5.2.5. Применение ультразвукового метода для определения прочности бетона

Ультразвуковой метод рекомендуется применять для испытания тяжелых бетонов с прочностью на сжатие от 5 до 50 МПа при температуре на поверхности конструкции 5..40 ⁰C. Метод основан на использовании зависимости скорости распространения механических колебаний ультразвуковой частоты в бетоне от его прочности. Ультразвуком принято называть механические колебания упругой среды с частотой от 20 кГц до 20 МГц, которая превышает предел слышимости человеческого уха.

Значительным достоинством ультразвукового метода является то обстоятельство, что ультразвук проходит через всю толщину конструкции и собирает более полную информацию о внутренней структуре бетона, чем методы, основанные на поверхностном измерении прочности. Однако данный метод нельзя отнести к универсальному, поскольку на скорость распространения ультразвука влияют не только прочность бетона, но и множество других факторов, таких как состав, влажность, крупность заполнителя и др. Градуировочная кривая “скорость-прочность” в своем исходном виде может применяться только для того состава, для которого она построена, что является существенным недостатком метода. Но для заводов ЖБИ при установившейся технологии, когда состав бетона меняется редко, зависимость скорости ультразвука от прочности является весьма стабильной и позволяет получать результаты измерения прочности с точностью 10 -15 %.

Современные ультразвуковые измерители прочности состоят из электронного блока и набора датчиков для поверхностного и сквозного прозвучивания бетона (рис. 5.10).

а б

Рис. 5.10. Современные ультразвуковые приборы для измерения прочности бетона:

а ‑ пульсар 1,2;

б ‑ бетон-32

При контроле прочности бетона применяют сквозной и поверхностный способы прозвучивания бетона. Сквозной способ прозвучивания бывает диагональным и соосным (рис. 5.11). На практике для измерения прочности бетона, как правило, применяют сквозной ‑ соосный и поверхностный способы прозвучивания бетона.

Рис. 5.11. Способы прозвучивания бетона ультразвуковым методом

Наиболее рациональным является соосный способ прозвучивания бетона (рис. 5.11, в), когда ультразвуковые датчики располагаются друг напротив друга. Такой способ можно применять при хорошем доступе к конструкции с обеих сторон. Когда доступ к конструкции с двух сторон затруднен, применяют поверхностный способ прозвучивания бетона, располагая ультразвуковые датчики только с одной стороны (рис. 5.11, а).

Диагональное расположение датчиков часто применяется для контроля качества замоноличивания швов между изделиями.

Ультразвуковые приборы измеряют время прохождения ультразвукового импульса через конструкцию. Зная расстояние l между ультразвуковыми преобразователями (рис. 5.11) и время прохождения импульса, можно вычислить скорость распространения ультразвука по формуле

, (5.8)

где l – база прозвучивания, мм; t – время прохождения ультразвукового импульса, мкс; V – скорость распространения ультразвука, км/с.

Скорость распространения ультразвука в цементном бетоне колеблется в пределах 2,8..4,8 км/с. Зависимость скорости распространения ультразвука для различных видов бетона непостоянна. Это связано с тем, что на скорость ультразвука помимо прочности влияют и другие факторы:

• количество цемента (с увеличением количества цемента в бетоне скорость ультразвука возрастает медленнее, чем механическая прочность бетона);

• водо-цементное (В/Ц) отношение (скорость ультразвука повышается с уменьшением В/Ц отношения);

• вид и количество крупного заполнителя (с увеличение количества щебня в бетоне скорость ультразвука возрастает);

• температура (температура в диапазоне 5-40 ⁰С практически не влияет на прочность бетона и скорость ультразвука. Повышение температуры за пределы указанного диапазона приводит к понижении прочности и скорости ультразвука. При отрицательных температурах скорость ультразвука увеличивается за счет превращения несвязанной воды в лед).

Для каждого вида бетона градуировочная зависимость “скорость ультразвука ‑ прочность” устанавливается индивидуально. В тех случаях, когда нет возможности установить индивидуальную градуировочную зависимость, используют универсальные зависимости:

• для сквозного прозвучивания

, (5.9)

• для поверхностного прозвучивания

R=10,2·K·(16·V_пов-27,3),

где K – градуировочный коэффициент; V_скв, V_пов – скорость прохождения ультразвука, км/с при сквозном и поверхностном прозвучивании соответственно; R – прочность бетона, кг/см².

Для определения градуировочного коэффициента K проводят совместные испытания бетонных кубов разрушающим методом либо бетона методом отрыва со скалыванием с измерением скорости распространения ультразвука. Величина коэффициента K определяется по формуле

(5.10)

где n – количество испытаний; R_зi – прочность бетона, определенная в i-м испытании с использованием зависимости; R_фi – прочность бетона в i-м испытании, определенная разрушающим методом либо методом отрыва со скалыванием.

При испытаниях на кубах количество испытаний должно быть не менее девяти (n≥9), при испытаниях методом отрыва со скалыванием количество испытаний – не менее пяти (n≥3).

В тех случаях, когда совместные испытания произвести невозможно, ориентировочная оценка прочности бетона может быть выполнена с применением градуировочных коэффициентов, представленных в табл. 5.7.

Таблица 5.7

Коэффициенты K для определения прочности бетона

ультразвуковым методом

Режим выдерживания конструкций и состояние бетона	Величина коэффициента К
Пропаренные, остывшие, затем высушенные. Замер скорости ультразвука производится после высушивания бетона	2,31
Пропаренные, остывающие и хранимые в последующем при 15 0С сроком около суток. Бетон после пропаривания не увлажняется	2,18
Пропаренные и остывшие до 18-15 0С, выдержанные в условиях умеренной влажности окружающего воздуха более трех суток	1,78
Пропаренные, остывшие до 25-30 0С, сильно увлажненные	1,58
Выдерживаемые в нормальных условиях; перед испытаниями не менее суток выдерживаются в сухом помещении при 15 0С	2,31
Выдерживаемые в нормальных условиях, поверхности сильно влажные. Поверхности бетонов конструкций непосредственно после распалубки	1,73
Тяжелый бетон неизвестной технологии изготовления и выдерживания, с сухой поверхностью	1,78
Тяжелый бетон неизвестной технологии изготовления и выдерживания, с влажной поверхностью	1,64
Тяжелый бетон неизвестной технологии изготовления и выдерживания, с очень хорошо высушенной поверхностью	2,18

Пример. Требуется определить марку бетона по прочности (среднюю прочность) в железобетонных колоннах монолитного здания ультразвуковым методом. Сначала определим градуировочный коэффициент K для привязки ультразвуковой зависимости к местным условиям. Для этого измерим скорость прохождения ультразвука в пяти точках на различных колоннах. В этих же местах измерим прочность бетона методом отрыва со скалыванием. Результаты измерений занесем в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Определение градуировочного коэффициента для ультразвукового метода

Метод измерения	Результаты измерений
	1	2	3	4	5
Отрыв со скалыванием Rф, кг/см2	593,98	706,91	636,03	637,02	689,87
Скорость ультразвука V, км/с	4,45	4,51	4,38	4,42	4,53
Прочность по ультразвуковой зависимости Rз, кг/см2	269,99	283,90	254,41	263,23	288,65
Rф/Rз	2,20	2,49	2,50	2,42	2,39

K=(2,20+2,49+2,50+2,42+2,39)/5=2,40.

С учетом полученного коэффициента K=2,40 зависимость «скорость ультразвука ‑ прочность бетона» для сквозного прозвучивания примет вид

R=2,40·V^3,75. (5.11)

Далее проводим измерения скорости прохождения ультразвука в различных колоннах здания. Объем измерений обычно составляет 30 % всех конструкций. Результаты измерения скорости ультразвука и соответствующей ей прочности, рассчитанной с применением уточненной зависимости, представлены в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Результаты измерения прочности бетона ультразвуковым методом

Скорость ультразвука V, км/с	Прочность R кг/см2	Марка бетона по прочности
4,23; 4,32; 4,12; 4,35; 4,51; 4,47; 4,32; 4,52; 4,32; 4,53; 4,13; 4,30.	535,78; 579,80; 485,37; 595,04; 681,35; 658,97; 579,80; 687,04; 579,80; 692,75; 489,81; 569,79.	M 590

Среднее значение прочности бетона Rm=594,6, следовательно, принимаем марку по прочности M590.