Визуализация внутренних дефектов железобетона
Визуализация внутренних дефектов железобетона
Корродированная арматура, трещина в балке или промоина в стене подземного сооружения могут существенно ухудшить несущую способность и сократить срок службы здания, моста или туннеля. Для своевременного обнаружения подобных скрытых дефектов создан портативный ультразвуковой томограф, обладающий широкими возможностями экспертного обследования железобетонных конструкций.
Несущая способность железобетонной конструкции или всего сооружения зависит не только от прочности самого материала, но и от различных дефектов его внутренней структуры, которые невозможно обнаружить внешним осмотром. Это в равной мере относится и к новым объектам и к построенным много лет назад.
Внутренними дефектами железобетонного монолита могут быть полости в местах густого армирования или неуплотнённые области с плохим сцеплением цементного камня с заполнителем, усадочные трещины, области рыхлого, плохо уложенного бето¬на, случайно попавшие в бетон инородные включения с существенно меньшей плотностью, чем плотность цементного камня. Слабое сцепление цементного камня с арматурой, вызванное её коррозией, является распространённым дефектом эксплуатационного происхождения. Размеры дефектов, ослабляющих прочность конструкции, зависят от размеров самой конструкции, её формы, внутреннего устройства, вида и степени армирования и т.д. В крупных сооружениях размеры могут достигать сотен миллиметров. Минимальные размеры соизмеримы с крупным запол¬нителем бетона. В зависимости от ответственности конструкции в её проектную прочность обычно закладывают более или менее значительный запас на неизбежные производственные дефекты и возможность появления новых дефектов с течением времени.
Полости, трещины и инородные неметаллические включения в железобетоне практически невозможно обнаружить с помощью электромагнитного излучения. Другие виды проникающих излучений, в частности и рентгеновское, также в большинстве случаев не решают этой задачи, особенно, если доступ к обследуемой конструкции односторонний. Ультразвуковые волны - единственный вид излучения, реагирующий по своей природе на различные механические нарушения структуры материала, - наилучшим образом подходят для обнаружения таких нарушений в строи тельных конструкциях.
Для обследования монолитных железобетонных конструкций с целью поиска в них внутренних дефектов применяют приборы, действие которых основано на анализе характеристик ультразвуковых волн, отражённых от дефектов в бетоне и от внутренней поверхности конструкции. Отражение ультразвуковой волны, излучаемой прибором внутрь конструкции, происходит от любой границы между двумя средами с разными физико-механическими свойствами. Причём отражение тем сильнее, чем более резко отличаются свойства сред на этой границе. Наибольшее отражение происходит на границах бетона с воздухом или металлом.
На протяжении многих лет созданием и серийным выпуском таких приборов занимается фирма «Акустические Контрольные Системы», г. Москва. Наиболее совершенным из них стал но вый ультразвуковой томограф А1 040 «Полигон», разработанный специалистами фирмы в 2006 году. От предыдущих приборов его отличает сочетание высокого качества изображений внутренней структуры обследуемой конструкции с малым временем их получения.
Основой томографа является антенное устройство, состоящее из 40-элементной матричной решётки ультразвуковых преобразователей с устройством управления и обработки сигналов. В антенном устройстве использованы преобразователи с сухим точечным акустическим контактом и индивидуальным прижимом к поверхности бетона. В состав томографа входит также портативный компьютер промышленного исполнения. Внешний вид томографа А1040 «Полигон» приведён на рис. 1. В томографе предусмотрено четыре режима работы:
1. «Калибровка» - адаптация прибора к бетону контролируемой конструкции. При калибровке происходит автоматическое измерение скорости поперечных ультразвуковых волн в бетоне, автоматическая установка требуемого усиления в приёмном тракте, запись других параметров сигналов из бетона, нужных для правильного и наиболее чистого от помех отображения картин внутреннего строения объекта контроля.
2. «Обзор» - режим быстрого обзора внутренней структуры строительной конструкции. В этом режиме оператор устанавливает антенное устройство в любое место поверхности конструкции через 2 - 3 секунды получает на экране компьютера В-изображение среза внутренней структуры бетона под антенным устройством на глубину 0,5; 1 или 2,5 м (это выбирается). Ширина среза, отображаемого на экране, равна 0,5 м. Так можно посмотреть, что находится под поверхностью бетона в любом месте конструкции, измерить толщину бетона или обнаружить какой-либо внутренний дефект или предмет, например, силовую арматуру или пластмассовую трубу с кабелями.
3. «Сбор» - режим сбора ультразвуковых данных о внутренней структуре объекта контроля при сканировании антенным устройством больших площадей бетонных стен, перекрытий, фундаментов или опор мостов и т. д. В этом режиме сканирование проводят путём перестановки антенного устройства по поверхности конструкции вдоль прямой линии с некоторым выбранным шагом (например, 50 мм). В каждом положении производят запись данных в компьютер с одновременным получением на экране В-изображения объекта под антенным устройством. Время записи данных и получения изображения такое же, как и в режиме «Обзор». Сканирование производят в виде полосы произвольной длины. Антенное устройство переставляют вдоль узкой стороны устройства, то есть полоса снимается шириной в полметра. Таких полос, примыкающих друг к другу, или не примыкающих, а лежащих в разнесенных местах поверхности конструкции, можно просканировать несколько.
4. «Просмотр». Этот режим использует¬ся для детального анализа данных, снятых в режиме «Сбор». На экране в этом режиме отображаются сразу или по очереди все три типа взаимно перпендикулярных изображений: В, С и D. Просматривать изображения можно и без антенного устройства в любом месте вдали от объекта контроля.
На рис. 2 показан пример томограммы типа В бетонной плиты толщиной 400 мм с тремя высверленными каналами, параллельными поверхности, на которую было установ¬лено антенное устройство томографа А1040. Визуализированное сечение ориентировано перпендикулярно этим каналам, имитирующим протяжённые дефекты в конструкциях. Один из каналов диаметром 30 мм расположен на глубине140 мм (его образ слева на томограмме), два других канала диаметром 13 мм расположены один под другим на глубинах 80 и 180 мм (их образы справа). Внизу изображения находится образ донной поверхности плиты. Приведённое изображение иллюстрирует чувствительность и разрешающую способность томографа. Размеры образов от данных искусственных отражателей, меньших длины ультразвуковой волны, не превышают 50 мм.
Полный комплект оборудования томографа включает в себя различные вспомогательные устройства и приспособления, обеспечивающие длительную работу оператора с прибором в любых условиях, как в помещениях, так и на открытом воздухе при наличии и отсутствии сетевого электропитания. Комплект укладывается в чемодан и сумку для компьютера. Общий вес комплекта не превышает 10 кг.