Контроль технического состояния бетонных изделий и конструкций методом акустико-электрических преобразований

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается возможность применения метода акустико-электрических преобразований для выявления трещин и механической прочности бетонов на сжатие. Представлены численные и экспериментальные исследования изменений параметров электромагнитного отклика модельных образцов бетона из цементно-песчаной смеси с трещиной на детерминированное импульсное акустическое воздействие. Показано, что присутствие трещины определяется по изменениям амплитудно-частотных параметров электромагнитного отклика из образца. Приведен пример определения мест ослабления механической прочности бетонной строительной балки по параметрам электромагнитных сигналов. Отображены результаты сравнительных испытаний определения механической прочности на сжатие бетона, полученных с использованием калиброванного склерометра и акустико-электрического метода. Приведены также результаты контроля механической прочности бетонных конструкций эксплуатируемого мостового перехода через реку по параметрам электромагнитного отклика, возникающих при ударном зондировании акустическими импульсами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Ф. Гордеев

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gordeev_vasiliy_tomsk@mail.ru
Россия, 634025 Томск, Академический пр-т, 10/3

А. А. Беспалько

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: besko48@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, пр-т Ленина, 40

С. Г. Шталин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: sersh1965@gmail.com
Россия, 634050 Томск, пр-т Ленина, 40

С. Ю. Малышков

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН

Email: msergey@imces.ru
634025 Томск, Академический пр-т, 10/3

Ц. Ло

Томский политехнический университет

Email: lulubvv@foxmail.com
Россия, 634050 Томск, пр-т Ленина, 30

Список литературы

  1. Lysett Tim. Everything You Need тo Know About Concrete Strength (Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. The standard ASTM C39 American Society for Testing & Materials). 2019.
  2. ГОСТ 18105—2018. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. Россия. М.: Стандартинформ, 2020.
  3. Physical Acoustics (edited by W.P. Mason). V. 1. New York: Academic Press, 1964. 532 р.
  4. Клюев В. В. Неразрушающий контроль. Справочник в 8 т. М.: Машиностроение, 2008.
  5. Мурашов В.В., Генералов А.С. Контроль многослойных клееных конструкций низкочастотными акустическими методами // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 2. С. 59—67. doi: 10.18577/2071-9140-2014-0-2-59-67
  6. Niederleithinger Ernest, Sodeikat Christian, Epple Niklas, Liao Chun-Man and Hindersmann Iris. Acoustic Emission and Monitoring of a Prestressed Concrete Bridge in its Final Years. 2021. Conference: Eurostruct. Padua, Italy. Project: Ultrasonic monitoring of concrete constructions.
  7. Blitz J. Electrical and Magnetic Methods of Nondestructive Testing. eBook Published, 2020. 238 p. https://doi.org/10.1201/9781003062905
  8. Ida N. Numerical Modeling for Electromagnetic Non-Destructive Evaluation. Нью-Йорк: Springer Нью-Йорк, 2013. 511 p.
  9. Михеев М.Н., Горкунов Е.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993. 266 с.
  10. Francesco Ficilli. Non-Destructive Testing by Magnetic Techniques. LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 140 p.
  11. Косарина Е.И., Демидов А.А., Крупнина О.А., Михайлова Н.А., Смирнов А.В., Осияненко Н.В. Неразрушающий контроль методами цифровой радиографии и рентгеновской компьютерной томографии. М.: Спектр, 2025. 136 с.
  12. Арленинов П.Д., Крылов С.Б., Калмакова П.С. Система контроля сплошности бетона сталежелезобетонных конструкций на основе тепловизионного метода // Academia: Архитектура и строительство. 2024. № 2. С. 150—156. doi: 10.22337/2077-9038-2024-2-150-156
  13. Неразрушающий контроль (под ред. В.В. Сухорукова). Кн. 4. М.: Высшая школа, 1992. 321 с.
  14. СП 35.13330.2011 Мосты и водопропускные трубы. Россия. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2020.
  15. Перельман М.Э., Хатиашвили Н.Г. О радиоизлучении при хрупком разрушении диэлектриков // ДАН СССР. 1981. Т. 256. № 4. С. 824—826.
  16. Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Баумбах Х., Каплан Г., Славик В., Бирхольц В. Электромагнитно-эмиссионный контроль прочности бетона // Дефектоскопия. 1992. № 7. С. 76—80.
  17. Rabinovitch A., Frid V., Goldbaum J., Bahat D. Polarization-depolarization process in glass during percussion drilling // Philosophical Magazine. 2003. V. 83. No. 25. P. 2929—2939. doi: 10.1080/1478643031000152843
  18. Lacidogna G., Carpinteri А., Manuello A., Durin G., Schiavi A., Niccolini G., Agosto A. Acoustic and electromagnetic emissions as precursor phenomena in failure processes // Strain. 2010. V. 47. P. 144—152. doi: 10.1111/j.1475-1305.2010.00750.x
  19. Мирошниченко М. И., Куксенко В. С. Излучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках // Физика твердого тела. 1980. Т. 22. № 5. С.1531—1534.
  20. O’Keefe S.G., Thiel D.V. A mechanism for the production of electromagnetic radiation during fracture of brittle materials // Phys. Earth and Planet. Inter. 1995. V. 89. No.11. P.127—135.
  21. Petrenko V.F. On the nature of electrical polarization of materials caused by cracks, application to ice // Philosophical Magazine В. 1993. V. 67. No. 3. P. 301—315. doi: 10.1080/13642819308220134
  22. Yan W., Wei M., Song D., He X., Khan M., Qin M. Effects of rock pore and micromorphology on electromagnetic radiation characteristics // Journal of Applied Geophysics. 2024. V. 230. P. 105518. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2024.105518
  23. Bespal’ko A.A., Surzhikov A.A., Fedotov P.I., Pomichin E.K., Stary O. Polarization and Electromagnetic Emissions of Natural Crystalline Structures upon Acoustic Excitation // Modern problems of materials processing, production, testing and quality assurance II. Scientific Journal Materials Science Forum: [Electronic resource]. 2019. V. 970. P. 153—166. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.970.153' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.970.153
  24. Bespal’ko A.A., Isaev Y.N., Dann D.D., Pomishin E.K., Fedotov P.I., Petrov M.V., Utsyn G E. Transformation of Acoustic Pulses into Electromagnetic Signals in Defective Structures // Journal of Nondestructive Evaluation. 2020. V. 39. No. 4. Article No. 82. P. 1—14. doi: 10.1007/s10921-020-00727-9
  25. Машков Ю.К., Кропотин О.В. Трибофизика и структурная модификация материалов трибосистем. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. 324 с.
  26. Sobarso Juan Carlos, Pertl Felix, Balazs Daniel M., Costanzo Tommaso, Sauer Markus, Foelske Annette, Ostermann Markus, Pichler Christian M., Wang Yongkang, Nagata Yuki, Bonn Mischa, Vaitukaitis Scott. Spontaneous ordering of identical materials into a triboelectric series // Nature. 2025. V. 638 (8051). P. 664—669. doi: 10.1038/s41586-024-08530-6. www.nature.com/articles/s41586-024-08530-6
  27. Malyshkov Yu.P., Malyshkov S.Yu., Gordeev V.F., Shtalin S.G., Polivach V.I., Krutikov V.A., Zaderigolova M.M. Earth’s Natural Electromagnetic Noises: Their Deep-Seated Origin, Effect on People, Recording and Application in Geophysics Editors: Reimer, A // Horizons in World Physics. 2015. V. 283. P. 43—128. Nova Science Publishers. ISBN: 978-163482662-4;978-163482661-7.
  28. Bespal’ko A.A., Isaev Y.N., Yavorovich L.V. Transformation of acoustic pulses into electromagnetic response in stratified and damaged structures // Journal of Mining Science. 2016. Т. 52. No. 2. С. 279—285. doi: 10.1134/S1062739116020418
  29. Хатиашвили Н.Г. Генерация электромагнитного излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы // ДАН СССР. 1982. Т. 263. № 4. С. 839—842.
  30. Yamada I., Masuda K., Mizutani H. Electromagnetic and acoustic emission associated with rock fracture // Phys. Earth Planet. Int. 1989. V. 57. No. 1—2. P. 157—168.
  31. Bespal’ko A.A., Utsyn G.E., Fedotov P.I. Experimental Studies of Mechanical-Electrical Transformations during the Destructive Processes Developing in Dielectric Materials // Bulletin of the Karaganda University. “Physics” Series. 2022. No. 2 (106). P. 58—67.
  32. Ziman J.M. Principles of the Theory of Solids. London: Cambridge University Press, 1972. 435 р.
  33. Warming R.F., Kutler P., Lomax H. Second-and Third-Order Noncentered Difference Schemes for Nonlinear Hyperbolic Equations // AIAA Journal. 1973. V. 11. P. 189—196. https://doi.org/10.2514/3.50449
  34. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. Изд. RUGRAM, серия ЁЁ Медиа, 2025. 400 с.
  35. Hoffman J.D. Numerical methods for engineers and scientists / Second edition revised and expanded. New York: Marcel Dekker, Inc., 2001. 840 р.
  36. Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems / 2nd ed. Berlin, New York: Springer—Verlag, 1996.
  37. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Бином, 2015. 656 с.
  38. Gan Woon Siong. Signal Processing and Image Processing for Acoustical Imaging. Springer Singapore, 2020. 83 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5550-8

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема возбуждения детерминированных акустических импульсов и регистрации электромагнитных откликов на такое воздействие в образце (100×100×100) мм³ из цементно-песчаной смеси с наполнителем из щебня (а); пример результатов контроля (в цвете) амплитудных параметров электромагнитных откликов вокруг трещины (б).

Скачать (311KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема возбуждения детерминированных акустических импульсов и регистрации электромагнитных откликов на такое воздействие в бетонной строительной балке (а); пример результатов контроля акустико-электрических преобразований в балке (б).

Скачать (245KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Контролируемый акустико-электрическим методом бетонный мостовой переход.

Скачать (418KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пример контроля Рпс акустико-электрическим методом мостовых опор: регистратор «ПРОЧНОСТЬ-1» с механическим ударником (1), электромагнитным приемником (2) и индикатором (3) (а); пример контроля механической прочности на сжатие опоры мостового перехода (б).

Скачать (431KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Блок-схема регистратора сигналов электромагнитной эмиссии с микропроцессорным электронным блоком и механическим ударником.

Скачать (106KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Принципиальная электрическая схема дифференциального емкостного датчика.

Скачать (183KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Численное моделирование изменения интенсивности напряжений в области образца с размерами (42×80)×10⁻³ м² через 30×10⁻⁶ с от момента ввода детерминированного акустического импульса на середине поверхности: а — трещина 10⁻² м; б — две трещины длиной 20×10⁻³ и 42×10⁻³ м вдоль оси образца, первую из которых располагали на расстоянии 10⁻² м от края образца, а вторую — на расстоянии 10⁻² м от первой; в — область содержит несколько трещин, расположенных вдоль большей оси образца с размерами (2,0; 4,0; 8,0; 16,0; 32,0; 64,0)×10⁻³ м, расстояние между трещинами 5×10⁻³ м, трещины расположены в порядке возрастания от самой короткой до самой длинной от точки приложения импульса; г — цветовая гамма интенсивность напряжений.

Скачать (313KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Закономерность изменения амплитуды электромагнитных откликов при акустико-электрических преобразованиях в модельных бетонных образцах (а); логарифмическая зависимость параметра К, учитывающего амплитуду и частоту сигналов электромагнитной эмиссии от нагрузки Рпс образцов бетона (б).

Скачать (266KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Прогнозируемые значения механической прочности на сжатие по результатам замеров склерометром IPC-МG4 (а) и прогнозируемые значения Рпс по результатам замеров прибором «ПРОЧНОСТЬ-1» (б): 1 — реальная линейная аппроксимация механической прочности бетона на сжатие с использованием нагрузочной машины; 2 — линейная аппроксимация по результатам замеров склерометром; 3 — линейная аппроксимация по результатам замеров прибором «ПРОЧНОСТЬ-1».

Скачать (423KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Типичные формы электромагнитных откликов на образцах бетона из цементно-песчаной смеси с минимальной (а) и максимальной (в) механической прочностью на сжатие и их амплитудно-частотные спектры (б) и (г) соответственно.

Скачать (325KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Распределение механической прочности на сжатие мостового перехода через реку, полученного акустико-электрическим методом.

Скачать (201KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025