ультразвуковой способ контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях в процессе эксплуатации (варианты)

Формула изобретения

1. Ультразвуковой способ контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации, включающий увлажнение бетонных эталонных образцов-кубов, возбуждение ультразвуковых колебаний (УЗК) в эталонных образцах-кубах и материале конструкций, одновременное измерение влажности бетона и скорости распространения УЗК в эталонных образцах-кубах и контролируемых конструкциях, механические испытания образцов-кубов, построение тарировочной зависимости "скорость ультразвука - прочность бетона" с учетом влияния влажности бетона на скорость распространения УЗК и прочность бетона и определение прочности бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной тарировочной зависимости, отличающийся тем, что перед испытанием водонасыщенные эталонные образцы-кубы замораживают в морозильной камере при температуре до минус 20°С в течение двух и более суток и строят тарировочную зависимость с учетом влияния размеров кристаллов льда в порах бетона эталонных образцов-кубов на скорость распространения ультразвуковых колебаний и прочность бетона, причем измерение скорости распространения УЗК в конструкциях осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона, определяют среднюю влажность образцов-кубов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости, а величину прочности бетона устанавливают из зависимости

где R - прочность бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, МПа;

а₀ - коэффициент пропорциональности, МПа,

а₁ - коэффициент размерности, МПа/(м/с),

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

- средняя прочность образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

N - число серий образцов-кубов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

R_jф - единичные значения прочности j-й серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

С_j0 - единичные значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

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

2. Ультразвуковой способ контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации, включающий измерение времени распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней скорости ультразвука, определение участков в контролируемой зоне, в которых измеренная скорость имеет максимальное, минимальное и наиболее близкое к средней скорости ультразвука значение, выбуривание и испытание не менее двух кернов из каждого намеченного участка с последующим определением значений прочностей в этих участках, последующее определение прочности бетона в любом участке контролируемой зоны конструкции, устанавливаемое расчетом, отличающийся тем, что измерения времени и скорости распространения ультразвука в участках контролируемой зоны конструкции, выбуривание кернов из намеченных участков для испытания их на прочность производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют влажность бетона в намеченных участках контролируемой зоны конструкции сооружения и устанавливают максимальную и минимальную влажность бетона контролируемой зоны конструкции, а также влажность бетона, соответствующей скорости, наиболее близкой к средней скорости ультразвука, после чего прочность бетона определяют с учетом реальной влажности и влияния размеров кристаллов льда на скорость распространения ультразвуковых колебаний из зависимости

где R - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

С_мин - минимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

C_n - значение скорости распространения УЗК в бетоне контролируемой зоны конструкции, наиболее близкое к средней скорости ультразвука, м/с;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

R_ф.n - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, где скорость ультразвука имеет величину (С,,), наиболее близкую к средней скорости ультразвука, м/с;

R _ф.мин - минимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в бетоне на j-м участке контролируемой зоны конструкции, м/с;

W_j - влажность бетона на j-м участке контролируемой зоны конструкции исследуемого сооружения, %;

W₂ - минимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (надводная часть конструкции сооружения), %;

W₃ - влажность бетона контролируемой зоны конструкции, соответствующая скорости С_n, наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ) (зона переменного горизонта воды), %;

С _макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

W₁ - максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (подводная часть конструкции сооружения), %.

3. Ультразвуковой способ контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации, включающий измерение времени и распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей в участках, имеющих соответственно среднее и максимальное значение скорости ультразвука, а также расчетное определение прочности бетона на сжатие, отличающийся тем, что измерение времени и скорости распространения ультразвука в участках контролируемой зоны конструкции, выбуривание кернов из намеченных участков для испытания их на прочность производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность и влажность бетона на j-м участке контролируемой зоны, а прочность бетона определяют в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в его порах для бетонов класса по прочности на сжатие до В25 по выражению

где R - прочность бетона на j-м участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-м участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемое зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-м участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе);

и для бетонов класса по прочности на сжатие выше В25 по формуле

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

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-м участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-м участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Описание изобретения к патенту

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

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

Недостатком данного метода является то, что он позволяет определить только прочность бетона поверхностных слоев. Кроме того, при изменении состава бетонов, условий их твердения в конструкции, сроков испытаний, имеющаяся градуировочная зависимость должна уточняться. Это требует дополнительных трудозатрат.

Кроме описанного, известен способ ультразвукового контроля прочности бетонных и железобетонных конструкций, включающий 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 Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. - М.: Издательство стандартов, 1987).

Указанный способ в данном стандарте 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 прочности влажного бетона в существующих конструкциях, например, гидротехнических или гидромелиоративных сооружений, а также фундаментов, находящихся в эксплуатации зданий и различных сооружений при близком залегании грунтовых вод, по градуировочной зависимости, экспериментально установленной по результатам ультразвуковых и механических испытаний образцов - кубов естественной влажности, осуществляется с большой погрешностью.

Наиболее близким к заявленному относится ультразвуковой способ контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений, включающий увлажнение бетонных эталонных образцов - кубов, возбуждение ультразвуковых колебаний (УЗК) в эталонных образцах - кубах и материале конструкций, одновременное измерение влажности бетона и скорости распространения УЗК в эталонных образцах - кубах и контролируемых конструкциях, механические испытания образцов - кубов, построение тарировочной зависимости «скорость ультразвука - прочность бетона» с учетом влияния влажности бетона на скорость распространения УЗК и прочность бетона, определение прочности бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной тарировочной зависимости (авторское свидетельство SU №616580 А1, МПК⁷ G 01 N 29/00. Способ определения прочности бетона в изделиях. / Э.Н.Репьев и Ю.Н.Воронов (СССР). Заявлено 17.08.1976; опубл. 25.07.1978, бюл.№27).

Указанный способ не может быть реализован при отрицательных температурах окружающей среды, так как он не учитывает влияние размеров кристаллов льда в порах бетона сооружений в процессе их эксплуатации на скорость распространения ультразвуковых колебаний и прочность бетона.

Одним из близких приемов к заявленному объекту относится 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) и 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...ом участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

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

Указанный способ в Российском стандарте не учитывает влияний влажности бетона и размеров кристаллов льда в порах бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний (УЗК) при отрицательных температурах. Нами экспериментально установлено, что с увеличением влажности и при наличии кристаллов льда в порах бетона значительно возрастает в нем скорость распространения УЗК при отрицательных температурах окружающей среды.

Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения, представляющие собой бетонные и железобетонные конструкции, находятся постоянно в контакте с водой и имеют высокую степень водонасыщения. Даже в зимний период при опорожненных каналах гидротехнических систем она поддерживается на достаточно высоком уровне за счет атмосферных осадков (дождя и особенно снега) и грунтовых вод. При этом влажность бетона по высоте конструкций сооружений (подводная часть, зона переменного горизонта воды, надводная часть) распределяется неравномерно. Поэтому определение прочности бетона в условиях эксплуатации гидротехнических и гидромелиоративных сооружений по данному нормированному методу ультразвукового контроля, не учитывающего влажность бетона и наличие кристаллов льда в его порах, осуществляется с большой погрешностью, величина которой составляет 25...100%.

Близкой разновидностью заявляемого объекта является способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации, включающий измерение времени и скорости (C _j) распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней ( ) и максимальной (С_макс) скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей R_ф.макс , в участках, имеющих соответствующие скорости ультразвука С_макс, , а также определение прочности бетона на сжатие:

класса до В 25 по формуле

класса выше В 25 по формуле

где R - прочность бетона в контролируемом j...ом участке, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - средняя скорость распространения ультразвука в бетоне на j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

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

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с (см., например, ГОСТ 17624-87 Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. - М.: Издательство стандартов, 1987, С.23, приложение 7).

Указанный способ в данном Российском стандарте также не учитывает влияние влажности и наличие кристаллов льда в порах бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний (УЗК) при отрицательных температурах окружающей среды. Экспериментально установлено, что с увеличением влажности и наличии 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 и сооружениях вышеуказанным способом осуществляется с большой погрешностью.

Сущность заявленного изобретения.

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

Технический результат - повышение точности и надежности определения прочности бетона повышенной влажности при наличии кристаллов льда в его порах.

Указанный технический результат в части ультразвукового способа контроля прочности бетона по первому варианту достигается тем, что в известном ультразвуковом способе контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации, включающем увлажнение бетонных эталонных образцов-кубов, возбуждение ультразвуковых колебаний (УЗК) в эталонных образцах-кубах и материале конструкций, одновременное изменение влажности бетона и скорости распространения УЗК в эталонных образцах-кубах и контролируемых конструкциях, механические испытания образцов-кубов, построение тарировочной зависимости «скорость ультразвука - прочность бетона» с учетом влияния влажности бетона на скорость распространения УЗК и прочность бетона и определение прочности бетона конструкции по результатам ультразвуковых измерений и предварительно построенной тарировочной зависимости, согласно изобретению перед испытанием водонасыщенные эталонные образцы-кубы замораживают в морозильной камере при температуре до минус 20°С в течение двух и более суток и строят тарировочную зависимость с учетом влияния размеров кристалла льда в порах бетона эталонных образцов-кубов на скорость распространения ультразвуковых колебаний и прочность бетона, причем измерение скорости распространения УЗК в конструкциях осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона, а величину прочности бетона устанавливают из зависимости

где R - прочность бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, МПа;

a₀ - коэффициент пропорциональности, МПа,

а₁ - коэффициент размерности, МПа/(м/с),

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

- средняя прочность образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

N - число серий образцов-кубов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

R_jф - единичные значения прочности j-ой серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

C_j0 - единичные значения скорости распространения ультразвука j-ой серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

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

Технический результат в части ультразвукового способа контроля прочности бетона по второму варианту достигается тем, в известном способе ультразвукового контроля прочности бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений, включающем измерение времени распространения ультразвука не менее чем в десяти 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 в любом участке контролируемой зоны конструкции, устанавливаемое расчетом, согласно изобретению измерения времени и скорости распространения ультразвука в участках контролируемой зоны конструкции, выбуривание кернов из намеченных участков для испытания их на прочность производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют влажность бетона (W_j ) в намеченных участках контролируемой зоны конструкции сооружения и устанавливают максимальную (W₁) и минимальную (W ₂) влажность бетона контролируемой зоны конструкции, а также влажность бетона (W₃), соответствующей скорости С_n, наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ), после чего прочность бетона определяют с учетом реальной влажности и влияния размеров кристаллов льда в порах бетона на скорость распространения ультразвуковых колебаний из зависимости

где R - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

С_мин - минимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

С_n - значение скорости распространения УЗК в бетоне контролируемой зоны конструкции, наиболее близкое к средней скорости ультразвука, м/с;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

R_ф.n - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, где скорость ультразвука имеет величину (С _n), наиболее близкую к средней скорости ультразвука, м/с;

R_ф.мин - минимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в бетоне на j-ом участке контролируемой зоны конструкции, м/с;

W_j - влажность бетона на j-ом участке контролируемой зоны конструкции исследуемого сооружения, %;

W₂ - минимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (надводная часть конструкции сооружения), %;

W₃ - влажность бетона контролируемой зоны конструкции, соответствующая скорости С_n, наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ) (зона переменного горизонта воды), %;

С _макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

W₁ - максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (подводная часть конструкции сооружения), %.

Технический результат в части способа контроля прочности бетона по третьему варианту достигается тем, что в известном способе ультразвукового контроля прочности бетона, включающем измерение времени и скорости распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней ( ) и максимальной (С_макс) скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание из конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей R_ф.макс , в участках, имеющих соответственно среднее и максимальное значения скорости ультразвука ( , С_макс), а также расчетное определение прочности бетона на сжатие, согласно изобретению измерения времени и скорости распространения ультразвука в участках контролируемой зоны конструкции, выбуривание кернов из намеченных участков для испытания их на прочность производят при отрицательных температурах окружающей среды, причем определяют среднюю влажность ( ) и влажность бетона на j-ом участке (W_j ) контролируемой зоны, а прочность бетона определяют в зависимости от влажности и наличия кристаллов льда в его порах для бетонов класса по прочности на сжатие до В 25 по выражению

где R - прочность бетона на j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

С_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемое зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе);

и для бетонов класса по прочности на сжатие выше В25

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоне, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (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...40).

На фиг.2 представлена зависимость интегрального показателя - величины обратной относительно параметру скорости распространения ультразвука а бетонах класса В15...В40 по прочности на сжатие от их влажности.

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 (12) 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;

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

- показатель величины обратной относительно параметру скорости распространения ультразвука а 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 (13) составляет К=0,994.

Для определения прочности (R) бетона повышенной влажности при наличии кристаллов льда в его порах при отрицательных температурах окружающей среды в конструкциях сооружений, с учетом ранее установленной градуировочной зависимости «скорость ультразвука - прочность бетона», по результатам исследований, в части ультразвукового способа контроля прочности бетона по первому варианту, получена следующая регрессивная модель

где R - прочность бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, МПа;

a₀ - коэффициент пропорциональности, МПа,

а₁ - коэффициент размерности, МПа/(м/с),

;

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

- средняя прочность образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

N - число серий образцов-кубов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

R_jф - единичные значения прочности j-ой серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

C_j0 - единичные значения скорости распространения ультразвука j-й серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, м/с;

W_K - влажность бетона контролируемой зоны в конструкции сооружения, % (по массе);

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

Коэффициент корреляции данной модели составляет 0,992.

Для определения прочности бетона (R) с учетом его влажности при наличии кристаллов льда в порах бетона при отрицательных температурах окружающей среды в эксплуатируемых конструкциях сооружений по результатам экспериментальных и теоретических исследований, в части ультразвукового способа контроля прочности бетона по второму варианту, получена следующая регрессивная модель:

где R - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

С_мин - минимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

С_n - значение скорости распространения УЗК в бетоне контролируемой зоны конструкции, наиболее близкое к скорости ультразвука, м/с;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

R_ф.n - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, где скорость ультразвука имеет величину (С _n), наиболее близкую к средней скорости ультразвука, м/с;

R_ф.мин - минимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в бетоне на j-ом участке контролируемой зоны конструкции, м/с;

W_j - влажность бетона на j-ом участке контролируемой зоны конструкции исследуемого сооружения, %;

W₂ - минимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (надводная часть конструкции сооружения), %;

W₃ - влажность бетона контролируемой зоны конструкции, соответствующая скорости С_n, наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ) (зона переменного горизонта воды), %;

С _макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

W₁ - максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (подводная часть конструкции сооружения), %.

Коэффициент корреляции данной модели (17) составляет 0,99.

Для определения прочности бетона повышенной влажности при наличии кристаллов льда в его порах при отрицательных температурах окружающей среды в конструкциях сооружений по результатам исследований, в части ультразвукового способа контроля прочности бетона по третьему варианту, получены следующие регрессивные модели:

1. Для бетонов класса по прочности на сжатие до В25

где R - прочность бетона на j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

C_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

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

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной модели (18) составляет 0,99.

2. Для бетонов класса по прочности на сжатие выше В25

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

С_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Коэффициент корреляции полученной зависимости (19) составляет 0,991.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленных способов (вариантов), заключаются в следующем.

Заявленный способ ультразвукового контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений, в процессе эксплуатации по первому варианту, осуществляют следующим образом:

Предварительно эталонные бетонные образцы-кубы (не менее 15 серий), изготовленные из бетона того же номинального состава, по той же технологии, что и конструкции сооружений, подлежащие контролю, увлажнят до различной степени водонасыщения, помещают их в морозильную камеру и замораживают в течение двух и более суток. Затем возбуждают ультразвуковые колебания и определяют скорость распространения УЗК и среднюю влажность бетонных образцов-кубов, выполняют их механические испытания по ГОСТ 10180-90 и строят тарировочную зависимость «скорость ультразвука - прочность бетона» с учетом влияния размеров кристаллов льда в порах бетона эталонных образцов-кубов при различной их влажности на скорость распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) и прочность бетона. После этого осуществляют измерение скорости УЗК в конструкциях сооружений при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона, а величину прочности бетона устанавливают из зависимости (6)

где R - прочность бетона в бетонных и железобетонных конструкциях, МПа;

a₀ - коэффициент пропорциональности, МПа,

а₁ - коэффициент размерности, МПа/(м/с),

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

- средняя прочность образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

N - число серий образцов-кубов бетона, испытанных при установлении градуировочной зависимости;

R_jф - единичные значения прочности j-ой серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

C_j0 - единичные значения скорости распространения ультразвука j-ой серии образцов-кубов бетона с влажностью W₀, испытанных при установлении градуировочной зависимости, МПа;

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

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

Особенностями предложенного способа контроля прочности бетона являются методы определения скорости ультразвука и прочности бетона при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от его влажности и наличии кристаллов льда в порах бетона в контрольных образцах-кубах (W₀), no испытаниям которых устанавливается градуировочная зависимость, и в конструкциях сооружения (W _k).

ПРИМЕР 1. Прочность бетона класса В22,5 контролируют в конструкции монолитной бетонной облицовки оросительного канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды, то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона облицовки.

Коэффициент перехода скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании составляет К=1,93.

По результатам ультразвуковых и механических испытаний 20 серий образцов-кубов размером 100×100×100 мм в возрасте 28 суток, изготовленных из бетона того же номинального состава, по той же технологии, при том же режиме твердения, что и в конструкциях монолитной бетонной облицовки канала, при отрицательных температурах окружающей среды (до минус 20°С), то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона установлена градуировочная зависимость «скорости ультразвука (C_jk) - прочность бетона (R), которая описывается уравнением вида

Из уравнения (20) следует, что значение коэффициентов равны а₀=-115,5 и a₁=0,028. Средняя скорость распространения ультразвука в 15 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала при поверхностном прозвучивании составляет 2781,7 м/с, при сквозном прозвучивании - C_jk=1,93·2781,7=5369 м/с.

Средняя влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной облицовки после опорожнения канала от воды составляет W_k=5,5% (по массе).

Средняя влажность бетона испытанных образцов-кубов (20 серий) составляет W₀=1,5% (по массе).

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, определенная по приведенной зависимости (6), составляет

R=(0,028·5369-115,5)·(1-0,0205·5,5 ^1,21)/(1-0,0205·1,5^1,21)=30 МПа.

Предложенный способ контроля прочности бетона при отрицательных температурах в конструкциях, работающих во влажной среде, позволяет снизить погрешность измерений до 1...2%.

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_л=5,5% и скоростью распространения ультразвука С_jk=5369 м/с, определенная по формуле (7) в соответствии с ГОСТ 17624-87, прил.4, составляет

R=0,028·5369-115,5=35 МПа.

Погрешность при определении прочности бетона (без учета его влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона) по ГОСТ 17624-87, прил.4 при этом составила

Предложенный способ контроля прочности бетона при отрицательных температурах окружающей среды в конструкциях, работающих во влажной среде, позволяет снизить погрешность измерений до 1...2%.

Предложенный способ ультразвукового контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации по второму варианту осуществляют следующим образом.

Определение прочности бетона при экспертизе эксплуатируемых конструкций сооружений проводят при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона в зонах конструкций, изготовленных из бетона на одном виде крупного заполнителя, и измеряют время распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции. Затем вычисляют среднюю скорость ( ) распространения ультразвука в контролируемой зоне.

В контролируемой зоне намечают участки, в которых измеренная скорость ультразвука имеет максимальное (С_макс) и минимальное (С_мин) значение, а также участок, где скорость ультразвука имеет величину (С_n), наиболее близкую к средней скорости ультразвука ( ).

Из каждого намеченного участка в соответствии с ГОСТ 10180-90 выбуривают и испытывают не менее двух кернов. По данным испытаний кернов определяют значение прочностей R _ф.макс, R_ф._мин, R_ф.n в участках, имеющих скорости ультразвука С_макс, С _мин, С_n, экспериментально определяют влажность бетона (W_j) в намеченных участках контролируемой зоны конструкции сооружения и устанавливают максимальную (W₁ ) и максимальную (W₂) влажность бетона контролируемой зоны конструкции, а также влажность бетона (W₃), соответствующей скорости С_n, наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ).

Для получения числовых значений искомую прочность бетона (R) в любом участке контролируемой зоны конструкции сооружения определяют по формуле (9) ультразвуковых колебаний из зависимости

где R - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, МПа;

С_мин - минимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

С_n - значение скорости распространения УЗК в бетоне контролируемой зоны конструкции, наиболее близкое к скорости ультразвука, м/с;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

R_ф.n - прочность бетона на участке контролируемой зоны конструкции, где скорость ультразвука имеет величину (С _n), наиболее близкую к средней скорости ультразвука, м/с;

R_ф.мин - минимальная прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

С_j - скорость распространения ультразвука в бетоне на j-ом участке контролируемой зоны конструкции, м/с;

W_j - влажность бетона на j-ом участке контролируемой зоны конструкции исследуемого сооружения, %;

W₂ - минимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (надводная часть конструкции сооружения), %;

W₃ - влажность бетона контролируемой зоны конструкции, соответствующая скорости С_n наиболее близкой к средней скорости ультразвука ( ) (зона переменного горизонта воды), %;

С _макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны конструкции, м/с;

W₁ - максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции (подводная часть конструкции сооружения), %.

Особенностями предложенного способа экспертного контроля прочности бетона являются новые методы определения скорости ультразвука и прочности бетона при отрицательных температурах в зависимости от его влажности и наличии кристаллов льда в порах бетона в исследуемых участках контролируемой зоны эксплуатируемых конструкций сооружений.

ПРИМЕР 2. Прочность бетона класса В22,5 контролируют ультразвуковым прибором УК-14ПМ в конструкции монолитной бетонной облицовки оросительного канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 3 м, ширина по дну (в) - 2 м, коэффициент заложения откосов (m) - 2. Толщина бетонной облицовки ( ) - 12 см.

Коэффициент перехода скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании к скорости при сквозном прозвучивании составляет К=1,93. База прозвучивания (I) - 120 мм. В контролируемой зоне монолитной бетонной облицовки оросительного канала намечены участки, в которых измеренная скорость ультразвука имеет максимальное (С_макс=5205 м/с) и минимальное (С_мин=4757 м/с) значения, а также участок, где скорость ультразвука имеет величину (С_n=4994 м/с) наиболее близкую к средней скорости ультразвука ( =4992 м/с).

Из каждого намеченного участка в соответствии с ГОСТ 10180-90 выбурено и испытано по два керна. По данным испытаний кернов определены значения прочностей R _ф.макс=30,5 МПа, R_ф.мин=28 МПа, R_ф.n =30,0 МПа в участках, имеющих соответственно скорости C_макс =5205 м/с, С_мин=4757 м/с, С_n=4994 м/с.

Основные данные для расчета прочности в участках конструкции монолитной бетонной облицовки оросительного канала: R_ф.мин =28 МПа; R_ф.макс=30,5 МПа; R_ф.n=30,0 МПа; С_мин=4757 м/с; С_макс=5205 м/с; =4992 м/с; С_n=4994 м/с; С_j=4757...5205 м/с; W₁=4,7%; W₂=2,2%; W₃=3,6%; W_j=2,2...4,7%.

Результаты испытаний и расчетов прочности бетона по приведенной зависимости (9) в намеченных участках монолитной бетонной облицовки оросительного канала представлены в таблице.

№ участка	Зона расположения участка	Влажность бетона на участке, % (по массе)	Скорость распространения ультразвука в бетоне, м/с		Прочность бетона в участке конструкции, определенная
			при поверхностном прозвучивани и	при сквозном прозвучивании	механическим методом по ГОСТ 10180-90, МПа	ультразвуковым методом по изобретению, МПа	погрешн ость, %
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Надводная зона	2,2	2465	4757	28,0	27,44	-2,0
2	то же	2,3	2472	4772	-	27,60	-
3	то же	2,4	2481	4788	-	27,77	-
4	тоже	2,5	2489	4804	-	28,11	-
5	тоже	2,6	2498	4821	-	28,28	-
6	тоже	2,7	2506	4837	-	28,45	-
7	то же	2,8	2515	4854	-	28,82	-
8	Зона переменного уровня	3,50	2578	4976	-	30,08	-
9	то же	3,55	2583	4985	-	30,10	-
10	то же	3,60	2588	4994	30,0	30,15	0,5
11	тоже	3,70	2597	5013	-	30,20	-
12	то же	3,80	2607	5031	-	30,24	-
13	тоже	3,90	2616	5050	-	30,32	-
14	то же	4,00	2626	5069	-	30,40	-
15	Подводная зона	4,1	2636	5088	-	30,48	-
16	то же	4,2	2646	5107	-	30,50	-
17	то же	4,3	2656	5126	-	30,33	-
18	то же	4,4	2666	5146	-	30,24	-
19	то же	4,5	2676	5165	-	30,15	-
20	то же	4,6	2686	5185	-	30,00	-
21	то же	4,77	2697	5205	30,5	29,90	-2,0
Средние значения показателей бетона					29,5	29,5	0

Предложенный способ ультразвукового контроля прочности бетона при отрицательных температурах в конструкциях сооружений, работающих во влажной среде, позволяет снизить погрешность измерений до 0,5...-2%.

Заявленный способ ультразвукового контроля прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений в процессе эксплуатации по третьему варианту осуществляют следующим образом:

Определение прочности бетона при экспертизе эксплуатируемых конструкций сооружений проводят при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона в конструкциях сооружений, изготовленных из бетона на одном виде крупного заполнителя. При этом измеряют время распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции и вычисляют среднюю скорость ( ) распространения УЗК. В контролируемой зоне намечают участки, в которых измеренная скорость ультразвука имеет максимальное (С_макс) и среднее (С_n) значения и из каждого намеченного участка в соответствии с ГОСТ 10180-90 выбуривают и испытывают не менее двух кернов. По данным испытаний кернов определяют значения максимальной (R_ф.макс) и средней (R_ф.n) прочности бетона в участках, имеющих соответственно скорости С_макс, С_n, экспериментально определяют влажность бетона (W_j) в намеченных участках контролируемой зоны конструкции сооружения и устанавливают максимальную (W _макс) влажность бетона контролируемой зоны конструкции, а также среднюю влажность бетона ( ).

Для получения числовых значений искомую прочность бетона (R) в любом участке контролируемой зоны конструкции сооружения определяют для бетонов класса по прочности на сжатие до В25 по выражению (10)

где R - прочность бетона на j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

- средняя прочность бетона в контролируемой зоне конструкции, МПа;

С_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

- средняя скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемое зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

- средняя влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе); и для бетонов класса по прочности на сжатие выше В25 по формуле (11)

где R - прочность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, МПа;

R_ф.макс - максимальная прочность бетона в контролируемой зоне, МПа;

С_j - скорость распространения ультразвука в j-ом участке контролируемой зоны, м/с;

С_макс - максимальная скорость распространения ультразвука в бетоне контролируемой зоны, м/с;

W_j - влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны, % (по массе);

W_макс - максимальная влажность бетона в контролируемой зоне, % (по массе).

Особенностями предложенного способа контроля прочности бетона являются новые методы определения скорости ультразвука и прочности бетона при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от его влажности и наличии кристаллов льда в порах бетона в конструкциях сооружений в процессе эксплуатации.

ПРИМЕР 3. Прочность бетона класса В 22,5 контролируют ультразвуковым способом в конструкции монолитной бетонной облицовки оросительного канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 2 м, ширина по дну (в) - 2 м, коэффициент заложения откосов (m) - 2. Толщина бетонной облицовки ( ) - 12 см.

База прозвучивания (1) - 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 50 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки при поверхностном прозвучивании составляет 2684,45 м/с, при сквозном прозвучивании - =1,93·2684,45=5181 м/с.

Средняя влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки после опорожнения канала от воды составляет =4,58% (по массе).

Средняя прочность бетона в конструкции бетонной облицовки, установленная по двум выбуренным и испытанным кернам на участке, где скорость распространения ультразвука наиболее близка к средней скорости ультразвука ( ), составляет 29 МПа.

Влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны бетонной облицовки канала составляет W_j=2,3% (по массе), скорость распространения ультразвука в бетоне С_j=2472·1,93=4772 м/с.

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,3% и скоростью распространения ультразвука С_j=4772 м/с, определенная по приведенной зависимости (10), составляет

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в этом же j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,3% и скоростью распространения ультразвука C_j=4772 м/с, определенная по формуле (1) в соответствии с ГОСТ 17624-87, прил.7, составляет

Погрешность при определении прочности бетона при отрицательных температурах, без учета его влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона, по ГОСТ 17624-87, прил.7 при этом составила

ПРИМЕР 4. Прочность бетона класса В35 контролируют ультразвуковым способом в конструкции монолитной бетонной облицовки магистрального канала (после его опорожнения от воды) способом поверхностного прозвучивания при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона. Параметры оросительного канала: наполнение (Н) - 3 м, ширина по дну (в) - 4 м, коэффициент заложения откосов (m) - 3. Толщина бетонной облицовки ( ) - 12 см.

База прозвучивания (1) - 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 50 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки при поверхностном прозвучивании составляет 2812 м/с, при сквозном прозвучивании - С_макс=1,93·2812=5427 м/с.

Максимальная влажность бетона контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки после опорожнения канала от воды составляет 5,3% (по массе).

Максимальная прочность бетона в конструкции бетонной облицовки, установленная по двум выбуренным и испытанным кернам на участке с максимальной скоростью распространения ультразвука, составляет 46 МПа.

Влажность бетона в j-ом участке контролируемой зоны бетонной облицовки магистрального канала составляет W _j=2,6% (по массе), скорость распространения ультразвука в бетоне C_j=2549,7·1,93=4921 м/с.

Прочность бетона на сжатие контролируемой зоны в j-ом участке монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,6% и скоростью распространения ультразвука C_j=4921 м/с, определенная по приведенной зависимости (11), составляет

Прочность бетона на сжатие в это же j-ом участке контролируемой зоны монолитной бетонной облицовки с влажностью бетона W_j=2,6% и скоростью распространения ультразвука в бетоне С_j=4921 м/с, определенная в соответствии с ГОСТ 17624-87, прил.7, составляет

Погрешность при определении прочности бетона при отрицательных температурах, без учета его влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона, по ГОСТ 17624-87, прил.7 при этом составляет

Предложенный способ контроля прочности бетона при отрицательных температурах в конструкциях, работающих во влажной среде и наличии кристаллов льда в порах бетона, позволяет снизить погрешность измерений до 1...2%.