Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных методов неразрушающего контроля строительных материалов 11
1.1. Визуальный контроль 11
1.2. Механические методы 11
1.3. Тепловой контроль 13
1.4. Акустические методы контроля 13
1.4.1. Метод акустической эмиссии 14
1.4.2. Ультразвуковые методы 14
1.4.3. Ультразвуковой метод на основе поверхностных волн 16
1.5. Современные исследования по разработке новых методов неразрушающего контроля дефектности бетона 17
1.6. Разработка методов неразрушающего контроля на основе явления механоэлектрических преобразований 20
1.6.1. Историческая справка по исследованию механоэлектрических преобразований в диэлектрических материалах 20
1.6.2. Разработка методов на основе электромагнитной эмиссии 22
1.6.3. Разработка неразрушающего метода контроля по параметрам
электрического отклика на импульсное механическое воздействие 23
Глава 2. Методики экспериментальных исследований 25
2.1. Методика регистрации электрических откликов, возникающих при ударном возбуждении гетерогенных неметаллических материалов 25
2.2. Методики обработки электрических сигналов 27
2.2.1. Методика расчета коэффициента взаимной корреляции электрических откликов 27
2.2.2. Методика расчета коэффициента затухания энергии электрического отклика 29
2.3. Методика измерения скорости продольных акустических колебаний 33
2.4. Методика проведения климатических испытаний 34
2.5. Методика изготовления образцов 35
Глава 3. Выбор и обоснование основного подхода к решению задачи неразрушающего контроля строительных материалов по параметрам электрического отклика на ударное воздействие 36
3.1. Исследование закономерностей механоэлектрических преобразований в строительных материалах, имеющих в своем составе пьезоэлектрические включения 36
3.2. Исследование закономерностей влияния влажности на параметры механоэлектрических преобразований в строительных материалах 44
Выводы к третьей главе 51
Глава 4. Разработка неразрушающего контроля дефектности и прочности строительных материалов по параметрам электрического отклика на упругое ударное воздействие 53
4.1. Разработка критериев определения глубины и концентрации трещин в строительных материалах 53
4.1.1. Связь параметров электрического отклика с глубиной искусственной трещины в бетоне 53
4.1.2. Исследование влияния глубины естественной трещины на параметры электрического отклика 60
4.1.3. Исследование влияния концентрации поверхностных трещин в бетоне и их ориентации на параметры электрического отклика 64
4.1.4. Исследование влияния трещиноватости бетона, созданной циклическим замораживанием-оттаиванием, на параметры электрического отклика 70
4.2. Разработка неразрушающего метода контроля прочности строительных материалов по параметрам электрического отклика 74
4.2.1. Поиск и разработка диагностического параметра электрического отклика для неразрушающего контроля прочности строительных материалов 75
4.2.2. Учет влияния влажности в методике неразрушающего контроля прочности бетона по параметрам электрического отклика 85
4.3. Алгоритм неразрушающего контроля дефектности и прочности строительных
материалов на основе явления механоэлектрических преобразований 88
Выводы к четвертой главе 89
Глава 5. Разработка переносного программно-аппаратного комплекса для измерения электрического отклика на импульсное механическое возбуждение протяженных изделий из строительных материалов 91
5.1. Конструктивное решение и программное обеспечение комплекса 91
5.2. Выбор и обоснование основных технических характеристик регистрирующей системы для неразрушающего контроля дефектности и прочности по параметрам электрического отклика 94
5.3. Использование разработанного комплекса для неразрушающего контроля изделий из строительных материалов, имеющих различную шероховатость поверхности 102
5.4. Исследования возможностей использования разработанного комплекса для сканирования протяженных изделий 107
Выводы к пятой главе 110
Основные результаты диссертационных исследований 112
Список литературы 114
- Акустические методы контроля
- Методика расчета коэффициента взаимной корреляции электрических откликов
- Исследование закономерностей влияния влажности на параметры механоэлектрических преобразований в строительных материалах
- Исследование влияния глубины естественной трещины на параметры электрического отклика
Акустические методы контроля
Пассивный акустико-эмиссионный метод применяется для отслеживания процессов развития разрушения строительных конструкций и ее элементов. Основа данного метода заключается в регистрации и последующем анализе сигналов акустической эмиссии, возникающих в результате пластической деформации материала, развитии трещин, изменении структуры и принятых в виде волн напряжений соответствующим преобразователем. Использование акустической эмиссии имеет значительные трудности при не высоком уровне напряжений, так как выделение полезного сигнала на фоне помех представляет собой чрезвычайно сложную задачу.
В настоящее время за рубежом ведутся разработки, при которых с помощью акустической эмиссии определяют время начала образования трещины [21,22] и ее расположение внутри материала путем определения координат источников акустического возбуждения. Оценивают эффективность ремонта трещин, нагружая материал до начала появления новых импульсов, по результатам которых видно, начинает прорастать новая трещина или продолжает развиваться отремонтированная [23,24]. Основной недостаток такого подхода, как и у всех эмиссионных методов, состоит в том, что он может использоваться только для непрерывного мониторинга изделий в процессе разрушения. А также этот подход связан с большой зависимостью от скорости звука, которая не постоянна в таком материале как бетон, и имеет большую погрешность определения координат даже на модельных образцах.
Распространенным методом акустического неразрушающего контроля при исследовании бетонных конструкций являются ультразвуковые методы. Ультразвуковые методы контроля основываются на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии [19].
В строительстве ультразвуковыми методами контролируют прочность и однородность бетона в деталях и конструкциях, наличие дефектов в строительных материалах (бетоне, горных породах, древесине). Контроль прочности бетона основан на корреляции со скоростями распространения в бетоне упругих волн или нелинейностью диаграммы деформирования. При дефектоскопии изделий анализируются изменения параметров волн, прошедших в зоне дефекта или отраженных от него. Точность методов, основанных на измерении скорости звука, определяется с одной стороны точностью измерения скорости звука. С другой стороны, скорость звука сильно зависит от состава бетона (например, количество и качество заполнителя не в равной степени изменяют скорость звука и прочность бетона), шероховатости поверхности, наличия арматуры и влажности. С увеличением прочности погрешность ее оценки возрастает. При ошибке измерения скорости звука в 1%, погрешность в оценке прочности на уровне 10 МПа составляет 3,5%, а на уровне 25 МПа – 6%. Применение ультразвукового метода в строительных материалах ограничивается из-за значительного затухания УЗ-волн на неоднородностях структуры, которой обладают такие материалы как бетон.
Эхо-метод обычно используется, когда доступна лишь одна сторона изделия. Метод основан на посылке в изделие коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхосигналов, отражённых от несплошностей тем самым предназначен, для обнаружения дефектов и их координат с различной ориентацией [19]. Как правило, эхо-методом невозможно определить даже достаточно большие дефекты из-за низкого отношения сигнал шум, а так же из-за слишком широкой диаграммы направленности преобразователя. Наиболее удачные исследования наблюдаются в обнаружении поверхностных трещин [25, 26]. При сквозном (теневом) методе контроля необходимо точно обеспечивать соосность излучающего и приемного датчиков, что сложно реализовать в конкретных условиях (например, при сканировании межэтажных перекрытий).
Даже недавно разработанный и выпущенный на рынок ультразвуковой дефектоскоп для строительных материалов на основе фазированных антенных решеток [27, 28] имеет большие недостатки. Например, большую мертвую зону в приповерхностной и донной области, что не позволяет его использовать для изделий малой толщины, а так же он способен обнаруживать неоднородности диаметром от 50 мм, и не чувствителен к трещинам, которые чаще всего являются главной причиной разрушения строительных материалов [29].
В работе [30] авторы на основе временного сдвига акустических волн определяют степень трещиноватости исследуемых образцов, но из-за высокой скорости звука в бетоне и многократного отражения волн сложно определить начало импульса на образцах с большим количеством крупного заполнителя.
Ведутся исследования по разработке методов определения глубины поверхностных трещин в бетонных изделиях при одностороннем доступе [31]. Возможности метода ограничены из-за необходимости предварительно знать количество и геометрию трещины для правильного интерпретирования результатов экспериментальных исследований, что чаще всего невозможно в реальных условиях. Также до сих пор пытаются определять наличие дефектов и однородность по скорости звука, что имеет высокую погрешность в виду непостоянной скорости звука в разных направлениях даже одного бездефектного образца [32].
В частности в статье [33] авторами предлагается использовать самокомпенсирующуюся функцию частотной характеристики для более надежного выделения компонент волн Рэлея на фоне сопровождающего шума для определения глубины поверхностных трещин. Предложенная методика была проверена на образцах бетона с искусственными и структурными поверхностными трещинами. Получены обнадеживающие результаты.
Современные исследования по разработке новых методов неразрушающего контроля дефектности бетона Обычные ультразвуковые методы используют прямой контакт пьезопреобразователя и приемника ультразвуковых волн с объектом испытания. Поэтому одной из основных проблем этого метода является необходимость идеального акустического контакта между преобразователем и испытываемой конструкцией. Качество акустического контакта преобразователя с поверхностью особенно важно при использовании в качестве диагностического признака дефектности амплитуды акустического отклика. В последние годы многими учеными ведутся исследования по разработке бесконтактные ультразвуковых методов.
В работе [36] приведены результаты по использованию сканирующего лазерного виброметра для 2D визуализацию упругих волн, распространяющихся вдоль поверхности образцов бетона. Показаны возможности визуализации внутренних дефектов в виде высверленной воздушной полости глубиной 130мм и диаметром 50 мм и пропила глубиной 135 мм через всю ширину образца бетона. Размер лабораторной модели составлял 2007001000 мм.
В работе [37] предпринимаются попытки поиска способов исключения влияния структурных шумов, при высокочастотном ультразвуковом и лазерном приеме путем исключения некогерентной составляющей сигнала, связанной со структурными характеристиками бетона и приводятся данные по возможности оценки упругих характеристик и пористости бетона.
В работе [38] приводятся результаты лабораторных исследований по применению методики регистрации поверхностных волн с помощью лазера и наклонных пьезоэлектрических датчиков для определения пористости бетона. Получены пока предварительные результаты, по которым сложно судить о реальной пористости бетона.
В качестве бесконтактного метода регистрации акустических колебаний в работах [39-41] предложено использовать встроенные пьезоэлементы. Этот метод позволяет регистрировать величину внутренних механических напряжений на границе с пьезопреобразователем и судить об их изменении. Например, в процессе твердения бетона и набора им прочности. Разрабатываемые методы на основе встроенных пьезоэлектрических агрегатов могут быть использованы также для определения существования и степени тяжести трещин внутри бетонной структуры. Основными недостатками данного метода является то, что для его осуществления необходимо встраивание специальных интеллектуальных агрегатов в конструкцию. Это ведет с одной стороны к формированию в структуре инородного включения, которое в последующем может явиться местом локализации разрушения и с другой стороны данный метод не может быть применим к контролю конструкций, в которых этих агрегатов нет.
Все эти методы еще находятся в стадии лабораторных разработок и имеют значительные трудности для использования их в практике неразрушающего контроля бетона, обладающего сложной гетерогенной структурой.
Еще один бесконтактный метод неразрушающего контроля предложен в работе [42]. Авторами разрабатывается способ измерения ультразвука путем погружения образцов в ванны со специальной жидкостью, которая обеспечивала передачу ультразвуковых волн от датчика в образец и обратно. Были проведены исследования по обнаружению и визуализации процессов разрушения образцов бетона возникающих в процессе циклического замораживания-оттаивания. Показаны преимущества использования предлагаемой методологии по сравнению с измерениями скорости ультразвука контактным методом.
Одним из подходов для поиска новых методов неразрушающего контроля дефектности бетона предложено использовать электропроводящий слой фольги на поверхности бетона [43], резкое увеличение сопротивления соответствует моменту образования поверхностной трещины. Неудобство данного метода в трудоемкости предварительного нанесения данного слоя.
Методика расчета коэффициента взаимной корреляции электрических откликов
Были проведены испытания этого же образца с использованием секционного датчика, который представляет собой пластину фольгированного текстолита размером 50100 мм, разделенную на шесть приемников размером 1550мм, который располагался на расстоянии 3 мм от боковой поверхности образца. Расположение отдельных электрических приемников (П) секционного датчика относительно пьезоэлектрического источника приведено на схеме 5. На рисунке 3.7. приведены начальные участки электрических сигналов, зарегистрированных приемниками П3, П4, П5 и П6.
Как видно из рисунка минимальная величина электрического сигнала регистрируется с помощью приемника П5, в зоне которого находится пьезоэлемент (кривая 5). Датчики, расположенные в ту или другую сторону от пьезоэлемента регистрируют сигналы разной полярности и величины. То есть при расположении датчика перпендикулярно плоскости пьезоэлемента также регистрируется разностный сигнал. 0,2
Как видно из рисунка, уровень электрического сигнала в схеме 5 больше по сравнению с сигналом в схеме 6, аналогично образцу с пьезоэлементом. Следовательно, слой песка в целом является источником акустоэлектрических преобразований. Однако, сигнал, регистрируемый с помощью электрического датчика, расположенного параллельно слою песка не меняет полярности при измерении с одной и другой стороны относительно слоя.
Электрический сигнал, регистрируемый секционным датчиком с приемников, расположенных с разных сторон песчаного слоя не смещается по фазе и с приемника, расположенного вблизи области нахождения слоя песка возрастает (рисунок 3.8). Для упрощения картины приведены сигналы только с 4, 5 и 6 приемников.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что в слое песка нет преимущественного расположения пьезоэлектрических осей в рамках всего слоя ни в вертикальном, ни в горизонтальном направлении. Скорее всего, имеются локальные участки с преимущественным направлением пьезоэлектрических осей. При деформации этих областей возникают электрические поля, имеющие различную величину и направление, а суммарное электрическое поле является результатом их векторного сложения.
Подтверждением этому служат результаты испытания цементно-песчаного образца, в котором песок, содержащий кварц, равномерно распределен по всему объему образца (рисунок 3.9).
В цементно-песчаных образцах ориентация пьезоэлектрических осей пьезокварца имеет случайный характер, и отдельные области образца могут иметь различную эффективность акустоэлектрических преобразований за счет векторного сложения электрических полей от отдельных источников акустоэлектрических преобразований, расположенных в данной области. 10 20 30 40 50
Проведенные модельные исследования показывают, что использование для пьезосодержащих материалов в качестве диагностического критерия оценки дефектности и прочности амплитуды электрического сигнала может давать значительные погрешности. Поэтому существует необходимость разработки амплитудно-независимого критерия определения дефектрности и прочности.
Строительные контсрукции эксплуатируются в различных влажностных условиях. Поэтому существует необходимость разработки метода, который бы позволял осуществлять контроль изделий различной влажности.
В качестве методологического подхода для разработки физической модели механоэлектрических преобразований в процессе изменения влажности строительных материалов в рамках данных исследований использовано послойное увлажнение. В качестве моделей, на которых изучался процесс послойного увлажнения, были использованы гипсопесчаные образцы. Выбор гипсовых моделей обусловлен тем, что они обладают высокой пористостью и имеют достаточно высокий коэффициент механоэлектрических преобразований.
Исследование влияния влажности на параметры электрического сигнала производилось в процессе послойного увлажнения образцов. Для этого образец помещался на подставку с точечными опорами, которая находилась в сосуде с водой, таким образом, чтобы в воде находилась только одна поверхность размером 5050 мм, заглубленная в воду на 1 мм. Измерительный электрод располагался на расстоянии 2 мм от боковой поверхности образца параллельно ей и не касался воды. Испытание производилось непосредственно в процессе увлажнения образцов и подъема воды по образцу за счет капиллярного смачивания [113].
Электрическая модель сигнала в условиях изменения влажности материала, в котором происходят механоэлектрические преобразования, основана на следующих предпосылках. С одной стороны под действием акустической волны происходит появление заряда (на гранях пьезокварца) и движение этих зарядов и зарядов двойных электрических слоев, приводящие к изменению напряженности электрического поля, в результате чего возникает ток смещения, который течет по замкнутым орбитам [114]. С другой стороны наличие металлического проводника (поверхности приемника), соединенного через измерительное сопротивление с землей, в электрическом поле движущегося заряда приводит к изменению потока вектора индукции через поверхность пластины приемника. На основе этого предлагается электрическая схема замещения отклика при механоэлектрическом преобразовании в образце (рисунок 3.15.), состоящая из двух контуров [97]. Соотношения между токами в первом и втором контуре, очевидно, будут определяться электрическими свойствами среды. Повышение проводимости в области круговых токов приводит к возрастанию тока в первом контуре (I1) и соответствующему уменьшению во втором (I2) и свидетельствует об экранировании источников механоэлектрических преобразований, находящихся во влажных зонах. Один контур, включающий активное сопротивление Rsh и емкость Csh, создающую реактивное Zcsh сопротивление, охватывает источник и является шунтирующим по отношению к току сигнала, проходящего через измерительное сопротивление электрического датчика R. Ri и Сі активное и емкостное составляющие пространства между источником сигнала внутри образца и поверхностью образца, напротив которой находится пластина емкостного датчика. С2 - емкость между поверхностью образца и пластиной приемника. R - измерительное сопротивление. Zo представляет собой внутренний импеданс источника E(t). E(t) - задается в виде E(t)=E0-sm(2-n-f), где / - частота главного максимума амплитудно-частотной характеристики сигнала при механоэлектрическом преобразовании.
Исследование закономерностей влияния влажности на параметры механоэлектрических преобразований в строительных материалах
Из сравнения рисунков 4.12 и 4.13 видно, что концентрация одинаковым образом ориентированных искусственных трещин наилучшим образом отслеживается по коэффициенту затухания.
В реальных условиях образующиеся трещины имеют различную ориентацию относительно друг друга. С помощью отрезного станка невозможно создание модельных трещин ориентированных в различных направлениях. Для определения влияния ориентации трещин на параметры электрического сигнала были изготовлены специальные модели. Искусственные трещины различной концентрации и ориентации были созданы путем введения в форму с жидким цементно-песчаным раствором полиэтиленовых пластин размером 20201 мм. Через 3 часа после затвердения пластины удалялись и в образцах оставались полости моделирующие трещины соответствующего размера, локализованные с одной стороны образца. Из одного и того же цементно-песчаного раствора были изготовлены модели с 5, 15 и 30 трещинами и контрольный бездефектный образец.
На рисунке 4.14 для иллюстрации расположения искусственных трещин приведена фотография образца с 15-ю трещинами. Рисунок 4.14. Фотография образца с искусственными трещинами, имеющими различную ориентацию относительно друг друга
Испытания образцов с различным образом ориентированными искусственными трещинами производилось следующим образом. Образцы устанавливались на испытательный стол таким образом, чтобы сторона с трещинами была боковой. Удар производился по центру верхней поверхности, а измерительный приемник располагался вблизи боковой дефектной поверхности.
После проведения измерений была проведена обработка данных и определены коэффициент корреляции и коэффициент затухания по методикам, описанным в параграфе 2.2.
Данная зависимость хорошо аппроксимируется прямой линией вида: fJ = 132 + 25N, с коэффициентом детерминации 0,90, где р - коэффициент затухания, N - количество искусственных трещин.
Следовательно, даже при случайной ориентации трещин относительно друг друга сохраняется линейная зависимость коэффициента затухания спектральной энергии электрических сигналов от концентрации трещин в образце.
При изготовлении данных образцов использовалось соотношение цемента к песку 1:2. Средний диаметр песчинок составлял порядка 0,4 мм. Оценки показали, что количество пьезоэлектрических источников механоэлектрических преобразований в образце составляет порядка 107. Источники распределены равномерно по всему образцу и имеют случайное расположение пьезоэлектрических осей кварца. Ударное возбуждение производится сферическим ударным элементом и в образце создается сферическая упругая волна. В результате этого формируется сложная волновая картина, в которой присутствуют волны, распространяющиеся в разных направлениях. Поэтому в электрическом отклике присутствуют составляющие, отражающие взаимодействие акустических волн возбуждения с трещинами, имеющими различную ориентацию.
Проведенные исследования показывают, что по параметрам затухания энергии электрических откликов на упругое ударное возбуждение можно судить о развитии процессов трещинообразования в бетонах.
Исследование влияния трещиноватости бетона, созданной циклическим замораживанием-оттаиванием, на параметры электрического отклика
Проведенные исследования показали, что по параметрам электрического отклика можно оценивать концентрацию искусственных трещин в бетоне. Реальные трещины, формирующиеся в бетоне в процессе их эксплуатации характеризуются тем, что они, наряду с различной ориентацией относительно направления удара и приема имеют различную глубину. Поэтому в реальных условиях дефектность бетона характеризуется степенью трещиноватости.
Различная степень трещиноватости создавалась в бетоне в процессе циклического замораживания-оттаивания. Такого же типа нарушения происходят в реальных наружных конструкциях, эксплуатирующихся в условиях изменения температуры и влажности в широких пределах. При замораживании и оттаивании пористого материала, содержащего воду, изменяется его фазовый состав в связи с появлением льда или его таянием. Из-за аномального расширения воды при переходе в лед и, особенно, из-за невозможности ее отжатия в свободные объемы пор в бетоне появляется избыточное внутреннее давление. Такое давление может создавать предельные растягивающие напряжения в стенках пор и приводить к возникновению и развитию трещин [117].
Исследования проводились на образцах тяжелого бетона размером 5050100 мм. Партия образцов тяжелого бетона, которая состояла из 10 штук, была разбита на 5 групп. Одна группа из партии (контрольная) не подвергалась испытаниям, а хранилась во влажном состоянии в универсальной камере. Каждая из последующих 4 групп была подвергнута разному количеству циклов замораживания-оттаивания (5, 10, 15 и 20 циклов). Замораживание производилось по методике описанной в разделе 2.4. При таком режиме замораживания-оттаивания уже после 7-8 циклов на поверхности образцов появлялись отдельные видимые трещины. Так как приповерхностные слои исходно имеют значительно менее прочную структуру, то и развитие трещин в первую очередь должно начинаться с приповерхностных слоев. Поэтому общая длина поверхностных трещин может служить опосредованной характеристикой степени дефектности (трещиноватости) образцов, возникшей в результате их циклического замораживания-оттаивания.
Исследование влияния глубины естественной трещины на параметры электрического отклика
Используя полученные градуировочные зависимости определена средняя погрешность определения прочности по предложенному методу для цементного раствора она составляет 10 %, для тяжелого бетона - 9,5 %, легкого бетона - 8,6 %, армированного бетона - 13 %.
Следовательно, в качестве амплитудно-независимого критерия определения прочности предложено использовать степень трансформации спектральных характеристик электрического сигнала с изменением прочности, оцениваемую с помощью корреляционного анализа. Определение прочности осуществляется по экспериментально полученной градуировочной зависимости, связывающей обобщенный параметр с механической прочностью бетона. Обобщенный параметр Р вычисляется по формуле: где: rмах – максимальный коэффициент корреляции амплитудно-частотной характеристики электрического сигнала из исследуемого изделия с амплитудно-частотной характеристикой математического эталона, S – величина смещения по частоте амплитудно-частотной характеристики электрического сигнала из исследуемого изделия относительно амплитудно-частотной характеристики эталона, при котором наблюдается максимальный коэффициент взаимной корреляции, с-1.
Проведенные исследования показывают, что предложенный обобщенный амплитудно-независимый параметр для неразрушающего контроля прочности с использованием явления механоэлектрических преобразований дает значительно более высокую точность прогноза прочности по сравнению со стандартным механическим методом (склерометром) и может быть использован для широкого класса строительных материалов.
Известно, что влажность оказывает влияние на прочностные характеристики бетона. Для учета влияния влажности в процедуре неразрушающего контроля прочности по параметрам электрического отклика были проведены специальные исследования. Для чего использована партия образцов цементно-песчаного раствора одинакового состава. Была измерена масса образцов в воздушно-сухом состоянии, а затем образцы были замочены до полного водонасыщения. После чего производилось высушивание и последовательное разрушение образцов, обладающих различной влажностью, определяемой путем взвешивания, и определение их прочности. На рисунке 4.32 приведена зависимость прочности образцов цементно-песчаного раствора от их влажности.
Как видно из рисунка 4.32 при увеличении влажности на 9 % прочность уменьшилась с 31 МПа в воздушно-сухом состоянии до 20 МПа. Проведенными в рамках данной работы исследованиями установлены основные закономерности и механизм влияния влажности на параметры электрического сигнала.
Как было показано в разделе, в качестве критериев оценки прочности может быть использован максимальный коэффициент функции взаимной корреляции спектральной характеристики электрического сигнала с математическим эталоном и смещение по частоте, при котором наблюдается максимальный коэффициент взаимной корреляции. Обобщенный электрический параметр, который наилучшим образом отслеживает динамику изменения прочности, представляет собой частное от деления смещения на коэффициент взаимной корреляции.
Чтобы осуществлять контроль изделий из бетона, обладающих различной влажностью, необходимо выяснить каким образом изменяются найденные нами критерии в зависимости от влажности.
Наряду с изменением спектральных характеристик электрического сигнала в процессе увлажнения должна изменяться и механическая прочность материала. Проведены специальные исследования в этом направлении.
На рисунке 4.33 приведены зависимости обобщенного параметра от прочности образцов, обладающих различной трещиноватостью, возникшей под действием циклического знакопеременного температурного воздействия, и образцов, имеющих различную влажность. а
Для получения общей зависимости, данные из образцов с разной влажностью и разной трещиноватостью были сведены на один график (рисунок 4.34). 10 8 6 A " 15 20 25 30 35 40 45 Прочность, МПа
Как видно из рисунка изменение обобщенного параметра (Р) от прочности (R), связанное с изменением влажности и изменением дефектности имеет одни и те же величины, и описывается линейной зависимостью с коэффициентом корреляции 0,93. То есть обобщенный параметр отслеживает изменение прочности не только в результате изменения дефектности (трещиноватости), но и в результате изменения влажности.
Следовательно, использование амплитудно-независимых критериев оценки прочности дает возможность испытывать образцы различной влажности без введения дополнительных коэффициентов и градуировочных зависимостей, учитывающих влияние влажности.
Алгоритм неразрушающего контроля дефектности и прочности строительных материалов на основе явления механоэлектрических преобразований
На основе проведенных исследований и предложенных критериев разработан алгоритм нового неразрушающего метода контроля дефектности и прочности образцов бетона (рисунок 4.35).
Неразрушающий контроль осуществляется следующим образом: - с использованием разработанной методики измеряется электрический сигнал при упругом ударном воздействии на исследуемый образец (ЭС); - с использованием частотно-временного анализа рассчитывается коэффициент затухания энергии электрического сигнала; - сравнивается величина коэффициента затухания с предварительно установленной градуировочной зависимостью, связывающей коэффициент затухания с концентрацией трещин, по результатам сравнения определяется концентрация трещин; - рассчитывается (с помощью быстрого Фурье-преобразования) спектр электрического сигнала; - с использованием корреляционного анализа определяется максимальный коэффициент взаимной корреляции полученного спектра со спектром сигнала из бездефектного образца; - сравнивается величина максимального коэффициента взаимной корреляции с предварительно установленной градуировочной зависимостью, связывающей коэффициент корреляции с глубиной трещин, по результатам сравнения определяется глубина трещины; - с использованием корреляционного анализа определяется максимальный коэффициент взаимной корреляции полученного спектра со спектром разработанного математического эталона, моделирующего электрический сигнал из бездефектного образца (rmax); - определяется смещение (по частоте) (S) спектра электрического сигнала из исследуемого образца относительно спектра математического эталона, при котором наблюдается максимальный коэффициент взаимной корреляции; - рассчитывается обобщенный электрический параметр (Р) по формуле: P=S/rmax; - сравнивается определенная таким образом величина Р с предварительно установленной градуировочной зависимостью, связывающей обобщенный электрический параметр (P) с механической прочностью (R), по результатам сравнения определяется прочность образца.
Используя предложенный алгоритм неразрушающего контроля по параметрам электрического отклика на упругое ударное возбуждение, можно одновременно получать информацию о прочности и дефектности (глубине и концентрации трещин) образцов бетона.
Выводы к четвертой главе
Показано, что наличие в строительных материалах трещин, изменение их концентрации и размеров приводит к изменению характера затухания электрических откликов и соотношения спектральных пиков.
Установлено, что увеличение глубины искусственной и естественной трещины в строительных материалах приводит к уменьшению коэффициента взаимной корреляции спектра дефектного образца со спектром сигнала из бездефектного образца по экспоненциальной зависимости. 3. Установлено, что увеличение концентрации трещин приводит к линейному возрастанию коэффициента затухания спектральной энергии электрических сигналов при любой ориентации трещин относительно друг друга.
Разработан критерий определения прочности образцов бетона, основанный на использовании обобщенного амплитудно-независимого критерия: Р = max где: rмах - максимальный коэффициент корреляции амплитудно-частотной характеристики электрического сигнала из исследуемого изделия с амплитудно-частотной характеристикой эталона, S - величина смещения по частоте амплитудно-частотной характеристики электрического сигнала из исследуемого изделия относительно амплитудно-частотной характеристики эталона, при котором наблюдается максимальный коэффициент корреляции, с -
