CC BY
52
© В.Ф. Гордеев, Ю.П. Малышков, С.Ю. Малышков, В.И. Поливач, С.Г. Шталин, 2009
УДК 539.4:537.5
В. Ф. Гордеев, Ю.П. Малышков, С.Ю. Малышков,
В.И. Поливач, С.Г. Шталин
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ И ДРУГИХ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Предлагается использовать метод регистрации электромагнитной эмиссии для мониторинга технического состояния сложных искусственных сооружений без специального воздействия на объект. Сигнал должен появляться за счет эксплуатационных механических нагрузок и именно в тех местах, где возникают условия для зарождения трещин разрушения.
Ключевые слова: электромагнитная эмиссия, диагностика, мониторинг, прочность.
~П конце XX столетия широкое использование в народном
М.М хозяйстве получили композиционные материалы с их уникальными механическими свойствами. В частности, бетон используется при строительстве плотин, высотных зданий, автомобильных дорог, мостов, путепроводов, транспортных развязок, тоннелей и других искусственных сооружений. Эксплуатационные нагрузки, выше перечисленных сооружений, часто достигают критических величин и поэтому становится актуальным вопрос создания новых более точных и надежных методов диагностики технического состояния, основанных на новых принципах и физических явлениях ранее не применявшихся.
В работе представлен метод неразрушающего контроля прочностных свойств и дефектоскопии строительных материалов основанный на явлении электромагнитной эмиссии, а так же конкретный прибор, позволяющий по параметрам электромагнитного отклика на механический удар оценить прочность бетона. Электромагнитная эмиссия - явление, заключающееся в генерации электромагнитных полей неметаллическими материалами при механическом воздействии. Эмиссия возникает при действии статических, квазистатических и динамических нагру-
зок за счет возникновения или колебательного движения уже имеющихся на дефектах структуры электрических зарядов. Амплитудно-частотные характеристики возникающих при воздействии сигналов зависят от размеров, числа и степени опасности дефектов и сопровождает такие процессы как зарождение и развитие трещин, разрыв волокон, расслоение материала и т.п. [12]. Эти особенности эмиссии используются для контроля за процессами зарождения и развития разрушения, диагностики пред-разрушающего состояния и прочности неметаллических материалов и их дефектоскопии.
Использование электромагнитной эмиссии предпочтительно при решении многих практических задач неразрушающего контроля по сравнению с другими известными методами.
В частности, для контроля прочности бетонов в России и за рубежом обычно используются либо склерометры, либо акустические методы.
Склерометры измеряют прочность по диаметру отпечатка в бетоне при ударе шариком, пирамидкой и тому подобное. Измеряется прочность только в некоторой небольшой точке поверхности. Внутри бетона и в соседних точках поверхности прочности могут существенно различаться. Поэтому такие методы неточны, для достоверной оценки прочности нужны многократные замеры с последующей статистической обработкой результатов измерений.
Акустические методы реагируют не столько на прочность, сколько на плотность бетона, пористость, влажность, состав и др. [3]. В результате контроля необходимо вводить массу поправок на состав, влагонасыщенность и другие факторы, которые не всегда известны.
В отличие от вышеназванных методов источниками электромагнитной эмиссии в бетонах являются непосредственно сами дефекты структуры: микро- и макротрещины, границы раздела между цементным камнем (связующим) и заполнителем, адгезия между органическим вяжущим и каменным материалом. Именно эти нарушения структуры материала определяют механические свойства бетонов, их прочность. Поэтому методы, основанные на явлении электромагнитной эмиссии, оказываются гораздо чувствительней к качеству строительных материалов,
значительно более информативными при дефектоскопии материалов и оценке их физико-механических свойств по сравнению с другими известными методами. На результаты контроля предложенным способом в значительно меньшей степени влияют вышеперечисленные побочные факторы. Приемники электромагнитной эмиссии воспринимают сигнал от источников поля без непосредственного контакта с материалом. Поэтому разработанная аппаратура, в отличие от склерометров, измеряет прочность не в некоторой небольшой точке поверхности, а интегральную прочность, включающую и внутренние слои бетона. Контроль прочности разработанными приборами возможен при одностороннем доступе к объекту, бесконтактным способом, не требует специальной подготовки поверхности и отбора образцов. Обработка информации, определение величины прочности, наличие трещин и другие характеристики материала осуществляются микропроцессорной техникой в реальном масштабе времени по специально разработанным программам. Разработанные методы по точности значительно превосходят традиционные методы неразрушающего контроля, не имеют отечественных и зарубежных аналогов.
Технической реализацией метода явилось разработка регистратора формы импульсов электромагнитной эмиссии и получила название «Прочность-1».
Сравнительный анализ результатов измерения показал, что точность определения прочности бетонов прибором «Прочность-1» не менее чем в два разы выше по сравнению со склерометрами типа ИПС-МГ4, С18Ш и на 30% выше ультразвуковых дефектоскопов серии УК-14П.
Для измерения прогибов и колебаний пролетных строений мостов и путепроводов разработана методика измерения вертикальных перемещений методом акустической эхолокации.
Аппаратура позволяет одновременно измерять как статические прогибы, так и колебание конструкции. Применение программируемых контроллеров и не стандартных методов обработки сигналов, в многоканальной системе измерения вертикальных перемещений пролетных строений «Фаза-1», позволило исключить влияние внешних факторов на прохождение упругой
волны в окружающей среде. Основные технические характеристики устройства: количество измеряемых каналов - 10; порог чувствительности - 4 мкм; частотный диапазон измеряемых перемещений - (0 - 40) Гц.
Предлагается использовать метод регистрации электромагнитной эмиссии для мониторинга технического состояния сложных искусственных сооружений без специального воздействия на объект, сигнал должен появляться за счет эксплуатационных механических нагрузок и именно в тех местах, где возникают условия для зарождения трещин разрушения. Предлагается при строительстве объекта для целей мониторинга использовать закладку датчиков поля в местах с максимальными расчетными значениями напряжений. При необходимости, наблюдения можно проводить непрерывно в режиме реального времени, либо периодически подключаться к выходному порту микроконтроллера.
Использование явления электромагнитной эмиссии неметаллических материалов, усовершенствование методов акустической эхолокации, применение современных методов статистической обработки и анализа поступающей информации делают разработанные новые технологии диагностики технического состояния пролетных строений конкурентоспособными на мировом рынке.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Чахлов В. Л., Баумбах Х., Каппхан Г., Словик В. Биркхольц В. Электромагнитный эмиссионный контроль прочности бетонов. // Дефектоскопия 1992 №7, стр.76-80.
2. Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Фурса Т.В., Биллер В.К., Елисеев В.П. // Электромагнитная эмиссия диэлектрических материалов при статическом и динамическом нагружении. Журнал технической физики, т.64, вып. 4, 1994, стр. 57-67.
3. Ериолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. -М. Машиностроение, 1981 г., -239 с.
Gordeev V.F., Malyshkov Yr.P., MalyshkovS.Yr., Polivah V.I., Shtalin S.G.
ELECTROMAGNETIC MONITORING OF A TECHNICAL CONDITION OF CONCRETE FRAME, HIGHWAY STREAM CROSSING AND THE OTHER ARTIFICIAL CONSTRUCTIONS.
For monitoring of a technical condition of complex artificial constructions without special impact on object it is offered to use a method of electromagnetic emission recording. The signal should appear by the reason of operational mechanical loadings andjust in those points where conditions for origin of destruction cracks take place.
Key words: electromagnetic emission, diagnostics, monitoring, durability.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Гордеев Василий Федорович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (^ЮС СО РАН), г. Томск,
E-mail: [email protected]
Малышков Юрий Петрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ИMKЭС СО РАН, E-mail: [email protected] Малышков Сергей Юрьевич - научный сотрудник, ИMKЭС СО РАН, тел. (3822) 49-25-91
Поливач Виталий Игорьевич - младший научный сотрудник, ИMKЭС СО РАН, тел. (3822) 49-25-91
Шталин Сергей Георгиевич - ведущий электронщик, ИMKЭС СО РАН, тел. (3822) 49-25-91
