1903

Таблица 2 . 5 Оценка немеханических видов неразрушающего контроля при

определении размеров

В табл. 2.6. для бетона и железобетона наибольшую оценку в определении физико-технических свойств имеют акустический и радиоволной виды неразрушающего контроля. В то же время такие неразрушающие немеханические методы, как поляризационный и ультразвуковой воспри-

141

нимаются практиками-экспериментаторами как технически невоспроизводимые в полевых условиях и как недостаточно надёжные [346].

Таблица 2 . 6 Оценка немеханических видов неразрушающего контроля

при определении физико-технических свойств

2.2.2. Методы радиационного контроля

Радиационный метод контроля строительных конструкций основан на их просвечивании при помощи:

излучения рентгеновскими аппаратами;

142

излучения закрытыми радиоактивными источниками на основе

60 СO, 157 CS;

тормозного излучения бетатронов.

Методы радиационного контроля делятся на радиографические, радиоскопические и радиометрические. В зависимости от вида используемого излучения различаются разновидности промышленной радиографии: рентгенография, гамма-графия, ускорительнаяинейтроннаярадиография[421].

Наибольший объем исследований в области использования неразрушающих методов контроля качества железобетонных элементов в лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества НИИЖБа с 1987 по 1997 годы проведён радиографическими методами совместно с механическим и магнитным [297].

Стандарт ГОСТ 17625-83 [151] обеспечивает проведение оценки толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения арматуры, закладных деталей радиационным методом. В то же время, несмотря на предоставление наиболее полной информации об армировании железобетонных конструкций способом просвечивания, стандартизированный метод радиографии по ГОСТ 17625-83 является сложным и дорогим [545]. Поэтому в строительстве наибольшее использование находит магнитный метод по ГОСТ 22904–78 [157].

Радиографические методы рекомендуются для контроля [650]:

•толщины защитного слоя бетона и положения арматуры;

•объемной массы (степени уплотнения) бетонной смеси при формовании изделий и бетона в готовых изделиях и сооружениях;

•влажности бетона в готовых изделиях и содержания воды в бетонной смеси.

Радиоскопический метод (метод радиационной интроскопии) неразрушающего контроля основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя непосредственно в процессе контроля. Сохраняя такие достоинства радиографического метода, как возможность определения характера и формы выявленного дефекта, методы радиоскопии исследуют контролируемый объект непосредственно в момент его просвечивания, сокращая время между началом контроля и моментом получения заключения о качестве контролируемого объекта. Радиоскопический метод применяется для контроля состояния арматуры эксплуатируемых железобетонных конструкций, позволяя существенно сократить время обследования по сравнению с методом радиографии, где изображение записывается на рентгеновскую плёнку. В роли системы визуализации выступает обычный телевизионный монитор и компьютерная система обработки изображения [609].

143

Радиометрический метод используется для измерения толщины и плотности просвечиваемого материала с помощью приборов ионизирующего излучения, подразделяющихся на толщиномеры и дефектоскопы

(табл. 2.7) [421].

Таблица 2 . 7 Область применения радиометрического метода в определении толщины

просвечиваемого сплава 170 Tm,75Se,192 Ir,60 СO,137 CS

Радиоизотопный способ по стандарту ГОСТ 17623-87 [149] определяет среднюю плотность конструкционных тяжёлых, лёгких, ячеистых, плотных силикатных бетонов и бетонных смесей в диапазоне 600-2500 кг/м3 с погрешностью не более 2,5 %. Однако, представленный в ГОСТ 17623-87 радиоизотопный способ определения средней плотности бетона не может использоваться для определения толщины элементов слоистой бетонной конструкции, из-за трудоёмкости использования соответствующих приборов в процессе исследования [650].

В работе [304] экспериментально обосновано и впервые рекомендовано использование цементного бетона после длительного – облучения для за-

хоронения твердых и жидких радиоактивных отходов. Результаты испытаний радиационногобетонапослеоблучения«Со-60» приведенывтабл.2.8.

Таблица 2 . 8 Результаты испытаний радиационного бетона

144

Использование радиометрического метода в строительной отрасли связано с большой трудоёмкостью и финансовыми затратами. Сравнительно небольшой объём исследований железобетонных конструкций с помощью этого метода в целом по строительной отрасли, в последнее время по отношению к другим немеханическим методам неразрушающего контроля, по-видимому, объясняет отсутствие научных публикаций по этой тематике.

2.2.3. Акустические методы

Акустические методы неразрушающего контроля качества бетона применяются для определения [442]:

•физико-механических свойств: прочности, плотности, модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона;

•кинетики твердения бетона для установления момента достижения заданной прочности, с учётом выбора рациональных режимов отверждения;

•однородности бетона (выявление включений), наличия дефектов в виде раковин, трещин, а так же изучения кинетики накопления деформаций;

•толщины конструкции.

Акустические методы делятся на две большие группы – активные и пассивные. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные – только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. К активным относятся методы прохождения, отражения, комбинированные, импедансные и методы собственных частот.

В акустических методах неразрушающего контроля (НК) применяются колебания волн ультразвукового и звукового диапазонов с частотой от 50 Гц до 50 МГц. Все акустические методы контроля прочности материалов и изделий основаны на корреляционных зависимостях их прочности от параметров материалов.

Акустические методы используются для измерения деформаций, определения прочности и оценки разрушений строительных конструкций из бетона от воздействия напряжений [231, 309]. Особенно перспективными они являются при использовании ультразвуковой дефектоскопии на участках с местными или распределенными нарушениями сплошности, ослабляющими расчетные сечения и исключающими оценку сопротивления бетона как сплошного материала [476]. Основанием такого утверждения является успешное использование дефектоскопии бетона ультразвуком при обследовании фундаментов под турбогенераторы Ермаковской ГРЭС; ТЭЦ 21 и 23 Мосэнерго; несущих конструкций резервуаров Новочебоксарской, Волгоградской и Горьковской ТЭЦ, градирен Старобешевской и Джамбульской ГРЭС, трактов топливоподачи Кировской ТЭЦ.

145

С помощью многочисленных измерений скорости ультразвуковых продольных волн в бетоне установлена зависимость деформации бетона от

[231]:

•развития в бетоне микротрещин, обусловленных воздействием внешних нагрузок, температурных и усадочных напряжений;

•величины действующего напряжения и запаса прочности бетона в конструкциях.

Ультразвуковой метод самостоятельно или в комплексе с другими неразрушающими методами рекомендуется использовать для решения следующих задач научного и прикладного характера [231]:

•исследования структуры, кинетики деформирования и разрушения

вобразцах, конструкциях и сооружениях;

•контроля напряженно-деформированного состояния и запаса несущей способности железобетонных конструкций в ответственных сооружениях, оснащенных системами испытания и долговременного контроля;

•определения характера деформирования и разрушения при испытании железобетонных конструкций пробной и разрушающей нагрузками;

•определения уровня напряженно-деформированного состояния от ранее действовавших нагрузок;

•предупреждения о приближении конструкций в сооружениях к предельному состоянию и о возможности возникновения аварийной ситуации.

Существуют следующие схемы измерений в ультразвуковых методах неразрушающего контроля [375]:

•сквозного прозвучивания;

•диагонального (приповерхностного) прозвучивания;

•поверхностного прозвучивания.

При акустическом контроле бетона используются способы прохождения упругих волн в виде сквозного и поверхностного прозвучивания с импульсным и непрерывным излучением, а также эхо-метод, который находит наибольшее практическое применение. Около 90 % объектов, контролируемых акустическими методами, проверяются эхо-методом.

Сравнение эффективности временного и амплитудного методов, применяемых при сквозном и одностороннем ультразвуковом прозвучивании в виде их чувствительности к обнаружению минимального размера дефекта, проведено в результате экспериментального исследования на 24 бетонных образцах размером 40 40 14, 50 50 25 и 100 100 50 см, изготовленных из бетона марок М 200 и 400 различного состава в возрасте от 1 мес. до 2 лет [476]. При сквозном прозвучивании конструкций толщиной до 1 м выявлены дефекты площадью 20 см2, а при одностороннем прозвучивании – подповерхностные дефекты площадью свыше 10 см2 на глубине

146

до 50 мм. Трещины глубиной до 30 см определены временным методом с погрешностью до 5 %, а амплитудным – до 10 %.

Диагностика состояния строительных конструкций, с помощью эхоимпульсного метода, основана на распространении в изучаемой среде энергии упругих волн и служит для измерения толщины бетона и определения глубины различных дефектов в нем (ACI 228.2R–98 «Неразрушающие методы контроля при оценке бетона в конструкциях»).

Из методов, основанных на ударном воздействии на бетон, наиболее производительным считается метод ударного импульса, из-за следующих его достоинств [293]:

•большой перспективности по автоматизации процесса контроля;

•формы электрического сигнала (акустического импульса), являющейся комплексной характеристикой, зависящей от упругих и пластических свойств исследуемого материала;

•относительно незначительного влияния состава бетона на результаты измерений.

Ударный импульс возбуждает продольные волны, которые многократно переотражаясь от границ раздела сред с различными значениями акустического сопротивления, являются информативными в эхоимпульсном методе. Глубина дефекта определяется по формуле [375]:

Втоже время метод ударного импульса имеет недостатки в виде следующих факторов [293]:

• контроль прочности бетона только в поверхностном слое;

• трудоемкость контроля карбонизированного бетона, связанной с необходимостью удаления поверхностного слоя, подверженного карбонизации.

ВРоссии разработаны два прибора, реализующие метод ударного импульса по ГОСТ 22690-88 [159]: ИПС-МГ4 и ИПС-МГ4+. Однако, несмотря на широкое применение, эхо-метод в России не стандартизирован.

Прочность бетона, исследуемая ультразвуковым импульсным методом определяется отечественным стандартом ГОСТ 17624-87 [150], а также зарубежными стандартами ISO/DIS 8047; BS 1881 part 201; ASTM C597 и UNE 83308 ; (ISO/DIS 8047 «Затвердевший бетон. Определение скорости ультразвукового импульса»; BS 1881 part 201 «Испытание бетона. Руководство по применению неразрушающих методов испытания затвердевшего бетона»; ASTM C597 «Стандартный метод определения скорости рас-

147

пространения импульса в бетоне; UNE 83308 «Определение скорости распространения ультразвуковых импульсов»).

Ультразвуковой импульсный метод определяет:

•динамический модуль упругости бетона;

•прочность бетона;

•местоположения повреждений и дефектов.

Ультразвуковой импульсный метод, базирующийся на связи между упругими свойствами материала и величиной скорости распространения продольных ультразвуковых волн рекомендуется использовать для контроля нарастания прочности бетона при тепловлажностной обработке, определения его однородности при структурных изменениях, динамического модуля упругости, а также прочности бетона [650].

При выполнении поверочных расчетов по СНиП 52-01-2003 [555] класс бетона устанавливается на основании натурных обследований конструкций по результатам испытаний неразрушающими методами по ГОСТ 18105–86* [152]. Однако стандарт рекомендует определять прочность бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом при сквозном прозвучивании или отрывом со скалыванием. Использование других методов допускается лишь по согласованию с головными институтами. Причина не использования способа поверхностного прозвучивания заключается в получении не достаточной информации о фактической прочности бетона по всему сечению конструкций, которую дают ультразвуковой метод при поверхностном прозвучивании [296, 298].

Объяснением значительно меньшего применения ультразвукового метода, по сравнению с испытаниями контрольных кубов, является более сложная эксплуатация ультразвуковых приборов и ограничения, накладываемые ГОСТ 17624-87 [150] на использование его для контроля прочности бетона монолитных конструкций в виде применения только способа сквозного прозвучивания [294]. В тоже время, для контроля прочности монолитного бетона способом поверхностного прозвучивания ультразвуковым методом в лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества НИИЖБа разработаны «Рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания» (МДС 62-2.01), «Рекомендации по статистической оценке прочности бетона при испытании неразрушающими методами» (МДС 62-1.2000), которые устанавливают правила контроля для способа поверхностного прозвучивания [669]. Приведённая в рекомендациях методика позволяет осуществлять контроль глубины трещин с помощью прозвучивания её вдоль и поперек при одностороннем доступе ультразвуковым прибором А1220, работающим на принципе эхо-метода.

Способ поверхностного прозвучивания рекомендуется использовать для контроля прочности бетона монолитных конструкций, но с обязатель-

148

ным условием построения градуировочной зависимости по результатам параллельных испытаний ультразвуковым методом и методом местных разрушений [294]. Ультразвуковые приборы поверхностного прозвучивания применяются практически во всех местах монолитного здания, обеспечивая проведение дефектоскопии изделий с существенным увеличением объема контроля.

Возможности контроля прочности бетона монолитных конструкций способом поверхностного прозвучивания значительно расширены в связи с появлением новых ультразвуковых приборов типа УК 1401, предназначенных для измерений времени и скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых материалах при поверхностном прозвучивании на постоянной базе [294].

Сравнительные испытания прочности бетона классов В7.5...В35 разрушающим методом с помощью стандартных кубов и ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания портативным прибором типа УКБ с автоматической обработкой информации проведены на плитах перекрытий, фундаментных блоков, колонн, ригелей, ферм – до 25 изделий в каждой серии [197]. От каждой серии испытаны по 6 образцов-кубов с ребром 100 мм и призм размером 100 100 300 мм. Средние результаты ультразвуковых и механических испытаний показывают, что отклонение отдельного результата измерения прочности бетона в серии не превышает

10 %,

Вто же время, несмотря на неоспоримые преимущества ультразвука при обнаружении трещин и скрытых полостей в теле бетона установлено, что результат, полученный ультразвуковым методом, более других неразрушающих немеханических методов зависит от расхода цемента, крупности и вида заполнителя, влажности и пористости бетона. Основным недостатком ультразвукового метода определения прочности бетона является неустойчивая связь скорости распространения ультразвука с прочностью бетона, зависящая от количества и вида крупного заполнителя, так как с возрастанием его диаметра удлиняется путь прохождения ультра-

звука через материал заполнителя [240]. Различия фактических значений прочности бетона с данными показаний приборов достигает до 80 % [213]. Поэтому для получения достоверного результата ультразвуковые приборы рекомендуется чаще других приборов неразрушающего контроля градуировать, что значительно снижает производительность контроля.

Основным документом, регламентирующим применение ультразвукового метода определения прочности бетона в неагрессивных и агрессивных условиях, является ГОСТ 17624–87 [150] при условии установления достоверной градуировочной зависимости «скорость ультразвука – прочность бетона» в виде линейной, степенной или экспоненциальной функции. В то же время, на основании анализа имеющихся данных практи-

149

ческого применения ультразвукового метода определения прочности бетона, установлено, что зависимость «скорость ультразвука – прочность бетона» справедлива только для конструкций, эксплуатирующихся в неагрессивных условиях, и часто нарушается в конструкциях, эксплуатирующихся в агрессивной среде [223].

Предложенная в [223] методика построения зависимости «скорость ультразвука – прочность бетона», позволяет проводить обследование бетонных и железобетонных конструкций, находящихся практически в любых эксплуатационных условиях. Данная методика определяет следующие этапы анализа:

•необходимость проведения группировки обследуемых конструкций по признаку общности условий эксплуатации;

•распределения скорости распространения ультразвука в вариационный ряд;

•определение на соответствующем участке прочности бетона любым методом, основанном на местном разрушении конструкции;

•построение градуировочной зависимости в виде кубического интерполяционного сплайна.

Методика построения зависимости «скорость ультразвука – прочность бетона» апробирована при контроле прочности монолитных и сборных фундаментов жилых зданий, испытывающих воздействие агрессивной среды. Результаты сравнительного анализа построенной зависимости «скорость ультразвука – прочность бетона», полученные по ГОСТ 17624–87 [150] и по разработанной методике, для неагрессивных условий практически оказались равноценными, с погрешностью 6 и 8,1 % соответственно. При использовании метода сплайн-аппроксимации для бетонов, эксплуатирующихся в агрессивных условиях, эти значения соответственно состав-

ляют 6,4 и 18,2 %.

Для каждого вида бетона существует определённая скорость ультразвуковых колебаний Vмин , характеризующая критическое значение его

акустической прочности с учётом распределения Rсж по площади изделия

[541]:

ционной зависимости «скорость-прочность»; RН – отпускная прочность бетона; СR – коэффициент вариации прочности; t – коэффициент Стью-

дента, зависящей от обеспеченности контроля и числа проконтролированных участков n.

150