Электрические и вихретоковые методы
УДК 620.179.14
СВЯЗЬ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА С ПАРАМЕТРАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА УПРУГОЕ УДАРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ
Т.В. Фурса, А.А. Демихова, В.А. Власов
Проведены исследования влияния состава крупного заполнителя на параметры электрического отклика при упругом ударном возбуждении образцов тяжелого бетона и конструкционного керамзитобетона. Показано, что состав заполнителя оказывает влияние на упругопла-стические свойства бетона, его прочность и приводит к изменению величины и спектрального состава электрического отклика.
Ключевые слова: структурные характеристики, механоэлектрические преобразования, электрический отклик, бетон.
Строительные материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений, характеризуются разнообразными свойствами, которые определяют качество материалов и области их применения.
Известно, что состав и структура бетона предопределяют его физико-механические характеристики и зависят от свойств основных составляющих [1, 2]: вида и качества заполнителя, пористости цементного камня, качества контакта заполнителя с цементной матрицей, размера крупного заполнителя и т. п. В процессе изготовления изделий из бетона в результате различных технологических факторов структурные характеристики бетона могут значительно отклоняться от проектных значений. Поэтому для решения проблем безаварийной эксплуатации бетонных сооружений необходимо осуществлять контроль структурных характеристик бетона. В настоящее время большая часть исследований в России и за рубежом посвящена разработке у.з. методов неразрушающего контроля пористости бетона [3—5], однако все эти методы находятся еще в стадии разработки и обладают невысокой точностью. Для решения задачи неразрушающего контроля структурных характеристик бетона может быть использовано явление механоэлектрических преобразований при упругом ударном возбуждении гетерогенных неметаллических материалов [6—8]. Проведенные ранее исследования о связи параметров электрического сигнала со структурными и механическими характеристиками строительных материалов [9—15] свидетельствуют о перспективности использования явления механоэлектрических преобразований для разработки неразрушающего метода контроля качества бетона. Суть явления механоэлектрических преобразований состоит в том, что при воздействии акустических волн на источники механоэлектрических преобразований возникает переменное электрическое поле. Акустические волны формируются в образце конечных размеров при его упругом ударном возбуждении. Электрическое поле возникает за счет появления зарядов на гранях пьезокварца, содержащегося в мелком и крупном заполнителе (речном песке и гравии), при его деформации и за счет смещения этих зарядов и зарядов двойных электрических слоев, расположенных на границах компонентов и пор в гетерогенном материале, относительно электрического приемника. В [8, 9] пока-
Татьяна Викторовна Фурса, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 563-834. E-mail: fursa@tpu.ru
Анна Александровна Демихова, магистрант Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 563-834. E-mail: demikhova.anna@mail.ru
Виталий Анатольевич Власов, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 564531. Vlvitan75@mail.ru
зано, что в тяжелых бетонах основной вклад в генерирование электрического поля вносят пьезоэлектрические источники механоэлектрических преобразований. Электрический измерительный приемник располагается в непосредственной близости от образца и находится в зоне действия этого поля. Поэтому с одной стороны, параметры электрического сигнала определяются упругими характеристиками объекта исследования, а с другой — количеством и эффективностью источников механоэлектрических преобразований.
Цель настоящей работы — исследование влияния состава крупного заполнителя в бетоне на параметры электрического отклика при его упругом ударном возбуждении.
Исследования выполнены с помощью лабораторного программно-аппаратного комплекса, позволяющего производить импульсное механическое возбуждение материалов и регистрацию электрического сигнала. Импульсное механическое возбуждение образцов осуществлялось с помощью электромеханического ударного устройства с нормированной силой удара, который производился через металлическую пластину, закрепленную на корпусе ударного устройства. Металлическая пластина и сферический наконечник ударного элемента изготовлены из закаленной стали одинаковой твердости для создания упругого удара. Для регистрации электрической составляющей переменного электромагнитного поля, возникающего при импульсном механическом возбуждении образцов, использован дифференциальный электрический датчик. Приемником служили две металлические пластины размером 20^20 мм. Одна из них — измерительная — располагалась параллельно поверхности образца на высоте 2 мм и расстоянии от точки удара 20 мм, компенсационная пластина приемника — на высоте 30 мм над измерительной. Такая схема регистрации позволяла надежно выделять полезную составляющую электрического сигнала. Сигналы с электрического датчика регистрировали с помощью многофункциональной платы ввода-вывода "N1 РС1-6251", совмещенной с ЭВМ, позволяющей осуществлять оцифровку временной реализации электрического сигнала. Нагружение образцов проводили с помощью компьютеризированного пресса ИП-500 с постоянной скоростью, равной 0,2 кН/с.
Экспериментальные исследования выполняли на образцах тяжелого и легкого бетона размером 100*100x100 мм с характеристиками, приведенными в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика исследованных образцов
Характеристика Легкий бетон Тяжелый бетон
Заполнитель Керамзит Гравий
Плотность (кг/м3) 1508 2243
Скорость звука (м/с) 3380 4160
В качестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах использовали гравий (средняя плотность — (2,4—2,6)-103 кг/м3, скорость звука — (3,1—4,5)-103 м/с), керамзит (плотность — порядка 700 кг/м3, скорость звука — 2-103 м/с), цементно-песчаную матрицу (плотность — 2-103 кг/м3, скорость звука — 3,2-103 м/с).
Легкий бетон имеет в своем составе кварцевый песок, то есть представляет собой конструктивный керамзитобетон.
Абсолютная деформация, мм
Рис. 1. Нагрузочные кривые для образцов бетона: 1 — легкого; 2 — тяжелого.
На рис. 1 приведены нагрузочные кривые, полученные при разрушении образцов тяжелого и легкого бетона. Состав заполнителя оказывает большое влияние на упругопластические свойства бетона и его прочность. Нагрузочные кривые бетона имеют три явно выраженных участка: первый (А—В) связан с установкой формы, затем идут участки квазиупругой деформации (В—С) и пластической деформации (С—П). Участок установления формы связан с процессами уплотнения поверхностного слоя образца, так как перед нагружением поверхность образцов специально не обрабатывалась. Участки пластической деформации для тяжелого (С2—П2) и легкого (С1—П1) бетона также имеют различия в характере зависимости нагрузки от деформации. Прочность тяжелого бетона составляет 2,6-107. а легкого — 1,6-107 Па.
На рис. 2 приведены типичные сигналы, зарегистрированные при ударном возбуждении описанных выше образцов легкого (а) и тяжелого (б) бетона. Видно, что сигналы отличаются между собой по величине в 2,4 раза и имеют различный характер затухания.
Образцы тяжелого и легкого бетона существенно отличаются по упругим характеристикам, что ведет к формированию в них различной волновой картины при одинаковом ударном возбуждении. Кроме того, в образцах тяжелого бетона гравий может содержать пьезоэлектрические включения, что ведет к возрастанию сигнала по сравнению с легким бетоном.
С целью проверки данного утверждения из гравия было отобрано несколько различных по внешнему виду зерен для определения фазового состава (с использованием рентгеновского дифрактометра АКЬ Х'ТЯА (Швейцария), работающего на Си £а-излучении) и содержания в них кварца. Было проведено измерение семи различных зерен гравия.
На рис. 3 приведены типичные дифрактограммы различных зерен заполнителя после обработки с помощью специальных программ с использованием 1СРБ8 базы данных.
Все наблюдаемые рефлексы на рис. 3а принадлежат кварцу. Экспериментально определенные параметры решетки (а = Ь = 4,914, с = 5,401) очень хорошо совпадают с табличными значениями параметров решетки 8Ю2 (а = Ь = 4,914, с = 5,406). Из рис. 3б видно, что на дифрактограмме кроме кварца наблюдаются неидентифицированные фазы.
0,15
0,10
В 0,05
,а
аду дулит 0,00
мпл -0,05
<
-0,10
-0,15
б 0,4
0,3
0,2
В
,а 0,1
адуит и 0,0
мпл -0,1
<1 -0,2
-0,3
-0,4
-0,5
6 8 10 Время, мс
12
14
6 8 10 Время, мс
Рис. 2. Электрические отклики из образцов легкого и тяжелого бетона.
а
0
2
4
а
1
Л
30
35
40
30 35 20, °
40
45
45
50
50
Рис. 3. Рентгеновские дифрактограммы для двух типичных зерен заполнителя (рефлексы, соответствующие кварцу, помечены звездочкой).
2 Дефектоскопия, № 5, 2014
б
Проведенные исследования показали, что в используемом для изготовления тяжелого бетона гравии не обнаружено зерен, не содержащих кварца, а доля зерен, состоящих только из кварца, составляет примерно 20 %. Поэтому значительное возрастание электрического отклика в тяжелом бетоне по сравнению с легким вполне правомерно и связано с пьезоэлектрическими явлениями на зернах заполнителя при их деформации акустической волной возбуждения.
Изменение упругих характеристик заполнителя и специфика прохождения и отражения акустических волн возбуждения от заполнителя должны приводить к изменению волновой картины, формирующейся в образце бетона при ударном возбуждении, а следовательно, и к трансформации амплитудно-частотных характеристик электрического отклика.
На рис. 4 приведены рассчитанные с помощью быстрого фурье-преобразования амплитудно-частотные характеристики электрич
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.