УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ БЕТОНА В БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01N29/04 

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

Известен способ определения модуля упругости бетона (см. ГОСТ 24452-80 Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. - М.: Издательство стандартов, 1980, 12 с.), включающий механические испытания бетонных образцов-призм квадратного сечения или цилиндров круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4, при действии на них циклично-ступенчатой осевой сжимающей нагрузки до уровня 30% разрушающей нагрузки на гидравлическом прессе и тензометрические испытания по определению приращения упруго-мгновенной относительной продольной деформации бетонных образцов при уровне нагрузки, равной 30% разрушающей нагрузки, и расчет модуля упругости бетона по результатам механических и тензометрических испытаний бетонных образцов.

Указанный способ в данном стандарте является разрушающим и трудоемким. Более того, этот способ не приемлем для определения модуля упругости бетона в реальных конструкциях сооружений без их локального разрушения.

Наиболее близким к заявленному объекту относится сравнительный способ ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций, основанный на использовании корреляционных (статистических) связей между скоростью распространения ультразвуковых колебаний и начальным (статическим) модулем упругости бетона (Е_б=f(c)). Эти связи устанавливаются на партии опытных бетонных образцов, прошедших акустические, тензометрические и механические испытания (см. Филонидов A.M. Определение модуля упругости бетона в конструкциях и сооружениях // Известия ВУЗов, раздел «Строительство и архитектура». - 1973. - №7. - С.176-179).

Однако вышеуказанный способ 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 модуля упругости влажного бетона в существующих конструкциях, например гидротехнических или гидромелиоративных сооружений, а также фундаментов находящихся в эксплуатации зданий и различных сооружений при близком залегании уровня грунтовых вод, по градуировочной зависимости, экспериментально установленной по результатам ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний бетонных образцов естественной влажности (0-1,5%, т.е. практически «сухого» бетона), осуществляется с большой погрешностью, величина которой составляет 15-75%.

Сущность заявленного изобретения.

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

Технический результат - повышение точности и надежности определения модуля упругости влажного бетона.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном ультразвуковом способе контроля модуля упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений, включающем измерение скорости ультразвука на бетонных образцах - призмах квадратного сечения или цилиндрах круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4, и материале конструкций, механические испытания образцов бетона при действии на них циклично-ступенчатой осевой сжимающей нагрузки до уровня 30% разрушающей нагрузки на гидравлическом прессе, тензометрические испытания по определению приращения упруго-мгновенной относительной продольной деформации образцов бетона при уровне нагрузки, равной 30% разрушающей нагрузки, построение градуировочной зависимости «скорость ультразвука - модуль упругости бетона» по результатам ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний образцов бетона и определение модуля упругости бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной градуировочной зависимости, согласно изобретению определяют по различным сериям образцов бетона среднюю влажность испытанных образцов бетона, среднюю скорость распространения ультразвука в бетонных образцах, а также средний модуль упругости образцов бетона и среднюю влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, после чего величину модуля упругости бетона в конструкции устанавливают из зависимостей:

- коэффициент, учитывающий влияние влажности бетона на скорость прохождения в нем ультразвука;

где k₁=кгс/см², k₂=1/ln (кгс/см²), k₃=1/[(1-м/с)·ln (кгс/см²)] - коэффициент размерности;

e=2,71828… - основание натуральных логарифмов;

- модуль упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, кгс/см²;

- средний модуль упругости образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

n - число серий образцов, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

E_бj - единичные средние значения модуля упругости бетона j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

- средняя скорость распространения ультразвука в образцах бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

C_j - единичные средние значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

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

W₀ - средняя влажность образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, % (по массе);

W_k - средняя влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, % (по массе).

Изобретение поясняется графиками.

На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности (зависимость 1 для бетона класса B 12,5 по прочности на сжатие; 2 - B 22,5; 3 - B 25; зависимость 4 - B 35…40).

Для справки: представленные данные описываются уравнением степенной функции следующего вида

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

C₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% (для бетонов класса B, 12,5…B 40 по прочности на сжатие, C₀ изменяется соответственно в пределах 4050…4600 м/с; 2,85 и 3,2 - эмпирические коэффициенты пропорциональности, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной зависимости (1) составляет K=0,997.

На фиг.2 представлена зависимость интегрального показателя - относительного параметра скорости распространения ультразвука в бетонах класса B 12,5…B 40 по прочности на сжатие от их влажности, которая описывается уравнением убывающей степенной функции

где C₀ - 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).

69·10^-5 и 3,1 - эмпирические коэффициенты, установленные в результате исследований.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (2) составляет K=0,996.

Для определения модуля упругости бетона повышенной влажности в конструкциях сооружений, с учетом ранее установленной градуировочной зависимости «скорость ультразвука - модуль упругости бетона», по результатам исследований получена следующая регрессивная модель

где k₁=кгс/см², k₂=1/ln (кгс/см²), k₃=1/[(1-м/с)·ln (кгс/см²)] - коэффициент размерности;

e=2,71828… - основание натуральных логарифмов;

- модуль упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, кгс/см²;

- средний модуль упругости образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

n - число серий образцов, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

E_бj - единичные средние значения модуля упругости бетона j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

- средняя скорость распространения ультразвука в образцах бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

C_j - единичные средние значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

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

W₀ - средняя влажность образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, % (по массе);

W_k - средняя влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной модели (3) составляет 0,96.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного способа заключаются в следующем.

Заявленный способ ультразвукового контроля модуля упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений осуществляют следующим образом.

Предварительно устанавливают градуировочную зависимость «скорость ультразвука - модуль упругости бетона» по результатам ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний образцов бетона (не менее 20-ти серий), изготовленных из бетона того же номинального состава, по той же технологии, при том же режиме твердения, что и конструкции сооружений, подлежащие контролю.

Затем определяют среднюю влажность бетона испытанных образцов. После этого определяют скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции сооружения.

При этом устанавливают влажность бетона контролируемой зоны конструкции сооружения.

В конечном итоге искомый модуль упругости бетона контролируемой зоны конструкции сооружения определяют расчетом по формулам:

где k₁=кгс/см², k₂=1/ln (кгс/см²), k₃=1/[(1-м/с)·ln (кгс/см²)] - коэффициент размерности;

e=2,71828… - основание натуральных логарифмов;

- модуль упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, кгс/см²;

- средний модуль упругости образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

n - число серий образцов, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

E_бj - единичные средние значения модуля упругости бетона j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;

- средняя скорость распространения ультразвука в образцах бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

C_j - единичные средние значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

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

W₀ - средняя влажность образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, % (по массе);

W_k - средняя влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, % (по массе).

Особенностями предложенного способа контроля модуля упругости бетона являются методы определения скорости ультразвука и модуля упругости бетона в зависимости от его средней влажности в контрольных образцах (W₀), по испытаниям которых устанавливается градуировочная зависимость, и в конструкции сооружения (W_k).

ПРИМЕР. Модуль упругости бетона класса В 22,5 контролируют в конструкции монолитной бетонной облицовки канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного ультразвукового прозвучивания.

Коэффициент перехода скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании к скорости при сквозном прозвучивании составляет K=1,93.

По данным ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний 60 бетонных образцов диаметром 25 см и высотой 100 см, изготовленных из бетона того же номинального состава, по той же технологии, при том же режиме твердения, что и в конструкции монолитной облицовки канала, в табл.1 приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований по определению зависимости модуля упругости бетона от скорости ультразвука (бетон по прочности на сжатие класса B 22,5; состав: цемент - 1; песок - 2,1; щебень - 5,35; содержание цемента 280 кг/м³).

Установлена градуировочная зависимость «скорость ультразвука (C_j) - модуль упругости бетона (E^* _бj), которая описывается уравнением вида

На фиг.3 показано корреляционное поле опытных точек и линия регрессии при определении модуля упругости бетона ультразвуковым методом с использованием формулы (17) и путем механических и тензометрических испытаний 60 бетонных образцов-цилиндров, приведенных в табл.1. Коэффициент корреляции связи E^* _бj=f(C_j) в этом случае равен 0,96, а среднее квадратическое отклонение опытных точек от линии регрессии равно ±15044,3 кгс/см², что составляет ±5%. При этом максимальное отклонение отдельных опытных точек от линии регрессии составило -8,9% и +10,6%.

Из уравнения (17) следует, что значения коэффициентов равны a=19828,65 и в=5,5·10^-4.

Средняя скорость распространения ультразвука в 30 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала при поверхностном прозвучивании составляет 2953,4 м/с, при сквозном прозвучивании - C_jk=1,93·2953,4=5700 м/с.

Средняя влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки после опорожнения канала от воды составляет W_k=6,0% (по массе).

Средняя влажность бетона испытанных бетонных образцов (20 серий) составляет W₀=0,5% (по массе).

По формуле (6) определяем значение коэффициента m, учитывающего влияние влажности бетона на скорость прохождения в нем ультразвука: m=(1-69·10^-5·6^3,1)/(1-69·10^-50,5^3,1)=0,82178.

Модуль упругости бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, определенный по приведенным зависимостям (3)…(9), составляет

.

Модуль упругости бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, определенный в соответствии с рекомендациями A.M.Филонидова (см. Филонидов A.M. Определение модуля упругости бетона в конструкциях и сооружениях // Известия ВУЗов, раздел «Строительство и архитектура». - 1973. - №7. - С.176-179), составляет

.

Погрешность при определении модуля упругости бетона без учета его влажности составляет

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

Использование: для ультразвукового контроля модуля упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений. Сущность заключается в том, что контроль модуля упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений включает измерение скорости ультразвука на бетонных образцах-призмах квадратного сечения или цилиндрах круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4, и материале конструкций, механические испытания образцов бетона при действии на них циклично-ступенчатой осевой сжимающей нагрузки до уровня 30% разрушающей нагрузки на гидравлическом прессе, тензометрические испытания по определению приращения упруго-мгновенной относительной продольной деформации образцов бетона при уровне нагрузки, равной 30% разрушающей нагрузки, построение градуировочной зависимости «скорость ультразвука - модуль упругости бетона» по результатам ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний образцов бетона и определение модуля упругости бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной градуировочной зависимости, при этом определяют по различным сериям образцов бетона среднюю влажность испытанных образцов бетона, среднюю скорость распространения ультразвука в бетонных образцах, а также средний модуль упругости образцов бетона и среднюю влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, после чего величину модуля упругости бетона в конструкции устанавливают по математическим зависимостям. Технический результат: повышение точности и надежности определения модуля упругости влажного бетона. 3 ил., 1 табл.

Ультразвуковой способ контроля модуля упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений, включающий измерение скорости ультразвука на бетонных образцах - призмах квадратного сечения или цилиндрах круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4, и материале конструкций, механические испытания образцов бетона при действии на них циклично-ступенчатой осевой сжимающей нагрузки до уровня 30% разрушающей нагрузки на гидравлическом прессе, тензометрические испытания по определению приращения упругомгновенной относительной, продольной деформации образцов бетона при уровне нагрузки, равной 30% разрушающей нагрузки, построение градуировочной зависимости «скорость ультразвука - модуль упругости бетона» по результатам ультразвуковых, тензометрических и механических испытаний образцов бетона и определение модуля упругости бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной градуировочной зависимости, отличающийся тем, что определяют по различным сериям образцов бетона среднюю влажность испытанных образцов бетона, среднюю скорость распространения ультразвука в бетонных образцах, а также средний модуль упругости образцов бетона и среднюю влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, после чего величину модуля упругости бетона в конструкции устанавливают из зависимостей:
;


- коэффициент, учитывающий влияние влажности бетона на скорость прохождения в нем ультразвука;



где k₁=кгс/см², k₂=1/ln (кгс/см²), k₃=1/[(1-м/с)·ln (кгс/см²)] - коэффициент размерности;
е=2,71828… - основание натуральных логарифмов;
- модуль упругости бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, кгс/см²;
- средний модуль упругости образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;
n - число серий образцов, испытанных при установлении градуировочной зависимости;
E_бj - единичные средние значения модуля упругости бетона j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, кгс/см²;
- средняя скорость распространения ультразвука в образцах бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;
C_j - единичные средние значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;
C_jk - средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции сооружения, м/с;
W₀ - средняя влажность образцов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, % (по массе);
W_k - средняя влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, % (по массе).