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

2.4. ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2 .4 .1 . М е т о д и к а р а з м е щ е н и я п р е о б р а з о в а т е л е й

рис. 2.12, а).

Исключая специальные случаи, следует избегать размещения преобра­ зователей со стороны укладки бетона или же вблизи угла элемента. К спе­ циальным случаям относятся:

плиты с одной доступной поверхностью, когда она является стороной, с которой укладывали бетон;

случай, когда необходим слой бетона именно хорошего качества со сто­ роны укладки.

Большей частью точки для испытания размещают как минимум в 8— 12 см от грани элемента [11].

Если испытывают образцы и хотят измерить скорость распространения продольных волн, то как поперечные размеры образца, так и расстояние между преобразователями не должны быть меньше 2 Я, (Я — длина волны).

2 .4 .2 . В ы б о р п р е о б р а з о в а т е л е й

Иногда имеется возможность выбрать преобразователь, используя опыт прежних испытаний. Критерии, на основании которых производят такой выбор для бетона, следующие:

собственная частота должна находиться в пределах между 30 и 200 кгцу при испытаниях с помощью метода поверхностного прозвучивания пред-

60

почитаются преобразователи, соприкасающиеся с поверхностью в точке, которые можно ориентировать по направлению, благоприятному для рас­ пространения продольной волны, т. е. вдоль поверхности;

при испытаниях с короткими расстояниями между излучателем и при­ емником (меньше 30 см) преимущественно используются преобразователи с собственной частотой больше 100 кгц\

при испытаниях со средними расстояниями (30—120 см) применяются преобразователи с собственной частотой между 45 и 100 кгц;

при испытаниях с большими расстояниями (больше 120 см) применяют­ ся электромеханические излучатели.

2 .4 .3 . В ы б о р м е с т и сп ы т а н и я

При выборе мест испытания следует руководствоваться указаниями, приведенными в разделе 2.4.1.

В зависимости от вида конструкции рекомендуется следующее разме­ щение мест (точек) испытания:

к о л о н н ы с двумя или со всеми доступными сторонами в наиболь­ шем поперечном сечении, но не меньше, чем в трех местах: первое — у ос­ нования, второе — в середине, третье — в верхней части колонны. В каж­ дом сечении выбирают точки по двум направлениям. Минимальное коли­ чество точек испытания по одной стороне колонны 2—3 в зависимости от поперечных размеров колонны. Расстояние точек испытания от грани ко­ лонны рекомендуется принимать в соответствии с разделом 2.4.1;

б а л к и на двух опорах с небольшой величиной ~ (высота/пролет)

и большой шириной в середине балки: испытания в 2—3 сечениях, в зоне максимального момента и минимум в 2—3 точках, в сечениях по всей сжатой зоне;

б а л к и на двух опорах с большим соотношением j и небольшой ши­

риной в середине балки: испытания, как и в предыдущем случае, в зоне мак­ симального момента и дополнительно в зоне максимальных скалывающих,

на каждой опоре и 2—3 сечениях в каждом пролете. В поперечных сечениях,

редачей натяжения; стенка по всему пролету, полка только в середине, в зо­ не максимального момента;

б а л к и предварительно-напряженные или с последующим напряже­ нием: полка — в середине пролета в зоне максимального момента; если се­ чение в середине пролета тоньше, то в этом месте также рекомендуется про­ верка, особенно там, где примыкает полка;

б а л к и предварительно-напряженные или с последующим напряже­ нием, неразрезные: в зоне максимального момента в пролете и на опорах;.

61.

К,кгс/см2

в том случае, когда сечение балки в середине пролета тоньше, рекомендуется то, что и в предыдущем пункте;

п л и т ы на двух опорах: в пролете, в двух взаимно перпендикуляр­ ных направлениях, расположенных под углом 45° к уложенной арматуре,

всжатой части плиты не меньше трех точек по каждому направлению;

пл и т ы неразрезные: в пролете и вблизи опор, в двух взаимно пер­ пендикулярных направлениях, затем аналогично предыдущему случаю; часть точек измерения нужно расположить в пролете с верхней стороны пли­ ты и вблизи опоры с нижней стороны;

ди а ф р а г м ы или железобетонные стенки: в зоне одной из арматур­ ных сеток со стороной 0,5—1 м выбирают точку, наиболее удаленную от арматуры;

о б р а з ц ы в виде куба рекомендуется испытывать в трех точках, если сторона куба равна 20 см, и минимум в двух точках, если сторона куба равна 10 см. Примеры, выбора точек испытания на образцах в виде кубов и цилиндров показаны на рис. 2.13.

Испытание цилиндрического образца с лицевой стороны, т. е. со сто­ роны укладки материала (после изготовления), следует по возможности из­ бегать, если диаметр цилиндра достаточно велик.

При испытаниях образцов небольших размеров следует руководство­ ваться указаниями, содержащимися в разделе 2.4.2.

Испытания образца в виде высверленного керна необходимо заменить, насколько это возможно, испытаниями бетона в месте, из которого извле­ кается образец. Следует избегать извлечения образца диаметром меньше

8—10 см.

В том случае, когда испытания образца невозможно избежать, реко­ мендуется проводить испытания по диаметру при условии, что он не меньше 4-кратного максиматьного диаметра заполнителя. Образцы большего диа­ метра, если это возможно, подвергают испытанию после высверливания с тем, чтобы преобразователи располагались по центру площади основания.

Когда необходимо составить подробную карту зон прочности элемента или получить детальную картину скрытых дефектов в ограниченной зоне,

>62

тогда испытания производят по частой сетке с точками испытания, которые покрывают всю площадь элемента. Испытывать образцы можно по указа­ ниям, приведенным выше, при этом необходимо увеличить количество точек испытания в одной определенной зоне.

Разбивка точек испытания производится с помощью уровня или водя­ ного шланга с тем, чтобы надежно обеспечить соответствие между точками излучения и приема импульсов по разным сторонам испытываемого элемента.

2 .4 .4 . П о д г о т о в к а м е с т а и сп ы т а н и я . К о н т а к т н а я с р е д а

Точки испытания четко отмечают, так как в них будут устанавливаться пьезопреобразователи. Поверхность образцов после удаления металличе­ ской или щитовой опалубки, как правило, очень гладкая, поэтому нет необ­ ходимости в ее специальной подготовке. Шероховатая поверхность бетона или же отслоившаяся его часть после снятия деревянной опалубки, в осо­ бенности при недостаточном уплотнении бетона по всей площади укладки,, требует предварительной подготовки поверхности для обеспечения хоро­ шего контакта между датчиком и бетоном. Осуществление такой подготов­ ки возможно с помощью твердого шлифовального камня.

Для хорошей передачи акустической энергии необходимо применение единого способа присоединения преобразователя к бетону. Материал, ис­ пользуемый для создания акустического контакта, должен легко деформи­ роваться и обладать большим акустическим сопротивлением, быть достаточ­ но вязким, чтобы противостоять вытеканию, а также удалять воздух, остав­ шийся между плоскостью преобразователя и бетоном даже после заключи­ тельного шлифования.

В качестве связующих сред наиболее известны: вазелин, пластилин, гипс, омыляющее вещество, силиконовая паста и пр.

Для измерения скорости распространения импульса с учетом прохож­ дения сквозь соединительную среду можно стараться использовать смазки с максимальной скоростью, а при измерениях затухания нужно стремиться получить максимальное акустическое сопротивление (раУД переходной среды.

На рис. 2.14 графически представлено изменение скорости распростра­

63--

2.4.5.Техника работы с приборами

2.4.5.1.Техника измерения скорости распространения ультразвуко­ вого импульса. Выбор испытательной аппаратуры и соответствующих пре­ образователей производится по данным технического паспорта в зависи­ мости от избранного метода исследования с учетом тех расстояний, которые необходимо проходить ультразвуковому импульсу по бетону при соблюде­ нии требования исключения корректировки во время измерений.

Сэтой целью следует в первую очередь проверить по паспорту данные питающей сети: величину стабильного напряжения и частоту сети. Неста­ бильность напряжения или недостаточность его регулируется стабилизато­ ром напряжения, вмонтированным в блок питания прибора. Для нормальной работы прибора необходимо время для создания постоянного теплового режима, для чего он прогревается в течение 15—20 мин. После завершения данного этапа можно переходить к установке нуля, что дает возможность вводить поправку в результаты измерений в процессе эксплуатации аппа­ рата. С этой целью два пьезопреобразователя располагают по обе стороны эталона (с заранее известным временем прохождения ультразвука) и обес­ печивают плотный контакт. Сигнал нужно усилить до амплитуды, которая воспринималась бы при измерении в бетоне. Возможны два подхода, кото­ рые могут быть использованы при назначении амплитуды сигнала:

1.Максимальная амплитуда, допускаемая схемой аппарата, до появ­

ления на экране фонового шума (2.5). Существующая техника усиления позволяет комбинировать усиление сигнала так, чтобы получить отсчет по гипотетической точке пересечения горизонтальной касательной с кривой осциллограммы сигнала (рис. 2.16, а). Эта система имеет преимущество в отсчете показания более близкого к действительной продольной скорости распространения импульса. Данным методом рекомендуется производить все измерения динамических упругих постоянных бетона: модуля упругости, коэффициента Пуассона и т. п.

Однако имеются и такие случаи, когда величины усиления не меня­ ются при неодинаковых условиях измерений для разных толщин бетона, а результаты измерения скоростей для больших толщин зависят от возмож­ ности усиления сигнала прибором и главным образом от соотношения «по­ лезный сигнал — фоновый шум», тогда, например, для тощих бетонов или деталей большой толщины определение предполагаемой (гипотетической) точки встречи касательной с горизонтальной линией развертки является

•очень субъективным.

2. Устанавливается постоянная амплитуда порядка 2,5—3 см, и из­ меренная по переднему фронту волны полученного сигнала, изобра-

Рис. 2.16. Схема усиления сигнала

а — о т м а к с и м а л ь н о й а м п л и т у д ы ; б — о т н о р м а л ь н о й а м ­ п л и т у д ы

*64

Метод имеет преимущество, когда скорость измеряется на одном и том же пути и оценивается качество бетона в целом. Рекомендуется применять его во всех испытаниях, где определяется только прочность бетона.

Метод не имеет преимущества там, где используется групповая скорость, а также не рекомендуется для определения динамических упругих постоян­ ных бетона.

Казалось бы, что принятая техника измерения не может оказывать влияния на окончательный результат. Однако экспериментальным путем доказано, что эта гипотеза неправильна, так как между двумя скоростями может существовать разница, которая изменяется в пределах 1—7% (то, что соответствует предполагаемой разнице по прочности, равной 4—28%), в за­ висимости от собственной частоты преобразователей, а также от толщины прозвучивания и качества бетона за счет «крутизны» переднего фронта при­ нятого импульса.Указанная выше разница минимальна для испытаний пре­ образователями с повышенной частотой (выше 100 кгц), установленными на относительно большом расстоянии (больше 50 см) на бетоне хорошего ка­ чества.

После снятия всех показаний на бетоне необходимо проверить выпол­ ненную ранее калибровку аппарата. Для этого используется металличе­ ский стержень из нержавеющей стали, для которого заранее известна ско­ рость распространения ультразвука. С целью более удобного калибрования берут не менее двух длинных стержней, чтобы была возможность устанавли­ вать дифференцированные поправки по длине шкалы.

Если первоначальная калибровка отличается от окончательной, необ­ ходимо ввести поправки во времени с помощью интерполяции между ка­ либровкой начальной и конечной в зависимости от местоположения и вре­ мени снятия показаний на бетоне. В большинстве случаев разница между двумя калибровками несущественна.

Методика корректировки измерений, выполненных преобразователями с различной собственной частотой для интервала частот 40—100 кгц, и необ­ ходимые поправки приведены в разделе 2.5.1.

Следует дать частные указания о необходимости согласования разме­ ров образцов, на которых производятся испытания. Для получения скорости продольных волн необходимо, чтобы все размеры образца превышали вели­ чину 2К. Особенно важным это является для поперечных размеров образца. Невыполнение этих условий приводит к изменениям скорости распростра­ нения ультразвука (см. раздел 2.5.1).

2.4.5.2. Техника измерения затухания импульса. В последнее врем затрачиваются большие усилия на уточнение методики и техники изме­ рения затухания импульса в бетоне. В основном признаны два метода, хотя каждый из них не лишен недостатков и может критиковаться.

1. Первый метод разрабатывается, например, в институтах INCER (Румыния) и TNO—Delft (Голландия), где измеряются амплитуды приня­ тых импульсов [12, 13]. Практика показывает, что лучше производить изме.

Рис. 2.17. Измерение затухания импульса

а — о т п е р е д н е г о ф р о н т а в о л н ы ; б — о т м а к с и м а л ь н о й а м п л и т у д ы

рения амплитуды переднего фронта волны (рис. 2.17, а) или максимальной амплитуды (рис. 2.17, б).

Испытания показывают, что между этими двумя измерениями существует корреляционная зависимость (рис. 2.18), так как на большей части интер­ вала между кривыми (в области нормальной плотности бетона) может быть приблизительно линейная зависимость

где А' — величина затухания амплитуды переднего фронта; А т— величина затухания максимальной амплитуды; dB — децибел, единица измерения усиления или затуха­ ния сигнала.

Из этих двух измерений следует отдать предпочтение измерению по пе­ реднему фронту волны, поскольку оно меньше зависит от интерференции различных типов волн.

Корреляционная зависимость (2.6) предусматривает равномерное дав­ ление на преобразователи и выравнивание шероховатой поверхности. Вто­ рое требование осуществляется с помощью выравнивания поверхности бето­ на шлифовальным камнем или же применением металлической опалубки. Для осуществления первого требования было предложено несколько уст­ ройств, из которых одно — схема с пружинным приспособлением для испы­

в том случае, когда применяют такую вязкую соединительную среду, как пластилин, рекомендуемый для таких измерений (см. раздел 2.4.4).

А'

35

Рис. 2.19. Эскиз пружинного держа­ теля пьезопреобразователей

Рис. 2.18. Соотношение между раз­ ными методами измерения затуха­ ния

66

А" дб

INCERC в последнее время разработал новое приспособление, которое применяется для установки преобразователей на бетоне, с необходимой си­ лой прижима независимо от конфигурации элемента (рис. 2.21).

Параллельно были проведены исследования в Голландии в TNO — Delft и разработана техника измерения затухания с использованием гид­ равлической подушки.

2. Другой способ измерения затухания получил развитие в Научноисследовательском институте по строительству (ETI) в Будапеште и в Ака­

демии наук ЧССР (CSAV) в Братиславе [14, 23]; он основан на результатах анализа многократного отражения импульса на участке расположения излу­ чатель—приемник. Если шкала времени выбрана удачно, то на экране элект­ ронно-лучевой трубки появляется многократное отражение импульса1 (рис. 2.22).

Если приближенно выразить огибающую кривую в виде экспоненты, то получим выражение

где а — коэффициент затухания.

Этот коэффициент может быть получен путем измерения пути А/, на котором амплитуда сигнала снижается на величину Не — 1/2,71 от перво­ начального значения.

В этом случае а может быть получено из уравнения

где vL—скорость распространения импульса в испытываемом бетоне. Обычно а выра­ жается в см-1.

1 Раньше, чем упоминают авторы, этот метод был разработан И. А. Спинцисом в СССР и реализован в серийно выпущенном с 1965 г. приборе ДУК-20 (примеч, науч. Ред.).

Вместо коэффициента затухания а можно использовать ему подобный коэффициент а*, который связывает огибающую кривую максимальных амплитуд колебания непосредственно со временем:

Если t — тот же самый интервал, на котором снижается амплитуда сигнала на Не от первоначального значения, то а* дается выражением

(2. 10)

Для этого коэффициента Галан наметил для разных шкал времени в соот­ ветствии с режимом работы прибора фирмы RECO (1, 2, 5 мкс) огибающие кривые уменьшения амплитуды сигнала, как результат многократного его отражения (рис. 2.23). На этом графике даны кривые, соответствующие раз­ личным коэффициентам а*. Эти кривые можно использовать для прямого определения коэффициента а* или же можно использовать для вычисления коэффициента а в соответствии с уравнением

2.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ! УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА

Ультразвуковой импульсный метод в настоящее время является наи­ более распространенным неразрушающим методом испытания бетона, что видно из целого ряда работ [15, 16, 17]. Аргументы, широко изложенные в разделе 2.1, объясняют причину появления этих работ. Однако существует также и риск получить ошибочные результаты [18, 19, 203 по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний при неправильном приме­ нении метода или неучете упомянутых раньше ограничений. Вот почему,

6 8

в первую очередь, при применении метода необходимо учитывать физиче­ ские проблемы, которые не связаны непосредственно с методом, но без пони­ мания которых нельзя избежать грубых ошибок [21, 22]. К таким пробле­ мам относятся: влияние размеров образца, частота передачи сигнала, тем­ пература и влажность бетона во время испытания, расположение, объем

идиаметр арматуры, содержащейся в бетоне.

2.5.1.Влияние частоты сигнала и размеров образца на скорость распространения импульса

Всвязи с влиянием собственной частоты преобразователя на скорость распространения ультразвука RILEM [24] среди научных работников была распространена анкета, которая показала, что по мнению 60% опрошенных частота влияет на скорость, в то время как 40% дали отрицательный ответ. Эти расхождения в ответах объясняются применением разной техники изме­ рения скорости распространения ультразвука. Измерения с использованием максимальной амплитуды сигнала (см. раздел 2.4) показали, что влияние не наблюдается [25]. Наоборот, измерения с использованием стандартной амплитуды сигнала (см. раздел 2.4) показали, что имеет место влияние и что обнаруживаются признаки увеличения скорости распространения по мере того, как увеличивается частота сигнала. Измерения, выполненные в интер­ вале частот 20—100 кгц, показали [26], что изменения скорости распростра­

нения в интервале этих частот около 100 м/с (рис. 2.24).

В других опытах влияние оказала длина базы, на которой производи­ лись измерения. И в этой области мнения по анкете были различными, и их следует разделить на три категории:

не существует заметного влияния по крайней мере в пределах величины базы от 10 см;

существует влияние базы по крайней мере до пределов 20—40 см и об­ наруживаются признаки увеличения скорости распространения по мере того, как увеличивается длина базы прозвучивания;

существует влияние и обнаруживаются признаки снижения скорости распространения по мере того, как увеличивается длина базы.

Между ответами первой и второй категории не существует принципиаль­ ной разницы, она состоит лишь в методике проведения измерений и возмож­ ных объяснениях процесса. Сторонниками первого и второго мнения, как правило, являются научные работники лабораторий, в которых измерение производят с ограниченной амплитудой1. Изменение скорости распростра­ нения импульса допускается из-за различий в толщине контактной смазки,

тронно-акустические и радиометрические методы испытания материалов и конструк­ ций. Л. — М., Госстройиздат, 1963 (примеч. науч. ред.).

69