Ультразвуковой способ контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин
Владельцы патента RU 2262695:
Государственное научное учреждение Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий (RU)
Использование: для контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин. Сущность: заключается в том, что контроль бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин включает 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 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, при этом на бетонной поверхности конструкции сооружения, на одинаковом расстоянии от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на базе L, устанавливают излучатель и приемник УЗК, определяют среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, после чего рассчитывают глубину трещин в бетоне согласно математическому выражению. Технический результат: повышение точности и надежности определения глубины трещин в бетоне повышенной влажности. 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 конструкций в процессе их строительства, реконструкции и эксплуатации.
Известен способ неразрущающего 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) высокая 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 измененной 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 влияния влажности бетона в конструкциях сооружений на скорость распространения УЗК. По этой причине определение глубины трещин в бетоне при дефектоскопии бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации вышеуказанным способом осуществляется с большой погрешностью.
Сущность заявленного изобретения
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание способа ультразвукового контроля глубины трещин в бетоне в эксплуатационных условиях повышенной влажности.
Технический результат - повышение точности и надежности определения глубины трещин в бетоне повышенной влажности.
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 волны, огибающей трещину, и времени распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне на фиксированной базе, определение скорости продольных волн в ненарушенном бетоне, а также определение расчетом глубины трещины в бетоне по формуле
согласно изобретению скорость распространения ультразвука и глубину трещин в бетоне определяют расчетом в зависимости от его влажности по уравнению
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - 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).
Изобретение поясняется иллюстрированным материалом.
На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности (зависимость 1 для бетона класса В 12,5 по прочности на сжатие; зависимость 2 - для класса В 22,5; зависимость 3 - для класса В 25; зависимость 4 - для класса В 35...40).
На фиг.2 - зависимость интегрального показателя 
относительного параметра скорости распространения ультразвука в бетонах класса В 12,5...В 40 по прочности на сжатие от их влажности.
Заявленный способ реализуют следующим образом.
Кривые на фиг.1 описываются уравнением степенной функции следующего вида:
где Сj - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;
С0 - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% (для бетонов класса В 12,5...В 40 по прочности на сжатие, С0 изменяется соответственно в пределах 4050...4600 м/с;
2,85 и 3,2 - эмпирические коэффициенты пропорциональности, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;
W - влажность бетона, % (по массе).
Коэффициент корреляции данной зависимости (4) составляет К=0,997.
График на фиг.2 описывается уравнением убывающей степенной функции
где С0 - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0%, м/с;
Сj - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;
W - влажность бетона, % (по массе);
0,00065 и 3,2 - эмпирические коэффициенты, установленные в результате исследований.
Коэффициент корреляции полученной зависимости (5) составляет К=0,996.
На фиг.3 - схема реализации ультразвукового способа контроля бетонных и железобетонных конструкций сооружений в процессе эксплуатации на наличие глубоких трещин.
Для определения глубины трещин в бетоне с учетом его влажности в эксплуатируемых конструкциях сооружений по результатам экспериментальных и теоретических исследований получена следующая регрессивная модель:
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - 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 (6) составляет 0,98.
Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного способа, заключаются в следующем.
Предложенный способ ультразвукового контроля глубины трещин в бетоне эксплуатируемых конструкций сооружений осуществляют 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 время распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне (t) на базе L.
Определяют скорость продольных волн в ненарушенном бетоне (С).
Для получения числовых значений искомую глубину (h) трещины в бетоне диагностируемой конструкции сооружения определяют по формуле (6)
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - 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 в зависимости от его влажности 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. Параметры оросительного канала: наполнение (H) - 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 обоим 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:
- скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне составляет С=4,494 км/с;
- время распространения волны, огибающей трещину t1=37,8 мкс;
- время распространения продольных волн УЗК на базе L=120 мм в ненарушенном бетоне t=26,7 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 (6), 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 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 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 глубины трещин в бетоне эксплуатируемых конструкций сооружений, работающих во влажной среде; погрешность измерений составляет 2...3%.
Ультразвуковой способ 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 волны, огибающей трещину, и 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, отличающийся тем, что на бетонной поверхности конструкции сооружения, на одинаковом расстоянии 
от оси трещины, а в ненарушенном бетоне на базе L устанавливают излучатель и приемник УЗК, определяют среднюю влажность ненарушенного бетона и среднюю влажность бетона в зоне трещины на участке установки излучателя и приемника УЗК, после чего рассчитывают глубину трещины в бетоне согласно выражению
где h - глубина трещины в бетоне, мм;
С - скорость распространения продольных волн УЗК в ненарушенном бетоне, км/с;
t1 - время распространения волны, огибающей трещину, мкс;
t - 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.%.
