Основы метрологии и контроль качества в строительстве

всложившейся системе нормирования в строительстве «истинной» прочностью бетона считается предел кратковременной прочности

образца fc при его одноосном сжатии, то задача совершенствования неразрушающих методов испытаний – максимально приблизить получаемую оценку прочности к ее стандартному значению в условиях вариации тех технологических факторов, которые имеют место

впостроечных условиях.

Существуют два пути решения этой задачи. Первый – традиционное использование «букета» градуировочных зависимостей и поправочных коэффициентов, подобранных для каждого состава и технологии бетона. Второй – использование расширенного перечня косвенных параметров и «тонких» методик обработки данных на основе комбинирования косвенных параметров с включением в измерительный комплекс параметров, обладающих различной степенью чувствительности к механическим характеристикам бетона, из совокупности которых удастся получить информацию о так называемой кубиковой прочности. Потенциально, второй путь позволяет подойти к созданию безобразцовых методов и приборов контроля механических свойств бетона.

При знакомстве со склерометрическими методами испытания бетона и методами испытания металлов становятся очевидными их общие физические принципы. Методы определения твердости металла по Бринеллю и Шору являются прямыми аналогами для методов пластической деформации (молоток Кашкарова) и метода упругого отскока (молоток Шмидта). Такого рода параллель просматривается и в развитии склерометрических методов, в частности, рассмотренный метод динамического индентирования «универсален» и для контроля металла, и для полимеров, и для бетона.

Испытания индентированием, как способы неразрушающего контроля, охватывают в настоящее время области макро-, микро- и наноиндентирования. Линейный размер очага пластической деформации при этом изменяется более чем в 1000 раз, а объем – более чем в 109 раз. Сопротивление пластической деформации в этом интервале масштабов становится зависимым от структуры материала соответствующего масштаба.

С позиций теории упругости, задача формализации взаимосвязи параметров индентирования упруго-пластичных материалов с их фи- зико-механическими характеристиками нетривиальна, и на данный

161

момент она не получила исчерпывающего аналитического решения. Тем не менее, анализ даже упрощенных моделей процесса индентирования бетонапозволяет получить важные для практики результаты.

7. КОНТРОЛЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Физической основой акустических методов испытаний строительных материалов и готовых конструкций является зависимость параметров распространяющихся в них механических колебаний как от интегральных упругопрочностных показателей бетона – модуля упругости Ес, прочности на сжатие fc, так и от характера присутствующих макродефектов в массиве конструкции – трещин, пустот, пор. Важным качеством акустических методов является также возможность их использования для определения концентрации и характера структурных микродефектов.

Распространение механических колебаний в упругом материале происходит в виде акустических волн (рис. 7.1).

в

Рис. 7.1. Характер волновых процессов в твердом теле:

а – продольная волна; б – поперечная волна; в – поверхностная волна

162

В объеме твердого упругого материала могут распространяться два типа волн: продольные (волны сжатия) и поперечные (сдвиговые). Продольные волны вызывают колебания частиц материала вдоль направления их распространения, поперечные – поперек. На границе раздела двух сред, в частности бетона и воздуха, распространяется поверхностная волна (волна Релея), которая локализуется в приповерхностной зоне (рис. 7.1, в). Особенностью волны этого типа является низкое затухание при распространении и малая глубина проникновения в бетон. Скорость сR волны Релея близка к скорости поперечной волны – сR ≈ 0,93сt. Траектория колебаний частиц среды для волны Релея – эллипс. В практике испытаний бетонных и железобетонных конструкций в основном применяются продольные и поперечные волны.

Скорости распространения волн относятся к основным акустическим характеристикам материала и связаны с динамическим модулем упругости материала Е, коэффициентом Пуассона ν и плотно-

стью материала соотношениями (7.1)–(7.3).

По назначению акустические методы контроля бетона разделяют на методы контроля его физико-механических свойств и методы дефектоскопии (рис. 7.2) 55.

По способу создания и регистрации акустических волн методы контроля обычно подразделяют на методы прохождения, методы свободных колебаний и эмиссионные.

55 Из всех акустических методов государственными стандартами – ГОСТ 17624–2012 и СТБ EN 12504-4–2014 – регламентирован только ультразвуковой импульсный метод контроля бетона, относящийся к методам прохождения.

163

Ec – модуль упругости, Н·м–2; λ – длина волны колебаний, м;

TUS, fUS – соответственно период и частота ультразвуковых колебаний;

u – амплитуда смещения частиц бетона при прохождении волны, м.

Подставив в формулы (7.4) и (7.5) типичные значения парамет-

ров u = 5·10–6 м, Ec = 25·109 Па, f = 105 Гц, λ = 4·10–2, получим

Ориентировочный расчет энергетического воздействия молотка Шмидта сделаем на основе следующих соображений. Примем, что напряжение в пятне индентирования бетона равно пределу прочности бетона σc = fc = 30 МПа, а время τ от момента контакта индентора до достижения максимального внедрения составляет 10–3 с. Переход от силовых параметров индентирования к энергетическим сделаем формально: умножением и делением максимального напряжения на параметр длины по формуле

Из полученных результатов следует, что энергетическое воздействие молотка Шмидта более чем на порядок превосходит этот показатель для ультразвука.

По максимальному напряжению в зонах взаимодействия с бетоном ультразвуковой метод прохождения соизмерим с молотком Шмидта. Для «хорошего» акустического контакта с бетоном и близком к предельному режиму возбуждения акустических преобразова-

165

телей напряжение в зоне их прилегания к бетону соизмеримо с разрушающим. Следствием этого могут стать нелинейные акустические эффекты, например, зависимость скорости распространения колебаний от излучаемой мощности, а также появление высших гармоник

вспектре акустического сигнала.

Вто же время для излучающего преобразователя с точечным сухим контактом реальные силовые и энергетические показатели будут значительно ниже из-за влияния податливости самого точечного контакта и его малых размеров – долей квадратного мил-

лиметра. Рассчитанное значение σUS,max и нелинейные эффекты деформации могут иметь место лишь в непосредственной близости к «точке» самого контакта, размеры которой несоизмеримы с базой прозвучивания ультразвукового метода прохождения, а значит и не окажут заметного влияния на оценку скорости распространения ультразвукового импульса.

Что касается других акустических методов, в частности вибра- ционно-акустического, Impackt-Echo и аналогичных по физической основе, то в зоне ударной инициации колебаний напряжения и удельная мощность будут соизмеримыми с этими показателями склерометрических методов. Но поскольку оценке подвергаются параметры акустической волны, прошедшей через большой объем контролируемой конструкции, то, как и для ультразвуковых методов прохождения, зоны пластического деформирования бетона, в силу их малого объема, не будут оказывать заметного влияния на распространение акустических волн. Напряжения в зоне распространения волн будут на несколько порядков ниже значений в точках их возбуждения. Данное обстоятельство указывает на то, что параметры акустических методов не имеют прямой физической зависимости от показателей прочности бетона, а определяются главным образом его упругими свойствами.

Надо заметить, что действующие нормативы, регламентирующие акустический контроль, не оговаривают тип используемых волн. Но фактически поперечные волны сегодня используются только

внизкочастотной ультразвуковой томографии (дефектоскопии) массивных бетонных конструкций. Во всех остальных случаях применяются продольные волны. Сказанное не означает, что создается только оговоренный тип волны и только она присутствует в контролируемом материале. Возбуждение упругих волн в бетоне осу-

166

ществляется силовым (импульсным или квазигармоническим с небольшим числом периодов) воздействием на небольшую по площади область поверхности изделия. В этом случае одновременно формируется несколько типов волн, распространяющихся от зоны возбуждения с разной скоростью и разными преимущественными направлениями. Зачастую выделить колебания какого-либо выделенного типа волны в общей интерференционной картине акустического поля в контролируемом изделии бывает очень сложно. Проще всего регистрировать тот сигнал, который придет к приемному преобразователю самым первым. Из всех типов упругих волн в массиве быстрее всех (см. рис. 7.1) распространяется продольная волна. Именно по этой причине продольная волна чаще всего и используется для диагностики.

7.1. Методы свободных колебаний

(natural oscillation frequencies (NOF))

Физическая основа этой группы методов – связь частотного спектра свободных или в отдельных случаях вынужденных механических колебаний контролируемого образца или конструкции с ее физикомеханическими и геометрическими параметрами. Длина волны свободных колебаний в элементе конструкции определяется размерами этого элемента. Минимальная частота f1,T стоячей волны, соответствующей первому резонансу данного элемента толщиной T, определяется соотношением

где c – скорость распространения упругой волны в контролируемом материале.

Impact-Echo метод (IEM)

Одним из распространенных вариантов метода свободных колебаний в практике испытаний бетонных и железобетонных конструкций является так называемый Impact-Echo метод (IEM). Несмотря

167

на присущие ему недостатки, IEM приобрел немалую популярность в странах Евросоюза и США [39]. Физическая основа IEM заключается в зависимости амплитудно-частотных параметров акустического отклика на кратковременное ударное воздействие с небольшой энергией от физико-механических параметров испытуемого материала – бетона. Типичный комплект прибора метода IEM представлен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Типичный комплект системы для оценки состояния бетонных изделий

Impact-Echo методом (http://www.impact-echo.com)

Основными косвенными параметрами метода являются длительность отклика и соотношения основных частотных составляющих спектра затухающих колебаний. Для визуализации акустического сигнала и его анализа используют, как правило, спектральные методы и соответствующие компьютерные программы на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Возбуждение колебаний в бетоне обычно производится специальным ударным механизмом либо вручную – нанесением удара металлическим шариком малой массы по поверхности конструкции (рис. 7.4).

168

На рис. 7.6 показан «снимок» волнового процесса в плите без дефектов, построенный по данным КЭ моделирования на момент, когда фронт импульса поперечной волны достиг донной поверхности плиты.

Рис. 7.6. Акустическое поле в зоне ударного возбуждения колебаний

К этому моменту фронт продольной волны, отраженной от дна, уже находится в середине изделия. Хорошо заметен лидирующий фронт импульса падающей продольной волны. На рис. 7.6 показана начальная стадия процесса – стоячая волна между плоскими гранями плиты еще не сформировалась. Она проявит себя после нескольких переотражений импульса продольной волны от верхней и нижней граней плиты. Фильтрующие свойства бетона по отношению к частотным составляющим импульса волны приведут к быстрому затуханию ее высокочастотных компонент и установлению квазистационарного режима затухающей стоячей волны с частотой первой гармонической составляющей резонансных колебаний по толщине плиты. В зависимости от размеров и формы изделия, упругих свойств бетона, присутствия крупных дефектов, а также массы ударника, изменяется частотный спектр отклика, меняются временные параметры его отдельных участков. Как правило, частотный спектр отклика простирается от единиц килогерц до 60…80 кГц. Наличие дефекта обогащает частотный спектр составляющими, частота которых определяется глубиной дислокации дефекта d,

170