Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона




Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




13.08.2020


13.08.2020


12.08.2020


12.08.2020


11.08.2020


10.08.2020


10.08.2020


09.08.2020


09.08.2020


09.08.2020





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

28.11.2015


При ударе по образцу в нем возникают механические колебания. Частотный спектр зависит от упругих свойств материала и формы образца. Затухание процесса колебаний зависит от свойств материала. Трещины в образце вызывают изменение звукового спектра. Наибольшее распространение получили резонансный, вибрационный, ультразвуковой, импульсный и метод акустической эмиссии.
Резонансный метод. Излучатель возбуждает гармонические колебания с различной частотой. Эти колебания регистрируют на экране электронно-лучевого осциллографа или на частотомерном индикаторе. Чётко выделяются частоты, соответствующие резонансным режимам. До резонансной частоты вычисляют динамические модули упругости Е и G, динамический коэффициент Пуассона μ:
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где fn - резонансная частота продольных колебаний; l - длина балки; fk - резонансная частота крутильных колебаний; К = f(h/l) - коэффициент, h - высота балки; ρ - плотность материала.
Декремент колебаний δ определяют по формуле
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где f1 и f2 - частоты колебаний образца по обе стороны от резонансной на уровне амплитуды колебаний 0,5Amax; F0 — собственная частота колебаний образца в форме призмы квадратного сечения или цилиндра.
Для возбуждения того или иного вида колебаний образец устанавливают на опоры по заранее назначенной схеме и размещают возбудитель и приёмник. При исследовании твердения бетона резонансные измерения производят после изготовления образца и повторяют периодически. Приёмник колебаний размещают в зоне максимальных амплитуд. Для этого его перемещают по образцу при неизменном положении возбудителя.
Вибрационный метод. Основан на определении и использовании динамических характеристик конструкций и сооружений. Испытания проводят на реальных конструкциях в резонансном режиме при воздействии гармонической нагрузки и в режиме свободных колебаний. Вибрационный метод может давать обобщённую информацию о состоянии конструкции в целом с учётом совместной работы бетона и арматуры.
Основной информационной характеристикой метода является частота собственных колебаний. На неё влияют размеры и форма элемента, модуль упругости и плотность материала, толщина защитного слоя, дефекты (трещины, посторонние включения, зоны недоуплотнения). Декремент колебаний отражает потери энергии в материале, трение на опорах, несовершенство стыковых соединений, наличие трещин, усилие обжатия бетона предварительно напряжённых конструкций.
На практике часто сравнивают полученные при испытании собственную частоту и декремент колебаний с соответствующими характеристиками эталонных образцов, изготовленных с соблюдением технических условий.
Установка для проведения вибрационных испытаний состоит из: электродинамического контактного возбудителя колебаний, генератора гармонических колебаний, усилителя мощности, датчика вибраций, лампового вольтметра, цифрового частотомера. Для проведения динамических измерений в режиме свободных колебаний используют маятниковые приспособления, наносящие единичные удары по конструкции через упругую прокладку. Запись колебаний осуществляют шлейфовым осцилографом Н-700 с вибродатчиком П-0,01.
При испытании в режиме вынужденных колебаний важное значение имеет выбор оптимальной мощности вибратора.
Испытания железобетонных конструкций на шарнирных опорах проводят при расположении опор по концам или на расстоянии 0,224L от них.
Для обеих схем амплитуда колебаний в момент резонанса на опорах равна нулю, но при первой схеме жёсткость конструкции меньше и требуется источник колебаний меньшей жёсткости. Типичные результаты опытов приведены на рис. 5.1.
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Метод свободных колебаний. Часть энергии колебания преобразуется в теплоту (энергия затухания упругих колебаний или энергия внутреннего трения). Коэффициент поглощения при медленном затухании
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где W - полная упругая энергия колебаний, отнесённая к единице объёма или длины образца; ΔW - доля упругой энергии колебаний, также отнесённая к единице объёма или длины образца; δ - логарифмический декремент (натуральный логарифм отношения амплитуд двух смежных во времени колебаний), используемый для исследования процессов внутреннего трения.
Величину lnδ принимают за параметр внутреннего трения. Внутренние энергетические потери также определяют по площади петли гистерезиса в координатах «напряжение-деформация». Потери на внутреннее трение, кроме того, определяют по резонансной кривой в процессе вынужденных колебаний. Образец подвергают воздействию переменной во времени силы, частота которой варьируется. Измеряют значения двух частот, для которых амплитуда равна резонансной. Мерой внутреннего трения является величина
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где F - резонансная частота; - частота, большая резонансной, с амплитудой, равной 0,707 амплитуде при резонансной частоте; F2 -частота, меньшая резонансной.
Ультразвуковой импульсный метод. Излучатель и приёмник ультразвука прикрепляют в разных местах конструкции и измеряют скорость механического импульса в испытываемом материале (рис. 5.2, 5.3).
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Часто приборы состоят из одного блока, включающего высокочастотный генератор и регистратор. Генератор производит в 1 с около 50 электрических импульсов длительностью около 10 мкс. Магнитострукционным или пьезоэлектрическим способом электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые механические. Приёмник снова превращает их в электрические. Затем они усиливаются перед показом на электронно-лучевой трубке. Бетон испытывают при частотах (40...60) кГц, сталь при частотах (1...10) мГц.
Скорость распространения механических колебаний определяется микроструктурой материала:
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где Еq - динамический модуль упругости; ρ - плотность материала; К=f(μ) - постоянная материала; μ - коэффициент Пуассона.
На границах двух сред ультразвук отражается. Коэффициент отражения
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

где γr, γe - интенсивность отражённого и падающего звуков; ρ1, ρ2 -плотность материала; v1, v2 - скорость звука в средах. Скорость механических колебаний в бетоне 4000 м/с при ρ = 2300 кг/м3; в воздухе -340 м/с; в воде - 1500 м/с.
Ультразвуковые волны при встрече с дефектами типа трещин или пустот отражаются от них. Прибором измеряют время пробега волны t на длине участка l:
V=l/t.

Время пробега определяется длиной разрыва сигнала на экране (рис. 5.4) и амплитудой первого импульса.
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

По скорости распространения звукового импульса можно определить прочность и однородность бетона. Градуированную зависимость «скорость ультразвука-прочность бетона на сжатие» строят следующим образом: изготавливают не менее 30 образцов размером 15x15x15 см, разбивают на серии от 3 до 5 шт., отличившиеся степенью уплотнения бетона. На каждом из кубиков измеряют время пробега импульса через образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях минимум в 5-ти точках. Вычисляют скорости прохождения ультразвука. Если время пробега отличается от среднего больше чем на 5%, то этот кубик выбраковывается. Направление прозвучивания не должно совпадать с направлением укладки бетона. Затем кубики испытывают в лаборатории на одноосное сжатие до разрушения. Значения Vi и Ri наносят на систему координат «У-R» и в корреляционном поле проводят калибровочную кривую.
Экспериментально установлена зависимость
R = kV4 или R = аеv.

По ней определяют
k = R/Vn4, МПа*с4/км4 или а = R/еv, МПа.

На поверхность конструкции наносят сетку точек измерений с ячейками от 100x100 до 500x500 мм. В узлах определяют скорости импульса Vn. По ним определяют прочность бетона:
Rn = kVn4 или Rn = aevn.

Пусть требуется определить прочность бетона в конструкциях, для которых неизвестен состав и технология изготовления бетона. Тогда поступают следующим образом: выбуривают не менее 5 бетонных цилиндров диаметром 100 мм или 25 бетонных цилиндров диаметром 50 мм. Концы обрезают и для каждого определяют скорость импульса и прочность на сжатие. Результаты необходимо скорректировать в соответствии с фактором формы (табл. 5.1):
R = GN/А, Па.

Для получения сведений об однородности бетона на конструкцию наносят сетку измерительных точек. Определяют среднее значение скорости импульса:
V = (1/n)∑Vi.

Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Среднее квадратичное отклонение
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

и однородность бетона
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

при h ≥ 0,9 однородность очень хорошая; h = 0,7...0,9 - хорошая; h = =0,55...0,7 - достаточная; h ≤ 0,5 - плохая.
В случае необходимости определения прочности бетона при реконструкции поступают следующим образом: выбуривают 5-10 образцов, определяют значение скорости импульса и прочность на сжатие, среднюю скорость ультразвука и среднюю прочность на сжатие. Затем вычисляют величину k:
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Далее намечают сетку прозвучивания, измеряют скорость импульса и прочность бетона по ранее найденному коэффициенту k:
Ri = kVi4G,

где G - фактор времени.
На плане поверхности конструкции наносят линии равных скоростей и прочностей.
Ультразвуковая дефектоскопия бетона. По ГОСТ 18353-79 для ультразвуковой дефектоскопии применяют следующие методы: временной, амплитудный, спектроскопии и реверберационный.
Временной метод основан на регистрации времени прохождения ультразвуковой волны через бетон. Применяют сквозное и поверхностное прозвучивание (рис. 5.5).
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Относительное изменение времени распространения колебаний, вызванное дефектом,
К = (tд - t0)/t0,

где tд и t0 - время распространения колебаний соответственно при наличии и отсутствии дефекта в бетоне.
Точность метода увеличивается с уменьшением толщины элемента и увеличением диаметра дефектов.
Для построения калибровочных графиков зависимости между изменением характеристик ультразвука и размерами дефектов необходимо предварительно провести испытания на образцах с эталонами дефектов.
Амплитудный метод дефектоскопии основан на оценке вследствие дифракции волн на препятствиях, отражения и поглощения их неоднородностями и кавернами. Этот метод применяют также при сквозном и поверхностном прозвучивании. Чувствительность амплитудного метода повышается с уменьшением длины волны, толщины конструкции, расстояния от излучателя до дефекта и от дефекта до приёмника (рис. 5.6).
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Ультразвуковая спектроскопия состоит во введении в бетон колебания в виде импульса с широким спектром частот и преобладающей по интенсивности частоты. Спектральные характеристики (А,f) определяют спектрометром. При взаимодействии упругого импульса с дефектами происходит его трансформация - высокочастотные колебания отфильтровываются более эффективно, чем низкочастотные. Искажение импульса из-за проявления поглощающих свойств среды с дефектами структуры происходит как следствие изменения спектрального состава импульса (рис. 5.7).
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Реверберационный метод дефектоскопии заключается в регистрации времени полного затухания импульса упругой волны в объёме образца при определённой базе измерения. При наличии стабильных или развивающихся дефектов изменяется характер процесса, и время реверберации уменьшается до двух раз.
В конструкциях, выполненных из стеклопластиков, направление стекловолокна может быть найдено при помощи ультразвука. На готовую конструкцию наносят окружность произвольного радиуса. Через две диаметрально противоположные точки пропускают ультразвуковую волну и фиксируют время её прохождения. Измеряя скорость прохождения волны в разных направлениях, определяют направление с наибольшей скоростью. Это будет ось наибольшей жёсткости материала, ось упругой симметрии и направление волокон.
Для определения напряжений применяют розетки из трёх датчиков. Два из них наклеивают вдоль осей симметрии материала, а третий - под углом 45°. Напряжение по осям упругой симметрии при δz = τzx = τyz = 0 вычисляют по формулам:
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Рекомендуют применять безпетлевые фольговые датчики. Коэффициент тензочувствительности их не зависит от поля напряжений и от ориентировки датчиков.
Метод акустической эмиссии. Основан на изменении деформационных шумов в материалах. Шум представляет собой процесс распространения механических колебаний волн напряжений. Выделены два вида акустической эмиссии: непрерывная и импульсная. Установлена связь парам сигналов акустической эмиссии с развитием структурных дефектов. Метод акустической эмиссии заключается в возбуждении, регистрации и анализе сигналов, принятых в виде волн напряжений. Он обладает высокой чувствительностью, связанной с освобождением большого количества энергии при возникновении и развитии дефектов.
Активность акустической энергии, равная числу импульсов за единицу времени, характеризует скорость разрушения объекта. При реактивной эмиссии общее число импульсов с ростом нагрузки увеличивается незначительно, при активной — общее число импульсов возрастает почти линейно с ростом нагрузки. При высокоактивной эмиссии общее число импульсов возрастает экспоненциально. Дефект быстро развивается и возможно разрушение.
Методом акустической эмиссии могут быть выделены четыре стадии формирования бетона:
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона

Вторая стадия характеризуется повышенной частотой импульсов и увеличением амплитуд; третья - большими амплитудами, остающимися почти постоянными при неизменной скорости нагружения; последняя - стремительным возрастанием эмиссии и разрушением образца. При растяжении бетона число выделяющихся импульсов примерно вдвое меньше, чем при сжатии.
Приведем блок-схему измерительной установки (рис. 5.8).
Многие материалы обладают исторической памятью и при повторном загружении не излучают сигналов акустической эмиссии, пока действующая нагрузка не превысит прежний максимальный уровень (явление Кайсера).
Методы, основанные на использовании механических колебаний, для испытания бетона