ультразвуковой способ контроля толщины поврежденного слоя бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений

Формула изобретения

Ультразвуковой способ контроля толщины поврежденного слоя бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений, включающий дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем неподвижной установки на бетонной поверхности излучателя и последовательного перемещения приемника с постоянным шагом от 10 до 100 мм по линии, проходящей через точку установки излучателя, фиксирование отсчета времени распространения ультразвуковых продольных волн при каждой установке приемника, построение годографа скорости, определение перелома линии годографа на границе раздела поврежденного и неповрежденного бетона, установление скоростей ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона и определение толщины поврежденного слоя бетона, отличающийся тем, что дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем неподвижной установки на бетонной поверхности излучателя и последовательного перемещения приемника с постоянным шагом от 10 до 100 мм по линии, проходящей через точку установки излучателя, фиксирование отсчета времени распространения ультразвуковых продольных волн при каждой установке приемника и установление скоростей ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, причем устанавливают влажность неповрежденного и поврежденного слоев бетона, а толщину поврежденного слоя бетона с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в его порах определяют расчетом из зависимости

где - толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции, мм;

L - расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа скорости, мм;

С₁ , C₂ - соответственно скорости ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, м/с;

W₁ и W ₂ - соответственно влажности неповрежденного и поврежденного слоев бетона, % (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 дефектов и повреждений бетонных и железобетонных конструкций в процессе их строительства, реконструкции и эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона.

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.

Наиболее близким приемом к заявленному объекту является способ ультразвукового контроля толщины поврежденного с поверхности слоя бетона, включающий дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем неподвижной установки на бетонной поверхности излучателя и последовательного перемещения приемника с постоянным шагом (от 10 до 80...100 мм) по линии, проходящей через точку установки излучателя, фиксирование отсчета времени распространения ультразвуковых продольных волн при каждой установке приемника, построение годографа скорости, определение перелома линии годографа на границе раздела поврежденного и неповрежденного бетона, установление скоростей ультразвука, соответственно в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, а также определение толщины поврежденного слоя бетона по формуле

где: L - расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа скорости, мм;

C₁ , C₂ - соответственно скорости ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, м/с (см., например. Почтовик Г.Я. и др. Методы и средства испытания строительных конструкций. Под Ю.А.Нилендера. Учеб. пособие для вузов / М.: Высшая школа, 1973. - С.70...75).

Описанный способ не учитывает влияние влажности бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения в нем 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 толщины поврежденного слоя бетона 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 толщины поврежденного слоя бетона 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 толщины поврежденного с поверхности слоя бетона 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, в известном способе ультразвукового контроля толщины поврежденного слоя бетона, включающем дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем неподвижной установки на бетонной поверхности излучателя и последовательного перемещения приемника с постоянным шагом от 10 до 80...100 мм по линии, проходящей через точку установки излучателя, фиксирование отсчета времени распространения ультразвуковых продольных волн при каждой установке приемника, построение годографа скорости, определение перелома линии годографа на стыке поврежденного и неповрежденного бетона, установление скоростей ультразвука (C₁, С₂), соответственно, в неповрежденном и поврежденном слоях бетона и определение толщины поврежденного слоя бетона, согласно изобретению, дефектоскопию бетонных и железобетонных конструкций ультразвуковым продольным профилированием путем неподвижной установки на бетонной поверхности излучателя и последовательного перемещения приемника с постоянным шагом от точки установки излучателя, фиксирование отсчета времени распространения ультразвуковых продольных волн при каждой установке приемника в установление скоростей ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, причем устанавливают влажность неповрежденного и поврежденного слоев бетона, а толщину поврежденного слоя бетона с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в его порах определяют расчетом из зависимости

где - толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции, мм;

L - расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа скорости, мм;

C₁ , С₂ - соответственно скорости ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, м/с;

W₁ и W ₂ - соответственно влажности неповрежденного и поврежденного слоев бетона, % (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 относительно 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 C_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;

С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% для бетонов класса В 15...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 С_о - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0%, м/с;

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

показатель величины обратной относительно 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 толщины поврежденного с поверхности слоя бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений.

Для определения толщины поврежденного слоя бетона при отрицательных температурах окружающей среды с учетом его влажности и наличия кристаллов льда в его порах в эксплуатируемых конструкциях сооружений по результатам экспериментальных и теоретических исследований получена следующая регрессивная модель

где - толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции, мм;

L - расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа скорости, мм,

C₁ , C₂ - скорости ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, м/с;

W₁, W₂ - влажности неповрежденного и поврежденного слоев бетона, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной модели (5) составляет 0,985.

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

Предложенный способ ультразвукового контроля толщины поврежденного с поверхности слоя бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды следующим образом.

На поверхности конструкции сооружения (см. фиг.3) в зоне ненарушенной структуры бетона 1 неподвижно устанавливают излучатель 2, а приемник 3 последовательно перемещают с постоянным шагом (от 10 до 80...100 мм) по линии, проходящей через точку установки излучателя 2.

При каждой установке приемника по прибору снимают отсчет времени распространения ультразвуковых волн, пришедших в первом вступлении.

Строят график зависимости времени (t) от расстояния (x) между излучателем и приемником, называемый годографом скорости, определяют перелом линии годографа 4 на стыке поврежденного и неповрежденного бетона, устанавливают скорости ультразвука (C₁, C₂ ) и влажности бетона (W₁, W₂), в неповрежденном и поврежденном слоях бетона.

Для получения числовых значений искомую толщину ( ) поврежденного слоя бетона на любом участке контролируемой зоны конструкции сооружения определяют по формуле (5)

где - толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции, мм;

L - расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа скорости, мм,

C₁ , С₂ - скорости ультразвука в неповрежденном и поврежденном слоях бетона, м/с;

W₁, W₂ - влажности неповрежденного и поврежденного слоев бетона, % (по массе).

Особенностями предложенного способа ультразвукового контроля дефектов и повреждений бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений являются новые методы определения скорости ультразвука и толщины поврежденного слоя бетона при отрицательных температурах окружающей среды в зависимости от его влажности и наличия кристаллов льда в порах бетона в исследуемых участках контролируемой зоны 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 наличия кристаллов льда в порах бетона. Параметры оросительного канала:

наполнение (Н) - 2м, ширина по дну (B) - 1,5 м, коэффициент заложения откосов (m) - 2. Толщина бетонной облицовки (h) - 12 см.

Излучатель установлен неподвижно на поверхности бетонной облицовки в зоне неповрежденного бетона, а приемник последовательно перемещается с постоянным шагом 20 мм по линии, проходящей через точку установки излучателя.

По результатам ультразвуковых испытаний в 60 участках контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки, после построения годографа скорости установлено:

- средняя скорость ультразвука при поверхностном прозвучивании в неповрежденном слое бетона составляет C₁=2600 м/с;

- средняя скорость ультразвука при поверхностном прозвучивании в поврежденном слое бетона составляет С₂=2100 м/с;

- расстояние от излучающего преобразователя до точки перелома годографа L=180 мм;

- средняя влажность в зоне неповрежденного бетона составляет W₁=3,2% (по массе);

- средняя влажность в зоне поврежденного бетона составляет W₁=6,5% (по массе);

Толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, определенная по приведенной зависимости (5), составляет

Толщина поврежденного слоя бетона на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала, 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, формула (41)), составляет

Погрешность при определении толщины поврежденного слоя бетона (без учета его влажности) на участке контролируемой зоны конструкции монолитной бетонной облицовки канала по прототипу при этом составила

Предложенный способ неразрушающего контроля позволяет значительно повысить точность определения толщины поврежденного слоя бетона при отрицательных температурах окружающей среды и наличия кристаллов льда в порах бетона в эксплуатируемых конструкциях сооружений, работающих во влажной среде; погрешность измерений составляет 1...2%.