Физические методы испытания прочности бетона

Физические методы обследования конструкций основаны на законах распространения упругих волн в реальных средах, взаимодействия различного рода излучений с испытываемым материалом, металла с электромагнитным полем и т.д.

Физические методы испытания прочности бетона могут быть подразделены на резонансные, импульсные ультразвуковые и ударные. Кроме того для определения плотности бетона и дефектов в нем применяются методы, основанные на измерении степени поглощения и рассеивания рентгеновских и гамма-лучей.

Резонансный метод. При помощи резонансного метода определяют частоту собственных колебаний образца с последующим расчетом по этой характеристике динамических модулей упругости первого рода (модуля Юнга) E_d и второго рода (модуля сдвига) G_d и логарифмического декремента затухания d. Качество бетона можно оценить непосредственно по указанным характеристикам или путем определения прочности из зависимостей, связывающих R_m с E_d; G_d и d.

Резонансный метод при обследовании зданий можно применять только для испытаний лабораторных образцов и некоторых изделий небольшого объема с точными размерами, поэтому этот метод нельзя отнести к неразрушающим методам испытания реальных конструкций.

Импульсный ультразвуковой метод. Он нашел широкое применение для неразрушающих испытаний железобетонных конструкций. Этот метод основан на измерении скорости распространения в бетоне продольных ультразвуковых волн и степени их затухания.

Скорость продольных ультразвуковых волн u определяют по формуле

u=S/(t-t₀),                                                           (1.41)

где s - длина пути распространения ультразвука (база измерения), мм;

t - время распространения ультразвука, мкс;

t₀ - постоянная поправка ультразвукового прибора, определяемая при сомкнутых щупах.

Для возбуждения ультразвуковых волн и измерения времени их прохождения через бетон служит специальная электронно-акустическая аппаратура - импульсные ультразвуковые приборы. Из многих известных ультразвуковых приборов для определения прочности бетона наиболее подходят прибор УКБ-1М (ультразвуковой контроль бетона) и прибор «Бетон-ЗМ-Транзистор». Последний собран полностью на полупроводниках и в два раза легче первого.

Ультразвуковые приборы состоят из источника электрических импульсов, излучателя, преобразующего электрические импульсы в ультразвуковые механические волны, щупа - приемника, преобразующего ультразвуковые волны, прошедшие через бетон, в электрические импульсы, усилителя электрических импульсов и индикатора - электронно-лучевой трубки.

Имеющееся в приборе электронное устройство, называемое «ждущей задержанной развертки», включается одновременно с пуском импульсного генератора. Развертка смещает электронный луч по экрану индикатора слева направо. При этом в левой части экрана индикатора возникает вертикальная отметина, соответствующая моменту посылки импульса, а в правой - изображение прошедших через бетон ультразвуковых импульсов. Электронный генератор создает на экране индикатора электронную школу меток времени в виде вертикальных отметок с определенными интервалами, по числу которых находят время прохождения ультразвукового импульса через бетон.

Скорость ультразвука связана функциональной зависимостью с динамическим модулем упругости бетона первого рода Е_d. Значение Е_d можно вычислить по формулам, если известны длина ультразвуковой волны в бетоне, поперечные размеры тела и измеренная в опыте скорость ультразвука u. Длина ультразвуковой волны и бетоне определяется по формуле

l=u/f₀,                                                                (1.42)

где f₀ - собственная частота продольных колебаний образца, измеряемая при опыте.

При неограниченной среде, когда размеры изделия значительно больше длины ультразвуковой волны l (l для бетона колеблется в пределах 15...25 см), значение Е_d можно рассчитать по формуле

Е_d=u²r(1+m)(1-2r)/(1-m),                                 (1.43)

где r - плотность бетона;

m - коэффициент Пуассона, принимаемый для бетона равным 0,16...0,2 или более точно вычисляемый по формуле

[u/(2f₀l)]²=(1-m)/[(1-2m)(1+m)],                       (1.44)

здесь l - длина образца.

Для среды, ограниченной одним измерением, т.е. для плит, прозвучиваемых с торцов (l больше толщины плиты), значение Е_d определяется из формулы

Е_d=u²r(1-m²).                                                     (1.45)

Для среды, ограниченной двумя измерениями, т.е. для стержней, прозвучиваемых с торцов (l больше поперечных размеров стержня), значение Е_d находится из выражения

Е_d=u²r.                                                               (1.46)

Прочность бетона на сжатие устанавливается по вычисленным значениям Е_d с помощью заранее установленных экспериментальным путем зависимостей для бетонов определенного состава. Эти зависимости обычно выражают в виде тарировочного графика «прочность бетона-динамический модуль упругости».

Такая зависимость может быть представлена в виде формулы

                                                     (1.47)

где b₂ - эмпирический коэффициент, зависящий от состава бетона.

Значение b₂ принимается по табл. 1.10 /60/.

Таблица 1.10