СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ В КОНСТРУКЦИЯХ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля строительных конструкций, преимущественно гидротехнических и специальных транспортных сооружений, и может быть использовано для определения прочности бетона 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 является ограничения по его использованию в густоармированных и тонкостенных конструкциях. Прочность бетона глубинных слоев определяется глубиной заделки анкерного устройства, что связано со значительной трудоемкостью проведения измерения.

Кроме описанного известен способ неразрушающего контроля прочности бетонов, основанный на корреляционной связи между поверхностной прочностью бетона конструкций и косвенными параметрами прочности (в числе которых значения отскока бойка от поверхности бетона, размеры отпечатка на бетоне, параметр ударного импульса и др.) (см. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. - М.: Издательство стандартов, 1988, С.2...9).

Недостатком данного метода является низкая точность и то, что он позволяет определить прочность бетона только в поверхностных слоях. К тому же при изменении состава бетонов, условий их твердения в конструкции, сроков испытаний, имеющаяся градуировочная зависимость требует уточнений. Это связано с дополнительными трудозатратами.

Известна разновидность способа ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций, включающая 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 упомянутого способа является значительная трудоемкость, обусловленная необходимостью проведения механических испытаний образцов - кубов бетона и построением градуировочной зависимости.

Известен также способ экспертного контроля прочности бетона в строящихся и эксплуатируемых конструкциях и сооружениях, включающий измерение времени распространения ультразвука не менее чем в 10 участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней скорости ультразвука (), определение участков в контролируемой зоне, в которых измеренная скорость имеет максимальное (С_макс), минимальное (С_мин) и наиболее близкое к средней скорости ультразвука значение (С_n), выбуривание и испытание не менее двух кернов из каждого намеченного участка с последующим определением значений прочностей R _ф.макс, R _ф.мин, R _ф.n в этих участках, имеющих скорости ультразвука С_макс, С_мин, С_n, а также определение прочности бетона (R) в любом участке контролируемой зоны конструкции по выражению

где R - прочность бетона в j...м участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-м участке контролируемой зоны конструкции, м/с (см. ГОСТ 17624-97. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. - М.: Издательство стандартов, 1987, С.23, прил.7).

Недостатком данного способа определения прочности бетона является его высокая трудоемкость, связанная с необходимостью выбуривания образцов из конструкции.

Наиболее близким к заявленному относится способ определения прочности тяжелых бетонов в конструкциях, преимущественно гидротехнических и специальных транспортных сооружений, включающий измерение скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в контролируемых участках конструкции, изготовление эталонных образцов из высокопрочного бетона, определение значений прочности бетона и скорости УЗК в эталонных образцах, регистрацию изменения скорости УЗК при различных интенсивностях УЗК, вводимых в эталонные образцы, построение зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах, определение значения максимальной прочности бетона в эталонных образцах путем экстраполирования полученной зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах до нулевого значения изменения скорости УЗК в образцах и последующее расчетное определение прочности бетона на сжатие в контролируемых участках конструкции (см. Авторское свидетельство №1739291 (SU) A1. МПК⁷ G01 N 33/38. Способ определения прочности тяжелых бетонов в конструкциях / Красновский Б.М., Школьник И.Э., Юровский В.А., Фишман В.Я., Мизрохи Ю.Н., Вершинина О.С. и Варенцова Н.Б. - Заявка №4269946/63; Заявлено 01.06.87; Опубл. 07.06.92, Бюл. №21).

Основным недостатком этого способа является низкая точность определения прочности тяжелых бетонов в конструкциях, так как он не учитывает влияние реальной влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения во влажном бетоне ультразвуковых колебаний при отрицательных температурах окружающей среды. Экспериментально установлено, что с увеличением влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона значительно возрастает в нем скорость распространения УЗК. Поэтому определение прочности влажного бетона с наличием кристаллов льда в его порах в эксплуатируемых конструкциях гидротехнических и специальных транспортных сооружений вышеуказанным способом осуществляется с большой погрешностью.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание нового способа ультразвукового контроля прочности тяжелых бетонов повышенной влажности при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в их порах при эксплуатации сооружений.

Технический результат - повышение точности и надежности определения прочности тяжелых бетонов повышенной влажности при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в их порах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе ультразвукового контроля прочности тяжелых бетонов в конструкциях, преимущественно гидротехнических и специальных транспортных сооружений, включающем измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в контролируемых участках конструкции, изготовление эталонных образцов из высокопрочного бетона, определение значений прочности бетона и скорости УЗК в эталонных образцах, регистрацию изменения скорости УЗК при различных интенсивностях УЗК, вводимых в эталонные образцы, построение зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах, определение значения максимальной прочности бетона в эталонных образцах путем экстраполирования полученной зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах до нулевого значения изменения скорости УЗК в образцах и последующее расчетное определение прочности бетона на сжатие в контролируемых участках конструкции, согласно изобретения измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний в контролируемых участках конструкции производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность бетона на j-м участке контролируемой зоны и влажность бетона в эталонных образцах, а прочность бетона в конструкциях определяют в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона по выражению

R - расчетная прочность бетона на сжатие в контролируемом j-м участке конструкции, МПа;

R₀ - максимальная прочность бетона в эталонных образцах, МПа;

C_j - средняя скорость распространения ультразвука в контролируемом j-м участке конструкции, м/с;

W_j - средняя влажность бетона в контролируемом j-м участке конструкции, % (по массе);

С₀ - скорость распространения ультразвука в эталонных образцах, соответствующая максимальной прочности бетона, м/с;

W₀ - средняя влажность бетона в эталонных образцах, % (по массе).

Изобретение поясняется иллюстрированным материалом.

На фиг.1 графически представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности при положительных температурах окружающей среды (зависимость 1 для бетона класса В 12,5 по прочности на сжатие; 2 - для класса В 22,5; 3 - для касса В 25; 4 - для класса В 35...40).

Для справки: данные кривые описываются 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 соответственно в пределах 4050...4600 м/с;

2,85 и 3,2 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной зависимости (5) составляет К=0,997.

На фиг.2 представлена зависимость интегрального показателя - величины, обратной относительному параметру скорости распространения ультразвука в бетонах класса В 12,5...В 40 по прочности на сжатие от их влажности при положительных температурах окружающей среды, которая описывается уравнением убывающей степенной функции

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

С_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 (6) составляет К=0,996.

На фиг.3 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности при отрицательных температурах, то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона (зависимость 1 для бетона класса В15...В20 по прочности на сжатие; зависимость 2 - В22,5; зависимость 3 - В25; зависимость 4 - В35...40).

На фиг.4 представлена зависимость интегрального показателя - величины, обратной относительному параметру скорости распространения ультразвука в бетонах класса В15...В40 по прочности на сжатие от их влажности при отрицательных температурах, а именно при наличии кристаллов льда в порах бетона.

Кривые на фиг.3 описываются уравнением степенной функции следующего вида

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

С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% для бетонов класса В15...В40 по прочности на сжатие, С₀ изменяется соответственно в пределах 4350...4600 м/с; 90 и 1,33 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной зависимости (7) составляет К=0,995.

График на фиг.4 описывается уравнением убывающей степенной функции

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

C_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%;

- показатель величины, обратной относительному параметру скорости распространения ультразвука в бетонах класса В15...В40 по прочности на сжатие;

W - влажность бетона, % (по массе);

0,0205 и 1,21 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате исследований.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (8) составляет К=0,994.

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

Заявленный способ ультразвукового контроля прочности тяжелых бетонов в конструкциях осуществляют следующим образом.

Изготовляют эталонные образцы из высокопрочного бетона, определяют значения прочности бетона и скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в эталонных образцах, регистрируют изменение скорости УЗК при различных интенсивностях УЗК, вводимых в эталонные образцы, строят зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах, определяют значения максимальной прочности бетона в эталонных образцах путем экстраполирования полученной зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах до нулевого значения изменения скорости УЗК в образцах, измеряют время и скорость ультразвуковых колебаний при отрицательных температура окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона в контролируемых участках конструкции, определяют среднюю влажность бетона в эталонных образцах и в контролируемых участках конструкции, а искомую прочность бетона рассчитывают в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в его порах из выражения

R - расчетная прочность бетона на сжатие в контролируемом j-м участке конструкции, МПа;

R₀ - максимальная прочность бетона в эталонных образцах, МПа;

C_j - средняя скорость распространения ультразвука в контролируемом j-м участке конструкции, м/с;

W_j - средняя влажность бетона в контролируемом j-м участке конструкции, % (по массе);

С₀ - скорость распространения ультразвука в эталонных образцах, соответствующая максимальной прочности бетона, м/с;

W₀ - средняя влажность бетона в эталонных образцах, % (по массе).

Отличительными признаками предложенного способа определения прочности тяжелых бетонов в конструкциях, преимущественно гидротехнических и специальных транспортных сооружений, являются измерения времени и скорости распространения ультразвуковых колебаний в контролируемых участках реальных конструкций при отрицательных температурах окружающей среды, а именно при наличии повышенной влажности и кристаллов льда в порах бетона сооружений.

Пример. Прочность бетона класса В 35 контролируют ультразвуковым способом в конструкции монолитной бетонной облицовки магистрального канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды. Параметры магистрального канала: наполнение (Н) - 3 м, ширина по дну (в) - 4 м, коэффициент заложения откосов (m) - 3 м. Толщина бетонной облицовки (δ) - 12 см. База прозвучивания (L) - 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 контролируемом j-м участке конструкции монолитной бетонной облицовки при поверхностном прозвучивании при отрицательных температурах окружающей среды составила 2409,3 м/с, при сквозном прозвучивании - C_j=1,93·2409,3=4650 м/с. Средняя влажность бетона в контролируемом j-м участке бетонной облицовки канала равна W_j=2,6% (по массе).

Для определения эталонных значений прочности (R₀) и скорости (С₀) ультразвуковых колебаний в бетоне изготовлены образцы из высокопрочного бетона класса В 40. Измеренное значение скорости ультразвука в данных образцах после их 28-ми суточной выдержки в воде при поверхностном прозвучивании составило 2690 м/с, при сквозном прозвучивании С₀=1,93·2690=5192 м/с. Средняя влажность бетона в эталонных образцах W₀=5,3% (по массе). В этих образцах фазовым методом измерено изменение скорости ультразвука путем измерения сдвига фаз Δϕ между опорным и исследуемым акустическими сигналами при изменении напряжения на излучающем преобразователе, т.е. при различных интенсивностях вводимого ультразвука. Образцы испытаны на прессе для определения прочности на сжатие. По результатам испытаний на сжатие и измерениям ΔV построена линейная градуировочная зависимость вида

где R - прочность бетона эталонных образцов, МПа;

ΔV - изменение скорости ультразвука в эталонных образцах при различных интенсивностях ультразвуковых колебаний, вводимых в образцы, м/с.

Коэффициент корреляции данной зависимости (10) составляет 0,96.

По полученной зависимости (10) эталонной прочности соответствует значение R₀=51,0 МПа (т.е. точки пересечения зависимости (10) с осью абсцисс при ΔV=0).

Расчетная прочность бетона на сжатие в контролируемом j-м участке монолитной бетонной облицовки со средней влажностью бетона W_j=2,6% (по массе) и средней скоростью распространения ультразвука С_j=4650 м/с, определенная по приведенному выражению (9), составила

Расчетная прочность бетона на сжатие в контролируемом j-м участке монолитной бетонной облицовки со средней влажностью бетона W_j=2,6% (по массе) и средней скоростью распространения ультразвука C_j=4650 м/с, определенная по прототипу (см. Авторское свидетельство №1739291 (SU) А1. МПК⁷ G01 N33/38. Способ определения прочности тяжелых бетонов в конструкциях / Красновский Б.М., Школьник И.Э., Юровский В.А., Фишман В.Я., Мизрохи Ю.Н., Вершинина О.С. и Варенцова Н.Б. - Заявка №4269946/63; Заявлено 01.06.87; Опубл. 07.06.92, Бюл. №21), составляет

Погрешность при определении прочности бетона при отрицательных температурах, без учета его влажности и наличии кристаллов льда в порах бетона монолитной облицовки канала, по прототипу при этом составила

Предложенный способ контроля прочности бетона в конструкциях, работающих во влажной среде, позволяет снизить погрешность измерений до 2...5%.

Использование: для ультразвукового контроля прочности тяжелых бетонов в конструкциях. Сущность: заключается в том, что осуществляют измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в контролируемых участках конструкции, изготовливают эталонные образцы из высокопрочного бетона, определяют значения прочности бетона и скорости УЗК в эталонных образцах, регистрируют изменения скорости УЗК при различных интенсивностях УЗК, вводимых в эталонные образцы, осуществляют построение зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах, определяют значения максимальной прочности бетона в эталонных образцах путем экстраполирования полученной зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах до нулевого значения изменения скорости УЗК в образцах и осуществляют последующее расчетное определение прочности бетона на сжатие в контролируемых участках конструкции, при этом измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний в контролируемых участках конструкции производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность бетона на j-м участке контролируемой зоны и влажность бетона в эталонных образцах, а прочность бетона определяют в зависимости от влажности при наличии кристаллов льда в порах бетона по соответствующему математическому выражению. Технический результат: повышение точности и надежности определения прочности тяжелых бетонов повышенной влажности при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в их порах. 4 ил.

Способ ультразвукового контроля прочности тяжелых бетонов в конструкциях, преимущественно гидротехнических и специальных транспортных сооружений, включающий измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в контролируемых участках конструкции, изготовление эталонных образцов из высокопрочного бетона, определение значений прочности бетона и скорости УЗК в эталонных образцах, регистрацию изменения скорости УЗК при различных интенсивностях УЗК, вводимых в эталонные образцы, построение зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах, определение значения максимальной прочности бетона в эталонных образцах путем экстраполирования полученной зависимости прочности эталонных образцов на сжатие от изменения скорости УЗК в образцах до нулевого значения изменения скорости УЗК в образцах и последующее расчетное определение прочности бетона на сжатие в контролируемых участках конструкции, отличающийся тем, что измерение времени и скорости ультразвуковых колебаний в контролируемых участках конструкции производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность бетона на j-ом участке контролируемой зоны и влажность бетона в эталонных образцах, а прочность бетона определяют в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона по выражению

R - расчетная прочность бетона на сжатие в контролируемом j-ом участке конструкции, МПа;

R₀ - максимальная прочность бетона в эталонных образцах, МПа;

C_j - средняя скорость распространения ультразвука в контролируемом j-ом участке конструкции, м/с;

W_j - средняя влажность бетона в контролируемом j-ом участке конструкции, % (по массе);

С₀ - скорость распространения ультразвука в эталонных образцах, соответствующая максимальной прочности бетона, м/с;

W₀ - средняя влажность бетона в эталонных образцах, % (по массе).