СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ ОТСЛОЕНИЙ АРМАТУРЫ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ Российский патент 2008 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к неразрушающему виброакустическому контролю и может быть использовано для диагностики наличия отслоений стальной арматуры в железобетонных изделиях.

В условиях эксплуатации железобетонные изделия подвергаются воздействию целого ряда неблагоприятных факторов. Бетон по своей структуре является капиллярно-пористым и может активно впитывать влагу, воздух и агрессивные вещества из окружающей среды. Циклическое замерзание и оттаивание воды в капиллярах ведет к постепенному разрушению структуры бетона, появлению трещин, снижению сцепления арматуры с бетоном, ее отслоению и коррозии. Еще одним источником повреждения и отслаивания арматуры является электрокоррозия, характерная, например, для железобетонных опор контактной сети электрифицированных железных дорог. Отслоение арматуры может быть обусловлено не только коррозией, но и другими причинами, например производственным браком при изготовлении железобетонных изделий, их интенсивной вибрацией при транспортировке и т.п. Отслоение арматуры снижает несущую способность железобетонного изделия и может привести к его разрушению и аварии.

Известны акустические способы дефектоскопии изделий, заключающиеся в возбуждении в контролируемом объекте механических колебаний. О наличии дефектов судят по отклонению собственных или резонансных частот от собственных частот эталонного бездефектного образца [1] (Штайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1965, с.162-164). Недостаток способа - необходимость сравнения результатов испытаний с данными, полученными на эталонных образцах, которые для многообразных типов железобетонных изделий, находящихся в эксплуатации, чаще всего отсутствуют.

Известен способ [2] (авт. свид. СССР №1702726, G01N 29/04) контроля коррозионных повреждений поверхности изделия, заключающийся в возбуждении вынужденных колебаний в области резонанса. О наличии поверхностной коррозии в контролируемом изделии судят по степени симметрии амплитудно-частотной характеристики в области резонанса. Этот способ также требует наличия эталона и диагностирует только поверхностную коррозию изделия.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия [3] (патент РФ №2160843, G01N 3/32), выбранный в качестве прототипа. Согласно [3] готовое железобетонное изделие устанавливают на опоры, возбуждают в нем колебания с изменяющейся частотой, определяют зависимость динамических параметров изделия от величины скорости изменения частоты колебаний и при этом производят сравнение величин изменения значений динамических параметров контролируемого изделия в зависимости от величины скорости изменения частоты колебаний с соответствующими изменениями значений динамических параметров эталонного изделия, полученных при тех же режимах контроля.

Недостатки способа: 1. По результатам таких испытаний нельзя сделать какие-либо заключения о состоянии арматуры в изделии 2. Как и в предыдущих способах, требуется использование эталонного образца.

Нами предлагается способ контроля наличия отслоений арматуры в железобетонных изделиях, включающий возбуждение изгибных колебаний с изменяющейся частотой в самих арматурных стержнях, причем частоту колебаний изменяют ступенчато с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени.

Если в железобетонном изделии произошло отслоение части арматурного стержня от бетона, то этот кусок можно рассматривать как свободный стержень, защемленный с двух концов. Собственная частота изгибных колебаний f_изг такого стержня согласно [4] (Глаговский Б.А. и др. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1977, с.9) равна

где Е_изг - динамический модуль упругости;

d - диаметр стержня;

l - длина стержня;

Р - вес стержня;

Т_d - коэффициент, зависящий от величин отношения d/l и коэффициента Пуассона.

Расчет показывает, что, например, для часто используемых в качестве арматуры стальных стержней диаметром 0,5 см и 1,0 см при длине отслоившегося участка, равной 10 см, собственные частоты составляют 2,1 кГц и 4,4 кГц, а при длине 5 см - 8,7 кГц и 17,4 кГц соответственно.

Частоты собственных колебаний самих армированных железобетонных изделий находятся в пределах от единиц до максимум сотен герц. Например, фиксируемые собственные частоты колебаний железобетонных опор контактной сети железных дорог, возбуждаемые ударом массивного резинового молотка со свинцовым сердечником при испытаниях опор по способу [5] (Патент РФ №2262691, G01N 29/04) не превышают 130 Гц. Поэтому появление на амплитудно-частотных характеристиках резонансных частот, находящихся в килогерцовой области (единиц и десятков килогерц) безусловно связано только с изгибными колебаниями отслоившихся участков арматуры.

Отличительная особенность предлагаемого способа - ступенчатый характер изменения задаваемой частоты колебаний с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени.

Как известно, вынужденные колебания устанавливаются не сразу. Должно пройти некоторое время, тем большее, чем больше диаметр стержней, чтобы стержни пришли в колебательное движение и установилась определенная амплитуда колебаний с вынужденной частотой. Амплитуда становится максимальной при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой стержня.

Как показали наши эксперименты, время, необходимое для установления собственных колебаний с максимальной амплитудой, находится в пределах 0,5-2,5 сек. Поэтому при непрерывном изменении частот вынуждающих колебаний резонансные частоты могут быть не зафиксированы, особенно для арматурных стержней с большими диаметрами.

Наблюдение за частотой и амплитудой резонансных изгибных колебаний, лежащих в килогерцовой области, дает информацию о состоянии соединения бетона с арматурой. Если в изделии нет отслоений арматуры, то килогерцовые резонансные пики будут отсутствовать. Их появление на амплитудно-частотной характеристике свидетельствует о наличии отслоений арматуры, причем длину отслоившихся участков можно оценить, используя вышеприведенную формулу. Чем ниже частоты резонансных пиков, тем больше длина отслоившихся участков.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа, на фиг.2-5 - результаты испытаний железобетонных опор контактной сети железных дорог по предлагаемому способу.

Пример. Предлагаемый способ был опробован на железобетонных опорах контактной сети на Томской дистанции электроснабжения Кемеровского отделения Западно-Сибирской ж.д.

Электрифицированные железные дороги используют ходовые рельсы в качестве обратного провода для возврата тягового тока к подстанции. Опоры контактной сети соединены с рельсами через заземляющие устройства. Рельсы не имеют достаточно высокой изоляции от грунта, поэтому возникает ток утечки через цепь заземления опоры на рельсы, что, в свою очередь, вызывает электрокоррозию арматуры в подземной части опоры. В надземной части опоры элктрокоррозия невозможна [5] (А.Л.Вайнштейн, А.В.Павлов. Коррозионные повреждения опор контактной сети. - М.: Транспорт, 1988, с.22-24).

Через опытную опору №1 предварительно в течение летнего сезона специально пропускали электрический ток порядка двух ампер, чтобы вызвать электрокоррозию арматуры в ее подземной части. Опора №2 имела видимые трещины в бетоне на уровне приблизительно 1,5 м от поверхности земли. Опоры №№3, 4, 5 видимых дефектов не имели. Во всех приведенных ниже примерах испытаний опор (на фиг.2-5) время выдержки на каждой ступени было равно одной секунде.

Для осуществления способа было собрано устройство, блок-схема которого показана на фиг.1. Здесь 1 - перестраиваемый генератор, 2 - усилитель, 3 - излучатель акустических колебаний, 4 - датчик, 5 - усилитель, 6 - пиковый детектор, 7 - устройство управления, 8 - графический индикатор, 9 - контролируемый объект, 10 - арматура.

По команде устройства управления (7) перестраиваемый генератор (1) формирует ступенчатый ряд частот от 100 Гц до 25 кГц с шагом в 50 Гц и длительностью выдержки на каждой ступени в интервале от 0,5 сек до 2,5 сек. Сформированное колебание усиливается усилителем (2) и излучается излучателем (3). Излученные колебания, пройдя через воздушную среду и бетон контролируемого объекта (9), достигают арматуры (10) и возбуждают изгибные колебания в ее отслоившихся участках. Эти колебания через бетон выходят на поверхность, где регистрируются датчиком (4). Датчик (4) прижимают к поверхности бетона через контактную смазку (например, литол) для исключения появления резонансов между поверхностями датчика и бетона. Принятый сигнал усиливается усилителем (5), детектируется пиковым детектором (6) и, после оценки уровня принятого сигнала устройством управления (7), индицируется на графическом индикаторе (8) вместе со значением частоты.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) с опор снимали на двух уровнях - вблизи поверхности земли (выше на 5-10 см) и на высоте 1,5 м.

АЧХ опоры №1 (по которой предварительно пропускали ток) представлены на фиг.2 (снята вблизи поверхности земли) и на фиг.3 (снята на высоте 1,5 м). На фиг.2 видны большие резонансные пики на частотах около 11 кГц и 12 кГц, что свидетельствует о наличии отслоения арматуры от бетона в результате электрокоррозии. В то же время на АЧХ этой опоры, снятой на высоте 1,5 м (фиг.3), резонансные пики отсутствуют, т.е. отслоения арматуры нет. Эти результаты хорошо согласуются с данными [5].

Откопка опоры №1 после испытаний показала наличие трещин в подземной части с выходом продуктов коррозии на поверхность опоры, т.е. с явными признаками электрокоррозии и отслоения арматуры.

На фиг.4 приведена АЧХ, снятая на высоте 1,5 м с опоры №2, на которой на этой высоте имеются трещины в бетоне. Виден большой резонансный пик на частоте около 7 кГц и, следовательно, имеет место отслоение арматуры в результате механического разрушения бетонной оболочки под действием атмосферных условий. В то же время на уровне поверхности земли у этой опоры на амплитудно-частотной характеристике резонансных пиков нет, а следовательно, нет и отслоения арматуры в подземной части.

На АЧХ опор №3, 4, 5 (не имевших видимых дефектов), снятых как на уровне поверхности земли, так и на высоте 1,5 м, резонансные пики отсутствуют, а следовательно, нет и отслоения арматуры от бетона. Типичный вид такой амплитудно-частотной характеристики, снятой вблизи поверхности земли с опоры №5, показан на фиг.5.

Таким образом, приведенные данные подтверждают возможность выявления отслоений арматуры по появлению на амплитудно-частотных характеристиках резонансных пиков в килогерцовой области.

Использование: для контроля наличия отслоений арматуры в железобетонных изделиях. Сущность: заключается в том, что осуществляют возбуждение в арматурных стержнях изгибных колебаний со ступенчато изменяющейся частотой с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени, при этом появление на амплитудно-частотной характеристике резонансных частот, находящихся в килогерцовой области, свидетельствует о наличии отслоений арматуры. Технический результат: возможность оценки наличия или отсутствия отслоений арматуры в железобетонных изделиях без использования эталонного образца. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля наличия отслоений арматуры в железобетонных изделиях, включающий возбуждение в арматурных стержнях изгибных колебаний с изменяющейся частотой, отличающийся тем, что частоту колебаний изменяют ступенчато с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени, при этом появление на амплитудно-частотной характеристике резонансных частот, находящихся в килогерцовой области, свидетельствует о наличии отслоений арматуры.2. Способ по п.1, в котором время колебаний на каждой ступени составляет от 0,5 до 2,5 с, а частота колебаний меняется в пределах от 100 Гц до 20 кГц.