Введение к работе
Актуальность темы.
Бетон и железобетон являются основными строительными материалами. Их сфера применения продолжает расти с появлением новых технологий в строительстве и производстве бетонных конструкций.
Несущая способность конструкций и сооружений зависит не только от прочности бетона, но и от различных дефектов его внутренней структуры, не обнаруживаемых внешним осмотром. Это относится и к новым объектам и к построенным много лет назад. Дефектами внутренней структуры бетона могут быть пустоты, трещины, области рыхлого бетона, инородные включения, плохое сцепление цементного камня с арматурой или крупным заполнителем. Размеры дефектов, ослабляющих прочность конструкции, зависят от размеров самой конструкции, её формы, внутреннего устройства, вида и степени армирования и т. д. В зависимости от ответственности конструкции в её проектную прочность обычно закладывают более или менее значительный запас на неизбежные производственные дефекты и возможность появления новых дефектов с течением времени.
В процессе возведения бетонных сооружений и при обследовании давно эксплуатируемых применяются многие методы неразрушающего контроля (НК), но наиболее широко используемыми являются ультразвуковые, из-за своей информативности и относительной простоты применения. Среди них основное значение имеет метод определения прочности бетона по скорости ультразвука. Его применение регламентируется несколькими нормативными документами и специальными методиками. Наряду с оценкой прочности бетона значительный объём работ НК составляет дефектоскопия бетона при строительстве и эксплуатации сооружений, особенно энергетических.
Ультразвуковую дефектоскопию бетона в настоящее время проводят преимущественно методом сквозного прозвучиваиия. Для получения достоверных результатов контроля конструкцию прозвучивают по многим траекториям, переставляя ультразвуковые преобразователи по предварительно выполненной разметке, содержащей сотни и даже тысячи точек. При этом требуется соблюдение соосности установки преобразователей на противоположные поверхности конструкции и довольно точное знание базы прозвучиваиия, достигающей часто нескольких метров. Особо ответственные конструкции прозвучивают ещё и по перекрёстным траекториям для лучшего выявления внутренних дефектов.
Несмотря на большую трудоёмкость теневой дефектоскопии и отсутствие разрешающей способности по глубине (только перекрёстное прозвучивание даёт слабое разрешение) этот метод остается главным при'контроле качества конструкций и сооружений из бетона. При отсутствии двухстороннего доступа к объекту применяют поверхностное прозвучивание, позволяющее судить о прочности и дефектности лишь поверхностного слоя бетона в 10 - 15 см. Поэтому при проектировании конструкций в местах, где невозможно сквозное прозвучивание, часто закладывают повышенные запасы прочности. При оценке
Несущей СПОСобнОСТИ Эксплуатируемых Сооружении В чаких мссшл іірплид.н^
использовать частично разрушающие методы (например, выбуривание кернов) с последующим ремонтом. Это ещё более трудоёмкие и дорогие методы, не дающие, всё же, полной информации о состоянии обследуемого объекта.
, Однако часто встречаются сооружения с одной доступной поверхностью, размеры которых или условия эксплуатации не позволяют применять частично разрушающий контроль, а результатов поверхностного прозвучивания не достаточно. Такими объектами являются, например, защитные оболочки реакторов АЭС, трубы различного назначения, градирни, туннели. Некоторые из них до ввода в эксплуатацию допускают проведение ультразвуковой дефектоскопии сквозным прозвучиванием и её обязательно выполняют. Но в процессе эксплуатации такой контроль уже неприменим и в случае острой необходимости в обследовании может понадобиться серьёзное вмешательство в режим работы объекта или полная его остановка. Разрешить эту проблему могла бы аппаратура, позволяющая проводить дефектоскопию бетонных конструкций при одностороннем доступе на глубину, хотя бы в 5 - 7 раз превышающую возможности метода поверхностного прозвучивания.
Принципиально такая аппаратура должна основываться на методах отражения ультразвуковых волн, то есть на анализе сигналов, пришедших из объёма материала. В этих сигналах в принципе содержится исчерпывающая информация о координатах, размерах и даже свойствах дефектов, которые требуется обнаружить. Работы над созданием и совершенствованием такой аппаратуры ведутся в нашей стране и за рубежом уже на протяжении последних 15 - 20 лет, но до широкого её внедрения в практику ещё далеко.
Цели работы.
1. Создание теории ультразвуковой интроскопии бетона, позволяющей:
рационально и обоснованно разрабатывать аппаратуру для визуализации внутренней структуры бетонных конструкций при одностороннем доступе;
создавать методики применения этой аппаратуры для решения конкретных задач неразрушающего контроля.
2. Разработка ультразвуковых приборов для интроскопии бетонных со
оружений при одностороннем доступе, пригодных к применению в различных
практических условиях.
Задачи работы.
-
Исследовать статистические характеристики структурного шума бетона, в частности, взаимные корреляционные функции его реализаций, принятых в разных точках поверхности бетона.
-
Исследовать ожидаемые отношения полезного сигнала к структурному шуму в типичных бетонах для характерных отражателей при эхо-импульсном методе контроля на продольных и поперечных ультразвуковых волнах.
-
Разработать метод пространственно-временной обработки принимаемых из бетона колебаний, дающий требуемые отношения сигнал/шум и высо-
кую пространственную селекцию отражателей при ограниченном числе точек излучения и приёма на поверхности объекта контроля.
-
Разработать способы измерений скорости распространения упругих волн того же типа, который будет использоваться для зондирования объекта.
-
Разработать ультразвуковые преобразователи, необходимые для исследований бетона и создания практической аппаратуры. Они должны обладать:
быстрозатухающей реверберационно-шумовой характеристикой (РШХ);
способностью излучать и принимать из твёрдой среды как продольные, так и поперечные ультразвуковые волны;
надёжным и легко достижимым акустическим контактом с бетоном;
-
Разработать ультразвуковые матричные антенные решётки (АР), обеспечивающие производительный контроль бетонных конструкций разработанным для этого методом пространственно-временной обработки сигналов.
-
Разработать практическую аппаратуру, визуализирующую внутреннюю структуру бетонных конструкций при одностороннем доступе, подтверждающую правильность проведённых исследований и разработок.
-
Выпустить аппаратуру в широкую эксплуатацию и по её результатам определить направления совершенствования данного класса приборов.
Научная новизна работы.
1. Изучены свойства структурного шума при ультразвуковом контроле
бетона эхо-методом и установлено:
статистические характеристики структурного шума не зависят от способа его возбуждения и приёма;
радиус корреляции структурного шума на поверхности бетона приблизительно равен половине длины поперечной волны.
-
Оценены ожидаемые и реальные отношения сигнал/шум при эхо-импульсном контроле бетона на продольных и поперечных волнах и обоснованы преимущества применения поперечных волн для интроскопии бетона; -
-
Предложен метод синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием (САФТ-К) полупространства элементами матричной антенной решётки, "позволяющий достичь требуемых отношений сигнал/шум при высокой пространственной селекции отражателей в бетоне. Метод даёт увеличение отношения сигнал/шум по мощности в половину квадрата числа антенных элементов, участвующих в синтезе апертуры, по сравнению с от> ношением сигнал/шум в колебаниях каждого элемента. >
-
Предложена и обоснована совокупность технических решений для разработки класса ультразвуковых низкочастотных преобразователей с малой длительностью РШХ, с жидкостным и сухим акустическим контактом, способностью к излучению и приёму как продольных, так и обоих типов объёмных волн при сухом контакте. Главными из них являются:
демпфирование пьезоэлемента жидким материалом;
частота рабочей моды пьезоэлемента наименьшая из всех частот его колебаний;
заострённый протектор в виде конуса малых волновых размеров для создания сухого точечного акустического контакта (СТК) с бетоном;
два противофазно колеблющихся пьезоэлемента или пьезоэлемент с из-гибной модой для создания касательных напряжений на поверхности бетона.
Практическая ценность работы.
ї. В создании аппаратуры, визуализирующей внутреннюю структуру железобетонных сооружений при одностороннем доступе и позволяющей обнаруживать в них опасные дефекты и внутренние коммуникации. Аппаратура рассчитана на применение в полевых условиях, не нуждается в контактных жидкостях и обладает достаточной для практики производительностью. Аппаратура эксплуатируется как в нашей стране, так и за рубежом.
-
В разработке приборов для контроля свойств материалов, прочности бетона в изделиях и сооружениях и состояния его поверхностного слоя. Приборы эксплуатируют без контактных смазок в полевых условиях. Наибольшее распространение получил ультразвуковой тестер УК1401 при контроле несущей способности железобетонных опор контактной сети железных дорог.
-
В разработке ряда ультразвуковых низкочастотных преобразователей с сухим точечным контактом, используемых как в созданной аппаратуре, так и в составе других приборов для контроля бетона и горных пород.
Реализация результатов работы.
Созданы следующие ультразвуковые приборы для контроля бетона:
толщиномер - дефектоскоп УТ201М с жидкостным контактом (изготовлено 25 шт.);
томограф УИ201С с жидкостным контактом (изготовлено 4 шт.);
томограф А1230 с сухим контактом (изготовлено 5 шт.);
дефектоскоп А1220 с сухим контактом (изготовлено более 20 шт.);
мультиметр А1102 с сухим контактом для анализа свойств материалов по скоростям продольных и поперечных волн (изготовлено 10 шт.);
тестер УК 1401 с сухим контактом для контроля прочности бетона и оценки глубины трещин (изготовлено более 250 шт.).
В настоящее время производится аппаратура только с сухим контактом.
На прибор А1220 31 августа 2000 года выдан Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.27.004A № 8625, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 20148-00.
На прибор УК 1401 выданы Сертификат соответствия метрологическим нормам и требованиям № 0000374 от 25.11.99, зарегистрированный в Реестре системы сертификации средств измерений под № 990200014., а также Свидетельство о регистрации № 041.2000 от 25.05.2000, зарегистрированное в отраслевом Реестре средств измерений, допущенных к применению на железнодорожном транспорте под № МТ-041.2000.
На защиту вынесены:
-
Результаты анализа характеристик структурного.шума бетона.
-
Результаты изучения ожидаемых и реальных отношений сигнал/шум при эхо-импульсном контроле бетона с помощью продольных и поперечных ультразвуковых волн. Обоснование преимуществ использования,-поперечных
ВОЛН Перед ПРОДОЛЬНЫМИ При ИНТрОСКОПИИ бетона. .; - ;;]" ;> ";- :'.1\<:
-
Сущность метода синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием полупространства элементами матричной .антенной решётки и основные его характеристики.
-
Способы измерения скоростей распространения объёмных волн в материалах при одностороннем доступе.
-
Алгоритмы работы визуализирующей аппаратуры.
-
Совокупность технических решений, обеспечивающая создание ультразвуковых низкочастотных преобразователей с малой длительностью РШХ, с жидкостным и сухим акустическим контактом, способностью к излучению и приёму как продольных, так и обоих типов объёмных волн при сухом контакте.
-
Совокупность требований для разработки антенных решёток.
-
Созданная аппаратура и ультразвуковые преобразователи.
Апробация работы.
Основные материалы исследований опубликованы в отечественных и зарубежных периодических изданиях, доложены на международных и отечественных научных конференциях, приборы демонстрировались на различных выставках. Опубликовано 18 статей, 6 докладов, получено 7 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ (всего 33 работы).
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (131 наименование) и приложения.
Объём диссертации без приложения составляет 228 страниц, включая бб рисунков и 3 таблицы.
