Способ ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин
Владельцы патента RU 2279069:
Государственное научное учреждение Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий Российской академии сельскохозяйственных наук (RU)
Использование: для ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации. Сущность: заключается в том, что дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, учет времени распространения волны, огибающей трещину, и среднего времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, определение средней скорости продольных волн в ненарушенном бетоне осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, причем устанавливают среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, а глубину трещин в бетоне с учетом реальной влажности и при наличии кристаллов льда в его порах определяют расчетом по соответствующему математическому выражению. Технический результат: повышение точности и надежности определения глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды с учетом реальной влажности и наличия кристаллов льда в его порах в эксплуатируемых конструкциях сооружений. 3 ил.
Изобретение относится к области неразрушающего контроля строительных конструкций, преимущественно гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, и может быть использовано для определения дефектов и повреждений бетонных и железобетонных конструкций в процессе их строительства, реконструкции и эксплуатации.
Известен способ неразрушающего контроля строительных материалов (бетона, железобетона и др.) с целью выявления в них дефектов путем просвечивания рентгеновским излучением и определения при этом степени его поглощения, заключающийся в том, что дефектные места материала вследствие их малой поглощающей способности меньше ослабляют поток излучения по сравнению с участками материала, не имеющими дефектов, и на получаемых рентгеновских снимках дефектные участки в зависимости от их характера фиксируются в виде темных полос и пятен (см. Почтовик Г.Я. и др. Методы и средства испытания строительных конструкций. Под ред. Ю.А.Нилендера. Учеб. пособие для вузов / М.: Высшая школа, 1973. - С.125...126).
Однако отмеченный рентгенографический метод контроля дефектов и повреждений конструкций имеет ряд недостатков и ограничений, к которым относятся:
1) невысокая точность и низкая надежность контроля строительных конструкций этим методом;
2) значительная стоимость контрольной аппаратуры, необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала для проведения контроля;
3) высокие требования к технике безопасности в процессе выполнения рентгенографического неразрушающего контроля.
Известен ультразвуковой способ контроля бетонных и железобетонных конструкций на наличие вертикально ориентированных плоскостных дефектов, включающий возбуждение в конструкции импульсов продольных ультразвуковых колебаний в направлении, совпадающем с плоскостью дефекта, фиксирование отраженных донной поверхностью конструкции колебаний, измерение разности между временем распространения отраженных донной поверхностью продольных колебаний и временем распространения отраженных донной поверхностью трансформированных на дефекте продольных колебаний, определение высоты дефекта, например трещины, по измеренной разности времен (SU, авторское свидетельство №1441299 А1, М. кл.4 С 01 N 29/04. Ультразвуковой способ контроля изделий на наличие вертикально ориентированных плоскостных дефектов / А.К.Гурвич, В.П.Лохов, В.А.Лончак. Заявлено 16.04.87; Опубл. 30.11.88, Бюл. №44).
Описанный метод ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций отличается сложностью и недостаточной точностью определения высоты дефекта в бетоне.
Наиболее близким приемом к заявляемому объекту является способ ультразвукового контроля глубины трещин в бетонных и железобетонных конструкциях, включающий дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на базе L, фиксирование времени распространения волны (t1), огибающей трещину, и времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне (t) на базе L, определение скорости продольных волн в ненарушенном бетоне (С), а также определение глубины трещины (h) в бетоне по формуле
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - скорость распространения продольных волн УЗК, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - время распространения продольных волн УЗК на базе L (мм) в ненарушенном бетоне, мкс (см., например, Почтовик Г.Я. и др. Методы и средства испытания строительных конструкций. Под ред. Ю.А.Нилендера. Учеб. пособие для вузов / М.: Высшая школа, 1973. - С.75...76).
Описанный способ не учитывает влияние влажности бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) и не может быть реализован при отрицательных температурах окружающей среды, то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона.
Нами экспериментально установлено, что при отрицательных температурах окружающей среды с увеличением влажности бетона и наличии кристаллов льда в его порах значительно возрастает скорость распространения УЗК в бетоне. По этой причине определение глубины трещины в бетоне при дефектоскопии конструкций и сооружений в процессе эксплуатации вышеуказанным способом осуществляется с большой погрешностью.
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание метода ультразвукового контроля глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды с учетом влажности и наличия кристаллов льда в его порах в эксплуатируемых конструкциях сооружений.
Технический результат - повышение точности и надежности определения глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды с учетом реальной влажности и наличия кристаллов льда в его порах в эксплуатируемых конструкциях сооружений.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном ультразвуковом способе контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин, включающем дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, учет времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, определение скорости продольных волн в ненарушенном бетоне, а также определение глубины трещины в бетоне, согласно изобретения, дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, учет времени распространения волны, огибающей трещину, и среднего времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, определение средней скорости продольных волн в ненарушенном бетоне осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, причем устанавливают среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, а глубину трещин в бетоне с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в его порах определяют расчетом из выражения
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - средняя скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - среднее время распространения продольных волн УЗК на длине фиксированной базы в ненарушенном бетоне, мкс;
W - средняя влажность ненарушенного бетона, % (по массе);
W1 - средняя влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, % (по массе).
Изобретение поясняется иллюстрированным материалом.
На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности (зависимость 1 для бетона класса В15...В20 по прочности на сжатие; зависимость 2 - В22,5; зависимость 3 - В25; зависимость 4 - В35...В40).
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.
Кривые на фиг.1 описываются уравнением степенной функции следующего вида:
где Cj - 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 (3) 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;
Cj - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;
- 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 (4) составляет К=0,994.
На фиг.3 - схема реализации способа ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин.
Для определения глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды с учетом его влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона эксплуатируемых конструкций сооружений по результатам экспериментальных и теоретических исследований получена следующая регрессивная модель:
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - средняя скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1- время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - среднее время распространения продольных волн УЗК на базе L (мм) в ненарушенном бетоне, мкс;
W - средняя влажность ненарушенного бетона, % (по массе);
W1 - средняя влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК (на одинаковом расстоянии от оси трещины), % (по массе).
Коэффициент корреляции данной модели (5) составляет 0,97.
Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного способа, заключаются в следующем.
Предложенный способ ультразвукового контроля глубины трещин в бетоне эксплуатируемых конструкций сооружений осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды следующим образом.
На бетонной поверхности конструкции сооружения (см. фиг.3), на одинаковом расстоянии 
от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на базе L, устанавливают излучатель и приемник УЗК.
При каждой установке излучателя, и приемника соответственно фиксируют время распространения волны (t1), огибающей трещину, и среднее время распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне (t) на базе L.
Определяют среднюю скорость продольных волн в ненарушенном бетоне (С), устанавливают среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК.
Для получения числовых значений искомую глубину (h) трещины в бетоне диагностируемой конструкции сооружения определяют по формуле (5)
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - средняя скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - среднее время распространения продольных волн УЗК на базе L (мм) в ненарушенном бетоне, мкс;
W - средняя влажность ненарушенного бетона, % (по массе);
W1 - средняя влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК (на одинаковом расстоянии от оси трещины), % (по массе).
Особенностями предложенного способа ультразвукового контроля дефектов и повреждений бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений являются новые методы определения скорости ультразвука и глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от его влажности и размеров кристаллов льда в исследуемых участках конструкций сооружений.
ПРИМЕР. Ультразвуковой контроль дефектов и повреждений бетона класса В 22,5 в монолитной бетонной облицовке оросительного канала (после его опорожнения) осуществляют методом продольного профилирования при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 2 м, ширина по дну (в) - 1,5 м, коэффициент заложения откосов (m) - 2. Толщина бетонной облицовки (h) - 12 см.
На поверхности бетонной облицовки на одинаковом расстоянии 
по обеим сторонам от оси трещины, а в ненарушенном бетоне облицовки канала на базе L=120 мм, устанавливаем излучатель и приемник УЗК.
По результатам ультразвуковых испытаний в контролируемой зоне конструкции монолитной бетонной облицовки установлено:
- средняя скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне составляет С=4,923 км/с;
- время распространения волны, огибающей трещину, t1=40 мкс;
- среднее время распространения продольных волн УЗК на базе L=120 мм в ненарушенном бетоне t=24,38 мкс;
- средняя влажность ненарушенного бетона W=3,2% (по массе);
- средняя влажность бетона в зоне трещины, на участке установки излучателя и приемника УЗК (на одинаковом расстоянии 
от оси трещины) W1=6,1% (по массе).
Глубина трещины в бетоне на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, определенная по приведенной зависимости (5), составляет
Глубина трещины в бетоне на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки, определенная по прототипу (Почтовик Г.Я. и др. Методы и средства испытания строительных конструкций. Под. ред. Ю.А.Нилендера. Учеб. пособие для вузов / М.: Высшая школа, 1973. - С.75...76, формула (42)), составляет
Погрешность при определении глубины трещины в бетоне (без учета влажности и наличия кристаллов льда в его порах при отрицательных температурах окружающей среды) на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала по прототипу при этом составила
Предложенный способ неразрушающего контроля позволяет значительно повысить точность определения глубины трещин в бетоне при отрицательных температурах окружающей среды в эксплуатируемых конструкциях сооружений, работающих во влажной среде; погрешность измерений составляет 2...3%.
Способ ультразвукового контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин, включающий дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне - на фиксированной базе, учет времени распространения продольных волн в ненарушенном бетоне, а также определение глубины трещины в бетоне, отличающийся тем, что дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием проводят путем установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний (УЗК) на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне - на фиксированной базе, учет времени распространения волны, огибающей трещину, и среднего времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне - на фиксированной базе, определение средней скорости продольных волн в ненарушенном бетоне осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, причем устанавливают среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, а глубину трещин в бетоне с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в его порах определяют расчетом из выражения
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - средняя скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - среднее время распространения продольных волн УЗК на длине фиксированной базы в ненарушенном бетоне, мкс;
W - средняя влажность ненарушенного бетона, мас.%;
W1 - средняя влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, мас.%.
