книги из ГПНТБ / Аронов Р.И. Испытание сооружений учеб. пособие

мендуемой литературы. Наиболее распространенной является пере­ дача электрических колебаний от приемного преобразователя через усилитель на экран электроннолучевой трубки катодного осцилло­ графа. С большой точностью при этом ‘Могут быть определены скорость прохождения ультразвуковых колебаний через исследуе­ мый материал, интенсивность их затухания, а также другие показа­ тели, используемые при оценке результатов измерений.

1-2. Применение ультразвуковых методов

Отметим 'несколько наиболее характерных примеров. Определение динамического модуля упругости. Скорость рас­

пространения упругих колебаний ѵ связана с динамическим моду­ лем упругости £дцн и плотностью р проверяемого материала соот­ ношением

(2)

справедливым для случая продольных колебаний в стержне (од­ номерная задача).

Определив экспериментально скорость распространения волны колебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечными размерами, находим £днп=и2р, если плотность ма­ териала известна.

В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмерной (про­ странственной) и двухмерной задач, а также для поперечных колебаний зависи­ мость между £д„,[ и V определяется более сложными соотношениями, в кото­ рые, кроме р, входит также и коэффициент Пуассона р. рассматриваемого ма­ териала.

Для одновременного нахождения всех трех параметров (£ дпп, р и р) необ­ ходимо сопоставление, по крайней мере, трех экспериментов по определению ѵ , произведенных в разных условиях: с применением продольных н поперечных

рывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой

40

пьезопластинки при этом р.езко возрастают (явление резонанса), что сопровождается соответствующим увеличением разности по­ тенциалов на ее поверхностях.

Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная ско­ рость V распространения волн по длине 2!г (суммарный ход пря­ мого и отраженного'лучей), находим проверяемую толщину по фор­ муле

Для стали скорость 'продольных ультразвуковых волн практи­ чески постоянна (и =5,7* 105 см/сек), что дает возможность, меняя частоту в пределах от 20 до 100 тыс. гц, надежно измерять толщи­ ны стенок от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием­ ный преобразователи А и В располагаем симметрично относитель­ но краев трещины, на расстоянии а друг от друга (рис. 15). Колебания, возбужденные в А, придут в В по кратчайшему пути

АСВ = У41г2 + а2, где h — глубина трещины. При скорости ѵ на это потребуется время

определяемое экспериментально'.

Глубину трещины находим из соотношения

(5)

где скорость ѵ определяется обычно на неповрежденных участках поверхности.

По указанному методу могут быть исследованы трещины глу­ биной до нескольких метров.

а

г

О

Рис. 15. Определение глубины поверхностной тре­ щины в бетоне:

1 — бетонный массив; 2 —трещина; А — излучающий и В —приемный преобразователи

41

Следует однако «меть в виду следующее: значения ѵ на поверх­ ности и в глубине массива могут несколько отличаться; длина пути АСВ немного возрастет в случае невертикальности трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться -цріи наличии’ в тре­ щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн. В ответственных случаях следует поэтому данные, получен­ ные для глубоких трещин, проверять рассмотренным контрольным бурением (см. рис. 6).

Отметим также другие, практически наиболее важные области применения ультразвуковых методов.

В бетонных и железобетонных конструкциях:

определение прочности бетона (ГОСТ 17624—72) по корреля­ ционным зависимостям между скоростью распространения ультра­ звуковых волн и прочностью бетона на сжатие, устанавливаемым Путем параллельных ультразвуковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и режима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и деталей) или образ­ цов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае невозмож­ ности выемки образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориентировочное определение прочности бетона возможно по ре­ комендуемой в ГОСТ 17624—72 зависимости;

контроль однородности бетона в сооружениях; выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным лро-

звучиваннем (возможным и при значительных толщинах бетона—■ до 10 м и более) и путем измерений на поверхности конструкций; о наличии и характере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в преде­ лах отдельных участков поверхности (так называемый метод го­

дографа, т. е. графика скоростей);

определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, рас­

положения слоев разной плотности и т. п.

Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает сними.

В металлических конструкциях:

импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в сталь­ ных и алюминиевых конструкциях (ГОСТ 14782—69);

дефектоскопия основного материала; толщинометрия\ определение толщин защитных металлических

■покрытий; выявление ослабления сечений коррозией.

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:

проверка физико-механических характеристик, проверки Каче­ ства и дефектоскопия основного материала;

дефектоскопия клееных соединений и стыков.

Дополнительно 'следует отметить, что ультразвуковая дефектоскопия металла широко применяется в транспортном строительстве при укладке рельсовых путей. В эксплуатационных условиях для выявления дефектов в рельсах и стыках поль­ зуются специальными вагонами-дефектоскопами и другими подвижными

42

устройствами, в конструировании и применении которых СССР занимает веду­

щее место.

Из других направлений применения ультразвука перспективен предложен­ ный (Ю. А. Нилеидером, Г. Я. Почтовиком и др.) метод определения напря­ жений в материале с помощью поляризованных ультразвуковых волн. Эффек­ тивно используется также структурный анализ материала без выемки образцов, что в отдельных случаях может быть с успехом применено также и при освиде­ тельствованиях сооружений.

1-3. Другие акустические методы

Помимо рассмотренных выше акустических методов, приме­ няются и другие приемы акустических испытаний с использовани­ ем как ультразвуковых, так и колебаний .более низких частот.

Метод волны удара основан на изменении скорости распрост­ ранения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого мо­ лотка или специальными приспособлениями, например электриче­ ского действия, для нанесения небольших ударов заданной силы. Для приема и регистрации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при ультразвуковом импульсном методе.

Этот метод используется для контроля асфальтового и цемент­ ного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть применен также для испытания длинномерных (до 30 м) •бетон­

43

Вибрационный метод (с использованием колебаний звуковой Частоты) применяется при испытаниях образцов бетона (рис. 16).

О характеристиках материала судят по частотам, соответст­ вующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступле­ нии явления резонанса (откуда следует другое наименование ме­ тода— «резонансный»). Подробнее вопрос о вибрационных испы­ таниях рассматривается в четвертом разделе данного курса.

§ 2. Ионизирующие излучения

Неразрушающий контроль с помощью ионизирующих излуче­ ний эффективно используют во всех областях народногохозяй­ ства.

В настоящее время в строительстве широко применяют конт­ роль рентгеновскими и гамма-излучениями для оценки физикомеханических характеристик материалов и качества конструкций. При определении влажности материала оказывается целесообраз­ ным использование потока нейтронов.

Преимуществом применения ионизирующих излучений являет­ ся возможность быстрого и четкого получения определяемых ха­ рактеристик. Работа с соответствующей аппаратурой хотя и не сложна, но требует наличия .подготовленного для этой цели пер­ сонала. Необходимо также тщательное соблюдение требований техники безопасности во избежание вредного влияния ионизирую­ щих излучений на организм человека.

2-1. Применение рентгеновского и гамма-излучений

Отметим наиболее важные направления. В металлических конструкциях:

. 1) дефектоскопия сварных соединений (по ГОСТ 7512—69). На рис. 17 схематически показано просвечивание сварного шва. Нали-

44

нием источника излучения параллельнофотопластинке. Схема оп­ ределения положения дефекта незначительной толщины показана на рис. 18. При этом расстояние х от дефекта до поверхности сним­ ка определяется из соотношения

c F

будет наибольшей при совпадении направления дефекта с направлением просве­ чивания (рис. 19, поз. 2). При расположении дефекта под некоторым углом (рис. 19, поз. 2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению. Минимальная длина пересечения, а следовательно, и наименьшая интенсивность потемнения соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно направлению просвечивания. (рис. 19, поз. 2 " ) . Дефекты незначительной толщины могут при этом остаться и необнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что при применении ионизирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефек­ ты, но с мальвг раскрытием в направлении просвечивания (например, расслое­ ния металла). Во избежание этого, просвечивание следует производить по двум несовпадающим направлениям.

даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью гасят волны ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля— ультразвуковой и с помощью ионизирующих излучений, таким образом, дополняют, друг друга;

2) определение напряженного состояния металла. Зная длину волны моно­ хроматического рентгеновского излучения и угол падения его на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгено­ граммах вычислить основной параметр кристаллической структуры исследуемого

45

материала — расстояние между центрами атомов в его кристаллической решет­ ке. Сопоставляя полученное значение с величиной того же параметра в нена­ пряженном состоянии, можно определить упругую деформацию материала.

Таким образом может быть выделена (что без нарушения сплошности не­ осуществимо другими методами) упругая составляющая деформированного состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах резких пере­ падов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например гнутых про­

большой тщательности всех измерений. В то же время, напряжения могут быть оценены лишь со сравнительно незначительной точностью (для стали — порядка 100—200 кГІсм2).

Дальнейшие разработки по усовершенствованию рентгеноскопического ме­ тода определения напряжений продолжаются.

Вбетоне и железобетоне:

1)определение объемной массы (плотности) как уплотненной бетонной смеси, так и бетона -в изделиях и конструкциях произво­ дят путем измерения ослабления или рассеивания потока гаммаизлучений в бетоне (ГОСТ 17623—72).

На рис. 20 схематически показано проведение соответствующих измерений. В бетонную смесь погружают зонды .различной формы, при помощи которых .получают значения плотности или послойно (рис. 20, а), или усреднениодля всей высоты контролируемого слоя (рис. 20, б и в). Возможно также применение преобразовате­

ля поверхностного типа (рис. 20, г), регистрирующего рассеян­ ное излучение и не требующего погружения в толщу бетонной смеси.

Контроль бетона в готовых изделиях и конструкциях толщиной до 500 мм, имеющих параллельные грани, -осуществляется просве­ чиванием с применением П-образной скобы (рис. 20, д). При тол­ щине более 500 мм, а также при одностороннем доступе к конструк­ ции используется метод регистрации рассеянного излучения (рис. 20, г). В массивных конструкциях возможно также примене­ ние зондов но -схемам (.рис. 20, б), опускаемых в специально про­

Значения плотности берутся по шкале регистрирующего прибо­ ра проградуированной в единицах плотности;

2)контроль однородности и дефектоскопию -бетона производят сопоставлением результатов просвечивания в различных участках

иточках конструкции. Отдельные дефектные участки целесообраз­ но фиксировать на снимках. Для отчетливого выявления трещин просвечивание следует -вести под углом не более 5° к их направле­ нию;

3)определение положения и диаметра арматуры и толщины за­ щитного слоя бетона (ГОСТ 17625—72). Схема просвечивания показана на рис. 21. Диаметр арматуры сі и толщина защитного

слоя бетона b определяются из выражений:

46

Т-ч

47

металлический экран, который тотчас переносится в фотокассету, где наведенное гамма-излучение облучает пленку. Этот способ дает более четкие изображения. Применяются также и другие методы регистрации.

Особенностью нейтронного потока является то, что как замед­ ление скорости нейтронов, так и их рассеяние тем значительнее, чем летче атомы просвечиваемого материала.

Наиболее эффективным оказывается поэтому .применение ней­ тронов для определения влажности материалов — бетона, древеси­ ны и т. д. (различая при. этом атомы водорода как свободной, так и химически связанной воды); выявления в бетоне пор, заполнен-

Бетатрсш — источник очень жесткого излучения.

48

ных водой, что почти совершенна не обнаруживается другими ме­ тодам«; цросвечивания пластмасс, в том числе, .расположенных за металлическими оболочками, и т. д.

В сварных швах металлоконструкций нейтронными излучения­ ми выявляются ликвации (неоднородности химического состава сплавов, возникающие при кристаллизации), не обнаруживаемые рентгеновскими и гамма-методами.

Разработка нейтронных методов испытаний продолжается.

§ 3. Магнитные, электрические и электромагнитные методы

3-1. Дефектоскопия металла

Принцип действия. Сущность метода заключается в том, что магнитный поток, проходящий в металле и пересекающий трещи­ ну или иной дефект, встречает большое магнитное сопротивление в виде прослойки воздуха или неферромагнитного включения, и силовые линии, искривляясь, выходят на поверхность, что обуслов­ ливает возникновение местных потоков рассеяния.

На рис. 22, а показано такое искажение потока, выходящее за контур исследуемого элемента. Рассеивание будет тем значитель­ нее, чем больше вызывающий его дефект. В одинаковых условиях наибольшим является влияние дефекта, ориентированного перпен­ дикулярно к направлению силовых линий (рис. 22, б).

Рис. 22. Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока:

а — образование местного матнитного потока рассеивания у трещины; б —

- сенвання; 5 — дефект, ориентированный перпендикулярно магнитным си­ ловым линиям; 6 —то же, параллельно нм

Намагничивание производится с помощью электромагнитов с использованием индукционных токов, циркулярным намагничива­ нием (т. е. с пропуском тока непосредственно через исследуемый элемент) и т. д. Необходимость намагничивания в двух взаимно перпендикулярных направлениях для выявления различным обра­ зом ориентированных дефектов отпадает яри применении комбини­

49