Магнитные, вихретоковые и электрические методы
УДК 539.4:538.3
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ
Т.В. Фурса, H.H. Хорсов, A.A. Беспалько
Предложен новый метод контроля качества взлетно-посадочной полосы по параметрам электромагнитного отклика на ударное возбуждение.
Используемые в конструкции взлетно-посадочной полосы (ВПГТ) железобетонные плиты в процессе эксплуатации испытывают значительные механические нагрузки. Эти нагрузки ускоряют старение бетона и приводят в конечном счете к потере несущих свойств плит. Для осуществления безаварийной эксплуатации ВПГТ необходимы надежные методы контроля состояния бетонных плит. При этом для объектов такой площади очевидным преимуществом обладают методы неразрушающего контроля, позволяющие производить экспрессный анализ качества бетонной полосы с охватом всей ее площади. Эта задача может быть решена методом неразрушающего контроля прочности диэлектрических гетерогенных структур с использованием явления механоэлектрических преобразований, которое изучается на протяжении ряда лет в Томском политехническом университете.
При исследовании этого явления было получено, что параметры электромагнитного отклика на ударное возбуждение твердых тел связаны с их механическими характеристиками и дефектностью [1]. Это дает уникальную возможность для решения проблем дефектоскопии твердых тел, диагностики их прочности, изучения строения и структуры материала, его напряженно-деформированного состояния, контроля за процессами изменения физико-механических свойств в процессе старения и т. п. Результаты работ защищены пятью авторскими свидетельствами и патентом [2].
Метод неразрушающего контроля прочности изделий заключается в том, что контролируемое изделие подвергают слабому однократному ударному воздействию, не приводящему к нарушению материала, измеряют характеристики электромагнитного отклика, генерируемого в зонах локальных заряженных дефектов и неоднородностей, и с помощью предварительно установленной эмпирической зависимости, связывающей параметры отклика с механической прочностью, определяют прочность изделия.
Измеритель прочности бетона, блок-схема которого изображена на рис. 1, состоит из:
канала управления, куда входит контроллер 1, ПЗУ 2 и ОЗУ 5;
канала измерителя электромагнитного отклика на ударное возбуждение, включающего емкостной датчик с предусилителем 4, усилитель 5 с регулятором усиления 6, фильтр 7 и АЦП 8;
блока питания 9;
механического ударника 10.
Измеритель обеспечивает обмен информацией с базовым блоком лаборатории, осуществляет предварительную обработку и хранение полученной информации в ОЗУ.
Последовательность работы измерителя и его режимы определяются программой, записанной в ПЗУ 2.
ОЗУ 3 емкостью 64 К предназначено для хранения результатов измерения характеристик электромагнитной эмиссии и величины коэффициента усиления усилителя 5. Емкости ОЗУ достаточно для хранения результатов измерения в 64 точках.
Измеритель электромагнитной эмиссии обеспечивает измерение электрической составляющей электромагнитного отклика датчиком 4, усиление сигнала усилителем 5, регулирование коэффициента усиления регулятором 6. фильтрацию низкочастотных помех фильтром 7 и оцифровку сигнала АЦП 8 с заданной частотой.
Электронный блок
1 п
г
_/0
V
ЭВМ
Рис. 1. Блок-схема измерителя прочности бетона по параметрам электромагнитного отклика на ударное возбуждение.
I
В качестве блока питания 9 выносного измерителя используется аккумуляторная батарея.
Механический ударник 10 обеспечивает калиброванный удар по исследуемому объекту и формирует электрический импульс при взводе ударника и непосредственно перед ударом для запуска схемы регистрации электромагнитного отклика.
Механическую прочность бетона определяют по градуировочной зависимости амплитудно-частотный параметр электромагнитной эмиссии Р — прочность Я.
Градуировочная зависимость устанавливается экспериментально на образцах бетона, проверяется при метрологической поверке и используется в сервисной программе ЭВМ. Поэтому результаты измерения обрабатываются автоматически по мере поступления данных от выносного блока и величина механической прочности (Л, МПа) выводится на экране монитора, а также записывается в базу данных в реальном режиме времени.
На рис. 2 показана типичная градуировочная зависимость обобщенного параметра электромагнитного отклика Р от прочности бетона /?. В основе обобщенного параметра лежат амплитудно-частотные характеристики электромагнитного сигнала.
По сравнению с широко используемыми на практике акустическими методами вышеуказанный электромагнитный метод имеет ряд преимуществ, основными из которых являются его экспрессность, бесконтактность при приеме электромагнитного сигнала и высокая точность в определении скрытых дефектов структуры.
Осуществление контроля качества ВПП может быть произведено с использованием автомобиля либо другого подвижного устройства в режиме реального времени при скорости его движения до 30 км/ч. Для этой цели электромагнитный датчик крепится на подвижном устройстве (например, на бампере машины) таким образом, чтобы приемные датчики находились в непосредственной близости от поверхности ВПП. На расстоянии до метра от приемных датчиков располагается ударное устройство. которое производит с заданной частотой удары по поверхности
железобетонных плит. В момент удара автоматически производятся регистрация электромагнитного отклика и его обработка. Результат обработки в виде значения прочности, а также координаты контролируемой области заносятся в промежуточную базу данных компьютера. После окончания обследования информация о состоянии ВПП может быть представлена в виде распределения механической прочности по площади ее поверхности.
Рис. 2. Градуировочная зависимость обобщенного параметра электромагнитного отклика Р от прочности бетона Я.
Испытания аналогичной системы производились на автомобильных дорогах, мостах и путепроводах Томской области и показали достаточно высокую достоверность контроля качества строительных сооружений. Метод неразрушающего электромагнитного контроля механической прочности был неоднократно испытан на практике для обследования мостов, путепроводов и железобетонных дорожных покрытий Томской, Тюменской и Кемеровской областей.
Было обследовано состояние дорожного покрытия из сборных железобетонных плит на участке Приобское месторождение — Ханты-Мансийск. На участке автомобильной дороги протяженностью 6 км в весенний период на сборном железобетонном покрытии дорожной одежды было обнаружено лавинообразное разрушение защитного слоя, а также обнажение верхнего ряда арматурной сетки предварительно напряженных железобетонных дорожных плит. Были обследованы 2 участка дороги на ПК 384 + 58 (4x7 плит) и 401 + 16 (4x7 плит). Выбор участков обусловлен видимыми границами, где резко меняется качество покрытия.
Прочность плит определяли электромагнитным методом на каждой плите выбранных массивов. Из полученных результатов полевых испытаний были сформированы банки данных, которые в лабораторных условиях были обработаны и на их основании сделаны диаграммы изменения прочности обследованных участков, диаграмма одного из таких участков приведена на рис. 3. Как видно из рисунка, часть массива имеет больший разброс по прочности со средним его значением. Причины разброса прочности обусловлены, по-видимому, большой степенью разрушения покрытия плит и различной степенью потери арматуры.
Чтобы оценить, насколько достоверно определяется прочность электромагнитным методом, из обследованного участка дорожного покрытия были выпилены керны, из которых изготовляли стандартные образцы бетона размером 100x100x100 мм. В лабораторных условиях были проведены испытания этих образцов электромагнитным методом. После чего образцы разрушали на прессе и определяли их реальную прочность. В таблице приведены результаты сравнительного анализа, полученные на образцах.
сть, МПа 32—34
30—32
29—30 27—29 25—27 23—25 22—23 20—22
Рис. 3. Диаграмма прочности железобетонных плит на участке дорожного покрытия из сборных железобетонных плит.
Из таблицы видно, что значения прочности, определенные электромагнитным методом, близки к реальным (максимальное отклонение от реального значения составляет 11 %). Следовательно, электромагнитный метод определения прочности достаточно точен и может быть ис-
Результаты определения прочности электромагнитным методом
Реальная прочность, МПа Прочность, определенная электромагнитным методом, МПа
15.48 13,7
28,2 28
20,76 19,8
10.44 11,3
пользован для контроля прочности строительных конструкций в реальных условиях эксплуатации. Результаты проведенных испытаний были включены в экспертное заключение кафедры "Автомобильные дороги" Томского Государственного архитектурно-строительного университета по оценке эксплуатационного состояния дорожного покрытия из сборных железобетонных предварительно напряженных дорожных плит автомобильной дороги Тюмень — Ханты-Мансийск (участок км 30 — км 35).
Предлагаемый неразрушающий электромагнитный метод может быть использован для осуществления текущего контроля технического состояния взлетно-посадочной полосы с целью выявления скрытых дефектов, что позволит своевременно проводить ремонтные работы и тем самым повысить надежность ее эксплуатации.
Томский политехнический Поступила в редакцию
университет 17 марта 2003 г.
ЛИТЕРАТУРА
1.Малышков Ю.П., Гордеев В.Ф., Фурса Т.В., Шталин С.Г., Кар-топольцев В.М. Применение электромагнитной эмиссии для контроля железобетонных сооружений и мостов.— Изв. вузов. Серия "Строительство", 1996, № 5, с. 3—7.
2. Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов. Патент на изобретение № 2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.