Неразрушающие методы контроля

В практике обследования и испытания жилых зданий используются следующие методы контроля.

Механические методы испытания. Первую группу механических методов испытаний составляют ударные способы, основанные на гипотезе о связи между твердостью материала и его прочностью. Простейшим из них является способ определения прочности молотком И.А. Физделя. При локтевых ударах (в момент нанесения удара локоть руки прижат к поверхности испытываемой конструкции) молотка по поверхности конструкции на последней остаются отпечатки — лунки, по среднему диаметру которых в соответствии с тарировочной кривой определяют прочность материала (бетона, раствора, естественных камней). Точность этого способа невелика, так как сила удара не регламентирована.

Ббльшую точность дают ударные приборы, позволяющие сравнивать размеры лунок на поверхности конструкций и эталонном образце, образованных при одном ударе. При ударе эталонным молотком К.П. Кашкарова получается одновременно два отпечатка — на эталоне и конструкции. Отношение диаметров получаемых отпечатков зависит от твердости бетона и твердости металла эталонного стержня и практически не зависит от скорости, направления и силы удара, наносимого молотком.

При этом за косвенную характеристику прочности бетона или другого каменного материала принимают среднюю величину отношения ряда отпечатков, по значению которой с помощью тарировоч-ной кривой находят среднее значение прочности материала.

К ударным приборам этого типа относится и склерометр СД-2. Рабочим элементом склерометра является диск диаметром 20 мм с толщиной рабочей части 1 мм. Ребро диска приводят в соприкосновение с поверхностями испытываемого образца и эталона и производят легкий удар по направляющей. При этом на поверхности образца и эталона образуются отпечатки ребра диска. По соотношению отпечатков с помощью тарировочной кривой определяют прочность бетона и раствора.

Широкое применение при испытании бетонных и железобетонных конструкций нашли способы ударного действия с постоянной энергией удара (пистолет ЦНИИСКа им. В.А. Кучеренко, прибор ПМ). Однако при испытании кирпичной кладки ударные способы могут быть использованы частично, только применительно к растворам в швах кладки, так как кирпич при ударе разрушается (откалывается) и размер отпечатка не может быть зафиксирован. Поэтому прочность кирпичной кладки определяют дифференцированно: прочность кладки — импульсным акустическим способом, а прочность раствора — склерометрическим способом.

Для определения прочности раствора в кирпичной кладке исследовалась возможность использования прибора СД-2. В лабораторных условиях для различных видов раствора — цементного, сложного и известкового — по результатам испытания образцов была получена корреляция прочности каждого из видов раствора и отношения отпечатков на образце и эталоне (рис. 6.1). При этом особое внимание уделялось выяснению возможности применения такого способа при разной ширине шва. Для определения степени влияния ширины шва на показания прибора были изготовлены образцы формы, приведенной на рис. 6.2. При испытании каждого образца по поверхности раствора в шве кладки наносили серию ударов. Удары производили на расстоянии 2 мм один от другого с таким условием, чтобы ширина шва в точках испытания изменялась в пределах от 3 до 300 мм с шагом 3 мм. Результаты анализа данных испытаний приведены на рис. 6.2. Как видно из графика, при толщине шва более 10 мм влияние стесненных условий для склерометра СД-2 становится незначительным.

Ко второй группе механических методов относится метод выры-ва, основанный на гипотезе о связи между прочностью материала и силами сцепления в нем. Сущность метода испытания твердого связного материала в конструкциях на совместный отрыв и скалывание заключается в оценке прочностных свойств материала по величине усилия, которое необходимо приложить, чтобы вырвать закрепленные в конструкции разъемный корпус и специальный стержень. 

Для испытания бетона на отрыв и скалывание применяют прибор ГПНВ-5, с помощью которого вырывают заделанные в бетон разъемные конусы или стержни. Величину вырывного усилия определят по шкале манометра. Переход от косвенных показателей прочности к значению действительной прочности бетона в конструкции производится по тарировочным кривым. Прибор ГПНВ-5 может использоваться также и для комплексных испытаний. С помощью этого прибора можно получить второй косвенный показатель прочности — диаметр отпечатка.

Следует отметить, что если ударным способом можно определить прочность материала только на поверхности конструкции, то при вы-рыве закладной детали из конструкции находят интегральное значение прочности материала на глубину разъемного конуса или стержня, что приближает условия испытаний к реальным.

К механическим методам испытаний относится компенсационный способ определения напряженного состояния материала массивных конструкций, предложенный В.И. Кравцовым и С.Я. Эйдель-маном. Этот способ заключается в следующем. Ниже сечения, по которому определяют напряжение, фиксируют по паре точек, расстояние между которыми замеряют с точностью до 0,01 мм. Затем над одной парой точек пробивают борозду на глубину 30—40 см, что приводит к разгрузке поверхностного слоя конструкций. В этом случае расстояние между точками данной пары увеличивается. После этого материал конструкции снова нагружают, вводя в борозду компенсатор, представляющий собой жесткое стальное кольцо, перекрытое с двух сторон гибкой или жесткой мембраной. С помощью компрессора в кольце создается давление, при котором расстояние между точками станет равным первоначальному. При этом давление, создаваемое компрессором, принимают равным напряжению конструкции в этом сечении.

Физические методы испытания материалов и конструкций. Из физических методов испытаний широкое распространение получили импульсный акустический, радиометрический и магнитометрический методы. При испытаниях строительных материалов и конструкций физическими методами измерения проводят специальными электронными приборами.

Радиометрический метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма-излучения с исследуемой средой. Взаимодействие излучения с веществом определяется основным законом ослабления ионизирующего излучения, который имеет вид

I=I₀e^µx

где I и I₀ — интенсивность излучения после и до взаимодействия с материалом; е — основание натуральных логарифмов; x: — толщина испытываемой конструкции; µ — линейный коэффициент ослабления,

µ=µ'/ρ

где µ' — массовый коэффициент ослабления; р — плотность материала.

Для определения плотности строительных материалов используют источники Cs-137 и Со-60, энергия которых Е= 0,66 и 1,25 МэВ соответственно.

Плотность строительных материалов можно найти методом сквозного просвечивания или методом рассеяния. Если к конструкции возможно подойти только с одной стороны, для определения плотности применяют метод рассеяния, при котором источник излучения и счетчик импульсов находятся у одной и той же поверхности конструкции. Датчиком для определения плотности является выносной элемент ИГТ-3. Счетно-запоминающим устройством служат радиомеры типа Б-3 или Б-4.

Для определения плотности материала в конструкции необходимо знать величину насыщения — минимальную толщину конструкции, при которой можно найти плотность материала методом рассеяния. Значения этой величины для Е- 1,25 и 0,66 МэВ при испытании различных материалов приведены в табл. 6.14.

Табл ица 6.14. Значения плотности материала в конструкции

Данные табл. 6.14 позволяют выбрать тип источника для того или иного материала и способ просвечивания в зависимости от толщины испытываемой конструкции. При испытаниях материала методом 

рассеяния необходимо учитывать влияние граничных условий, поэтому расстояние от края испытываемой конструкции до датчика должно быть не менее величины насыщения. Плотность материала определяют по тарировочной кривой / = /(р), которая строится по результатам испытания серии образцов плотностью 0,5—2,5 т/м3, размерами 500 х 500 х 250 мм.

Нейтронный метод определения влажности материалов основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на легких ядрах, в первую очередь на ядрах водорода. Характеристика степени замедления нейтронов — логарифмический декремент затухания энергии — является функцией относительной атомной массы элементов среды.

В противоположность декременту затухания число столкновений, необходимых быстрому нейтрону для замедления до уровня теплового (медленного) нейтрона, с уменьшением относительной атомной массы элементов уменьшается и для водорода является минимальным.

В табл. 6.15 приведены значения величины декремента затухания £ и числа столкновений п для наиболее легких химических элементов, входящих в состав каменных строительных материалов при относительной атомной массе А.

Таблица 6.15. Значения декремета затухания

Как видно из табл. 6.15, наибольшим значением декремента затухания при минимальном числе столкновений обладают водород и соответственно вода. Декремент затухания для основного элемента, входящего в состав каменных строительных материалов (искусственных и естественных), составляет 0,0677, т. е. значительно меньше, чем для водорода. Таким образом, появление медленных нейтронов с наибольшей вероятностью свидетельствует о наличии в материале атомов водорода, т. е. число замедленных нейтронов является функцией влажности материала (в том числе когда водород не входит в химический состав материала). В качестве источников нейтронного излучения применяют Ra—Be, Ро—Be и др.

В комплект аппаратуры для нейтронного метода измерения влажности входят датчик НВ-3 и счетно-запоминающее устройство СЧ-3, СЧ-4 или прибор «Бамбук», с помощью которого можно получить сведения о влажности материала по тарировочным графикам или непосредственно по шкале.

Датчик в зависимости от цели использования или условий испытания может работать по схемам рассеяния или сквозного просвечивания. Для измерения влажности материала эксплуатируемых конструкций целесообразно использовать схему рассеяния.

Для измерения влажности древесины применяют электронный влагомер ЭВ-2М, принцип действия которого основан на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Прибор состоит из щупа и преобразователя, расположенного в пластмассовом корпусе. Для измерения влажности в диапазоне 7—22 % прибор представляет собой ламповый омметр, в диапазоне 20—60 % — магнитоэлектрический омметр. При работе иглу щупа прибора вводят в древесину; показания прибора соответствуют влажности сосны (для других пород имеется переводная таблица).

Импульсный акустический метод, получивший наиболее широкое распространение, основан на использовании закономерности распространения упругих волн в материале.

Импульсный акустический метод может применяться самостоятельно и в комплексе с другими методами. Как самостоятельное средство этот метод применяется для оценки однородности материала конструкций, определения коэффициента Пуа-сона, изучения процессов структурных изменений в несущих конструкциях под воздействием нагрузок или внешней среды, установления прочности материалов (тяжелого бетона, тяжелых естественных камней), определения наличия и зоны распространения дефектов в конструкциях (трещины, пустоты, инородные включения и пр.).

В комплексе с другими методами импульсный акустический метод применяется для определения модуля упругости материала и прочности легких каменных материалов в конструкциях (керамзито-бетон, шлакобетон, кирпич, кирпичная кладка и пр.).

Указанным методом с помощью электронной аппаратуры могут быть получены следующие акустические характеристики материала:

скорость переднего фронта продольных Q, поперечных Сг и поверхностных Сз волн; основная частота/свободных колебаний системы частиц среды;

характеристики затухания амплитуды колебаний. Зная плотность среды р, которая может быть определена радиометрическим методом, и акустические характеристики, можно найти ряд физических параметров, описывающих упругие и вязкие свойства материала. К таким параметрам относят:

• коэффициент Пуассона µ, определяемый по соотношению скоростей продольных и поперечных волн. Для трехмерной среды

• динамический модуль упругости Н для трехмерной среды

Н = kρC₁²

где k=(1 +µ)(1-2µ)/(1-µ);

• акустическое сопротивление среды ρС;

• акустическую жесткость среды ρCf.

Использование зависимости физических и механических характеристик материала позволяет определить прочность материала и де-формативность конструкции и исследовать изменения в структуре материала без разрушения конструкции.

Скорости распространения переднего фронта продольных, поперечных и поверхностных волн в образцах и конструкциях определяют акустическим микросекундомером УКВ-1, с помощью которого может быть осуществлено сквозное и поверхностное прозвучивание конструкций. При поверхностном прозвучивании на осциллограмме можно наблюдать время прихода переднего фронта продольных, поперечных и поверхностных волн. В этом случае при одной и той же фазе измерения могут быть определены значения скоростей всех типов волн. Наиболее точные результаты дает метод продольного профилирования (рис. 6.3). При измерении излучатель устанавливают на фиксированную точку постоянно, а приемник перемещают от излучателя с любым выбранным шагом (обычно 2—5 см). Первоначально приемник размещают на расстоянии от излучателя на менее 1,5А, (А. — длина волны). Для каждого положения приемника определяют время первого вступления или характерные фазы продольной, поперечной и поверхностной волн. На графике в координатах «база измерения — время» наносят точки, соответствующие последовательным

положениям приемника. По точкам проводят линии годографа скорости. Тангенс угла, образованного наклоном линии годографа к оси ординат, соответствует скорости распространения данного вида волн.

С помощью импульсного акустического метода может быть выявлена дефектность каменных конструкций. Для определения глубины распространения трещины, выходящей на поверхность конструкции, используется способ построения годографа. По локальному увеличению времени (разрыв годографа) прохождения акустического импульса в зависимости от базы измерения при фиксированном положении датчика вычисляют глубину трещины. Невидимые дефекты конструкций (пустоты, инородные включения и т. д.) и зону их распространения выявляют методом последовательного приближения при сквозном прозвучивании конструкций.

С помощью указанного метода может быть также установлена прочность материала по корреляции между прочностью и его физическими характеристиками — скоростью распространения упругих волн, акустическим сопротивлением или акустической жесткостью среды. Для бетона и его аналогов (газобетона, керамзитобетона и шлакобетона) указанные зависимости уже установлены. Возможность применения импульсного метода для определения прочности кирпичной кладки до настоящего времени исследована недостаточно полно.

Теорией распространения волн напряжений в твердых телах установлено, что в них независимо от метода возбуждения распространяются два вида волн — продольные и поперечные, а при конечных размерах конструкций, кроме указанных, на границе раздела сред — еще и поверхностные волны. Поэтому при установлении различного рода корреляций необходимо идентифицировать тип волны для получения сопоставимых результатов испытаний материалов и конструкций. Для этих целей могут быть использованы известные соотношения между геометрическими размерами исследуемого изделия и длиной волны, размером излучателя и длиной волны и т. д.

На практике из-за конечных размеров конструкции амплитуда | поперечных и поверхностных волн может искажаться даже в самом начале в связи с интерференцией, возникающей при приходе отраженных эхо-импульсов одновременно с поперечной или поверхностной волной. Кроме того, при установке датчиков на испытываемую конструкцию необходимо учитывать величину (притяженность) ближней зоны волнового поля (зона дифракции Френеля), где интенсивность колебаний резко меняется. Протяженность ближней зоны зависит от соотношения между диаметром излучателя и длиной упругой волны X. Варьируя частоту излучателя, можно выбрать наиболее удобное расположение приемника и излучателя.

Зачастую приходится изменять частоту излучателя, так как в зависимости от соотношения геометрических размеров конструкций в последних продольные волны могут распространяться с разной скоростью (от скорости в массиве до скорости в стержне). Условием образования продольной волны в стержне, проходящей со скоростью Сст, является наличие такого соотношения поперечных размеров конструкции и длины волны, при котором сохраняется отношение d/X < 0,17. При отношении 1 > d/\ > 0,5 на одном и том же образце при различных базах измерения можно обнаружить две продольные волны, распространяющиеся со скоростью в стержне Сст и в массиве См соответственно. При отношении d/X > 1 в конструкциях распространяется продольная волна со скоростью См.

Анализ приведенных теоретических предпосылок позволяет выбирать те или иные частоты зондируемых волн таким образом, чтобы получить скорости продольных волн, соответствующие скоростям волн в массиве или в стержне.

При испытаниях кирпича для уверенной регистрации скорости продольных волн в массиве необходимо иметь длину волны не более 3,5 см, что при скорости 1800—200 м/с соответствует частоте излучателей 60 кГц. Протяженность ближней зоны в этом случае будет равна 6 см при обычных излучателях. Следовательно, теоретически на кир- I пиче стандартных размеров при использовании серийной аппарату- f ры, в комплект которой входят излучатели частотой 60 кГц, можно определять скорость продольных волн в массиве, а с применением поверхностного метода прозвучивания и способа построения линейного годографа — скорости поперечных и поверхностных волн.

Зная плотность кирпича или измерив ее радиометрическим способом, можно по известным выражениям теории упругости определить упругие постоянные кирпича: динамический модуль упругости Ни динамический коэффициент Пуассона \х. При рассмотрении диаграммы ст — е модуль упругости, полученный импульсным акустическим методом, является первоначальным, соответствующим касательной и кривой, проведенной из начала координат.

Анализ результатов исследований зависимости начального модуля упругости кирпичной кладки и ее прочности свидетельствует о пропорциональности начального модуля упругости временному сопротивлению кладки.

В то же время начальный модуль упругости, принятый СНиПом, соответствует значению динамического (мгновенного) модуля упругости, измеряемого при импульсных акустических испытаниях:

Н = vE₀ = vaR^H,

где v — коэффициент пропорциональности; Е₀ — начальный модуль упругости кладки; a — упругая характеристика кладки как функция прочности раствора; — нормативная прочность кладки.

Из вышеизложенного следует, что для определения нормативной прочности кладки достаточно знать динамический модуль упругости кладки и прочность раствора. Определение динамического модуля упругости не вызывает трудностей при применении импульсного акустического и радиометрического методов испытаний.

Однако при использовании импульсного акустического метода испытаний для оценки прочности кладки необходимо учитывать особенность распространения в ней упругих волн. Если с точки зрения механики кирпичная кладка представляет собой слоистую конструкцию, состоящую из перемежающихся слоев кирпича и раствора, то с точки зрения закономерности прохождения акустического импульса слоимость данной конструкции будет «заметна» только при условии неравенства акустических сопротивлений кирпича и раствора, т. е. при

ρ_kC_k ≠ ρ_pC_p

де р_к и р_р — плотность соответственно кирпича и раствора; С_к и С_р — скорости распространения колебаний соответственно в кирпиче и растворе.

На практике могут быть представлены все три случая, вытекающие из приведенного условия:

Для подтверждения этого условия проведены испытания образцов различного вида кирпичей и растворов и найдены зависимости между их прочностью и акустическим сопротивлением (рис. 6.4).

Первый случай характерен для кладок на цементно-известковом и известковом растворах при низких марках кирпича. При этом для условий распространения колебаний кладка представляет собой акустически монолитную среду, и определить динамический модуль упругости можно, как и для монолита, по выражению

Н = Kр_kС²_к.

В двух других случаях динамический модуль упругости кладки может быть определен применительно к слоистой среде в соответствии с уравнением

H — P_KH_p/(H_KS_p + H_PS_K),

где H_к и H_р — динамический модуль упругости соответственно кирпича и раствора; SK и Sp — приведенные толщины соответственно кирпича и раствора:

где hKnhp— соответственно толщина кирпича и раствора в шве кладки.

Из теории распространения упругих волн и практики оценки прочности кирпичной кладки следует, что прочность кладки может быть определена по одному из следующих выражений:

Как видно из структуры выражений (6.1) — (6.3), чтобы найти нормативную прочность кладки R н, необходимо знать марку кирпича и раствора или динамический модуль упругости кладки и марку раствора. Определение этих показателей при использовании импульсного акустического метода связано с построением тарировочных зависимостей отдельно для кирпича и раствора, при этом должны учитываться условия распространения и особенности регистрации акустических импульсов.

В связи с тем что акустическое сопротивление кирпича и раствора может быть различным, необходимо установить пределы применимости выражений (6.2) и (6.3). Это возможно сделать, если известны марки кирпича и раствора, а также их прочность и среднеквадратичное отклонение а теоретического и действительного значений прочности: выражение (6.2) применимо при

а выражение (6.3) при

По данным испытаний кирпича и раствора различных видов в лабораторных условиях найдены эмпирические зависимости, описываемые следующими выражениями (табл. 6.16). 

Таблица 6.16. Эмпирические зависимости для кирпича и раствора

Анализ зависимостей между акустическим сопротивлением кирпича и раствора и их прочностью свидетельствует о допустимой сходимости значений действительной и косвенно определяемой прочности различных видов кирпича и раствора.

Следует отметить, что определение прочности кирпичной кладки по формулам (6.1) — (6.3) связано с необходимостью измерения скорости распространения волн и плотности материала в каждом из слоев кладки, особенно в растворе. По датчикам со специальными концентраторами достаточно точно можно определить скорость продольных волн только в том случае, когда скорость распространения колебаний в растворе больше, чем в кирпиче, что имеет место лишь в цементных растворах высоких марок. При этом установить плотность раствора радиометрическим методом непосредственно в кладке невозможно, так как используемые в настоящее время радиометры требуют при измерении плотности методом рассеяния значительного объема исследуемого материала. В связи с этим рекомендуется определять прочность кирпича импульсным акустическим методом, а раствора — склерометрическим.

Таким образом, сравнение выражений (6.1) — (6.3) и оценка возможности их применения при неравенстве волновых сопротивлений кирпича и раствора показывает, что прочность кладки наиболее рационально определять по измененной формуле Л.И. Онищика (6.1), причем прочность 'кирпича измеряют по тарировочной кривой Rk — РкСк импульсным акустическим методом, а прочность раствора (с учетом ширины шва) — по тарировочным кривым склерометрическим способом.

Исследованиями устайовлено, что для современного кирпича характерен значительный разброс в значениях акустического сопротивления, так как отдельные кирпичи имеют пережог или недожог. Для сравнения приведены результаты испытания современных кирпичей и кирпичей, изъятых из старой кладки (рис. 6.5). На основании графиков можно предположить, что отклонения в значениях прочности новой и старой кладки имеют тот же характер. Однако разброс в значениях прочности кладки из современного кирпича и кирпича старой кладки отличается не столь значительно (рис. 6.6).

Измерения скорости импульса в кладке на различных базах (рис. 6.7) показали также, что в старой кладке на известковом растворе икладке из современного кирпича на растворах низких марок при Ск > Ср скорость распространения колебаний стабилизируется: у старых кладок с базы измерения в 3—4 ряда, у современных в 5—7 рядов кладки. Для новых кладок на тяжелых растворах при Ск й Ср можно

где n₁ и n₂ — коэффициенты преломления волн в напряженном материале; n₀ — коэффициент преломления волн в ненапряженном материале; σ₁ и σ₂ — главные напряжения, лежащие во фронте волны; σ3 — нормальное напряжение, перпендикулярное к этому фронту; С₁ и С₂ — соответственно поперечный и продольный коэффициенты напряжений.

Приведенные закономерности справедливы для большого интервала напряжений.

Применение методов СВЧ перспективно также для определения дефектов конструкции. При перемещении установки вдоль поверхности исследуемой конструкции выявляют места и зону распространения скрытых дефектов, в том числе участки с нарушенным шагом арматуры железобетонных конструкций.

R = 439,85 + 127,12 • 10^-3рС+ 4801 • 10^-6(рС)²