УДК.620.179.16

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРУТКОВ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

С УЧЕТОМ ПРОЦЕНТА АРМИРОВАНИЯ

¹ИжГТУ имени М.Т. Калашникова,

Россия 426069 Удмуртская Республика, Ижевск, ул. Студенческая, 7

E-mail: ^*str@istu.ru

Поступила в редакцию 26.08.2022; после доработки 06.09.2022

Принята к публикации 09.09.2022

Необходимость в эффективных и производительных технических средствах контроля композитных материалов,

выпускаемых в виде протяженных элементов (труба, пруток и т.д.), требует адаптации волноводной методики контроля

к особенностям композитных материалов. Волноводная методика позволяет производить оценку качества стержня без

сканирования и использует установку датчика на торец объекта контроля. Отстройка от влияния акустического контакта

на получаемый результат реализуется использованием параметра, определяемого как отношение эхосигнала от неодно-

родности к амплитуде сигнала, отраженного от противоположного торца. Существенное влияние на результаты оказы-

вает процент армирования композитного материала. Для композитной арматуры — это стекловолокно. Предложена

модель, учитывающая влияние процента армирования стержня на результаты контроля стержневыми волнами. На осно-

вании модели рассчитаны коэффициенты и номограммы, позволяющие учесть процент армирования стержня и длину

дефекта при принятии решения о его существенности. Представлен результат оценки значимости дефектов, выявленных

в 5 партиях прутков разных производителей. Показаны дефекты, являющиеся значительными и малозначительными для

свойств стержня композитной арматуры.

Ключевые слова: композитная арматура, акустический волноводный метод, искусственный отражатель.

DOI: 10.31857/S0130308222100049, EDN: BTDEBK

ВВЕДЕНИЕ

Одной из современных тенденций развития техники и технологии является замещение изделий

из металла композитными материалами на основе полимерной матрицы с армирующим волокном

[1—3]. Как правило, такие материалы легче, а иногда и прочнее металлических изделий. Данная

тенденция, прежде всего, коснулась авиационной техники и ракетостроения. Композитные мате-

риалы в строительстве представлены, в том числе, арматурой, изготовленной по ГОСТ 31938—

2012 (Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие техни-

ческие условия). Экономическая целесообразность применения композитной арматуры определя-

ется ее химической стойкостью, низкой теплопроводностью и существенно более низкой массой

по сравнению с металлической арматурой [4, 5]. Химическая стойкость и низкая теплопроводность

позволяет сокращать толщину защитной бетонной рубашки при проектировании зданий и соору-

жений, а низкая масса позволяет при выборе средства доставки существенно сократить транспорт-

ные расходы за счет перехода от ограничения по массе к ограничению по объему. Рекомендуемые

области эффективного использования композитной арматуры — элементы фундаментов и нулевых

этажей, не требующих высокой пожаростойкости. Особенно перспективным является применение

композитной арматуры при проектировании сооружений, непосредственно контактирующих с

водой, особенно при строительстве морских сооружений [6].

Внедрению композитных материалов в строительстве препятствует отсутствие квалифициро-

ванного, конкурентного рынка композитной арматуры, гарантирующего ее качество [7—9]. Выход

на рынок новых производителей композитной арматуры не требует существенных капиталовложе-

ний, и новое производство может быть открыто в любом подсобном помещении. Крупных заказ-

чиков отпугивает отсутствие на рынке высокопроизводительных и эффективных технических

средств контроля композитной арматуры, что создает условия для манипулирования качеством

продукции. Современный рынок композитной арматуры ориентирован, прежде всего, на частное

домостроение и не дает существенных преференций ответственным производителям.

Используемые методы контроля арматуры композитной полимерной (АКП), определяемые

ГОСТ 32482—2013, реализуются в виде лабораторных исследований выборочных образцов раз-

рушающими методами [10, 11]. Данный подход может позволить сертифицировать производство,

но не гарантирует отсутствие дефектов в готовых изделиях. В соответствии с ГОСТ Р 56787—2015

(Композиты полимерные. Неразрушающий контроль), методы контроля ориентированы на объек-

В.А. Стрижак

ты плоской или объемной формы с гладкой поверхностью. Неразрушающий контроль при поиске

дефектов в стержнях, особенно со сложной поверхностью (ребристость, навивка, песчаное покры-

тие и т.д.), не позволяет добиться высокой чувствительности, и, как правило, такие решения отли-

чаются низкой производительностью при высокой цене автоматических систем [12—21].

Композитную арматуру можно отнести к длинномерным объектам, у которых длина превы-

шает диаметр более чем в 100 раз. Для данного типа объектов хорошо зарекомендовал себя аку-

стический волноводный метод контроля, реализуемый через прозвучивание прутка низкочастот-

ными эхоимпульсами. Методика позволяет осуществить контроль, при котором акустический

пьезоэлектрический преобразователь, установленный на торец прутка, генерирует в теле компо-

зитной арматуры стержневую волну с последующей регистрацией эхо-импульса от противополож-

ного торца и эхосигналов от дефектов. При этом реализуется высокая контролепригодность иссле-

дуемого образца, где без использования сканирования обеспечивается одинаковая чувствитель-

ность к дефектам, расположенным на разной глубине от поверхности прутка. Для метода харак-

терно незначительное затухание акустических импульсов при низкой дисперсии скорости и

высокая чувствительность к величине изменения акустического импеданса: к отклонениям сече-

ния, нарушениям сплошности [23, 24].

Внедрение акустического волноводного метода для поиска дефектов в композитной арматуре

требует разработки набора аппаратных и методологических средств обеспечения измерений.

Существующие на рынке дефектоскопы (например, семейство АДНШ), использующие акустиче-

скую волноводную методику, ориентированы на контроль металлопроката. Дефектоскоп использу-

ет электромагнитный (ЭМА) излучатель и приемник на пьезоэлементе. Материал композитной

арматуры не позволяет использовать ЭМА-излучатель, но адаптация приемника для работы в

совмещенном режиме достаточно проста [25, 26].

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПОДХОДЫ

Для оценки работоспособности дефектоскопа и его настройки при контроле металлопроката

используется настроечный образец с дефектом в виде сегментного паза длиной 30 мм и глуби-

ной 0,4 мм [27, 28]. Это соответствует классическим методам создания искусственных отража-

телей для акустического контроля в виде полости, при этом, производится механическое удале-

ние части материала, что соответствует разнообразным дефектам (раковина, загрязнение, вклю-

чение, пористость и т.д.). Композитный материал в отличие от металлопродукции не является

гомогенным и существенно меняет свои свойства в зависимости от направления армирующих

волокон. Композитная арматура изготавливается в виде силового стержня, состоящего из арми-

рующих волокон, расположенных в нем соосно, что и приводит к существенной анизотропии

свойств. В качестве связующего материала между армирующими нитями используется наполни-

тель из синтетических смол (например, эпоксидная смола). При вырезании искусственного отра-

жателя в теле АПК механические свойства участка в зоне искусственного отражателя будут

существенно зависеть от количества разрушенных армирующих волокон, что требует высокой

повторяемости при нанесении искусственного отражателя. Другая особенность композитной

арматуры в том, что при ее изготовлении на силовой стержень равномерно по поверхности и под

углом к его продольной оси наносится навивка из нити армирующего волокна в виде двойной

нити или одиночной нити, что существенно усложняет форму поверхности и нанесение на нее

искусственного отражателя. Основной классификационной характеристикой композитной арма-

туры является номинальный диаметр d (диаметр равновеликого по объему гладкого, круглого

стержня).

Типичным производственным дефектом композитной арматуры является наплыв, возникаю-

щий на месте ремонта при обрыве нити армирующего волокна [29, 30]. В зоне дефекта наблюда-

ются значительные поры и нарушения сечения стержня. Таким образом, изготовление искусствен-

ного отражателя на композитной арматуре методом удаления части материала вызывает суще-

ственные затруднения, но существует возможность нанесения искусственного отражателя в виде

наплыва. При этом использование наполнителя из эпоксидной смолы гарантирует хорошую адге-

зию к материалу композитной арматуры, не нарушает внутренней структуры силового стержня и

в силу высокой пластичности заполняет все особенности внешней поверхности стержня.

Цель работы — на основании акустических свойств модели искусственного отражателя раз-

работать рекомендации по учету процента армирования стержня при контроле композитной арма-

туры волноводным методом, опробовать данный подход на образцах композитной арматуры с

разным процентом армирования.

Дефектоскопия

№ 10

2022

Акустический контроль прутков композитной арматуры с учетом процента армирования

МОДЕЛИРОВАНИЕ

В силу особенностей периодического (анкеровочного) профиля арматуры площадь сечения по

всей длине стержня можно принять как постоянную величину и при моделировании пруток пред-

ставить в виде круглого гладкого стержня с номинальным диаметром d. В качестве искусственно-

го отражателя рассматривается прямоугольный наплыв высотой h и длиной L (рис. 1а). Искус-

ственный отражатель дополняет круглый профиль стержня до прямоугольного и при высоте

h = 0 мм демонстрирует наличие незначительного избыточного сечения.

S_p, C_p, ρ_p

S_d, C_d, ρ_d

S_p, C_p, ρ

Рис. 1. Геометрическая модель искусственного отражателя (а) и его акустическая модель (б): d — номинальный диаметр;

h — высота отражателя; L — длина отражателя.

Акустический импеданс участка в зоне с искусственным отражателем отличается от акустиче-

ского импеданса стержня, что приводит к возникновению отражения акустических импульсов.

Акустический импеданс определяется площадью сечения S, плотностью ρ и скоростью акустиче-

ской волны C_s. Искусственный отражатель, изготовленный из эпоксидной смолы, имеет свойства,

существенно отличающиеся от свойств армированного материала АКП, что существенно сказыва-

ется на коэффициенте прозрачности R и коэффициенте отражения D. Свойства основных компо-

нентов, входящих в композицию материала стержня и искусственного отражателя, приведены в

табл. 1. Характеристики материала стержня определяются степенью его армирования A_p, который,

в свою очередь, задается массовой долей стекла в стержне, выраженной в процентах [31—33].

Таблица

Свойства основных компонентов, входящих в композицию материала стержня и искусственного отражателя

Модуль упругости

Скорость стержневой волны

Тип материала

Армирование A_p, %

Плотность ρ, 10³ кг/м³

E, ГПа

C_s, м/с

Стекло

100

2,5

5657

Эпоксидная смола в

1,2

2041

отверженном состоянии

АКП стеклокомпозит

2,18

5059

АКП стеклокомпозит

1,98

4820

Модель участка с искусственным отражателем (см. рис. 1б) является коаксиальной и не учиты-

вает особенность искусственного отражателя, реализованного в виде наплыва только с одной сто-

Дефектоскопия

№ 10

2022

В.А. Стрижак

роны стержня. Модель содержит зоны 1 и 2 с одинаковыми свойствами материала прутка (площадь

сечения S_p, скорость стержневой волны C_p, плотность ρ_p). Участок 3 (искусственный отражатель)

длиной L имеет свойства, отличные от свойств исходного материала стержня (площадь сечения S_d,

скорость стержневой волны C_d, плотность ρ_d).

В зоне 1 и 2 плотность ρ_p можно оценить через процент армирования и плотности входящих

компонентов: плотности стекла ρ_s и эпоксидной смолы в отверженном состоянии ρ_n. Степень

отверждения при этом не учитывается:

⋅ρ

(1)

(

−ρ

)

+ρ

Для оценки скорости стержневой волны C_p в зависимости от процента армирования можно

принять, что

где E_p — модуль упругости прутка; ρ_p — плотность прутка. Учитывая, что

при одинаковом относительном удлинении происходит перераспределение усилия между элемен-

тами армирования и наполнителем в соответствии с процентом армирования A_p, модуль упругости

прутка E_p выражается через модули упругости стекла E_s и наполнителя E_n:

⋅ S

⋅

(

−

)

(2)

Таким образом, скорость стержневой волны в прутке C_p определяется процентом армирования

A_p, модулями упругости стекла E_s, наполнителя E_n и площадью сечения прутка:

⋅ S

⋅

(

−

)

−ρ

+ρ

(

)

⋅

(3)

⋅ρ

где S_s — площадь в сечении прутка, занятая стеклом:



⋅ρ





−ρ



(4)





−ρ

(

−ρ

)

+ρ





Интегральные характеристики материала в зоне искусственного отражателя рассчитывается

аналогично, но массовая доля стекловолокна будет уменьшаться с увеличением высоты искус-

ственного отражателя, так как он состоит только из материала наполнителя:



⋅ρ



⋅

−ρ



⋅ρ





(

−ρ

)

+ρ

(5)





;

S_d

⋅

(6)

где ρ_d — плотность участка; S_d — площадь сечения; C_d — скорость стержневой волны в зоне искус-

ственного отражателя.

Рис. 2 демонстрирует линейную зависимость скорости стержневой волны от процента армиро-

вания как для прутка без искусственного отражателя C_p,так и в зоне с искусственным отражателем

C_d. При этом увеличение высоты искусственного отражателя приводит к незначительному умень-

шению наклона зависимости C_p(А).

Дефектоскопия

№ 10

2022

Акустический контроль прутков композитной арматуры с учетом процента армирования

Скорость C_d на участке с искусственным

отражателем высотой h

5500

h = 1

h = 2

h = 3

h = 4

5200

4900

4600

Скорость C_pна участке без отражателя

C_p

4300

Процент армирования A, %

4000

Рис. 2. Скорость стержневой волны в прутке без искусственного отражателя C_p и в зоне с искусственным отражателем

C_d при разных высотах дефекта h.

Используемый подход не рассматривает вопросы, связанные с акустическими особенностями

волновода, в том числе с дисперсией скорости, не учитывает влияние диаметра прутка на скорость

стержневой волны, наличие пор, частичное отвердевание наполнителя, не рассматривает другие

особенности, возникающие в сложных композитных системах.

В качестве результирующего параметра Kd (далее «параметр Kd») выступает отношение

амплитуды эхосигнала от искусственного отражателя Ud(f) к амплитуде сигнала, отраженного от

торца Ut(f), выраженное в процентах:

max

(

Ud t)

)

Kd =

⋅100 %.

(7)

max

(

Ut t)

)

Сигнал, отраженный от торца Ut(f), определяется коэффициентом прозрачности D(f), причем

сигнал дважды проходит через зону с искусственным отражателем. Сигнал, отраженный от искус-

ственного отражателя Ud(f), определяется коэффициентом отражения R(f).

Расчет основывается на свойствах коэффициента отражения и коэффициента прозрачности,

полученных из общего решения по известной методике [34], построенной на учете явлений про-

хождения акустического импульса через участок с тонкой пленкой. Выражения для коэффициен-

тов отражения R(f) и прозрачности D(f) учитывают отличие свойств стержня от участка с искус-

ственным отражателем:

−

⋅sin

(

2πf

/ C

⋅ L

)

(

)

R f )=

;

(8)

2⋅Z

⋅ Z

⋅i ⋅cos

(

2πf

⋅ L

)

−

(

)

⋅

sin

(

2πf

/ C

⋅ L

)

⋅

D f )=

(9)

(

)

⋅cos

(

2πf

⋅ L

)

−2

⋅ Z

⋅i

⋅sin

(

2πf

/ C

⋅ L

)

где Z_p — импеданс стержня на участке без искусственного отражателя; Z_d — импеданс участка

с искусственным отражателем; f — частота; C_d — скорость стержневой волны в зоне искусствен-

ного отражателя; L — длина искусственного отражателя. При этом Z_p=ρ_p S_p C_p, где ρ_p — плот-

ность прутка; S_p — площадь сечения прутка; C_p — скорость стержневой волны прутка, а

Z_d=ρ_d S_d C_d , где ρ_d — плотность; S_d — площадь сечения; C_d — скорость стержневой волны в зоне

искусственного отражателя.

Дефектоскопия

№ 10

2022

В.А. Стрижак

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Коэффициенты отражения R(f) и прозрачности D(f) являются частотно-зависимыми (рис. 3) и

их поведение для разных частот f обусловлено соотношением скорости стержневой волны в зоне

дефекта C_d и длины искусственного отражателя L. Графики получены для прутка диаметром

d = 8 мм, высотой дефекта h = 2 мм и длиной дефекта L = 30 мм.

Рис. 3. Коэффициенты отражения R(f) и прозрачности D(f) участка с искусственным отражателем при разных процентах

армирования (диаметр прутка d = 8 мм, высота отражателя h = 2 мм, длина отражателя L = 30 мм).

Процент армирования A_p определяет плотность материала и, с одной стороны, влияет на

амплитуду коэффициентов отражения R(f) и прозрачности D(f), а, с другой стороны, в силу

изменения скорости стержневой волны в зоне дефекта C_d изменяет частотные свойства участ-

ка с искусственным отражателем. Так как искусственный отражатель изготовлен из материала

наполнителя и имеет более низкую плотность по сравнению с материалом стержня, то стерж-

ню с большим процентом армирования A_p соответствует меньший коэффициент отражения

R(f) и больший коэффициент прозрачности D(f). Аналогично, при фиксированных размерах

искусственного отражателя увеличение процента армирования стержня A_p приводит к умень-

шению коэффициента отражения и увеличению частоты резонанса участка с искусственным

отражателем.

Последовательность расчета включает в себя получение спектрального образа зондирующе-

го импульса, учет его спектрального искажения при прохождении (отражении) участка с искус-

ственным отражателем и восстановление сигнала из полученного спектра. Коэффициент отра-

жения от противоположного торца стержня принят за 1. Расчет не учитывает затухание акусти-

ческих импульсов в прутке длиной до 10 м в силу их незначительности при низкочастотном

прозвучивании [35]. Расчет адаптирован к свойствам усилительного тракта дефектоскопа про-

тяженных объектов АДНШ-П в виде ограничения полосы пропускания на уровне -6дБ в полосе

частот 9—64 кГц с центральной частотой в 25 кГц [23].

Расчетные графики (рис. 4, рис. 5) иллюстрируют поведение параметра Kd при различной

высоте искусственного отражателя h, процента армирования A_p и диаметра стержня d в зависимо-

сти от длины искусственного отражателя L. Параметр Kd определяется как геометрическими раз-

мерами искусственного отражателя: высота h и длина L, так и процентом армирования стержня

A_p. Существенную роль имеет отношение исходной плотности ρ_p прутка и усредненной плотности

ρ_d в зоне отражателя. В зависимости от длины искусственного отражателя L параметр Kd имеет

схожее поведение. Например, при фиксированном проценте армирования стержня A_p= 80 %

(см. рис. 4а), с увеличением длины отражателя L параметр Kd сначала растет и по достижения

своего максимума (длина отражателя L ~ 41мм) падает в 2,5 раза (длина отражателя L ~ 82 мм),

затем увеличивается на 20 % и стабилизируется. Стабилизация значения параметра Kd наступает

в виду разделения на временной оси сигналов от вступления и окончания искусственного отража-

теля. Положение максимума, в первую очередь, определяется соотношением длины искусствен-

ного отражателя L и длины волны λ/4 = 48 мм. Сдвиг максимума к меньшим длинам отражателя

Дефектоскопия

№ 10

2022

Акустический контроль прутков композитной арматуры с учетом процента армирования

d = 6 мм

d = 8 мм

d = 10 мм

d = 12 мм

d = 14 мм

Длина отражателя L, мм

Высота искусственного отражателя h, мм

Рис. 4. Параметр Kd в зависимости от длины искусственного отражателя L и высоты искусственного отражателя h при

разных диаметрах прутка d и фиксированном проценте армирования A_p= 80 %:

а — высота искусственного отражателя h = 1 мм; б — длина искусственного отражателя L=41 мм.

(смещение в более высокочастотную область) определяется учетом в параметре Kd амплитуды

сигнала, отраженного от противоположного торца прутка, дважды прошедшего через зону с отра-

жателем.

Рис. 4а демонстрирует, что при фиксированном значении процента армирования A_p= 80 % у

прутков разных диаметров d параметр Kd в основном определяется соотношением площадей

поперечного сечения в зоне с искусственным отражателем и вне нее. Поскольку, в силу особен-

ности модели, изменение высоты h линейно связано с изменением площади сечения искусствен-

ного отражателя, то параметр Kd (рис. 4б) у прутков разного диаметра растет с разным наклоном.

У прутков с меньшим диаметром d при увеличении высоты h рост параметра Kd(L) происходит

более интенсивно. Расчет параметра Kd_d(L) для прутка диаметром d возможен через соответству-

ющее значение параметра Kd₈(L), полученного для прутка диаметром d = 8 мм с привязкой к диа-

метру прутка d:

h=0

Kd L)=

Kd L)−

Kd = L))+

(10)

(

)

где Kd_d(L) — расчетный параметр для прутка диаметром d; Kd₈(L) — значение параметра для прут-

ка диаметром d = 8 мм; Kd8h = 0(L) — значение параметра для прутка диаметром d = 8 мм при высо-

те отражателя h = 0.

Для прутков разных диаметров, при фиксированном значении процента армирования и одина-

ковой высоте искусственного отражателя h, изменения плотности в зоне искусственного отража-

теля не оказывает существенного влияния на изменение параметра Kd. Отклонение расчетного

значения параметра Kd_d(L) по формуле (10) от значения параметра Kd_d(L) в соответствии с моде-

лью, приведенное к значению высоты отражателя h в мм, не выходит за пределы значения 0,01.

Уменьшение процента армирования A_p при фиксированной высоте отражателя h (рис. 5а) или

увеличение высоты отражателя h при фиксированном проценте армирования A_p (рис. 5б) не только

A_p= 60 %

h = 0 мм

h = 1 мм

h = 2 мм

h = 3 мм

A_p= 80 %

h = 4 мм

A_p= 99 %

Длина отражателя L, мм

Рис. 5. Параметр Kd в зависимости от длины искусственного отражателя L для прутка диаметром d = 8 мм:

а — процент армирования A_p= 60—99 %, высота искусственного отражателя h = 1 мм; б — процент армирования A_p= 80 %, высота

искусственного отражателя h = 1—4 мм.

Дефектоскопия

№ 10

2022

В.А. Стрижак

A_p= 60 %

A_p= 80 %

A_p= 99 %

A_p= 80 %

A_p= 60 %

Высота искусственного отражателя h, мм

Рис. 6. Максимум параметра Kd и соответствующая ему длина L в зависимости от высоты h для прутка диаметром

d = 8 мм при проценте армирования A_p = 60—99 %:

а — значение максимума параметра Kd; б — длина L, соответствующая значению максимума параметра Kd.

увеличивает значение параметра Kd, но и приводит к смещению его максимума в сторону меньше-

го значения длины искусственного отражателя L по сравнению с позицией A_p= 80 % и h =1 мм

(вертикальная пунктирная линия). В первую очередь, данное изменение определяется изменением

плотности стержня при изменении процента армирования или изменением плотности в зоне

искусственного отражателя при увеличении его высоты и, как следствие, уменьшением скорости

стержневой волны.

Для прогнозирования величины параметра Kd(h) при вариации процента армирования стержня

A_p приведены расчеты значения максимума параметра Kd(h) и соответствующие ему длины L для

различных высот h (рис. 6). Изменение процента армирования стержня A_p с 99 до 60% у искус-

ственного отражателя высотой h = 1 мм приводит к росту параметра Kd(h) в 1,94 раза, а у дефекта

высотой h = 3 мм — к росту параметра Kd(h) в 1,54 раза. При аналогичных величинах процента

армирования стержня A_p длины, соответствующие максимуму параметра Kd(h), при высоте искус-

ственного отражателя h = 1 мм составляют 44,6 и 36,6 мм, а при высоте h = 3 мм — 41,8 и 33,6 мм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

На основании предложенной методики разработана номограмма (рис.7), позволяющая соот-

нести между собой прутки с разным процентом армирования A_p при разных высотах искусствен-

ного отражателя h. Линии номограммы соединяют точки максимумов параметра Kd одного уровня

при различных значениях процента армирования и высотах искусственного отражателя. Напри-

Высота искусственного отражателя h, мм

Рис. 7. Номограмма для прутка диаметром d = 8 мм значений одного уровня максимумов параметра Kd в зависимости

от высоты h искусственного отражателя и процента армирования стержня A_p.

Дефектоскопия

№ 10

2022

Акустический контроль прутков композитной арматуры с учетом процента армирования

мер, настроечный образец [36], изготовленный для калибровки дефектоскопа, реализующего кон-

троль композитной арматуры волноводным методом с нанесенным искусственным отражателем

высотой 1 мм на стержне с процентом армирования A_p = 85% по значению параметра Kd соответ-

ствует образцу с процентом армирования стержня A_p = 75% и с искусственным отражателем высо-

той 0,65 мм. Пунктирная линия показывает нахождение уровня параметра Kd при известном зна-

чении армирования и поиск значения высоты искусственного отражателя при другом уровне про-

цента армирования.

По результатам расчета влияния размера наплыва и процента армирования стержня на значе-

ние параметра Kd рассчитаны поправочные коэффициенты, позволяющие при оценке существен-

ности дефектов учесть процент армирования материала стержня:

Kd^M = Kdⁱ(-0,018(A_p - 80)+ 1,013);

(11)

L^M = Lⁱ(-0,005(A_p - 80)+ 1,004),

(12)

где Kd^M — значение параметра Kd с учетом отличия процента армирования A_p от 80 %; Kdⁱ —

измеренное значение параметра Kd; L^M— значение длины дефекта с учетом отличия процента

армирования A_p от 80 %; Lⁱ — измеренное значение длины дефекта.

При изготовлении композитной арматуры дефекты образуются в виду заполнения связующим

материалом неудаленных узлов нитей в зоне их обрыва или окончания. Петля армирующей нити,

находящаяся на поверхности стержня, не приводит к ухудшению качества стержня и может быть,

при необходимости, удалена режущим инструментом. Существенным дефектом является пузырь,

заполненный связующим или воздухом и внедренный в тело арматуры. Таким образом, заключе-

ние о дефектности необходимо основывать на величине параметра Kd и измерении габаритов

обнаруженных дефектов. При изготовлении композитной арматуры типовые дефекты не превы-

шают 30 мм по длине. Применительно к искусственному отражателю, в области длин до 30 мм,

величина параметра Kd для одной высоты h различается многократно.

На графике (рис. 8) нанесены величины параметра Kd, рассчитанные для прутка диаметром

d = 8, с процентом армирования стержня A_p = 80 %, при разных высотах искусственного отража-

теля. Точками обозначены значения параметра Kd^M для дефектов, обнаруженных по волноводной

методике контроля, в 5 партиях 4-х производителей с общим объемом более тысячи образцов, с

длиной более 6 метров каждый [37]. Значение параметра Kd^M и его длина дефекта L^M для разных

партий скорректирована в соответствии с процентом армирования стержня в партии. Измерение

геометрических размеров дефектных участков позволяет оценить значимость дефекта. Уровень

Kd(L), соответствующий искусственному отражателю с заданной высотой, может рассматриваться

как уровень браковки. В этом случае дефекты с одинаковым параметром Kd, но разные по протя-

женности, будут классифицированы по-разному.

Длина отражателя L^M, мм

h = 0 мм

h = 1 мм

h = 2 мм

h = 4 мм

Дефекты

Длина отражателя L, мм

Рис. 8. Параметр Kd дефектов и прутка диаметром d = 8 мм, процент армирования стержня A_p = 80 % при разных высо-

тах искусственного отражателя h в зависимости от длины L.

В табл. 2 приведена краткая характеристика и внешний вид некоторых дефектных участков. В

качестве браковочного уровня выбран критерий, соответствующий расчетному значению искус-

Дефектоскопия

№ 10

2022

В.А. Стрижак

Таблица

Характеристики и вид обнаруженных дефектов

Образец

Значение

Длина L^M,

Годен или брак /

параметра

Внешний вид дефекта

мм

(Заключение)

Армирование, %

Kd^M, %

1-260

Брак / (Недостаток

9,86

связующего в

стержне)

76,4 %

1-263

Годен / (Наплыв

8,49

может быть удален)

76,4%

3-047

Годен / (Наплыв не

14,3

влияет на качество

79,9 %

стержня)

ственного отражателя высотой h = 3 мм. Образец 1-260 при небольшой протяженности дефекта

имеет существенный сигнал и при визуальном осмотре демонстрирует пористость тела в зоне дефек-

та. Образец 1-263 на поверхности стержня имеет узел, заполненный связующим, что не влияет на

качество тела прутка. У образца 3-047 протяженное утолщение по телу не уменьшает качество

стержня и при отсутствии специальных требований к поверхности он может быть использован.

ВЫВОДЫ

Разработанная акустическая модель прозвучивания стержня с искусственным отражателем в

виде наплыва учитывает отличия материалов используемых при изготовлении композитного

стержня и при создании наплыва. Модель построена на учете коэффициента прозрачности и коэф-

фициента отражения в районе неоднородности с учетом резонансных явлений, возникающих при

прозвучивании низкочастотным импульсом с торца прутка. С ростом высоты наплыва в зоне

дефекта изменяется массовая доля армирующего стекловолокна, и, как следствие, средние значе-

ния акустического импеданса в этой области зависят не только от высоты искусственного отража-

теля, но и от процента армирования исходного материала стержня. Модель учитывает изменение

скорости стержневой волны, интегральную плотность в зоне наплыва в зависимости от диаметра

стержня, процента его армирования, высоту и длину наплыва. Результатом расчета является пара-

метр Kd в виде отношения сигнала, отраженного от неоднородности, к сигналу, отраженному от

противоположного торца объекта контроля.

Модель показывает, что при фиксированном проценте армирования и одинаковой высоте

искусственного отражателя изменение диаметра стержня не влияет на параметр Kd, который в

основном определяется высотой и длиной отражателя.

Увеличение процента армирования или увеличение высоты отражателя приводит к увеличе-

нию параметра Kd и смещению максимума зависимости параметра Kd(L) к меньшим значениям

длины L искусственного отражателя.

На основании модели рассчитана номограмма, позволяющая соотнести настроечные образцы

с искусственным отражателем в виде наплыва, выполненные на стержнях с разным процентом

армирования.

Предложено при заключении о значительности дефектов, обнаруженных волноводным мето-

дом, учитывать визуальную длину дефекта, а значение параметра Kd и длину дефекта L адаптиро-

вать к величине армирования стержня в 80 %. Применение данного подхода позволило отделить

дефекты, имеющие влияние на стержень композитной арматуры, от малозначительных особенно-

стей, не приводящих к понижению эксплуатационных свойств стержня.

Дефектоскопия

№ 10

2022

Акустический контроль прутков композитной арматуры с учетом процента армирования

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00252, https://

rscf.ru/project/22-19-00252/.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федотов М.Ю., Будадин О.Н., Козельская С.О., Овчинников И.Г., Шелемба И.С. Внешнее арми-

рование композитными материалами и оптический мониторинг надежности эксплуатации строитель-

ных сооружений (Обзор) // Конструкции из композиционных материалов. 2022. № 1 (165). С. 57—67.

DOI: 10.52190/2073-2562_2022_1_57. EDN NZVWQQ.

2. Бегунова Н.В., Грахов В.П., Возмищев В.Н., Кислякова Ю.Г. Сравнительная оценка результатов

испытаний бетонных балок с композитной арматурой и расчетных данных // Наука и техника. 2019.

Т. 18. № 2. С. 155—163. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-2-155-163. EDN ZBFCNL.

3. Францев М.Э. Исследование надстройки из композитов пассажирского судна на подводных кры-

льях акустическими методами неразрушающего контроля // В мире неразрушающего контроля. 2016.

Т. 19. № 4. С. 13—17.

4. Soliman Ehab S. M. M., El-Sayed Tamer A., Naga Soheir A. R. A new approach to design a composite

material for light mono leaf spring using fea // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2016. Т. 19.

№ 1. С. 8—13. DOI: 10.22213/2413-1172-2016-1-8-13

5. Степанова В.Ф., Ильин Д.А., Бучкин А.В. Гибридная композитная арматура с повышенным моду-

лем упругости // Естественные и технические науки. 2014. № 9—10 (77). С. 435—437.

6. Николенко П.В., Шкуратник В.Л., Чепур М.Д. Акустико-эмиссионные эффекты при растяжении

композитов и их использование для контроля состояния кровли горных выработок // Горный журнал.

2019. № 1. С. 13—16.

7. Усачев А.М., Хорохордин А.М., Данилова А.В. Анализ перспектив развития рынка стальной и

композитной арматуры // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строитель-

ного университета. Сер.: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного матери-

аловедения. 2016. № 2 (13). С. 122—126. EDN YGBSMX.

8. Гладунова О.И., Лысенко А.А. Мировой и российский рынок полимерных композиционных мате-

риалов. Тенденции и перспективы // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета

технологии и дизайна. Серия 1: Естественные и технические науки.

2021.

№ 2. С. 96—100.

DOI: 10.46418/2079-8199_2021_2_15. EDN DEXUZI.

9. Долгих М.В., Федосова О.Г., Дергач И.А., Ондар А.А. Преимущества и недостатки применения

композитной арматуры // Инновации и инвестиции. 2019. № 10. С. 298—300. EDN NZESFR.

10. Грахов В.П., Саидова З.С. Методика определения степени отверждения арматуры композитной

полимерной

// Интеллектуальные системы в производстве.

2017. Т.

15.

№ 1. С. 96—98.

DOI: 10.22213/2410-9304-2017-1-96-98. EDN YIOUBR.

11 Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Чернова В.В. Акустико-эмиссионный контроль процесса раз-

рушения образцов из углепластика, изготовленных методом вакуумного формования // Конструкции из

композиционных материалов. 2019. № 3 (155). С. 64—69. EDN GGFGBC.

12. Смелков С.Л. Способы контроля армированных композитов // Проблемы машиностроения и

автоматизации. 2019. № 4. С. 49—52.

13. Трифонова С.И., Генералов А.С., Далин М.А. Современные технологии и средства теневого уль-

тразвукового контроля полимерных композиционных материалов

// Технология машиностроения.

2017. № 7. С. 37—43.

14. Gholizadeh S. A review of non-destructive testing methods of composite materials / Proc. XV

Portuguese Conference on Fracture, PCF 2016, 10—12 February 2016, Paço de Arcos, Portugal. V. 1.

15. Мурашов В.В. Исследование и совершенствование акустических низкочастотных методов кон-

троля изделий из слоистых пластиков и многослойных клееных конструкций // Авиационные материа-

лы и технологии. 2018. № 4 (53). С. 87—93.

16. Саидова З., Грахов В.П., Яковлев Г., Гордина А., Захаров А. Thermal analysis of glass-fiber

reinforced polymer rebars

// Engineering Structures and Technologies. 2017. V. 9. No 3. P. 142—147.

EDN ZMLLZZ.

17. Shpil’noi V.Yu. , Vavilov V.P. , Derusova D.A., Druzhinin N.V., Yamanovskaya A.Yu. Specific Features

of Nondestructive Testing of Polymer and Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Excitation and

Laser Vibrometry // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. No. 8. P. 647—655. [Шпиль-

ной В.Ю., Вавилов В.П., Дерусова Д.А., Дружинин Н.В., Ямановская А.Ю. Особенности проведения

неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов с использованием бесконтакт-

ной ультразвуковой стимуляции и лазерного вибросканирования // Дефектоскопия. 2021. № 8. С.

14—23. DOI: 10.31857/S0130308221080029. EDN TLCADA.]

18. Базулин А.Е., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х., Тихонов Д.С., Смотрова С.А., Иванов В.И. Кон-

троль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием ультразвуковых

антенных решеток // Дефектоскопия. 2022. № 6. С. 3—16. DOI: 10.31857/S013030822206001X.

EDN BMGAYP.

Дефектоскопия

№ 10

2022

В.А. Стрижак

19. Качанов В.К., Соколов И.В., Первушин В.В., Тимофеев Д.В. Структуроскопия изделий из поли-

мерных материалов с помощью анализа мгновенного спектра ультразвуковых сигналов // Дефектоско-

пия. 2019. № 6. С. 3—10. DOI: 10.1134/S0130308219060010. EDN VSJDCV.

20. Derusova D.A., Vavilov V.P., Shpil’noi V.Y., Nekhoroshev V.O., Druzhinin N.V. Features Of Laser-

Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic

Transducers // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. No. 12. P. 1060—1071. [Дерусова Д.А.,

Вавилов В.П., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю., Дружинин Н.В. Особенности лазерно-виброметриче-

ского неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов с использованием воздуш-

но-связанных ультразвуковых преобразователей // Дефектоскопия. 2021. № 12. С. 26—38. DOI:

10.31857/S0130308221120034. EDN AGHGZZ.]

21. Смотрова С.А., Смотров А.В., Иванов В.И. Сравнение выявляемости малозаметных ударных

повреждений по результатам выполнения ультразвукового неразрушающего контроля и оптической

профилометрии поверхности образцов полимерных композиционных материалов

// Конструкции из

композиционных материалов. 2021. № 4 (164). С. 43—50. DOI: 10.52190/2073-2562_2021_4_43.

EDN SHMKEJ.

22. Муравьева О.В., Стрижак В.А., Злобин Д.В., Мурашов С.А., Пряхин А.В., Мышкин Ю.В. Акусти-

ческий волноводный контроль элементов глубиннонасосного оборудования // Нефтяное хозяйство.

2016. № 9. С. 110—115.

23. Мурашов В.В., Генералов А.С. Контроль многослойных клееных конструкций низкочастотными

акустическими методами // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 2 (31). С. 59—67.

24. Евлампиев А.И., Попов Е.Д., Сажин С.Г., Федосенко Ю.К., Герасимов В.Г., Покровский А.Д.,

Останин Ю.Я. Неразрушающий контроль / Справочник. В 8 т. Под общ. ред. Клюева В.В. Изд. 2-е,

перераб. и испр. М., 2006. 829 с.

25. Muravieva O.V., Khasanov R.R., Strizhak V.A.,. Mkrtchyan S.S Water absorption effect on the

propagation velocity of normal waves in composite rebars // Materials Science Forum. 2019. V. 970.

P. 202—209. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.970.202. EDN IZDGLO.

26. Стрижак В.А., Хасанов Р.Р., Пряхин А.В. Особенности возбуждения электромагнитно-акусти-

ческого преобразователя при волноводном методе контроля // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашнико-

ва. 2018. Т. 21. № 2. С. 159—166. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-159-166. EDN XPTZXN.

27. Муравьева О.В., Муравьев В.В., Стрижак В.А., Мурашов С.А., Пряхин А.В. Акустический вол-

новодный контроль линейно протяженных объектов: монография. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2017.

234 с. ISBN 978-5-7692-1560-5.

28. Солодов И.Ю., Кройцбрук М. Резонансные дефекты: новый подход к повышению чувствитель-

ности методов НК с использованием ультразвуковой стимуляции дефектов // В мире неразрушающего

контроля. 2016. Т. 19. № 4. С. 8—12.

29. Добровольский Д.С. Влияние надрезов стержней на коэффициенты интенсивности напряжений

кольцевых трещин // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2016. Т. 19. № 2. С. 6—8.

DOI: 10.22213/2413-1172-2016-2-6-8

30. Ганзий Ю.В. Идентификация опасностей получения некачественной продукции из полимерного

композитного материала на примере строительной композитной арматуры // Вестник ИжГТУ имени

М.Т. Калашникова. 2018. Т. 21. № 3. С. 13—19. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-3-13-19

31. Бучкин А.В., Степанова В.Ф., Стрижак В.А., Юрин Е.Ю., Никишов Е.И. Неразрушающий кон-

троль композитной полимерной арматуры // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI

века. 2021. № 4 (267). С. 59—66. EDN KCDDDL.

32. Mahmoud M., Zaghloul Y., Karen Steel K., Martin Veidt M., Heitzmann M.T. Wear behaviour of

polymeric materials reinforced with man-made fibres: A comprehensive review about fibre volume fraction

influence on wear performance // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2021. № 10. P. 215—241.

33. Karakoc A., Bulota M., Hummel M., Sriubaitė S., Hughes M., Sixta H., Paltakari J. Effect of single-

fiber properties and fiber volume fraction on the mechanical properties of Ioncell fiber composites // Journal

of Reinforced Plastics and Composites. 2021. No. 3. P. 741—748.

34. Муравьева О.В., Стрижак В.А., Пряхин А.В. Оценка чувствительности метода акустической

рефлектометрии к дефектам теплообменных труб // Дефектоскопия. 2017. № 3. С. 27—34.

35. Муравьева О.В., Злобин Д.В. Акустический тракт метода многократных отражений при дефек-

тоскопии линейно протяженных объектов // Дефектоскопия. 2013. № 2. С. 43—51.

36. Стрижак В.А. Искусственный отражатель для настройки дефектоскопа, реализующего акусти-

ческий волноводный метод контроля композитной арматуры // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашни-

кова. 2020. Т. 23. № 2. С. 5—15. DOI: 10.22213/2413-1172-2020-2-5-15. EDN NZFFOP.

37. Стрижак В.А., Пряхин А.В., Хасанов Р.Р., Мкртчян С.С. Дефектоскопия композитной арматуры

акустическим волноводным методом // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2019. Т. 22. № 1.

С. 78—88. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-1-78-88. EDN ZBAFKH.

Дефектоскопия

№ 10

2022