 |
|
Неруйнівні методи випробувань будівельних конструкцій
Для визначення фiзико-механiчних властивостей матеріалів, а також дефектів та пошкоджень у них використовуються різні методи випробувань. Найбільш поширені з них — неруйнуючi. При їх використанні матеріал не руйнується, а значить, несуча здатність конструкції не знижується.
Серед неруйнуючих методів можна відмітити механічні (фiзико-механiчнi властивості визначаються в результаті механічної дії на матеріал), акустичні (використовується звук різної частоти), радiацiйнi методи (проникаюче випромінювання дає можливість знайти дефекти та визначити показники міцності матеріалів), магнітні й електричні методи, методи інфрачервоної дефектоскопії.
Механічні методи
До механічних належать методи місцевого руйнування висмикування анкерів, сколювання й відриву), пластичних деформацій, пружного відскоку.
Методи випробувань шляхом місцевого руйнування, хоча i належать до неруйнуючих, дають можливість визначити міцність матеріалів шляхом їх порушення на локальній ділянці. До цих методів відносяться висмикування анкера, відриву та сколювання ребра, метод пластичних деформацій, метод пружного відскоку.
Метод висмикування попередньо (під час бетонування конструкції) замонолiчених анкерів базується на залежності сили висмикування вiд міцності бетону.
Під час випробувань за допомогою гідравлічного домкрата із тіла бетону 2 (рис. 1.1) висмикується анкер 1 та фіксується величина сили, при якій анкер був висмикнутий. Межа міцності бетону на стиск визначається за виразом
R = k m F, (1.1)
де k — коефіцієнт, що визначається за ГОСТ 22690-88; m — коефіцієнт, що дорівнює 1,0 при розмірах крупного заповнювача до 50 мм i 1,1 — при більших його розмірах; F — руйнуюча сила в кН.
Менш трудомістким i більш доступним є спосіб відриву від поверхні бетону дисків (рис. 1.2). При цьому на поверхню бетонного зразка, що досліджується, за допомогою синтетичного клею (наприклад епоксидного) прикріплюють металевий диск. Поверхня бетону повинна бути старанно оброблена, а міцність клейового шва — не меншою за міцність бетону на відрив. Недопустимі напливи клею за межами диска.
 |
Навантажен-ня виконують за допомогою гідрав-лічного приладу ГПНВ-5 зі швидкі-стю не більше ніж 1 кH/с. Міцність бе-тону при цьому методі визнача-ють, використо-вуючи градую-вальну криву залежно від вели-чини умовного напруження на відрив, обчислю-ється за формулою
(1.2)
де F — зусилля, при якому частина бетону, прикріплена до диска клеєм, вiдiрвалась від основного масиву в кН; A — площа проекції поверхні відриву бетону на площину диску в м2.
Треба відмітити, що спосіб висмикування більш надійний, оскільки руйнуванню піддаються не лише поверхневі, але i глибинні шари бетону. В процесі випробування бетону способом відриву міцність ставиться в залежність від фiзико-механiчних властивостей поверхневого шару бетону, а вони мають дещо гірші фiзико-механiчнi характеристики, ніж основна маса бетону. Це вносить похибки в процес визначення міцності (хоча i в запас її).
При визначенні міцності бетону сколюванням (рис. 1.3) також використовують прилад типу ГПНВ-5.
Ширина ділянки відколу дорівнює 20 мм, а ребро пошкоджується на довжині 80...100 мм.Для отримання вірогідного результату необхідно взяти не менше від двох (на сусідніх гранях конструкцій) даних випробувань та знайти середнє арифметичне, а за ним — міцність бетону при стиску. При цьому слід користуватися градуювальною кривою (рис. 1.4).
  |
Метод плас-тичних деформацiй у даний час набув найбільшого поши-рення. Він побудова-ний на оцінюванні місцевих деформа-цій матерiалу, ви-кликаних прикла-данням зовнішнього зосередженого на-вантаження. Суть методу полягає у визначенні міцності матеріалу за його твердістю. Переваги такого методу визначення фiзико-механiчних властивостей полягають у його простоті, технологічності та достатньо високій досто-вірності результатів, а недолік — у тому, що досліджуються тільки по-верхневі шари матеріалу. 
Твердість за Бріне-лем (HB) визначають шляхом утискання стале-вої кульки в тіло металу, що досліджується (рис 1.5) й оцінюється виразом
, (1.3)
де F — навантаження на кульку, Н; D — діаметр кульки, мм; d — діаметр відбитка, мм.
Між тимчасовим опором вуглецевої сталі та твердістю HB існує кореляційна залежність:
σ = 0,35 HB, МПа. (1.4)
У ролі органа, що вдавлюється в метал, можна використовувати також алмазний конус із кутом біля вершини 120°(метод Роквелла) або алмазну піраміду з двогранним кутом біля вершини, рівним 136° (метод Вiккерса). Між цими трьома значеннями твердості встановлена функціональна залежність, i за допомогою спеціальних таблиць можна перейти від одного значення до іншого.
Під час визначення твердості приладом Польдi немає необхідності вимірювати силу, прикладену до частини приладу, що втискається в матеріал. Цей принцип полягає у зіставленні величини відбитка на металi та еталонному бруску (рис. 1.6). Під час удару по стрижню 1 на поверхні металу 4 й еталонному бруску 3, твердість якого HB0 відома, залишаються відбитки. Діаметр кульки (D) відомий, замірюючи діаметри відбитків на поверхні металу (d) і еталонного бруска (d0), можна визначити твердість першого:
(1.5)
Якщо твердості HB0 i HB вiдмiннi суттєво, то треба ввести поправковi коефіцієнти.
Міцність бетону в конструкції визначають ударним випробуванням (метод відбитка). При застосуванні цього методу дотримуються таких правил:
- випробування необхідно проводити в найбільш напружених місцях, а також на ділянках із дефектами або зниженою міцністю бетону;
- бетонна поверхня має бути сухою, чистою, без затверділого цементного молока. У протилежному випадку верхній шар бетону товщиною 5...10 мм знімають шліфуванням або бурінням;
- кожна випробувальна ділянка повинна мати площу не менше ніж 400 см2 повiтряно-сухої поверхні i включати не менше ніж 10...12 точок вимірювання. Для достовірного судження про міцність бетону конструкції або споруди в цілому необхідно мати не менше ніж 15 ділянок (для окремих елементів конструкції, наприклад нижнього пояса ферми, достатньо трьох ділянок);
- сусідні точки вимірювань повинні знаходитись одна від одної на відстані не менше ніж 20 мм, а від грані елемента — не менше ніж 40 мм;
- у місцях, де залягає крупний заповнювач, а також там, де є пори, проведення випробувань не допускається.
Найпростішим методом польової оцінки міцності бетону є кульковий молоток Фiзделя (рис. 1.7). Молоток виготовляють із вуглецевої сталі. Ударний кінець його закінчується кулькою діаметром 17,463 мм, зробленою зі сталі твердістю 62...66 Rc. Кулька вільно закільцьована i легко крутиться у сферичному гнізді. Протилежний загострений кінець молотка піддається загартуванню.
Маса молотка разом із кулькою 250 ± 5 г, а дерев`яної ручки – 100 ± 10 г.
Під час контро-лю якості бетону під дією ліктьового уда-ру молотком кулька занурюється в бетон. За розміром одер-жаної лунки в бетонi можна судити про пластичні властиво-сті матеріалу та його міцність. Діаметр лунок вимірюють за допомогою штангенциркуля з ціною поділки 0,1 мм або збільшувальної проградуйованої лупи з 10-кратним збільшенням тощо.
Для зменшення похибки вимірювання в подальшому обробітку використовують середнє арифметичне двох взаємно перпендикулярних діаметрів. Використовуючи залежність (рис. 1.8), можна визначити міцність бетону на стиск.
Недоліком цього методу є залежність величини діаметра лунки від сили удару.
Згаданий недолік лiквiдову-ється використан-ням методу К.П. Кашкарова (рис. 1.9). У середині головки молотка є порож-ній стакан та пру-жина. Еталонний стрижень має діаметр 10...12 мм та довжину 100...150 мм. Виго-товлений він із круглої сталі марки Ст3сп2 або Ст3пс2 з тимча-совим опором розриву 420...460 МПа. Під час удару по поверхні бетону кулькою остання залишає відбиток на поверхні бетону та еталонного стрижня. Удар може виконуватись або безпосередньо молотком К.П. Кашкарова, або за допомогою додаткового молотка. Після кожного удару еталонний стрижень повинен бути зсунутий не менше ніж на 10 мм. Для зручності вимірювання діаметра лунок на бетоні їх відбиток одержують на папері. Для цього необхідно на поверхню бетону покласти копіювальний папір (активним шаром догори), а на нього аркуш тонкого білого паперу. Удар наносять по цьому аркушеві.
Вимірювання діаметрів відбитків виконують із точністю до 0,1 мм за допомогою штангенциркуля, мікроскопа, проградуйованої лупи, спеціального кутового шаблона тощо. За відношенням діаметрів відбитків на бетоні db i еталонному стрижні ds за графіком (рис.1.10) можна визначити міцність бетону на стиск. Для одержання статистично достовірної міцності бетону кількість відбитків n слід визначати за формулою
 |
n = 400 [(Rmax - Rmin) / R ]2 k2 , (1.6)
 |
де Rmax, Rmin, R — вiдповiдно найбільше, найменше та середнє значення міцності бетону; k — поправковий коефіцієнт, що визначається за графіком (рис. 1.11). Похибка визначення міцності цим методом незначна i становить 10...15%.
Метод оцінювання міцності деревини був запропонований Пєвцовим. Суть методу полягає в тому, що на горизонтальну поверхню деревини з висоти 500 ± 1 мм падає металева кулька діаметром 25 ± 0,05 мм із питомою вагою 7,8 т/м3. За величиною відбитка на деревині, викликаного ударом кульки, визначають ударну, а потім i граничну міцність матеріалу. Під час випробувань повинно бути оброблено не менше трьох відбитків, розташованих один від одного на відстані 40 ± 5 мм.
Ударну міцність можна визначити із залежності
(1.7)
де m — маса кульки, кг; g — прискорення сили земного тяжіння, м/с2; d1, d2 — вiдповiдно діаметри відбитків упоперек i вздовж волокон.
Знайдену ударну міцність при фактичній вологості деревини W,% приводять до стандартної
H12 = Hwy[1+ 0,02 (W - 12)]. (1.8)
Фактичну вологість виз-начають за ГОСТ 16483.0-89.
Суть вог-непального ме-тоду визначення міцності дереви-ни, запропоно-ваного Кашка-ровим, полягає у визначенні гли-бини проник-нення кулі в масив деревини. За величиною глибини цього проникнення, використовуючи емпіричні за-лежності, можна визначити міц-ність матеріалу. Деревину прострілюють зі спортивної малокаліберної (калібр 5,6 мм) гвинтівки ТОЗ-8 або ТОЗ-9 із відстані 100 мм у радіальному чи близькому до нього напрямі. Обріз гвинтівки фіксують на вказаній відстані від деревини за допомогою упорної підставки, що являє собою відрізок сталевої труби діаметром ¾ дюйма з прорізами для виходу порохових газів.
У зразок, що досліджується, стріляють не менше трьох разів. Потім за середньоарифметичним значенням за допомогою виразів, наведених у таблиці 1.2, визначають граничну міцність та об’ємну масу деревини.
Таблиця 1.2
Визначення граничної міцності та об’ємної маси деревини
| Порода деревини | Гранична міцність стиску, МПа | Об’ємна маса, кг/м3 | |
| стиску | згину | ||
| Сосна | 1011,2 ---------- + 18,61 h – 0,443 | ---------- + 34,2 h – 0,443 | ---------- + 268 h – 0,444 |
Продовження таблиці 1.2
| Осика Вільха Тополя Береза | 998,1 ----------- + 18,86 h 1002,95 ----------- + 14,36 h ------- + 18,52 h ------- + 28,9 h | ----- + 56,7 h 1414,1 --------- + 40,95 h ------ + 45,9 h ------- + 60 h | -------- + 314 h 6346,1 --------- + 352 h 9486,5 --------- + 293,9 h ------- + 480 h |
Примітка: в таблиці 1.2 h – глибина проникнення кулі.
Метод пружного відскоку базується на кореляційній залежно-сті між пружними характеристиками ма-теріалу та його міцністю. Цю залеж-ність визначають при-ладами, побудованими за двома принципами.
Один із них оснований на вiдскаку-ваннi бійка від ударника — наковаль-нi, притиснутої до поверхні бетону; другий — на вiдскакуваннi бійка безпосе-редньо від бетону. Більш поширеним є перший метод, тому що, виконавши деталь наковальнi, яка торкається бетонної поверхні, у вигляді кульки, можна отримати міцність як методом відскоку, так i методом відбитка, дублю-ючи виміри.
Для вимірювання відско-ку використовують прилад, що називається склерометром (за кордоном найбільш поширений склерометр Шмiдта, а в Україні — прилад КМ та його модифікація ЦНДIБК). Склерометри розміщують на поверхні бетону, притискають до місця випробування зі зростаючим зусиллям. При певному зусиллі звільняється ударна пружина, яка через бойок наносить удар по ударнику з однаковою енергією (наприклад, 2,25 Нм для приладів типу N, що використовуються під час випробування звичайного бетону). За величиною відскоку бійка можна судити про міцність бетону на стиск. Градуювальнi криві будують для кожного конкретного виробництва зі сталою технологією на основі зіставлення результатів випробувань із даними, отриманими руйнуючими методами (рис. 1.12).
Випробування цим методом проводять у горизонтальному положенні. При похилому положенні склерометра вводять поправку до величини відскоку (в поділках)
P = P0+ ΔP (φ), (1.9)
де P0 — одержана кількість поділок; ΔP (φ)— коригуюча поправка залежно від кута φ , що визначається за таблицею 1.3.
Таблиця 1.3
Значення коригуючих поправок
| P 0, поділка | P(φ) під час удару зверху під кутом, поділка | P(φ) під час удару знизу під кутом від 45˚ до 90˚, поділка | |
| 45˚ | 90˚ | ||
| -4 -3 -2 | -6 -5 -3 | +3 +2 +1 |
До найбільш сучасних склерометрів належать ПМ-2, Ц-22 та прилади, розроблені в НДIбудiвництва. Останні являють собою вимірювальні комплекси, до яких входять: безпосередньо прилад, магнiтнопружний перетворювач та аналого-цифровий перетворювач із мікропроцесором. У пам`ять приладу завчасно вносять параметри градуювальної кривої, найменше значення міцності та найбільший допустимий коефіцієнт варіації. У результаті проведених дослідів на цифровому табло засвічується кількість ділянок, що контролюються, середня міцність бетону і фактичний коефіцієнт варіації.
Акустичні методи
Акустичні методи побудовані на вивченні характеру розповсюдження звуку в конструктивних матеріалах. Звук — коливальний рух часток пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газоподібному, рідкому та твердому середовищі. Пружні хвилі прийнято ділити на інфразвукові з частотою до 20 Гц, звукові, частота яких лежить у межах від 20 Гц до 20 кГц, ультразвукові з частотою від 20 кГц до 1000 МГц і гіперзвукові, частота котрих перевищує 1000 МГц. При визначенні міцності й знаходженні дефектів у бетонних та керамічних конструкціях використовують коливання частотою від 20 до 200 кГц, а при дослідженні металів і пластмас — частотою від 30 кГц до 10 МГц.
Існує ряд методів використання ультразвуку на практиці. Найбільше поширення дістав ультразвуковий імпульсний, резонансний, iмпедансний методи та метод акустичної емісії. Акустичні методи базуються на відомих із фізики залежностях, що визначають характер розповсюдження хвиль у суцільних середовищах. Картина розповсюдження хвиль є досить складною, оскільки при дії на середовище швидкоплинних процесів збуджуються хвилі різного типу.
Розглянемо розповсюдження найпростіших одномірних по-здовжніх хвиль у пружному стержні, площа поперечного перерізу якого дорівнює А, а модуль пружності — Е. Припустимо, що в стрижні поперечні перерізи залишаються плоскими, розподіл поздовжніх напружень однорідний уздовж усього стрижня, радіальна інерція дуже мала, а коефіцієнт Пуассона матеріалу дорівнює нулю.
Нехай до торця стрижня в момент часу t = 0 (рис. 1.13,а) прикладаються рівномірно розподілені безмасовi сили, що діють протягом часу t = τ. Тоді за час t напруженнями σ буде стиснена ділянка стрижня довжиною z = vτ, де v— швидкість розповсюдження фронту поздовжньої хвилі вздовж стрижня. При цьому торець стрижня дістане переміщення на величину (рис.1.13,б)
(1.10)
Середню швидкість См переміщення торця можна визначити за виразом
(1.11)
Якщо допустити, що час дії навантаження малий (імпульсне навантаження), тобто τ → 0, то швидкість переміщення торця визначимо так:
(1.12)
Скористаємось тепер рівнянням кількості руху
(1.13)
Урахуємо, що σ, A i с — величини, що мають постійні значення, с0 = 0, оскільки до прикладання навантаження торець не переміщався, а маса m визначалась довжиною ділянки стрижня
(1.14)
звідки випливає, що
(1.15)
де ρ — густина матеріалу.
Інтегруючи ліву частину рівняння (1.13), а також ураховуючи в правій частині співвідношення (1.12) та (1.14), будемо мати
(1.16)
Після скорочення в обох частинах однойменних членів отримаємо
(1.17)
У загальному випадку залежність між швидкістю поширення пружних хвиль та фізичними константами середовища може бути виражена формулою
(1.18)
де K = 1 при визначенні швидкості розповсюдження поздовжніх пружних хвиль у тонких стрижнях, коли A < λ2. Тут λ — довжина хвилі, що визначається як
(1.19)
При використанні ультразвуку в металах довжина хвилі змінюється в межах від 0,4 до 233 мм, а в залізобетоні — від 10 до 275 мм. Довжина хвилі є одним із параметрів, що визначає розв’язувальну здатність методу вимірювань. Слід підкреслити, що наведені міркування носять деякою мірою спрощений характер, оскільки при цьому не враховувалася неоднорідність конструктивних матеріалів та наявність сил опору, які приводять до згасання процесу розповсюдження хвиль.
Визначаючи швидкість розповсюдження поздовжніх хвиль у тонкій пластинці при її товщині, меншій за довжину хвилі, слід прийняти K = 1 / (1 - μ2), а в необмеженому середовищі K= (1- μ)(1 + μ )–1 (1 - 2 μ)-1.
При розгляді швидкості поширення зсувних (поперечних) пружних хвиль у будь-якому середовищі K = 0,5(1 + μ)-1, а при розгляді пружних поверхневих хвиль (хвиль Релея) — K = 0,5(0,87 + 1,12 μ)2 (1 + μ )-1.
При використанні нормальних хвиль (хвиль Лемба), що виникають у плоских тілах та тілах постійної товщини, K = π2 δ2 μ–2 (1- μ2)-1 / 3 (тут δ — товщина об’єкта, що розглядається, яка повинна бути суттєво меншою від довжини хвилі).
Будь-яка ультрахвильова установка складається з окремих елементів апаратурного забезпечення експериментів. У цей комплекс уходять випромінювач і приймач коливань. В окремих випадках випромінювач одночасно може виконувати функції приймача, а в методі акустичної емісії він використовується лише як приймач. Є також блок живлення, підсилювачі сигналів на вході i виході, реєструюча апаратура (електронний осцилограф або цифровий індикатор). При використанні електронного осцилографа звичайно використовується затримка зображення, що дає можливість реєструвати сигнал на екрані деякий час.
Випромінювачі та приймачі — ультразвукові перетворювачі — можуть бути п’єзоелектричними і магнітострикційними. В перших кристал, що має п’єзоелектричні властивості (кварц, турмалін, титанат барію, сегнетова сіль й ін.), перетворює механічну енергію в електричну і навпаки. В других магнiтостриктер, який збирається з тонких ізольованих одна від одної металевих пластинок i має властивість стискуватися або розтягатися під впливом дії магнітного поля, також дає можливість виконати перетворення енергій одну в іншу.
Ці перетворювачі збуджують по-здовжні хвилі. Для отримання поперечних хвиль використовується явище транс-формації поздовжньої хвилі на межі двох середовищ. На цю межу (рис. 1.14) пiд кутом α падає поздовжня хвиля 1. Тут вона трансформується у хвилі, що проходять, та тi, що відбиваються, 2: поздовжні і поперечні. Причому кут переломлення βвп поздовжньої хвилі 3 більший від кута переломлення βпп поперечної хвилі 4. Збільшуючи кут α , можна досягти такого положення, що поздовжня хвиля, яка проходить, буде поширюватися лише по поверхні й в іншому середовищі поширюватимуться тільки поперечні хвилі. Подальше збільшення кута α дасть можливість прийти до такого положення, коли в іншому середовищі буде поширюватися поперечна хвиля лише по межі розподілу.
Практично ця трансформація хвиль досягається використанням призматичного перетворювача (рис. 1.15), який складається з призми 3 та випромінювача 1. На цьому рисунку показані промені падаючої поздовжньої хвилі 2, промінь поперечної хвилі, що проходить, 5 i промінь хвилі, котра відбилася, 4.
Хвилі, що пройшли в матеріал, дають змогу досліджувати його властивості одним із методів, що наведені нижче.
У металевих конструкціях за допомогою ультразвуку виконується контроль дефектів у металi та якість зварних швів. Під час використання тіньового методу (рис. 1.16) сигнал від випромінювача 1 та приймача 3 подається на екран осцилографа (рис. 1.16, б), причому за наявності дефектів 2 виникає зниження або повне зникнення сигналу, що відтворюється приймачем.
Траси прозвучування конструкцій можуть мати довільний напрям. Так може використовуватись метод похилого прозвучування поздовжньою хвилею (рис. 1.17, а) або поверхневе прозвучування поперечною хвилею (рис. 1.17, б).
За неможливості розміщення головок випромінювача й приймача на поверхні конструкції використовується луна-метод (рис. 1.18). У даному випадку перетворювач 1 виконує функції як випромінювача, так i приймача. Цей метод дозволяє як знаходити дефекти 2, так i визначати товщину виробу H та відстань h до місця розташування дефекту. 
Якщо провести неодноразове прозвучування поверхні, то на бездефектних ділянках (рис. 1.18, а) на екрані осцилографа буде реєструватись постійний проміжок t1 між моментом посилання сигналу та моментом його отримання. В місцях, де мають місце дефекти (рис. 1.18, б), буде значна зміна цього часу, що визначається тепер як t2. Для сталевих конструкцій швидкість поширення ультразвуку c є величиною стабільною, що дає можливість із досить елементарних суджень визначити невідому товщину металу H = 0,5ct1. Відстань до мiсцезнаходження дефекту тепер може бути визначена як h = 0,5ct2.
Можна також відмітити існування дзеркально-тiньового методу, коли випромінювач та приймач установлюються на одній i тiй же поверхні виробу в безпосередній близькості один від одного. Такий підхід дає можливість використовувати ту саму апаратуру, що випускається промисловістю.
При контролі якості зварних швів вищенаведеними методами знаходять шлакові включення, тріщини, раковини, газові чарунки та непровари. Для контролю стикових з’єднань використовують призматичні перетворювачі з різними кутами падіння ультразвукових хвиль. Оскільки в стикових з’єднаннях дефекти звичайно розвиваються вздовж поверхонь виробів, що з’єднуються, то в процесі контролю перетворювач переміщають уздовж шва по змiєподiбнiй ламаній лінії.
При зварних швах товщиною 250...300 мм та більше використовують перетворювачі з кутом 30˚, при товщинах 200...250 мм — перетворювачі з кутом 40˚, при більш тонких швах — перетворювачі з кутом 50...55˚.
Суть луна-методу, який використовується при дослідженні дефектів зварних швів при з’єднанні їх упритул, полягає в реєстрації рівня послаблення ультразвукових хвиль, що відбиваються від поверхні (рис. 1.19). При цьому чим більше послаблення, тим більші розміри дефекту. Даний метод може бути використаний (при наскрізному прозвучуваннi) для контролю як нижньої ділянки шва (рис. 1.19, а), так i верхньої його частини (рис. 1.19, б). На рисунку 1.19, в показано принцип використання луна-методу при відбитті хвилі від нижньої поверхні матеріалу.
Резонансний метод пов’язаний із дією на конструкцію збурень змінної частоти. При використанні ультразвуку для проведення випробувань при стандартних збуджувачах коливань можна розглядати як об’єкти, що досліджуються, лише зразки, геометричні розміри яких достатньо великі. Перевагою таких експериментів є те, що вони відкривають широке поле для виявлення впливу різних факторів на динамічні характеристики матеріалу, який уже пройшов випробування імпульсним методом.
При проведенні резонансних досліджень використовують зразки: призми з розмірами 200х200х800; 150х150х600; 100х100х400; 7,07х7,07х28,3 мм, а також циліндри діаметром 150; 7,14 мм при висоті зразка вiдповiдно 600 i 28,56 мм. Завданням випробувань є визначення динамічного модуля пружності та зсуву.
Випромінювач під час проведення експерименту випромінює гармонійні коливання різної частоти. Приймач приймає сигнал, а система реєстрації виводить його на електронно-променеву трубку. При змiнi частоти ультразвукових коливань легко визначити тi, якi відповідають резонансним режимам, тобто виявити збіжність вимушених та власних коливань. Використовуючи отримані результати, на основі відомого методу динаміки споруд можна визначити динамічні характеристики матеріалу.
Імпедансний метод базується на реєстрації величини акустичного імпедансу (опору) ділянки виробу, що контролюється. Зміна вхідного імпедансу може бути виявлена за зміною амплітуди або фази сили, що діє на датчик та збуджує в ньому пружні коливання. На рисунку 1.20 показана схема iмпедансного методу. Датчиком 1 є стрижень, який має контакт із поверхнею і здійснює поздовжні коливання. Якщо обшивка 2 жорстко склеєна з основним матеріалом 4, то вся конструкція коливається як одне ціле й імпеданс системи „обшивка—клей—конструкція—датчик“ визначається жорсткістю всієї конструкції. При цьому сила взаємодії датчика та конструкції буде суттєвою. Якщо стрижень попадає в зону, де відсутній клей 5, то ділянка обшивки коливається як тонкий елемент. Оскільки жорсткість обшивки суттєво нижча, ніж жорсткість системи в цілому, то сила взаємодії суттєво зменшиться.
Метод акустичної емісії оснований на реєстрації акустичних хвиль у твердих тілах при пластичному деформуванні та виникненні i розвитку тріщин. Реєструючи швидкість руху хвиль емісії, можна знайти небезпечні дефекти й прогнозувати надійність елементів конструкцій: зон концентрації напружень у металевих, еволюцію розвитку тріщин у залізобетонних, появу розшарування в клеєних дерев’яних конструкціях i т.п.
Техніка реалізації акустичного методу полягає в тому, що на поверхні об’єкта, який вивчається, встановлюється ряд приймачів, що реєструють момент приходу імпульсу та його характеристики в процесі навантаження конструкції і її експлуатації. Інтенсивна фіксація імпульсів свідчить про процеси, що пов’язані з розвитком мiкро- й макротрiщин у конструкціях.
Радіаційні методи
Найбільш поширеними із радіаційних методів, що використовують для вивчення фiзико-механiчних властивостей матеріалів та дефектоскопії будівельних конструкцій, є рентгенівський метод, метод гальмівного випромінювання прискорювачів електронів і γ-метод. Перспективними є метод, що побудований на використанні позитронів, та метод просвічування потоком теплових нейтронів. Використання нейтронів дозволяє визначати вміст вологи в будівельних матеріалах, а використання позитронів — напруження втоми в металах.
Рентгенівське й гальмівне випромінювання прискорювачів електронів та γ-випромiнювання за своєю природою є високочастотними електромагнітними хвилями. Джерелами перших можуть бути рентгенівські апарати, других — прискорювачі електронів, а γ-випромiнювання — радіоактивні ізотопи.
За допомогою радіаційних методів вирішується ряд задач, пов’язаних із вивченням стану конструкцій та матеріалів: виявлення дефектів під час зварювання металевих конструкцій, тріщин, зон ураження корозією, дефектів прокатних листів, визначення товщини захисного шару бетону, розміри й розміщення арматури в залізобетонних елементах, вимірювання напружень, визначення питомої ваги будівельних матеріалів і їх вологості, визначення товщини виробів.
Вологість будівельних матеріалів визначається за допомогою швидких нейтронів. У процесі пружного розсіювання швидкі нейтрони сповільнюються до теплових з енергією 0,025 еВ. Таке сповільнення йде найбільш ефективно на ядрах атомів, у яких маса ядра близька до маси нейтрона. Із числа хімічних елементів, що входять до складу будівельних матеріалів, найбільш ефективним сповільнювачем нейтронів є водень.
Визначення вологості здійснюється за допомогою попередньо побудованої тарувальної кривої „вологість — інтенсивність імпульсів“ при різних схемах випробування (рис. 1.21).
Визначення питомої ваги будівельних матеріалів у виробах та конструкціях можливе шляхом наскрізного просвічування, а також i при односторонньому доступі до конструкції. Суть таких досліджень полягає в прямо пропорційній залежності послаблення сигналу, що пройшов через конструкцію, й питомої ваги матеріалу.
Під час радіаційних досліджень матеріалів та конструкцій можуть використовуватися різні методи фіксації результатів. Розглянемо деякі з них.
Радіографічний метод базується на фіксації інтенсивності випромінювання, що пройшло через об’єкт, який вивчається. Для фіксації використовують магнітну плівку. Перевагами цього методу є те, що в руках дослідника залишається об’єктивний документ характеристики стану конструкції на момент просвічування.
Так, контроль якості зварки виконується радіографічним методом. Джерело випромінювання 1 (рис. 1.22) розміщується над швом, що досліджується, а касета з плівкою 2 — під ним. Пучок випромінювання проходить через шов i діє з інтенсивністю, прямо пропорційною щільності шва. Для оцінювання якості знімків та визначення чутливості радіографічного методу контролю використовуються пластинчасті еталони з канавками й дротяні еталони, якi розміщуються в місцях просвічування. Пластинчасті еталони з канавками використовуються для просвічування виробів, у яких можуть бути дефекти у вигляді раковин, різноманітних уключень, газових пор. Дротяні еталони використовуються під час радіографії виробів, у котрих можуть бути дефекти у вигляді непроварiв та мiкротрiщин.
Дефектні ділянки шва характеризуються викривленим зображенням на плiвцi. Ступінь затемнення, форма та положення затемнених ділянок указують на місце розміщення тріщин, непроварiв, шлакових уключень та інших дефектів. Для виявлення тріщин необхідно, щоб напрям випромінювання збігався з напрямом тріщин. Непровари в зварних з’єднаннях можуть виявлятися під час просвічування виробів перпендикулярно шву і під кутом 450. Газові пори й шлакові включення в зварних швах виявляються при спрямуванні променів перпендикулярно шву.
Оцінювання однорідності матеріалів та виявлення в них дефектів здійснюється аналогічно дефектоскопії зварних з’єднань. Дефектні місця матеріалів (тріщини, раковини, каверни тощо) будуть менше ослаблювати потік випромінювання порівняно з бездефектними ділянками. Наявність бiльш щільних уключень призводить до послаблення інтенсивності випромінювання. Під час дефектоскопії неоднорідних матеріалів (у тому числі i бетону) слід мати на увазі, що вони за своєю структурою неоднорідні, тому дефекти доводиться визначати на фоні цієї неоднорідності. В зв’язку з цим у бетонних конструкціях удається визначати дефекти, розміри яких в два-три рази більші від розмірів крупного заповнювача. Дефекти бетону у вигляді тріщин визначаються лише тоді, коли напрям просвічування не відхиляється від напряму поширення тріщин на кут більше ніж 5º.
Просвічування дає також можливість виявити внутрішні дефекти пластмаси у вигляді тріщин, раковин тощо i деревини — сучки, тріщини, місця її загнивання.
Під час використання радіаційних випромінювань можливі два способи просвічування: наскрізний (рис. 1.21, а), коли можливий двосторонній доступ до конструкції, й односторонній (рис. 1.21, б), який базується на реєстрації інтенсивності випромінювання, що розсіюється матеріалом.
Ксерографiчний метод полягає в тому, що результат просвічування фіксується на ксерорадiографiчнiй або електрорадiографiчнiй пластинці, яка складається з алюмінієвої підкладки та нанесеного на неї шару фотопровідного матеріалу з аморфного селену. Щоб зробити пластинку чутливою до іонізуючого випромінювання, поверхні селенового шару дають електричний заряд, після чого її, подібно рентгенівській плiвцi, розміщують у світлонепроникну касету. При просвічуванні елементів конструкції на поверхні селенового шару утворюється приховане електростатичне зображення. Це зображення проявляють, опилюючи селеновий шар дрібним наелектризованим порошком крейди. Частинки порошку, заряджені електричним зарядом протилежного знаку, прилипають до поверхні селенового шару, утворюючи при цьому видиме зображення об’єкта, що просвічується.
Радіоскопічний метод полягає в перетворенні захованого рентгенівського або γ-зображення об’єкта, що просвічується, у видиме на екранах перетворювачів іонізуючого випромінювання та телевізійних приймачів. На практиці використовують установки візуального контролю з безпосереднім спостереженням зображень на екранах перетворювачів (флюороскопічного, рентгенівських електронно-оптичних перетворювачів, електронно-оптичних підсилювачів видимого світла, електролюмінесцент-ного).
Візуальний контроль відрізняється від радіографічного більшою оперативністю. Під час візуального контролю легко отримувати результати при змiнi кута просвічування та стереоскопічне зображення об’єкта, що досліджується. Недоліком рентгеноскопічних методів порівняно з методами рентгенографії є зниження точності отриманих результатів.
Усі роботи з використанням радіоактивних речовин і джерел іонізуючих випромінювань регламентуються відповідними документами.