CC BY
29УДК 624.156.31
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-3-7
А.И. САГАЙДАК, канд. техн. наук (sagaidak-niizhb@mail.ru)
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева (НИИЖБ), АО «НИЦ «Строительство» (109428, г. Москва, ул. 2-я Институтская, 6)
Перспективные направления применения метода акустической эмиссии в строительстве
Объектом исследования являются железобетонные балки, изготовленные из обычных и высокопрочных бетонов и фибробетона с процентом армирования 1,9-2,3%. Испытания проводились путем статического и циклического приложения нагрузки. Балки испытывались на изгиб. В процессе испытаний регистрировались параметры сигналов акустической эмиссии. Целью выполнения исследований является получение экспериментальных данных, достаточных для разработки методики контроля состояния и диагностирования конструкций из бетона и железобетона с помощью акустической эмиссии. В практике строительства метод акустической эмиссии используется редко, отсутствуют апробированные методики и нормативные документы. Предлагаемые методики позволят использовать метод акустической эмиссии для оценки состояния конструкции в целом и оценивать влияние дефектов и повреждений на несущую способность конструкции. Применение метода акустической эмиссии позволит получить значительный экономический эффект, так как существенно снизятся трудозатраты при проведении обследований строительных конструкций, применение разработанных методик значительно повысит надежность и безопасность сооружений. Предлагается методика классификации трещин в изгибаемых элементах методом акустической эмиссии. Классификацию производят по двум параметрам - Rд и FA. Применяя эти параметры, проводят классификацию трещин на трещины отрыва и смешанные типы трещин, включая трещины сдвига. В результате проведенных исследований уточнены границы проявления эффекта Кайзера для железобетонных балок, изготовленных из различных видов бетона.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, параметры сигналов акустической эмиссии, железобетонные конструкции, дефекты, эффект Кайзера.
Для цитирования: Сагайдак А.И. Перспективные направления применения метода акустической эмиссии в строительстве // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 3-7. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-3-7
A.I. SAGAIDAK, Candidate of Sciences (Engineering)
Research Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev (NIIZHB), JSC Research Center of Construction (6, 2nd Institutskaya Street, Moscow, 109428, Russian Federation)
Promising Directions of Application of Acoustic Emission Method in Construction
The object of the study is reinforced concrete beams made of conventional and high-strength concretes and fiber concrete with a reinforcement percentage of 1.9-2.3 %. The test was carried out by static and cyclic application of the load. The beams were tested for bending. During the tests, the parameters of acoustic emission signals were recorded. The aim of the research is to obtain experimental data sufficient for the development of methods for condition control and diagnosis of structures made of concrete and reinforced concrete by the acoustic emission method. In construction practice, the method of acoustic emission is rarely used, there are no approved methods and regulations. The developed methods will make it possible to use the method of acoustic emission to assess the state of the structure as a whole and to assess the impact of defects and damages on the bearing capacity of the structure. Application of the acoustic emission method will make it possible to obtain a significant economic effect, as significantly reduced labor costs during the surveys of building structures; the application of the developed techniques will significantly increase the reliability and safety of structures. The procedure of classification of cracks in flexible elements by the acoustic emission method is proposed. Classification is made by two parameters RA and FA. Using these parameters, the classification of cracks as separation cracks and mixed types of cracks, including shear cracks, is made. As a result of the research conducted, the boundaries of the Kaiser effect for reinforced concrete beams made of various types of concrete have been clarified.
Keywords: acoustic emission, parameters of acoustic emission signals, reinforced concrete structures, defects, Kaiser effect.
For citation: Sagaidak A.I. Promising directions of application of acoustic emission method in construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 11, pp. 3-7. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-3-7. (In Russian).
Метод акустической эмиссии (АЭ) является эффективным методом неразрушающего контроля, который широко используется в машиностроении, атомной энергетике, нефтяной и газовой отрасли для контроля целостности трубопроводов; в химической промышленности применяется для контроля сосудов давления.
В строительстве метод акустической эмиссии находит все более широкое использование, как в неразруша-ющем контроле, так и в оценке состояния строительных конструкций [1—7].
Характерными особенностями метода АЭ-контроля, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:
— метод АЭ-контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности;
— метод АЭ-контроля обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам и позволяет выявить в рабочих условиях развитие трещины;
— свойство интегральности обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ-контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта;
— метод АЭ позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов;
— положение и ориентация объекта не влияют на локацию дефектов;
— метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов.
В НИИЖБ им. А.А. Гвоздева в рамках работ по НИОКР ФАУ ФЦС совместно с «Интерюнис ИТ» (Москва) были проведены экспериментальные исследования. Целью исследований является получение
ы ®
ноябрь 2018
3
Рис. 1. Испытание балки. На рисунке показано нагружающее устройство (1), железобетонная балка (2), акустико-эмиссионная система A-Line 32D (3)
экспериментальных данных, достаточных для разработки методик контроля состояния и диагностирования конструкций из бетона и железобетона методом АЭ. В рамках НИОКР были поставлены следующие задачи: определение характеристик акустико-эмисси-онного оборудования, методик поверки оборудования и выбор частотных диапазонов датчиков АЭ, способов крепления датчиков на бетон [8—11]. Кроме того, уточнялась методика испытания методом АЭ для классификации активных трещин в бетоне, методика классификации повреждений в железобетонных балках, оценка состояния строительных конструкций. В ходе эксперимента были выполнены испытания шести образцов железобетонных балок прямоугольного поперечного сечения размером 200x150 мм, длиной 1,5 м. Каркасы для армирования балок изготавли-
400 350 300 250 200 150 100 50 0
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
1000 2000 3000 4000 Время нарастания / амплитуда, мс/В
500 1500 2500 3500 4500 Время нарастания / амплитуда, мс/В
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
400 350 300 250 200 150 100 50 0
Рис. 2. Зависимость средней частоты образования трещин от времени (амплитуды) приложения нагрузки для балки с третьим типом каркаса и бетоном В90 при нагрузке: а - 30 кН; б - 45 кН; в - 75 кН; г - 85 кН
ваются трех типов. Тип первый каркаса: нижняя арматура рабочая — 3012 А500С, верхняя арматура 2010 А500С. Второй тип каркаса: нижняя арматура 2018 А500С, верхняя арматура 2016 А500С. Третий тип каркаса: нижняя арматура 2014 А500С, верхняя арматура — 2010 А500С, средний ряд арматуры — 2010 А500С. Для изготовления бетона балок применялся бетон трех классов по прочности на сжатие: В30, В60, В90. В ряде балок (второй и третий типы каркаса) при бетонировании использовалась металлическая фибра (Recommendation of RILEM TC 212-ACD: Acoustic emission and related NDE techniques for crack detection and damage evaluation in concrete*. Test method for classification of active cracks in concrete structures by acoustic emission).
Балки испытывались на изгиб. Нагрузку к балкам прикладывают при помощи испытательной машина фирмы «Instron», модель 5988. Режим приложения нагрузки — малоцикловое повторное загружение. Величина ступени нагружения — 10% от разрушающей нагрузки. На каждой ступени нагружения и разгрузки осуществляется выдержка в течение 10 мин. На этапах нагружения и разгрузки осуществляется регистрация параметров сигналов АЭ, измерение прогиба образца, фиксация длины и ширины раскрытия трещин. При достижении расчетной (контрольной нагрузки) выдержка на этапе нагружения была в течение 30 мин. В процессе эксперимента образцы испытываются до разрушения.
Акустический контакт между датчиком АЭ и бетоном балки производится при помощи контактной смазки. Принятая схема размещения датчиков АЭ позволяла вычислять координаты объемных (планарных, линейных) источников АЭ. В качестве преобразователей АЭ использовались резонансный датчик Д30-300 производства «Донские акустические системы» с рабочей частотой 30—300 кГц. Акустико-эмиссионные измерения выполнялись с использованием 12-канальной цифровой акустико-эмиссионной системы A-Line 32D (ISA). Перед проведением измерений проводились стандартные процедуры подготовки прибора к работе.
Результаты эксперимента
На основании зависимостей средняя частота (время нарастания / амплитуда) можно проводить разделение типов трещин на трещины растяжения и другие типы (в том числе трещины сдвига), что достигается благодаря чувствительности формы волны сигнала АЭ к различным типам разрушения, в том числе и различным типам процесса трещи-нообразования.
При испытаниях на изгиб балок первоначально образуются трещины растяжения, которые располагаются перпендикулярно продольной оси арматуры. При дальнейшем на-гружении в балках образуются трещины сдвига. Образование данных трещин происходит в зоне поперечных усилий, а располагаются они по диагонали к осям арматурных стержней.
На рис. 2 представленны результаты классификации трещин на основании вышерассмотренных пара-
1000 2000 3000 4000 5000 Время нарастания / амплитуда, мс/В
1000 2000 3000 4000 Время нарастания / амплитуда, мс/В
ноябрь 2018
J ®
4
Рис. 3. Наличие видимой трещины сдвига на балке
1,2
и 1,15
и
CD О к 1,1
а е 1,05
р
ен и 1
S 0,95
о 0,9
0,85
20 40 60 80 % от разрушающей нагрузки
100
1,2
1,15
ии ^ 1,1
о к а 1,05
ре 1
нт е 0,95
и и 0,9
со 0,85
0,8
0,75
о Í
20 40 60 80 % от разрушающей нагрузки
Тип АЭ датчика Трещина Трещина
15 кГц резонанс рас™я сд=ига
60 кГц резонанс г: а
150 кГц резонанс ^ I
Значение Fд (кГц)
Трещина растяжения
Другой тип трещины
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Значение Rд (мс/В)
Рис. 4. Классификация трещин методом АЭ. Обобщенные данные
г
¡ * г 1
\ / \
250 500 750 1000 1250 Время, с
2000 1600 1200 800 j 400 0
Рис. 5. Зависимость средняя амплитуда -нагрузка для самого активного канала балки с третьим типом каркаса и бетоном В90
100
1,05 1
0,95 0,9 0,85 0,8
20 40 60 80 % от разрушающей нагрузки
100
20 40 60 80 % от разрушающей нагрузки
100
Рис. 7. Зависимость коэффициента релаксации от процентной величины разрушающей нагрузки для балок: а - балка № 1; б - балка № 2; в - балка № 3; г - балка № 4
20 40 60 80
% от разрушающей нагрузки
Рис. 6. Зависимость коэффициента Фелисити от разрушающей нагрузки для балки с третьим типом каркаса и бетоном В90
80
0
0
0
метров. Данные зависимости представлены для балки с третьим типом каркаса и бетоном В90.
На начальных этапах нагружения (рис. 2, а) наблюдается процесс образования трещин растяжения. На более поздних этапах (рис. 2, б—г) из трещин растяжения образуются трещины сдвига.
Применяя эти параметры, проводят классификацию трещин на трещины отрыва и смешанные типы трещин, включая трещины сдвига, причем значения RA и средних частот FА должны рассчитываться по среднему значению по результатам 50 и более значений сигналов АЭ. Значения RA могут изменяться в зависимости от порогового уровня.
В то же время выбор преобразователей АЭ не оказывает значительного влияния на результаты классификации, как это показано на рис. 4. Эффект Кайзера и эффект Фелисити очень наглядно можно рассмотреть на начальных этапах нагружения образца (рис. 5).
При самом первом нагружении до 5 кН происходит резкое увеличение сигналов акустической эмиссии
(рис. 5), генерация которых вызвана перестройкой внутренней структуры испытуемого материала, который ранее не подвергался внешним нагрузкам. Средняя амплитуда сигналов лежит в диапазоне от 40 до 58 дБ.
При повторном нагружении до 5 кН генерации сигналов АЭ практически не происходит. Первые сигналы появляются при достижении нагрузкой величины 2,8 кН. Амплитуда сигналов незначительно превышает пороговые значения. Однако при последующем нагру-жении до 15 кН наблюдается резкое увеличение активности АЭ, а также увеличение средней амплитуды регистрируемых сигналов, вплоть до 65 дБ. При этом первые импульсы АЭ начинают регистрироваться при нагрузке, превышающей предыдущий уровень нагру-жения, а именно 5,25 кН. Описанные выше наблюдения объясняются эффектом Кайзера и могут быть количественно описаны при помощи коэффициента Фелисити (рис. 6).
Из рис. 6 видно, что на начальных циклах нагружения значение коэффициента Фелисити имеют величи-
¡Tf-^JVITE/lbrl-jJ- научно-технический и производственный журнал J ® ноябрь 2018
ну, близкую к единице, что соответствует стабильной структуре материала. С последующим увеличением нагрузки значение данного коэффициента начинает уменьшаться, а при нагрузке более 40% от разрушающей имеет очень низкие значения, что свидетельствует о большом количестве накопленных повреждений. При нагрузке, равной разрушающей, оно и вовсе стремится к нулю.
Одним из параметров, основанным на эффекте Кайзера и позволяющим оценивать степень поврежден-ности бетонных конструкций, является коэффициент релаксации. Коэффициент релаксации рассчитывается на основании АЭ данных, полученных циклическим приложением нагрузки:
Средняя энергия Коэффициенту в течение фазы разгрузки релаксации ~ Средняя энергия ' в течение фазы нагрузки
Средняя энергия определяется как суммарная энергия, зарегистрированная всеми датчиками и деленная на общее количество импульсов АЭ для каждой фазы. Значение данного параметра коррелировано со степенью поврежденности бетонных конструкций и имеет три характерных значения, на основании которых можно судить о ее состоянии:
— значение коэффициента релаксации меньше единицы. Доминирует АЭ активность при нагружении. Данный факт свидетельствует о том, что энергия упругих волн, генерируемая в процессе испытаний на фазе нагрузки, превышает данную величину, зарегистрированную на фазе разгрузки. Это стандартный режим работы образца;
— значение коэффициента релаксации равно единице. При этом энергия АЭ, генерируемая при нагружении, равна энергии АЭ, генерируемой при разгрузке;
— значение коэффициента релаксации больше единицы. При этом энергия АЭ при разгрузке доминирует над энергией АЭ при нагрузке. Это означает, что в объекте имеются необратимые повреждения, которые проявляются даже при разгрузке образца (А.И. Сагайдак. Патент на изобретение № 2417369 «Способ определения предельного состояния строительных конструкций»; А.И. Сагайдак, С.Б. Крылов. А.С. № 2147736 «Способ контроля несущей способности закладных деталей»).
Расчет данного параметра осуществляется для каждого цикла «нагрузка-разгрузка». Ключевым моментом является переход коэффициента релаксации через значение единицы. Данный момент соответствует переходу конструкции из работоспособного состояния
Список литературы
1. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.
2. Иванов В.И., Власов И.Э. Метод акустической эмиссии. Неразрушающий контроль. М.: Машиностроение. 2005. 340 с.
3. NDIS 2421. Recommended Practice for In-Situ Monitoring of Concrete Structures by Acoustic Emission, Japanese Society for Non-Destructive Inspection, 2000.
4. Сагайдак А.И. Исследование эффекта Кайзера в сжатых железобетонных элементах. Экспериментальные и теоретические исследования строительных конструкций. Сб. научн. тр. ЦНИИСК им. Кучеренко. М., 1990. С. 127-129.
5. JCMS-III B5706, Monitoring method for active cracks in concrete by acoustic emission, Federation of Construction Materials Industries, Japan, 2003.
в состояние, когда конструкция имеет серьезные повреждения.
В проводимых экспериментах расчет коэффициента релаксации проводился для каждого цикла нагруже-ния (как для первого максимального цикла, так и для повторных циклов с той же величиной нагрузки). Полученные результаты представлены на рис. 7, где синим цветом обозначены значения коэффициента релаксации, рассчитанные при первом нагружении, а зеленым цветом — полученные при вторичном нагру-жении до той же величины.
Как можно заметить из рис. 7, для каждой балки имеется свое значение процентного значения нагрузки от разрушающей, при котором происходит переход значения коэффициента релаксации через единицу.
Анализ результатов эксперимента показал, что проявление эффекта Кайзера зависит от прочности бетона балок, наличия фибры в бетоне конструкции. Увеличение прочностных характеристик бетона повышает уровень нагрузки, при которой эффект Кайзера начинает не соблюдаться. Наличие фибры приводит к снижению уровня нагрузки, при которой начинает проявляться эффект Фелисити.
Заключение
Исследования, проведенные зарубежными коллегами и исследования, проведенные в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, показывают перспективность применения метода для контроля качества бетона, контроля состояния конструкций, мониторинга сооружений.
Классификации трещин в бетоне проводятся на основании измерения АЭ параметров. Классификацию трещин производят по двум параметрам RA и FA. Применяя эти параметры, проводят классификацию трещин на трещины отрыва и смешанные типы трещин, включая трещины сдвига.
Для изгибаемых элементов проявление эффекта Кайзера зависит от прочности бетона балок, наличия фибры в бетоне конструкции. Увеличение прочностных характеристик бетона повышает уровень нагрузки, при которой эффект Кайзера начинает не соблюдаться. Наличие фибры приводит к снижению уровня нагрузки, при которой начинает проявляться эффект Фелисити.
Применение метода акустической эмиссии позволит получить значительный экономический эффект, так как существенно снизятся трудозатраты при проведении обследований строительных конструкций; применение разработанных методик значительно повысит надежность и безопасность сооружений.
References
1. Greshnikov V. A., Drobot YU. B. Akusticheskaya emis-siya [Acoustic issue]. M.: Izdatelstvo standartov, 1976. 272 p.
2. Ivanov V. I., Vlasov I. EH. Metod akusticheskoj emissii. Nerazrushayushchij kontrol' [Metod of acoustic issue. Nondestructive control]. Moscow: Mashinostroenie. 2005. 340 p.
3. NDIS 2421. Recommended Practice for In-Situ Monitoring of Concrete Structures by Acoustic Emission, Japanese Society for Non-Destructive Inspection, 2000.
4. Sagajdak A.I. A research of effect of Kayser in the compressed reinforced concrete elements. Pilot and theoretical studies of building constructions. Papers of scientific conference CNIISK of Kucherenko. Moscow. 1990, pp. 127-129. (In Russian).
6
ноябрь 2018
ы ®
6. Sagaidak A., Elizarav S., Reshetilova N. Experience in application of acoustic emission method for estimation of building construction condition. 30th European Conference on Acoustic Emission Testing & 7th International Conference on Acoustic Emission. University of Granada, 12-15 September 2012.
7. Перфилов В.А. Контроль деформации и разрушения бетонов методами механики разрушения и акустической эмиссии // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 38 (57). С. 75-84.
8. Сагайдак А.И. Современное состояние стандартов по акустической эмиссии // Бетон и железобетон. 2013. № 3. С. 16-20.
9. Сагайдак А.И. Применение метода акустической эмиссии для оценки качества заделки закладных деталей // Бетон и железобетон. 1998. № 5. С. 15-16.
10. Сагайдак А.И., Елизаров С.В. Связь сигналов акустической эмиссии с процессами деформирования и разрушения строительных конструкций // Дефектоскопия. 2004. № 11. С. 32-39.
11. Сагайдак А.И. Применение акустико-эмиссионных критериев для анализа процессов деформирования и разрушения бетона. Международная конференция: «Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве». 10-12 октября 2007 г., Санкт-Петербург. С. 55-61.
5. JCMS-III B5706. Monitoring method for active cracks in concrete by acoustic emission. Federation of Construction Materials Industries. Japan, 2003.
6. Sagaidak A., Elizarov S., Reshetilova N. Experience in application of acoustic emission method for estimation of building construction condition. 30-th European Conference on Acoustic Emission Testing & 7th International Conference on Acoustic Emission. University of Granada, 12-15 September 2012.
7. Perfilov V. A. Control of deformation and destruction of concrete by methods of mechanics of destruction and acoustic issue. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhi-tekturnostroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura. 2014. No. 38 (57), pp. 75-84. (In Russian).
8. Sagaydak A.I. The current state of standards on acoustic issue. Beton i zhelezobeton. 2013. No. 3, pp. 16-20. (In Russian).
9. Sagajdak A.I. Application of a method of acoustic issue for assessment of quality of seal of embedded parts. Beton i zhelezobeton. 1998. No. 5, pp. 15-16. (In Russian).
10. Sagajdak A.I., Elizarov S.V. Connection of signals of acoustic issue with processes of deformation and destruction of building constructions. Defektoskopiya. 2004. No. 11, pp. 32-39. (In Russian).
11. Sagajdak A.I. Use of akustiko-issue criteria for the analysis of processes of deformation and destruction of concrete. International conference: "Problems of durability of buildings and constructions in modern construction". Sain Peterburg. October, 10-12 2007, pp. 55-61. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ
На строительных площадках Москвы проверили качество применяемых материалов
С начала 2018 г. Мосгосстройнадзор совместно со специалистами Центра экспертиз (ГБУ «ЦЭИИС») провел целевые проверки строящихся объектов на предмет соответствия применяемых стройматериалов требованиям проекта и документам о качестве.
Среди проверяемых материалов: бетон и мелкоштучные бетонные изделия (стеновые блоки), кирпич, металлоизделия, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы, отделочные материалы, сухие смеси и др.
Специалисты ГБУ «ЦЭИИС» провели 1328 испытаний материалов и изделий с 969 объектов, на которых производился отбор строительных материалов разных производителей с целью определения их соответствия требованиям проекта и сопроводительным документам (паспорту).
По результатам испытаний 1152 образца соответствуют требованиям ГОСТ и заявленным в паспорте характеристикам, а в 176 случаях выявлены отклонения от нормативно-технической документации. Большой процент несоответствий выявлен при испытаниях минераловатного утеплителя и кирпича вследствие недолжного входного контроля на объектах строительства, а также неправильного хранения и складирования материалов и изделий.
По всем фактам нарушений Мосгосстройнадзором к заказчикам и подрядчикам приняты меры административного воздействия. На предприятия стройиндустрии направлены письма по фактам несоответствий, с представителями строительных организаций проведены совещания по качеству.
Комитет государственного строительного надзора Москвы
ÍTf-^JVITE/lbrl-jJ- научно-технический и производственный журнал J ® ноябрь 2018
