Ультразвуковий імпульсний метод дослідження властивостей будівельних матеріалів у зразках, конструкціях і спорудах
Ціль роботи: вивчити методику проведення ультразвукових випробувань і ознайомитися з застосовуваною апаратурою; визначити міцність бетону, динамічний модуль пружності різних матеріалів (бетону, цегли, гіпсу та ін.), наявність і розташування дефектів у фрагментах бетонних конструкцій при доступі до них із двох сторін (метод наскрізного прозвучення) і з однієї сторони (метод поздовжнього профілювання).
Прилади та інструменти: ультразвуковий імпульсний прилад УК-10П, масштабна лінійка, ваги, зразки різних матеріалів.
Загальні положення
Ультразвуковий імпульсний метод (УІМ) заснований на використанні залежності параметрів проходження ультразвукових коливань (хвиль) у середовищі від її фізико-механічних властивостей. Ультразвук – механічні коливання з частотою понад 20 кГц. В УІМ використовуються зондувальні імпульси, що проходять у середовищі один за одним з визначеним інтервалом. Частота заповнення зондувального імпульсу є ультразвуковою. Основні вихідні параметри ультразвукових випробувань – швидкість поширення імпульсу в матеріалі конструкції, що визначається за формулою:
, (2.1)
де 
– відстань, пройдена ультразвуком в об'єкті випробування (база прозвучення, 
виміряється з точністю 
);
– час проходження ультразвукових коливань (УЗК) на базі прозвучення, виміряється в мікросекундах 
.
В ультразвуковій техніці використовуються різні види хвиль: поздовжні, поперечні, поверхневі тощо (рис. 4). Найбільш розроблена і часто застосовується на практиці методика ультразвукових випробувань поздовжніми хвилями.
а – прозвучення бетону поздовжніми хвилями; б – прозвучення бетону поперечними хвилями; в – прозвучення бетону поверхневими хвилями.
Рисунок 2.1 – Схеми прозвучення бетону
У загальному випадку залежність між швидкістю поздовжніх ультразвукових хвиль і фізичних властивостей матеріалу може бути подана у вигляді:
, (2.2)
де 
– динамічний модуль пружності;
– швидкість розповсюдження ультразвуку в досліджуваному середовищі;
– щільність матеріалу, визначається як 
,
– об'ємна маса речовини;
– прискорення сили ваги;
– коефіцієнт форми зразка, визначається для різних середовищ таким чином:
· при поширенні поздовжніх пружних хвиль в одномірному середовищі у вигляді стержня 
,
· у двовимірному середовищі у вигляді плити 
;
· у тривимірному середовищі (необмеженому середовищі) 
,
– коефіцієнт Пуассона визначається за таблицею Б.2.
Результати експериментів показують, що динамічний модуль пружності бетону знаходиться у визначеному зв'язку зі статичними характеристиками пружності бетону. Зокрема зв'язаний з модулем пружності 
наступними емпіричними формулами в залежності від інтервалу виміру . При змінюванні від 20000 до 50000 МПа – 
МПа, при змінюванні від 50000 до 60000 МПа – 
МПа.
Вимірюючи швидкість поширення і згасання ультразвукових коливань, можна вирішувати ряд задач, зв'язаних з оцінкою міцнісних властивостей будівельних матеріалів і їхньої дефектоскопії.
Для зазначених цілей варто застосовувати прилади УКБ-1, ДУК-20, "Бетон-транзистор" і УК-10П, які дозволяють вимірювати час розповсюдження в матеріалах поздовжніх хвиль ультразвукової частоти.
На рисунку 2.2 зображена блок-схема приладу УК-10П для дослідження будівельних матеріалів УІМ.
1 – задавальний генератор; 2 – генератор імпульсів; 3 – випромінювач електричних імпульсів; 4 – приймач ультразвуку; 5 – підсилювач сигналу; 6 – електронно-променева трубка; 7 – блок чекаючого розгорнення; 8 – блок затримки імпульсу; 9 – точка початку координат розгорнення.
Рисунок 2.2 – Блокова схема приладу УК-10П
Принцип роботи ультразвукового приладу УК-10П полягає в наступному. Одержавши імпульс від задавального генератора 1, генератор імпульсів 2 посилає електричні імпульси по високочастотному кабелю на випромінювач 3, у якому вони перетворяться в механічні коливання ультразвукової частоти (зворотний п’єзоефект).
Потім механічний ультразвуковий імпульс через шар акустичного контактного змащення (крейдової пасти, пластиліну та ін.) або за допомогою спеціального хвилеводу передається об'єкту випробувань й у ньому поширюється зі швидкістю, величину якої необхідно визначити.
Після проходження механічного імпульсу через зразок він знову, перетинаючи шар контактного змащення, попадає на п’єзоелемент приймача 4, де знову перетворюється в електричний імпульс (прямий п’єзоефект), після чого підсилюється підсилювачем прийому 5 і надходить на електронно-променеву трубку 6.
Одночасно з задавального генератора 1 надсилається електричний імпульс через систему затримки 8 на блок чекаючого розгорнення 7 електронно-променевої трубки 6. За допомогою регулювання величини затримки 8, встановлюють початок кривої точкою 9, що світиться, початку координат розгорнення. Таким чином, визначається час проходження ультразвуку через бетон, рівний часу, на який задано імпульс, тобто час який визначається по шкалі приладу.
Міцність бетону в зразку або в конструкції визначається по градуйованої кривій згідно обмірюваній швидкості ультразвуку. Для цього до поверхонь конструкції чи зразка (рис. 2.1) приєднують перетворювачі УЗК. Поверхня бетону, на якій встановлюються ультразвукові перетворювачі, не повинна мати напливів і вм'ятин, а також раковин і повітряних пор глибиною більш 3 мм і діаметром більш 6 мм. За допомогою ультразвукового приладу визначають час . Виміривши базу прозвучення , за формулою (2.1) обчислюють швидкість ультразвуку . Міцність бетону визначають по градуйованій кривій чи по лінії регресії:
, (2.3)
де 
– швидкість розповсюдження ультразвуку в товщині бетону, м/с;
– акустична база виміру, яка дорівнює розмірові напрямку прозвучення (див. рис. 2.2);
– час розповсюдження УЗК, с;
– постійне виправлення УЗК приладу.
Порядок виконання роботи
1. Визначення динамічного модуля пружності матеріалу.
1.1. Вимірити лінійкою поперечний переріз зразка і базу прозвучення, результати записати в таблицю 2.1.
Таблиця 2.1 – Результати виміру матеріалів
| Матеріал | Розміри зразка, см | Об’єм зразка, м3 | Маса зразка, кН | Щільність матеріалу, кН*с2/м4 | Час, 10-6 с | Швидкість, 103 м/с | , МПа
| ||
|
| 
|
| |||||||
1.2. Зважити зразки на вагах.
1.3. Виміряти час проходження ультразвуку в зразках відповідно до інструкції до приладу УК-10П.
1.4. Обчислити швидкість УЗК.
1.5. Обчислити динамічний модуль пружності досліджуваних матеріалів.
2. Визначення міцності бетону.
2.1. Вимірити лінійкою розміри бази прозвучення.
2.2. За допомогою ультразвукового приладу визначити час 
відповідно до вимоги з проведення вимірів. Вимір провести кілька разів.
2.3. Обчислити швидкість ультразвуку.
2.4. Результати вимірів і обчислень занести в таблицю 2.2.
Таблиця 2.2 – Визначення результатів виміру міцності бетону методом УЗК
| Номер виміру | Розміри зразка, м | База прозвучення, м | Час УЗК ,
10-6 с
| Швидкість УЗК ,
м/с
| Міцність при стиску  , МПа
|
2.5. За формулою (2.3) рівняння лінії регресії 
визначити міцність бетону на стиск для кожного виміру.
2.6. Зробити статистичну обробку результатів виміру міцності бетону. Визначити середнє арифметичне значення обмірюваної величини міцності бетону, середнє квадратичне відхилення одержаних результатів, наявність грубої помилки в групі даних, коефіцієнт варіації, довірчий інтервал значень міцності бетону на стиск по ультразвуковому методу за формулами (1.2 – 1.8). Результати розрахунку занести в таблицю 2.3.
Таблиця 2.3 – Статистична обробка результатів виміру міцності бетону
| Номер виміру | 
| 
| 
| Результати вимірів |
Клас бетону
В
| ||||
| … | ||||
| n | ||||
|
|
2.7. Отримане значення міцності бетону перевести в клас бетону виходячи з очікуваної меншої міцності бетону (див. табл. Б. 1).
2.8. Визначити міцність і клас бетону руйнуючим методом, для чого після випробування бетонного кубика на міцність еталонним молотком К.П. Кашкарова й неруйнуючим методом – ультразвуковим імпульсним методом, кубик зруйнувати під пресом. Результати занести в таблицю 2.4.
Таблиця 2.4 – Результати випробуваня міцності бетону руйнівним методом (прес П-125)
Площа зразка (  )
| Сила руйнування (  )
| Міцність бетону ( )
| Клас бетону
(  )
|
2.9. Зробити висновки по лабораторній роботі.
2.3 Контрольні запитання
1. На чому заснована методика визначення міцності бетону еталонним молотком К.П. Кашкарова?
2. Який непрямий показник можна знайти при роботі еталонного молотка К.П. Кашкарова для визначення міцності бетону конструкції?
3. Яка точність виміру відбитків необхідна при роботі еталонним молотком?
4. Якої форми виходить відбиток на еталонному стержні еталонного молотка К.П. Кашкарова і як виміряється 
?
5. Якою повинна бути відстань:
а) від відбитка до краю конструкції;
б) між відбитками на поверхні бетону;
в) між відбитками на еталонному стержні?
6. Як проводиться відбраковування анормальних результатів випробувань?
7. Що впливає на визначення міцності бетону?
8. У чому полягають теоретичні основи ультразвукового методу визначення модуля пружності матеріалів?
9. Як оцінюється міцність бетону по обмірюваній у ньому швидкості ультразвуку?
10. За якою ознакою можна зробити висновок про наявність дефекту в бетонній конструкції з застосуванням УЗК?
11. У чому полягає принцип роботи ультразвукового приладу для випробувань будівельних конструкцій?
12. Як впливає на результат дефектоскопії застосування ультразвукових перетворювачів з різними частотами (25; 60; 150 кГц) при однобічному і двосторонньому доступі до конструкції?
13. Як можна оцінити міцність бетону за допомогою УЗК?
Додаток А
Таблиця А.1 – Значення 
(для 
)
| 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 1,15 | 2,11 | 2,41 | 2,58 | 2,68 | |||||
| 1,46 | 2,18 | 2,44 | 2,59 | 2,69 | |||||
| 1,67 | 2,23 | 2,48 | 2,61 | 2,69 | |||||
| 1,82 | 2,29 | 2,50 | 2,63 | 2,70 | |||||
| 1,94 | 2,33 | 2,53 | 2,65 | ||||||
| 2,03 | 2,37 | 2,56 | 2,66 |
Таблиця А.2 – Значення коефіцієнта Стьюдента 
, у залежності від заданої імовірності 
| Число вимірів n-1 | Значення  при надійності
| |||
| 0,95 | 0,98 | 0,99 | 0,999 | |
| 12,706 | 31,821 | 63,657 | 632,619 | |
| 4,303 | 6,965 | 9,925 | 31,598 | |
| 3,182 | 4,541 | 5,841 | 12,941 | |
| 2,776 | 3,747 | 4,604 | 8,61 | |
| 2,571 | 3,365 | 4,032 | 6,859 | |
| 2,447 | 3,143 | 3,707 | 3,959 | |
| 2,365 | 2,998 | 3,499 | 5,405 | |
| 2,306 | 2,896 | 3,355 | 5,041 | |
| 2,262 | 2,821 | 3,25 | 4,781 | |
| 2,228 | 2,764 | 3,169 | 4,587 | |
| 2,201 | 2,718 | 3,106 | 4,487 | |
| 2,179 | 2,681 | 3,059 | 4,318 | |
| 2,16 | 2,65 | 3,012 | 4,221 | |
| 2,145 | 2,624 | 2,977 | 4,14 | |
| 2,131 | 2,602 | 2,947 | 4,073 |
Додаток Б
Таблиця Б.1 – Залежність між марками (М) і класами (В) бетону
| Клас бетону (В), МПа | Марка бетону (М), кгс/м2 | Клас бетону (В), МПа | Марка бетону (М), кгс/м2 |
| В 3,5 | 45,8 | В 27,5 | 353,0 |
| В 5,0 | 65,5 | В 30,0 | 393,0 |
| В 7,5 | 98,3 | В 35,0 | 459,0 |
| В 10,0 | 131,0 | В 40,0 | 524,0 |
| В 12,5 | 164,0 | В 45,0 | 590,0 |
| В 15,0 | 147,0 | В 50,0 | 655,0 |
| В 20,0 | 262,0 | В 55,0 | 721,0 |
| В 22,5 | 296,0 | В 60,0 | 786,5 |
| В 25,0 | 327,5 |
Таблиця Б. 2 – Значення коефіцієнта 
залежно від віку й теплової обробки бетону
| № п/п | Вік бетону, діб | для бетону
| |
| пропареного | нормального твердіння | ||
| до 7 діб | 0,25 | 0,30 | |
| від 7 до 20 діб | 0,23 | 0,26 | |
| від 20 до 28 діб | 0,20 | 0,23 | |
| від 28 і більше діб | 0,20 | 0,20 |