УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ЦЕНТРИФУГИРОВАННОГО БЕТОНА В ПРОТЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля прочности центрифугированного бетона эксплуатируемых предварительно напряженных железобетонных конструкций, преимущественно напряженных свай-оболочек, пролетных строений мостов, путепроводов, гидротехнических сооружений, опор ЛЭП и других протяженных конструкций с напряжением арматуры в одном направлении и постоянно сжатых зонах.

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 ограничение по его использованию в густоармированных и тонкостенных конструкциях, прочность бетона глубинных слоев определяется глубиной заделки анкерного устройства и значительная трудоемкость проведения измерения.

Известен ультразвуковой способ контроля прочности бетона путем поверхностного прозвучивания контролируемого изделия или конструкции (см. Почтовик Г.Я. и др. Методы и средства испытания строительных конструкций. М.: Высшая школа, 1973, с.71, рис.42).

Наиболее существенным недостатком этого способа при контроле прочности поврежденного бетона предварительно напряженных железобетонных конструкций является недостаточная точность контроля прочности бетона, обусловленная отсутствием предварительно установленных для каждой конструкции и для каждого периода измерений при принятом направлении прозвучивания градуировочных зависимостей время-прочность. Установить такие зависимости для эксплуатируемых конструкций практически невозможно. Кроме того, при этом способе контроля у предварительно напряженных конструкций отсутствует связь между прочностью поврежденного бетона и временем распространения ультразвука при прозвучивании в направлении, параллельном расположению предварительно напряженной арматуры.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации, включающий поверхностное прозвучивание конструкции ультразвуком в продольном и поперечном направлениях, измерение времени прохождения ультразвука в указанных направлениях и расчетное определение прочности бетона (см. Патент №2029299 (RU) C1, МПК⁷ G 01 N 29/00. Ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации / Подольский В.И. (RU). - Заявка №5028786/28; заявлено 21.02.92; опубл. 20.02.95.).

Однако отмеченный способ ультразвукового контроля прочности поврежденного центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях не может быть реализован при отрицательных температурах окружающей среды, так как он не учитывает влияние размеров кристаллов льда в порах бетона в поперечном и продольном направлениях по отношению к направлению предварительно напряженной арматуры в процессе эксплуатации сооружений при различной влажности на время и скорость распространения ультразвуковых колебаний и прочность бетона.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание нового ультразвукового способа контроля прочности поврежденного центрифугированного бетона повышенной влажности при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в его порах.

Технический результат - повышение точности и надежности определения прочности поврежденного центрифугированного влажного бетона при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в его порах в процессе эксплуатации сооружений.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном ультразвуковом способе контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации, включающем поверхностное прозвучивание конструкции ультразвуком в продольном и поперечном направлениях, измерение времени прохождения ультразвука в указанных направлениях и расчетное определение прочности бетона, согласно изобретению поверхностное прозвучивание конструкций ультразвуком в продольном и поперечном направлениях и измерение времени прохождения ультразвука в этих направлениях производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность бетона в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры и устанавливают среднюю влажность бетона в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры, а искомую прочность бетона рассчитывают в зависимости от влажности и наличии кристаллов льда в его порах из выражения

где R_п - прочность поврежденного бетона, кгс/см²;

R_нп - прочность бетона в эталонном образце, кгс/см²;

К - коэффициент условий работы конструкции: 0,9-1,0;

А и В - коэффициенты, характеризующие изменение прочности бетона конструкции в зависимости от отношения времени распространения ультразвука в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры ко времени распространения ультразвука в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры: для центрифугированного бетона - А=2,65; В=1,65;

t_поп - среднее время распространения ультразвука в поперечном направлении конструкции, мкс;

t_прод - среднее время распространения ультразвука в продольном направлении конструкции, мкс;

W_прод - средняя влажность бетона в продольном направлении конструкции, % (по массе);

W_поп - средняя влажность бетона в поперечном направлении конструкции, % (по массе).

Изобретение поясняется иллюстрированным материалом.

На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности при отрицательных температурах и 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.2 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, то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Кривые на фиг.1 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 (2) составляет К=0,995.

График на фиг.2 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 (3) составляет К=0,994.

Для определения прочности центрифугированного бетона повышенной влажности при наличии кристаллов льда в его порах при отрицательных температурах окружающей среды в протяженных железобетонных конструкциях по результатам экспериментальных и теоретических исследований получена следующая регрессивная модель

где R_п - прочность поврежденного бетона, кгс/см²;

R_нп - прочность бетона в эталонном образце, кгс/см²;

К - коэффициент условий работы конструкции: 0,9-1,0;

А и В - коэффициенты, характеризующие изменение прочности бетона конструкции в зависимости от отношения времени распространения ультразвука в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры ко времени распространения ультразвука в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры: для центрифугированного бетона - А=2,65; В=1,65;

t_поп - среднее время распространения ультразвука в поперечном направлении конструкции, мкс;

t_прод - среднее время распространения ультразвука в продольном направлении конструкции, мкс;

W_прод - средняя влажность бетона в продольном направлении конструкции, % (по массе);

W_поп - средняя влажность бетона в поперечном направлении конструкции, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной модели составляет 0,94.

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

Заявленный ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при низких температурах осуществляют следующим образом.

Определение прочности бетона при экспертизе эксплуатируемых железобетонных конструкций проводят при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона сооружений.

При этом измеряют время распространения ультразвука и устанавливают влажность бетона не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции в поперечном и продольном направлениях к направлению предварительно напряженной арматуры, определяют прочность бетона в эталонном образце. Затем определяют среднее значение отношения времени распространения ультразвука в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры к времени распространения ультразвука в продольном направлении по отношению к направлению предварительно напряженной арматуры, устанавливают значения средней влажности бетона в поперечном и продольном направлениях конструкции и после этого рассчитывают прочность поврежденного бетона из выражения

где R_п - прочность поврежденного бетона, кгс/см²;

R_нп - прочность бетона в эталонном образце, кгс/см²;

К - коэффициент условий работы конструкции: 0,9-1,0;

А и В - коэффициенты, характеризующие изменение прочности бетона конструкции в зависимости от отношения времени распространения ультразвука в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры ко времени распространения ультразвука в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры: для центрифугированного бетона - А=2,65; В=1,65;

t_поп - среднее время распространения ультразвука в поперечном направлении конструкции, мкс;

t_прод - среднее время распространения ультразвука в продольном направлении конструкции, мкс;

W_прод - средняя влажность бетона в продольном направлении конструкции, % (по массе);

W_поп - средняя влажность бетона в поперечном направлении конструкции, % (по массе).

Отличительными признаками предложенного ультразвукового способа контроля прочности поврежденного центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при низких температурах являются измерения времени прохождения ультразвука в продольном и поперечном направлениях по отношению к расположению предварительно напряженной арматуры при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона сооружений.

Пример. На участке электрифицированной железной дороги установлены опоры типа СЖБК мощностью 6,0 тсм, расчетное сопротивление бетона сжатию 175 кгс/см². Опоры находятся в эксплуатации более 30 лет. Основные повреждения бетона накапливались в надземной части опор.

Прочность бетона эксплуатируемой опоры контролируют ультразвуковым способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона.

Начальная кубиковая прочность бетона одной из опор (эталонного образца), определенная методом поверхностного прозвучивания в подземной части, находившейся в стационарных условиях и не имевшей повреждений, составила 726 кгс/см².

Измерения среднего времени распространения ультразвука на поврежденном бетоне конструкции с помощью прибора УК-14ПМ на базе 120 мм дали следующие результаты: в поперечном к направлению напряженной арматуры направлении t_поп=31,1 мкс, в продольном по отношению к арматуре направлению - t_прод=21 мкс.

Средняя влажность бетона в поперечном направлении конструкции составляет W_поп=4% (по массе), средняя влажность бетона в продольном направлении конструкции W_прод=3%.

Коэффициент условий работы конструкции опоры К=1,0.

Прочность поврежденного бетона (кубиковая) конструкции опоры, определенная по приведенной зависимости (5), составила:

Призменная прочность поврежденного бетона опоры

R_пр=85,6·0,72=61,6 кгс/см²<175 кгс/см².

На основании этого пришли к выводу о крайне низкой несущей способности опоры и ее заменили.

Прочность поврежденного бетона (кубиковая) этой же опоры, определенная по формуле в соответствии с прототипом (см. Патент №2029299 (RU) С1, МПК⁷ G 01 N 29/00). Ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации / Подольский В.И. (RU). Заявка №5028786/28; заявлено 21.02.92; опубл. 20.02.95, составляет

Погрешность при определении прочности поврежденного бетона опоры (без учета его влажности) по прототипу (Патент №2089299) при этом составила

Предложенный ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при низких температурах в увлажненной среде позволяет снизить погрешность измерений до 2...6%.

Использование: для контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при низких температурах. Сущность: заключается в том, что осуществляют поверхностное прозвучивание конструкций ультразвуком в продольном и поперечном направлениях, а также измеряют время прохождения ультразвука в этих направлениях при отрицательных температурах окружающей среды, определяют среднюю влажность бетона в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры и среднюю влажность бетона в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры, а искомую прочность бетона рассчитывают в зависимости от влажности при наличии кристаллов льда в его порах согласно определенному математическому выражению. Технический результат: повышение точности и надежности определения прочности поврежденного центрифугированного влажного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды и при наличии кристаллов льда в порах бетона. 2 ил.

Ультразвуковой способ контроля прочности центрифугированного бетона в протяженных железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации при низких температурах, включающий поверхностное прозвучивание конструкции ультразвуком в продольном и поперечном направлениях, измерение времени прохождения ультразвука в указанных направлениях и расчетное определение прочности бетона, отличающийся тем, что поверхностное прозвучивание конструкций ультразвуком в продольном и поперечном направлениях и измерение времени прохождения ультразвука в этих направлениях производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность бетона в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры и устанавливают среднюю влажность бетона в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры, а искомую прочность бетона рассчитывают в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в его порах из выражения

где R_п - прочность поврежденного бетона, кгс/см²;

R_нп - прочность бетона в эталонном образце, кгс/см;

К - коэффициент условий работы конструкции: 0,9-1,0;

А и В - коэффициенты, характеризующие изменение прочности бетона конструкции в зависимости от отношения времени распространения ультразвука в поперечном направлении к направлению предварительно напряженной арматуры ко времени распространения ультразвука в продольном направлении вдоль расположения предварительно напряженной арматуры: для центрифугированного бетона - А=2,65; В=1,65;

t_поп - среднее время распространения ультразвука в поперечном направлении конструкции, мкс;

t_прод - среднее время распространения ультразвука в продольном направлении конструкции, мкс;

W_прод - средняя влажность бетона в продольном направлении конструкции, мас.%;

W_поп - средняя влажность бетона в поперечном направлении конструкции, мас.%.