Дисперсия упругих волн

Дисперсией волнового процесса названо явление изменения фазовой скорости упругих волн в зависимости от их длины в определенных условиях. Дисперсия такого рода, когда длинноволновые колебания распространяются быстрее коротковолновых, носит название нормальной. Нормальной дисперсии присвоено еще название геометрической, потому что скорость упругих волн зависит от соотношения их длины к геометрическим размерам сечения волновода.
Геометрической дисперсии подвержены только продольные и изгибные волны.
Когда коротковолновые колебания приобретают повышенную скорость по сравнению со скоростью длинных волн, дисперсия называется аномальной. Такое явление наблюдается при распространении любого вида колебаний в упруго-вязко-пластической среде.
Происхождение аномальной дисперсии объясняется тем, что при взаимодействии с коротковолновыми колебаниями вязкие деформации среды проявляются не полностью. За кратковременный цикл колебаний, присущий коротким волнам, вязкие составляющие среды проявляют себя как упругие.
Распространение длинноволновых колебаний в несовершенно-упругой среде сопровождается вязкими деформациями, т. е. пониженной упругостью среды, а соответственно и понижением скорости волн.
При акустических испытаниях реальных строительных материалов всегда имеет место процесс дисперсии, нет единой фазовой скорости для групп волн, поэтому измерить ее значение не представляется возможным.
Так как фазовую и групповую скорости замерить практически очень трудно, то обычно измеряется скорость сигнала, под которой впредь будем понимать скорость распространения фронта упругого импульса. Только в однородном, изотропном идеально-упругом и безграничном материале, где отсутствует дисперсия, значения фазовой, групповой скорости и скорости сигнала равны между собой.
Для акустических методов контроля качества бетона эти обстоятельства имеют весьма важное значение.

Акустические характеристики неупругих свойств материалов

Деформативные и прочностные свойства большинства строительных материалов, и особенно бетона, определяются не только их упругими и инерционными, но и вязко пластическими характеристиками. Эти характеристики неупругих свойств материалов находят свое выражение в поглощении энергии упругих колебаний.
Неупругие свойства реальных материалов проявляются также в рассеянии энергии волнового процесса.
Таким образом, неупругие свойства материалов находят свое выражение в его акустических характеристиках. Этими характеристиками являются поглощение энергии упругих колебаний установившихся процессов и рассеяние энергии в переходных импульсных процессах. Такое поглощение и рассеивание усиливается при отражении, преломлении дифракции и дисперсии упругих волн на структурных неоднородностях среды, в которой они распространяются.

Особенности законов распространения упругих волн в бетоне

Законы отражения, преломления, дифракции и дисперсии упругих волн в бетоне имеют весьма сложный характер. Это обусловлено тем, что бетон является упруго-вязко-пластическим неоднородным материалом, физико-механические свойства которого существенно отличаются от условно принятых свойств теоретической изотропной упругой среды. Бетон отличается непостоянством акустического сопротивления его составляющих: цементного камня, щебня или гравия, песка и пор, заполненных воздухом и водой. Все это создает условия для развития сложного процесса отражения, преломления, дифракции и дисперсии упругих волн при их распространении в бетоне. Размеры компонентов в затвердевшем бетоне колеблются от нескольких микрон для частиц не гидратированного цементного клинкера, до 50-80 мм для инертного заполнителя.
Таким образом, при распространении упругих волн в бетоне происходит сложный комплексный процесс отражения, преломления, дифракции и дисперсии. Этот процесс обусловлен широким спектром значений акустических сопротивлений составляющих бетонного конгломерата и их геометрических размеров.
При акустических испытаниях бетона приходится сталкиваться с упругим импульсом, состоящим из волн различной длины, которые по-разному взаимодействуют с составляющими компонентами бетона. Этот сложный акустический импульс при распространении в бетоне распадается на свои составляющие по частотному признаку, так как для каждой длины волны условия взаимодействия со средой имеют свои специфические особенности. Эти особенности состоят в том, что волнам различной длины и типа соответствуют различные скорости и различные траектории движения в бетонном камне. В итоге имеет место неравенство фазовой и групповой скоростей упругих волн и рассеяние энергии волнового процесса.
Так, длинноволновые колебания проходят через неоднородную среду бетона’ быстрее волн, длина которых соизмерима с геометрическими размерами неоднородностей. Это является следствием способности длинных волн в соответствии с законами дифракции огибать препятствия которые по размерам меньше их длины. Таким образом, длинные волны распространяются в бетоне практически прямолинейно.
Волны, длина которых меньше размеров встречных препятствий, испытывают на них отражение и преломление, энергия их рассеивается, путь удлиняется. При испытаниях бетона это находит свое выражение в условном уменьшении зарегистрированной скорости распространения упругих волн.
Особый вид рассеяния энергии волнового процесса наблюдается в случае, когда длина упругих волн совпадает с размерами неоднородных включений в материале. В этом случае неоднородные включения вступают в резонансные колебания и становятся мощными источниками сферических волн. Этот процесс характеризуется максимальным рассеянием энергии. Бетон, как неоднородный материал, существенно проявляет резонансные свойства своих составляющих. В мало прочном или не отвердевшем бетоне резонансному затуханию подвержены колебания с частотами от 20 кгц до 150 мггц. В высокопрочном отвердевшем бетоне спектр резонансных частот сдвигается в диапазон от 50 кгц до 400 мггц.
Рассеяние энергии волнового процесса происходит также и за счет внутреннего трения, которое в бетоне проявляется в виде вязкого и межкристаллического сухого трения. Кроме вязкого и сухого трения рассеяние энергии волнового процесса происходит за счет тепловых потоков, возникающих между сжатыми и растянутыми участками бетона при распространении в нем упругих волн.
Таким образом, при распространении упругих волн в бетоне одновременно происходит сложный процесс их отражения, преломления, дифракции, дисперсии и необратимой потери энергии, которая обусловлена структурной неоднородностью бетона и наличием неупругой фазы. Все перечисленные явления протекают одновременно и характеризуются рассеянием энергии волнового процесса. Это рассеяние происходит вследствие преимущественного взаимодействия высокочастотных составляющих сложного акустического импульса со средой, так как коротковолновые колебания отражаются от границ структурных неоднородностей, что приводит к удлинению их пути и сдвигу фазы между первичными и отраженными волнами. Для высокочастотных составляющих всегда имеются условия к резонансному поглощению. Высокочастотные составляющие усиленно затухают также и вследствие того, что они сопровождаются высокими скоростями колебаний элементарных частиц материала, передающих волновой процесс.
Следовательно, критерием структурной неоднородности бетона и вязко пластических свойств может служить как акустическая характеристика, как степень рассеяния энергии упругого импульса за счет затухания его высокочастотных составляющих. Все эти процессы наиболее контрастно проявляются при распространении в бетоне упругого импульса, возбужденного ударным методом, так как ударный импульс характерен содержанием широкого спектра звуковых и ультразвуковых частот. С этой точки зрения ультразвуковой пакет является более монохроматичным (однородным по спектру волн).
Поэтому по скорости распространения ультразвука могут быть определены только упругие или инерционные свойства бетона, что является недостаточным для оценки его деформативных и прочностных свойств.

Зависимость акустических характеристик бетона от его деформативных и прочностных свойств

Деформативные и прочностные свойства бетона определяются его физическим строением. В различных точках рассматриваемого объема бетона нельзя ожидать одинаковых физических и механических свойств. Это обстоятельство играет существенную роль в вопросах, связанных с экспериментальным определением деформативных и прочностных свойств бетона. Эти свойства в общем случае зависят от большого числа факторов, характеризующих состав бетона и способ его изготовления. Важнейшими из этих факторов являются: активность вяжущего, прочность и деформативная способность инертного заполнителя, его водопоглощающая способность, водоцементное отношение, количественное соотношение составляющих бетона, способ приготовления, добавки и качество укладки его в конструкции сооружения.
Одновременное воздействие всех перечисленных факторов делает задачу исследования механических свойств бетона и оценку прочностных и деформативных его показателей настолько сложной, что ее можно решить только посредством большого числа тщательно поставленных экспериментов и внимательного анализа полученных результатов.
Исследование возможно осуществить для отдельных составов бетона, отличающихся один от другого только по одной характеристике, например по активности цемента, по водоцементному отношению или по содержанию заполнителей.
Для примера достаточно рассмотреть несколько разновидностей бетона, чтобы увидеть происхождение отдельных его механических и акустических характеристик и их взаимосвязи.
Обратив внимание на резкое изменение прочности бетона при незначительных изменениях водоцементного отношения, нетрудно заключить, что свойства цементного камня оказывают решающее виляние на результирующие показатели бетона. Снижение прочности цементного камня с увеличением водоцементного отношения из-за снижения плотности оказывает влияние на прочность бетона.
Акустические испытания цементного камня показывают, что при повышении его плотности в нем снижается скорость распространения Жуковых волн. Это не находится в противоречии с аналитическими зависимостями (9-13), где устанавливается закон повышения скорости звука в твердых средах при уменьшении их плотности. Очевидно, что модуль упругости при снижении плотности цементного камня испытывает настолько резкое уменьшение, что этим перекрывается влияние изменения плотности на скорость звука.
Акустические испытания бетона показали, что изменение прочности бетона за счет водоцементного отношения сопровождается однозначным изменением в них скорости звука. Из этого можно заключить, что модуль упругости бетона зависит от модуля упругости цементного камня.
Модуль упругости цементного камня может изменяться в процессе твердения, при изменении активности вяжущего, при применении добавок. Перечисление всех факторов не является необходимым, но во всех случаях, когда изменяются механические свойства цементного камня в бетоне, происходит совместное изменение механических свойств бетона, а это приводит к изменению скорости распространения в нем упругих волн.
Прочностные показатели бетона изменяются совместно с изменением его упругих свойств, это обстоятельство позволило многим исследователям использовать аналитические зависимости (16-г18) для оценки прочности бетона по частоте собственных колебаний бетонных элементов правильной формы, известных размеров и веса.
Указанные связи между упругими и акустическими характеристиками являются очень важными. Они позволяют исследовать или испытывать состояние бетонов одного состава при изменении их свойств в процессе твердения, в процессе испытаний на морозостойкость, на коррозионную стойкость, при введении добавок оценивать постоянство механических показателей бетона в различных частях одного сооружения.
Оценка механических свойств бетона по его акустическим характеристикам через модуль упругости составляет основное направление во всех существующих исследованиях по акустическим методам контроля его качества.
Однако прочность бетона таким способом может быть оценена только ориентировочно и со значительными ошибками. Источник погрешности состоит в том, что бетон является неидеально упругим и неоднородным материалом. Его прочность не может быть предсказана по одной лишь упругой характеристике.
Кроме модуля упругости на прочность бетона оказывает влияние и сто структурная характеристика.
Структура бетона определяется наличием в нем участков с различными механическими свойствами, количественным содержанием этих участков в единице объема бетона, размерами неоднородностей, пенью различия механических свойств в смежных участках бетона и силами сцепления, т. е. качеством пограничных зон между смежными участками в материале.
Факторы, характеризующие структурную неоднородность бетона, ‘ оказывают влияние на его прочностные, деформативные и акустические характеристики. Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть простейшие примеры.
В первом случае рассмотрим работу бетона под нагрузкой, когда прочность цементного камня невелика. В бетонах со слабым вяжущим невелики и силы сцепления составляющих, при разрушении бетона зерна заполнителя, не разрушаясь выпадают из своих гнезд. В связи с этим сечение бетона при низкой прочности вяжущего оказывается ослабленным включениями инертного заполнителя, ибо прочность сплошного цементного камня оказывается выше прочности такого же по площади сечения бетона, в котором зерна инертного заполнителя не скрепляют, не служат скелетом, а напротив разобщают участки цементного камня.
Акустические испытания сопровождаются настолько малыми деформациями и напряжениями в бетоне, что при помощи их не всегда удается обнаружить отрицательного влияния инертного заполнителя в бетоне при низкой прочности вяжущего.
В противоположность прочности модуль упругости бетона при увеличении количества заполнителей растет, так как минеральный скелет в любом бетоне обеспечивает уменьшение деформативной способности.
Из сказанного следует, что не может существовать линейной зависимости между модулем и прочностью, между скоростью распространения упругого импульса или частотой колебаний и прочностью для бетонов, у которых прочность мала за счет низких механических показателей цементного камня.
Значением скорости импульса или частоты собственных колебаний не ограничиваются акустические характеристики любого материала, в том числе и бетона. Рассеяние энергии акустического сигнала и затухание собственных колебаний во времени могут служить мерой структурной неоднородности бетона. Учет этих акустических характеристик дает возможность повысить точность определения прочности бетона акустическими методами.
Структурная неоднородность бетона оказывает влияние на прочность этого материала по той причине, что на границах смежных зон с различными деформативными свойствами при нагружении бетонного элемента происходит концентрация напряжений. Еще задолго до достижения предельной нагрузки внутри бетона в областях концентраций напряжения могут достигнуть предела прочности, и происходит образование трещин Эти трещины в свою очередь являются очагами разрушения всего бетонного элемента.
Исследование показало, что имеется возможность оценить степень структурной неоднородности бетона через рассеяние энергии упругих колебаний на пути движения по бетону. Обоснованием этого является Различие деформативных свойств внутри бетонного камня и соответствующее различие акустических сопротивлений смежных участков бетона Выше было показано, что разность акустических сопротивлений приводит к отражению, преломлению, а в итоге и к рассеянию энергии колебаний.
Новым направлением в развитии методов испытании бетона является комплексная оценка скорости распространения звукового сигнала и степени рассеяния энергии упругих волн на пути их распространения по бетону. Благодаря этому оказываются учтенными не только упругие, но и структурные свойства бетона.
Вибрационные методы испытаний бетона в настоящее время ориентируются на оценку также двух характеристик материала: частоты собственных колебаний и внутреннего трения в бетонных элементах.
Как и рассеяние энергии упругих волн, внутреннее трение отражает структурные свойства материала, так как различию деформативной способности смежных участков в бетоне сопутствует повышение аил вязкого и сухого трения при колебаниях любой амплитуды и частоты. Внутреннее трение особенно возрастает на границах зон с различными упругими показателями.
Частота собственных колебаний и степень затухания свободных колебаний бетонных элементов известной массы и размеров являются характеристикой не только прочностных показателей материала. Они в своем значении отражают и конструктивную прочность данного бетонного элемента, которая включает в себя не только предел прочности материала, но и степень ослабления данного элемента дефектами в рабочих зонах. Эти акустические характеристики в сочетании со скоростью импульса и его рассеянием дают в комплексе еще более полную характеристику прочности бетона в определенном конструктивном оформлении.
С тем чтобы убедиться в наличии связей между механическими и акустическими характеристиками для бетонов любой прочности, рассмотрим такие бетоны, которые имеют высокие механические показатели.
В том случае, когда цементный камень приобрел высокую прочность, его деформативные и прочностные показатели приблизились по своему значению к соответствующим показателям частиц инертного заполнителя, появляются условия для совместной работы цементного камня и заполнителя под нагрузкой. Обычно такое механическое родство сопровождается повышением сил сцепления цемента с поверхностью заполнителя. Оба эти фактора приводят к уменьшению концентрации напряжений на границах зон. пол. В бетонах с прочным цементным камнем инертный заполнитель полностью выполняет роль элемента, несущего нагрузку. Он воспроизводит действующие напряжения до своего предела прочности, разрушаясь затем вместе с цементным камнем. Прочность бетона в каждом сечении бетонного элемента определяется суммой сил, воспринимаемых цементным камнем и инертным заполнителем.
Акустическое сопротивление цементного камня повышается с его прочностью за счет повышения плотности и модуля упругости. В пределе оно приближается по своему значению к акустическому сопротивлению природных материалов инертного заполнителя. Меньшей разности акустических сопротивлений смежных участков бетона соответствует и меньшая степень отражения и преломления, т. е. рассеяния энергии проходящих упругих волн на включениях.
Повышению прочности бетона во всех случаях соответствует повышение таких акустических показателей как скорость импульса и частота собственных колебаний. Рассеяние энергии упругих волн и затухание свободных колебаний для таких бетонов незначительно.
Линейная зависимость между прочностью бетона и его модулем упругости не сохраняется и для высокопрочных бетонов.
Как известно, повышение содержания инертных заполнителей в единице объема бетона только до определенных пределов повышает его прочность. Бетон с малым содержанием вяжущего становится малопрочным несмотря на применение высокопрочного вяжущего.
Модуль упругости бетона оказывается по своему значению равным среднему значению модулей упругости вяжущего и заполнителя с учетом соотношения этих компонентов. Вследствие этого превышение содержания заполнителей сверх оптимального значения приводит к повышению модуля упругости бетона и к снижению его прочности.
Рассеяние энергии упругих волн в бетоне также нелинейно зависит от прочности бетона. Так, по мере увеличения содержания инертных заполнителей на единицу объема бетона внутри него повышается количество отражающих, преломляющих и рассеивающих поверхностей. Характеристика рассеяния энергии упругого импульса и коэффициент внутреннего трения будут возрастать по мере увеличения содержания инертных в бетоне. Эти акустические характеристики мы выше приняли за меру отрицательных качеств бетона, однако их связь с действительными прочностными характеристиками бетона в случае изменения содержания заполнителей утрачивается если не окончательно, то во всяком случае становится нелинейной.
В общем случае для бетонов разнообразных составов прочность бетона является функцией группы факторов, а акустические характеристики, хотя и будут изменяться от воздействия тех же факторов, но закон их изменения будет иным, чем у прочностных, и подчас весьма сложным.
В свете вышесказанного о самых распространенных акустических испытаниях бетона с помощью ультразвука можно заключить, что они являются не лучшим средством контроля качества бетона.
Сравнительная однородность спектра частот ультразвукового пакета не позволяет производить измерение степени искажения сигнала после его прохождения через бетон, так как все составляющие этого сигнала одинаково взаимодействуют со средой. Амплитудные измерения в ультразвуковой технике при испытании бетона также не удается осуществить из-за непостоянной потери энергии волн в местах акустического контакта излучателей и приемников ультразвука с поверхностью бетона. Оба эти обстоятельства не позволяют в настоящее время применить ультразвуковую технику для опенки структурных характеристик бетона.
Весьма большое влияние на прочностные характеристики бетона оказывают его вязкие и пластические свойства. Эти деформативные характеристики бетона оказывают влияние на перераспределение усилий в сооружении при его нагружении, они же приводят к перераспределению напряжений внутри бетона при приложении внешней нагрузки. Знание вязкопластических свойств бетона необходимо для расчетов бетонных конструкций как на статические, так и на динамические нагрузки.
В случае вибрационных испытаний бетона его вязкие свойства могут быть достаточно надежно оценены по затуханию свободных колебаний, т. е. по внутреннему трению в материале. Источником ошибки в данном случае окажется степень структурной неоднородности, ибо структура, как и вязкость, одинаково может служить причиной внутреннего трения.
При импульсных испытаниях частота колебаний напряжения в бетоне достигает весьма высоких значений, при этом вязкие компоненты будут вести себя наподобие упругих и непосредственное их измерение становится невозможным.
Для бетонов нормального состава вязкие характеристики пропорциональны степени структурной неоднородности, так как большим вязким свойствам цементного камня соответствует меньший модуль упругости, а также пониженное акустическое сопротивление. Следовательно, измерение степени структурной неоднородности дает нам косвенный путь для оценки вязких свойств бетона.
Пластические свойства бетона методами акустических испытаний не могут быть оценены непосредственно, так как при импульсных и вибрационных измерениях процессы приложения и снятия нагрузки слишком кратковременны, чтобы пластичность могла быть выявлена.
Косвенной мерой оценки пластических свойств бетона может служить измерение его вязкости. Это объясняется тем, что как вязкие, так и пластические свойства бетона зависят от наличия в бетоне газообразной, жидкой и глеевой фазы. Увеличение вязкости бетона сопровождается и повышением его ползучести. Повышение упругих характеристик бетона сопровождается совместным уменьшением его пластических и вязких свойств.
Из сказанного следует, что измерение скорости импульса, частоты собственных колебаний, рассеяния энергии акустического сигнала и затухания свободных колебаний может дать сведения об основных физико-механических показателях бетона, достаточных для оценки его прочностных показателей.
Сложная связь акустических характеристик бетона с его физико-механическими показателями приводит к необходимости в настоящее время в качестве основного принять эталонный метод испытаний бетона, когда механические показатели бетона в конструкции сооружения оцениваются по его акустическим характеристикам, а связь между механическими и акустическими характеристиками устанавливается на партии контрольных образцов, прошедших акустические и механические испытания.
На первый взгляд в эталонных испытаниях не усматривается ничего нового или прогрессивного по сравнению с существующей методикой оценки качества бетона в сооружении по результатам испытаний контрольных образцов разрушающей нагрузкой. На деле же при акустических испытаниях представляется возможным оценить действительную прочность бетона в сооружении, которая всегда намного отличается от прочности контрольных образцов, изготовленных и отвердевших в условиях, отличающихся от условий изготовления, твердения и работы бетона в конструкции сооружения. Испытания бетона акустическими методами расширяют возможности и области контроля качества бетона.
Так, например, контроль за состоянием бетона в сооружении после воздействия различных неблагоприятных факторов таких, как замораживание во влажном состоянии, засоление морскими солями, усталостные явления, высокотемпературные воздействия, вызывающих структурные изменения, и других воздействий, снижающих прочностные показатели бетона, не мог осуществляться методом статических испытаний, ибо контрольные образцы не могли быть подвергнуты таким же воздействиям. Извлечение кернов из бетона сооружения также дает приближенные сведения о фактическом состоянии материала, ибо извлечь образцы с ненарушенной структурой не всегда удается.
Однажды проведенные эталонные испытания данного состава бетона позволяют в последующем определять по акустическим характеристикам качество бетона непосредственно в конструкции сооружения в любые сроки, в том числе и в период эксплуатации.
Контроль за качеством ухода за бетоном в процессе его твердения, назначение оптимальных режимов пропаривания бетонных изделий, подбор новых составов бетона, которые должны соответствовать заданным механическим характеристикам, вот далеко не полный перечень новых областей применения акустических методов испытаний бетона в строительном производстве.
В заключение рассмотрения зависимости акустических характеристик бетона от его деформативных и прочностных свойств необходимо отметить, что импульсные и вибрационные методы контроля качества бетона связаны с необходимостью определения его объемного веса. Знание объемного веса бетона в каждом частном случае необходимо для приведения результатов акустических испытаний бетона к некоторым эталонным условиям. Только при этом результаты испытаний могут быть сравнимы между собой. Для решения этой задачи в физических методах контроля качества бетона используется радиометрия.

Основной закон взаимодействия гамма лучей с бетоном и другими материалами

Наряду с импульсными и вибрационными методами испытаний материалов, для оценки их инерционных свойств применяется радиометрия. Принципиальной предпосылкой для ее практического применения является наблюдаемое уменьшение интенсивности потока гамма-лучей после их взаимодействия с материалом.
Для наиболее простого случая, когда гамма-лучи используются в параллельном монохроматическом пучке.
Характеристика ослабления гамма-лучей в данном случае выражается через линейный коэффициент ослабления. Практически для этих целей наиболее широко используется массовый коэффициент ослабления, значение которого равно отношению линейного коэффициента ослабления к объемному весу.
Это отношение для бетона и большинства других строительных материалов является величиной постоянной, что дает возможность радиометрическим методом определять значение объемного веса с точностью до 1,5-2%.

Основные выводы

Краткое рассмотрение теоретических основ физических методов контроля качества бетона дает основание сделать следующие основные выводы.
1. Деформативные и прочностные свойства бетона определяются его упруго-вязко-пластической природой и специфической для данного материала структурной неоднородностью.
2. Процесс деформирования и разрушения бетона определяется наличием в контактных поверхностях между его составляющими локальных зон с высокой концентрацией напряжений, а также структурных дефектов в виде трещин, которые при деформировании бетона под нагрузкой развиваются, вступают во взаимодействие, что в конечном итоге и приводит к его разрушению.
3. Упругие, вязко пластические и структурные свойства бетона могут быть выражены через акустические и радиометрические характеристики. Этими характеристиками являются скорость распространения сложного акустического сигнала и рассеяние его энергии, частота собственных колебаний, характеристика их затухания и ослабление проникающей радиации при ее взаимодействии с бетоном.
Импульсные, вибрационные и радиометрические методы контроля качества бетона используют эти характеристики в качестве параметров, определяющих его физико-механические свойства.
4. Импульсный метод контроля качества бетона состоит в измерении скорости распространения фронта сложного акустического пакета упругих волн и рассеяния их энергии в процессе взаимодействия с бетоном. Такой метод испытания дает возможность оценить деформативные и прочностные свойства бетона независимо от его конструктивной формы. Контроль качества бетона только по скорости распространения акустического сигнала, как, например, при ультразвуковых испытаниях, является весьма приближенным, так как дает сведения только об упругих характеристиках бетона.
5. Вибрационный метод контроля качества бетона состоит в измерении частоты собственных колебаний испытываемого элемента и характеристики их затухания. Такой метод испытания дает возможность оценить деформативные и прочностные свойства бетона с учетом его конструктивной формы.
Контроль качества бетона только по значению частоты собственных колебаний испытываемого элемента является, как и в предшествующем случае, весьма приближенным, так как дает сведения только об упругих характеристиках испытываемого бетонного элемента.
6. Радиометрический метод испытаний дает возможность определить объемный вес бетона, который является одной из основных его физико-механических характеристик.
7. Импульсные, вибрационные и радиометрические методы контроля качества бетона являются деструктивными, т. е. дают возможность определить физико-механические свойства бетона в образцах или конструкциях сооружения без их разрушения.
8. Наиболее эффективные результаты могут быть получены при комплексном применении импульсных, вибрационных и радиометрических методов контроля качества бетона, так как это позволяет получить наиболее исчерпывающие и всесторонние сведения о его физико-механических свойствах.

ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКАЯ И РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА

Прежде чем начать описание измерительной аппаратуры, которая может обеспечить контроль качества бетона адеструктивными методами, следует указать на то, что для этих целей не могут быть использованы какие-либо серийные радиотехнические приборы общего назначения. В отдельных случаях существующие измерительные приборы могут входить составной частью в конструкцию того или иного нового прибора для испытаний бетона. Это объясняется тем, что для испытаний бетона могут быть применены приборы компактные, точные и неприхотливые в эксплуатации. Импульсные приборы должны в условиях строительства обеспечить измерение отрезков времени в несколько миллионных долей секунды с точностью до одного процента. Частотные измерения должны в ряде случаев обеспечивать точность до долей процента.
В радиотехнике распространенными приборами являются такие, которые могут гарантировать точность отсчета не выше 2%.
Приборы для испытаний бетона должны работать в различных климатических условиях при значительных колебаниях питающего напряжения. Эксплуатация измерительных приборов для контроля качества бетона должна быть максимально простой.
С каждым годом создается все больше разнообразных приборов, направленных на испытания бетона адеструктивными методами. Такое растущее разнообразие в технике и методике испытаний объясняется несколькими причинами, главная из которых состоит в острой потребности строительного производства в средствах контроля качества бетона без его разрушения непосредственнее в конструкциях сооружений.
Полное рассмотрение всех существующих приборов для контроля качества бетона было бы слишком обширным и не ставится задачей настоящей работы. С конструкцией этих приборов и принципами действия можно ознакомиться непосредственно по первоисточникам, основные из которых приведены в списке рекомендованной литературы.
Однако при ознакомлении с новыми измерительными приборами для контроля качества бетона без его разрушения следует всегда учитывать одно крайне важное обстоятельство. Это обстоятельство подчеркивалось при рассмотрении теоретических основ физических методов контроля качества бетона и состоит в следующем.
Механические показатели бетона, т. е. его прочность и деформативная способность, отражают сумму внутренних свойств данного материала: его упругие, вязкие и пластические характеристики, величину сил сцепления внутри частиц и между ними, характер упаковки минерального скелета, присутствие трещин или других дефектов, внутреннее напряженное состояние и характер структуры.
В свете сказанного ясно, что нельзя считать обоснованными попытки многих исследователей, работающих в области физических методов контроля качества бетона, отыскать такую универсальную характеристику бетона, которая находилась бы в той же связи с многочисленными внутренними свойствами бетонного камня, в какой находится предел прочности бетона на сжатие или на изгиб.
По этой причине ниже не будут рассматриваться методы испытаний и измерительная аппаратура, которые направлялись на изыскание какой-либо «универсальной» акустической или другой физической характеристики бетона. Рассматриваться будут только те конструкции приборов, которые позволяют оценивать более или менее значительный комплекс внутренних свойств бетона или те приборы, которые, измеряя только одну характеристику материала, являются дополнением к основным испытательным приборам.

Общие положения

Рассматривая в общем плане существующую акустическую измерительную аппаратуру для контроля качества бетона и не касаясь той аппаратуры, которая предназначена для дефектоскопии бетонных изделий, имеется возможность все многообразие существующих измерительных приборов привести только к двум основным группам, которые принципиально отличаются одна от другой по методам испытаний. Эти группы приборов предназначены для импульсных и вибрационных испытаний бетона.
Приборы для контроля качества бетона импульсным методом предназначаются для оценки его акустических характеристик в переходном процессе, когда после внезапного приложения внешнего механического импульса испытываемый объем материала начинает вступать, но еще не вступил в собственные колебания.
В отличие от импульсных приборы для контроля качества бетона вибрационным методом предназначаются для оценки акустических характеристик в установившемся процессе собственных колебаний, когда в результате приложения внешней гармонической силы испытываемый элемент вступил в резонанс. Различие в методике испытаний приводит и к различию возможностей этих двух методов.
импульсный метод позволяет производить испытания бетонных конструкций любого габарита и конфигурации независимо от конструктивных связей с другими элементами сооружения, от армирования и загружения внешними силами, ибо в процессе импульсных испытаний оператора интересует только одна характеристика время прохождения звуковым сигналом заданного расстояния по бетону; дальнейший характер распространения посланного сигнала и преобразование его в собственные колебания всего объема сооружения в процессе испытаний не анализируется.
В отличие от скорости звука частота собственных колебаний механической системы изменяется от многочисленных факторов, которые не всегда представляется возможным учесть. В числе них: геометрические размеры системы, погонная масса материала, модуль упругости, момент инерции, конструктивные связи, характер опор, армирование и характер возбуждающей силы, а также и другие внешние и внутренние факторы, которые оказывают влияние на значение собственной частоты колебаний.
Как импульсная, так и вибрационная измерительная аппаратура для испытаний бетона может быть описана обобщенными схемами измерительных приборов, применяемыми всеми исследователями. Все существующие модификации измерительных приборов имеют видоизменения только по конструктивному оформлению тех или иных блоков. Отдельные же оригинальные измерительные схемы оказались непригодными для практического применения их в условиях строительного производства.
Обобщенная схема импульсных испытаний бетона приведена на рис. 5.
Излучатель посылает в участок испытываемого бетона короткий акустический сигнал (звуковой, ультразвуковой или сложный сигнал в результате удара или взрыва). В момент начала посылки акустического сигнала излучатель выдает в микро секундомер электрический сигнал, по которому запускается счет времени. Начиная с момента посылки акустического сигнала, он распространяется по бетону, а в микро секундомере производится накопление данных о времени, прошедшем с начала процесса.
Звук распространяется по бетону со скоростью 3 500-5 000 м/сек и за тысячные доли секунды достигает противоположной границы бетонного элемента, к которой присоединен звукоприемник.
Звукоприемник представляет собой преобразователь механических

Рис. 5. Обобщенная схема импульсных приборов: излучатель упругих волн; 2-испытываемый бетон; 3-приемник колебаний; 4-микросекундомер
колебаний в колебания электрического напряжения или тока наподобие адаптера, применяемого в электропроигрывателе для граммофонных пластинок. Следовательно, в тот момент, когда звук от излучателя через бетон достигает звукоприемника, последний вырабатывает электрический сигнал. Этот электрический сигнал направляется в микро секундомер, чем обеспечивается остановка счета времени.
По времени, прошедшему между посылкой и приемом сигнала через бетон, и по известной базе измерения вычисляется скорость звука в данном материале.
Импульсные приборы бывают одноразового действия или с частым повторением замеров в ходе испытаний.
Особенно большое разнообразие таких приборов имеется по конструкции и схемным решениям секундомеров, ибо измерение времени с точностью до долей микросекунд, что совершенно необходимо при испытании бетона на малых базах, представляет собой весьма сложную техническую задачу.
Нашли достаточное распространение так называемые баллистические схемы со стрелочными отсчетными приспособлениями, в которых время внешнего процесса, т. е. время распространения звукового импульса от излучателя до звукоприемника по бетону, оценивается по степени разрядки или зарядки электрического конденсатора.
Применяются интегрирующие цепи, способные подсчитать количество регулярных вспомогательных электрических импульсов, которые вырабатываются в приборе в течение измеряемого отрезка времени. Приборы такого типа получают все большее развитие. Разработаны даже такие, которые в результате измерения выдают обработанную перфокарту, где фиксируются данные о времени распространения импульса вдоль базы измерения, о базе измерения, о номере испытываемого бетонного элемента, его составе, весе и прочем, что необходимо знать для дальнейшей обработки результатов испытаний.
Самое большое распространение получили импульсные приборы, в которых в составе микро секундомера используется осциллографическое устройство, а иногда и целый электронный осциллограф.
Обычно в таких приборах на экране осциллографа наблюдаются световые марки, соответствующие моментам посылки и приема акустического импульса в бетоне, время же между посылкой и приемом сравнивается со временем известного постоянного или периодического электрического процесса, происходящего в микро секундомере.
Практическая без инерционность и высокая скорость движения электронного луча, чертящего изображение внешнего и внутреннего процессов на экране электронно-лучевой трубки, позволили создать таких секундомеров которые способны измерять время с точностью десятимиллионных долей секунды. Описанием не исчерпывается все многообразие имеющихся схем приборов для импульсных акустических испытаний бетона.
поведенные модификации способов измерения времени не носят принципиального характера, так как встречаются приборы, сочетающие различные из описанных схем. * Все существующие импульсные приборы обладают одним общим достатком: они строятся из предположения, что скорость распространения акустического сигнала в бетоне является такой величиной, которая надежно характеризует механические свойства испытываемого материала.
Недостаточность такой предпосылки была показана выше, и о ней надо помнить всегда, когда встречается необходимость оценить возможность практического применения того или иного импульсного акустического прибора для целей контроля качества материалов без их разрушения.
Обобщенная схема измерительных приборов, предназначенных для акустических испытаний бетона вибрационным методом, приведена на рис. 6. Принцип действия таких приборов состоит в следующем.
Вибратор механически соединен с бетонным образцом и получает питание от звукового генератора (источника синусоидальных колебаний звуковой частоты). В соответствии с получаемыми механическими колебаниями в бетонном образце возникают колебания. Если частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных колебаний бетонного элемента, наступает явление резонанса, при этом размах механических колебаний образца резко возрастает. Момент резонанса регистрируется каким-либо электроизмерительным прибором, показания которого пропорциональны амплитуде электрического тока или напряжения, вырабатываемого звукоприемником, имеющим механический контакт с поверхностью испытываемого бетонного элемента.
После того как зарегистрировано наступление резонанса, частота собственных колебаний образца определяется по значению частоты возбуждающих электрических колебаний генератора.
Обычно в качестве источника синусоидальных колебаний применяется звуковой генератор, имеющий шкалу градуировки, по которой отсчитывается значение частоты в момент резонанса.
Итак, вибрационные измерения смалываются из двух операции, вначале подбирается такой режим возбуждения, при котором наступает явление резонанса испытываемого элемента, после чего значение слоты читается по шкале питающего генератора.
Вибрационные методы испытаний бетона ставятся только на стандартных образцах в виде балочек или цилиндров. В ходе таких и размещение образца на опорах имеет большое значение по той причине, что достаточные для регистрации амплитуды колебаний достигаются образцом только в том случае, когда он размещен с соблюдением условий динамического равновесия.

Рис. 6. Обобщенная схема вибрационных приборов: вибратор; 2-звуковой генератор; 3-электроизмерительный прибор; 4-звукоприемник; 5-испытываемый бетонный элемент
Для случая испытаний балки в изгибных колебаниях основного тона опоры должны располагаться на удалении 0,224 от концов балки.
В общем случае опоры должны располагаться в тех местах, где при установившихся колебаниях находятся узловые точки.
В последние годы некоторые исследователи пришли к выводу, что частота собственных колебаний бетонных образцов может дать сведения только о жесткости данной механической системы, поэтому были предприняты попытки оценить потери колебательной энергии на внутреннее трение в материале.
Вибрационный прибор для комплексных испытаний бетонных образцов построен по такой же схеме, что приведена на рис. 6, однако методика испытаний несколько усовершенствована.
При измерении оператор отсчитывает значения частот в трех точках: точно в вершине резонансного пика (рис. 7) и по обе стороны от него, в тех точках, где амплитуда колебаний образца снижается в заданное число раз по сравнению с максимальной. Обычно принимается соотношение амплитуд 2: 1 или 2:2. Данное вибрационное испытание бетона носит название измерения формы резонансной кривой и позволяет оценить упругие характеристики материала по его резонансной частоте, а неупругие характеристики материала по количеству энергии, рассеиваемой образцом при колебаниях на внутреннее трение.
Действительно, испытание образцов из высоко упругих материалов таких, как сталь, бронза и др., показывает на резко выраженный характер нарастания амплитуды колебаний при вступлении в резонанс; материалы же мало упругие такие, как древесина, каменные материалы и в особенности бетон, не имеют настолько резко выраженного резонансного пика. При их испытании отмечаются тем более пологие склоны резонансной кривой, чем ниже механические показатели этих материалов, чем больше в них внутреннее трение.
Внедрение таких вибрационных испытаний бетона по комплексу упругих и неупругих характеристик хотя бы в практику исследований

Рис. 7. Резонансная кривая: Л-амплитуды колебаний; W. -частота колебаний

Импульсный прибор для контроля качества бетона по скорости распространения сложного акустического сигнала

Разработанный авторами прибор для контроля качества бетона импульсным методом получил название акустического микро секундомера (AM).
С помощью прибора производится измерение времени распространения сложного акустического сигнала по бетону с учетом рассеяния энергии волнового процесса.
Следует отметить, что данный прибор в отличие от всех известных импульсных приборов позволяет оценить не только упругую характеристику бетона, но и характеристику его неупругих и структурных свойств.
Прибор AM позволяет производить испытание бетона по одной из трех схем, приведенных на рис. 8, где показано сквозное прозвучивания участка бетонной конструкции, прозвучивания под углом и по поверхности. Данные схемы измерений охватывают все возможные случаи испытаний бетонных образцов или элементов конструкций сооружений импульсным методом.
Блок-схема прибора AM приведена на рис. 9. Принцип действия прибора состоит в следующем.
Электромеханический вибратор возбуждает периодически в испытываемом бетоне сложные упругие колебания, которые сферически распространяются и достигают звукоприемника. Одновременно с возбуждением в бетоне сложного комплекса акустических волн вибратор вырабатывает и посылает в микро секундомер, состоящий из генератора развертывающих и синхронизирующих импульсов и калиброванной задержки времени, электрический сигнал, обеспечивающий начало счета времени. С приходом упругих волн звукоприемник преобразует механические колебания в электрические, которые направляются в нелинейный усилитель.
Электрические колебания, принятые со звукоприемника и усиленные в усилителе, подаются на осциллографическое устройство, где продолжительность внешнего процесса распространения упругих волн по бетону сравнивается с внутренним электрическим процессом, происходящим в микро секундомере. С помощью рукояток микро секундомера оператор регулирует внутренний процесс и делает его равным по продолжительности внешнему процессу, после чего время процесса читается по шкалам микро секундомера.
Прибор состоит из блоков питания генератора, развертывающих и

Рис. 8. Схемы импульсных испытаний бетона: излучатель сложных акустических импульсов: 2-звукоприемник; 3-участок испытываемого бетона; I-база измерения
синхронизирующих импульсов, блока калиброванной задержки времени, нелинейного усилителя вертикального отклонения луча и контрольного микросекундного генератора. Регистрирующим элементом является электронно-лучевая трубка, измерительным фантастронная калиброванная задержка времени.
Принцип действия основных блоков прибора состоит в следующем Блок питания электронно-лучевой трубки преобразует сетевой ток в постоянный напряжением до 3000 вольт, что необходимо для получения четкого и яркого изображения исследуемых процессов на экране трубки.
Сама трубка напоминает по конструкции электронно-лучевые трубки, применяемые в телевизорах. Она состоит из электронного прожектора, который испускает тонкий электронный луч, и экрана, который светится в тех местах, куда попадают электроны, вылетающие из прожектора со скоростью в сотни тысяч километров в секунду.
Электроны имеют отрицательный электрический заряд и поэтому изменяют свою траекторию полета на пути из прожектора к экрану, если им приходится проходить вблизи заряженных электричеством пластин, таких отклоняющих пластин в трубке установлено две пары: горизонтальные и вертикальные.

Рис. 9. Блок-схема прибора AM
В том случае, если на одну из вертикально расположенных отклоняющих пластин будет подан отрицательный электрический потенциал, а на другую положительный, то во время полета электроны начнут притягиваться к положительно заряженной пластине и отталкиваться от отрицательно заряженной. По инерции электроны пролетят мимо пластин и ударят в экран не посередине, а в новом месте вправо или влево от нее.
Следовательно, имеется возможность перемешать светящееся пятно на экране осциллографа путем изменения напряжения на пластинах. Поэтому одна пара отклоняющих пластин названа вертикально отклоняющими, а вторая пара горизонтально отклоняющими.
Изменение положения светящегося пятна на экране трубки можно производить по двум координатным осям, раздельно или совместно.
Практически движение светового пятна на экране трубки является безынерционным и самые разнообразные быстропротекающие внешние процессы могут быть изображены и исследованы.
Такое подробное описание принципа действия электронно-лучевой трубки приводится по той причине, что она находит широкое применение в измерительной технике, и, в частности, большинство измерительных приборов, описываемых ниже, используют это электронное устройство в качестве индикатора.
Следующим элементом прибора AM является блок питания прибора. Он предназначен для преобразования сетевого напряжения в несколько постоянных и переменных напряжений, которые используются для питания усилительных преобразовательных и генераторных электронных ламп и выносного вибратора.
Для устойчивой работы прибора питающие напряжения должны быть постоянными, поэтому в блоке питания предусмотрено не только выпрямление сетевого напряжения, но и его стабилизация.
Генератор развертывающих и синхронизирующих импульсов представляет собой такое электронное устройство, которое по внешнему сигналу, поступающему с электромеханического вибратора, вырабатывает нарастающее напряжение. Это напряжение подается на горизонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, чем вызывается поступательное движение луча по экрану слева направо.
Скорость движения луча может быть задана различной и выбирается такой, какая удобна для измерений, а именно от 500 до 5 ООО м/сек. После цикла измерений в генераторе напряжение восстанавливается до первоначальной величины и луч возвращается в исходное положение.
Процессы при испытании бетона повторяются до 50 раз в секунду, поэтому при наблюдении изображения накладываются одно на другое и на экране осциллограмма кажется неподвижной.
Генератор, кроме развертывающих импульсов напряжения, вырабатывает кратковременные синхронизирующие импульсы напряжения, которые используются для запуска так называемой калиброванной задержки времени.
Блок калиброванной задержки времени представляет собой такое электронное устройство, которое способно растянуть во времени электрический процесс.
В момент прихода в блок задержки синхронизирующего импульса начинает развиваться электрический процесс: происходит перераспределение напряжений на многочисленных сетках и аноде специальной электронной лампы, но развитие процесса внутри лампы ограничивается способностью соединенных с ней конденсаторов накопить только определенный запас электричества. В тот момент, когда заряд конденсаторов достигнет критической величины, процесс в электронной лампе резко прекращается, и она приходит в первоначальное состояние.
Изменение режима работы лампы сопровождается выработкой маркирующего импульса, а продолжительность внутреннего процесса в широких пределах может изменяться в зависимости от положения рукояток, регулирующих режим питания лампы.
Следовательно, задержка времени, получив извне электрический импульс, через заданный промежуток времени создает маркирующий импульс, который подается на пластины вертикального отклонения луча трубки, и на экране наблюдается короткий всплеск луча продолжительностью менее одной микросекунды.
Положение маркирующего импульса на осциллограмме можно изменять вращением рукояток управления: «Время плавно» и «Диапазоны».
Из сказанного вытекает, что если на осциллограмме будет изображен какой-либо исследуемый процесс, то его продолжительность от начала развертки до интересующей нас точки может быть измерена с точностью до долей микросекунды. Для этого достаточно в интересующую нас точку процесса переместить маркирующий импульс, соответствующий окончанию времени задержки синхронизирующего импульса в блоке калиброванной задержки времени.
Для проверки правильности показаний шкалы калиброванной задержки времени в приборе введен контрольный микросекундный генератор, при запуске которого рукояткой «Контроль» на экране трубки изображается калибровочная кривая (синусоида). Продолжительность периода синусоиды постоянна и известна, по этому, помещая маркирующий импульс в выбранную точку этой калибровочной кривой, имеется возможность проконтролировать правильность работы блока задержки времени или ввести поправку в измеренное время, если произошли какие-либо изменения.
На этом представляется возможным ограничить описание последнего блока прибора, нелинейного усилителя сигналов звукоприемника.
Как указывалось выше, сигнал вырабатывается в звукоприемнике только в тот момент, когда к нему приходит фронт упругих волн. Если бетон был высоко упругим, однородным по структуре, т. е. имел высокие механические показатели, то сложный акустический сигнал, возбужденный ударом стального молоточка, придет без искажения первоначальной формы; у этого сигнала передний фронт будет достаточно крутым.
Резкое нарастание деформаций в чувствительном элементе звукоприемника сопровождается резким нарастанием электрических напряжений на выходе звукоприемника. Такой сигнал проходит через нелинейный усилитель, затем поступает на вертикально-отклоняющие пластины трубки, что сопровождается резким вертикальным отклонением луча.
Итак, внешний процесс распространение упругого импульса от вибратора к звукоприемнику изобразится графически на осциллограмме в виде горизонтального участка от начала горизонтальной развертки до момента отклонения луча по вертикали. Поместив в начало вертикального

Рис. 10. Электромеханический вибратор: а-схема вибратора; б-общий вид вибратора
отклонения луча маркирующий импульс, который вырабатывается в блоке 5, имеется возможность отсчитать время от начала процесса до его конца.
Если испытанию подвергается бетон, в котором наряду с упругими частицами присутствуют и неупругие, структура которого непостоянна в различных точках, что приводит к отражению и рассеянию энергии проходящих упругих волн, то в процессе распространения импульса через бетон из него в первую очередь выпадут и затухнут высокочастотные составляющие колебания. Первоначальная форма посланного сложного акустического импульса с резко очерченным передним фронтом уродится в новую форму сигнала с низкочастотным спектром колебаний средний фронт такого сигнала будет расплывчатым и очень положим, нелинейный усилитель способен еще более исказить форму полого сигнала, еще более завалить его передний фронт. На экране трубки прошедший пологий сигнал визуально фиксируется не в момент его на звукоприемник, а с некоторым запозданием. Нелинейный усилитель обеспечивает получение переменного порога чувствительности для сигналов с разным содержанием высокочастотных составляющих. Запаздывание фиксации времени пропорционально степени ухудшения механических показателей испытываемого бетона по сравнению с бетоном высокого качества.
Для бетона низкого качества прибор AM позволит отсчитать не только скорость распространения упругого импульса, которая будет ниже, чем в бетоне высокого качества, но в данном случае к измеренному времени процесса окажется прибавленной еще некоторая величина, которая будет пропорциональна неупругим и структурным неоднородностям бетона. Суммарная измеренная продолжительность’ процесса окажется комплексной величиной, зависящей от содержания в бетоне упругих и неупругих элементов, а также от степени его структурной неоднородности.
Для случая некоторых специальных измерений, когда необходимо измерять только скорость звука в материалах, например, когда стремятся оценить только упругую характеристику материала, в приборе AM предусматривается отключение нелинейных электрических элементов в усилителе сигналов звукоприемника и превращение его в обычный широкополосный усилитель.
Закончив, таким образом, описание блоков прибора AM и принципа их действия, следует кратко остановиться на устройстве его выносных элементов.
В качестве вибратора используется электромеханическое устройство, напоминающее электрический звонок (рис. 10). Молоточек такого вибратора совершает удары с частотой питающего его переменного тока (50 гц), только в отличие от электрического звонка молоточек совершает удары не по колокольчику, а по стальной наковальне, которая своим концом плотно прижимается к поверхности испытываемого бетона. С наковальни упругие волны направляются по бетону к звукоприемнику, а в момент начала удара молоточек соединяется электрически с наковальней, благодаря чему в электрической цепи от молоточка и наковальни к прибору AM начинает проходить электрический ток, обеспечивающий запуск микро секундомера на цикл измерений. При каждом ударе цикл измерений повторяется. Каждому измерению, проведенному с помощью прибора AM, «соответствует повторность, равная в среднем 500 циклам. При испытании крупногабаритных бетонных сооружений, когда амплитуды акустических волн, развиваемые таким вибратором, оказались недостаточными, для четкой регистрации принимаемых через бетон сигналов был сконструирован молоточковые вибратор, приводимый в действие небольшим электромотором мощность в 60 вт. и
Основное требование, предъявляемое к вибратору для испытании бетона импульсным методом, состоит в том, что он должен обеспечивать получение крутого переднего фронта в сложном акустическом импульсе. Для осуществления этого требования как молоточек, так и наковальня должны быть изготовлены из самой прочной стали, геометрические размеры молоточка не должны быть больше 10-15 мм. Повышение крутизны и амплитуды переднего фронта импульса может быть достигнуто также и за счет повышения скорости соударения молоточка и наковальни. Во всех других случаях вибраторы способны воспроизводить удары с пологим передним фронтом импульса, который не содержит высокочастотных составляющих и не может быть использован для оценки таких важных качеств бетона, какими являются неупругие и структурные его свойства.
В качестве звукоприемника используется пьезоэлектрический преобразователь механической колебательной энергии в электрическую. Конструкция такого звукоприемника достаточно проста и механически прочна. Устройство звукоприемника иллюстрируется рис. 11.
В качестве чувствительного элемента в звукоприемнике используется диск титанат бариевой керамики. Электродвижущая сила, возникающая «а пьезо элементе при его сжатии или растяжении, невелика, и для регистрации сигнала требуется значительное усилие, однако скорость появления зарядов на обкладках элемента при приложении внешней механической силы очень высока, и такой без инерционный приемник звуковых колебаний пригоден для регистрации самых кратковременных процессов, какие имеют место при импульсных испытаниях бетона.
Сам процесс испытания бетона с помощью импульсного акустического прибора типа AM, общий вид которого приведен на рис. 12, состоит в следующем.
Прибор включается в сеть, к нему присоединяются выносные элементы: вибратор и звукоприемник, которые прижимаются к участку испытываемого бетонного элемента. При включении выключателя «Луч» переменный ток поступает в вибратор и молоточек начинает производить серию резких ударов по наковальне. Каждый удар сопровождается посылкой акустического сигнала в бетон и запуском горизонтальной развертки луча на трубке слева направо.
Каждый приход импульса через бетон к звукоприемнику сопровождается вертикальным отклонением луча на трубке. К моменту нанесения нового удара колебания в материале прекращаются, поэтому
каждый раз после удара луч совершает горизонтальное перемещение, отклоняясь вертикально только в момент прихода акустического импульса на звукоприемник.

Рис. 11. Схема звукоприемника: испытываемый бетон; 2-демпфер; 3-корпус звукоприемника; 4- пьезо элемент
Наблюдая установившуюся осциллограмму, оператор поворачивает рукоятки «Время плавно» и «Диапазоны времени» до тех пор, пока маркирующий импульс не будет совмещен с началом видимого вертикального отклонения луча. В этом случае оказываются уравнены по времени внутренний процесс искусственная задержка пускового электрического сигнала с внешним процессом прохождением фронта импульса от вибратора до звукоприемника по бетону. Из измеренного времени следует вычесть то время, которое затрачивается проходящим звуком на преодоление пути в наконечниках вибратора и звукоприемника. Весь процесс снятия отсчета занимает несколько секунд.

Рис. 12. Общий вид прибора AM
Из комплекса приборов, разработанных для акустических и радиометрических методов контроля качества бетона, прибор AM (изготовленный на базе осциллографа типа ЭО-7) прошел наиболее широкую проверку на практике производственных и лабораторных испытаний бетона и показал свою пригодность для этих целей. В связи с этим в приложении приводятся принципиальная «схема прибора AM и спецификация деталей, необходимых для его изготовления (см. рис. 38).
Изготовление прибора AM посильно любому радиомеханику, однако при этом следует помнить, что произвольное решение отдельных элементов схемы может привести к недопустимому изменению режима работы прибора и к тому, что он потеряет своп основные преимущества перед всеми существующими импульсными приборами для контроля качества бетона.
Так, например, для того чтобы прибор работал устойчиво при любой температуре окружающего воздуха и колебаниях питающего напряжения, весьма важную роль играет надежная стабилизация напряжений, которые вырабатываются в блоке питания.
Чтобы исключить возможность дрейфа временной характеристики прибора при его прогреве или при изменении температуры окружающего воздуха, необходимо особенно тщательно подбирать элементы фантастронной задержки времени.
Частотная характеристика нелинейного усилителя сигналов звукоприемника должна быть такой, чтобы иметь пик на 30-40 кгц и спад до нуля на частоте в 1,5-2 кгц. Вибратор должен давать акустический импульс с крутым передним фронтом, звукоприемник должен сочетать высокую чувствительность с безынерционностью.
Опыт практического применения прибора AM на производстве дал положительные результаты.

Вибрационный прибор для контроля качества бетонных элементов по частоте собственных колебаний и характеристике их затухания

Прибор для испытаний бетона вибрационным методом получил наименование измерителя амплитудного затухания, сокращенно ИАЗ.
Принцип действия и устройство прибора отличают его от всех существующих приборов для испытаний бетона вибрационным методом.
Данный прибор обеспечивает измерение не только частоты собственных колебаний бетонных элементов, но и характеристики внутреннего трения.
В приборе ИАЗ применена схема испытаний бетонных элементов в режиме свободных затухающих колебаний, благодаря чему удалось упростить конструкцию прибора, исключив из нее прецизионные электронные приборы, как это требовалось в случае, когда ставились попытки определить логарифмический декремент затухания по форме резонансной кривой.
Основным отличием методики испытаний бетона с помощью прибора ИАЗ является то, что испытание ведется в пульсирующем режиме, причем полцикла бетонный элемент вводится в резонансные колебания, а во вторую половину цикла возбуждающая гармоническая сила прекращает свое действие и элемент входит в режим свободных затухающих колебаний, в это время и производятся измерения. При испытаниях измеряется частота собственных колебаний и степень рассеяния энергии колебаний за один или несколько периодов.
Блок-схема установки и упрощенная принципиальная схема для измерения резонансной частоты и затухания свободных колебаний приводятся на рис. 13, а и б. Работа установки происходит следующим образом.
Испытываемый элемент бетона получает колебательную энергию через воздух от динамического громкоговорителя, который питается от генератора звуковой частоты. К испытываемому элементу прижат небольшой звукоприемник. Звукоприемник преобразует механические колебания в электрические и направляет Их на электронный осциллограф, у которого на экране трубки луч отклоняется но вертикали в соответствии с колебаниями испытываемого элемента. Путем изменения частоты возбуждающих колебаний находится резонансная частота данного элемента, что отмечается на экране осциллографа появлением наибольших размахов луча вертикали. Значение резонасной частоты отсчитывается по шкале звукового генератора.


Рис. 13. Блок-схема (а) и упрощенная принципиальная схема (б)
прибора ИАЗ: испытываемый бетонный элемент; 2-динамик; 3- звукоприемник; 4-звуковой генератор; 6-электронный выключатель; 6, 7-усилители; в-блок развертки луча: 9-электроннолучевая трубка
Кроме указанных блоков и выносных элементов, в приборе ИАЗ имеются усилитель мощности и электронный выключатель циклического Действия.
Усилитель мощности необходим для того, чтобы обеспечить значительный размах колебаний испытываемого бетонного элемента, прев тающий уровень посторонних вибраций, которые создают помехи при испытаниях.
Выключатель периодически резко выключает подачу электрической энергии с генератора на вибратор. После прекращения возбуждающей силы испытываемый бетонный элемент по инерции продолжает колебания, но ввиду наличия сил внутреннего и внешнего трения они приобретают затухающий характер. Типичная осциллограмма затухающих колебаний бетонных образцов, полученная на приборе ИАЗ, приводится на рис. 14. В зависимости от качества бетона осциллограмма может содержать большее или меньшее число периодов, за которые амплитуда падает в одно и то же число раз.

Рис. 14. Осциллограмма затухающих колебаний бетонных балок
Прибор ИАЗ вырабатывает до 25 циклов возбуждающих колебаний в секунду, каждый цикл начинается в одних и тех же условиях и поэтому картина затухающих колебаний образца, изображаемая на экране осциллографа, повторяется с такой же частотой. Оператору осциллограмма представляется неподвижной, и все измерения ведутся визуально.
Рациональным размещением образца на опорах и бесконтактным возбуждением колебаний удается свести к минимуму потери энергии на преодоление внешнего трения, поэтому результаты измерений по оценке характеристики внутреннего трения в бетоне будут достаточно объективными.
Выключатель циклического действия содержит импульсный генератор, вырабатывающий электрические сигналы прямоугольной формы, которые периодически закрывают доступ колебательной энергии от звукового генератора к вибратору.
Импульсный генератор, кроме прямоугольных запирающих импульсов, вырабатывает острые синхронизирующие электрические импульсы, которые направляются в осциллограф для синхронизации работы осциллографа с возбудителем колебаний. Только в момент запирания генератора, когда образец начинает колебаться в затухающем режиме, на экране появляется изображение колебаний образца, все остальные процессы на экране не видны и не мешают производству необходимых измерений.
Импульсный генератор подчинен работе звукового генератора. Это сделано для того, чтобы каждый цикл раскачки образца начинался в одной и той же фазе колебаний, без чего невозможна устойчивость изображения колебаний на экране и количественные отсчеты по прибору. Не касаясь деталей работы радиотехнической схемы прибора ИАЗ, следует упомянуть, что в качестве выносных элементов данного прибора использованы: серийный электродинамический громкоговоритель, используемый в качестве вибратора, и пьезоэлектрическая головка обычного электропатефонного звукоснимателя, которая в данном случае выполняет роль звукоприемника.

Рис. 15. Общий вид прибора ИАЗ
Испытания бетонных элементов с помощью прибора ИАЗ производятся при изгибных колебаниях. Для этой цели пригодны стандартные бетонные балочки всех размеров: 10X10X40 см, 15X15X55 см и 15X15X120 см. Мощность прибора оказалась достаточной для того, чтобы привести в колебания бетонные элементы, и значительно больших размеров, чем стандартные образцы, так, что с помощью этого прибора может быть обеспечено испытание и некоторых видов сборного бетона или железобетона.
Испытываемый образец устанавливается на эластичные опоры, места расположения опор, для случая испытания балки на изгибные колебания основного тона, располагаются на удалении 0,224 , где при 3той форме колебаний находятся узлы стоячих волн. Динамик располагается под балкой, его рупор отстоит от поверхности, образца на 2.
После того как образец установлен на опоры, включается прибор ИАЗ и начинается процесс циклического возбуждения колебаний образца. Прислонив звукоприемник к концу или к середине балки, получают возможность увидеть на экране осциллографа изображение колебаний балки. Пока образец не введен в резонанс, т. е. частота возбуждающих колебаний не соответствует частоте его собственных колебаний, наблюдаемая амплитуда колебаний чрезвычайно мала и колебания не имеют правильной формы.
Однако, изменяя плавно частоту звукового генератора при приближении к резонансу, отмечается повышение амплитуды колебаний, а в. момент, когда частота возбуждающих колебаний совпадет с частотой первого тона изгибных колебаний, размах луча на экране достигнет настолько большой величины, что значительно превысит все остальные случаи повышения амплитуды колебаний при подборе частоты.
В отдельных случаях потребуется проверить действительно ли образец вступил в колебания основного тона; для этого достаточно установить с помощью звукоприемника амплитуды колебаний в различных точках по длине образца. Опоры необходимо расположить под узлами стоячих волн, т. е. в местах, где отсутствуют вертикальные перемещения.
После того как подобрана резонансная частота возбуждающих колебаний, ее значение читается по шкале генератора. В дальнейшем по> измеренной собственной частоте колебаний имеется возможность вычислить модуль упругости, момент инерции или жесткость бетонного элемента.
Предпринимаются попытки найти связь между частотой собственных, колебаний и прочностью испытанного бетона на сжатие или на изгиб.
Такие зависимости могут быть установлены статистически для отдельных составов бетона. Ошибка в определении прочности бетона по частоте собственных колебаний образцов в таких случаях не превышает 10-12%.
Причин для такого разброса несколько, основные из них: неполная зависимость прочностных показателей материала от его упругих характеристик и присутствие местных дефектов в бетоне, которые могут оказать влияние на жесткость бетонного элемента, но не проявят себя при механическом испытании, или наоборот.
Чтобы получить более полные сведения о механических свойствах, бетона при его испытании с помощью прибора ИАЗ, производится измерение характеристики внутреннего трения.
С этой целью при наблюдении осциллограммы затухающих колебаний отсчитывается количество периодов, при которых амплитуда’ уменьшается в два раза. Такой отсчет производится на экране осциллографа визуально по заранее намеченной сетке.
Характеристика внутреннего трения величина условная, так как отношение амплитуд может быть выбрано произвольно.
В результате комплексных измерений частоты колебаний и характеристики внутреннего трения в бетоне имеется возможность оценивать прочностные показатели уже не только для одного заранее проверенного состава бетона, а для целой группы бетонов, которые могут отмечаться один от другого по водоцементному отношению, по содержанию заполнителей или цемента, по возрасту.
Однако и эта комплексная характеристика не может быть общей для бетонов, приготовленных на различных заполнителях или на различных цементах; по этой характеристике нельзя, например, сравнивать бетоны пропаренные с бетонами, твердевшими ускоренно под воздействием добавок.
В исследовательских и производственных организациях большей частью проводятся работы с бетонами приблизительно одинаковых составов, и перестройка на бетоны совершенно новых составов не бывает частой и внезапной. При смене состава следует вновь получить статистические зависимости между новыми акустическими характеристиками и новыми прочностными показателями. Определение зависимости между прочностными и акустическими свойствами бетонов нового состава трудностей не представляет.
В заключение данного раздела следует отметить, что вибрационный метод контроля качества бетона содержит в себе значительные потенциальные возможности, которые слабо реализуются как в исследовательских работах, так и в условиях производственных лабораторий. Есть основание полагать, что в будущем вибрационный метод испытания будет эффективно использован как средство контроля качества сборного бетона и железобетона.

Рекомендации по эксплуатации прибора AM

Измерительная аппаратура для испытаний бетона, описание которой было приведено выше, начинает применяться в различных строительных и исследовательских лабораториях. В 1959 г. планируется промышленный выпуск первых партий такой аппаратуры, которая поступит в строительные лаборатории для целей исследований и производственного контроля качества бетона.
Получение достаточно точных и объективных данных о механических показателях бетона, испытанного адеструктивными методами, возможно только в тех случаях, когда соблюдаются необходимые правила эксплуатации измерительной аппаратуры. Произвольное отклонение от норм эксплуатации аппаратуры, которые были установлены в процессе ее конструирования и проведения большой серии лабораторных и производственных испытаний бетона, может привести в ряде случаев к искажению результатов и к дискредитации самих методов испытания. Поэтому на импульсный прибор AM, который прошел наиболее широкие лабораторные и производственные испытания, в настоящем параграфе приводятся краткие инструктивные данные, определяющие порядок его эксплуатации.
Конструкция прибора AM. Прибор AM, предназначенный.
для контроля качества бетона акустическим импульсным методом, конструктивно выполнен в виде переносного электронно-измерительного устройства и собран в металлическом корпусе размером 56X42X23 см. gee его составляет 25 кг. Прибор потребляет мощность до 200 вт. К прибору прилагаются выносные приспособления: электромеханический молотковый вибратор и пьезоэлектрический звукоприемник.
В целях упрощения и удешевления изготовления данного прибора он выполнен на шасси серийного электронного осциллографа типа ЭО-7 с использованием большинства его блоков. Органы управления прибора вынесены на переднюю панель и состоят, как и в осциллографе ЭО-7, из рукояток на передней панели и 3 рукояток на задней. Общий вид передней панели прибора AM приводится на рис. 17.
В той же серии прибора, которая будет выпускаться промышленностью с 1959 г., большинство органов управления будет убрано и размещено на задней панели. Это предпринимается с тем, чтобы упростить пользование прибором и исключить ошибки в измерении, которые могут возникать при произвольном регулировании тех или иных функций прибора.
Включение прибора Питание прибора AM осуществляется от сети переменного тока частотой 50 гц с напряжением ПО, 127 или 220 в. Перед тем как подключить прибор к сети, необходимо переключатель напряжения на задней панели прибора установить на соответствующую цифру (ПО, 127 или 220). Напряжение питания прибора не должно изменяться более чем на 10%. В тех случаях, когда напряжение изменяется в значительных пределах, следует осуществлять его регулирование с помощью управляемых автотрансформаторов типа ЛАТР-1 или ЛАТР-2. Такое регулирование возможно только в том случае, когда изменение напряжения (происходит Медленно, в течение нескольких часов. Если же напряжение в сети изменяется резкими скачками, что может иметь место при включении в сеть таких периодических потребителей электроэнергии, как электро-сварочные аппараты,

Рис. 17. Общий вид панели прибора AM
щековые камнедробилки, подъемные краны и тому подобное, необходимо применять автоматические стабилизаторы напряжения, например феррорезонансные, выпускаемые отечественной промышленностью для питания телевизоров в сельских местностях.
Непосредственное включение прибора AM производится посредством поворота выключателя «Сеть» на передней панели. Перед измерением прибор требуется прогреть в течение. 15-20 мин. За этот промежуток времени изменение температуры в деталях прибора прекращается и их электрические параметры стабилизируются.
Настройка луча. Время прогрева прибора может быть использовано для настройки луча электронно-лучевой трубки. Для такой настройки следует отключить выносные элементы прибора, включить тумблеры (переключатели) «Луч» и «Контроль». В таком состоянии прибор выдает серию электрических сигналов, которые и изображаются на экране. Если на экране никакого изображения не появилось, то это может произойти по той причине, что неправильно отрегулировано сопротивление «Синхронизация». Если и при повороте вправо рукоятки «Синхронизация» изображения на экране не видно, значит луч не засвечен и следует повысить яркость изображения при помощи рукоятки «Яркость». Однако и в этом случае изображение может не появиться, если луч находится за пределами экрана. Перемещение луча на экран осуществляется с помощью рукояток управления «Вправо-влево» и «Вверх-вниз».
Как указывалось выше, в целях упрощения настройки большинство рукояток органов регулировки луча выносится на заднюю панель, где они, будучи однажды отрегулированными, остаются в зафиксированном положении. Новая их регулировка потребуется только после смены ламп или деталей внутри прибора или при значительном изменении питающего напряжения. После того как достигнуто устойчивое изображение на экране, производится фокусировка луча. Наилучшее фокусирование, т. е. получение луча в виде тонкой линии шириной не более 1 мм, достигается при средней и малой яркости.
При слишком большой яркости луча, некоторые из электронов, летящих в электронном пучке внутри трубки, испытывают отклонение от заданного им электронными линзами направления и изображение получает расплывчатые, нерезкие контуры. Слишком большая яркость изображения вредна и для люминофора вещества, светящегося под действием электронной бомбардировки, при этом происходит перегрев люминофора и его разложение.
Длительная остановка луча в одной точке экрана также приводит к выжиганию пятен, которые в последующем плохо светятся.
После того как луч прибора отфокусирован, а яркость сделана такой, чтобы имелась возможность производить наблюдения при наличии окружающего освещения, луч выключается поворотом тумблера «Луч», и в оставшееся время прибор прогревается, ибо выключатель «Сеть» остается включенным. По прошествии положенного времени прогрева перед первым измерением необходимо произвести калибровку прибора.
Калибровка. Калибровкой прибора AM называется операция установления размерности его шкалы времени. Отрезки времени, которые измеряются прибором, составляют несколько десятков миллионных долей секунды, а точность измерения времени процесса составляет половину микросекунды. Это достаточно сложная техническая задача, она успешно решена в конструкциях современных радиолокационных станций за счет тщательной стабилизации большинства электрических процессов, происходящих при отсчете таких малых величин. В переносном приборе, каким является прибор AM, такая тщательная стабилизация режимов не могла быть достигнута из-за малых габаритов всего устройства, поэтому значительные отклонения в питающем напряжении, значительные изменения температуры окружающего воздуха, отсыревание деталей при длительном хранении прибора в сыром помещении, а также работа на открытом воздухе в дождливую погоду могут привести к тому, что шкала вращения может сдвинуться до 1-2 микросекунд от того положения, какое было установлено при начальной регулировке.
Чтобы иметь возможность всегда произвести проверку правильности показаний шкалы времени прибора и внести коррективы в отсчитанное время процесса, предусмотрена контрольная операция, названная «Калибровкой». Эта операция состоит в сравнении процесса искусственной задержки времени с точно известным колебательным процессом, происходящим в контрольном микросекундном генераторе прибора.
Процесс калибровки состоит в следующем.
При включенном питании прибора включаются тумблеры «Луч» и «Контроль». Постепенным вращением рукоятки «Синхронизация» слева направо добиваются появления устойчивого изображения калибровочной кривой на экране. При этом подразумевается, что уже была осуществлена операция настройки луча. Переключением делителя вертикального входа «Ослабление У» и «Усиление У» добиваются того, чтобы луч по вертикали не выходил за пределы экрана.
Контрольная калибровочная кривая приводится на рис. 18.
На этой кривой каждой характерной точке ее, т. е. вершине или впадине, соответствует известное время, которое устанавливается во врем Налаживания прибора при его изготовлении и указывается в паспорте. Для примера рассмотрим калибровочную кривую на рис 18 Например, первому верхнему пику этой кривой (точке о)

Рис. 18. Контрольная калибровочная кривая прибора AM
В процессе калибровки подвижной маркирующий импульс, изображаемый на экране в виде короткого всплеска луча, вращением рукоятки потенциометра «Время плавно» и переключением тумблера «Диапазоны времени» перемещается по изображению калибровочной кривой до тех пор, пока его левый фронт не окажется совмещенным с необходимой характерной точкой осциллограммы. После этого читается показание шкалы времени в градусах по рукояткам «Диапазоны времени» и по светящейся таблице рукоятки «Время плавно». Показания прибора в градусах записываются трехзначным числом, где количество сотен берется со шкалы «Диапазоны», а десятки и единицы со шкалы «Время плавно». Зная время для выбранной характерной точки калибровочной кривой от начала процесса и читая соответствующее показание шкал прибора в градусах, имеется возможность проверить правильность показаний прибора в любом месте от 20 до 450 мксек, на что и калибруется прибор первоначально при его выпуске.
Примененная в приборе задержка времени не дает устойчивых показаний в начальном участке шкалы, где время процесса меньше 20 мк сек, но в этом нет необходимости, так как при измерениях на бетоне такие короткие отрезки времени могут соответствовать базе измерения не более 5 см. Измерение на таких малых базах для бетона не имеет смысла, так как может дать ответ только о местных свойствах малого участка материала, а не о материале в данном конструктивном элементе. Кроме того, следует учитывать, что с уменьшением времени измеряемого процесса непропорционально возрастает погрешность оценки времени. Для малых времен точность отсчета времени в 0,5 мк сек может оказаться слишком грубой.
Определение потери времени б аппаратуре. При работе с прибором AM имеет место потеря времени в аппаратуре. Она происходит оттого, что посылаемый молоточком вибратора акустический сигнал затрачивает некоторое время на преодоление пути от верха наковальни, по которому наносится удар, до ее низа, с которого сигнал передается в испытываемый материал. В свою очередь сигнал, принятый из материала на наконечник звукоприемника, должен затратить некоторое время на преодоление пути до пьезоэлемента. Кроме того, в самом микро секундомере может иметь место потеря одной двух микросекунд, пока процесс измерения развивается до нормального темпа.
Измерение таких коротких отрезков времени, как несколько микросекунд, теряемых систематически в аппаратуре, производится достаточно просто и с высокой степенью точности по следующей методике.
Производится измерение времени распространения сигнала в металлической болванке длиной около 30-40 см, при этом берется отсчет полного времени процесса, включая и потери в наконечниках. После этого измеряется полное время процесса при прозвучивания такой же металлической болванки, но длиной в два раза меньше. Обозначив первое измеренное время через 3, а второе измеренное время через потерю времени в приборе.
Другая методика измерения приборного времени состоит в непосредственной передаче сигнала с наконечника вибратора на звукоприемник. В этом случае высокой точности измерений достигнуть не удается, так как малые отрезки времени обычно фиксируются с пониженной точностью.
Измерение времени распространения сложного акустического импульса в бетоне. Испытания бетона с помощью прибора AM могут быть осуществлены по одной из трех схем, как это иллюстрировалось ранее на рис8. Во всех случаях упругий импульс, посланный в материал, сферически распространяется от вибратора по материалу и достигает звукоприемника через толщу бетона, а не через поверхностные его слои. Это происходит по той причине, что поверхностная волна приходит на звукоприемник позже фронта продольной волны, ибо скорость ее распространения почти вдвое ниже скорости продольной волны. Если звукоприемник повернут перпендикулярно к направлению распространения продольной волны, то в этом случае регистрируется звукоприемником не продольная составляющая колебаний, а поперечная, возникающая в результате Пуассоновы расширения, сопровождающего продольное сжатие растяжение.
При испытании бетона следует выбирать такие участки бетона, в которых отсутствуют трещины, ибо они вносят значительные погрешности в измеренное время за счет того, что звуковая волна не может пройти через воздушный зазор и принуждена обтекать трещину по более длинному пути. Кроме того, на отдельных участках продольная, наиболее скоростная волна, для того чтобы выйти на другую сторону трещины, должна переродиться в изгибную волну, скорость которой зависит не только от механических свойств среды, но и от геометрических размеров волновода. Скорость распространения изгибной волны может быть значительно ниже скорости продольных волн. С другой стороны, импульсные измерения могут дать сведения и о степени трещиноватости бетона, о направлении и глубине трещин, однако эта часть испытаний бетона не является предметом настоящей работы.
Испытания бетона осуществляются таким образом, что вибратор и звукоприемник располагаются в назначенных местах, по концам вы ^ данной базы измерения, и прижимаются к поверхности бетона с си в несколько килограммов. Слишком слабое прижатие не обеспечивает достаточного коэффициента передачи колебательной энергии с вибратора в бетон и с бетона на звукоприемник. Случайное уменьшение амплитуды принятого сигнала может привести <к просчету во времени. Однако после того как сила прижатия выносимых элементов к бетону достигает 5-7 кг, рост амплитуды сигнала стабилизируется и результаты измерений начинают отражать свойства испытываемого бетона, а не свойства акустического контакта.
Акустический контакт может быть плохим при слишком шероховатой или выветрившейся поверхности бетона. В этом случае следует поверхность зачистить. Наличие арматуры в бетоне не приводит к искажению скорости распространения сложного акустического импульса по бетону. Это происходит по той причине, что в одном случае, когда арматура расположена поперек распространения волны, она занимает слишком малый удельный объем по сравнению с общей массой бетона, захватываемого волной на пути ее распространения. В другом случае,, когда прутки арматуры располагаются вдоль линии распространения волн, волновая энергия не может из бетона проникнуть в сталь вследствие большого различия их акустических показателей; на границе бетон сталь происходит полное внутреннее отражение волн. Только в отдельных случаях, когда вибратор уперт непосредственно или через тонкий слой бетона в торец прутка арматуры, может быть отмечено возрастание зарегистрированной скорости распространения акустического импульса.
В практике измерений удобно пользоваться пружинными зажимами. Один из зажимов в виде рамки используется при испытании стандартных бетонных кубиков и балок. Другой зажим в виде кронциркуля используется при сквозном прозвучивания натурных плит, колонн или краевых участков бетонных элементов сложного профиля. Оба зажима позволяют, во-первых, прижать вибратор и звукоприемник к поверхности бетона, а во-вторых, измерить толщину испытываемого бетона. Как вибратор, так и звукоприемник могут присоединяться к прибору AM с помощью кабелей длиной до 10 м и более. Для этой цели наиболее подходящими являются одно или двухжильные коаксиальные кабели телевизионного типа.
Само измерение по прибору AM состоит в том, что поворотом тумблера «Луч» включается одновременно микро секундомер прибора и вибратор. При этом тумблер «Контроль» должен быть выключен, а усиление сигнала звукоприемника сделано максимальным. С началом работы вибратора луч на экране чертит кривую колебаний наконечника звукоприемника, у которой начальный левый участок горизонтальный, что соответствует периоду покоя от момента посылки упругого импульса в бетон до его прихода на звукоприемник. Дальнейшее направление движения луча криволинейно, ибо оно складывается из поступательного движения по горизонтали и из колебательного движения по вертикали.
В задачу оператора входит: вращением рукоятки «Вправо-влево» привести на средину экрана тот участок колебательного процесса, на котором луч начинает впервые при своем движении слева направо отклоняться по вертикали, что соответствует приходу фронта упругих волн от вибратора на звукоприемник. Затем к началу видимого отклонения луча подводится подвижной маркирующий импульс, что осуществляется переключением рукоятки «Диапазоны» и вращением рукоятки «Время плавне». Сам отсчет занимает не более 10 сек; никаких настроек при дальнейших измерениях уже не требуется, и все последующие операции испытания бетонных элементов однообразны и несложны: прижим рамки с вибратором и звукоприемником, включение «Луча», приведение маркирующего импульса в конец горизонтального участка кривой и отсчет времени по шкалам. Расчетные операции при испытаниях не требуют большой затраты времени и проводятся с помощью специальных таблиц, графиков и номограмм, одна из которых приведена на рис. 34.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ

За последние годы как в СССР, так и за рубежом опубликовано значительное количество материалов по вопросу практического применения физических методов контроля качества бетона на строительстве. Эти материалы в подавляющем большинстве случаев посвящаются импульсному ультразвуковому методу контроля качества бетона по его упругим свойствам, который имеет весьма ограниченную область практического применения. По этим причинам указанные данные приводятся в настоящей главе в сокращенном виде. Более подробно с ними можно познакомиться по первоисточникам.
Об импульсном, вибрационном и радиометрическом методах контроля качества бетона, как сложного упруго-вязко-пластического материала, работ опубликовано чрезвычайно мало, так как эти виды испытания до настоящего времени были развиты слабо, а целесообразность их практического применения недооценивалась.
Поэтому основное содержание настоящей главы посвящается результатам практического применения физических методов контроля качества бетона на базе упруго-вязко-пластической теории адеструктивных испытаний материалов и конструкций.
Лабораторный контроль качества бетона физическими методами
Для того чтобы правильно использовать физические методы контроля качества бетона на производстве, необходимо внимательно ознакомиться с опытными данными, полученными в результате сравнительных импульсных, вибрационных, радиометрических и механических испытаний бетона различного состава в условиях лаборатории. Анализ этих данных подтверждает возможность установления принципиальных зависимостей между акустическими, радиометрическими и физико-механическими свойствами бетона. Этим определяется область практического применения физических методов контроля качества бетона на строительстве. Эти зависимости рассматриваются в отношении основных факторов, определяющих деформативные и прочностные свойства бетона. К этим факторам в первую очередь относятся количественный состав бетона, температурно-влажностные условия процесса твердения й последующее воздействие неблагоприятных условий. Что касается влияния физико-механических свойств составляющих бетона, технологии его приготовления и укладки в конструкции сооружения, а также и некоторых других факторов, определяющих деформативные и прочностные свойства бетона, то их значение при установлении указанных зависимостей может быть принято постоянным. Основанием к этому служит эталонная методика контроля качества бетона физическими и механическими методами, т. е. результаты испытания всегда справедливы только для данного состава бетона.
При изменении физико-механических свойств составляющих или количественных их соотношений возникает необходимость в проведении эталонных испытаний вновь, ибо деформативные и прочностные свойства и их связь с акустическими свойствами бетона нового состава становятся неизвестными. Поэтому основная задача всей проблемы контроля качества бетона состоит в установлении принципиальной зависимости между акустическими, радиометрическими и физико-механическими свойствами для бетонов различного состава и уплотнения.
Основные связи между акустическими, радиометрическими и физико-механическими свойствами бетона возможно установить, если рассмотреть бетоны с переменным водоцементным отношением, содержанием цемента, содержанием крупного инертного заполнителя и размером его фракций. Изменение физико-механических свойств составляющих бетона, процесса технологии его изготовления и укладки в конструкции сооружений и некоторых других факторов, определяющих в общем случае деформативные и прочностные свойства бетона, может привести в последующем только к некоторым непринципиальным количественным коррективам основных закономерностей, которые необходимо учитывать в каждом частном случае, исходя из реальных практических условий и из эталонных испытаний.
Одной из специфических особенностей бетона является его способность существенно изменять свои деформативные и прочностные характеристики во времени. Эти изменения определяются процессом твердения бетона, который при благоприятных температурно-влажностных условиях окружающей среды протекает до тех пор, пока другие факторы не приведут к нарушению его структуры и разрушению.
На производстве существует острая необходимость в обеспечении надежного контроля за процессом твердения бетона, ибо без этого Нельзя получить объективных данных о деформативных и прочностных свойствах несущих конструкций сооружений как в процессе строительства, так и в последующем при их эксплуатации.
Как показывает опыт, импульсные, вибрационные и радиометрические испытания бетона дают возможность проводить их в ранние стадии процесса твердения бетона. Это в свою очередь обеспечивает возможность наблюдения косвенным путем за изменением физико-механических свойств бетона во времени. При импульсных испытаниях бетона сложный процесс изменения его физико-механических свойств во времени находит свое обобщенное выражение в изменении скорости распространения сложного акустического сигнала и рассеяния энергии его составляющих. Эти закономерности практически повторяют известную зависимость изменения прочностных свойств бетона во времени от его возраста. В первые пять восемь суток наблюдается резкое возрастание скорости распространения сигнала, после чего закон ее изменения приобретает асимптотический характер.
Рассеяние энергии волнового процесса, наоборот, уменьшается в процессе твердения бетона, что легко наблюдать по амплитудной и фазовой характеристикам фронта импульса, т. е. по его крутизне.
На рис. 19 приведены данные, иллюстрирующие зависимость скорости распространения сложного акустического сигнала в бетонных образцах различного состава от их возраста.
Аналогичные закономерности наблюдаются при испытании бетонов с переменным водоцементным отношением и различным содержанием крупного инертного заполнителя.
Зависимость носит весьма устойчивый характер, что легко видеть по незначительному отклонению каждой отдельной точки, соответствующей одному измерению, от кривой, построенной по среднестатистическим. Отклонения в максимуме наблюдаются при испытаниях бетона в возрасте от трех до пяти суток, т. е. в период, когда наиболее интенсивно протекают физико-химические процессы его твердения. Можно предполагать, что эти отклонения связаны с появлением и самозалечиванием в локальных зонах неоднородностей, трещин, за счет усадочных и других видов деформаций.
Зависимость скорости распространения сложного акустического сигнала в бетоне от его возраста.
Из этого уравнения легко видеть, что эмпирический коэффициент А определяет максимальное значение скорости распространения сигнала для данного состава бетона, так как при неограниченном увеличении Т второй член уравнения (25) обращается в нуль.
Скорость распространения сложного акустического сигнала является весьма чувствительной косвенной характеристикой изменений физико-механических свойств бетона.

Рис. 19. График зависимости скорости распространения сложного, акустического сигнала от возраста и состава бетона
Указанная зависимость устойчиво проявляется при изменении температурно-влажностных условий окружающей среды в процессе твердения бетона, при его коррозии, насыщении морскими солями, замораживании, оттаивании и в других случаях. На рис. 20 приведены графики зависимости скорости распространения сложного акустического сигнала от возраста для бетона одного и того же состава, но при разных температурно-влажностных условиях хранения.

Рис. 20. График зависимости скорости распространения сложного акустического сигнала от возраста бетона и температурно-влажностных условий окружающей среды
Испытания проводились на двух сериях бетонных образцов размером 10X10X40 см, которые соответственно хранились в воде и сухом теплом помещении. Изменение температурно-влажностных условий хранения бетонных образцов нашло свое выражение в изменении скорости сигнала в среднем на 20%, что свидетельствует о весьма высокой чувствительности принятой акустической характеристики к изменениям физико-механических свойств бетона. Эта зависимость наблюдается при циклическом замораживании, оттаивании и насыщении морскими солями бетона.
На рис. 21 приведены графики изменения скорости сложного акустического сигнала для трех серий бетонных образцов в процессе их твердения в нормальных температурно-влажностных условиях окружающей среды и под воздействием внешних неблагоприятных факторов.
Первая серия хранилась в нормальных условиях, вторая серия с возраста в восемь суток подвергалась циклическому замораживанию и

Рис. 21. График изменения скорости распространения сложного акустического сигнала в бетоне в зависимости от воздействия неблагоприятных внешних факторов оттаиванию, и третья серия одновременно с замораживанием и оттаиванием насыщалась морскими солями.
Структурные изменения бетона, которые происходят под воздействием перечисленных выше неблагоприятных факторов, находят свое отражение в изменении скорости распространения сложного акустического сигнала.
Таким образом, закон нарастания скорости распространения сложного акустического сигнала в бетоне аналогичен закону нарастания прочности бетона во времени. Любые изменения условий твердения бег тона отражаются на значении скорости акустического сигнала.
При вибрационных испытаниях наблюдаются аналогичные зависну мости между частотой собственных колебаний, характеристикой

Рис 22 затухания и изменениями физико-механических свойств бетона в процессе его твердения или при воздействии неблагоприятных внешних факторов.
На рис. 22 приведены графики, иллюстрирующие эти зависимости.
Следует отметить, что при вибрационных испытаниях бетона упругие и вязкопластические его свойства характеризуются раздельно, через два косвенных параметра: частоту собственных колебаний (рис. 22, а) испытываемого бетонного элемента и их затухание (рис. 22,6). Характеристика затухания величина условная, равная числу периодов затухающих колебаний балки, при котором амплитуда колебаний уменьшается в два раза.
Сравнение результатов импульсных и вибрационных испытаний бетонов различного состава показывает, что частота собственных колебаний и их затухание проявляют большую чувствительность к изменениям физико-механических свойств бетона, нежели скорость распространения сложного акустического сигнала. Это обусловлено различным характером деформаций бетона при импульсных и вибрационных его испытаниях.
Так, при импульсных испытаниях измеряется скорость акустического сигнала, который при своем распространении вызывает в бетоне деформации сжатия-растяжения. Скорость этих деформаций весьма высока, поэтому вязкие элементы бетона ведут себя наподобие упругих. В этом случае вязкопластические характеристики бетона могут быть оценены косвенным путем через степень структурной неоднородности материала посредством регистрации степени рассеяния энергии волнового процесса. Возможность и целесообразность такой методики оценки неупругих характеристик бетона была показана выше.
При вибрационных испытаниях, когда измеряется частота собственных изгибных колебаний бетонных образцов и их затухание, в бетоне возникают изгибные деформации, которые представляют собой определенную комбинацию деформаций сжатия, растяжения и сдвига. Скорость этих деформаций по сравнению с предшествующим случаем значительно меньше, поэтому бетон в большей степени проявляет свою упруго-вязко-пластическую природу за счет рассеяния энергии волнового процесса и относительно меньшей скорости деформаций, при которой успевают себя проявить его упругие несовершенства. Именно по этим причинам наблюдается различие в значениях динамических модулей упругости бетона, определенных при импульсных и вибрационных испытаниях. Динамический модуль упругости бетона имеет большее значение при его определении по скорости распространения акустического сигнала.
Процесс твердения бетона может контролироваться также радиометрическим методом. Об этом свидетельствуют изменения интенсивности потока гамма-лучей при испытании бетонных образцов в процессе их твердения.
На рис. 23 приведены графики изменения интенсивности потока гамма-лучей после их взаимодействия с испытываемыми бетонными образцами. На рисунке по оси ординат отложено отношение интенсивности потока при наличии образца U к интенсивности потока без образца. Интенсивность потока гамма-лучей особенно сильно изменяется в первый период твердения бетона, а в последующем, начиная с возраста шесть-восемь суток, проявляет тенденцию к асимптотическому спаду. Возрастание, а затем падение интенсивности потока гамма-лучей после их взаимодействия с испытываемым бетоном не может быть обусловлено только изменениями объемного веса бетона за счет потери им влаги.

Рис. 23. Графики изменения интенсивности потока гамма-лучей после их взаимодействия с бетонными образцами различного состава
Это тем более очевидно, что значение объемного веса бетона стабилизируется в течение первых четырех шести суток.
Поэтому есть основание полагать, что изменение интенсивности обусловлено не только изменением объемного веса бетона за счет потери им влаги, но и изменениями процесса взаимодействия гамма-лучей с электронными оболочками атомов растворной части бетона при образовании в ней кристаллической решетки. Это предположение находит экспериментальное подтверждение при испытании серы и гипосульфита в процессе твердения, т. е. при переходе из жидкого в твердое состояние.
На рис. 24 приведены данные испытаний гипосульфита в процессе твердения, которые показывают, что изменение интенсивности гамма-лучей наблюдается только при твердении гипосульфита, т. е. кристаллизации вещества. При испытании серы в процессе ее твердения изменения интенсивности потока гамма-лучей не наблюдается.
В настоящее время пока не удалось дифференцированно оценить степень ослабления гамма-лучей за счет уменьшения содержания влаги в бетоне в начальный период его твердения и степень ослабления гамма-лучей за счет процессов кристаллизации. Однако изменение интенсивности гамма-лучей, по аналогии с рассмотренным процессом кристаллизации гипосульфита, очевидно, имеет место.
Таким образом, импульсный, вибрационный и радиометрический методы испытания бетона дают возможность контролировать процесс твердения бетона, что имеет важное практическое значение. В настоящее время нет надежных средств для определения на строительстве допустимых сроков распалубки бетонных сооружений, их загружения или потребных режимов пропаривания бетонных и железобетонных элементов при их изготовлении.
Акустические и радиометрические методы контроля за процессом твердения бетона дают в руки исследователей и производственников объективное средство оценки относительного изменения свойств бетона в образцах или конструкциях сооружений не только в процессе твердения, но и под воздействием неблагоприятных внешних факторов. С помощью этих средств представляется возможным более глубоко исследовать сложные физико-химические процессы твердения бетонов различного состава, что для технологов имеет большое практическое значение при исследовании или подборе новых составов бетона с различными специальными добавками.


Рис.25 Графики зависимости акустических характеристик бетона от его прочности на сжатие и изгиб.
Следует отметить, что наиболее эффективно для контроля качества за физико-химическими процессами твердения бетона могут быть использованы радиометрические и импульсные методы испытаний. Это обусловлено тем, что они могут проводиться с ранних стадий процесса твердения бетона и независимо от его конструктивной формы.
Радиометрические испытания бетона могут проводиться вообще с момента затворения бетона.
Вибрационные методы испытаний, несмотря на их высокую чувствительность к изменениям физико-механических свойств бетона, могут найти для этих целей ограниченное применение. Это обусловлено тем, что для испытания бетона вибрационным методом необходимо иметь специальные элементы определенной конструктивной формы. Испытания бетона непосредственно в конструкциях сооружений таким методом пока еще представляют собой нерешенную задачу рассмотрение зависимостей акустических и радиометрических характеристик бетона от изменения его физико-механических свойств в процессе твердения приводит к выводу о возможности использования скорости распространения сложного акустического сигнала, частоты собственных колебаний, их затухания и характеристики рассеяния проникающей радиации в бетоне в качестве комплекса параметров, определяющих деформативные и прочностные свойства бетона.
Сопоставление результатов акустических, радиометрических и стандартных механических испытаний бетонных образцов различного состава подтверждает наличие этой зависимости. На рис. 25 приведены графики зависимости акустических характеристик бетона от его прочности на сжатие и изгиб. Эта зависимость в общем случае выражается эмпирическим уравнением следующего вида.
Результаты радиометрических испытаний бетона в данном случае в прямом виде не могут быть использованы, так как сами по себе они отражают только его инерционную характеристику. Однако данные радиометрических испытаний крайне необходимы для приведения результатов акустических испытаний бетона к эталонным условиям. Значения частоты собственных колебаний и скорости распространения сложного акустического сигнала могут быть сопоставимы в испытанных бетонных образцах только при условии, если в каждом частном случае будет учтено значение объемного веса. В противном случае могут иметь место нарушения устойчивой зависимости между акустическими и прочностными свойствами бетона.
По этой формуле при обработке опытных данных производится приведение значений скорости распространения сложного акустического сигнала к эталонным условиям.
Таким образом, радиометрический метод в данном случае используется для определения объемного веса бетона, который являете? одной из основных его характеристик. Точность его определения радиометрическим методом достаточно высокая. Сравнение результатов определения объемного веса бетона взвешиванием с данными радиометрических испытаний дает отклонения в пределах не более 2-3%.

Рис. 26. Определение влажности объемного веса бетона и степе при укладке радиометрическим методом.
В связи с этим имеется возможность использовать радиометрический метод при подборе состава бетона для определения объемного веса составляющих бетонной смеси, контроля влажности песка и крупного инертного заполнителя, контроля однородности, постоянства состава бетона и уплотнения его при укладке в конструкции сооружения.
На рис. 26, где приведены графики, иллюстрирующие эти зависимости, обозначено U — интенсивность потока гамма-лучей; W процентная влажность песка; 7-объемный вес бетона.
Следует отметить, что кривая изменения интенсивности потока гамма-лучей от влажности песка имеет такой вид только в случае, когда песок содержит в себе пылеватые составляющие. Процесс их разбухания и приводит первоначально, при изменении влажности до 2,5%, к росту интенсивности потока гамма-лучей, так как при этом происходит уменьшение объемного веса песка.
Графики зависимости интенсивности проникающей радиации от времени вибрирования бетона приведены для трех различных составов.
Попутно следует отметить, что вибрационный метод испытания бетона также дает возможность использовать его не только как средство контроля качества, но и при решении некоторых других задач. Так, вибрационным методом можно контролировать предварительное напряжение арматуры при заводском изготовлении сборных железобетонных конструкций. Основой для этого является известная зависимость между силой натяжения стержней арматуры и частотой ее изгибных колебаний. В зависимости от постановки задачи с помощью вибрационного метода возможна оценка физико-механических свойств бетона и железобетона, конструктивной формы испытываемого материала, характера и качества сопряжения конструктивных элементов, напряженного состояния стержней, моментов инерции сложных поперечных сечений и некоторых других важных для инженерной практики характеристик.
Вибрационный метод оценки физико-механических свойств бетона, железобетона и других строительных материалов в настоящее время применяется только в лабораторных условиях, так как существуют еще серьезные трудности его практического применения в производственных условиях.
Таким образом, физические методы контроля качества бетона дают возможность широко их использовать в лабораторных условиях для решения разнообразных инженерных задач, имеющих большое практическое значение. Не менее успешно эти методы испытания бетона могут применяться при исследованиях физико-механических свойств бетона новых составов и при новой технологии их изготовления и укладки в конструкции сооружений.
Однако при практическом применении импульсного и вибрационного методов испытания бетона всегда необходимо иметь в виду, что между акустическими, деформативными и прочностными свойствами бетона не могут быть установлены универсальные зависимости независимо от состава бетона. Это вытекает из опытных данных, приведенных в настоящей главе.
Для того чтобы контролировать качество бетона акустическими методами, всегда необходимо предварительно установить для данного состава бетона зависимости между его акустическими и основными физико-механическими свойствами.
Следует отметить, что такой универсальной зависимости вообще не существует, так как деформативные и прочностные свойства бетона механическими методами также определяются для каждого состава бетона, а само понятие прочности бетона является условным, так как под прочностью бетона подразумеваются механические показатели стандартных образцов, испытанных в соответствии со стандартными условиями.
Наиболее эффективные результаты могут быть получены при комплексном использовании импульсного, вибрационного и радиометрического методов контроля качества бетона, так как они дополняют друг друга и дают возможность получить значение нескольких косвенных характеристик бетона, которые отражают деформативные и прочностные его свойства. Только в отдельных частных случаях импульсные и вибрационные методы испытания бетона могут использоваться самостоятельно.
С этой точки зрения большой интерес представляют работы Института строительства и архитектуры Латвийской Академии наук, которые проводятся под руководством доктора технических наук А. К. Малмейстера. Применение в этих исследованиях физических методов основывается на учете упруго-вязко-пластической природы бетона.
Так, в своих работах кандидат технических наук В. А. Латишенко успешно использовал вибрационный метод исследования физико-механических свойств бетона.
В настоящее время инженером Ю. С. Уржумцевым исследуется вопрос использования ультразвукового импульсного метода для определения упругих и вязкопластических свойств бетона по скорости и характеристике затухания упругих волн в процессе их распространения.

Контроль качества бетона по значению его упругих характеристик

Наиболее широкое применение для контроля качества бетона по значению его упругих характеристик получил ультразвуковой импульсный метод. Однако его практические возможности при оценке деформативных и прочностных свойств бетона оказались весьма ограниченными.
Это, как уже неоднократно отмечалось выше, является вполне закономерным, так как бетон представляет собой сложный по структуре упруго-вязко-пластический материал, деформативные и прочностные свойства которого далеко не исчерпываются его упругими характеристиками.

Рис. 27. Изменение времени распространения ультразвукового импульса в бетоне при его загружении (по данным кандидата технических наук Надарейшвили Г. Ф.)
Стремление некоторых исследователей рассматривать ультразвуковой метод испытания бетона в качестве универсального средства контроля его качества привело к досадным недоразумениям, которые до настоящего времени не получили правильного разрешения.
Ультразвуковой импульсный метод испытания бетона дает возможность определить только его упругие свойства, а при определенных условиях может рассматриваться как средство дефектоскопии. Об этом убедительно свидетельствуют результаты многочисленных исследований, проведенных как в СССР, так и за рубежом. Никаких других задач в настоящее время с помощью ультразвукового метода испытаний бетона решить не представляется возможным.
Последние исследования, проведенные НИИ Строительной физики Академии строительства и архитектуры СССР, убедительно показали несостоятельность контроля качества бетона в сооружениях по его упругим характеристикам.
Из этого, однако, не следует, что ультразвуковой метод испытания бетона не способен дать каких-либо полезных результатов. Правильное использование ультразвука дает возможность с его помощью успешно разрешать ряд практических инженерных задач.
Так, в последние годы ультразвуковые импульсные испытания бетона были применены как средство дефектоскопии бетона и дали вполне положительные результаты.
Сотрудниками НИИ железобетонных изделий и СОЮЗДОРНИИ были проведены импульсные ультразвуковые испытания бетона под нагрузкой. На рис. 27 приведены кривые изменения времени распространения ультразвукового импульса в бетоне при измерениях под нагрузкой. Авторы испытаний считают, что изменение времени зависит от напряженного состояния материала.
В действительности падение скорости в данном случае происходит только за счет появления и последующего развития трещин в бетоне,, так как напряженное состояние материала не может оказывать влияния на скорость распространения в нем акустических волн.
Аналогичные испытания были проведены в НИИ Строительных конструкций Академии строительства и архитектуры УССР, где измерения скорости распространения ультразвуковых волн в бетоне производились в процессе его загружения до разрушения. Эти испытания убедительно показали, что изменение скорости ультразвука связано только с процессом образования и развития трещин в бетоне, так как в не разрушенных частях испытываемых бетонных призм вблизи опорных плит пресса значение скорости ультразвуковых волн практически оставалось постоянным за весь период испытаний.
Об этом же свидетельствует характер разрушения железобетонных труб при их испытаниях разрушающей нагрузкой. Появление и развитие трещин происходило на участках с низким значением скорости распространения ультразвука, т. е. на участках, где бетон был дефектным по своей структуре.
Подобный результат дали ультразвуковые испытания железобетонных конструкций, которые были проведены Академией коммунального хозяйства и Московским автодорожным институтом.
Упругие характеристики материалов могут быть определены не только ультразвуковым импульсным методом. Для этих целей находит успешное применение и вибрационный метод испытаний, в ходе которых измеряется частота собственных колебаний специальных образцов, изготовленных из исследуемого материала.
Вибрационный метод исследований упругих характеристик цементных растворов различного состава широко применен в работах института Гипроцемент. В результате этих исследований в настоящее время установлена эмпирическая зависимость между динамическим модулем упругости различных цементных растворов и их пределом прочности при сжатии и изгибе.
Из зарубежных работ особый интерес представляют исследования, проведенные под руководством доктора Р. Джонса в Англии.
В этих исследованиях наиболее полно были изучены возможности ультразвукового метода контроля качества бетона. На основании полученных результатов Британским институтом стандартов введен импульсный метод контроля процесса твердения бетона (В. S. 1881-1952).
Такая реализация контроля качества бетона по его упругим характеристикам является вполне закономерной, так как в процессе твердения бетона упругие его свойства изменяются в наиболее широком диапазоне. Процесс твердения бетона в данном случае может надежно .контролироваться по изменениям его упругих свойств.
Акустические методы контроля качества бетона и других строительных материалов широко исследовались в Институте строительства и общественных работ Франции. В результате этих исследований доказана возможность определения модуля упругости бетона по значению модулей упругости, составляющих его компонент.
Импульсный метод был успешно применен для оценки физико-механических свойств различных каменных пород, так как их деформативные и прочностные свойства в первую очередь определяются упругими характеристиками.
Большое количество исследований в этом направлении проведено в США, Канаде, Германии.
Как и в Англии, в США стандартизован импульсный ультразвуковой метод контроля процесса твердения бетона (ASTM-1949).
Ограниченные возможности контроля качества бетона по его упругим свойствам нашли свое выражение в качественной классификации «бетонов нормального состава, предложенной из США Уайтхерстом.
Эта классификация приведена в табл. 2.
Таблица 2

Действительно, каких-либо более надежных рекомендаций по практическому применению импульсного ультразвукового метода контроля: качества бетона рекомендовать не представляется возможным, так как нельзя установить устойчивой связи между акустическими и прочностными свойствами бетона только по значению его упругих характеристик.
В настоящее время ограниченные возможности контроля качества бетона по значению его упругих характеристик стали достаточно очевидными. Основное направление в развитии физических методов контроля качества бетона на строительстве состоит в комплексном применении импульсного, вибрационного и радиометрического методов испытания, при которых косвенным путем определяются не только упругие» но и вязкопластические и структурные характеристики материала.
Однако в решении отдельных частных задач каждый из методов испытания может найти успешное самостоятельное применение, только .при этом всегда следует иметь в виду специфические особенности свойств бетона и их сложную упруго-вязко-пластическую природу.
Высокие показатели упругих свойств бетона могут сочетаться в некоторых случаях с низкими показателями его механических характеристик. Это, как отмечалось выше, является следствием структурной неоднородности бетона, наличием в нем переходных зон, в которых при загружении бетона возникает концентрация напряжений.
При импульсных ультразвуковых испытаниях бетона эти особенности структуры не могут быть вскрыты, поэтому такая методика испытаний может применяться для таких материалов, у которых упругие свойства являются определяющими.

Физические методы контроля качества бетона в сооружениях

При описании опыта практического применения физических методов контроля качества бетона в сооружениях рассматриваются данные, которые были получены авторами в ходе производственных испытаний аппаратуры.
Первые опыты комплексного применения физических методов контроля качества бетона были проведены на строительстве искусственных бетонных и железобетонных покрытий.
Испытания бетонов различного состава и возраста проводились импульсным и вибрационным методами с помощью первого импульсного прибора, который регистрировал только скорость сигнала и прибора ИАЗ. Предварительных эталонных испытаний в данном случае не производилось, так как основная задача состояла в испытаниях аппаратуры и методики в наиболее неблагоприятных условиях.
Параллельно с акустическими испытаниями качество бетона контролировалось обычными механическими методами. Результаты испытаний приведены на рис. 28.
Анализ этих результатов показывает, что даже при отсутствии предварительных эталонных испытаний бетона погрешности определения его прочностных показателей акустическими методами в пределах проектной марки не превышают в максимуме 15%.
Процент рассеяния результатов возрастает для бетонов с низкими прочностными показателями, так как в данном случае максимально проявляют себя неупругие свойства и структурная неоднородность а также те дефекты бетона, которые привели к снижению проектной прочности материала.
Принципиально возможно обеспечить контроль качества бетона без эталонным методом. Об этом свидетельствуют результаты исследований, проведенных в Ленинграде и в Академии наук Латвийской ССР.
В частности, если данные испытаний выразить через некоторую комплексную характеристику, которая учитывает упруго вязко — пластическую природу бетона и структурную его неоднородность, то рассеяние опытных данных, приведенных на рис. 28, резко сокращается для всего диапазона прочностных показателей испытанных бетонов. В первом приближении кандидатом технических наук Б. П. Дутовым предлагается эту комплексную характеристику. В максимальную зону рассеяния укладывается в данном случае более 90% результатов определения прочностных показателей бетона акустическими методами.

Рис. 29. Зависимость комплексной характеристики М от прочностных показателей бетона на изгиб
Однако приведенные данные являются еще только первыми опытами, поэтому рекомендовать замену эталонного метода контроля качества бетона приведенной методикой является пока еще преждевременным.
Развитие без эталонного метода контроля качества бетона требует осуществления дальнейших теоретически-экспериментальных исследований, которые в настоящее время проводятся во многих научно-исследовательских учреждениях. На современном уровне развития физических методов контроля качества бетона без эталонные испытания могут применяться только для определения однородности состава бетона или при его дефектоскопии.
В таких случаях не требуется количественной зависимости между акустическими и прочностными свойствами бетона, так как за эталонное ее значение обычно принимается скорость распространения сложного акустического сигнала или частота собственных колебаний бетонного элемента удовлетворительного качества. За эталонное значение скорости распространения сложного акустического сигнала может быть принято среднеарифметическое ее значение из всех проведенных измерений.
В качестве примера определения однородности состава бетона и его дефектоскопии импульсным методом можно привести испытания ограждающих конструкций плавательного бассейна. Испытания проводились с помощью прибора AM. Перед началом испытания была измерена скорость распространения сложного акустического сигнала в заведомо качественном элементе бетонных ограждающих конструкций, которая и была принята за проектную. Далее все элементы ограждающих конструкций испытывались Прозвучивание вдоль поверхности при базе от 25 до 50 см.
Испытания проводились тремя операторами в течение 4 час. За это время было сделано более 400 измерений, средняя повторность отсчетов для каждого измерения равнялась 300.
На участках, где бетон по своей структуре был дефектным, наблюдалось резкое падение скорости сигнала. Эти дефекты в подавляющем большинстве случаев представляли собой поверхностные и внутренние трещины и раковины. Таким образом, в результате таких испытаний определяется однородность бетона в конструкциях сооружения и наиболее выраженные структурные дефекты.
Таблица 3

В качестве примера в табл. 3 приведены сокращенные данные испытаний ограждающих конструкций плавательного бассейна. Подсчитанная марка бетона по значению скорости распространения сложного акустического сигнала условная, так как предварительных эталонных испытаний бетона не производилось. Решение этой задачи требует проведения эталонных испытаний бетона. Основная задача этих испытании, как отмечалось выше, состоит в установлении зависимости между акустическими и механическими характеристиками бетона данного состава. Такие эталонные испытания были проведены на комбинате отделочных материалов Ленметростроя и некоторых других заводах бетонных и железобетонных изделий.
Эти испытания проводились в связи с острой необходимостью проведения массового контроля качества выпускаемой заводом продукции, что не может быть обеспечено обычными механическими методами испытаний. Комбинат изготавливает железобетонные тюбинги для отделки тоннелей метрополитена. Для эталонных испытаний из бетона производственного состава изготавливаются стандартные образцы в виде кубиков размером 20x20X20 см и балочек 10X10X40 см, которые испытываются в процессе твердения в течение 28 дней. Параллельно с акустическими испытаниями производятся механические испытания образцов на прессе разрушающей нагрузкой.
Таким образом, в процессе твердения бетона устанавливаются основные закономерности между акустическими и механическими его свойствами. Наличие такой зависимости дает возможность в последующем контролировать качество бетона непосредственно в сооружениях или в отдельных сборных бетонных и железобетонных элементах.
На рис. 30 приведены графики, построенные по данным эталонных испытаний бетона, из которого изготавливаются тюбинги для обделки тоннелей метрополитена.
При переходе к контролю качества бетона непосредственно в сооружениях следует учитывать три основных случая, в которых скорость распространения сложного акустического сигнала может иметь различное значение только за счет конструктивного фактора.
Это имеет место, когда бетон испытывается в балках, плитах или монолитных конструкциях.

Рис. 30. Данные эталонных испытаний бетона на комбинате Ленметростроя
Необходимые коррективы в значение скорости распространения сложного акустического сигнала в таких случаях вводятся в соответствии с уравнениями 9, 12, 13.
Значение коэффициента Пуассона принимается усредненное, так как его изменения приводят к незначительным изменениям скорости. В максимуме изменения скорости распространения сложного акустического сигнала за счет конструктивного фактора могут наблюдаться в пределах 10-15%. При проведении эталонных испытаний процесс твердения бетона контролировался также по механической прочности образцов. Эти данные представляют интерес, так как убедительно иллюстрируют несостоятельность такого метода, а также показывают, насколько условной
является методика контроля качества бетона по его кубиковой и балочной прочностям.
Результаты этих испытаний далеко не соответствуют общепринятым зависимостям между механическими свойствами бетона и его возрастом.
Существование общего закона нарастания прочности бетона со временем нельзя отрицать, однако эта зависимость построена на основании статистической обработки данных испытаний огромного количества

Рис. 31. Данные эталонных испытаний бетона на заводе в Автоле
бетонных образцов. Для каждого частного случая такая зависимость носит условный характер. Практическое использование этих зависимостей не может дать удовлетворительных результатов.
В связи с этим при эталонных испытаниях следует особенно тщательно следить за строгим выполнением, стандартных требований, определяющих условия проведения механических испытаний бетонных образцов разрушающей нагрузкой. Особое внимание следует обращать на ровность поверхностей образцов и на нормальный режим их загружения при испытаниях.
Аналогичные эталонные испытания были проведены на заводе бетонных и железобетонных изделий Главленинградстроя в Автове (рис. 31).
Особенно острая необходимость в контроле качества бетона в готовых изделиях и конструкциях сооружений возникла на этом заводе в связи с решением применить здесь пространственное покрытие пролетом в 100 м, который перекрывался несколькими сборными железобетонными оболочками двойной кривизны. Каждая оболочка состоит из 13 элементов, которые представляют собой полуцилиндры с толщиной стенок от 8 см в замке до 25 см в бортовых элементах. Размер каждого элемента в плане 5XS м, радиус кривизны 3 м, вес его в среднем составляет 22 т. Общий вид первой собранной оболочки приведен на рис. 32.

Рис. 32. Общий вид оболочки двойной кривизны
Основываясь на зависимостях между акустическими и прочностными свойствами бетона данного состава, в последующем были проведены испытания 25 элементов оболочки импульсным и радиометрическим методами.
Элементы оболочки испытывались перед сборкой на полигоне, а затем вторично в собранном состоянии, так как монтажные усилия от собственного веса, а также условия опирания и совместной работы в конструкциях сооружения могли привести к разрушению бетона в сечениях, где его механические показатели не соответствуют расчетным данным.
Проведенные испытания позволили получить объективные данные о качестве бетона в элементах оболочки перед ее сборкой, в собранном состоянии, а также своевременно установить и заменить некондиционные детали. Схема испытаний приведена на рис. 33.
Эти данные дают возможность характеризовать объемный вес, деформативные и прочностные свойства бетона и однородность его состава. Наличие зависимости между значениями статического и динамического модулей упругости бетона позволило установить значение марки бетона по эмпирической формуле, рекомендованной ГОСТ.

Рис 33 Схема оболочки: А, Б, В, Г сечения, по которым производились испытания
В табл. 4 в качестве примера приведены данные испытания одного из элементов оболочки радиометрическим методом.

Таблица 4
В таблице приняты следующие обозначения: /и -база измерения; — массовый коэффициент ослабления; К- коэффициент однородности (постоянства состава бетона по его объемному несу); г значение объемного веса, определенное радиометрическим методом; Тпр — проектное значение объемного веса.
В табл. 5 в качестве примера приведены данные испытания одного из элементов оболочки импульсным методом.

Таблица 5
В таблице приняты следующие обозначения: К — база;
К отсчет времени;
поправка на аппаратуру при ц= 0,22;
С — скорость распространения сложного акустического сигнала; ?д динамический модуль упругости; стататический модуль упругости бетона; марка бетона по эмпирической зависимости ГОСТ; кд — марка бетона по скорости акустического сигнала;
Кс- коэффициент однородности состава бетона по значению RCT; КЛ-коэффициент однородности состава бетона по значению Ял.

Рис. 34. Номограмма для определения скорости распространения сложного акустического сигнала по измеренным »и при известной базе
Все необходимые расчеты при обработке результатов испытания бетона импульсным и радиометрическим методами проводятся с помощью таблиц, графиков и номограмм, работа с которыми чрезвычайно проста и может выполняться лаборантом без специального образования.
Так, например, скорость распространения сложного акустического сигнала определяется с помощью номограммы, которая приведена на рис. 34.
По скорости распространения акустического сигнала с помощью графика, приведенного на рис. 35, определяется марка бетона в испытанном участке оболочки. С помощью графиков, приведенных на рис. 36, определяется значение динамического модуля упругости бетона.
С помощью графика, приведенного на рис. 37, определяется марка испытанного бетона по эмпирической зависимости ГОСТ.

Рис 35 График зависимости C=f(R)

Рис. 36. График зависимости С=/(?д)

Рис. 37. График зависимости R=(E„)
Таким образом, при импульсных и радиометрических испытаниях не требуется большой затраты времени,, чтобы получить все необходимые данные, характеризующие качество бетона в сооружении. Кроме того, обработка данных испытаний бетона в сооружениях не требует проведения каких-либо расчетов и осуществляется операторами в ходе самих испытаний.
Физические методы контроля качества бетона в сооружениях вообще отличаются высокой оперативностью. Так, испытания последних 15 элементов оболочки были проведены тремя операторами в течение 6 час. При испытаниях было сделано более 600 измерений, причем каждое измерение имело повторность не менее 200.
После монтажа первой 100-метровой секции сборной железобетонной оболочки она была подвергнута комплексу статических испытаний предельной эксплуатационной нагрузкой, при которой один из элементов оболочки разрушился. Проведение таких испытаний было необходимо для выяснения правильности принятой расчетной схемы, так как распределение силовых потоков в таких сложных пространственных конструкциях в настоящее время изучено недостаточно. Механические испытания образцов бетона, изъятых из разрушенного элемента, показали, что данные электронно-акустических и радиометрических испытаний бетона без его разрушения были достаточно объективными и точными.
Кроме испытания сборной железобетонной оболочки двойной кривизны, на заводе были проведены испытания предварительно напряженных плит железобетонных покрытий. Контроль качества бетона в плитах проводился по той же методике, поэтому специального описания не требует.
Лабораторные и производственные испытания аппаратуры и методики комплексного контроля качества бетона дали первые положительные результаты. Поэтому основная задача состоит в дальнейшем развитии и реализации физических методов контроля качества бетона на строительстве. Эта работа в настоящее время проводится совместно с Ленфилиалом Академии строительства и архитектуры СССР и Глав ленинградстроем на заводах сборного бетона и железобетона, на комбинате отделочных материалов Ленметростроя, на Кировском заводе и других предприятиях, заинтересованных в организации массового контроля качества бетона и силикатных,. материалов в образцах и конструкциях сооружений без их разрушения.

Зависимость от режима твердения

Отвердитель (полиэтиленполиамин) добавляется к эмали непосредственно перед нанесением защитного покрытия. Отвердитель вводится в эмаль постепенно при непрерывном перемешивании. Рабочая вязкость эпоксидной эмали при температуре 20° С при нанесении краскораспылителем 18-20 сек (по вискозиметру ВЗ-4), а при нанесении кистью -35-40 сек.
Жизнеспособность латекс цементных смесей 2 час, композиции на основе эпоксидной смолы 30 мин.
Большое влияние на адгезионное и защитные свойства полимерцементных покрытий оказывают режимы сушки и твердения. Были подробно исследованы воздушно-сухое твердение в течение 28 суток, сушка покрытия при 65° в течение 24 час, сушка покрытия при 65° 24 час, во влажной атмосфере; воздушно-сухое твердение 12 час, сушка 6 час при 60° С и обработка при 70° в течение 3 час (режим 12-6-3).
Адгезионные свойства и водо средопроницаемость исследовались в зависимости от режима твердения и вида стабилизатора (ССБ, ДС, ОП-7). Испытания показали, что полимерцементные пленки имеют удовлетворительную адгезию к бетонной поверхности после воздушно-сухого твердения в течение 28 суток. Для латекс цементных покрытий, нанесенных на бетон с предварительной насечкой, величина адгезии колеблется в пределах 11,5-12,8 кг/см2. Дополнительное нанесение на латекс цементный слой эмалевого покрытия на основе смолы ЭД-6 увеличивает водостойкость и коррозийную стойкость защитного покрытия и адгезия увеличивается до 15,4 кг/см2. Ускоренная сушка латекс цементного покрытия при 65° в течение 24 час снижает величину адгезии до 3,5 кг/см2. Упрочнение полимерцементной пленки покрытием на основе ЭД-6 оказывает влияние на адгезионную прочность.
Средние величины адгезии полимерцементных покрытий к влажному бетону с последующим покрытием эпоксидными составами. Из видно, что покрытия обладают незначительным водопоглощением.
Водонепроницаемость исследованных защитных покрытий определялась по методу С. В. Якубовича в зависимости от времени, вида применявшегося стабилизатора (ССБ, ДС, ОП-7) и режима твердения .

Структурная сетка

Таким образом, из анализа экспериментальных данных видно, что максимальное количество повторных воздействий до
наступления критического состояния зависит от уровня напряжений в материале. При этом, чем значительнее превышение уровня напряжений относительно границы R°, тем быстрее происходит разрушение бетона.
Следует также отметить, что если максимальная составляющая цикла (Отах) незначительно превышала или соответствовала условной верхней границе (RTv), то разрушение происходило при минимальном количестве циклов (2000-3000). Последующие испытания кратковременной статической нагрузкой образцов после 2-3 млн. циклических воздействий и напряжениях, меньших предела выносливости, показали увеличение прочности на 12-20% по сравнению с контрольными образцами-близнецами. Это может быть объяснено некоторым Уплотнением материала. Подобные результаты приводятся Другими авторами .
В литературе имеются данные, что вибрационное воздействие, разрывая связи в структурной сетке, вызывает понижение прочности. Вместе с тем для стабилизированных систем оно вызывает значительное уплотнение, а вследствие этого повышение прочности.
С увеличением амплитуды изменения напряжений цикла относительный предел выносливости повышается. Так, для аглопоритобетона марки «250» эта характеристика при р=0,15 п 0,50 соответственно составляет величины, равные 0,62 и 0.73.
Продольные и поперечные деформации определялись как при первом статическом загружении до этих, так и после действия многократно повторной нагрузки через каждые 0,3- 0,5 млн. циклов.
Из анализа результатов опытов следует, что интенсивность увеличения деформаций бетона зависит как от степени превышения напряжений относительно предела выносливости, так и от амплитуды их изменения. С уменьшением характеристики цикла р от 0,50 до 0,15 при одинаковой степени напряжений продольные деформации соответственно возрастают на 25-30%.

Применение смазок

Благодаря наличию этой прослойки сила сцепления между бетоном и поверхностью форм значительно понижается по сравнению с контрольной (в 3-5 раз), что обеспечивает извлечение изделий из форм без повреждения их поверхностей.
Таким образом, при применении смазок указанных составов резко сокращается количество приваров известкового бетона к формам, что упрощает такую трудоемкую операцию, как чистка форм. Кроме того, улучшаются санитарные условия в цехе, так как исключается силикатное пыление, вредное для здоровья рабочих.
Технология приготовления смазочного состава состоит из следующих операций: 1) загружается солидол в емкость и подогревается до 60° С; 2) соляровое масло заливается в расплавленный солидол и интенсивно перемешивается; 3) загружается одна из молотых добавок (аглопорит, зола или гипс) и производится дальнейшее перемешивание ее со смесью солидола и солярового масла до получения однородной консистенции. Время перемешивания смазки после расплавления солидола 5-10 мин.
Смазки устойчивы во времени и имеют хорошие технологические свойства. Процесс их приготовления может быть легко механизирован с помощью растворомешалки с дополнительным устройством паровой рубашки для разогрева солидола.
Для заводов ячеистого бетона, работающих с использованием только компонентов извести и песка, рекомендуются белые смазки составов 10 и 11. При употреблении же заводами вяжущих смешанных или сложных составов, в которые входят цемент, зола, аглопорит или шлак, смазка может применяться любая из лучших по показателю сцепления (составы 5, 6, 11).
Подобранные смазки составов 6, 10, И прошли заводское испытание на участке по производству крупных блоков из плотного силикатного бетона

Гранулометрический состав

Нами рассматриваются результаты физико-механических и теплофизических исследований поропласта ПСБ, полученного по этим схемам как в лабораторных, так и в заводских условиях.
Как известно, качество полистирольного поропласта зависит от свойств применяемого для его изготовления сырья, поэтому был проведен анализ получаемого с Кусковского и других (партия № 7) химзаводов бисерного суспензионного пенополистирола. Исследовалась влажность, гран-состав, коэффициент вспучивания, насыпной и объемный вес. Материал сушился в сушильном шкафу при температуре 35-40° в течение 4 час.
В результате установлено, что влажность исследованных партий сырья находилась в пределах 0,5-3,5%, партия № 7 Горловская имела влажность 5,5%. Гранулометрический состав определялся рассевом на ситах с размером отверстий от 3 до 0,5 мм я приведен. Как видно из, гранулометрический состав разных партий колеблется в весьма широких пределах. Следует отметить, что по литературным данным гранулометрический состав импортного бисерного полистирола характеризуется зернами более однородной крупности: при размере отверстий сита 3 мм остаток на сите составлял 0%, 1 мм-50%, менее 0,5-50%. На пенополистироле Кусковского химзавода (партия № 305) были проведены опыты по подбору гранулометрического состава и выяснению зависимости от него объемного веса получаемого пенопласта и, следовательно, других показателей.
Для определения коэффициента вспучивания брались пробы бисера весом по 10 г, затем определялся занимаемый пробой объем, обрабатывали ее горячей водой при температуре 98° С и устанавливали объем, занимаемый вспученными гранулами бисера. Отношение этого объема к первоначальному давало величину коэффициента вспучивания .

Режимы обжига карбонатных пород

Следовательно, удельная поверхность материала довольно высока, что указывает на высокую реакционную способность извести из чистых карбонатных пород. Это и подтверждается технологическими приемами испытания извести: скорость гашения от 1-2 до 4-5 мин, температура до 98° С. При аналогичных режимах обжига карбонатных пород, содержащих глинистые примеси (класс Д), полученная известь обладает несколько замедленными сроками гашения и более низкой температурной активностью. Особенно это заметно при повышении температуры обжига от 1000 до 1200° С и увеличении продолжительности обжига от 1 до 6 час. Скорость гашения при этом режиме составляет 10-12 мин, а температура гашения — 60° С.
Электронномикроскопические и петрографические исследования показали, что обожженный материал имеет тонкодисперсную структуру. Присутствие глинистых примесей в карбонатном сырье оказывает влияние на рост кристаллов СаО. В процессе обжига при температуре 1000-1200° С происходит увеличение размера частиц от 1 -1,8 до 3,9-4,8 мк.
При обжиге чистого карбонатного сырья наблюдается менее интенсивный рост кристаллов СаО. Однако замедление процесса гидратации для извести, полученной из карбонатного сырья с глинистыми примесями, происходит не только за счет роста размеров кристаллов СаО. При повышении температуры от 1000-1200°С за счет реакции в твердой фазе между известью и Si02, А1203 и Fe203, находящимися в глинистых примесях, образуются клинкерные минералы. Данные рентгеновского анализа указывают на образование
Присутствие глинистых примесей способствует и появлению некоторых признаков спекания, что, естественно, снижает реакционную способность извести.
При обжиге доломитизированных известняков (класс Г) увеличение температуры обжига от 1000 до 1200° С оказывает существенное влияние на технологические свойства извести.
Электронно микроскопические и петрографические исследования обожженного материала характеризуют структуру обожженных доломитизированных известняков как мелкокристаллическую. Размер частиц составляет 0,5-1,6 мк, внутренняя удельная поверхность материала развита и достигает 36300- 11500 см2/г.

Передача электрического импульса

Рабочие поверхности обоих полусферо цилиндров выполнены с накаткой для предотвращения проскальзывания исследуемого материала в процессе его деформирования и размещаются в термостате 12, который позволяет с помощью контактного термометра 9 поддерживать температуру с точностью до 0,1° в пределах от 5 до 100° С.
При вращении внутреннего полусфероцилиндра за счет сил вязкого сопротивления деформированной массы происходит закручивание проволоки на некоторый угол ф, пропорциональный крутящему моменту М, равному моменту сил вязкого сопротивления при равномерном вращении полусфероцилиндра. Вязкость определяется по углу закручивания нити подвеса. Угол закручивания определяется следующим образом. Шпиндель 2 жестко закреплен на выходном валу коробки скоростей и вращается в подшипнике 8 с помощью электромотора 13 с постоянной угловой скоростью. Верхний конец нити подвеса с помощью цангового патрона так же жестко соединяется с этим валом и синхронно вращается со шпинделем. На нижнем конце шпинделя закреплен металлический лепесток 3. При прохождении лепестка через зазор бесконтактного датчика 7 на движущейся диаграммной ленте самопишущего потенциометра выписывается пик с каждым оборотом шпинделя. На цанговом патроне 10 закреплен такой же лепесток, при прохождении которого через другой датчик на диаграммной ленте также выписывается пик.
Дается схема передачи электрического импульса, возникающего при прохождении лепестка в зазоре бесконтактного датчика, к самопишущему потенциометру.
Когда между полусфероцилиндрами нет исследуемого вещества, шпиндель и полусфероцилиндр вращаются синхронно, и пики на ленте совпадают (расположение лепестков так что они одновременно проходят через зазоры патчиков). Когда же пространство между рабочими поверхностями заполнено исследуемым веществом, возникает момент сил вязкого сопротивления, приложенный к упругой подвеске, и лепестки смещаются друг относительно друга. На диаграммной ленте будут выписываться 2 пика,

Проведение испытаний

В случае приемки крупного заполнителя (без взвешивания) по соглашению сторон следует замеренный объем умножить на коэффициент уплотнения щебня, учитывающий дальность перевозки и равный 1,08 при дальности перевозки 250 км и 1,1 — при дальности перевозки свыше 250 км.
Для проведения испытаний от каждой партии из пяти мест отбирают пробы весом в 5 кг из каждого места.
Если материал поступает по железной дороге, пробу отбирают из любой платформы в четырех углах и в центре из верхнего, среднего и нижнего слоев.
При поступлении материалов водным транспортом пробу отбирают при разгрузке от каждых 200 мг данной партии. О качестве материала в партии судят по качеству отдельных ее частей.
При поступлении материала автомобильным транспортом проба отбирается от каждых 200 м3 данной партии, но не менее, чем из пяти автомобилей.
Для установления качества материала, уложенного способом гидромеханизации, пробу отбирают не менее, чем из пяти разных мест от каждой партии объемом не более 500 м3.
На отобранную пробу составляется акт отбора пробы.
Отбор средней пробы и составление акта должны быть выполнены не позднее 10 дней с момента поступления материалов на склад при одногородней поставке и не позднее 20 дней с момента прибытия на станцию или пристань при иногородней поставке.

Определение коррозии

Определение коррозии в бетонных и железобетонных конструкциях можно осуществить путем замеров изменения электрического сопротивления трубчатой арматуры, заделанной в бетон. Арматура применяется небольшого сечения, но с большой относительной поверхностью.
Для определения коррозии арматуры может быть использован метод гаммоскопии и гаммографии. При просвечивании бетонного элемента с арматурой, подвергшейся коррозии, арматура па снимке получается не одинакового затемнения по ширине стержня.
При обследовании конструкций необходимо тщательно контролировать характер и ширину трещин, которые при ширине более 0,4 мм увеличивают скорость распространения коррозии. Трещины же шириной менее 0,4 мм оказывают незначительное влияние на коррозию.
Для определения глубины трещин в железобетонных конструкциях, дорожных покрытиях и т. д. может быть использован ультразвуковой метод.

Опыт внедрения полимерных покрытий на предприятиях и стройках бсср

Соотношение глины к доломиту не должно превышать 1:1, дальнейшее увеличение доломита усложняет перемешивание его с глиной и затрудняет поддержание заданного модуля. Стоимость агломерата не превышает стоимости шлака.
Как известно, промышленные предприятия, эксплуатируемые в обычных условиях, служат не менее 60 лет. За счет воздействия агрессивных сред срок службы предприятий снижается до 30-45 лет. Однако, если нет надлежащей антикоррозийной защиты, срок службы зданий и сооружений практически снижается еще почти наполовину. Зачастую затраты на ремонт превышают первоначальную стоимость сооружения. Эффективным способом повышения долговечности строительных конструкций и оборудования предприятий является своевременная и надежная защита зданий и сооружений от воздействия агрессивных сред, эффективная вентиляция, соблюдение технологических режимов и культуры производства.
В результате обследования состояния строительных конструкций на многих действующих промышленных предприятиях и новостройках большой химии выяснилось, что вопросам антикоррозийной защиты не всегда уделяется достаточно внимания. Так, на недавно вступивших в строй Солигорских калийных комбинатах уже обнаружены разрушения бетонных перекрытий, коррозия металлических конструкций и оборудования. Аналогичные разрушения имеются на Гродненском азотнотуковом заводе, Полоцком НПЗ, Светлогорском заводе искусственного волокна и других предприятиях. Преждевременно выходят из строя в результате неудовлетворительного состояния антикоррозийных покрытий строительные конструкции и технологическое оборудование на кирпичных заводах, силикатных заводах, комбинатах промышленности строительных материалов и др.

Стыки транспортных лент

Стыки транспортных лент должны быть завулканизированы. Для перемещения бетонной смеси на небольшие расстояния наиболее целесообразным видом транспортных средств являются бадьи. Бадьи с успехом могут использоваться также для транспортирования бетонной смеси в жаркую погоду, когда перемещение ее тонким слоем с помощью ленточных транспортеров ведет к потере подвижности и нарушению ее однородности.
В зависимости от габаритов и вида бетонируемых конструкций бадьи могут иметь различный объем, однако во всех случаях этот объем должен быть кратный объему замеса бетономешалки.
Конструкция затворного и разгрузочного механизма бадьи должна быть такой, чтобы обеспечивала скорость разгрузки бетонной смеси как большими, так и малыми порциями.
Во избежание расслоения бетонной смеси не рекомендуется перевозить бадьи в автомашинах на большие расстояния. Максимальное расстояние перевозки бетонной смеси в бадьях на автомашинах без снижения качества бетонной смеси может быть установлено лабораторией.
Транспортирование бетонной смеси к месту ее укладки с помощью автотранспорта должно находиться под тщательным наблюдением работников лаборатории. В каждом отдельном случае при изменении состава бетонной смеси, дальности транспортирования, состояния дорог, температуры окружающего воздуха и других факторов работники лаборатории должны контролировать степень расслоения бетонной смеси у мест ее разгрузки и предусматривать мероприятия, предотвращающие это расслоение.

Условная граница микро разрушений

Указанные изменения оценивались двумя параметрическими токами R. Первая из них (R) отражает начало или нижнюю границу образования микроразрушений, при которой происходило некоторое разрыхление материала. Она фиксировалась началом ощутимого уменьшения приращения объема на определенной ступени напряжения , началом роста величины дифференциального коэффициента поперечной деформации , началом интенсивного роста величины удельных поперечных деформаций и наименьшим временем прохождения ультразвукового импульса поперек (перпендикулярно) действующим усилиям .
В отличие от коэффициента Пуассона определяемого по суммарным упругим деформациям, дифференциальный коэффициент поперечных деформаций вычислялся из соотношения величин приращения полных деформаций на Каждой ступени нагружения.
Верхняя условная граница микро разрушений характеризуется состоянием материала, при котором на данной ступени нагружения образца не происходило приращение внешнего объема, т. е. ДС? = 0 ; достижением значения соотношения =0,5. являющимся теоретически наиболее вероятной величиной, и удлинением времени прохождения ультразвукового импульса поперек действующих сил . Эта вторая параметрическая точка (R*) не является критической.
Поскольку после обнаружения трещин, например микроскопическими приборами (средствами), оказывалось возможным дальнейшее некоторое повышение напряжений, а следовательно, прочность материала не исчерпывалась.
Проведенными исследованиями определены параметрические точки микро разрушения Rn RT для аглопоритобетона марок «200»-«500». Определение этих показателей связано с усталостным разрушением бетона при многократно повторных нагрузках и другими деформативными характеристиками .
Анализ опытных данных показывает, что величина поперечных деформаций аглопоритобетона при напряжениях, соответствующих R°, т. е. моменту наименьшего времени прохождения ультразвукового импульса, связана с прочностью бетона при сжатии.

Ачальная прочность

При осмотре образцов нормального твердения, испытанных в месячном возрасте, уже после первого цикла на гранях была отмечена сетка микротрещин. В дальнейшем образцы разрушились по этим трещинам. Характер изменения кривых прочности аналогичен таковому для пропаренных образцов. В течение первых циклов образцы упрочняются (исключая кубики, изготовленные из цемента с удельной поверхностью 5500 см2/г) вследствие кольматация структурных полостей камня кристаллической солевой фазой и дальнейшего твердения в меньшей степени, чем пропаренные образцы). После пятого цикла прочность падает больше у образцов серии VII-E.
С увеличением тонкости помола цемента водопотребность его, а следовательно, и количество несвязанной воды в камне возрастают, что влечет за собой увеличение контракции, проявляющейся в раскрытии микротрещин. Растворы солей, мигрируя к испаряющей поверхности, концентрируются у трещин, поверхности которых играют роль испаряющих поверхностей. Именно здесь, в трещинах, скапливаются кристаллы, и нарушение термодинамического равновесия системы влечет за собой развитие напряжений, разрушающих цементный камень.
Цементы повышенной дисперсности обнаружили, естественно, большую начальную прочность, однако оказались менее стойкими. Таким образом, начальная прочность не может служить основанием для прогноза стойкости.
Уплотнения цементных новообразований, а следовательно, уменьшения контракции можно добиться повторной вибрационной обработкой (активацией) на стадии коагуляционного структурообразования. Для изучения роли виброактивации в регулировании коррозионной стойкости были изготовлены образцы-кубики цементного камня с ребром 2 см в условиях двух- и трехстадийного уплотнения теста на стандартной виброплощадке, при этом первичная вибрация была предпринята через 10 мин после затворения цемента водой, а повторная в различные сроки в зависимости от времени схватывания. Продолжительность вибрации во всех случаях составляла 10 сек.

Особенности бетонирования с применением сверхжестких смесей

Таким образом, твердение известково-алюмокремнеземистых вяжущих при гидротермальной обработке, особенно богатых стеклом в их кислом компоненте, обеспечивается преимущественно в результате химической реакции взаимодействия продуктов гидролиза с Са(ОН)2 и водой. Определяющим фактором при выборе вида гидротермальной обработки таких вяжущих и изделий на их основе должны быть состав и количество стекла в глинитном компоненте. Вяжущие на основе витебского керамзита при гипсовой активизации и изделия на их основе эффективнее всего пропаривать.
Вяжущие на основе глиниста с небольшим (30%) содержанием стекла эффективнее подвергать автоклавной обработке при 8-12 ати. При этом преимущественно образуются гидросиликаты в результате взаимодействия Са(ОН)2 свободного кварца.
Исходя из эксплуатационных качеств отвердевшего бетона, оптимальными следует признать бетонные смеси, характеризующиеся минимальным объемом межзернового пространства заполнителей, возможно меньшим превышением объема теста над объемом этого пространства и содержанием воды, близким к количеству, необходимому для погашения поверхностей энергии зерен вяжущего.
Такие смеси, рыхлые после перемешивания, поддаются уплотнению, но не превращаются в «тяжелую вязкую жидкость» под воздействием пригруза и принятых в промышленности параметрах вибрации. Для них характерен переход от сыпучести к состоянию твердого тела без разжижения. Известные методы определения формовочных свойств для этих смесей не пригодны, а отсутствие четких представлений о превращениях их структуры в процессе уплотнения сдерживает их применение в промышленности.
Вследствие небольшого водосодержания подобные смеси представляют особый интерес для технологии известково-песчаного бетона автоклавного твердения, где явления тепло массопереноса, связанные с переносом влаги, протекают особенно интенсивно и нередко лимитируют допустимые габариты изделий и удлиняют режим запарки.

Разработка состава конструктивного газосиликата

Учитывая то обстоятельство, что введение некоторого количества немолотого песка в состав газосиликата позволяет снизить влажность сырьевой смеси без снижения прочности и улучшить физико-технические свойства газосиликата, необходимо было определить его оптимальную добавку. Опыты проведены с применением I молотой смеси. Текучесть смеси для всех составов была принята 16±0,5 см. При этом для смеси с содержанием активной СаО 18,6% такая текучесть обеспечивалась влажностью смеси 35%. С введением немолотого песка активность и влажность смеси изменялись следующим образом: активность смеси 18,6%; 15,8; 14,9; 13,9%; добавка немолотого песка 0%, 15, 20, 25%; влажность сырьевой смеси 35,0%; 31,5; 30,5; 30,0%.
Результаты опытов, представленные на рис. 2, показывают, что количество немолотого песка, не снижающего прочность при сжатии газосиликата v = 1200 кг/м3, составляет 20-25% (от веса сухих материалов).
Таким образом, в результате разработки состава конструктивного газосиликата на основе меловой быстрогасящейся извести была установлена возможность получения газосиликата Y = 1200 кг/м3 с прочностью на сжатие, удовлетворяющей требованиям СНиП 1-В, 3-62 . Технологические параметры изготовления такого газосиликата следующие: содержание СаО в молотой смеси не менее 13%; удельная поверхность молотой известково-песчаной смеси должна быть не ниже 3500 см2/г по ПСХ-2; добавка немолотого песка в количестве 20-25%; вода затворения принимается минимальная, соответствующая диаметру расплыва 16±0,5 см; температура воды затворения 40-45° С.
Применение для газосиликата быстрогасящейся меловой извести требует введения двойного замедлителя гидратации СаО: гипса 3% (от СаО) при помоле извести и жидкого стекла 1 % в воду затворения. Алюминиевой пудры ПАК-3 для газосиликата объемным весом 1200 кг/м3 требуется 0,02% при введении 20% немолотого песка (от веса сухих материалов). Пудра обрабатывается поверхностноактивным веществом (хозяйственным мылом или сульфанолом).

Инъецирование каналов предварительно напряженных изделий

При изготовлении сборных крупногабаритных предварительно напряженных конструкций с натяжением арматуры на бетон особо важное значение приобретает не только контроль степени натяжения арматуры, но и контроль качества инъецирования каналов после натяжения арматуры.
Правильный подбор состава инъекционных растворов и качественное инъецирование каналов способствуют предохранению арматуры от коррозии и повышению надежности и долговечности конструкций. Выполнение работ, связанных с подготовкой каналообразователей и устройством каналов, приготовлением инъекционного раствора и инъецированием в каналах арматуры, должно проводиться при тщательном контроле со стороны инженерно-технического персонала.
С целью предотвращения появления нежелательных напряжений в конструкции при натяжении арматуры необходимо следить за правильным расположением каналообразователей и не допускать их смещения от проектного положения.
Все закладные элементы, фиксирующие проектное положение каналообразователей и пучков арматуры, должны быть жесткими и сохранять неизменчивость положения при укладке и уплотнении бетонной смеси. При извлечении каналообразователей после бетонирования конструкции срок извлечения назначается с учетом состава инъекцирующего раствора, типа конструкции, температуры раствора и других факторов. Для инъецирования каналов должны использоваться цементные либо цементно-песчаные растворы, приготовленные на портландцемен-тах высоких марок. Растворы должны иметь необходимую вязкость, обладать малым водоотделением и малой усадкой и после твердения иметь повышенную прочность и морозостойкость.