Контроль механической прочности бетона в конструкциях сооружений акустическими методами базируется на эталонных испытаниях, в ходе которых связь между акустическими, весовыми и прочностными характеристиками устанавливается экспериментально для каждого конкретного состава бетона.
Нами исследовались акустические характеристики бетона для определения текущих запасов прочности, в частности коэффициенты прохождения, поглощения звуковых волн и рассеяния звука. При измерениях регистрировались комплексная величина в виде отношения амплитуд принятой и посланной звуковых волн, которая является коэффициентом поглощения и рассеяния звуковых волн. Для упрощения обратная величина может быть названа звукопроводностью. Экспериментом доказано наличие устойчивой связи между звукопроводностью и состоянием структуры бетона.
Потери энергии звука в упругом, но неоднородном материале пропорциональны количеству отражателей или поглотителей на пути следования сигнала и зависят от отношения размеров отражателей к длине волны колебаний, а также расстояния, на которое распространяется сигнал, и геометрической формы испытуемого участка среды.
Бетон не может быть отнесён к идеально упругим материалам, но при испытании акустическими сигналами его вязкие и пластические свойства проявляются несущественно.
Для бетона характерно постепенное нарушение структуры по мере роста напряженного состояния. Акустический метод выявляет такие структурные нарушения в бетоне, что подтверждают лабораторные эксперименты. Заметное снижение звукопроводности (3-5% для обычных составов тяжелого бетона) устойчиво наблюдается в тот момент (рис. 1), когда действующие напряжения достигают 45-50% предельного значения.
Совместные акустические и механические испытания показали, что эффект снижения звукопроводности бетона и результате воздействия напряжений ниже предельного значения носит необратимый характер. Следовательно, речь может иди не о какой-то зависимости звукопроводности от напряженного состояния материала, а о структурных нарушениях в его толще, которые являются отражателями для проходящих звуковых колебаний.
Нарушение структуры бетона под воздействием атмосферных и агрессивных факторов также регистрируются по снижению звукопроводности материала.
Авторами опробовано измерение звукопроводности в целях дефектоскопии и получен положительный результат.
Таким образом установлена возможность использовать акустические методы испытаний бетона в системах долговременного контроля в качестве средства‚сигнализирующего о снижении текущего запаса прочности конструкции до двукратного. Такой контроль является крайне важным, так как позволяет предупредить возможность наступления аварийной ситуации.
Изменение скорости звука в бетоне по мере роста напряжений достаточно отчетливо регистрируется только в тот момент, когда происходит слияние нарушений структуры в трещины, т. е. на окончательной стадии напряженного состояния при разрушении бетона.
Такие данные позволили сделать вывод о том, что следует проводить измерение двух акустических характеристик бетона звукопроводности скорости звука. Первая дает сведения о снижении текущих запасов прочности, вторая о начавшемся разрушении бетона.
Специфика долговременных наблюдений потребовала разработки новой методики измерения, специальной аппаратуры и закладных устройств.
Была разработана технология нанесения на бетон смоляных полированных пленок так называемых акустических марок. Ими закрепляются на конструкции точки, между которыми периодически испытывается бетон. Щупы через контактную смазку прижимаются при испытаниях к шлифованной наружной поверхности акустических марок. Условия испытаний повторяются, результаты испытаний становятся достоверными и с необходимой степенью точности сопоставляются. Свойства контактной смазки подобраны из условий минимальных и постоянных .потерь сигнала в переходном слое.
Наиболее сложными оказались акустические испытания глубинных участков многослойных конструкций. Большинство конструктивных элементов сооружений многослойные: силовая толща бетона закрыта слоями металла, различных изоляционных материалов. Нередко к бетону конструкций закрывает доступ смонтированное оборудование. Разработанные авторами акустические волноводы (авторское свидетельство 250525) являются закладными устройствами, позволяющими ввести в испытываемую зону многослойной конструкции и принять акустический сигнал после прохода его по материалу.
Акустические волноводы применяют попарно. Сигнал поступает на торец первого стержня, проходя по изолированной части, достигает рабочего конца, имеющего акустический контакт с бетоном в глубинной зоне, и излучается в материал.
Рабочий конец первого приемного волновода отбирает акустический сигнал из материала, по стержню принятый сигнал достигает наружного конца, где воспринимается звукоприемником. Получен высокий коэффициент передачи сигнала с излучающего на приемный волновод за счет встречнопараллельного расположения их рабочих концов.
Методика акустических испытаний при долговременном контроле оказалась несложной. При сдаче сооружения в эксплуатацию измеряется звукопроводность и время прохождения сигнала между парами фиксированных точек. В процессе эксплуатации сооружения эти значения периодически измеряются. Если в течение срока эксплуатации материал тот или иной несущей конструкции испытывает существенные напряжения, его запас прочности становится менее двукратного отсчитанное значение звукопроводности снизится.
При наступлении местных разрушений материала в конструкции регистрируется увеличение времени прохождения сигнала по базе измерений.
Структурные нарушения бетона могут возникать не только в результате воздействия больших механических напряжений. Поэтому акустические испытания на звукопроводность позволяют своевременно обнаружить коррозию силовой толщи бетонной конструкции или снижение её механических характеристик под воздействием атмосферных, тепловых или других неблагоприятных факторов.
Описанные методы реализованы в системах долговременного контроля на нескольких объектах, введенных в эксплуатацию.