Физические методы испытания материалов и конструкций

Из физических методов испытаний широкое распространение получили импульсный акустический, радиационные, магнитные, электромагнитные и электрические, радиодефектоскопия и инфракрасная дефектоскопия. При испытаниях строительных материалов и конструкций физическими методами измерения проводят специальными электронными приборами.

Импульсный акустический метод, получивший наиболее широкое распространение, основан на использовании закономерности распространения упругих волн материале.

Импульсный акустический метод может применяться самостоятельно и в комплексе с другими методами. Как самостоятельное средство этот метод применяется для оценки однородности материала конструкций, определения коэффициента Пуассона, изучения процессов структурных изменений в несущих конструкциях под воздействием нагрузок или внешней среды, установления прочности материалов (тяжелого бетона, тяжелых естественных камней), определения наличия и зоны распространения дефектов в конструкциях (трещины, пустоты, инородные включения).

В комплексе с другими методами импульсный акустический метод применяется для определения модуля упругости материала и прочности легких каменных материалов в конструкциях (керамзитобетон, шлакобетон, кирпич, кирпичная кладка и пр.).

С помощью импульсного акустического метода может быть выявлена дефектность каменных конструкций. Для определения глубины распространения трещины, выходящей на поверхность конструкции, используется способ построения годографа. По локальному увеличению времени (разрыв годографа) прохождения акустического импульса в зависимости от базы измерения при фиксированном положении датчика вычисляют глубину трещины. Невидимые дефекты конструкций (пустоты, инородные включения и т.д.) и зону их распространения выявляют методом последовательного приближения при сквозном прозвучивании конструкций.

С помощью указанного метода может быть также установлена прочность материала по корреляции между прочностью и его физическими характеристиками – скоростью распространения упругих волн, акустическим сопротивлением или акустической жесткостью среды. Для бетона и его аналогов (газобетона, керамзитобетона и шлакобетона) указанные зависимости уже установлены. Возможность применения импульсного метода для определения прочности кирпичной кладки до настоящего времени исследована недостаточно полно.

Для изучения физико-механических свойств материалов и дефектоскопии строительных конструкций применяются радиационные методы. Наиболее распространенными на практике являются:

- рентгеновский метод;

- метод тормозного излучения ускорителей электронов;

- γ - метод (радиометрический метод).

Эти методы применяются при решении идентичных задач. Перспективными являются метод радиографии, построенный на использовании позитронов и нейтронный метод. Использование нейтронов позволяет определять содержание влаги в материале, а использование позитронов - усталостные напряжения в материалах.

Рентгеновское, тормозное излучение ускорителей электронов и γ-излучение по своей природе являются высокочастотными электромагнитными волнами, распространяющимися в вакууме со скоростью света. Источниками ионизирующего излучения в диапазоне от 0,5 до 10000 кэВ служат рентгеновские аппараты.

Предел просвечиваемого слоя составляет: для металла – 100, для бетона – до 350, для пластмассы – до 500 мм.

Источниками высокоэнергетического тормозного ионизирующего излучения в диапазоне до 35 мэВ служат ускорители электронов. С их помощью возможно просвечивание слоя стали до 450, бетона до 2000 мм. Источниками γ-излучений являются радиоактивные изотопы. Толщины просвечиваемых слоев металла достигают 100, бетона – до 300, пластмассы – до 500 мм.

Характеристическое излучение испускается возбужденными атомами при их переходе в основное или менее возбужденное состояние. Этот процесс заключается в переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние, из которых выбиты электроны при бомбардировке атома заряженными частицами. Тормозное излучение возникает при прохождении электрона через поле атома или ядра, которым он тормозится.

Рентгеновский метод

Рентгеновское излучение возникает в результате резкого торможения электронов, образующих пучок катодных лучей, при столкновении с атомами материала анода. При торможении электронов в веществе возникает непрерывный спектр рентгеновских лучей, характерный для вещества мишени. Одновременно наблюдается и характеристическое излучение. Часть кинетической энергии электронов тратится на нагревание анода. Кванты рентгеновского излучения обладают свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние) и волновыми свойствами (преломление, интерференция, дифракция). Энергия находится в зависимости от длины волны: чем меньше длина излучения волны, тем больше его энергия, следовательно, проникающая способность.

При переходе преграды рентгеновскими лучами их интенсивность снижается по мере увеличения толщины преграды при наличии плотных включений. Наличие пустот равноценно уменьшению толщины преграды.

На практике применяют рентгеновское излучение при напряжениях на источнике от 1 В до 1000 кВ. В переносных рентгеновских аппаратах, применяемых для строительных целей, трубки питаются напряжением 100 – 200 кВ, что позволяет получать рентгеновское излучение с энергией Е=70 - 140 МэВ.

Радиометрический метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма-излучения с исследуемой средой. Взаимодействие излучения с веществом определяется основным законом ослабления ионизирующего излучения, который имеет вид (формула 3.1):

I = I_оe^-µх, (3.1)

где I и I_о – интенсивность излучения после и до взаимодействия с материалом;

e – основание натуральных логарифмов;

х – толщина испытываемой конструкции;

µ - линейный коэффициент ослабления, равный (формула 3.2):

µ = µ’/ ρ, (3.2)

где µ’ – массовый коэффициент ослабления; ρ – плотность материала.

Рис. 3.1. Схема радиометрического контроля

Для определения плотности строительных материалов используют источники Cs – 137 и Со – 60, энергия которых Е = 0,66 и 1,25 МэВ соответственно.

Плотность строительных материалов можно найти методом сквозного просвечивания или методом рассеяния. Если к конструкции возможно подойти только с одной стороны, для определения плотности применяют метод рассеяния, при котором источник излучения и счетчик импульсов находятся у одной и той же поверхности конструкции. Датчиком для определения плотности является выносной элемент ИП – 3. Счетно-запоминающим устройством служат радиометры типа Б – 3 или Б – 4.

Для определения плотности материала в конструкции необходимо знать величину насыщения – минимальную толщину конструкции, при которой можно найти плотность материала методом рассеяния. Значения этой величины для Е = 1,25 и 0,66 МэВ при испытании различных материалов приведены в таблице [2] (стр.267, табл. 5.14).

Данные данной таблицы позволяют выбрать тип источника для того или иного материала и способ просвечивания в зависимости от толщины испытываемой конструкции. При испытаниях материала методом рассеяния необходимо учитывать влияние граничных условий, поэтому расстояние от края испытываемой конструкции до датчика должно быть не менее величины насыщения. Плотность материала определяют по тарировочной кривой I = f (ρ), которая строится по результатам испытания серии образцов плотностью 0,5 – 2,5 т/м³, размерами 500×500×250 мм.

Нейтронный метод определения влажности материалов основан на эффекте замедления быстрых нейтронов на легких ядрах, в первую очередь на ядрах водорода.

Характеристика степени замедления нейтронов – логарифмический декремент затухания энергии – является функцией относительной атомной массы элементов среды.

В противоположность декременту затухания число столкновений, необходимых быстрому нейтрону для замедления до уровня теплового (медленного) нейтрона, с уменьшением относительной атомной массы элементов уменьшается и для водорода является минимальным.

В комплект аппаратуры для нейтронного метода измерения влажности входят датчик НВ – 3 и счетно-запоминающее устройство СЧ – 3, СЧ – 4 или прибор «Бамбук», с помощью которого можно получить сведения о влажности материала по тарировочным графикам или непосредственно по шкале.

Датчик в зависимости от цели использования или условий испытания может работать по схемам рассеяния или сквозного просвечивания. Для измерения влажности материала эксплуатируемых конструкций целесообразно использовать схему рассеяния.

Для измерения влажности древесины применяют электронный влагомер ЭВ – 2М, принцип действия которого основан на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Прибор состоит из щупа и преобразователя, расположенного в пластмассовом корпусе. Для измерения влажности в диапазоне 7 – 22% прибор представляет собой ламповый омметр, в диапазоне 20 – 60% - магнитоэлектрический омметр. При работе иглу щупа прибора вводят в древесину; показания прибора соответствуют влажности сосны (для других пород имеется переводная таблица).

В настоящее время эффективно развивающийся метод неразрушающего контроля с использованием позитронов (метод радиографии) применяется для определения величины и степени пластической деформации, а также для определения напряжений в материалах до появления усталостных трещин. В начальной стадии усталостного разрушения материала происходит образование в нем дислокаций. В областях дислокации до появления трещин накапливаются отрицательные заряды. При облучении металла позитронами последние притягиваются к дислокациям, где они в результате взаимодействия со скопившимися электронами образуют γ-излучение. Среднее время жизни позитронов можно связать с наличием области усталости в металле.

С помощью методов, основанных на использовании ионизирующего излучения, можно решать многие задачи, связанные с изучением состояния строительных конструкций. К этим задачам относятся: выявление дефектов при сварке металлических конструкций, дефектов прокатных листов, трещин, зазоров между заклепками и основным материалом, коррозионных поражений, определение толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения арматуры в железобетонных конструкциях, измерение напряжений, определение объемной массы строительных материалов, выявление толщин изделий, определение влажности строительных материалов, выявление напряжений в металлах до появления усталостных трещин.

Магнитометрический метод основан на взаимодействии магнитного поля с введенным в него ферромагнетиком (металлом). Этот метод применяют при обследовании железобетонных конструкций, когда необходимо установить расположение и сечение арматуры и величину ее защитного слоя, а также при обследовании каменных конструкций с закладными металлическими деталями или перекрытий по металлическим балкам, чтобы определить положение и рабочее сечение металлических элементов.

Для установления диаметра арматуры и толщины защитного слоя в железобетонных конструкциях используется прибор ИЗС – 2, работающий на полупроводниках. Щуп прибора представляет собой преобразователь трансформаторного типа, состоящий из двух частей, в каждую из которых вмонтированы две индукционные катушки. Индикатором служит микроамперметр М – 24. При перемещении щупа по поверхности конструкции наличие металла фиксируется по минимальному отклонению стрелки амперметра. При обнаружении металла щуп устанавливают на риску и по показаниям индикатора записывают толщину защитного слоя для арматуры всех диаметров, которые указаны на его шкале. Затем под щуп подкладывают прокладки толщиной 10 мм и снова определяют толщину защитного слоя для всех диаметров. Искомый диаметр устанавливают по той шкале, на которой положение стрелки индикатора соответствует толщине защитного слоя бетона с учетом толщины прокладки.

Выявить наличие металла в конструкции можно также с помощью приборов МИ – 1 (металлоискатель) или ИСМ. Прибор ИСМ состоит из двух генераторов высокой частоты, усилителя-ограничителя, ограничительного каскада, дифференцирующего контура и индикатора. Индикатором служит амперметр М – 24. С первым генератором соединен выносной щуп. Второй генератор является эталонным. Принцип работы прибора основан на изменении частот генератора под воздействием металла на колебательный контур. При поиске скрытого металла щуп перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстоянии 5 – 7 см от поверхности конструкции. Наличие металла обнаруживается по отклонению стрелки. Для определения точного места нахождения металла щупом совершают возвратно-поступательные движения до максимального отклонения стрелки. Положения металла отмечают риской на поверхности конструкции. Используя тарировочную таблицу, можно также определить номер проката балки.

Методами, основанными на СВЧ – излучении, могут быть определены напряженное состояние изотропных материалов и дефектность конструкций.

В основу метода определения напряженного состояния положен эффект Брюстера, заключающийся в том, что изотропный материал, находящийся в напряженном состоянии, обладает, подобно кристаллу, свойствами двойного лучепреломления.

Применение методов СВЧ перспективно также для определения дефектов конструкции. При перемещении установки вдоль поверхности исследуемой конструкции выявляют места и зону распространения скрытых дефектов, в том числе участки с нарушенным шагом стержней арматуры железобетонных конструкций.