О системе оперативного неразрушающего контроля характеристик бетона

Из доклада С.Н. ЛЕОНОВИЧА, заведующего кафедрой “Технология строительного производства” БНТУ, доктора технических наук, и Д.Ю. СНЕЖКОВА, старшего преподавателя той же кафедры

Возрастающие требования к качеству бетона не могут быть выполнены без повышения надежности контроля его качества на всех стадиях технологической цепи — начиная с изготовления отдельных конструкций и процесса возведения здания и заканчивая его эксплуатацией. Особая роль при этом принадлежит неразрушающим методам контроля.
Неразрушающие методы контроля прочности бетона, нашедшие свое место в практике строительства, можно разделить на две группы:
— методы, основанные на локальном микро- и макроразрушении фрагмента (участка) изделия: отрыве со скалыванием, скалывании ребра, пластической деформации;
— методы, прогнозирующие прочность по упруго-деформативным свойствам: в частности, метод упругого отскока и ультразвуковой импульсный метод.

Обеспечение требований к надежности контроля каким-либо одним методом выглядит проблематичным, речь может идти о системе, основанной на использовании нескольких взаимно дополняющих методов контроля.
За последние 10-15 лет парк технических средств оперативного неразрушающего контроля прочности бетона не претерпел практически никаких изменений ни в нашей стране, ни за рубежом. Это приборы, использующие метод упругого отскока и ультразвуковой импульсный метод. Совершенствование их, как правило, затрагивало лишь некоторые вопросы конструктивного исполнения, дизайна, оставляя сам метод оценки прочности бетона без существенных изменений.
Практически все известные приборы, как отечественного производства, так и импортные, использующие ультразвуковые колебания для оценки прочности бетона, представляют собой измерители каких-либо акустических параметров бетона. И в подавляющем большинстве случаев это один-единственный параметр — скорость распространения УЗ-колебаний. Метод оценки прочности бетона в этом случае основан на корреляции прочности бетона и скорости УЗ-колебаний. Этот метод является единственным из акустических, который регламентирован стандартами.
Главным недостатком указанного метода является сильная зависимость его оценки прочности бетона от технологических факторов: состава, водосодержания, возраста и др., без учета которых ошибка оценки прочности бетона может достигать 70% и более. Приемлемые по точности результаты получаются, как правило, лишь в условиях “стабильной” технологии, например, в условиях ЗЖБИ.
Надо заметить, что в некоторых приборах (в частности, УК-10, УК-12, УК-14ПМ, УК-16ПС), которые составляют основу парка ультразвуковых приборов предприятий строительного комплекса Беларуси, заложены решения, позволяющие косвенно оценивать степень затухания ультразвуковых колебаний в бетоне и частотный спектр принятого ультразвукового сигнала. Но практически эти возможности остаются невостребованными. Первая причина этого — сложность процедуры измерения этих параметров, вторая — отсутствие методики интерпретации измеренных параметров применительно к прочностным характеристикам бетона.

Указанные выше недостатки метода, а также отсутствие портативных, удобных в пользовании приборов контроля и обуславливают практически полный отказ от использования ультразвука для контроля прочностных характеристик бетона на строительных площадках и при выполнении работ по обследованию эксплуатируемых конструкций.
Необходимо отметить, что наибольшая погрешность в оценке прочности бетона на основе стандартного метода наблюдается на стадии “созревания” бетона. Для бетонных изделий возрастом более года наблюдается ослабление влияния “технологического” фактора на оценки прочностных параметров. На рис.1 приведены типичные данные обследования железобетонных колонн прямоугольного сечения 400х400 мм каркаса здания спортивного комплекса.
Величина среднего квадратичного отклонения значений прочности по прибору УКБ-111 от значений, полученных методом упругого отскока, составляет 15,3%, отрыва со скалыванием — 16,5%. Обращает на себя внимание явно выраженное завышение оценки прочности для конструкций, находившихся в условиях воздействия воды, что еще раз подтверждает известный вывод о необходимости учета водосодержания бетона при ультразвуковом контроле прочности. Накопленные данные по обследованию строительных объектов Беларуси позволяют сделать вывод о возможности использования стандартного ультразвукового метода оценки прочности бетона с использованием “усредненной” тарировочной зависимости “скорость ультразвука — прочность бетона”.
Ультразвуковому контролю железобетонных конструкций присуща высокая чувствительность к трещинообразованию. Кроме того, он позволяет оценивать упруго-деформативные свойства бетона — динамический модуль упругости.
Расширение области применения, снижение погрешности оценки прочности бетона возможно на основе развития так называемого многопараметрового контроля.

Разработка и изготовление прибора многопараметрового контроля прочности бетона предполагает, в первую очередь, совершенствование метода акустического контроля прочностных характеристик бетона с целью повышения достоверности их оценки и расширения технологического диапазона применения.
Целью работы является создание портативного приборного средства (прибора), реализующего многопараметровый метод контроля прочности бетона непосредственно в бетонных и железобетонных изделиях строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений.
В качестве прототипа предполагаемой разработки можно рассматривать разработанный ранее прибор УКБ-111 (рис.2).
Прибор УКБ-111 был разработан в конце 1980-х годов в рамках договора с Министерством промышленного строительства БССР. Он представляет собой измеритель времени распространения УЗ-колебаний на постоянной базе, что эквивалентно измерению скорости УЗ. Это позволяет реализовать с его помощью стандартный метод контроля для поверхностного прозвучивания исследуемого изделия. Значительным отличием от аналогов является возможность пересчета этого параметра по заложенной в прибор тарировочной зависимости в значение прочности бетона, которое и выводится на цифровой дисплей.
В сравнении с УКБ-111 предполагаемая разработка многопараметрового прибора контроля прочности бетона будет иметь следующие основные отличия:
— значительное расширение его функций как измерителя акустических параметров (измерение скорости распространения колебаний, частотного распределения коэффициента затухания, акустического импеданса точек контакта с бетоном);
— предварительная статистическая обработка результатов измерения;
— улучшение эргономических характеристик, уменьшение габаритов и веса в 1,5-2 раза;
— возможность быстрой смены алгоритма (тарировочных зависимостей) определения прочности бетона;
— возможность измерения упруго-деформативных характеристик бетона (динамического модуля упругости);
— возможность стыка с ПЭВМ с целью диагностики, настройки, смены алгоритма функционирования, “сброс” накопленных данных для дальнейшей обработки.

Перспективой разработки является подготовка серийного производства портативных приборов ультразвукового контроля прочности бетона.
Основной потребитель прибора контроля — строительные организации Беларуси, подразделения службы стройнадзора.
Ориентировочная стоимость прибора при изготовлении серии в 1000 экземпляров — 800-1200 тыс. рублей.
Основная компонентная база — программируемые PIC-контроллеры.
Конструкторские решения и технология сборки и настройки позволят разместить заказ на серийное изготовление прибора практически на любом предприятии радио-электронного профиля Беларуси.
В качестве начального этапа развития этого направления можно рассматривать проведение широкого перечня опытно-конструкторских работ по созданию базового портативного автоматического многофункционального измерителя акустических характеристик бетона с высокой степенью управляемости параметрами измерительного тракта. Цель разработки — получение измерительного средства для формирования, экспериментальной проверки и уточнения “акустико-прочностных” моделей бетона, на основе которых следует сформировать алгоритм оценки прочности. Технические и конструкторские решения базового измерителя акустических характеристик бетона явятся основой для создания конструкции портативного прибора многопараметрового контроля прочности бетона.
Необходимость в создании базового измерителя диктуется следующими факторами:
— ни один из существующих приборов ультразвукового контроля не обеспечивает необходимого диапазона измеряемых акустических параметров и точности их оценки;
— измерение акустических характеристик бетона необходимо производить одновременно и совместно, в комплексе; это позволит с максимальной точностью выявлять и оценивать их взаимную корреляцию;
— сложность процесса измерения акустических параметров бетона требует высокой степени автоматизации процесса измерения, которая отсутствует в существующих приборах.

Выполнение научно-исследовательских работ по развитию и совершенствованию метода и средства неразрушающего многопараметрового акустического контроля включает в себя:
1. Проведение исследований степени влияния технологических параметров бетона на его акустические характеристики.
1.1. Экспериментальные исследования влияния водосодержания бетона на акустические параметры — скорость, импеданс (сопротивление) области контакта УЗ-датчиков с поверхностью, частотное распределение коэффициента затухания ультразвуковых колебаний при поверхностном и сквозном прозвучивании для различных значений прочности и возраста бетона.
1.2. Экспериментальные исследования влияния гранулометрического состава, вида заполнителя бетона и различных типов добавок на акустические параметры — скорость, импеданс области контакта УЗ-датчиков с поверхностью, частотное распределение коэффициента затухания ультразвуковых колебаний для различных значений прочности и возраста бетона.
1.3. Исследование корреляции перечисленных технологических параметров бетона (п.п. 1.1 и 1.2) с оценками его прочности методами отрыва со скалыванием и упругого отскока.
2. Математическая обработка экспериментальных данных, формирование поля информационных параметров; разработка алгоритма оценки прочности бетона по его акустическим параметрам.
Таким образом, создание базовой конструкции измерителя акустических параметров бетона позволит получать информацию о различных акустических характеристиках бетона, а не только “время/скорость” распространения колебаний.
В частности, позволит производить оценку степени затухания различных частотных составляющих УЗ-сигнала, разницы в скорости распространения тех же составляющих (следует ожидать зависимости этих параметров от структуры бетона: характера крупного заполнителя, размеров его зерен, пористости растворной составляющей), величины акустического импеданса зоны контакта датчика и поверхности бетона. Наряду с перечисленными акустическими характеристиками, прибор позволит производить оценку водосодержания поверхностного слоя бетона.
Данные о возможном использовании указанных информативных параметров, приводимые в литературных источниках, весьма ограниченны и противоречивы, и, как правило, речь в них идет о лабораторных измерениях какого-либо одного параметра без учета изменения других.
Поэтому создание многопараметрового прибора предполагается, в первую очередь, для исследований с целью накопления статистического материала, выявления корреляции указанных параметров с прочностными характеристиками бетона в условиях реальных технологий изготовления и эксплуатации железобетонных изделий и в итоге — для совершенствования акустического неразрушающего метода контроля прочности бетона.
Подготовка серийного производства портативного прибора УЗ-контроля бетона предполагает, кроме создания опытных образцов, выполнение работ по созданию и совершенствованию нормативно-методического и метрологического обеспечения. Это потребует проведения значительного объема натурных испытаний прибора в условиях различных технологий бетона.

По материалам международной конференции “Строительство и архитектура” (БНТУ, Минск, 4-6 февраля 2003 г.)