Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра строительных конструкций, оснований и надежности сооружений

Лабораторный практикум по курсу

«Метрология, контроль качества и испытания в строительстве»

Лабораторная работа № 1

«Определение прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях с помощью ультразвукового импульсного метода»

Волгоград

2006 г.

1. Целью работы

Целью работы является определение прочности бетона железобетонной конструкции с помощью ультразвукового импульсного метода.

Рис. 1.

2. Общая часть

Ультразвуковой импульсный метод испытаний строительных материалов и конструкций (рис. 1) основан на существовании связи между скоростью распространения механических колебаний и упругостью, плотностью среды. Типы волн, возникающих в твердых телах, представлены в приложении 1.

Зависимость между скоростью распространения продольной волны, плотностью и упругостью материала может быть получена на основе следующих соображений. Пусть к торцу стержня из упругого материала приложена сила , действующая в течение короткого промежутка времени . Под действием импульса силы вначале сожмется слой малой толщины у торца, затем следующий и т.д. Скорость, с которой распространяется возмущение, определяет скорость звука в среде. За время действия силы деформация охватит участок образца длиной . При этом торец, стержня и все слои на деформированном участке сместятся на величину , где – скорость перемещения торца или слоев образца. Следовательно, относительная деформация участка стержня длиной равна, с учетом закона Гука, следующему:

; т.е. , или ,

(1)

где – коэффициент упругости, а – площадь поперечного сечения стержня. Для нахождения окончательного выражения скорости распространения механических колебаний в исследуемом материале подставим в (1) значение величины , которую можно определить, приравняв импульс силы количеству движения (где – масса участка стержня длиной ):

, откуда .

(2)

Окончательно . Для стержня , где – модуль Юнга. Для плиты , для неограниченной среды коэффициент упругости равен , – коэффициент Пуассона. Более подробные формулы, выражающие законы распространения волнового процесса в твердых телах, приведены в приложении 2.

Таким образом, скорость распространения упругих волн является характеристикой, функционально связанной с важными свойствами материала – его упругостью и плотностью. Многочисленными экспериментальными исследованиями доказано также существование связи между скоростью распространения звука и прочностью бетона, которая в значительной мере предопределяется его плотностью и упругостью.

При практическом использовании ультразвукового импульсного метода возникают два типа задач:

1. Определение прочности бетона в бетонных и железобетонных конструкциях известного состава (т.е. для бетона этих конструкций имеются тарировочные кривые, построенные по результатам испытаний специально отобранных образцов). Определение прочности бетона в этом случае производится по величине измеренной скорости ультразвука и тарировочным кривым «скорость ультразвука – прочность бетона». Погрешность метода не превышает ± 15%.

2. Определение прочности бетона в уже существующих конструкциях, выполненных из бетона неизвестного состава. В этом случае переход от измеренной скорости ультразвука к его прочности может быть осуществлен по формулам (см. приложение 3), при этом погрешность в определении прочности бетона возрастает до 30-40%.Тот факт, что зависимость между скоростью ультразвука и прочностью бетона может быть выражена различными формулами, объясняется, главным образом, наличием внутренних дефектов структуры материала, количество и размеры которых связаны с особенностями технологического процесса изготовления бетона.

2.1. Определение прочности бетона известного состава (ГОСТ 17624-87)

Рис. 2.

2.1.1. Определение скорости прохождения ультразвука. Для измерения времени распространения ультразвука в образцах, изделиях и конструкциях применяют способ сквозного прозвучивания (рис. 2), при котором ультразвуковые преобразователи соосно устанавливают с противоположных сторон изделия, а скорость ультразвука находят по формуле , где – время прохождения ультразвука; – база прозвучивания.

В тех случаях, когда конструктивные особенности изделия не позволяют осуществить измерение способом сквозного прозвучивания, допускается проведение измерений способом поверхностного прозвучивания или продольного профилирования. При использовании этого способа приемный преобразователь устанавливают последовательно на ряд позиций, расположенных по линии, соединяющей центры установки приемного и излучающего преобразователей (рис. 3). Скорость определяется из выражения:

,

где – количество позиций установки приемника.

Рис. 3.

1, 2, 3,.. – позиции установки приемника

2.1.2. Построение зависимости (тарировочной кривой) «скорость ультразвука – прочность бетона». Зависимость «» строят по результатам ультразвуковых и механических испытаний бетонных контрольных образцов.

Образцы изготавливают в соответствии с ГОСТ 10180-90 из бетона того же состава, по той же технологии и при том же режиме тепловлажностной обработки, что и изделия или конструкции, подлежащие контролю. При этом образцы должны изготавливаться в разные смены, в течение не менее чем пяти дней. Изготавливают не менее 45 кубиков размером 200×200×200 или 150×150×150, либо 60 шт. кубиков размером 100×100×100 мм.

Подготовленные образцы вначале прозвучивают в пяти точках (рис. 4), а затем определяют прочность на сжатие () путем раздавливания их в испытательном прессе.

Рис. 4.

1, 2,.. 5 – точки прозвучивания; – направление разрушающих сил; – направление уплотнения бетона

Для определения зависимости «» по исходным результатам измерений составляют корреляционную таблицу, и далее путем математической обработки данных этой таблицы строят зависимость «скорость – прочность» примерный вид которой показан на рисунках приложения 4.

Если измерения проводят способом поверхностного прозвучивания или продольного профилирования, то связь между измеренной скоростью и скоростью при сквозном прозвучивании определяют по формуле , где – скорость распространения ультразвука, определенная методом поверхностного прозвучивания; – скорость распространения ультразвука, определенная методом сквозного прозвучивания; величину коэффициента определяют следующим образом: изготавливают 5 образцов-болочек размером 100×100×400 мм, проводят измерение скоростей распространения ультразвука способом сквозного и поверхностного прозвучивания и по средним результатам измерений вычисляют величину коэффициента .

2.2. Определение прочности бетона неизвестного состава (ГОСТ 17624-87)

При необходимости оценки прочности бетона в изделиях и конструкциях строящихся, либо эксплуатируемых зданий и сооружений, и отсутствии контрольных образцов или ограниченном их числе, прочность бетона () может быть ориентировочно оценена по эмпирической формуле:

,

(3)

где – коэффициент, определяемый путем подстановки в формулу (3) средних значений прочности и скорости распространения ультразвука, полученных по результатам предварительных испытаний не менее 9 образцов-кубов (по три «близнеца»), либо 3-х образцов, вырезанных из конструкций. При этом необходимо, чтобы отклонение скорости распространения ультразвука в контролируемых участках конструкций от среднего значения скорости ультразвука в испытанных образцах не превышало ± 10%.