; следовательно, увеличивается срок эксплуатации конструкций, а также исключается потребность в образцах для испытаний до разрушения.

1 С 1960 г. в Тбилиси ведутся работы по использованию вибрационного метода при испытании железобетонных конструкций и сооружений. См. обзор руководителя этих работ д-ра техн. наук Э. А. Сехниашвили «Основные положения неразрушающего динамического метода оценки несущих свойств готовых предварительно-напряженных железобетонных конструкций серийного производства». Техническая информ. Строитво и арх., № 15, Госстрой ГрузССР, Тбилиси, 1969 (примеч. науч. ред.).

а С приведенными здесь соображениями нельзя согласиться. Как показали тща­ тельно поставленные эксперименты Г. Б. Шмакова в Московском инженерно-строитель­ ном ин-те, на более простых, чем преднапряженные шпалы, элементах — надоконных железобетонных перемычках Б-200 — среднее квадратичное отклонение точек корре­ ляционной зависимости «частота собственных колебаний — предельный изгибающий момент» от кривой регрессии составило 30,5% (примеч. науч. ред.).

48

1.7.12. Определение толщины бетонной плиты

Если в плите толщиной h возбуждены колебания, волны распростра­ няются в продольном направлении. Первичный резонанс возникнет тогда,, когда колебания двух поверхностей плиты совпадут с колебаниями возбу­ дителя. Условием для этого служит выражение

Если под плитой находится другой материал, возможности применения ме­ тода зависят от разных акустических свойств (импеданса рdvL) материала плиты и основания.

Наиболее благоприятные условия для испытания создают следующие

где индекс1! 1 и 2 указывают порядок слоев, а со — угловая частота — опре­ деляет требуемую резонансную частоту. Муэноу в США [28] выполнил увен­ чавшиеся успехом эксперименты в области измерения толщин бетонных плит, используя пьезоэлектрический возбудитель большой мощности (5 вт), со­ ставленный из мозаики пьезокристаллов с собственной частотой 11 кгц. Для толщин, относительно небольших, частоты достаточно удвоить. Пьезо­ электрический приемник применялся с собственной частотой 60—80 кгц.

Для определения толщины плиты в соответствии с соотношением (1.70)' необходимо также знать скорость продольных волн в плите. С этой целью Муэноу использовал аппаратуру, применяемую в импульсной технике при измерениях с одной поверхности (раздел 2.4.1). Несмотря на то, что такие измерители можно, в принципе, критиковать за необходимость согласования между значениями vL на поверхности и внутри образца, по мнению авторов,, они не могут дать большой ошибки, если расстояние преобразователь— приемник принимается достаточно большим (минимум 40 см), так как опас­ ность снижения точности измерений для бетона становится больше в тон­ ких слоях. Поэтому эта работа включает те измерения, которые проведены в массивной части образца на больших расстояниях между излучателем и приемником. Необходимо также избегать измерений в зоне с трещинами или в других дефектных местах на поверхности образца.

Муэноу считал, основываясь на сопоставлении результатов с образца­ ми в виде кернов, что точность измерения толщины плиты находится в пре­ делах ±5% при единичных измерениях в одной точке и ± 2—3% при мно­ гократных измерениях.

49