При определении качества бетона конструкций неразрушающими методами наряду с корреляцией «скорость ультразвука – прочность» используют также связь между динамическим модулем упругости бетона Н и его кубиковой прочностью R. Определение динамического модуля упругости связано с исследованием нескольких физических характеристик данной среды.
Как показали исследования существенное влияние на значения этих физических характеристик оказывает влажность. Содержащаяся в данный момент в бетоне. Влияние влажности на различные виды бетона различно. Так, например, скорость распространения переднего фронта акустического импульса (наиболее изученная характеристика) с увеличением влагосодержания тяжелого бетона растет. Для газобетона наблюдается обратное явление – скорость С1 падает с увеличением влажности. Заметные изменения претерпевают и другие физические характеристики этого материала. Все это осложняет получение достоверного значения динамического модуля упругости, необходимого для определения качества бетона данной конструкции.
Исследования показали, что изменение скорости акустического сигнала, как, впрочем, и других показателей, не полностью соответствует изменениям прочности бетона под влиянием влажности. Можно полагать, что помимо влаги, непосредственно вступающей во взаимодействие с бетоном, существенное влияние на значение акустических характеристик оказывает также и влага, находящаяся в свободном состоянии в данной среде.
Определение степени влияния той и другой влаги на физические характеристики среды является сложным вопросом и требует особых исследований. Однако уже сейчас можно заметить некоторые закономерности в изменениях физических характеристик среды бетона в зависимости от его влагосодержания.
Можно заметить, что для тяжелого бетона (кривая 1) наблюдается значительное увеличение приращения скорости С1 в диапазоне влагосодержания W = 0…3% с последующим умеренным ее ростом (W = 3…7%). При этом достаточно четко фиксируется точка перелома кривой, что свидетельствует о качественно различном влиянии влаги в этих диапазонах на скорость продольных волн С1. Данные настоящего эксперимента согласуются с исследованиями, проведенными другими авторами.
Для газобетонов разных плотностей (кривые 2-7) во всех случаях наблюдается качественно примерно одна и та же картина первоначального достаточно интенсивного падения относительного значения скорости. Дальнейшее увлажнение приводит к постепенной стабилизации значения В, а при влагонасыщении газобетона наблюдается некоторое увеличение этого коэффициента. Необходимо отметить, что для газобетонов малых плотностей, т. е. с большим процентом пор (кривые 4-6) характерен некоторый выброс на кривых, соответствующий 30…40% влажности.
Более детальное изучение влияния влагосодержания газобетона на значения физических характеристик дало возможность получить характер изменения нескольких акустических величин данной среды (рис. 2). Можно заметить, что кривые, описывающие изменение характеристик f1 и μД‚ зеркальны. Кроме того, можно проследить тенденцию роста значений динамического коэффициента Пуассона (μД) с повышением влагосодержания газобетона, в то время как частота продольных колебаний падает. Изменение суммарного коэффициента потерь также носит сложный характер, близкий к данным, полученным для кварцевых песков. Эти выводы говорят о том, что в материале происходит адсорбционное размягчение хотя на этот процесс накладывается другое явление, по всей видимости, связанное с возникновением трехфазной среды, сложная кинетика процессов взаимодействия которой с импульсом малых возмущений при его распространении приводит к резким колебаниям значений данных характеристик. Подобная картина изменения тех же характеристик была получена и для газобетонов с плотностями 800 и 650 кгс*сек2/м4.
Представляется возможным предположить, что характер этих колебаний зависит от состава газобетона, его пористости, режима термовлажностной обработки и прочих данных. Однако этот вопрос не является целью настоящей статьи и поэтому здесь не рассматривается.
На основании приведенных зависимостей можно сделать вывод о том, что увлажнение бетона приводит к существенному изменению его акустических характеристик. Это обстоятельство необходимо учитывать при вычислении физических параметров бетона для определения качества его в конструкциях. Поэтому при оценке бетона с помощью неразрушающих методов испытаний по корреляциям типа «физический параметр – прочность (марка) бетона» необходимо в характеристики, входящие в этот параметр, вносить коррективы, учитывающие влажность. Для этой цели строятся графики вида приведенных на рис. 2. Для работы с такими графиками необходим прежде всего знать влагосодержание и плотность бетона в требуемом сечении данной конструкции. Обе эти характеристики нетрудно получить радиометрическими методами с помощью нейтронного влагомера и гамма-плотномера.
В основу радиометрических методов измерения плотности и влажности бетона изложены законы взаимодействия различных видов радиоактивных излучений веществом. Способность гамма-излучения претерпевать ослабление при взаимодействии с материей легла в основу гамма-метода измерения плотности. При этом установлена четко выраженная зависимость: J/J0 = φ(p), где J, J0 – соответственно интенсивности излучения до и после взаимодействия с материалом.
Теоретические зависимости, применяемые в радиометрическом методе измерения плотности, носит довольно сложный характер, на который существенно влияет тип схемы измерений. С аналитической точки зрения наиболее простой является схема сквозного просвечивания. В общем вице в этом случае исходным уравнением может служить экспоненциальная зависимость: J = B J0 exp(-μi x), где μi – линейный коэффициент ослабления; х – толщина сечения; В – фактор накопления (функция энергии квантов, рассеивающих свойств среды, геометрии выбранной схемы).
Линейный коэффициент ослабления связан с массовым коэффициентом однозначной зависимостью: μi = μm р.
Так как величины от μm, J0, В для данной конкретной схемы являются постоянными, то, измерив величину J, можно определить плотность материала р. Но несмотря на удобство определения плотности по схеме сквозного просвечивания, в производственных условиях часто применяется схема обратного рассеяния, как более универсальная в отношении техник и измерений.
Определение плотности бетона согласно этой схеме осуществляется путем измерения интенсивности излучения, рассеянного в объекте при расположении как источника, так и детектора непосредственно на поверхности объекта. Однако теоретическая сторона рассматриваемого вопроса сложна, а вывод уравнения, связывающего снижение интенсивности излучения с плотностными характеристиками материала, весьма трудоемок. Поэтому в данной работе он не приводится. Заметим, что при практическом использовании плотномеров, работающих по данной схеме, значение плотности целесообразно определить с помощью тарировочных графиков.
Определение другой важной характеристики бетона – его влажности, производится с помощью нейтронного метода, основанного на специфике взаимодействия нейтронов с легкими ядрами (z = 1-30). Теория нейтронного метода настоящее время достаточно хорошо разработана. Однако необходимо отметить важный момент, касающийся в основном методики измерений. Речь идет о влиянии плотности бетона на результаты измерений при определении его влажности нейтронным методом. Колебания значений плотности исследуемого бетона в большом диапазоне приводят к значительному изменению числа регистрируемых медленных нейтронов даже в том случае, ноша влажность объекта не изменяется. Если учесть, что плотность бетонов может изменяться в пределах р = 50-250 кгс*сек2/м4, то даже при одном и том же влагосодержании можно получить довольно большую ошибку в показаниях приборов. Вопрос о влиянии плотности материала на точность измерения влажности нейтронным методом изучался экспериментально. В результате были получены поправочные коэффициенты и построены номограммы, с помощью которых можно производить определение этого параметра с достаточной для практики точностью. Величина плотности материала в этом случае может быть получена описанным выше радиометрическим методом.
Принципиальный вид номограммы для определения влажности бетона с учетом его плотности приведён на рис. 3. Величина J0/JW, является относительным изменением интенсивности медленных нейтронов и определяется с помощью переносного нейтронного влагомера, работающего по схеме обратного рассеяния. Плотность р определяется поверхностным гамма-плотномером.
Располагая полученными данными, влажность исследуемого бетона находим по номограмме, составленной для данного комплекта радиометрической аппаратуры. Значению искомой влажности, как это видно из рис. 3, соответствует точка пересечения прямой, соединяющей определенные из эксперимента значения величин J0/JW (нейтронный влагомер) и р (гамма-плотномер) с кривой графика W = f(J0/JW, p).
По методике, известной из практики применения импульсного акустического метода, находятся остальные физические характеристики, необходимые для вычисления динамического модуля упругости. Однако эти характеристики будут соответствовать данной влажности бетона, т. е. влажности, определенной по номограмме.
По значению Н с помощью тарировочных зависимостей «динамический модуль упругости – прочность бетона», определяется марка бетона, или другая его механическая характеристика.