Проблема дефектоскопии и толщи- нометрии бетона и железобетона рассмот­рена в разд. 4.14. Там же описаны акусти­ческие особенности этого материала, ме­тоды и средства обнаружения дефектов в виде нарушений сплошности и измерения толщины бетонных конструкций.

Для контроля прочности строитель­ных материалов используют:

• корреляцию прочности с динами­ческим модулем Юнга и определяемыми им скоростями распространения упругих волн всех типов. Установлено, что с рос­том модуля Юнга, а следовательно, и ско­ростей распространения упругих волн1 прочность повышается;

• корреляцию прочности с затуха­нием упругих волн;

• нелинейную зависимость между

Для продольной, поперечной, крутильной и поверхностной волн эти скорости пропорциональны

Е/р, для изгибной волны ■

напряжениями и деформациями бетона. Уменьшение прочности увеличивает эту нелинейность. В результате скорость гар­монических упругих волн зависит от их амплитуды, а в прошедшем сигнале появ­ляются высшие гармоники, относи­тельные амплитуды которых растут с уменьшением прочности.

Для оценки прочности пользуются УЗ-методами прохождения с импульсным и непрерывным (последним только при использовании нелинейных эффектов) излучением при сквозном и поверхност­ном прозвучивании ОК (см. разд. 4.14.2), а также реверберационно-сквозным (РСкв) методом и интегральным методом собст­венных колебаний.

Контроль прочности по скорости и затуханию упругих волн. Основной УЗ - метод оценки прочности бетона использу­ет корреляцию прочности со скоростью звука. При постоянстве плотности изме­ренные значения скоростей позволяют судить о величине модуля упругости. Для измерения скоростей звука применяют способы сквозного прозвучивания, про­дольного профилирования и поверхност­ного прозвучивания с постоянной базой (см. разд. 4.14.2)

В способе сквозного прозвучивания излучатель и приемник продольных волн располагают соосно по разные стороны контролируемого изделия (см. рис. 4.26, а). Скорость звука определяют по формуле

С; = lit,

где / - расстояние между излучающим и приемным преобразователями; t - время прохождения этого расстояния УЗ-им - пульсом. Если применяют поперечные ВОЛНЫ, ТО вместо скорости Сі используют скорость с, поперечных волн.

При прозвучивании способом про­дольного профилирования используют головные волны, скорость которых соот­ветствует скорости продольной волны, или поверхностные волны Рэлея. Прием­ный преобразователь устанавливают по­следовательно в несколько позиций, распо­ложенных на одной прямой (см. рис. 4.26, б). Расстояние /и между излучающим пре-

а„, МПа Рис. 7.28. Связь прочности ав со скоростью С/ продольной упругой волны для бетона с тяжелым заполнителем. Заполнитель: • - андезит; А - гранит; о - речной кварцит; д - базальт; - известняк

образователем и первой позицией прием­ного выбирают равным 100 ... 300 мм, а расстояние между соседними позициями приемного преобразователя А/, = 100 ... 200 мм. Скорость звука (в м/с) определяют по формуле

где At, - изменение времени распростра­нения ультразвука (в мкс) при перемеще­нии приемного преобразователя на сосед­нюю позицию, А1,~ в мм; N - число пози­ций установки приемного преобразователя.

При поверхностном прозвучивании с постоянной базой приемный преобразова­тель устанавливают на фиксированном расстоянии / от излучающего по одну сто­рону контролируемого изделия (см. рис. 4.26, в).

При поверхностном прозвучивании и продольном профилировании связь между измеренной скоростью си и скоростью Q при сквозном прозвучивании определяют по формуле [249]

с, = с„ к,

где к - переходный коэффициент (к - 1,00 ... 1,08), значение которого опре­деляют путем сопоставления результатов сквозного и поверхностного прозвучива - ния на бетонных образцах-балочках.

Корреляция скорости звука с прочно­стью бетона зависит от упругих парамет­ров цементного камня, заполнителя и его объемной концентрации и при изменении состава бетона может изменяться. С изме­нением водоцементного отношения, вида цемента и добавок песка, размера частиц заполнителя, а также срока службы бетона связь скорость-прочность сохраняется, но заметно меняется. Количество и качество заполнителя не в равной степени изменя­ют скорость звука и прочность бетона, поэтому предварительно строят корреля­ционные зависимости скорость-проч­ность для бетонов определенного состава. Типовые зависимости между скоростью звука и прочностью представлены на рис. 7.28 [123].

С увеличением прочности ав по­грешность ее оценки возрастает. При ошибке в измерении скорости звука 1% эта погрешность на уровне 10 МПа со­ставляет 3,5 %, а на уровне 25 МПа уже - 6 %. Оценка прочности по скорости звука эффективна для бетонов с прочностью не более 40 МПа. Для бетонов более высоких марок этот метод дает слишком большие (более 12 %) погрешности.

При контроле продольными волнами методом сквозного прозвучивания соот­ношение между длиной волны и размера­ми поперечного сечения образцов (бетон­ных кубов) и ОК должно удовлетворять условиям для неограниченной среды. В противном случае следует пользоваться формулами и графиками для УЗ-волн в пластинах и стержнях (см. разд. 1.4).

Большинство железобетонных изде­лий заводского изготовления и кубы, на­чиная от размера 10 х 10 х 10 см, при ис­пользовании стандартных ультразвуковых приборов (диапазон частот 80 ... 100 кГц) могут считаться неограниченной средой. Исключение составляют железобетонные изделия, полученные вертикально-кас­сетным способом, и тонкостенные изде­лия, изготовленные на прокатных станах при их прозвучивании в продольном на­правлении.

Применение УЗ-метода контроля прочности бетона по скорости звука рег­ламентировано стандартами (в частности, ГОСТІ 7624-87).

Для получения зависимости ско­рость-прочность изготовляют не менее 45 бетонных образцов размером 200 х 200 х х 200 мм либо 60 образцов размером 100 х х 100 х 100 мм. Ультразвуковые измере­ния на образцах проводят по схеме рис. 4.32, а.

При отсутствии образцов или недос­таточном их числе прочность бетона в изделиях и конструкциях определяют по эмпирическим формулам. Разными авто­рами рекомендовано несколько таких формул. Простейшая из них:

ае=А с,

где А - коэффициент, определяемый экс­периментально по результатам испытаний не менее девяти образцов.

Для уменьшения влияния на резуль­таты контроля металлической арматуры преобразователи устанавливают на участ­ках с минимальным процентом армирова­ния. При содержании арматуры в контро­лируемом сечении до 5 % ее влияние на результаты контроля несущественно.

Для уменьшения влияния влажности бетонные образцы, по которым строят зависимости скорость-прочность, изготов­ляют при том же режиме тепловлажност­ной обработки, что и подлежащие контро­лю изделия.

Кроме объемных и головных волн, для контроля прочности применяют по­верхностные волны Рэлея. Отметим, что при возбуждении упругих волн в твердом полупространстве нормальной к поверх­ности сосредоточенной силой (например, ударом) или пьезопреобразователем с ма­лым поперечным волновым размером, 67 % энергии излучается в виде по­верхностной волны, 26 % - в виде попе­речной и только 7 % - в виде продольной волны [353].

Поле излучения отдельного точечно­го элемента в твердое тело показано на рис. 1.44. Центральный лепесток соответ­ствует продольной волне L, а боковые - поперечной волне Т. Поверхностные вол­ны Рэлея (на рис. 1.44 их диаграмма на­правленности не показана) распространя­ются ненаправленно во все стороны.

Для излучения и приема поверхност­ных волн пользуются преобразователями с сухим точечным контактом, которые ино­гда снабжают концентраторами экспо­ненциальной формы [124]. При излучении такой концентратор увеличивает колеба­тельную скорость на узком (контакти­рующим с ОК) конце по сравнению со скоростью на прилегающем к пьезоэле­менту широком конце. Однако при приеме происходит обратная трансформация ко­лебательной скорости, причем проигрыш в этом случае равен выигрышу в преды­дущем.

При одновременном возбуждении В ОК волн различных типов, эти волны идентифицируют по времени прохожде­ния соответствующих УЗ-импульсов через материал. Это время обратно пропорцио­нально скоростям волн.

При контроле методом поверхност­ного прозвучивания и продольного про­филирования преимуществом поверхност­ных волн (по сравнению с головными) является удобство применения, связанное с большей интенсивностью их возбужде­ния через сухой точечный контакт.

Поверхностными волнами контроли­руют бетон, газобетон, керамическую об­лицовочную плитку, предварительно на­пряженные сваи, безнапорные центрифу­гированные трубы, дорожные покрытия и другие объекты.

В [398] проанализированы причины, снижающие точность оценки прочности бетона УЗ-методом и предложены два способа улучшения результатов.

Бетон представляет собой сложную структуру в виде цементного камня и раз­личного по составу, свойствам и крупно­сти заполнителя. Материал содержит по­ры, которые могут заполняться водой. Все эти факторы влияют на скорость с; рас­пространения продольной волны, причем некоторые из них по-разному влияют на прочность ов и скорость. Положение ус­ложняется отсутствием аналитической СВЯЗИ Ов С С (приходится пользоваться эмпирическими формулами). В результате при контроле прочности в соответствии со стандартом ASTM С 597 даже в лабора­торных условиях погрешность может дос­тигать 20 %.

На результаты контроля прочности влияет возраст бетона. Зависимости проч­ности ов и скорости с/ от возраста различ­ны (рис. 7.29). Кроме того, рост влажности бетона снижает ов, но повышает с/. По­следняя определяется тремя параметрами: модулем Юнга Е, коэффициентом Пуас­сона v и плотностью р, поэтому для оцен­ки прочности одного параметра (сі) недос­таточно. Наиболее популярная в США формула для расчета прочности бетона ов = а ехр(Ьс{), где а и b - эмпирические постоянные, дает погрешность 20 %, ко­торая не может быть уменьшена увеличе­нием точности измерения скорости.

Первый из предложенных в [398] способов улучшения достоверности оцен­ки прочности - дополнительный учет воз­раста бетона. Так, для возраста t = 1 сутки хорошие результаты дает формула

оВ| = 0,0141 ехр(0,0017<у);

для возраста 7 суток - формула
ов7 = 0,0028 ехр(0,0021 с;).

Для промежуточных значений воз­раста рекомендуется формула

сгВ1 +7= 0,0096 ехр(0,0018с/).

Рис. 7.29. Зависимости прочности ав бетона и скорости с, продольных волн в нем от возраста

Однако формула для полностью от­вердевшего бетона (t > 28 суток) в работе отсутствует.

В этих формулах значения прочности выражены в мегапаскалях. Сравнение рас­четов с экспериментальными данными для двух возрастов бетона повышает досто­верность оценки его прочности.

Другой рекомендуемый в [398] спо­соб повышения точности оценки прочно­сти бетона - замена продольных волн вол­нами Рэлея. В этом случае используют формулу

ов = 0,0383exp(0,00306cs),

где Cj - скорость поверхностной волны.

Применение поверхностной волны уменьшает погрешность оценки прочно­сти примерно на 25 %. Автор объясняет это тем, что скорость cs в большей степени зависит от параметров цементного камня, тогда как определяется в основном глу­бинными слоями материала.

Отметим, что автор [398] ограничи­вается оценкой прочности любых бетонов по общим эмпирическим формулам, без построения тарировочных кривых, учиты­вающих индивидуальные особенности бетона и, следовательно, снижающих по­грешности контроля.

Достоверность оценки прочности бе­тона по скорости распространения упру­гих волн повышается с уменьшением по­грешности измерения скорости. В работе [425, с. 68/400] прелагаются два способа повышения точности измерения скоростей продольных и поверхностных волн. Оба способа используют ударное возбуждение акустических импульсов и прием упругих волн двумя пьезоприемниками, располо­женными на одной прямой с зоной возбу­ждения на разных расстояниях от нее (на разных базах). Повышенная точность из­мерения достигается обработкой инфор­мации.

Импульсы упругих колебаний в ОК возбуждают "пьезоэлектрическим молот­ком", создающим мощные периодические удары стабильной амплитуды. "Молоток" содержит пакет пьезоэлементов, электри­чески соединенных параллельно. Излу­чающий пакет соединен волноводом с ударником, контактирующим с ОК через наконечник со сферической контактной поверхностью. Излучающий пьезопакет возбуждают импульсами амплитудой 150 В, вызывающими максимальное его смещение 18,4 мкм. Ближайший к точке возбуждения приемник отстоит от этой точки на несколько сантиметров. Расстоя­ние между пьезоприемниками постоянно (например, 10 см).

Скорости продольных (точнее, го­ловных) волн измеряют по разности вре­мен прихода передних фронтов импуль­сов. Амплитуды принятых сигналов малы, поэтому измерение затруднено высоким уровнем шума. Усреднение сигналов рез­ко снижает влияние шумов, повышая точ­ность отсчета времени. При усреднении 40 реализаций погрешность измерения скорости составляет всего 0,47 %.

При измерении скорости поверхно­стных волн амплитуды сигналов от них намного превышают амплитуды от всех остальных волн. Для еще большего подав­ления влияния последних расстояние ме­жду точкой возбуждения и ближайшим к ней приемником увеличивают. Время At прохождения волной расстояния между приемниками измеряют с помощью вза­имной корреляционной функции [90]

ОО

М{т) = jwj(t)u2(t + т)dt,

—00

где U(t) и ui(t + т) - анализируемые сиг­налы (в данном случае - сигналы с пьезо­приемников), т - временной сдвиг между ними.

Меняя т путем сдвига по времени од­ного из сигналов при обработке в компью­тере, добиваются максимума взаимной корреляционной функции, который насту­пает при т = At. Способ позволяет изме­рять скорости поверхностных волн с по­грешностью 0,08 %.

Для контроля неоднородности бетона по глубине и обнаружения выходящих на поверхность трещин применяют метод, основанный на дисперсии скорости рас­пространения поверхностных волн [422, с. 829]. В англоязычной литературе этот метод называют Spectral Analysis of Surface Waves Technique (SASW), т. е. ме­тод спектрального анализа поверхност­ных волн.

Известно, что при распространении в изотропных материалах волны Рэлея не обладают дисперсией скорости. Однако, если свойства материала с глубиной ме­няются, такая дисперсия имеет место. Как отмечено в разд. 1.1.2, волна Рэлея суще­ствует в поверхностном слое толщиной около длины волны. С уменьшением час­тоты длина волны и толщина этого слоя растут и на скорость волны начинают вли­ять уже более глубокие слои материала Поэтому в неоднородном материале ско­рость становится зависимой от частоты.

При передаче через ОК УЗ-импуль - сов поверхностных волн прохождение высокочастотных составляющих и их спектры определяют близкие к поверхно­сти слои материала. Прохождение низко­частотных составляющих определяют как

7.2. Влияние химического разрушения бетона на групповую скорость и затухание ультразвука

Стадия	Явление	Скорость ультразвука	Затухание
1	Заполнение пор	Растет	Уменьшается
2	Образование трещин	Уменьшается	Растет
3	Новое заполнение	Растет	Уменьшается

близкие, так и более глубокие слои. Изме­ряя скорость рэлеевской волны на разных частотах, судят о неоднородности свойств материала по глубине. Импульсы поверхностных волн возбуждают ударом шара или молотка. В качестве приемников используют акселерометры, установлен­ные на определенном расстоянии друг от друга на одной линии с точкой возбуждения ОК. Спектры импульсов, ударно возбуждае­мых в бетоне, лежат в диапазоне частот до 30 кГц. Разница во времени прохождения поверхностной волной расстояния между акселерометрами автоматически вычисляет­ся для каждой из частотных составляющих спектра и преобразуется в зависимость скорости от частоты и длины волны.

В работе [422, с. 829] приведены рас­четная и экспериментальная зависимости скорости волны Рэлея от длины волны при контроле бетонного блока толщиной 1 м со слоем пониженной прочности толщи­ной 300 мм, расположенным на глубине 150 мм от поверхности (рис. 7.30). Мини­мальная скорость (2240 м/с) соответство­вала длине волны Xs = 0,5 м, максимальная (2580 m/c)-Xs= 1,5 м.

Метод SASW используют также для оценки глубины поверхностных трещин (см. разд. 4.14.2).

Одна из причин разрушения бетона - химическое взаимодействие окиси крем­
ния с ионами содержащихся в материале щелочных солей [425, с. 69/402]. В резуль­тате такой реакции образуется химически активный гель, заполняющий трещины и поры бетона. Это увеличивает внутренние напряжения в нем и вызывает образование новых трещин. Описанный процесс воз­никает при наличии в бетоне щелочи, ко­торая может содержаться в заполнителе и воде. Повышенная температура ускоряет реакцию.

В результате возникают трещины с размерами до нескольких миллиметров. Гель может выступать на поверхность,

2000

0 —

1,5—'

Ц,%

а)

ц/и2

в)

причем ОК увеличивается в объеме и мо­жет разрушиться. Влияние рассматривае­мого процесса на групповую скорость и затухание ультразвука на разных стадиях процесса различно (табл. 7.2).

Испытывали образцы из бетона оди­накового состава, одни из которых (по­врежденные) изготовляли с добавлением
0,3 % щелочи, другие (контрольные) - без нее. Все образцы проходили термовлаж­ностную обработку длительностью до 80 суток при температуре 60 °С и 100 % влажности. Через определенные проме­жутки времени (10, 30 и 80 суток) повре­жденный и контрольный образцы охлаж­дали, измеряли линейное расширение, скорость звука и его затухание. Графики расширения поврежденных и контрольных образцов в функции времени показаны на рис. 7.31, а.

Групповую скорость звука измеряли импульсным методом прохождения на частотах 24 и 100 кГц. Зависимости при­ращения этой скорости от выдержки пока­заны на рис. 7.31, б. На 1-й стадии от О (точка 1) до 10 суток (точка 2) бетон еще не поврежден, и оба образца ведут себя одинаково. На 2-й стадии от 10 до 30 су­ток (точка 3) материал расширяется, по­рождая трещины. Это приводит к разнице скоростей в поврежденном и контрольном образцах до 10 %.

На 3-й стадии от 30 до 80 суток (точ­ка 4) гель снова расширяется и заполняет трещины, что вызывает некоторое увели­чение скорости звука. Однако для контро­ля реальных конструкций измерения ско­рости недостаточно. Кроме того, такие измерения затруднительны при контроле реальных конструкций.

Зависимость затухания от времени выдержки оценивали методом прохожде­ния по отношению UIUi амплитуд спек­тральных составляющих импульса сквоз­ного сигнала для частот 53 кГц (U) и 24 кГц (ІІ2). Результаты измерений пока­заны на рис. 7.31, в.

Несмотря на существенное различие изменения затухания для контрольных и поврежденных образцов, эти измерения трудно использовать для контроля бетона в реальных объектах, поэтому авторами предложен сложный частотно-временной способ представления информации в виде черно-белых или цветных изображений, позволяющий наблюдать изменения всех информативных параметров сигнала од­новременно. Это упрощает дело, благода-

ря чему способ становится пригодным для контроля бетона в реальных сооружениях.

Приборы для контроля прочности методом прохождения являются измери­телями времени распространения импуль­сов продольных или поперечных волн, а также скорости этих волн [425, с. 78/458; 174; 188; 338]. Обычно применяемый диа­пазон частот - от 50 до 200 кГц. Приборы имеют цифровой отсчет и погрешность измерений не более 1 %. Некоторые из них снабжены осциллографическим инди­катором, позволяющим наблюдать форму принятого сигнала, измерять его амплиту­ду, длительность первой полуволны, вре­мя затухания и т. д. Большинство этих приборов имеет выносные преобразовате­ли, что позволяет вести контроль с пере­менной базой от нескольких сантиметров до единиц метров. Аппаратура имеет уни­версальное или автономное питание и массу 0,5 ... 8 кг.

В приборе УК 1401 московской фир­мы "Акустические контрольные системы" (АКС) для оценки прочности бетона мето­дом поверхностного прозвучивания с по­стоянной базой применяют преобразова­тели с сухим точечным контактом (см. разд. 4.14.), размещенные непосредствен­но на электронном блоке на расстоянии 150 мм друг от друга так, что конструк­тивно прибор представляет собой единое целое. Частота ультразвука 70 кГц, диапа­зон измерений скорости от 2000 до 10000 м/с, времени - от 15 до 75 мкс, мас­са менее 1 кг.

Прибор УК 1401 успешно использу­ют, например, для контроля несущей спо­собности стоек железобетонных опор контактной сети железных дорог [173]. При этом определяют время распростра­нения импульсов УЗ-волн в вертикальном и горизонтальном направлениях. Измере­ния проводят в местах, где стойка опоры наиболее нагружена, например со стороны пути. Методика контроля опор различных типов и критерии оценки их состояния изложены в разработанном ВНИИЖТ до­кументе [316].

Преобразователи с сухим точечным контактом, работающие как продольными, так и поперечными волнами, очень удоб­ны для измерения всех трех упругих по­стоянных бетона, горных пород, керами­ки, пластмасс и других материалов [338]. Упругие постоянные вычисляют по изме­ренным скоростям распространения про­дольных с; и поперечных с, волн по фор­мулам

Е = с] р •

G = с, р ; v = -

1-

Для измерения рассмотренным спо­собом фирмой АКС разработан прибор "Мультиметр-1102". Его применяют при сквозном и поверхностном прозвучивании на базе от 5 мм до 2 м. Диапазон частот от 30 до 150 кГц, диапазон измеряемых ско­ростей - от 1000 до 10000 м/с.

Контроль прочности бетона с ис­пользованием нелинейности характери­стик напряжение-деформация. Этот метод основан на корреляционной зави­симости прочности бетона, мрамора, гра­нита и других подобных материалов от нелинейности их характеристик деформи­рования [340] (см. разд. 1.5). Нелиней­ность проявляется в зависимости модуля упругости от механических напряжений в материале. Увеличение напряжений при­водит к:

• изменению скорости распростра­нения упругих волн;

• появлению высших гармоник в прошедшем через материал акустическом сигнале.

Прочность рассматриваемых мате­риалов тем выше, чем меньше их нели­нейность. Таким образом, контроль проч­ности сводится к измерению скорости распространения волн и анализу спек­
трального состава прошедшего через ОК сигнала при двух значениях напряжений в материале.

Существенно, что метод реализуется при деформации малыми напряжениями, создаваемыми самой ультразвуковой вол­ной при двух значениях ее амплитуды. Информативными параметрами служат отношение скоростей звука и отношение амплитуд U„IU (U, и U„ - амплитуды пер­вой и «-ой гармоник прошедшей через ОК УЗ-волны) при двух значениях амплитуды волны. Обычно используют вторую гар­монику (п = 2). Отношение UiJU измеря­ют спектроанализатором.

Контроль проводят методом прохож­дения при расположении излучающего и приемного преобразователей по разные стороны ОК. Измерения выполняют при двух амплитудах УЗ-волн. Влияние нели­нейности на скорость звука и спектр при­нятого сигнала незначительно. Поэтому используют чувствительную аппаратуру, позволяющую регистрировать малые из­менения скорости звука и нелинейных искажений прошедшего через ОК сигнала.

Так, в одном из вариантов изменение скорости регистрируют по изменению фазы принятого гармонического сигнала. Для более четкой регистрации изменения спектра принимают меры к уменьшению содержания высших гармоник в напряже­нии возбуждающего излучающий преоб­разователь генератора. На стандартных бетонных образцах с размерами 100 х х 100 х 100 мм увеличение амплитуды УЗК в 10 раз на частоте 50 кГц меняет эту фазу на несколько градусов.

Изменение скорости оценивают так­же по относительному изменению собст­венных частот, которое определяют инте­гральным методом вынужденных колеба­ний. Например, в бетонных образцах раз­мером 40 х 40 х 160 мм двойное прираще­ние амплитуды колебаний меняет собст­венную частоту продольных колебаний на 0,5 ... 1,0 %. При прохождении гармони­ческого сигнала через стандартные бетон­ные образцы 100 х 100 х 100 мм отноше­ние амплитуд второй и первой гармоник при изменении интенсивности колебаний достигает 1 %.

Метод, использующий нелинейные свойства материала, позволяет оценивать прочность бетонов высоких марок (М500 - М800), что на основе корреляции прочность - скорость УЗК обычно невоз­можно.

Недостаток метода - малые измене­ния информативных параметров (скорости звука и нелинейных искажений сигнала), определяющих характеристики контроли­руемого материала.

Контроль реверберационно-сквоз­ным методом. Этот метод (см. разд. 2.1.4 и 2.3.8) также применяют для контроля качества бетона. Авторы работы [425, с. 77/449] использовали его в комплексе с акустико-эмиссионным (АЭ) методом, что позволило сравнить полученные результа­ты и возможности обоих методов приме­нительно к рассматриваемой задаче. Ис­следования проводили на образцах разно­го состава и возраста. Образцы подвергали сжимающей нагрузке до разрушения и изучали показания обоих методов. Испы­тания АЭ и РСкв-методами сочетали с исследованием структуры образцов с по­мощью микроскопа.

При контроле РСкв-методом исполь­зовали узкополосные пьезопреобразовате­ли на частоту 60 кГц. Отмечена корреля­ция между показаниями АЭ и РСкв-ме - тодов. Так, приближение к разрушающей нагрузке вызывало не только рост сигна­лов АЭ, но и резкое уменьшение парамет­ра SWF (фактора волны напряжения) РСкв-метода (см. разд. 2.3.8), причем ос­лабленные участки выявлялись и без при­ложения нагрузки. Последнее является преимуществом РСкв перед АЭ-методом.

Наряду с АЭ и РСкв-методами изу­чено изменение скорости продольных волн в функции нагрузки. Оказалось, что с приближением к разрушению уменьшение параметра SWF регистрируется раньше, чем изменение скорости звука. Испытания на объектах, пострадавших от землетрясе-

ния 1999 г. в Греции, свидетельствуют о большей чувствительности РСкв-метода по сравнению с традиционным способом, основанным на измерении скорости звука.

Контроль интегральным методом собственных колебаний. Этот метод применяют для определения упругих ха­рактеристик бетона, его прочности и дру­гих рабочих параметров. Прочность тем выше, чем больше динамический модуль Юнга и чем меньше потери. При испыта­ниях образцов и изделий простых форм (брусков, стержней) измеряют собствен­ные частоты и затухание изгибных или продольных колебаний ОК, после чего находят модуль Юнга и характеризующие потери логарифмический декремент 0 или добротность Q. По измеренным парамет­рам судят о физико-механических свойст­вах бетона.

Схема испытаний с использованием изгибных колебаний показана на рис. 7.32. Опоры образца должны совпадать с узла­ми его колебаний на данной гармонике. При испытаниях на /-той собственной час­тоте f значение динамического модуля Юнга Е находят из общей формулы [123]

где / - длина образца; М - его масса; і - номер обертона собственной частоты (для основной частоты / = 1); / - момент инер­ции поперечного сечения; Т, - поправоч­ный коэффициент, зависящий от отноше­ния аИ к, = п(2і + 1)/2 - коэффициент, за­висящий от номера / обертона. Значения к, для низших собственных частот: кх = 4,13, к2 = 7,853, къ = 10,996.

Для круглого стержня радиусом г момент инерции / = тг//4, для квадратного стержня / = а4!2, для прямоугольного - / = Ьа3/12, где а - размер в плоскости ко­лебаний. Значения Т, для коэффициента Пуассона v = 0,2 приведены в табл. 7.3.

Крайние узловые линии для соответ­ствующих обертонов (отмеченных индек­сами ) находятся от концов стержней на расстояниях 1Х = 0,22/; /2 = 0,13/;

/3 = 0,096/; U = =0,07/; /5 = 0,06/.

Схема испытаний стержневого об­разца с использованием продольных коле­баний не отличается от описанной в разд. 4.14. Образец закреплен в узлах сме-

Рис. 7.32. Изгибные колебания стержня на основной частоте: а - схема испытания (И! и И2 - места установки излучателей; П] и П2 - места установки приемников); б - распределение колебательных скоростей по длине образца (N - узлы колебаний)

щений N, излучающий и приемный преоб­разователи расположены на его концах. Значение динамического модуля Юнга Е находят по общей формуле [123]

E = 4f2l2pB/i2,

гдef - і-ая гармоника собственной часто­ты (для основной частоты і = 1), I - длина образца, р - плотность его материала, В - поправочный коэффициент, обусловлен­ный геометрической дисперсией скорости. Значения В для цилиндрического образца диаметром d в функции динамического коэффициента Пуассона v приведены в табл. 7.4. Для образцов квадратного сече­ния со стороной а принимают d - 1,15а.

Добротность определяют по формуле где _/о - собственная частота; f и /2 - частоты, соответствующие уменьшению амплитуды до 0,707 от резонансного зна­чения. Логарифмический декремент зату­хания 0 = n/Q.