Импульсный ультразвуковой метод.

Лабораторная работа № 2

Неразрушающие методы испытания

 

При оценке несущей способности и общего состояния конструкции одним из основных факторов является прочностные показатели материала конструкции.

Классический способ определения механических свойств строительных материалов является испытание до разрушения образцов определённой формы и размера.

В случае проверки прочности бетона существующей конструкции или сооружения это осуществляется извлечением из него образцов: выкалыванием, выпиливанием и высверливанием. При этом нарушается целостность самой конструкции и «естество» вынимаемого образца – нарушается структура, появляются трещинки и т.д. (ГОСТ -10180-67).

Развитие физики и радиоэлектроники позволило разработать и внедрить в исследовательскую практику так называемые неразрушающие методы контроля качества материала. Условно их можно разделить на: физические, механические и комплексные.

Наряду с большими преимуществами (целостность конструкции, многократное испытание, быстрота и определение параметров в любой точке конструкции) этого метода можно отметить его недостатки: результат не получают непосредственно в виде искомого фактора, а виде косвенного показателя (скорость прохождения ультразвука, диаметр отпечатка…).

Рассмотрим подробнее отдельные виды приборов неразрушающего метода испытаний.

 

Резонансный метод.

 

Этот метод основан на возбуждении колебаний в образцах. Колебания переменной частоты изгибные, крутильные, продольные. После снятия показаний строят резонансную кривую. Далее по этой кривой определяют динамический модуль сдвига G, логарифмический декремент затухания δ и показатель прочности бетона.

При определении частот собственных колебаний и логарифмического декремента затухания колебаний, работающих на статические и динамические нагрузки. Используют изгибные колебания.

Частоту изгибных колебаний (в гц), определяют по формуле:

Где, f – частота собственных колебаний (гц).

λ – коэффициент, характеризующий тон колебаний, вид опорного закрепления или для арочных конструкций стрелу подъёма.

E×J – приведённая жёсткость материала конструкции;

m – погонная масса (кг сек²/см²);

Т – поправочный коэффициент, зависящий от отношения высоты сечения к пролёту (h/1) и коэффициента Пуассона:

Для h/1 = 0,03-0,05 Т = 1,02

l – длина элемента (см).

 

Рис. 10

 

 

Логарифмический декремент колебаний определяется по ширине резонансного пика на уровне половины максимальной амплитуды по формуле:

f₀ – резонансная частота колебаний элемента.

f₁ и f₂ – частоты колебаний, соответствующие амплитудам, равным 0,5a_max до и после резонанса.

 

Рис. 11

 

Испытуемый элемент устанавливается на опоры стенда. Частота собственных колебаний стенда в 12-15 раз больше, чем собственная частота элемента. С помощью возбудителя (3) установленного внизу балки посередине в ней возбуждают незатухающие колебания. В том же месте, но с верхней стороны образца установлен приёмник с усилителем (4), который соединён с осциллографом.

Резонанс – совпадение частот собственных и вынужденных колебаний. Значение резонансной частоты определяется по шкале генератора колебаний.

Для определения предела прочности бетона резонансным методом применяют приборы типа ИЧМК-2, ИАЗ, УЗ-5, ПИК-8 и т.д.

Прочность бетона оценивается с помощью специальной тарировочной кривой, построенной для бетона испытываемого образца.

Динамический модуль упругости можно выразить через частоту собственных продольных колебаний:

l₂ – длина образца,

ρ – акустическая плотность бетона,

f_n – частота собственных колебаний образца.

 

Коэффициент Пуассона:

К – коэффициент формы сечения образца.

f_пр и f_кр – частоты собственных колебаний образца при продольных и крутильных колебаниях.

К_цил. = 0,5. К_призм = 0,423.

 

Импульсный ультразвуковой метод.

 

Механические колебания, частота которых превышает 20кгц, называются ультразвуковыми.

В твёрдых телах могут распространяться продольные, поперечные (сдвиговые) и поверхностные волны.

Рис. 12 Ультразвуковые волны:

Продольные Поперечные Поверхностные

1 – направление вибрации; 2 – направление волн

 

Скорости продольных волн примерно вдвое больше скорости поперечных. Скорость поперечных примерно на 10% меньше поверхностных.

Между скоростью распространения ультразвука V (м/сек), длиной волны λ (м) и частотой f (гц) существует зависимость:

Скорость распространения ультразвука зависит от плотности и упругости среды:

ρ – акустическая плотность среды:

γ – объёмная масса материала.

g – ускорение силы тяжести.

Эта формула соответствует стержневым телам (призма, цилиндр) с соотношением размеров l:d>5 и λ>3d (l – длина стержня, d – диаметр).

Для типа (d<2λ) скорость определяется по формуле:

М_g – динамический коэффициент Пуассона, определяемый отношением скоростей распространения продольных V_прод и поперечных V_поп волн:

В бетонных массивах при d ≤2λ скорость распространения ультразвуковых поперечных волн равна:

В неоднородных телах при распространении ультразвуковых волн всех видов имеет место отражение, перелом и дифракция, законы которых аналогичны законам оптики.

Для получения ультразвука существует несколько способов, в том числе пьезоэлектрический. Он основан на способности некоторых кристаллов менять свои размеры под воздействием электрического ток а. Такими свойствами обладает кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д. это свойство обратимое (т.е. при деформировании таких веществ на них выделяется электрический заряд) и называется пьезоэффектом.

 

Рис. 12

 

Высокочастотный электронный генератор 1 периодически посылает импульсы в излучатель (датчик) 2, в котором находится пьезоэлемент, преобразующий электроимпульсы в ультразвуковые. Пройдя исследуемый бетонный элемент 3 импульсы попадают на приёмный щуп (датчик) 4, где они преобразуются в электрические импульсы. Пройдя через усилитель 5 сигнал попадает на экран осциллографа 6.

В момент попадания электрического импульса на щуп-излучатель на экране осциллографа появляется зубец «а», зубец «b» появится при поступлении на щуп-приёмник ультразвуковой волны после прохождения ею материала. Специальный блок меток электронного времени показывает время прохождения: - метки. Умножая количество меток между зубцами на цену деления, получим время t в микросекундах.

Первый прибор был изготовлен в МГУ в 1947г. Сейчас имеются несколько типов приборов: УП-4; УКБ-1 и 1М; ДУК-20; Бетон-3М и др.

 

Определение прочности бетона ультразвуковым методом производят следующим способом:

1. Выбирается место «прозвучивания». Раковины и трещины заштукатуривают и затирают.
2. Железобетонные конструкции и изделия с большой площадью поверхности прозвучивают в точках, расстояние между которыми 1-2м.
3. При испытании железобетонных конструкций направление движения ультразвуковой волны не должно совпадать с направлением арматуры.
4. В точках соприкосновения щупов и поверхности бетона покрывают акустической смазкой (машинное масло; жидкое мыло; солидол; технический вазелин). При серийном испытании конструкций смазка должна быть одинаковой.
5. Схема измерения (расположения щупов) зависит от размеров элементов и доступности их поверхностей.

 

a) Сквозное прозвучивание – при доступности обоих поверхностей элемента при толщине бетонного массива до 15см.

b) При невозможности установки щупов на одной прямой.

c) При доступности одной стороны.

d) Тоже взаимно перпендикулярных сторон.

 

Автоматический измеритель деформаций АИД-1М:

1- рукоятка устройства для балансировки моста на фазе; 2- шкала; 3- клемма для заземления прибора; 4- выключатель сетевого питания; 5- стрелки; 6- клеммы А, 0, К для подключения тензорезисторов; 7- индикаторная лампа.

Прочность бетона исследуемой конструкции определяют по тарировочной кривой, которую заранее строят для заданного состава бетона. Тарировочную кривую строят путём параллельных испытаний стандартных кубов 20×20×20см в количестве 48шт, производится сопоставление скорости прохождения ультразвука и предела прочности на сжатие на прессе.

Направление прозвучивания должно быть перпендикулярно бетонированию. Для прозвучивания выбирают 4 точки по углам куба и одну в середине. В этих точках измеряют базу прозвучивания (толщину куба).

А и в – эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам обработки испытаний.

е – основание натурального логарифма.

ρ – плотность материала.

При отсутствии возможности построения тарировочной кривой ориентировочное значение прочности бетона можно определить по формуле:

R_C,V – среднее значение предела прочности по данным испытания контрольных кубов.

V_К – скорость распространения ультразвука в бетоне.

V – средняя скорость распространения ультразвука в контрольных кубах.