Lektsii_ispyt

81

Рис. 68. Схема выявления дефекта методом продольного профилирования

При размещении излучателя и приемника на одной поверхности может быть решена задача о глубине у развития трещины, выходящей на поверхность (рис. 69).

Рис. 69. Схема определения глубины трещины

Для этого на равных расстояниях а перпендикулярно оси трещины устанавливают излучатель и приемник, после чего экспериментально определяют время t1 прохода импульса по трассе АВС. На ненарушенном участке бетона определяют скорость прохода ультразвука, для чего располагают излучатель и приемник на некотором расстоянии б, фиксируют

время t2 и находят скорость v	b	.	Соотношение, определяющее скорость
	t2
прохождения звука по трассе АВС, будет выглядеть так: v								a2	y2	.
									t
								1
Приравнивая скорости, получим
y					b2t12	a2 .
					4t 2
			2

В последнее время при использовании импульсного ультразвукового метода, применительно к бетонным конструкциям, вместо осциллографов используют микросекундомеры, на цифровых индикаторах которых высвечива-

82
ется промежуток времени между посылкой импульса излучателем и						реги-
страцией времени прихода на приемник фронта импульса.
Cвязь между скоростью распространения ультразвука v, плотностью p
и модулем упругости Е дается формулой v			E	, ГДЕ Е — это динами-
ческий модуль упругости, который отличается	от				статического	модуля

упругости и это отличие может достигать 10 и более процентов. Плотность материала может быть определена непосредственно взвешиванием или радиометрическим методом. Динамический коэффициент Пуассона можно найти, если провести определение скоростей распространения ультразвука в стержне vс и кубе vк, изготовленных из одного и того же замеса.

						2	1
	1 1					vc
			8 1			2
						vк			.
				2
				vc
	4 1			2
				vк

Для определения прочности бетона R по скорости ультразвука необходимо построить градуировочную кривую (рис. 70). Для этого изготовляют не менее 45 образцов в идентичных условиях и проводят испытания с образцами различного возраста. Затем проводят прозвучивание каждого образца в направлении, перпендикулярном к направлению укладки бетона, а затем испытывают кубы на прессе до разрушения. Детально отмеченная процедура регламентируется соответствующим ГОСТ.

Рис.70. Градуировочная зависимость при прозвучивании бетона ультразвуковым импульсным методом

Далее используются формулы, позволяющие перейти от динамических характеристик к статическим. В эксплуатируемых конструкциях прочность бетона может быть определена по эмпирическим формулам

					83
			v	4
					, R 30МПа;
	R R0 1		v0
	R R0v 8,87v0				7,87v 1 , R 30МПа,

где R0 — средний предел прочности бетона в кубах, число которых должно быть не менее трех, v0 — средняя скорость распространения ультразвука в кубах.

На скорость распространения ультразвука в бетоне влияют различные факторы: возраст бетона и условия его твердения, количество и тип заполнителя, количество цемента, температура, тип и размеры арматуры, напряженное состояние бетона. Проведено большое число научных исследований, которые позволяют дать определенные рекомендации, которые содержатся в литературе [5]. Резонансный метод связан с воздействием на конструкции возмущений с изменяющейся частотой. При использовании ультразвука для проведения испытаний при стандартных возбудителях колебаний можно рассматривать в качестве исследуемых объектов лишь образцы, геометрические размеры которых достаточно невелики. Достоинство подобных экспериментов заключается в том, что они открывают широкое поле для выявления различных, ранее отмеченных факторов на динамические характеристики материала, испытываемого импульсным методом.

При проведении резонансных испытаний используют образцы: призмы размером 20X20X80; 15X15X60; 10ХЮХ40; 7,07X7,07x28,3 см, а также цилиндры диаметром 15; 7,14 см при высоте образца соответственно 60 и 28,56 см. Проведенные при этом испытания позволяют определить динамические модули упругости и сдвига.

Излучатель при проведении испытаний возбуждает гармонические колебания с различной частотой. Приемник воспринимает колебания системы и регистрируют эти колебания на экране электронно-лучевого осциллографа или на частотомерном индикаторе. При построении амплитудно-частотной характеристики применительно к строительным конструкциям, обладающим малыми свойствами затухания, достаточно четко можно выявить те частоты, которые соответствуют резонансным режимам.

В результате проведенных испытаний в рамках резонансного метода можно установить совпадение частот вынужденных и собственных колебаний.

Использование известных формул динамики сооружений позволяет по найденному значению резонансной частоты f (Гц) вычислить динамические модули упругости Е и G (Па).

На рис. 71 представлены три схемы испытаний. При изучении продольных колебаний а испытуемый образец располагается на эластичной прокладке 5, толщина которой должна быть не менее 20 мм, а ширина вдоль балки не должна превышать 0,25 l (l — длина балки). При изучении изгибных колебаний б балка располагается на ножевых опорах 4, причем

84

размер консоли выбран так, чтобы возбудить форму колебаний, тождественную первой форме свободных колебаний балки, лишенной опор. При изучении крутильных колебаний балка зажимается ножевыми опорами 4 в середине пролета. На схемах показаны соответствующие расположения излучателя 1 и приемника 2.

Рис. 71. Схема возбуждения колебаний резонансным методом

Изучение продольных колебаний позволяет определить

E 4 fп2 l2 ,

изучение изгибных колебаний позволяет определить

E cf 2 l 4 ,

и h2

изучение крутильных колебаний позволяет определить динамический модуль сдвига

G 4kfк2 l2 ,

где fп , — резонансная частота продольных колебаний; fи — резонансная частота изгибных колебаний; fк — резонансная частота крутильных колебаний, l— длина балки, м, h— высота балки, м, р— плотность материала, кг/м3; с — коэффициент, зависящий от отношения h/1 и определяемый по графику, приведенному на рис. 72; к — коэффициент, зависящий от отношения высоты сечения h к его ширине b (рис. 72). Если h<b, то следует взаимно изменить смысл символов h и b.

Рис. 72. График для определения коэффициента к в зависимости от отношения высоты балки к ее ширине

Приближенно значение динамического коэффициента Пуассона может быть определено по формуле

85

E 2G . 2G

Логарифмический декремент колебаний определяется в соответствии с формулой

		An 1
	ln		.
		An

Радиационные методы

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 и - метод. Эти методы при-

меняются при решении идентичных задач. Перспективными являются метод радиографии, построенный на использовании позитронов, и метод просвечивания потоком тепловых нейтронов. Использование нейтронов позволяет определять содержание влаги в материале, а использование позитронов — усталостные напряжения в материалах. Рентгеновское, тормозное излучение ускорителей электронов и - излучение по своей природе являются

высокочастотными электромагнитными волнами, распространяющимися в вакууме со скоростью света. Источниками характеристического и тормозного ионизирующего излучения в диапазоне от 0,5 до 1000 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. Источникамиизлучений 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. Чтобы электрон мог пройти близко от ядра материала мишени, его энергия должна быть не менее 105 эВ.

Рентгеновское излучение (рис. 73 а) возникает в результате резкого торможения электронов 3, образующих пучок катодных 4 лучей, при столкновении с атомами материала анода 2. При торможении электронов в веществе возникает непрерывный спектр рентгеновских лучей 7, характерный для вещества мишени. Одновременно наблюдается и характеристическое из-

86

лучение. Часть кинетической энергии электронов тратится на нагревание анода. Кванты рентгеновского излучения обладают свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние) и волновыми свойствами (преломление, интерференция, дифракция). Длина волны любого электромагнитного излучения — рентгеновского, - излучения, видимого света, инфракрасного, радиоволнового,

ультрафиолетового, космического связана				с частотой f	соотношением
	с	, где	с - скорость света ( с = 2,998 108 мс-1). Чем меньше длина
	f
волны излучения, тем больше его энергия, а				следовательно,	проникающая
способность.

Рис. 73. Схема просвечивания рентгеновскими лучами

При проходе преграды (рис. 73 б) рентгеновскими лучами их интенсивность снижается по мере увеличения толщины преграды при наличии плотных включений 6. Наличие пустот_5 равноценно уменьшению толщины преграды. На рис. 73 в показана эпюра интенсивности рентгеновского излучения за преградой.

На практике применяют рентгеновское излучение при напряжениях на источнике / от 20 В до 2000 кВ и выше. 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.

Для получения рентгеновского излучения с энергией до 30 МэВ используются бетатроны (рис. 74).

87

РИС. 74. Схема бетатронной установки

Бетатрон, индукционный ускоритель электронов, состоит из ускорительной камеры 1, электромагнита 3, блоков питания 2, 6 и пульта управления 5. В один из патрубков бетатронной камеры встроен инжектор 7 (электронная пушка). Кольцевая стеклянная вакуумная бетатронная камера расположена между полюсами электромагнита и подобно рентгеновской трубке является источником тормозного излучения. Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере электрического поля, необходимого для ускорения и управления движением электронов. Катушки электромагнита 4 питаются переменным током. Возникающий синусоидально изменяющийся магнитный поток индуцирует в камере вихревое электрическое поле. Под действием этого поля электроны, введенные инжектором в камеру, движутся с ускорением по окружности. За каждый оборот электроны получают относительно небольшое приращение энергии, что объясняется малой напряженностью электрического поля, но совершив большое число оборотов, они ускоряются до энергии нескольких десятков МэВ. Ускоренные электроны смещаются с равновесной орбиты и направляются на анод 9 из платины или вольфрама. В результате торможения электронов возникает тормозное излучение 8.

Фокусное пятно бетатрона имеет очень маленькие размеры (0,1 — 0,01 мм2). Из него выходит интенсивный и узкий пучок излучения с углом раствора 5—6°, что обеспечивает высокую резкость снимков и соответственно высокую чувствительность методов просвечивания. В настоящее время используются стационарные, подвижные и переносные бетатроны, причем масса электромагнита переносных бетатронов составляет 23 кг, а энергия излучения Е = 3 МэВ, при 100 кг Е = 6 МэВ.

88

В последние годы получили широкое применение линейные ускорители. На рис. 75 представлена схема электростатического линейного ускорителя с энергией излучения до 2 МэВ.

Рис. 75. Схема электростатического линейного ускорителя

Изолированный металлический полушар 2 заряжается от быстродвижущейся ленты 1, на которую подается заряд. Электроны, вылетающие из катода 3, ускоряются в стеклянной вакуумной трубке 4 за счет высокого напряжения между полушаром и нижней точкой ускорителя. В результате торможения на мишени (аноде) 5 генерируется тормозное излучение. Линейный ускоритель с бегущей волной состоит из модулятора (источника импульсного напряжения), высокочастотного генератора электромагнитных волн, волновода и инжекторов электрона с трубкой. Бегущая от генератора электромагнитная волна при подаче на него от модулятора импульса напряжения захватывает электроны. В волноводе бегущая волна ускоряется, а вместе с ней ускоряются электроны. Ускоренные частицы, попадая на анод, возбужают тормозное излучение. Малогабаритные ускорители характеризуются энергией до 10 МэВ.

Микротрон - резонансный циклический ускоритель - состоит из электромагнита и вакуумной ускорительной камеры. Камера представляет собой полую цилиндрическую коробку, помещенную в постоянное магнитное поле. Внутри коробки на периферии смонтирована система ускорения электронов. С изменением частоты движения электронов по

89

круговой траектории синхронно изменяется частота переменного электрического поля системы ускорения. Микротрон позволяет ускорить электроны до энергии в несколько десятков и сотен МэВ. Микротроны как источники тормозного излучения являются весьма перспективными.

Источниками γ-излучения являются радиоактивные изотопы химических элементов. При их радиоактивном распаде в результате энергетических изменений внутри атома испускается γ - излучение. Гамма-кванты возникают при радиоактивном распаде ядра вследствие того, что после вылета частицы, например а-частицы, новое ядро может оказаться в возбужденном энергетическом состоянии и этот избыток энергии освобождается в виде γ -из- лучения.

Радиоактивные источники, применяемые в строительстве, в зависимости от энергии γ -излучения, подразделяются на три группы: источники с энергией около 1 МэВ (кобальт — 60) — жесткое излучение, источники с энергией 0,3—0,7 МэВ (цезий — 137, иридий — 192) — излучение средней жесткости, источники с энергией менее 0,3 МэВ (тулий — 170, европий — 155) — мягкое излучение. Число после обозначения химического элемента определяет так называемое массовое число, которое равно сумме числа протонов и нейтронов в ядре. Более полное обозначение изотопа осуществляется указанием при символе изотопа трех индексов, например 33/27 Со60, где нижний левый индекс указывает число протонов, верхний левый - число нейтронов, верхний правый – массовое число. Применяются также сокращенные обозначения: 60/27 Со, Со60 или кобальт - 60.

Источники γ – излучения представляют собой ампулы из коррозионностойкой стали или алюминиевого сплава. Цилиндрический металлический стакан, в котором помещенный изотоп герметизируется в своей открытой части эпоксидным клеем. В контейнере-хранителе осуществляется с помощью манипулятора перенесение источника излучения в рабочий контейнер и возвращение из него в контейнер-хранилище.

На рис. 76 представлен общий вид γ - дефектоскопа. γ - дефектоскопы состоят из следующих основных блоков: радиационной головки с источником излучения, встроенных или сменных коллиматоров, оптического устройства для создания параллельных пучков, пульта управления выпуском и перекрытием пучка 7-излучения, штатива для крепления радиационной головки относительно объекта контроля или ампулопровода, транспортноперезарядного контейнера.

90

Рис. 76. Общий вид - дефектоскопа

Радиационные головки имеют свинцовую или вольфрамовую защиту, обеспечивающую снижение мощности дозы излучения до предельно допустимых. Конструктивно головки выполняются с перемещаемым и неподвижным источниками излучения. Головки с перемещаемым источником шлангового типа имеют внутри криволинейный канал-лабиринт, в котором держатель источника фиксируется в положении хранения замком. После открытия замка источник может быть перемещен в два рабочих положения: к выходному окну головки или за ее пределы по ампулопроводу.

Головки затворного типа имеют затвор, дистанционно открываемый и закрываемый при выпуске и перекрытии пучка излучения. Перемещение источника осуществляется ручным, электрическим или пневматическим приводами, а управление затвором - электроприводом. Расстояния между пультом и головкой у переносных дефектоскопов от 3,5 до 12 м, у подвижных - до 50 м. Пульты оборудованы цветовой системой сигнализации, указывающей положение хранения источника или положение просвечивания: положению хранения соответствует зеленый цвет, положению просвечивания — красный, а положению перемещения источника по ампулопроводу (открыванию или закрыванию затвора) — желтый.

Поток тепловых нейтронов образуется при ядерных реакциях, происходящих при бомбардировке мишеней (бериллия и бора) α-частицами, протонами, нейтронами или γ - квантами очень высокой энергии. Тепловые нейтроны характеризуются энергией до 0,3 эВ. Проникающая способность нейтронов практически не зависит от плотности материала, но в большей степени поглощается водой, эпоксидной смолой и другими органическими материалами, содержащими легкие элементы (водород, литий, бор, кадмий, медь, свинец). Поэтому поток нейтронов эффективно используется для просвечивания материалов, которые не могут быть исследованы с помощью