УДК 620.179.16
ПРИМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХОИМПУЛЬСА
В КАЧЕСТВЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ОДНОРОДНОСТИ БЕТОНА
© 2022 г. М.А. Абреу Филью1,2,*, К. Морено3, Е. Лусо1,3
1Институт устойчивого развития и инноваций в области строительства, Гимарайнш, Португалия
2 Университет Минью, Гимарайнш, Португалия
3Политехнический институт Браганса, Браганса, Португалия
*E-mail: marcoabreufilho@hotmail.com
Поступила в редакцию 04.02.2022; после доработки 18.02.2022
Принята к публикации 18.02.2022
Ультразвуковой метод является одним из методов неразрушающего контроля, который наиболее технологически
продвинулся за последние несколько лет. Это исследование направлено на проверку точности и возможностей этого
метода при определении механических свойств бетонных элементов с использованием оборудования ультразвуковой
томографии, основанного на использовании скорости эхоимпульса (S-волны). Модуль упругости и прочность бетона на
сжатие оцениваются по скорости эхоимпульса. Кроме того, оценивается однородность бетонных элементов. Расчет проч-
ности бетона на сжатие был произведен для кубических образцов, а достигнутая точность составила более 91 % с
использованием аналитического подхода, предложенного в этой работе. Коэффициент корреляции между скоростью
эхоимпульса и силой одноосного сжатия, обнаруженный в этом исследовании, составил более 97 %. Таким образом,
оказалось эффективным использование ультразвукового метода НК для оценки однородности бетонных элементов.
Ключевые слова: методы НК; бетонные конструкции; ультразвуковой эхоимпульс, S-волны.
DOI: 10.31857/S0130308222040054, EDN: BLJAFZ
1. ВВЕДЕНИЕ
Бетон является одним из наиболее широко используемых строительных материалов в мире и
представляет собой смесь цемента, воды и заполнителей, а современный бетон содержит все
больше и больше минеральных компонентов, химических добавок, полимерных волокон и т.д.
[1]. Бетон является конструкционным материалом, который может обладать характеристиками,
способными изменяться в широком диапазоне, даже при использовании одинаковых параметров
производства и одного и того же сырья [2]. Учитывая эту изменчивость, европейский стандарт
EN 206-1 [3] устанавливает, что весь произведенный бетон должен подвергаться производственно-
му контролю, дополнительно должна быть аттестована его прочность на сжатие.
Предполагается, что бетон достигает проектной прочности через 28 дней. Обычно изменение
прочности контролируют с помощью разрушающих испытаний образцов, изготовленных из тех же
партий бетона, которые использовались на строительной площадке. Однако результаты испытаний
получены в контролируемых лабораторных условиях и могут не отражать реальные характеристи-
ки бетона при эксплуатации [4, 5].
Для оценки механических характеристик бетона по месту эксплуатации методы неразрушаю-
щего контроля (НК) представляют определенный интерес, поскольку они позволяют определять
свойства материалов, оставаясь при этом быстрыми и недорогими [5]. Несмотря на то, что испы-
тание керна из бетона стало наиболее эффективным методом прямой оценки прочности бетона на
сжатие в процессе эксплуатации [6], в некоторых ситуациях этот метод не может быть рекомендо-
ван или даже невозможен [7, 8]. Кроме того, такой метод малоразрушающего контроля (МК) тре-
бует больше рабочего времени и нецелесообразно проводить пробоотбор на больших площадях
[9]. С другой стороны, в последние годы технологии НК развиваются, их стоимость снижается, а
интерес к ним растет [10]. Растущий интерес к НК также можно объяснить необходимостью оцен-
ки существующих сооружений [11]. Такая оценка требуется в различных ситуациях: (а) когда
некоторые повреждения возникли спустя время; (б) когда необходимо учитывать новые требова-
ния из-за изменений выдерживаемых нагрузок; (в) когда состояние материала должны быть про-
верено вследствие возникающих подозрений [5].
Другим преимуществом, связанным с портативностью средств неразрушающего контроля,
является тот факт, что увеличение количества измерений связано с минимальным увеличением
стоимости испытаний [12]. Однако такие методы предоставляют информацию о тех физических
свойствах, которые коррелируют с механическими свойствами, в отличие от разрушающих мето-
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
45
дов контроля, которые непосредственно определяют механические характеристики [11]. Из-за
качества оценки, на которую могут повлиять некоторые погрешности, европейский стандарт EN
13791 [13] устанавливает, что методы НК должны быть откалиброваны по результатам испытаний
керна из бетона.
Использование ультразвукового методов НК в последние годы получило значительное разви-
тие, и, как большое преимущество, ультразвуковой контроль выполняется с помощью портативно-
го оборудования. Он используется in-situ непосредственно на самом сооружении, не вызывая
никаких повреждений конструкции, что делает его важным инструментом для улучшения контро-
ля качества и помощи в определении характеристик и диагностике существующих сооружений.
С помощью обычного ультразвукового оборудование (ОУО) определяется скорость, с которой
продольная волна (P-волна) проходит через бетон. Процедура измерения этой скорости установле-
на европейским стандартом EN 12504-4 [14]. По скорости ультразвука можно: (а) оценить динами-
ческий модуль упругости; (б) определить однородность бетонного элемента или деталей, изготов-
ленных из одной и той же партии бетона; (в) следить за внутренними изменениями свойств с
течением времени; (г) оценивать контроль качества; (д) оценивать глубину трещин [14].
Данная работа направлена на проверку точности и возможностей метода контроля для оценки
механических свойств бетонных элементов с использованием современного ультразвукового томо-
графического оборудования (УТО), которое определяет скорость импульса поперечных волн
(S-волна), в отличие от традиционного оборудования. Ожидается, что УТО может предоставить
более репрезентативные данные по сравнению с ОУО.
2. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ
Первые работы, посвященные возбуждаемым механическим импульсам в бетоне, датируются
серединой 40-х гг. XX века. Главный вывод, который следовал из тех исследований, это то, что
скорость ультразвукового импульса в твердом материале зависит, в первую очередь, от упругих
свойств, позволяющих напрямую оценивать механические свойства бетона, а именно: его проч-
ность на сжатие.
Ультразвуковой контроль проводился с использованием прибора, реализуемого под названием
PUNDIT [12] (аббр. от Portable Ultrasonic Non-destructive Digital Indicating Tester — портативный
ультразвуковой дефектоскоп с цифровой индикацией). Традиционное оборудование для испыта-
ния ультразвуковыми волнами (рис. 1) измеряет скорость P-волн [12, 16].
Рис.1. Традиционное оборудование для испытания ультразвуковыми волнами.
Дефектоскопия
№ 4
2022
46
М.А. Абреу Филью, К. Морено, Е. Лусо
Основное применение ультразвукового метода неразрушающего контроля — возможность
оценки модуля упругости бетона.
Такая оценка проводится с применением скорости импульса ультразвуковой P-волны по урав-
нению [17]:
2
V
⋅ρ
E
=
,
(1)
d
K
где Ed — динамический модуль упругости, Па; V — это скорость продольной волны (P-волны),
м/с; ρ — плотность бетона, кг/м3; K — константа, зависящая от коэффициента Пуассона ν, соглас-
но уравнению:
(
1-ν
)
K
=
(2)
(
1+ν ⋅(1
−2ν
)
В представленной работе использовалось оборудование PL-200PE от Proceq, УТО (рис. 2)
измеряет скорость S-волн. S-волны имеют преимущество перед P-волнами в плане большей стати-
ческой устойчивости [18].
Рис. 2. УТО.
Принцип работы основан на измерении времени прохождения ультразвукового импульса в
твердом теле и получении соответствующего эха. Каждый из девяти датчиков на левой стороне
рукоятки, как показано на рис. 2, соединен с соответствующим датчиком справа. Излучатели
импульсов, расположенные слева, постоянно излучают ультразвуковые импульсы, а приемники
импульсов, расположенные справа, принимают соответствующие эхосигналы, как показано на
рис. 3 [19, 20].
Скорость импульса, измеряемая с помощью УТО, определяется при отдельной расшифровке
сигналов девяти пар преобразователей. Используя данное оборудование, результаты контроля в
каждом отдельном измерении будут более репрезентативными, чем результаты при использовании
традиционного оборудования, которое имеет только по одному излучающему и принимающему
преобразователю, а измеряемая скорость импульса определяется только в одном направлении.
Первым шагом в данном исследовании было обеспечение аналитической оценки прочности
бетона по скорости импульса, определяемой УТО (S-волны), как это возможно и с использованием
Р-волн.
Так как механизмы распространения P-волн и S-волн различны, то их скорость в бетоне тоже
различна. Scott [21] отмечает, что скорость S-волн составляет примерно 60 % от скорости P-волн.
Дефектоскопия
№ 4
2022
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
47
Рис. 3. Принцип работы УТО.
Подобное соотношение между скоростями S-волн и P-волн обнаружено в исследованиях, прово-
димых Birgul [22] и Lee и Oh [23].
Внутренняя влага бетона оказывает влияние на скорость P-волн, Bungey [15] отмечает, что
скорость увеличивает примерно на 5 % по сравнению с сухим бетоном, при этом S-волны не про-
ходят через газообразные и жидкие среды, что означает, что внутренняя влажность не влияет на
их скорость [24].
Другие факторы влияют на скорость импульса обоих типов волн. Ravibdraraja [25] и Evelry и
Ibrahim [26] подтвердили в своих исследованиях, что тип бетона влияет на скорость импульса,
Elvery и Ibrahim [26] даже подтвердили, что это влияние становится все большим в первые годы,
что может негативно сказаться на точности установления взаимосвязи между скоростью ультра-
звука и прочностью бетона. Evangelista [27] в своей работе сделала вывод о том, что тип цемента
может изменять скрость импульса приблизительно на 5 %.
Lee и Lee [28] в своих работах сделали вывод, что наличие крупного заполнителя значительно
влияет на скорость импульса в бетоне в ранние годы, обнаружено, что скорость импульсов на
16 % выше в бетоне по сравнению с раствором. Однако Silva и др. [18] в своих исследованиях
показали, что количество крупного заполнителя не имеет значительного влияния на скорость
импульса.
Температура (если находится в пределах диапазона требований к эксплуатации) и уровень
напряжений (кроме ситуаций чрезмерного напряжения) являются переменными, которые не влия-
ют существенным образом на скорости импульсов [15, 26].
Чтобы преодолеть факторы, влияющие на скорость импульса, и сделать возможным использо-
вание S-волн для оценки прочности бетона, данное исследование нацелено на поиск альтернативы
уравнения (1), в котором переменная V должна изменяться так, как показано в уравнениях (3) и (4).
Уравнение (3) подходит для бетона возрастом между 3 и 28 днями, а уравнение (4) — для бетона
возрастом более 28 дней:
−0,1
V
=1,65⋅V
⋅exp
(
0,48⋅s⋅ j
)
;
(3)
echo
V =1,65⋅V
⋅exp
(
0,3439 ⋅ s
)
,
(4)
echo
где V — скорость сжатия импульса (P-волны); Vecho — скорость эхоимпульса, измеренная посред-
ством УТО (S-волны), м/с; s — коэффициент, который зависит от типа цемента, как показано
в табл. 1; j — возраст бетона, сутки.
Предлагаемый аналитический метод позволяет оценивать динамический модуль упругости
бетона, используя скорость эхоимпульса (S-волны) посредством УТО, с применением модифици-
рованного уравнения (1). Динамический модуль упругости Ed, который оценивается по скорости
Дефектоскопия
№ 4
2022
48
М.А. Абреу Филью, К. Морено, Е. Лусо
Таблица
1
Значения s согласно типу цемента
s
Тип цемента
0,20
CEM 42,5R, CEM 52,5 N, CEM 52,5R (класс R)
0,25
CEM 32,5 R, CEM 42,5 N (класс N)
0,38
CEM 32,5 N (класс S)
Источник: адаптировано из EN-1992 [29].
импульса ультразвука, эквивалентен тангенциальному модулю упругости Ec [30]. Согласно EN
1992 [29], по тангенциальному модулю упругости возможно рассчитать секущий модуль упруго-
сти бетона Ecm, используя уравенение:
E
=1,05⋅E
(5)
c
cm
По секущему модулю упругости напряжение сжатия может быть рассчитано с использованием
уравнения, взятого из EN-1992 [29]:
0,3
f
+8
ck
E
=
22⋅
(6)
cm
10
где Ecm — величина модуля упругости, ГПа; fck — характеристическая прочность на сжатие цилин-
дра бетона.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Чтобы подтвердить эффективность оборудования и что предложенный аналитический метод
позволяет использовать уравнение (1) с S-волнами, соответствующей процедурой является оценка
результатов, полученных УТО в лабораторных условиях. Таким образом, цель программы экспе-
римента, представленного здесь, направлена на контроль образцов из обычной бетонной смеси
цемента, воды и обычных заполнителей.
3.1. Подготовка образцов
Материалом для создания тестовых образцов был известняковый портландцемент компании
Secil, состав которого согласно EN 197-1 [31]: CEM II B/L-32.5, гранитный гравий 8/14, природный
песок 0/4 и вода.
Для эксперимента в лаборатории Политехнического института Браганса были произведены 18
кубических образца бетона размерами 15×15×15 см и 3 образца в виде призм 15×15×55 см. Были
изготовлены 3 различные смеси и обозначены как M1, M2 и M3. Пропорции песка, гравия, воды
по отношению к массе цемента, используемые в каждой смеси, показаны в табл. 2.
Таблица
2
Пропорции для изготовления бетонных смесей
Пропорции
Цемент
Песок
Гравий
Вода
M1
1
1,28
2,28
0,40
M2
1
1,95
2,95
0,50
M3
1
1,28
2,28
0,55
Вязкость смесей определялась с помощью испытания на расплыв. Все бетонные смеси имели
консистенцию класса S1, согласно стандарту standard EN 12350-2 [32]. Были изготовлены 6 куби-
ческих образцов, пронумерованные от 1 до 6, для каждой бетонной смеси. Кубический образец
Дефектоскопия
№ 4
2022
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
49
бетона 1, сделанный из смеси М1, обозначался как C1—M1, а другие обозначались как (Cn—M1,
Cn—M2 и Cn—M3 при n = 6), следуя такой же логике.
Из трех произведенных призм две были сделаны из бетонной смеси М2 (обозначались как
P1—M2 и P2—M2) и одна — из смеси М1 (P1—M1)
Кубические образцы (Cn—M1, Cn—M2 и Cn—M3) отвердевали после извлечения из формы
при температуре T = 20 ºC и относительной влажности 90 %. После 28 дней процесса отверждения
были проведены испытания на одноосное сжатие с контролем нагрузки в машине для испытаний
на сжатие от Matest.
Образцы в виде призм (P1—M1, P1—M2 и P2—M2) также находились в процессе отвердева-
ния при температуре T = 20 ºC и относительной влажности 90 % в течение 28 дней. После этого
еще 62 дня они находились в условиях лабораторной атмосферы. Для этих образцов возрастом 90
дней проводились испытания на сжатие и ультразвуковой контроль.
Для проведения механических испытаний данных призм потребовалось разрезать их на три
равных кубических образца размерами 15×15×15 см (оставшаяся часть 15×15×10 см в последую-
щих экспериментах не использовалась). Измерения с помощью ультразвукового оборудования
проводились до и после разрезания призматических образцов.
3.2. Методика испытаний
Сначала кубические образцы (Cn—M1, Cn—M2 и Cn—M3) контролировали УТО и измеряли
Vecho. Полученные результаты использовали для аналитической оценки модуля упругости и проч-
ности на сжатие бетона. Vecho определяли в трех местах каждого образца: сверху, снизу и по центру
(рис. 4). Измерения проводили, когда возраст бетона составлял 3, 7, 14, 21 и 28 дней.
Ультразвуковое томографическое
оборудование
Измерение 01
Измерение 02
Измерение 03
Рис. 4. Положение датчика УТО при измерениях на кубических образцах.
Призматические образцы (P1—M1, P1—M2 и P2—M2) контролировали в возрасте 90 дней.
Три измерения проделывали с целью получить представление об их однородности. Положение
точек измерений было в центре между последующими разрезами (рис. 5).
В дальнейших
экспериментах
не участвует
Измерение 01
Измерение 02
Измерение 03
Рис. 5. Положение датчика для измерения скорости импульса на призматических образцах для проверки однородности,
предусматривая будущие разрезы.
Дефектоскопия
№ 4
2022
50
М.А. Абреу Филью, К. Морено, Е. Лусо
Для частей призматических образцов (P1—M1.n, P1—M2.n и P2—M2.n при n = 3) определя-
лась скорость ультразвукового импульса, чтобы оценить модуль упругости и прочность на сжатие
более точно для каждого сегмента.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Кубические образцы
Результаты измерения скорости импульса использовали для оценки модуля упругости и проч-
ности на сжатие образцов. Во-первых, применяли уравнение (3) и полученные результаты в виде
переменной V подставляли в уравнение (1). Расчетный динамический модуль упругости делился
на 1,05, чтобы получить секущий модуль упругости для каждого образца. Нормативная прочность
на сжатие fck рассчитывалась для каждого образца с использованием уравнения (6) согласно
EN-1992 [29].
Нормативную прочность на сжатие кубического образца fck,cube рассчитывали, используя чис-
ленную интерполяцию из табл. 3.1 EN-1992 [29], как показано в табл. 3.
Таблица
3
Раздел таблицы 3.1 из EN-1992 [29]
Параметр
C12/15
C16/20
C20/25
C25/30
C30/37
C35/45
C40/50
C45/55
fck , МПа
12
16
20
25
30
35
40
45
fck,cube, МПа
15
20
25
30
37
45
50
55
Таблица
4
Модуль упругости и прочность на сжатие кубических образцов, оцениваемых по скорости импульса
ультразвука, прочности на сжатие, полученной при разрушающем контроле, и соответствующие погрешности
Образец
Vecho, м/с
Ecm, ГПа
fck (AM), МПа
fck,cube (AM), МПа
fck,cube (РК), МПа
Погрешность, %
C1—M1
2139
33,3
31,7
39,8
38,0
4,63
C2—M1
2098
32,0
26,9
32,7
34,8
-6,12
C3—M1
2116
32,6
29,0
35,6
35,5
0,19
C4—M1
2116
32,6
29,0
35,6
35,7
-0,24
C5—M1
2083
31,6
25,3
30,4
31,7
-4,10
C6—M1
2083
31,6
25,3
30,4
31,1
-2,25
C1—M2
2055
30,7
22,4
28,0
27,5
1,81
C2—M2
2055
30,7
22,4
28,0
27,8
0,72
C3—M2
2069
31,1
23,8
29,8
28,1
6,05
C4—M2
2083
31,6
25,3
30,4
29,0
4,83
C5—M2
2028
29,9
19,9
24,8
25,6
-2,85
C6—M2
2055
30,7
22,4
28,0
28,2
-0,71
C1—M3
2013
29,5
18,5
23,1
22,9
0,87
C2—M3
2055
30,7
22,4
28,0
25,7
8,95
C3—M3
2041
30,3
21,1
26,4
24,3
8,64
C4—M3
2041
30,3
21,1
26,4
24,6
7,32
C5—M3
2027
29,9
19,8
24,7
23,3
6,17
C6—M3
2000
29,1
17,4
21,7
22,0
-1,28
В табл. 4 представлены результаты расчета секущего модуля упругости Ecm, прочностей на
сжатие fck и fck,cube аналитическим методом (АМ) через скорость импульса ультразвука и прочность
на сжатие fck,cube, полученной разрушающими методами контроля (РК).
Дефектоскопия
№ 4
2022
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
51
40
38
36
34
32
30
28
Линейная аппроксимация
26
Уравнение
y = a + b·x
a
-230,05026
24
b
0,12532
Корреляция Пирсона
0,97196
22
Скорректированный
0,94124
коэф. детерминации
20
1980
2000
2020
2040
2060
2080
2100
2120
2140
2160
Скорость эхоимпульса ультразвука, м/с
Рис. 6. Линейная аппроксимация.
Табл. 4 показывает, что оценка прочности на сжатие по скорости импульса ультразвука имеет
погрешность в диапазоне от -4,40 до 8,95 %. Используя измеренную с помощью УТО Vecho
(S-волны) и прочность на сжатие, полученную при РК, была проделана линейная аппроксимация
между двумя полученных величинами, как показано на рис. 6.
График показывает, что возможно установить коэффициент корреляции между скорость эхоим-
пульса ультразвука и прочностью на сжатие бетона выше 97 % с доверительной вероятностью
выше 94 % при линейной аппроксимации.
Рис. 7 и 9 показывают сравнение между: (а) кривая изменения прочности, рассчитанная анали-
тически, используя измерения скорости ультразвукового импульса при возрасте бетона 3, 7, 14, 21,
28 дней; (б) обратный анализ по результатам РК, используя уравнение 7 из Eurocode 2 [29]:
f =
(t)
(
β t)⋅f
)
−8,
(7)
ck
cc
cm
где fck(t) — нормативная прочность на сжатие для возраста бетона t, МПа; fcm — нормативная проч-
ность на сжатие, полученная разрушающим методом, а βсс(t) рассчитывают по уравнению:
1/2
28
β
=
exp
s⋅
1−
,
(8)
cc
(t)
t
где t — возраст бетона, дни; s — коэффициент, который зависит от типа цемента, как показано в
табл. 1.
Из рис. 7—9 можно увидеть, что кривая изменения прочности на сжатие, рассчитанная анали-
тически по скоростям импульса ультразвука, показала схожее поведение с результатами обратного
анализа, проводимого по результатам разрушающего контроля. Большинство образцов показали
почти постоянную погрешность при старении бетона до 28 дней.
4.2. Призматические образцы
Первым испытанием, проводимым на призматических образцах, была проверка однородности
до их разрезания. Были проведены три измерения скорости эхоимпульса в центральной части
между разрезами в призматическом блоке, как показано на рис. 5. На рис. 10 показаны результаты,
полученные для трех образцов в схематическом и графическом представлении.
Дефектоскопия
№ 4
2022
52
М.А. Абреу Филью, К. Морено, Е. Лусо
40
35
30
25
Обратный анализ
20
Аналитический метод
Разрушающий контроль
15
С1—М1
С2—М1
10
С3—М1
С4—М1
5
С5—М1
С6—М1
0
0
7
14
21
28
Возраст, дни
Рис. 7. Кривые изменения прочности на сжатие, обратный анализ и аналитический метод для образцов, произведенных
из бетонной смеси M1.
30
25
20
Обратный анализ
15
Аналитический метод
Разрушающий контроль
С1—М2
10
С2—М2
С3—М2
5
С4—М2
С5—М2
С6—М2
0
0
7
14
21
28
Возраст, дни
Рис. 8. Кривые изменения прочности на сжатие, обратный анализ и аналитический метод для образцов, произведенных
из бетонной смеси M2.
Результаты, показанные на рис. 10, приводят к заключению, что призма P1—M2 имеет хоро-
шую однородность, призма P1—M1 имеет среднюю однородность, а призма P2—M2 имеет низ-
кую однородность.
После контроля однородности призматические образцы разрезались на три части размерами
15×15×15 см, а оставшаяся часть 10×15×15 см выбрасывается. Вновь проводилось измерение эхо-
импульса ультразвука (на этот раз в соответствии с рис. 4) в каждой из трех частей призм. Части
призм пронумерованы слева направо; выброшенная часть располагалась в крайнем левом углу.
В табл. 5 представлены результаты контроля УТО после разрезания призматических образцов.
В табл. 5 также показаны Vecho; секущий модуль упругости, рассчитанный по уравнению (1)
(результат которого делится на 1,05), где переменная V заменялась результатом расчета по уравне-
Дефектоскопия
№ 4
2022
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
53
30
25
20
Обратный анализ
15
Аналитический метод
Разрушающий контроль
С1—М3
10
С2—М3
С3—М3
5
С4—М3
С5—М3
С6—М3
0
0
7
14
21
28
Возраст, дни
Рис. 9. Кривые изменения прочности на сжатие, обратный анализ и аналитический метод для образцов, произведенных
из бетонной смеси M3.
Ультразвуковое томографическое
оборудование
2160
2140
2120
P1—M1
P1—M2
2100
P2—M2
2080
2060
2040
2020
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Точка измерения. мм
Рис. 10. Схематическое и графическое представление испытания на однородность с использованием УТО.
нию (4); прочность на сжатие, рассчитанная по уравнению (6) из EN-1992 [29]; прочность на сжа-
тие, полученная при разрушающем контроле, а также соответствующие погрешности. Испытания
проводились в возрасте 90 дней.
Оценка прочности на сжатие частей призм с помощью ультразвукового контроля и прочности
на сжатие при разрушающем контроле имела погрешности в диапазоне от -7,80 до 3,39 %, что
показывает хорошую точность. Только в двух частях (P1—M1.3 и P2—M2.2) измеренная скорость
эхоимпульса изменялась после того, как образцы были нарезаны. Следовательно, согласно гипоте-
зе, выдвинутой после первой проверки однородности, возможно подтвердить разрушающим мето-
дом, что призма P1—M2 была образцом с хорошей однородностью, призма P1—M1 имела сред-
нюю однородность, а призма P2—M2 имела низкую однородность.
Дефектоскопия
№ 4
2022
54
М.А. Абреу Филью, К. Морено, Е. Лусо
Таблица
5
Прочность на сжатие частей призматических образцов, оцениваемая по скорости эхоимпульса ультразвука,
прочность на сжатие по результатам разрушающего контроля и соответствующие погрешности
Образец
Vecho, м/с
Ecm, ГПа
fck (AM), МПа
fck,cube (AM), МПа
fck,cube (РК), МПа
Погрешность, %
P1—M1.1
2139
33,3
31,7
39,8
39,5
0,74
P1—M1.2
2158
33,9
34,1
43,6
42,2
3,39
P1—M1.3
2116
32,6
29,0
35,6
36,3
-2,02
P1—M2.1
2041
30,3
21,1
25,5
26,7
-4,49
P1—M2.2
2055
30,7
22,4
27,2
27,4
-0,73
P1—M2.3
2055
30,7
22,4
27,2
27,3
-0,37
P2—M2.1
2027
29,9
19,8
24,7
25,2
-2,14
P2—M2.2
2013
29,5
18,5
23,1
23,2
-0,33
P2—M2.3
2083
31,6
25,3
30,4
33,0
-7,80
P1—M1.1
2139
33,3
31,7
39,8
39,5
0,74
P1—M1.2
2158
33,9
34,1
43,6
42,2
3,39
P2—M2.3
2083
31,6
25,3
30,4
33,0
-7,80
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данное исследование дало возможность понять потенциал современного УТО для определения
механических свойств бетона. Оборудование, которое использовалось в эксперименте, работает с
поперечными волнами (S-волны), что отличается от ОУО, которое обычно измеряет продольные волны
(P-волны). В результате проведения данной работы могут быть построены следующие выводы:
с помощью аналитического метода, предложенного в данном исследовании, путем модифика-
ции уравнения (1), позволяющего использовать скорости импульсов S-волн для оценки динамиче-
ского модуля упругости, можно было достичь точности более 91 % в прогнозировании прочности
бетона на сжатие;
скорость эхоимпульса (Vecho) показала сильную линейную корреляцию с прочностью на сжатие,
был достигнут коэффициент корреляции выше 97 % с доверительной вероятностью выше 94 %;
оценка однородности бетона оказалась возможной и точной. Измерения до и после разрезания
призмы совпадали, только две части (из девяти) показали изменения скорости ультразвуковых
импульсов. Тем не менее эти изменения составили менее 1 %;
аналитический метод пригоден, даже если пользователь не имеет информации о типе цемента,
среднее значение s из табл. 1 может быть использовано в уравнениях (3) и (4). Однако это умень-
шает точность прогнозирования прочности на сжатие на 8 %;
ультразвуковой метод НК оказался интересным для мониторинга изменения прочности на сжа-
тие бетона;
соотношение вод и цемента не влияет на доверительную вероятность установления корреля-
ции между скоростью ультразвуковых импульсов и прочности на сжатие бетона.
Проведение экспериментов с ультразвуковым оборудованием показало, что, когда он выполня-
ется тщательно и систематически, такой метод является очень практичным методом НК. Однако
важно указать, что УТО имеет высокую чувствительность, результаты меняются при незначитель-
ном изменении давления, прикладываемого к преобразователям. Для получения надежных резуль-
татов требуется компетентный пользователь, обученный работе с таким устройством.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Aıtcin P.C. Cements of yesterday and today: concrete of tomorrow // Cement and Concrete Research.
2000. V. 30 (9). P. 1349—1359.
2. Krause M., Bärmann M., Frielinghaus R., Kretzschmar F., Kroggel O., Langenberg K.J., Maierhofer C.,
Müller W., Neisecke J., Shickert M., Shmitz V., Wiggenhauser H., Wollbold F. Comparison of pulse-echo
methods for testing concrete // NTD&E International. 1997. V. 30 (4). P. 195—204.
3. CEN — European Committee for Standardization / Concrete — Part 1: Specification, performance,
production and conformity. Brussels: EN 206-1, 2000.
Дефектоскопия
№ 4
2022
Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего...
55
4. Telisak T., Carraquilho, Fowler D.W.R. Early age strenght of concrete: a comparison of several
nondestructive teste methods. Texas: Center for Transportation Research, 1991.
5. Shah S.P., Subramaniam K.V. Use of nondestructive ultrasonic techniques for material assessment and
in-service monitoring of concrete structures // NDTnet. 2000. V. 5.
6. Vona M., Nigro D. Evaluation of the predictive ability of the in situ concrete strength through core drilling
and its effects on the capacity of the RC columns // Materials and Structures. 2015. No. 48. P. 1043—1059.
7. Schabowicz K., Suvorov V.A. Nondestructive testing of a bottom surface and construction of its profile
by ultrasonic tomography // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. V. 50. No. 2. P. 109—119.
8. Brigante M., Sumbatyan M.A. Acoustic methods for the nondestructive testing of concrete: a review of
roreign publications in the experimental field // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2013. V. 49.
No. 2. P. 100—111.
9. Oh T., Kee S.H., Arndt R.W., Popovics J.S., Zhu J. Comparison of NDT methods for assessment of a
concrete bridge deck // Journal of Engineering Mechanics. 2013. V. 139 (3). P. 305—314.
10. Alani A.M., Aboutalebi M., Kilic G. Integrated health assessment strategy using NDT for reinforced
concrete bridges // NDT&E International. 2014. V. 61. P. 80—94.
11. Breysse D. Nondestructive evaluation of concrete strength: An historical review and a new perspective
by combining NDT methods // Construction and Building Materials. 2012. V. 33. P. 139—163.
12. Gomez-Heras M., Benavente D., Pla C., Martinez-Martinez J., Fort R., Brotons V. Ultrasonic pulse
velocity as a way of improving uniaxial compressive strength estimations from Leeb hardness measurements
// Construction and Building Materials. 2020. V. 261.
13. CEN — European Committee fo Standardization / Assessment of in-situ compressive strength in
structures and precast concrete components. Brussels: EN 13791, 2019.
14. CEN — European Committee for Standardization / Testing concrete in structures. Part 4. Determination
of ultrasonic pulse. Brussels: EN 12504-4, 2004.
15. Bungey J.H., Millard S.G., Grantham M.G. Testing of Concrete in Structures / 4ª ed. Nova York: Taylor
& Francis, 2006.
16. Lim M.K., Cao H. Combining multiple NDT methods to improve testing effectiveness // Construction
and Building Materials. 2013. V. 38. P. 1310—1315.
17. Komlos K., Popovics S., Nürnbergerová T., Babál B., Popovics J.S. Ultrasonic pulse velocity test of
Concrete properties as specified in various standards // Cement and Concrete Composites. 1996. 10 Junho. V. 18.
18. Silva F.A.N., Nogueira C.L., Silva J.A., Araújo A.V.P., Azevedo A.C., Delgado J.M.P.Q. Ultrasonic
assessment of damage in concrete under compressive and thermal loading using longitudinal and transverse
waves // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. P. 808—816.
19. Proceq S.A. Pundit manual. Schwerzenbach: Swiss Solutions, 2017.
20. International Atomic Energy Agency, Guidebook on non-destructive testing of concrete structures,
Vienna: IAEA, 2002.
21. Scott D.B. Internal inspection of reinforced concrete for nuclear structures using shear wave
tomography // Energy Conversion and Management. 2013. V. 74. P. 582—586.
22. Birgül R. Hilbert transformation of waveforms to determine shear wave velocity in concrete // Cement
and Concrete Research. 2009. V. 39. P. 696—700.
23. Lee Y.H., Oh T. The measurement of P-, S-, and R-Wave velocities to evaluate the condition of
reinforced and prestressed concrete slabs // Advances in Materials Science and Engineering. 2016.
24. Sabbağ N., Uyanık O. Prediction of reinforced concrete strength by ultrasonic velocities // Journal of
Applied Geophysics. 2017. V. 141. P. 13—23.
25. Ravindrarajah R.S. Evaluation of compressive strength for high-strength concrete by pulse velocity
method. Proceedings of sessions sponsored by the Engineering Mechanics Division of the American Society
of Civil Engineers in conjunction with the Structures Congress San Antonio. Texas, 1992. P. 115—126.
26. Elvery R.H., Ibrahim L.A.M. Ultrasonic assessment of concrete strength at early ages // Magazine of
Concrete Research. 1976. V. 28. P. 181—190.
27. Evangelista A.C.J. Evaluation of concrete strength using different non-destructive testing methods
(Translated from the portuguese — Avaliação da resistência do concreto usando diferentes ensaios não
destrutivos), Rio de Janeiro: Dissertation (Doctorate in Civil Engineering) — Universidade Federal do Rio de
Janeiro, 2002.
28. Lee T., Lee J. Setting time and compressive strength prediction model of concrete by nondestructive
ultrasonic pulse velocity testing at early age // Construction and Building Materials. V. 252.
29. European Committee for Standardization, Eurocode 2: Design of concrete structures. Brussels: EN
1992-1-1, 2010.
30. Maia P.C. d. A., Waked L.V., Prellwitz M.F. Estimate of Elastic Modulus of Continuous Flight Auger
Concrete // Geotecnia Novembro. 2019. P. 27—40.
31. CEN — European Committee fo Standardization / Cement — Part 1: Composition, specifications and
conformity criteria for common cements. Brussels: EN 197-1, 2011.
32. CEN — European Committee fo Standardization / Testing fresh concrete — Part 2: Slump test.
Brussels: EN 12350-2, 2019.
Дефектоскопия
№ 4
2022
