Основные методы ультразвуковой дефектоскопии

Вводная часть

Прочности бетона

Цель работы:

1. Ознакомление с методами ультразвукового контроля бетона.

2. Ознакомление с конструкциями и основными эксплуатацион­ными характеристиками приборов неразрушающего контроля проч­ности бетона: УКБ-1М, УК-16П, УКБ-111.

3. Приобретение навыков работы с приборами неразрушающе­го контроля.

4. Изучение принципов функционирования системы активного контроля характеристик твердения Ж/Б изделия в процессе его тепло-влажностной обработки.

Получение высококачественных строительных материалов и конструкций со строго заданными характеристиками неразрывно связано с проведением контроля на различных стадиях технологи­ческого процесса.

Среди множества различных методов контроля важное место занимают НЕРАЗРУШАЮЩИЕ методы. Кроме так называемого отпускного контроля, когда проверяется качество уже готового Ж/Б изделия, неразрушающий контроль может производиться на стадии изготовления изделия, что позволяет оперативно получить информа­цию о текущих параметрах изделия и корректировать ход технологи­ческого процесса для достижения их заданных значений.

Другой, не менее важной областью применения неразрушающих методов, является контроль изделий в период их эксплуатации: при обслуживании зданий, сооружений, при проведении работ по реконструкции зданий.

В настоящее время сохраняется тенденция использования бе­тона, как основного строительного материала в РБ. и, в связи с этим, одним из путей сокращения затрат при изготовлении бетонных и же­лезобетонных изделий - является снижение расхода материалов и, в первую очередь цемента, за счет совершенствования технологии, устранения брака, сокращения объема механических разрушающих испытаний.

Контроль качества строительных изделий с помощью неразрушающих методов является весьма перспективным для обеспече­ния высокой надежности возводимых строительных сооружений, в сочетании с получением значительного экономического эффекта.

В основе многих методов для неразрушающего контроля ж/б изделий лежит использование ультразвуковых колебаний. По суще­ству, ультразвук и звук представляют собой одно и то же физическое явление - механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (газе, жидкости, металле, бетоне и т.д.).

Отличие звука от ультразвука заключается лишь в частоте ко­лебаний; колебания частотой в приделах 20 - 20000 Гц считаются звуковыми (человек их воспринимает на слух); колебания частотой большей, чем 20000 Гц - ультразвуком; большинство людей такие колебания не воспринимают. Т.о. граница между звуком и ультразву­ком довольно условна; зачастую в технике под термином ультразвук понимают механические колебания частотой даже меньшей чем 20000 Гц, например 15 кГц, 18 кГц.

Ультразвук эффективно используется для обнаружения дефек­тов (пустот, трещин) - ультразвуковая ДЕФЕКТОСКОПИЯ; для оцен­ки упругих и прочностных характеристик материалов, в том числе и бетона.

Необходимость применения акустических колебаний высокой частоты диктуется несколькими причинами, одна из них следующая.

Распространение механических колебаний в упругом материа­ле происходит в виде акустических волн. Длина волны λ связана с частотой колебаний f и скоростью распространения колебаний С со­отношением:

λ = С/f (6.1)

Если на пути распространения волны будет препятствие (пусто­та, неоднородное включение, трещина), то оно оказывает влияние на распространение волны тогда, если размеры препятствия пре­вышают длину волны. Если размеры препятствия меньше чет­верти длины волны, то оно не оказывает на распространение ко­лебания практически никакого влияния. Заметное влияние дефек­та на распространение волн проявляется тогда, когда его размеры превышают λ/2÷ λ

Например, для обнаружения в массиве бетона пустоты диамет­ром 5 см, длина волны зондирующих колебаний должна быть мень­ше 5 см, частоту f найдем из соотношения (6.1):

f = C/ λ;

где С=3500 м/сек - скорость ультразвука в бетоне; λ<0.05 м;

Таким образом, для поиска дефекта необходимо использовать ультразвуковые колебания (УЗК).

Для обнаружения и оценки размеров дефектов в бетоне нахо­дят применение два основных метода УЗ дефектоскопии: теневой и эхо-метод. На рис. 6.1 проиллюстрирован ТЕНЕВОЙ метод. Излу­чатель и приемник УЗК располагаются с противоположных сторон изделия и соосно перемещаются по поверхности контролируемого изделия. Если между излучателем и приемником окажется дефект, - позиция II, то интенсивность УЗК у приемника резко уменьшится (приемник попал в акустическую тень дефекта). Одним из недостат­ков метода является необходимость соосного расположения датчи­ков, что затруднительно выполнить при больших размерах изделия.

Рис. 6.1. Основные методы УЗ дефектоскопии:

а - теневой; б - эхо-метод;

1 - излучающий преобразователь;

2 - приемный преобразователь.

3 - дефект.

От этого недостатка свободен ЭХО метод - рис. 6.9б.; излу­чатель и приемник УЗК располагаются рядом, с одной стороны изделия. Информационным параметром является время распро­странения УЗК; без дефекта (позиция I), время распространения отраженного эхо-сигнала максимальное; при наличии дефекта (по­зиция II), время распространения скачком уменьшится, т.к. со­кращается путь для акустического сигнала от излучателя к при­емнику.

Необходимо отметить высокую чувствительность ультразву­ковых методов при обнаружении трещин, даже на самой ранней ста­дии их раскрытия. Повышение частоты зондирующего акустичес­кого сигнала позволяет повысить чувствительность методов поис­ка дефектов (это позволяет излучать УЗК более направленным пуч­ком и фиксировать более мелкие дефекты).

Но для бетонов есть ограничение в повышении частоты сиг­нала, обусловленное влиянием крупного заполнителя, зерна кото­рого при большой частоте колебаний дают ложные сигналы. Обычно для целей дефектоскопии ж/б изделий используют УЗК в диапазоне 40÷400 кГц.

6.1.2 Использование ультразвука для оценки прочнос­ти бетона

Пропуская через исследуемый материал ультразвуковой сиг­нал и измеряя его параметры, имеется возможность оценить меха­нические свойства образца материала: динамический модуль упругости Е, коэффициент Пуассона, вязкопластические свой­ства, прочность.

Это позволяет осуществлять так называемый пассивный конт­роль готовой продукции в строительном производстве, а также со­здавать системы, в том числе и автоматические, активного контро­ля в процессе изготовления изделий, например, в процессе тепло-влажностной обработки ж/б конструкций.

К основным акустическим характеристикам материала отно­сятся: скорость распространения - С и коэффициент затухания - А.

Скорость распространения УЗК связана с динамическим модулем упругости материала Е соотношением:

где р - плотность материала.

В практике строительства, большой интерес представляют ме­тоды оценки прочности бетона с помощью ультразвука. В настоя­щее время практическое применение находит метод, основанный на существовании корреляции между скоростью УЗК и прочностью бетона R. Корреляция параметров означает их статистическую связь, т.е. проявляющуюся при достаточно большом количестве опы­тов-измерений, характер этой связи выявляется при использовании методов усреднения результатов замеров.

На рис. 6.2 показан характерный пример массива точек зависи­мости "скорость - прочность" для бетона.

"Расплывчатый" характер зависимости обусловлен тем, что кро­ме прочности, на величину скорости оказывает влияние множество факторов: вариации состава компонентов, гранулометрический со­став крупного заполнителя, водоцементное отношение бетонной смеси и др., и не позволяет с приемлемой точностью по скорости УЗК оп­ределять прочность бетона. В настоящее время точных аналити­ческих зависимостей, связывающих акустические характеристики бетона с указанными факторами, не получено, и это накладывает серьезные ограничения на использование метода оценки прочности. Более того, даже если бы такие зависимости были получе­ны, то пользоваться ими было бы затруднительно, т.к. количе­ственно измерить дестабилизирующие технологические факто­ры практически возможно лишь в заводских условиях, а для "незнакомого" бетона, например при обследовании старых конст­рукций, они будут неизвестны.

В настоящее время более перспективным направлением совер­шенствования неразрушающего контроля прочности бетона на осно­ве ультразвука представляются так называемые МНОГОПАРАМЕТРОВЫЕ методы; например учет скорости УЗК при различ­ных частотах колебаний (это позволит методу "почувствовать" гранулометрический состав бетона), измерение скорости УЗК при различных уровнях мощности излучаемых колебаний и некоторые другие. Но, к сожалению, степень разработанности этих методов для нужд практики недостаточна.

Рис. 6.2. Типичный вид корреляционного поля скорость УЗК - прочность бетона

Что касается практического использования ультразвукового метода контроля прочности бетона, то сейчас находит применение лишь "традиционный", и лишь в условиях "стабильной" технологии, когда указанные дестабилизирующие факторы длительное время остаются неизменными, что имеет место в условиях завода ЖБИ.

В этом случае для каждого применяемого состава бетона и технологических условий изготовления изделий строится так назы­ваемая тарировочная зависимость "скорость - прочность". Заме­ряя скорость УЗК в бетоне, пользуясь тарировочной зависимостью, получают значение прочности - Рис. 6.3.

Методика построения тарировочной кривой определена ГОСТ-17624.

Порядок построения тарировочной зависимости следующий: изготавливается серия образцов - кубиков или призм размером 15×15×15 см

или 10×10×10 см. У каждого образца измеряется ско­рость УЗК, а затем образец испытывается на прессе до разруше­ния. Получается одна точка зависимости, координаты которой - из­меренные значения скорости УЗК и прочности кубика на сжатие. Скорость распространения ультразвука определяется по измеренно­му времени t и расстоянию L между преобразователями на поверх­ности испытываемого образца:

C = L/t (6.3.)

Рис. 6.3. Построение тарировочной зависимости

"скорость УЗК- прочность бетона"

Необходимо подчеркнуть следующее: ультразвуковой контроль, основанный на использовании тарировочных зависимостей "скорость - прочность", даже для стабильных технологических условий изготовления Ж/Б изделия, является ПРОГНОЗИРУЮЩИМ методом контроля. Это значит, что значение прочности бетона, измеренное этим методом, имеет ВЕРОЯТНОСТНЫЙ характер, т.е., метод дает основание лишь предполагать с большей или меньшей степенью уверенности, что измеренное значение соответствует с заданной погрешностью фактической прочности бетона, значение же фактической прочности может быть получено лишь путем разрушающих испытаний образцов бетона или фрагментов конструкции.

Впрочем, это качество присуще всем методам контроля прочности бетона, неразрушающим в большой степени, разрушающим, в том числе и "гостированному" методу испытаний образцов - кубиков, в меньшей. Прочность кубика это лишь прочность бетона кубика, а не всего изделия в целом; даже если образец вырезан из него.

В практике лабораторных испытаний различных конструкцион­ных материалов находят применение и другие акустические мето­ды, например: резонансный (вибрационный), метод акустической эмиссии. Суть резонансного метода заключается в использовании небольших по амплитуде колебаний (продольных, изгибных, крутиль­ных) всего образца или конструкции в целом. В зависимости от гео­метрических размеров и свойств материала образца, меняется час­тота и степень затухания собственных резонансных колебаний.

Метод акустической эмиссии основан на изучении упругих волн, возникающих в процессе деформации, когда имеет место перестройка связей внутренней кристаллической структуры твердого тела. При этом наблюдаются одиночные, очень короткие по длительности аку­стические импульсы, энергетический спектр которых лежит в ульт­развуковой области частот. По частоте следования импульсов, их длительности и амплитуде можно судить о характеристиках испы­туемого материала в условиях механических нагрузок или в процес­се образования кристаллической структуры.

6.1.3. Ультразвуковые приборы неразрушающего конт­роля бетона.

Измерение таких акустических характеристик, как скорость (время) распространения УЗК и степень их затухания удобно осу­ществлять при импульсном излучении УЗК (т.н. ультразвуковой ИМ­ПУЛЬСНЫЙ метод). В этом случае, в бетон излучается очень короткий во времени сигнал - буквально 1-3 колебания ультра­звуковой частоты (рис. 6.4). Во многих ультразвуковых приборах применяется т.н. "ударное" возбуждение колебаний, при котором частота излучаемых УЗ колебаний определяется параметрами самого преобразователя и практически не зависит от параметров возбуждающего сигнала. Для смены частоты колебаний достаточ­но подключить к УЗ прибору другой преобразователь.

Время паузы между моментом излучения и моментом приема УЗК является временем распространения. Такое решение позволя­ет легко отстраиваться от различных акустических помех, напри­мер, от сигналов отраженных от граней изделия, и повысить точ­ность измерения времени.

Рис. 6.4. Измерение скорости УЗК импульсным методом:

Т - время распространения УЗК

Подавляющее большинство ультразвуковых приборов реализу­ют ультразвуковой импульсный метод. Перечень таких приборов, ис­пользующихся в практике неразрушающего контроля строительных изделий, достаточно большой; он включает в себя приборы, облада­ющие различными техническими и эксплуатационными характерис­тиками: стационарные приборы с питанием от сети, с фиксацией вре­мени распространения УЗК на экране электронно-лучевой трубки -УКБ-1м, УК-10П; приборы с цифровой индикацией результатов из­мерения УК-14, УК-16П, УФ-90, УФ-91П и др.

Необходимо отметить, что, несмотря на высокие метрологи­ческие показатели - широкий диапазон и точность измерения вре­мени распространения УЗК, указанные приборы находят ограничен­ное применение, что обусловлено, в первую очередь, сложностью эксплуатации таких приборов. Поэтому одним из перспективных на­правлений в развитии техники ультразвукового контроля является разработка приборов, обеспечивающих индикацию результатов из­мерения непосредственно в единицах прочности. К таким приборам относятся УК-16П и УКБ-111 (рис. 6.5), разработанный на кафедре "Технология строительного производства" БИТУ.

Единственный орган управления прибора УКБ-111 - кнопка включения на ручке прибора. Результат измерения прочности в еди­ницах МПа выводится на трехразрядный индикатор.

Дата добавления: 2017-02-01