V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Строительные материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений, характеризуются разнообразными свойствами, которые определяют качество материалов и области их применения. Строительные материалы часто используются в силовых конструкциях, где высока вероятность их непредвиденного разрушения в процессе эксплуатации. В последние годы значительного возросла задача контроля качества и диагностики разрушения. Чтобы продлить срок службы конструкций из бетона и обеспечить их безопасную эксплуатацию необходимо иметь достоверную информацию о качестве, техническом состоянии и местоположении дефектных областей, чтобы своевременно осуществлять ремонтно-восстановительные мероприятия или принимать решение о реконструкции отдельных участков или всего инженерного сооружения в целом.

Прочность и деформативность бетона определяются главным образом структурой и свойствами цементного камня, который скрепляет зерна заполнителя в монолит. Структура и свойства цементного камня зависят от его минералогического состава, водоцементного отношения, тонкости помола цемента, возраста, условий приготовления и твердения, введенных добавок. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя, а также от его состава. Из всего этого можно сделать вывод, что основными структурными характеристиками, влияющими на прочность строительных материалов, являются: пористость, крупность заполнителя и контакт заполнителя с вяжущим веществом.

Для того чтобы исследовать их, необходимо создать физические модели бетона, изменяя структурные характеристики. То есть увеличить пористость с помощью изменения водоцементного отношения и вовлечения воздуха, увеличить или уменьшить процент содержания крупного заполнителя, а также ухудшить контакт заполнителя с вяжущим веществом путем смазывания гравия маслом или улучшить путем промывки заполнителя. Используя, разработанный на базе лаборатории ЭДИП ИНК национального исследовательского Томского политехнического университета метод неразрушающего контроля строительных материалов по параметрам электрического отклика на ударное возбуждение, пронаблюдать изменение электрического сигнала в образцах с различными структурными характеристиками.

Для проведения экспериментов используется лабораторный комплекс, схема которого изображена на рисунке 1, позволяющий производить импульсное возбуждение, регистрацию и оцифровку временной реализации электромагнитного отклика на произведенное возбуждение, регистрацию длительности механического возбуждения и осуществлять исследование параметров электромагнитного отклика из образцов, подвергнутых температурному нагреву.

Для регистрации электрической составляющей переменного электромагнитного поля, возникающего при импульсном механическом возбуждении образцов, использовался дифференциальный электрический датчик. Он позволяет значительно уменьшить величину внешних электрических помех. Датчик состоит из двух металлических пластин, параллельно разнесенных в пространстве, одна из которых является измерительной (1) и воспринимает как полезный сигнал так и помеху, а другая - компенсационная (2), расположена параллельно измерительной на расстоянии 30 мм вне зоны действия электромагнитного поля, и принимает помеховую составляющую, за счет чего на выходе дифференциального приемника выделяется полезная составляющей сигнала.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки: 1 – измерительный электрод; 2 – компенсационный электрод; 3 - образец; 4- электромеханический ударник; 5 - предварительный усилитель; 6 - блок питания; 7 – терминальный блок платы ввода–вывода данных, 8 – заземленная подложка.

В состав измерительного комплекса входит электромеханическое ударное устройство, позволяющее осуществлять однократный нормированный по силе удар. В качестве ударного устройства использована катушка индуктивности с находящимся внутри ударным элементом – металлическим стержнем. Необходимая сила удара задается путем подачи на катушку определенного напряжения с регулируемого источника питания через коммутационное реле.

Процесс регистрации механоэлектрических преобразований заключается в следующем. Объект для исследования устанавливается на точечные опоры. На объект контроля устанавливается электромеханический ударник с закрепленными к нему измерительными электродами. Измерительный электрод установлен таким образом, чтобы расстояние между измерительным электродом и поверхностью образца было равным 2 мм. Электрическая составляющая переменных электромагнитных полей, источником которых являются механоэлектрические преобразования, регистрируется с помощью электрического датчика.

Проведенный патентный поиск показал, что на сегодняшний день не существует неразрушающего метода, с помощью которого можно было бы исследовать структурные характеристики готовых композиционных строительных материалов. Поэтому данная задача является актуальной на сегодняшний день и активно развивается на протяжении многих лет. Если с помощью механоэлектрических преобразований удастся определять помимо дефектов еще и структурные характеристики, то это нововведение позволит не только расширить разрабатываемый метод контроля, но и создать методику для контроля прочности по данным о структурных характеристиках материала.

Для экспериментов использовались образцы размерами 100х100х100 мм с характеристиками, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики, используемых образцов.

Характеристика	Легкий бетон	Тяжелый бетон
Заполнитель	керамзит	гравий
Плотность (г/см3)	1508	2243
Скорость звука (км/с)	4,16	3,38

На рисунках 1—4 приведены сигналы и спектры, исследуемых образцов.

Рисунок 2 – Сигнал легкого бетона.

Рисунок 3 – Сигнал тяжелого бетона.

Рисунок 4 – Спектральная диаграмма частот легкого бетона.

Рисунок 5 – Спектральная диаграмма частот тяжелого бетона.

По рисункам 1 и 2 видно, что сигналы из образцов отличаются между собой по величине сигнала в 2,4 раза, а также имеют различный характер затухания. Спектральный состав меняется еще сильнее, поэтому более надежно характеристики можно исследовать по спектральному составу. Наряду с изменением величины основного спектрального максимума происходит смещение этого максимума и усложнение, и изменение формы спектра.

На основе проведенных экспериментов можно сделать вывод, что, параметры электрического сигнала зависят от структурных характеристик материала и могут быть использованы для их контроля.

Литература:

1. Фурса Т.В., Данн Д.Д. Механоэлектрические преобразования в гетерогенных материалах, содержащих пьезоэлектрические включения. - ЖТФ, 2011, т. 91, вып. 8, с. 53-58.

2. Фурса Т.В., Суржиков А.П., Осипов К.Ю. Разработка акустоэлектрического метода определения пористости диэлектрических материалов. – Дефектоскопия, 2007, № 2, с. 27-34.

3. Фурса Т.В., Осипов К.Ю., Данн Д.Д. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов// Пат. 2453824 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 3/32 опубликовано 20.06.2012 Бюл.17.

Код для цитирования: Скопировать