книги / Метрология, стандартизация, сертификация в строительном материаловедении.-1

Метод упругого отскока

Метод упругого отскока основан на использовании зависимости величины (высоты) отскока условно упругого тела при ударе его о поверхность бетона от прочности этого бетона, то есть

В результате удара движущейся массы о поверхность бетона происходит перераспределение начальной кинетической энергии таким образом, что одна ее часть поглощается бетоном при проявлении пластических деформаций, а другая часть передается ударной массе в виде реактивной силы, преобразующейся в кинетическую энергию отскока. Чтобы начальная энергия удара распределялась таким образом, масса бетона должна быть бесконечно большой по сравнению с массой ударника, что должно исключить затраты энергии на перемещение бетонной массы.

Для определения прочности бетона с использованием метода отскока наибольшее распространение получил прибор Шмидта.

Прибор Шмидта

Прибор разработан германской фирмой Шмидта

ивыпускается швейцарской фирмой «Просек».

Внастоящее время изготавливаются приборы трех модификаций: типа L с энергией удара 0,75 Дж для испытания тонкостенных (менее 10 см) бетонных элементов, типа N с энергией удара 2,25 Дж для испытаний бетонных конструкций и типа М с энергией удара 3 Дж для испытания массивных элементов.

Продольный разрез прибора типа N приведен на рис. 5.15.

321

Прибор состоит из корпуса 3, в котором по направляющему стержню 7 под действием пружины 10 перемещается масса 13. Прибор включается нажимом стержня бойка на бетонную поверхность, нажим продолжается до тех пор, пока подвижная система достигнет конца хода. Ось прибора во время испытаний должна быть перпендикулярна бетонной поверхности. При достижении подвижной системы свободного хода крючок 12 надавит на головку болта 15 и освободит подвижную массу 13, которая под действием пружины перемещается по направляющему стержню 7 и ударяет по бойку 1. Боек передает удар на бетонную поверхность 2 и деформирует ее, расходуя одну часть энергии на пластическую (остаточную) деформацию, а другую часть – на упругую деформацию бетона, которая в виде реактивной силы передается бойку, и под ее действием подвижная масса отскочит, увлекая за собой ползунок 4. Величина отскока измеряется по шкале 5 в зависимости от положения ползунка 4.

Рис. 5.15. Прибор Шмидта типа N: 1 – боек; 2 – исследуемая бетонная конструкция; 3 – корпус; 4 – ползунок; 5 – измерительная шкала; 6 – стопор; 7 – направляющий стержень; 8 – диск;

9 – крышка; 10, 11 – пружины; 12 – крючок; 13 – подвижная масса; 14 – втулка; 15 – упорный болт

322

На высоту отскока бойка кроме величины реактивной силы влияет гравитационная сила подвижной массы, т.е. показание зависит от положения в пространстве (вертикально вниз, под углом, горизонтально или вертикально вверх), что учитывается путем использования коэффициентов или отдельных тарировочных графиков (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Графики зависимости величины отстока бойка прибора Шмидта от прочности бетона при различном положении прибора: 1 – вертикально вниз; 2 – горизонтально; 3 – вертикально вверх

Разработан прибор, у которого измеряют не величину отскока, а ускорение движения бойка перед ударом и в начале отскока. Прочность определяют по отношению этих ускорений. Современные приборы Шмидта комплектуются электронно-вычислительным блоком, который запоминает

истатистически обрабатывает результаты испытаний.

ВРоссии был разработан прибор КМ, действие которого основано на принципе упругого отскока. Но ввиду

323

сложности изготовления он не нашел широкого распространения.

Точность измерения прочности бетона с применением метода упругого отскока значительно выше, чем у метода пластических деформаций, поскольку в данном случае учитываются упругие свойства бетона, которые имеют более тесную связь с прочностью, чем пластические свойства. Однако в приборах используется сравнительно сложная механическая система, требующая высокой точности при изготовлении, бережного обращения и частого технического обслуживания при эксплуатации. Трущиеся поверхности покрываются пылью, что приводит к увеличению сопротивления скольжения и изменению показания. В настоящее время разрабатывается прибор, у которого подвижная масса перемещается в вакуумной камере.

Ультразвуковой импульсный метод

Ультразвуковой импульсный метод контроля прочности бетона относится к группе физических методов испытания строительных конструкций и сооружений. Он разработан относительно недавно и получил свое развитие в основном в 50–60-е гг. благодаря научным исследованиям И.М. Рабиновича, С.М. Соколова, Ю.А. Нилендера, Г.Я. Почтовика.

Метод основан на использовании зависимости скорости распространения механических колебаний ультразвуковой частоты в бетоне от его прочности, т.е.

где Vl – скорость распространения ультразвуковых волн, м/с; f – аналитическая или графическая функция.

324

В России и странах СНГ разработана и серийно изготавливается ультразвуковая аппаратура, благодаря чему этот метод нашел широкое применение на строительных площадках и особенно на заводах ЖБИ. Метод оперативный и относится к группе неразрушающих методов. Хорошо поддается высокой степени автоматизации. При соблюдении определенных требований контроля точность метода сравнительно высокая и находится в пределах 10–15 %. Опытные операторы при отработанной технологии достигают точности до 10 %. Значительным достоинством этого метода является и то обстоятельство, что ультразвук проходит через всю толщину конструкции и собирает более полную информацию о бетоне, чем ранее рассмотренные неразрушающие методы, которые позволяют судить только о поверхностном слое бетона.

Однако данный метод нельзя отнести к универсальному, поскольку на скорость распространения ультразвука влияют не только прочность бетона, но и множество других факторов, таких как состав, крупность заполните-

ля, влажность и другие. Градуированная кривая «скорость – прочность» действительна только для того состава бетона, для которого она построена, что является одним из существенных недостатков метода. Но для заводов ЖБИ при установившейся технологии, когда состав бетона и используемые материалы изменяются редко, зависимость скорости ультразвука от прочности является относительно стабильной. В этом случае ультразвуковой метод является наиболее предпочтительным по сравнению с другими методами.

Учитывая оперативность контроля, возможность многократного повторения испытания на одном и том же

325

участке конструкции с целью оценки как прочности бетона, так и его однородности, ультразвуковой импульсный метод рекомендуется к широкому внедрению на заводах ЖБИ и строительных объектах для контроля качества железобетонных изделий. Таким методом можно организовать как выборочный, так и сплошной контроль, следить за нарастанием прочности бетона во времени.

Физические основы ультразвука

Ультразвуком принято называть механические колебания упругой материальной среды с частотой, превышающей предел слышимости человеческого уха в диапазоне частот от 20 кГц до 20 МГц. Диапазон нижних частот от 20 Гц до 20 кГц называется звуковым, а до 20 Гц – инфразвуковым. Диапазон верхних частот (свыше 20 МГц) принято называть гиперзвуковым.

Распространяясь в упругой среде, ультразвук создает волнообразное смещение частиц среды, образуя области сжатия или растяжения этих частиц. В природе наиболее часто встречаются два вида колебаний – непрерывные или импульсные в зависимости от способа их возбуждения.

Непрерывные колебания, распространяясь в упругой среде, образуют волну, которую можно описать уравнением

где а – смещение частицы среды относительно положения равновесия; А – амплитуда смещения; ω – круговая часто-

та, ω = 2π = 2πf ; Т – период колебания; f – частота коле- t

бания; V – скорость распространения волны; Х – текущая координата.

326

Между частотой f и периодом колебаний T существует зависимость

Такие малые промежутки времени удобнее выражать в микросекундах (1 мкс = 1× 10–бс).

Ультразвуковая волна, как и любая другая, периодична во времени и в пространстве. Временной период Т и пространственный период λ, который принято называть длиной волны, а также частота колебаний f и скорость их распространения V связаны соотношением

На рис. 5.17, а показаны непрерывные гармонические колебания частиц упругой среды с постоянной установившейся амплитудой и частотой.

При распространении волны амплитуда или частота могут изменяться по определенному закону, и такая волна называется модулированной по амплитуде или по частоте. Кроме непрерывных колебаний в природе бывают импульсные колебания, когда энергия от одной частицы к другой передается порциями на протяжении определенного времени. Отличительной особенностью таких колебаний является то, что частицы совершают колебания от состояния покоя до максимальной амплитуды, и далее коле-

327

бания уменьшаются опять до состояния покоя. Характер импульсного колебания в значительной степени зависит от вида внешнего воздействия и способа передачи энергии.

Наиболее распространенным способом возбуждения импульсного колебания в твердой упругой среде является механический удар. На рис. 5.17, б приведен характер импульсных колебаний, возбуждаемых в преобразователях с помощью электрического разряда. Величина Тс называется периодом следования импульсов.

Рис. 5.17. Формы механических колебаний:

а– непрерывные синусоидальные; А – амплитуда колебаний; 1 – длина волны; б – импульсные; Тс – период следования импульсов

Физическая природа ультразвука такая же, что и звука, поэтому нет существенной разницы между ультразвуком и слышимым звуком, и все основные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот.

Частицы материальной среды, в которой распространяется ультразвук, совершают колебательные движения

328

около своих положений равновесия, создавая при этом зоны сжатия и растяжения. Такие колебания частицы совершают не в одной, а в нескольких плоскостях.

Достоинства и недостатки ультразвукового метода

Ультразвуковой метод, как и все методы, имеет свои достоинства и недостатки.

К достоинствам следует отнести следующие факторы. Метод является неразрушающим, т.е. косвенная характеристика V определяется без разрушения материала, следовательно, он оперативен, и испытания могут неоднократно повторяться на одном и том же участке, что очень важно при контроле нарастания прочности. При сквозном прозвучивании ультразвук собирает информацию по всей толщине конструкции, т.е. дает интегральную оценку состояния бетона. Это практически единственный из неразрушающих методов, который реагирует на качество контактной поверхности растворной части с гранулами крупного заполнителя и на внутренние дефекты. С его помощью возможен контроль бетона, находящегося за металлической или асбестоцементной оболочкой. Он поддается высокой степени автоматизации. Имеются и другие, но менее существенные достоинства.

Недостатки метода. Требуются сложная и дорогостоящая аппаратура, высокая квалификация оператора. При использовании в качестве акустического контакта технического вазелина или литола во время эксплуатации изделия на его поверхности могут проявляться масляные пятна. Однако с этим можно было бы мириться, если бы не было главного недостатка.

Полученные экспериментальным путем градуированные коэффициенты или графики зависимости «ско-

329

рость – прочность» действительны только для данного состава бетона, при испытании которого они получены. В случае изменения состава бетона или технологии изготовления конструкции все корреляционные зависимости (коэффициенты, графики) изменяются, и их необходимо определять вновь.

Наличие такого недостатка сдерживает применение метода, особенно на строительных объектах, где состав бетона всегда меняется.

В некоторой степени этот недостаток можно преодолеть, используя одновременно несколько методов. Например, ультразвуковой совместно с методом отрыва со скалыванием или с методом ударного импульса. При этом недостатки одного метода перекрываются достоинствами другого.

Метод ударного импульса

Во всех ранее рассмотренных неразрушающих методах в качестве косвенных характеристик использовалось по одному показателю, соответствующему определенному свойству бетона. Склерометрический метод, используя диаметр отпечатков, учитывает только пластические свойства, а методы упругого отскока и ультразвуковой учитывают только упругие свойства бетона. Но прочность любого материала является многопараметровой функцией. Поэтому рассмотренные косвенные характеристики имеют сложную и не всегда надежную связь с прочностью.

Исследователями было замечено, что если проводить комплексные испытания и использовать несколько косвенных характеристик, то точность измерения повышается.

330