1.2.2. Суть ультразвукового методу полягає в тому, що швидкість розповсюдження ультразвукових хвиль у бетоні залежить від модуля пружності, який в свою чергу повязаний з міцністю.

Рис. 20. Спрощена схема ультразвукового приладу: 1  генератор; 2  випромінювач; 3  дослідний зразок; 4  приймач; 5  підсилювач; 6  осцилограф

Високочастотний генератор 1 періодично надсилає електричні імпульси на випромінювач 2, який перетворює їх в ультразвукові. Далі імпульси, проходячи через дослідний зразок 3, вловлюються приймачем і підсилені за амплітудою підсилювачем 5 направляються на вхід осцилографа 6. Одночасно такий самий імпульс безпосередньо від випромінювача потрапляє на вхід осцилографа. Він формує на екрані початкову мітку у вигляді кривої а. Така ж крива b утворюється на екрані після проходження імпульсу через дослідний зразок. Одночасно осцилограф виробляє так звані мітки часу, які спостерігаються на екрані. Підраховуючи кількість міток часу, розташованих між кривими а і b, і знаючи ціну однієї мітки, можна встановити проміжок часу t, за який ультразвукова хвиля пройшла бетон. Тепер неважно визначити швидкість поширення ультразвуку, а відтак і міцність бетону.

З ультразвукових методів найбільш широко застосовується тіньовий та ехо-метод.

У металевих конструкціях за допомогою ультразвуку виконується контроль дефектів у металі та контролюється якість зварних швів (знаходяться шлакові включення, тріщини, раковини, газові чарунки і непровари). Тіньовий метод базується на фіксуванні акустичної тіні, що утворюється за дефектом внаслідок відбиття або розсіювання акустичного променя. Під час використання тіньового методу сигнал від випромінювача 1 та приймача 2 подається на екран осцилографа, причому за наявності дефектів 3 виникає зниження або повне зникнення сигналу, що відтворюється приймачем.

Рис. 21. Використання тіньового методу при виявленні дефектів: 1  випромінювач; 2  приймач; 3  дефект; 4  дослідний зразок

Так можна відтворити малюнок дефекту у горизонтальній площині. Однак відтворити глибину знаходження дефекту у тілі матеріалу нереально.

Траси прозвучування конструкцій можуть мати довільний напрям. Так крім наскрізного (рис. 21) може використовуватися метод похилого прозвучування поздовжньою хвилею або поверхневого прозвучування поперечною хвилею.

Рис. 22. Похиле (а) та поверхневе (б) прозвучування: 1  випромінювач; 2  приймач; 3  дослідний зразок

За неможливості одночасного доступу до двох співісних точок на різних поверхнях виробу використовують імпульсний ехо-метод (луна-метод). Тут випромінювач та приймач конструктивно виконані як єдиний прилад  перетворювач. Цей метод дозволяє не лише виявити місце розташування дефекту в тілі бетону, а й визначити відстань до місця його знаходження, а також виміряти товщину виробу.

Рис. 23. Схема прозвучування виробу ехо-методом: 1  перетворювач; 2  виріб; 3  дефект

Для стикових зєднань, використовують призматичні перетворювачі з різними кутами падіння ультразвукових хвиль. Оскільки в стикових зєднаннях дефекти звичайно розвиваються вздовж поверхонь виробів, що зєднуються, то в процесі контролю перетворювач переміщують уздовж шва по змієподібній ламаній лінії.

При зварних швах товщиною 250...300 мм та більше використовують перетворювачі з кутом 30, при товщині 200...250 мм  перетворювачі з кутом 40 , при більш тонких швах  перетворювачі з кутом 50...55.

При визначенні глибини тріщини в бетоні випромінювач і приймач розташовують в точках А і В симетрично відносно видимої тріщини.

Коливання з точки А в В проходить найкоротшим шляхом АСВ за час t:

. (8)

На бездефектній ділянці поверхні бетону визначають швидкість розповсюдження в ньому ультразвуку. Для цього на певній відстані р розташовують випромінювач і приймач і фіксують час t₂ проходження хвилі ,

, (9)

де V  швидкість; t  час, визначений у досліді.

Рис. 24. Схема визначення глибини тріщини: 1  випромінювач; 2  приймач; 3  дослідний зразок

Під час дефектоскопії бетону ультразвуковим методом виконують наскрізне прозвучування та поздовжнє профілювання.

При наскрізному послідовно прозвучують ділянки конструкції і відмічають на координатній сітці точки, а потім лінії рівних швидкостей  ізоспіди, або лінії рівного часу  ізохори, відділяючи ділянку конструкції, на якій знаходиться дефектний бетон (зона зниження швидкостей).

Рис. 25. Ультразвуковий метод при наскрізному прозвучуванні бетону: 1 випромінювач; 2  приймач; 3  виріб, що контролюється; 4  дефект; 5  напрям прозву чування; 6  графік швидкостей розповсюдження ультразвуку; 7  зона різкого зниження швидкості ультразвука на ділянці з дефектом

Метод поздовжнього профілювання дозволяє проводити дефектоскопію при розташуванні випромінювача і приймача на одній поверхні (дорожнє покриття, фундаментні плити, монолітні плити перекриття) Цим способом можна визначити глибину (від поверхні) руйнування бетону корозією.

Під час дослідження матеріалів ультразвуковими методами використовують вітчизняні ультразвукові прилади УП-4, УКБ-1, ДУК-20, УКБ-1М, ІСІ-66, Бетон -3М.

Рис. 26. Застосування ультразвукового методу при поздовжньому профілюванні: 1  випромінювач; 2  приймач, послідовно встановлюється в різних точках; 3  виріб, що контролюється; 4  дефект; 5  годограф швидкості ультразвукових коливань; 6  зона, в якій порушена пропорційність залежності t=f(x)

Рис. 27. Визначення товщини зруйнованого поверхневого шару бетону: V₁, V₂  швидкість розповсюдження ультразвуку відповідно у шарі з порушеною структурою і в масиві; 1  випромінювач; 2  приймач, який послідовно встановлюється в різних точках; 3  виріб, що контролюється; 4  зруйнований шар

До приладів нового покоління відносяться ультразвуковий вимірювач міцності бетону УК1401 (застосовується для вимірювання часу і швидкості розповсюдження поздовжніх ультразвукових хвиль в твердих тілах при поверхневому прозвучуванні з метою визначення міцності і цілісності матеріалів і конструкцій); дефектоскоп УД2-12 (застосовується для контролю продукції тіньовим і ехо-методом на наявність дефектів типа порушення суцільності і однорідності матеріалів і зварних зєднань, для вимірювання глибини і координат їх закладання); прилад Бетон-22 (застосовується для визначення міцності бетону при наскрізному і поверхневому прозвучуванні); прилад УИС-23 (застосовується для визначення міцності бетону, цегли і каменів силікатних, виявлення дефектів); прилад УК-10ПМС (застосовується для неруйнівного контролю фізико-механічних характеристик виробів із склопластиків, пластмас, бетону методом поверхневого прозвучування); прилад УК-14ПМ (застосовується для визначення відпускної, передаточної, проектної міцності важкого і легкого бетону тіньовим методом).

Ударний метод визначення міцності бетону за своєю фізичною суттю не відрізняється від ультразвукового і побудований на тій самій залежності, що існує між міцністю бетону та швидкістю розповсюдження в ньому звукової хвилі.

Звукові хвилі в бетоні збуджуються ударом молотка. На поверхні елемента встановлюють два приймачі на певній відстані. Звуковий імпульс, прийнятий приймачем А і підсилений підсилювачем, передається на лічильник часу і запускає його.

Звукова хвиля, досягнувши приймача В, підсилена підсилювачем зупиняє лічильник часу. Так вимірюється час t проходження хвилі на базовій відстані а. Межу міцності бетону залежно від швидкості розповсюдження ударної хвилі визначають за допомогою тарувальної кривої або за спеціальними таблицями, що будують під час паралельних досліджень зразка.

Для випробувань використовують прилади АМ-5, ПІК-6, МК-1.

Рис. 28. Схема дослідження ударним методом: 1  приймач; 2  підсилювач; 3  лічильник часу; 4 дослідний зразок; 5  молоток

1.2.3. Резонансний метод полягає в збудженні у зразках коливань змінної частоти і побудові резонансної кривої, за якою визначають динамічний модуль пружності, модуль зсуву, логарифмічний декремент коливань та міцність бетону.

Залежно від мети дослідження використовують поздовжні, крутильні та прогинні коливання. Отримання одного з видів залежить від місця розташування випромінювача та приймача на досліджуваному зразку. Враховується і умова розташування опор.

а) б)

Рис. 29. Ультразвукові прилади: а  УК-10ПМСБ; б  УК-14ПМ

До виходу приймача підєднується реєструвальний пристрій  осцилограф. Електронний промінь на екрані осцилографа накреслить криву, яка відповідає коливанням зразка.

Рис. 30. Схеми дослідження коливань: а поздовжніх; б  прогинних; в крутильних; 1  зразок; 2  випромінювач; 3  приймач; 4  опори

Зі зміною частоти вимушених коливань міняється амплітуда кривої на екрані і за деякого значення частоти амплітуда кривої буде найбільшою. Це відповідає моменту утворення резонансу, тобто збігаються частоти власних і вимушених коливань. Значення резонансної частоти визначають за шкалою генератора.

Логарифмічний декремент коливань знаходять за шириною резонансного піку кривої на рівні половини максимальної амплітуди коливань за формулою

, (10)

де f₀  резонансна частота коливань зразка; f₁ та f₂  частоти коливань, що відповідають амплітудам, рівним половині максимальної до і після резонансу.

Залежність між динамічним модулем пружності та частотою власних поздовжніх коливань виражається формулою

, (11)

де l  довжина зразка;   акустична густина бетону; f_n  частота власних коливань зразка.

Рис. 31. Резонансна крива

У практиці користуються такими приладами, як вимірювач частоти коливань ІЧМК-2, вимірювач резонансної частоти ІРЧ-1, вимірювач амплітудного загасання ІАЗ, УЗ-5, ПІК-8.

1.2.4. Імпедансний метод базується на реєстрації величини акустичного імпедансу (опору) ділянки виробу, що контролюється. Зміна вхідного імпедансу може бути виявлена за зміною амплітуди або фази сили, що діє на датчик та збуджує в ньому пружні коливання. Датчиком 1 є стрижень, який має контакт із поверхнею і здійснює поздовжні коливання. Якщо обшивка 2 жорстко склеєна з основним матеріалом 4, то вся конструкція коливається як одне ціле й імпеданс системи “обшивка-клей-конструкція-датчик” визначається жорсткістю всієї конструкції. При цьому сила взаємодії датчика та конструкції буде суттєвою. Якщо стрижень попадає в зону, де відсутній клей 5, то ділянка обшивки коливається як тонкий елемент. Оскільки жорсткість обшивки суттєво нижча, ніж жорсткість системи в цілому, то сила взаємодії суттєво зменшиться.

Рис. 32. Схема імпедансного методу: 1  датчик; 2  обшивка; 3  клейовий шов; 4  основний матеріал; 5  дефект

1.2.5. Основою методу акустичної емісії є вловлювання та підсилен­ня пружних хвиль, що випромінюються дефектами, а також дислокаціями під час перебудови структури в момент навантаження конструкції.

Під повільним навантаженням у твердому тілі поступово зростає механічна напруженість, кристалічна решітка твердого тіла накопичує пружну потенціальну енергію. Оскільки здебільшого навантажувані об'єкти неоднорідні за своїми фізико-механічними властивостями, в деякій ділянці твердого тіла локальне напруження досягає у визначе­ний момент своєї межі і внутрішні зв'язки кристалічної решітки роз­риваються. В цей момент активно виділяється частина пружної енергії, накопичена раніше, значна доля якої використовується на швидке пе­реміщення частинок у локальній зоні з порушеними зв'язками. Пруж­на хвиля випромінюється, а напруження, сконцентровані в зоні неоднорідності, релаксують.

Головна особливість тіл з дефектами полягає в тому, що в дефектах концентруються напруження під навантаженням. Тому в таких зонах в першу чергу протікають пластична деформація, деформаційне зміцнення і руйнування.

Про присутність дефекту судять за появою сигналів акустичної емісії, про рівень напруженого стану  за їх інтенсивністю (кількість сигналів за 1 с).

Експериментально встановлено, що окремі сигнали акустичної емісії являють собою імпульс високочастотних коливань у мегагерцевому діа­пазоні тривалістю декілька мікросекунд.

Два процеси - пластична деформація і ріст тріщин - розрізняються за амплітудним розподілом сигналів. Під час руйнування шляхом росту тріщин сигнали акустичної емісії мають більші амплітуди і рідші, ніж за пластичної деформації.

Характерною особливістю акустичної емісії під циклічним навантажен­ням є швидке зменшення кількості імпульсів та їх амплітуд після повтор­них за першим навантаженням. Абсолютне зникнення акустичної емісії під час повторного навантаження свідчить про те, що матеріал не руйнується.

Апаратура для акустичної емісії складається з приймача коливань, системи фільтрів та підсилювачів, реєструвальних приладів, лічильника сигналів за одиницю часу, графобудувача.

Встановлюється визначений мінімальний рівень сигналу (поріг), вище якого враховуються сигнали, їх реєструють записом на магнітну плівку, висвітленням порахованих сигналів па екран дисплея, звуковим відтворен­ням у вигляді потріскування, інтенсивність якого зростає з розвитком дефектів, або на екран осцилографа чи на вхід графобудувача.

Метод акустичної емісії дозволяє значно точніше визначити коорди­нати дефекту. Для цього встановлюють принаймні три приймачі. Коорди­нати визначаються на основі аналізу різниці часу надходження сигналу акустичної емісії на різні приймачі. Розроблені комп'ютерні програми такого аналізу дозволяють миттєво знайти місцезнаходження дефекту та графічно побудувати рисунок.

Через значну залежність інтенсивності акустичної емісії від структу­ри і механічних властивостей матеріалу метод має недостатні метрологічні властивості.

Використовують його здебільшого для визначення моменту ініціювання руйнування, оскільки відомо, що старт тріщини і навіть передстартовий стан супроводжуються початком інтенсивної акустичної емісії.

1.3. Досягнення атомної фізики використовуються і в області неруйнівних методів досліджень. Вагомі практичні результати отримано за допо­могою так званих "закритих" джерел випромінювання, під якими розуміють радіоізотоп, закритий непроникною оболонкою та не зв'язаний з досліджуваним матеріалом.

У випробуваннях за допомогою проникальних випромінювань використовують два методи:

1) проникальної радіації, в якому застосовують потік фотонів, здат­ний проникати крізь товщу матеріалу, і які відносяться до рентгенівсь­кого та гамма-випромінювань;

2) зі швидкими нейтронами.

1.3.1. Випромінювання, що проникає крізь бетон, повітря, воду, арматуру тощо, є проникальною радіацією, взаємодіє з атомами матеріалу, який знаходиться на шляху, і частково поглинається ними або розсіюється. Взаємодія між випромінюванням та атомами матеріалу тим більша, що щільніший матеріал.

На цьому простому принципі, аналогічно розповсюдженню світла в непрозорих тілах, базується метод радіаційної дефектоскопі, (визначення ступенів корозії та ущільнення бетону, товщини, діаметра, профілю, розташування арматури в бетоні та ін).

Рентгенівське та гамма-випромінювання, подібно радіохвилям та світлу мають спільну природу - вони електромагнітні і відрізняються лише частотою коливань.

Для досліджень використовують рентгенівські випромінювання, які отримують гальмуванням попередньо прискорених в електричному полі електронів. На шляху електрони взаємодіють з екраном, виготовленим з важкого металу, який відіграє роль гальма. При гальмуванні електронів у речовині виникає неперервний спектр рентгенівських променів. Кван­ти рентгенівського випромінювання мають властивості часток (фотоефект, розсіювання) та хвиль (інтерференція, дифракція, за­ломлення). Довжина хвилі випромінювання залежить від частоти ко­ливань. Що коротша довжина хвилі, то більша енергія випромінювання, а відповідно, проникальна здатність.

Для отримання рентгенівських променів використовують рентгенівські трубки зі значною енергією випромінювання. Для менш потужних випромінювань - бетатрон (індукційний прискорювач електронів). В останній час широко вживають лінійні прискорювачі електростатичної дії та прискорювачі з хвилею, що біжить. Мікротрон  резонансний циклічний прискорювач. Це малогабаритні джерела випромінювання.

Інтенсивність рентгенівських променів зменшується зі збільшенням товщини перешкоди, а також за наявності щільніших включень у тілі. Присутність пустот рівноцінна зменшенню товщини перепони.

Гамма-випромінювання утворюється завдяки переходу нестабільних радіоізотопів у стійкий стан. Воно супроводжується випромінюванням альфа- (ядра гелію) та бета-часток (електрони).

Існують різні способи реєстрації рентгенівського та гамма-випромінювання.

Радіографічний спосіб полягає у фіксації інтенсивності випромінювання, що пройшло крізь досліджуваний обєкт. Для цієї мети використовують рентгенівську плівку, на якій фіксується, після відповідної обробки, результат. Перевагою способу є те, що в руках дослідника залишається обєктивний документ, що характеризує стан обєкта в момент дослідження.

Так, контроль якості зварювання виконується радіографічним методом. Джерело випромінювання 1 розміщується над швом, що досліджується, а касета з плівкою 2  під ним. Пучок випромінювання проходить через шов і діє з інтенсивністю, прямо пропорційною щільності шва. Для оцінювання якості знімків та визначення чутливості радіографічного методу контролю використовують пластинчасті еталони з канавками й дротяні еталони, які розміщують в місцях просвічування. Пластинчасті еталони з канавками 4 використовують для просвічування виробів, у яких можуть бути дефекти у вигляді раковин, різноманітних включень, газових пор. Дротяні еталони використовують під час радіографії виробів, у котрих можуть бути дефекти у вигляді непроварів та мікротріщин.

Рис. 33. Дефектоскопія зварних швів: 1  джерело випромінювання; 2  досліджуваний матеріал; 3  фотоплівка в касеті; 4  еталон чутливості; 5  дефект

Дефекти ділянки шва характеризуються викривленим зображенням на плівці. Ступінь затемнення, форма та положення затемнених ділянок указують на місце розміщення тріщин, непроварів, шлакових включень та інших дефектів. Для виявлення тріщин необхідно, щоб напрям випромінювання збігався з напрямом тріщин. Непровари в зварних зєднаннях можуть виявлятися під час просвічування виробів перпендикулярно шву і під кутом 45. Газові пори й шлакові включення в зварних швах виявляються при спрямуванні променів перпендикулярно шву.

Оцінювання однорідності матеріалів та виявлення в них де­фектів здійснюється аналогічно дефектоскопії зварних з'єднань. Дефектні місця матеріалів (тріщини, раковини, каверни тощо) бу­дуть менше ослаблювати потік випромінювання порівняно з безде­фектними ділянками. Наявність більш щільних включень призво­дить до послаблення інтенсивності випромінювання. Під час де­фектоскопії неоднорідних матеріалів (у тому числі і бетону) слід мати на увазі, що вони за своєю структурою неоднорідні, тому де­фекти доводиться визначати на фоні цієї неоднорідності. В зв'язку з цим у бетонних конструкціях удається визначати дефекти, розмі­ри яких в два-три рази більші від розмірів крупного заповнювача. Необхідно зауважити, що орієнтація однакових дефектів відносно напряму просвічування відчутно впливає на інтенсивність затемнення зображення. Тонкі дефекти, перпендикулярні напряму просвічування, можуть бути не виявленими під час радіаційного контролю. Тому де­фекти у вигляді тріщин фіксуються тоді, коли напрям просвічування не відхиляється від напряму розповсюдження (росту) тріщини на кут більше ніж 5°.

Просвічування дає також можливість виявити внутрішні дефекти пластмаси у вигляді тріщин, раковин тощо і деревини  сучки, тріщини, місця її загнивання.

Під час використання радіаційних випромінювань можливі два способи просвічування: наскрізний (рис. 34, а), коли можливий двосторонній доступ до конструкції, й розсіяний (рис. 34, б), який базується на реєстрації інтенсивності випромінювання, що розсіюється матеріалом.

Рис. 34. Способи дефектоскопії: а  при двосторонньому доступі до конструкції; б  при односторонньому доступі до конструкції; 1  джерело випромінювання; 2  детектор; 3  прилад, що реєструє випромінювання; 4  дефекти

Радіоскопічний спосіб  перетворення прихованого рентгенівського або гамма- зображення досліджуваного об'єкта в видиме на екрані перетворювачів. Це можуть бути перетворювачі флюороскопічного, рентгенівського, електролюмінісцентного, електронно-оптичного типів. Недоліком способу є пониження точності отриманих результатів.

При визначенні товщини захисного шару бетону, розмірів и розташування арматури в залізобетонних конструкціях роблять два знімки з двох положень випромінювача 1 і 1 (рис. 35). За цими знімками можна визначити шукані величини

(12)

де d  шуканий діаметр; b  товщина захисного шару; C  відстань між двома положеннями випромінювача; C, d  визначаються за рентгенограмою.

Рис. 35. Застосування радіаційного методу: 1, 1  джерела випромінювання; 2  досліджуваний матеріал; 3  арматура

Глибину розташування дефекту можна визначити з двох позицій випромінювача (рис. 36).

З елементарних міркувань отримуємо

, (13)

Рис. 36. Схема визначення глибини розташування дефекту: