10.5. Определение прочности бетона неразрушающим ультразвуковым импульсным методом

Основные предпосылки

Метод основан на связи между скоростью распространения ультразвука в бетоне с его прочностью. Из курса физики твердого тела известны зависимости

; (10.8)

. (10.9)

Здесь c – скорость звука;

E – модуль упругости;

- плотность;

R – сопротивление сжатию;

- относительная деформация.

Решая совместно уравнения (10.8) и (10.9) относительно R, можно получить следующую зависимость прочности тела от скорости звука в нем:

. (10.10)

В общем случае для однородных тел прочность тем выше, чем больше в них скорость звука. Таким образом, скорость звука может являться косвенной характеристикой прочности тела.

Для твердых тел, как бетоны, из-за значительной неоднородности структуры зависимость (10.10) имеет вероятностный (корреляционный), а не функциональный характер и надежно может быть определена только для бетона конкретного состава, полученного по конкретной технологии. Поэтому в соответствии с ГОСТ 17624-87 и ГОСТ 18105-86 для контроля прочности бетона ультразвуковым методом в подготовительном периоде должна быть установлена экспериментальным путем градуировочная зависимость вида . Для ее получения необходимо изготовить и испытать 15 серий образцов бетона того же состава и полученного по той же технологии, что и бетон в изделиях или конструкциях, подлежащих контролю. Возраст бетона образцов не должен превышать установленного срока испытания конструкций более чем на 50%. Допускается изготовлять до 40% общего числа образцов с отклонениями по цементно-водному отношению0,4.

Для контроля нарастания прочности бетона естественного твердения образцы испытываются в различном возрасте: 3, 7, 14 и 28 сут для бетона немассивных конструкций и 7, 28, 60 и 90 сут для бетона массивных монолитных конструкций по 4 серии в каждый срок.

При получении градировочной зависимости каждый образец сначала испытывается ультразвуковым методом, (методика приводится ниже), а затем разрушающим – в прессе (п. 10.2). В качестве единичных значений характеристик принимаются средняя скорость ультразвука и средняя прочность бетонав серии образцов. По ним, используя приближение по методу наименьших квадратов, можно рассчитать аналитическую зависимостьв виде линейного уравнения

(10.11)

или экспоненциального уравнения

(10.12)

и построить ее график (рис. 10.6)¹⁰.

Получив градуировочную зависимость, приступают к испытанию бетона в изделиях и конструкциях.

Основная аппаратура

Ультразвуковой прибор, другие приборы и оборудование, указанные в п. 10.2.

Проведение испытания

Испытание заключается в прозвучивании бетона (рис. 10.4) с помощью ультразвуковых приборов УК-14П, УК-10ПМ*, УФ-10П*. Бетон-8УРЦ, УКБ-1 и др., которые позволяют измерить время распространения ультразвуковой волны.

В качестве изделий для испытания в данной лабораторной работе принимают образцы бетона, изготовленные по п. 10.6. После их осмотра, обмера и определения средней плотности бетона (п. 10.2) устанавливают базу прозвучивания l, мм, соответствующую размеру образца в направлении, которое должно быть выбрано в соответствии со схемой на рис. 10.5.

Для прозвучивания (см. рис. 10.4) преобразователи прибора: излучатель 2 и приемник 3 – устанавливают соосно на противоположных сторонах образца 4. В целях обеспечения надежного акустического перехода, контактирующие поверхности преобразователей и бетона покрывают тонким слоем вязкого материала (солидола, технического вазелина) или помещают между ними эластичные прокладки (например, из полиуретана).

Рис. 10.4. Схема определения прочности бетона ультразвуковым импульсным методом:

1- ультразвуковой прибор; 2 – излучатель ультразвуковых колебаний (УЗК); 3 – приемник УЗК; 4 – образец бетона

Во время испытания излучатель 2 посылает в бетон ультразвуковой импульс. Одновременно в измерительном приборе 1 генерируется первичный электрический сигнал, по которому начинается отсчет времени. В момент достижения передним фронтом ультразвукового импульса поверхности приемника 3 в нем вырабатывается вторичный электрический сигнал, останавливающий отсчет времени в приборе. На экране электронно-лучевой трубки высвечивается развертка ультразвукового импульса во времени. В приборах с дискретным отсчетом координат ее начало следует совместить с нулем координатной сетки на экране. Тогда координата x точки первого перегиба прямого участка развертки будет соответствовать времени t прохождения импульса через бетон, выраженному в масштабе прибора. В зависимости от его конструкции измерение времени t производят либо автоматически, либо вручную путем поворота ряда тумблеров. Значение же времени t, мкс, считывают соответственно с индикатора или со шкал прибора.

Далее находят скорость ультразвука в каждой i-й точке бетона

м/с.

Для продолжения испытания выбирают один из вариантов выполнения данной лабораторной работы: построение градуировочной зависимости или определение требуемой прочности бетона при контроле его прочности на участке конструкции.

Для получения градуировочной зависимости испытание каждого образца выполняют в трех точках по диагонали (рис. 10.5)¹¹. При этом отклонение отдельных результатов измерения времени t от среднего арифметического трех полученных значений должно быть не больше 5%. При соблюдении данного условия скорость ультразвука в образце c_k находят как среднее арифметическое результатов трех измерений. Прозвученные образцы испытывают на сжатие в прессе в соответствии с п. 10.2 и определяют R_i, МПа, полученное разрушающим методом.

Рис. 10.5. Схема испытания образцов бетона при установлении градуировочной зависимости:

1– точки установки преобразователей УЗК на образце и направления сквозного прозвучивания бетона;2– направление уплотнения бетонной смеси при изготовлении образца;3– направление испытания образца при сжатии

Результаты определения скорости ультразвука c_k и прочности бетона на сжатие R_i, полученные для каждого образца, заносят в Журнал испытания образцов ультразвуковым методом, из которого затем производят выборку необходимого для построения градуировочной зависимости числа n единичных результатов испытаний. По ним вычисляют аналитическую зависимость вида (10.11) или (10.12) и строят график.

В заключение оценивают погрешность установленной градуировочной зависимости, которая характеризуется величиной ее среднего квадратического отклонения

или коэффициентом эффективности

.

Здесь и- средняя прочность бетона на сжатие вi-й серии образцов, определенная на прессе и по градуировочной зависимости ультразвуковым методом;

n – число серий образцов;

S_m – среднеквадратическое отклонение прочности бетона на сжатие.

Если или, то определение прочности по данной градуировочной зависимости допускаетсяR_m – средняя прочность бетона всей выборки единичных результатов.

Для определения требуемой прочности бетона на участке конструкций (второй вариант работы) результаты определения скорости ультразвука в бетоне (образце) c_i заносят в Журнал определения прочности бетона в конструкциях ультразвуковым методом.

В заключение сравнивают результаты испытания бетонных образцов, полученные различными методами, и определяют их расхождение. При этом по градуировочной зависимости (рис. 10.6) определяют для каждого значенияc_i соответствующее значение прочности бетона на сжатие R_us,i.

Затем из Журнала производят выборку необходимого числа единичных результатов контроля и по ним рассчитывают статистические характеристики прочности. Среднее квадратическое отклонение вычисляют по формуле

.

Поправочный коэффициент k_cor определяют при построении градуировочной зависимости:

,

где k_v,c – коэффициент вариации прочности бетона по результатам испытания всех серий образцов на сжатие при построении градуировочной зависимости;

k_v,us – то же по результатам определения прочности всех серий образцов ультразвуковым методом.

В заключение рассчитывают требуемую прочность бетона, которую определяют по результатам контроля неразрушающим методом из формулы

,

где k_d – коэффициент требуемой прочности, принимаемый по приложению 4;

B_n – нормируемое значение прочности, МПа.

Рис. 10.6. Градуировочная зависимость R_b=f(c) для бетона состава 1:2:3 по массе на цементе ПЦ-Д20-300 и гранитном щебне с D=40 мм