Основы метрологии и контроль качества в строительстве

габарит значительно (в 5 и более раз) больше или меньше остальных. При контроле компактных конструкций, у которых два или все габариты одного порядка, акустическое поле становится многочастотным. При этом соотношение частотных составляющих будет зависеть не только от геометрии конструкции, но и от координат положения приемного сенсора и точки возбуждения колебаний. Данное обстоятельство значительно затрудняет контроль таких изделий по типовым методикам, делая его в ряде случаев невозможным.

В этой связи перспективным выглядит многоканальный мультипликативный метод [19]. Указанный метод позволяет значительно упростить анализ частотного спектра контролируемой бетонной и железобетонной конструкции, снизив до минимума количество характеристических частот. Кроме того, этот метод позволяет, в сравнении с другими методами, получить более точную оценку скорости распространения акустического импульса в массиве бетона. Достоинством этого метода, как и IEM, является возможность проводить контроль строительных конструкций из бетона толщиной до нескольких метров.

Этот метод предполагает использование одновременно нескольких приемных преобразователей либо последовательную установку одного преобразователя в N различных точках на поверхности объекта контроля. Резонансные характеристики, полученные в результате многоканального контроля, подвергаются мультипликативной обработке – перемножению. Так как положение пика, соответствующего частоте первой моды продольной волны на всех характеристиках остается неизменным, а амплитуды и местоположение других пиков меняются в зависимости от положения пары излучатель– приемник, то перемножение N спектральных характеристик приводит к статистическому выделению пика первой моды продольной волны и подавлению прочих пиков. На рис. 7.15 показан пример

контроля бетонного компактного блока размером 80 50 30 см [19]. Для четырех положений приемных преобразователей, расположенных в различных точках поверхности блока, зарегистрированы четыре резонансные характеристики. Как видно, однозначная интерпретация спектра в случаях б и г затруднительна. Вид спектров не позволяет визуально определить характеристические резонансные частоты. На рис. 7.15, д приведен результат перемножения этих характеристик, представляющий собой выраженный резонансный пик,

181

обеспечивающий однозначную интерпретацию оценки толщины контролируемого изделия и скорости акустической волны.

а

б

в

г

д

Рис. 7.15. Частотные спектры бетонного блока 80 50 30 см для четырех позиций установки излучателя и результат обработки по алгоритму РММ [19]

7.2. Ультразвуковой импульсный метод контроля бетона

Ультразвуковой импульсный (УЗИ) метод является активным методом прохождения, который реализуется системой из излучающего и приемного акустических преобразователей и блока измерения времени между моментом излучения и моментом приема

182

акустического импульса. В странах СНГ метод УЗИ нормируется ГОСТ 1762459 [13], в соответствии с которым в качестве косвенного параметра рассматривается скорость (время) распространения импульса зондирующей волны, имеющая взаимосвязь с физико-меха- ническими свойствами бетона. Прочность бетона fc определяют с использованием градуировочной зависимости, связывающей косвенный параметр метода с показателем прочности.

Выше указывалось, что параметры акустических методов не имеют прямой физической зависимости от показателей прочности бетона, а определяются главным образом его упругими свойствами. Поэтому при определении прочности бетона ультразвуковым методом можно ожидать такой степени надежности оценки, с какой известна эмпирическая связь прочности бетона и его упругости:

где Ecm – модуль упругости;

fck,cyl – характеристическая прочность тяжелого и мелкозернистого бетона60.

Однако практика ультразвукового контроля показывает, что корреляция скорости продольной волны и прочности зачастую имеет более устойчивый характер, чем для упругих модулей и прочности (7.10). Объяснить механизм этого явления можно одновременным сильным влиянием на прочность и на скорость распространения ультразвукового импульса дефектов структуры бетона. Разрушение бетонного образца при сжатии начинается с развития микро- и макродефектов. В то же время дефекты структуры – микро-, макротрещины и поры – сильно влияют на характер передачи упругого импульса, что выражается в вариации его скорости распространения.

На рис. 7.16 показана упрощенная модель прохождения упругой волны через неоднородную структуру бетона. В пористой структуре

59В Республике Беларусь с 2014 г. действует стандарт СТБEN 12504-4– 2014 «Методы контроля бетона в конструкциях. Часть 4. Определение скорости распространения ультразвукового импульса».

60Известны другие варианты записи этой взаимосвязи, в частности,

вEN 1992-1 приведена следующая формула: Ecm = 22000(fcm/10)0,3, МПа.

183

бетона с малым количеством механических связей между компонентами траектории передачи импульса представляют собой множество сильно изломанных линий, в самой короткой из которых вектор передачи импульса также многократно изменяет направление.

Рис. 7.16. Упрощенная модель прохождения УЗ-импульса через структуру бетона:

а– бетон низкой прочности; б – бетон высокой прочности;

1– зерна крупного заполнителя; 2 – зерна мелкого заполнителя; 3 – кристаллы цементного камня; 4 – зерна микрокремнезема

Каждая смена направления передачи импульса (по закону сохранения импульса движения) приводит к разделению его на векторные составляющие, что выражается в рассеивании и затухании акустического сигнала. Плотность и модуль упругости зерен крупного заполнителя заметно выше этих показателей для песчано-цементной матрицы, в терминах акустики это выражается в несогласованности их акустических импедансов. Следствие этого – дополнительное затухание из-за отражений на границах зерен заполнителей. В более плотном бетоне (см. рис. 7.16), с бóльшим количеством кристаллизационных связей, траектории передачи энергии акустического импульса изломаны в меньшей степени, плотность и модуль упругости песча- но-цементной матрицы выше. Это проявляет себя в меньшем затухании акустического импульса, большей скорости его распространения, несмотря на увеличение плотности среды.

Отмеченные факты указывают на высокую чувствительность ультразвукового метода к структурной неоднородности бетона. Но

184

при этом показатели неоднородности (процентное содержание крупного заполнителя, разница модулей упругости и плотности компонентов, пористость бетона и др.) имеют разный характер влияния на прочность бетона при одноосном сжатии и на скорость распространения ультразвукового импульса. Это делает оценку прочности бетона по скорости ультразвука неоднозначной. Например, увеличение модуля упругости крупного заполнителя приведет к увеличению скорости распространения ультразвукового импульса, но может привести к снижению показателя прочности бетона из-за бóльших внутренних напряжений на границе крупный заполнитель – цементная матрица при испытании образца на сжатие.

На рис. 7.17 приведены графики градуировочных зависимостей для бетонов разных составов и разных сроков твердения.

10

Рис. 7.17. Данныеиспытанийбетонныхобразцовсоставов№1 и2 (прилА, табл. А1)

исоответствующие градуировочные зависимости:

+– состав № 1, возраст бетона 14 сут; ○ – состав № 2, возраст бетона 14 сут;

,□ – соответственно составы № 1 и 2, возраст бетона 2 сут

Без учета возраста твердения бетона различие в оценках его прочности стандартным ультразвуковым методом может достигать

30–50 %.

185

Основным способом контроля по ГОСТ 17624 [13] является сквозное прозвучивание (рис. 7.18). Излучающий и приемный электроакустические преобразователи (ЭАП) устанавливают с противоположных сторон образца или конструкции или на смежных гранях в соответствии с рис. 7.18. Скорость ультразвукового импульса определяется соотношением

где L – расстояние между излучающим и приемным ЭАП;

t – интервал времени между моментами излучения и приема ультразвукового импульса.

Рис. 7.18. Схема испытания бетона способом сквозного прозвучивания

Особый интерес для практики контроля монолитного бетона, в том числе и на ранней стадии его твердения, представляет поверхностное прозвучивание (рис. 7.19), что обусловлено ограниченными возможностями доступа к изделию, находящемуся в опалубке, и значительными габаритами монолитных конструкций, затрудняющими соосную установку преобразователей на противоположных гранях изделия и определениебазыпрозвучивания с необходимойточностью.

186

где dti – приращение времени распространения ультразвука для i-го шага профилирования, мкс.

Необходимость «привязки» ультразвукового метода испытаний к составу бетона и технологии производства бетонных работ можно рассматривать как его главный недостаток61.

Сильными сторонами ультразвукового импульсного метода является его высокая чувствительность к изменениям структуры бетона, а также, в отличие от склерометрических методов испытаний, высокая «проникающая способность» в массив бетона и малая чувствительность к качеству поверхности контролируемого изделия. С таких позиций УЗИ-метод можно рекомендовать как эффективный экспресс-метод для выявления участков железобетонной конструкции, вызывающих сомнения в качестве бетона. Уточненная оценка прочности бетона может быть выполнена с дополнительным привлечением механических методов испытаний.

Ультразвуковой импульсный метод: техническая реализация

Формирование зондирующего акустического (ультразвукового) сигнала в бетонном массиве конструкции всеми существующими в настоящее время приборами контроля производится исключительно способом механического импульсного или квазигармонического воздействия на поверхность контролируемого массива. Это достигается либо механическими колебаниями контактирующего с поверхностью бетона протектора магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей, либо импульсным локальным нагревом поверхности бетона, например, импульсным лазерным излучением или искровым электрическим разрядом. Выбор основной частоты колебаний заполнения зондирующего импульса ограничен сверху структурной неоднородностью бетона: длина волны колебаний λ не должна быть меньше размеров зерен крупного заполнителя. Для среднего размера зерна щебеночного заполнителя 1,5–2 см, типовой

61 В соответствии с пунктом 6.18 СТБ 2264–2012 [34] применение ультразвукового метода оценки прочности по ГОСТ 17624 при обследовании зданий и сооружений и текущем контроле прочности допускается только в сочетании с другим методом неразрушающего контроля или при условии сравнения с результатами испытаний выбуренных кернов.

188

скорости vus распространения акустической волны вбетоне (4000 м·с–1) верхнюю граничную частоту можем рассчитать из соотношения

При большей частоте резко увеличивается затухание волны. Для определения нижней границы частоты нет четких критериев.

С одной стороны, понижение частоты снижает затухание, что позволяет увеличить базу прозвучивания бетона. С другой, понижение частоты уменьшает чувствительность метода к структурной неоднородности и дефектности бетона. Важным моментом является метрологическая сторона измерений – обеспечение требований точности регистрации момента появления акустического сигнала. При регистрации времени распространения по первому фронту акустического сигнала, погрешность в определении времени будет зависеть от соотношения сигнал/шум и крутизны фронта сигнала (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Погрешностьизмерениявременираспространенияакустическогоимпульса: 1, 2 – временные диаграммы высокочастотного и низкочастотного УЗ-импульсов; U – уровеньрегистрацииимпульса; Т0 – «истинный» моментпоявленияУЗ-импульса; Т1, Т2 – погрешности регистрации времени распространения

Суммарные потери мощности акустического импульса в бетоне и особенно в точках контакта ЭАП с бетоном приводят к тому, что

189

амплитуда первого вступления принятого импульса снижается до величины, соизмеримой с шумами приемного тракта прибора.

Исходя из требований ГОСТ 17624 к погрешности δ определения скорости (времени распространения) не более 1 %, можно ориентировочно определить нижнюю границу частоты, приняв отношение сигнал/шум (с/ш) 10:1, базу измерения – 20 см, скорость акустической волны в бетоне – 4000 м·с–1. Для указанных параметров допустимая абсолютная погрешность определения времени распространения составит ~0,5 мкс, а максимальная длительность фронта сигнала τф = 0,5·с/ш = 5 мкс. Длительность фронта приблизительно равна четверти периода колебаний. Таким образом, нижняя граница частоты зондирующих колебаний составит

Обычное значение рабочей частоты для большинства приборов ультразвукового контроля бетона лежит в пределах от 50 до 200 кГц. Самое распространенное значение – приборы УК1401 и приборы серии «Пульсар» (рис. 7.22) – 54–60 кГц.

II

I

в

Рис. 7.22. Ультразвуковые приборы контроля бетона: а, б – приборы серии «Пульсар»; в – УК1401

190