СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА В КОНСТРУКЦИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля строительных конструкций, преимущественно гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, и может быть использовано для определения прочности бетонных конструкций в процессе их строительства, реконструкции и эксплуатации.

Известен способ неразрушающего контроля прочности бетонов, включающий определение усилия вырыва анкерного устройства из бетона и определение по усилию вырыва прочности бетона (метод отрыва со скалыванием) (см., например, ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. - М.: Издательство стандартов, 1988, С.2...9).

Недостатком описанного способа являются ограничения по его использованию в густоармированных и тонкостенных конструкциях, прочность бетона глубинных слоев определяется глубиной заделки анкерного устройства и значительной трудоемкостью проведения измерения.

Известен также способ ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций, включающий измерение скорости ультразвука в образцах, в виде кубиков, и материале конструкций, механические испытания образцов - кубов, построение градуировочной зависимости "скорость ультразвука - прочность бетона" по результатам измерений и испытаний образцов - кубов, а также определение прочности бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной градуировочной зависимости (см., например, ГОСТ 17624-87. Бетон. Ультразвуковой метод определения прочности. - М.: Издательство стандартов, 1987, С.1...20).

Недостатком этого способа является значительная трудоемкость, обусловленная необходимостью проведения механических испытаний образцов - кубов бетона и построением градуировочной зависимости.

Наиболее близким к заявляемому относится способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации, включающий измерение времени и скорости (С_j) распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной (С_макс) скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей R_ф.макс, в участках, имеющих соответствующие скорости ультразвука С_макс, а также определение прочности бетона на сжатие:

класса до В 25 по формуле

класса выше В 25 по формуле

где R - прочность бетона в контролируемом j...ом участке, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

C_j - скорость распространения ультразвука в бетоне на j-ом участке контролируемой зоны, м/с; (см., например, ГОСТ 17624 - 87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. - М.: Издательство стандартов, 1987, С.23, приложение 7).

Указанный способ в данном Российском стандарте не учитывает влияние влажности бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний (УЗК). Экспериментально установлено, что с увеличением влажности бетона значительно возрастает в нем скорость распространения УЗК. Поэтому определение прочности влажного бетона в эксплуатируемых конструкциях и сооружениях вышеуказанным способом осуществляется с большой погрешностью.

Сущность заявленного изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание нового способа ультразвукового контроля прочности бетона повышенной влажности.

Технический результат - повышение точности и надежности определения прочности бетона повышенной влажности.

Указанный технический результат достигается тем, в известном способе ультразвукового контроля прочности бетона, включающем измерение времени распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной (С_макс) скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание из конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей R_ф.макс, в участках, имеющих соответственно скорости ультразвука С_макс, скорость распространения УЗК (С_j, м/с) и прочность бетона (R, МПа) определяют в зависимости от его влажности (W, %).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 графически представлена универсальная зависимость относительного параметра скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах класса по прочности на сжатие В 12,5...В 40 от их влажности.

На фиг.2 графически представлена зависимость интегрального показателя от влажности бетона.

Для справки: данная кривая (см. фиг.1) описывается уравнением степенной функции следующего вида

где С_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;

С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% (для бетонов класса В 12,5...В 40 по прочности на сжатие, С₀ изменяется в пределах 4050...4600 м/с);

0,00065 и 3,2 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе);

Коэффициент корреляции данной зависимости (3) составляет К=0,994.

Показатель - величина, обратная относительному параметру скорости распространения ультразвука в бетонах класса В 12,5...В 40 по прочности на сжатие от их влажности, которая описывается уравнением убывающей степенной функции (см. фиг.2)

где С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0%, м/с;

C_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;

W - влажность бетона, % (по массе);

0,00069 и 3,1 - эмпирические коэффициенты, установленные в результате исследований.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (4) составляет К=0,996.

Для определения прочности бетона повышенной влажности в конструкциях сооружений в процессе эксплуатации по результатам исследований получены следующие регрессивные модели:

1. Для бетонов класса по прочности на сжатие до В 25

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе). Коэффициент корреляции данной модели (5) составляет 0,99.

2. Для бетонов класса по прочности на сжатие выше В 25

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в контролируемой зоне, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной модели (6) составляет 0,985.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного способа, заключаются в следующем.

Заявленный способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации осуществляют следующим образом.

Измеряют время и скорость распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисляют среднюю и максимальную (С_макс) скорости ультразвука в контролируемой зоне, выбуривают в конструкции и испытывают керны с последующим определением значений прочностей R_ф.макс, в участках, имеющих соответственно скорости ультразвука С_макс, определяют влажность бетона (W_j, W_макс, ) в намеченных участках конструкции и затем определяют прочность бетона в участках контролируемой зоны по формулам:

Для бетонов класса по прочности на сжатие до В 25 по формуле

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Для бетонов класса по прочности на сжатие выше В 25 по формуле

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в контролируемой зоне, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Особенностями предложенного способа контроля прочности бетона являются новые методы определения скорости ультразвука и прочности бетона в зависимости от его влажности в конструкциях сооружений в процессе эксплуатации.

ПРИМЕР 1. Прочность бетона класса В 22,5 контролируют ультразвуковым способом в конструкции монолитной бетонной облицовки оросительного канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 2 м, ширина по дну (в) - 2 м, коэффициент заложения откосов (m) - 2. Толщина бетонной облицовки (δ) - 12 см.

База прозвучивания (1) - 120 мм. Коэффициент перехода скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании к скорости при сквозном прозвучивании составляет К=1,93.

По результатам ультразвуковых испытаний установлено, что средняя скорость распространения ультразвука в 50 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки при поверхностном прозвучивании составляет 2524 м/с, при сквозном прозвучивании -

Средняя влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки после опорожнения канала от воды составляет =4,58% (по массе).

Средняя прочность бетона в конструкции бетонной облицовки, установленная по двум выбуренным и испытанным кернам на участке, где скорость распространения ультразвука наиболее близка к средней скорости ультразвука (), составляет 29 МПа.

Влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны бетонной облицовки канала составляет W_j-=2,3% (по массе), скорость распространения ультразвука в бетоне С_j=2353-1,93=4541 м/с.

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,3% и скоростью распространения ультразвука С_j=4541 м/с, определенная по приведенной зависимости (5), составляет

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в этом же j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,3% и скоростью распространения ультразвука С_j=4541 м/с, определенная по формуле (1) в соответствии с ГОСТ 17624-87, прил.7, составляет

Погрешность при определении прочности бетона (без учета его влажности) по ГОСТ 17624-87, прил.7 при этом составила 21,9-29,01

ПРИМЕР 2. Прочность бетона класса В 35 контролируют ультразвуковым способом в конструкции монолитной бетонной облицовки магистрального канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 3 м, ширина по дну (в) - 4 м, коэффициент заложения откосов (m) - 3. Толщина бетонной облицовки (δ) - 12 см.

База прозвучивания (1) - 120 мм. Коэффициент перехода скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании к скорости при сквозном прозвучивании составляет К=1,93.

По результатам ультразвуковых испытаний установлено, что максимальная скорость распространения ультразвука в 60 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки при поверхностном прозвучивании составляет 2690 м/с, при сквозном прозвучивании - С_макс=1,93·2690=5192 м/с.

Максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки после опорожнения канала от воды составляет 5,3% (по массе).

Максимальная прочность бетона в конструкции бетонной облицовки, установленная по двум выбуренным и испытанным кернам на участке с максимальной скоростью распространения ультразвука, составляет 46 МПа.

Влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны бетонной облицовки магистрального канала составляет W_j=2,6% (по массе), скорость распространения ультразвука в бетоне С_j=2409,3-1,93=4650 м/с.

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,6% и скоростью распространения ультразвука С_j=4650 м/с, определенная по приведенной зависимости (6), составляет

Прочность бетона на сжатие в j-ом участке контролируемой зоны монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,6% и скоростью распространения ультразвука С_j=4650 м/с, определенная по формуле (2) в соответствии с ГОСТ 17624-87, прил.7, составляет 4650

Погрешность при определении прочности бетона (без учета его влажности) по ГОСТ 17624-87, прил.7 при этом составила 22,62-45,04

Предложенный способ контроля прочности бетона в конструкциях, работающих во влажной среде, позволяет снизить погрешность измерений до 1...2%.

Использование: для ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой контроль прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации включает измерение времени и скорости распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей в участках, имеющих соответственно среднее и максимальное значение скорости ультразвука, а также расчетное определение прочности бетона на сжатие в участках контролируемой зоны конструкции, при этом определяют влажность бетона в намеченных участках конструкции и устанавливают среднюю и максимальную влажности бетона в контролируемой зоне, а прочность бетона по классу прочности на сжатие до В25 рассчитывают в соответствии с математической формулой. Технический результат: повышение точности и надежности определения прочности бетона повышенной влажности. 2 ил.

Ультразвуковой способ контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации, включающий измерение времени и скорости распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей в участках, имеющих соответственно среднее и максимальное значение скорости ультразвука, а также расчетное определение прочности бетона на сжатие в участках контролируемой зоны конструкции, отличающийся тем, что определяют влажность бетона в намеченных участках конструкции и устанавливают среднюю и максимальную влажности бетона в контролируемой зоне, а прочность бетона по классу прочности на сжатие до В25 рассчитывают из выражения

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, мас.%;

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, мас.%;

и для бетонов по классу прочности на сжатие выше В 25 устанавливают по формуле

где R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в контролируемой зоне, м/с;

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, мас.%.