Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

УТОЧНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДИКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ БЕТОННЫХ ОБЛИЦОВОК МЕЛИОРАТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Семененко С.Я. 1 Марченко С.С. 1 Арьков Д.П. 1, 2 Попов П.С. 1
1 Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий – филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии
2 ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет»
Научными сотрудниками Поволжского научно-исследовательского института эколого-мелиоративных технологий при обследовании бетонных и железобетонных облицовок мелиоративных сооружений изучено влияние влажности, категории поверхности на результат измерения скорости прохождения ультразвуковых волн. На основе графической интерпретации и математического анализа полученных экспериментальных данных установлено влияние влажности, определяемое степенной функцией. Для корректного использования предлагаемой функции, посредством проведения опытов изучено, какое количество измерений серий образцов необходимо и достаточно для определения коэффициента фильтрации с коэффициентом обеспеченности α = 0,95. Рассчитаны основные статистические величины, по которым можно судить об адекватности результатов, такие как среднеквадратичное отклонение скорости и коэффициента фильтрации, относительная погрешность определения скорости и коэффициента фильтрации. При анализе графиков было установлено, что после 6 серий измерений в результатах скорости ультразвуковых колебаний и коэффициента фильтрации наблюдается сходимость, достаточная для определения марки бетона по водонепроницаемости с требуемым коэффициентом обеспеченности. В работе также рассматривается влияние категории поверхности, как одной из составляющих, определяющих качество измерений скорости распространения УЗК, обеспечивающей акустический контакт, необходимый для передачи энергии ультразвуковых волн от преобразователя к бетону.
сходимость результатов
ультразвуковой контроль
коэффициент фильтрации
бетонные конструкции
облицовка мелиоративных сооружений
неразрушающие методы контроля
1. Фейгенбаум Ю.М., Миколайчук Ю.А., Метелкин Е.С. Методика проведения исследований по оценке надежности выявления поверхностных дефектов при визуальном контроле конструкции.подготовка и проведение тестирования // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2016. № 13 (324). С. 21–28.
2. Косиченко Ю.М., Михайлов Е.Д., Баев О.А. Экспериментальные исследования водослива с широким порогом резервного водосброса // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 3 (20). С. 73–81.
3. Евстифеева О.М., Игнатьев С.В. Сравнительный анализ различных методов обработки экспериментальных данных для оценки характеристик точности волоконно-оптических гироскопов // Гироскопия и навигация. 2006. № 2 (53). С. 96.
4. Плетнев П.М., Стариков Е.И. Измерение физических величин. Обработка экспериментальных данных. Новосибирск: Сиб. гос. ун-т путей сообщ., 2004. 74 с.
5. Кондакова И.Ю. Использование факторного анализа при исследовании надежности гидротехнических сооружений // Развитие технических наук в современном мире: сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. (Воронеж, 08 декабря 2015 г.). Воронеж, 2015. С. 119–121.
6. Кровопускова В.Н. Неразрушающие методы исследования технического состояния гидротехнических сооружений // Проблемы энергообеспечения, автоматизации, информатизации и природопользования в АПК: сборник материалов международной научно-технической конференции. Брянск: Брянский государственный аграрный университет, 2016. С. 49–54.
7. Шигаев Д.Т., Кайранбаева А.Б., Нуракынов С.М., Калдыбаев А.А. Неразрушающий метод исследования Капчагайского гидротехнического сооружения // Четвертая тектонофизическая конференция в ИФЗ РАН тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле: материалы докладов Всероссийской конференции с международным участием. 2016. С. 196–199.
8. Семененко С.Я., Арьков Д.П., Марченко С.С. Проверка и практическое внедрение метода диагностики марки по водонепроницаемости бетонных конструкций мелиоративных сооружений // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2018. № 1 (49). С. 254–262.
9. ГОСТ 17624-12 Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности – взамен ГОСТ 17624-87; Введ. с 01.01.2014. М.: Изд-во Стандартинформ, 2014. 20 с.
10. ГОСТ 13015-2012 Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения – взамен ГОСТ 13015-2003; Введ. с 01.01.2014. М.: Изд-во Стандартинформ, 2014. 40 с.

Одной из целей проведения экспериментов при исследовании объектов и процессов в области мелиоративного строительства и эксплуатации мелиоративных сооружений является получение математической модели, описывающей возможные состояния исследуемого объекта на всей области его определения [1, 2]. Для получения такой математической модели требуется провести ряд экспериментов, в ходе которых измеряются основные параметры объекта исследования при всех интересующих исследователя режимах и условиях [3].

При обработке и анализе данных, получаемых экспериментально, актуальным является вопрос о количестве данных, обеспечивающих требуемую достоверность результата, т.е. какое количество измерений нужно произвести, чтобы обеспечить точность результатов, отражающих действительные закономерности объекта исследования. Чем больше в ходе эксперимента получено опытных данных, тем более подробно эмпирическая формула описывает объект. Это означает, что приближающая функция будет точнее соответствовать истинной. С другой стороны, увеличение объема выборки исходных данных может оказаться неоправданным, так как практически не сказывается на точности аппроксимации [4]. Кроме того, проведение экспериментов зачастую является дорогостоящей и затратной по времени процедурой. Поэтому необходимо выяснить, какое минимальное количество опытных данных обеспечивает статистически значимый результат [5].

В основе данной работы лежит гипотеза о том, что характеристика водонепроницаемости бетона и скорость распространения ультразвуковых волн, возбуждаемых передатчиком ультразвукового дефектоскопа, находятся во взаимосвязи, которую можно выразить простой функциональной зависимостью.

На скорость распространения ультразвука, кроме коэффициента фильтрации, оказывает влияние множество других факторов, причем степени влияния этих факторов неравнозначны [6, 7]. Выделить из множества факторов только один – степень фильтрации – можно путем создания специальных условий, при которых прочие влияния будут одинаковыми как при определении корреляционных зависимостей, так и при непосредственных испытаниях. Это положение легло в основу разработки ультразвуковой методики. В разработке данной методики принимали участие С.Я. Семененко, С.С. Марченко, П.С. Попов, А.Н. Чушкин, Е.И. Чушкина, К.С. Никитин, Н.Н. Елатонцев, Е.А. Елатонцева и другие ученые и исследователи.

Цель исследования: определить необходимое количество измерений, а также влияние категории поверхности на результат определения скорости ультразвуковых колебаний, обеспечивающих сходимость результатов при ультразвуковом контроле коэффициента фильтрации бетонных облицовок мелиоративных сооружений

Материалы и методы исследования

Одним из факторов, существенно влияющих на скорость (V) ультразвука в бетоне, является его влажность (w, %). В лаборатории ПНИЭМТ выполнены исследования по выявлению влияния влажности бетона на скорость ультразвука, ход выполнения подробно рассмотрено в работе [8], в общем виде описывается выражением

V = (V0 – 332)w0,135, (1)

где V0 – скорость распространения УЗК (м/с) в бетоне при w = 0 % (в зависимости от состава бетона, для бетонов марок по водонепроницаемости W8 V0 изменяется в пределах 4400–4420 м/с; W10 V0 изменяется в пределах 4500–4520 м/с; W12 V0 изменяется в пределах 4600–4620 м/с; 332 и 0,135 – эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных.

Регрессионные модели зависимостей «относительного параметра (V0/Vj)» скорости распространения ультразвука (УЗК) и влажности (w) для разных марок бетона по водонепроницаемости представлены на рис. 1.

Построенные кривые описываются уравнением степенной функции вида

Vj = V0 + 1,11w-0,11. (2)

semenen1.tif

Рис. 1. График зависимости относительного параметра (V0/Vj) скорости распространения ультразвука (УЗК) в экспериментальных бетонных образцах от их влажности (V) для разных марок бетона по водонепроницаемости

Полученная интегральная зависимость может использоваться при диагностировании состояния сооружений мелиоративных систем, а также служить дополнением к ГОСТ 17624-2012 [8].

sem01.wmf (3)

где Vj – скорость распространения ультразвука в бетоне при соответствующей его влажности, м/с; 0,00069 и 3,1 – эмпирические коэффициенты, установленные в результате исследований.

Для возможности использования данного метода необходимо установить, какое количество измерений серий образцов достаточно для определения марки бетона по водонепроницаемости с коэффициентом обеспеченности α = 0,95.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты определения среднеквадратичного отклонения скорости и коэффициента фильтрации, относительной погрешности скорости и коэффициента фильтрации в графическом виде представлены на рис. 2 и 3.

semenen2.wmf

Рис. 2. График изменения относительной погрешности определения скорости ультразвуковых колебаний от количества измерений n

semenen3.wmf

Рис. 3. График изменения относительной погрешности определения коэффициента фильтрации от количества измерений n

Результат измерения с учетом правил представления результатов измерений можно записать в виде

V = (4618 ± 25,35)м/с; δV = 0,55 %; α = 0,95;

Кф = (2,17E-10 ± 3,16E-11)cм/с;

δКф = 15,39 %; α = 0,95.

Одним из важных элементов, определяющих качество измерений скорости распространения УЗК, является обеспечение акустического контакта, необходимого для передачи энергии ультразвуковых волн от преобразователя к бетону, зависящего от состояния поверхности, на которой производят измерения.

Согласно [9] в зоне контакта ультразвуковых преобразователей с поверхностью бетона не должно быть раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм, а также выступов более 0,5 мм, данные требования соответствуют категориям поверхности С1, С2, С3. Поэтому в дальнейших исследованиях были рассмотрены бетонные образцы соответствующих категорий по [10], основные дефекты поверхности соответствующих категорий представлены в табл. 1.

Таблица 1

Категория бетонной поверхности

Категория бетонной поверхности конструкции

Диаметр или наибольший размер раковины

Высота местного наплыва (выступа) или глубина впадины

С1

Глянцевая (по эталону)

С 2

1

1

С 3

4

2

Влияние категории поверхности на результат измерения скорости ультразвуковых колебаний характеризует среднее отклонение фактических значений в совокупности измерений от среднего значения скорости, измеренной в серии образцов и характеризуется средним квадратическим отклонением, расчет которого представлен в табл. 2.

Таблица 2

Расчет коэффициента вариации категории поверхности

№ серии

Категория поверхности, С

V – cкорость ультразвука, м/с

Vср – средняя скорость ультразвука в серии, м/с

а – среднее линейное отклонение

Sт – ср.кв. отклонение, скорости ультразвука от средней по серии

Коэф. вариации, категории

07.01.23.08

С2

4801,4

4727,57

63,04

76,26

2 %

07.02.23.08

С2

4657

07.03.23.08

С2

4609

07.04.23.08

С2

4776

07.05.23.08

С2

4763

07.06.23.08

С2

4759

02.01.06.12

С1

3596

3713

46

72,44

2 %

02.02.06.12

С1

3822

02.03.06.12

С1

3725

02.04.06.12

С1

3705

02.05.06.12

С1

3730

02.06.06.12

С1

3700

13.01.13.03

С1

4900

4900,67

38

59,34

1 %

13.02.13.03

С1

4922

13.03.13.03

С1

4788

13.04.13.03

С1

4956

13.05.13.03

С1

4900

13.06.13.03

С1

4938

07.01.23.03

С2

4288

4358,83

89,83

105,55

2 %

07.02.23.03

С2

4488

07.03.23.03

С2

4226

07.04.23.03

С2

4462

07.05.23.03

С2

4293

07.06.23.03

С2

4396

Окончание табл. 2

№ серии

Категория поверхности, С

V – cкорость ультразвука, м/с

Vср – средняя скорость ультразвука в серии, м/с

а – среднее линейное отклонение

Sт – ср.кв. отклонение, скорости ультразвука от средней по серии

Коэф. вариации, категории

25.10.17-1

С3

4185

4200,5

10

14,200

1,42

25.10.17-2

С3

4219

25.10.17-3

С3

4202

25.10.17-4

С3

4196

25.10.17-5

С3

4349

4313,2

23,84

28,65

1,2

25.10.17-6

С3

4281

25.10.17-7

С3

4303

25.10.17-8

С3

4296

25.10.17-9

С3

4337

25.10.17-10

С3

4193

4358,83

30

40,92

1,36

25.10.17-11

С3

4281

25.10.17-12

С3

4213

25.10.17-13

С3

4197

25.10.17-14

С3

4554

4533

26,4

33,955

1,29

25.10.17-15

С3

4520

25.10.17-16

С3

4546

25.10.17-17

С3

4565

25.10.17-18

С3

4480

Разброс вариаций измерения скорости ультразвуковых колебаний для категорий бетонной поверхности С2, С3 для наглядности представлен в виде графиков на рис. 4 и 5.

semenen4.tif

Рис. 4. Разброс вариаций при измерении скорости ультразвуковых колебаний (V), на поверхности класса С2

semenen5.tif

Рис. 5. Разброс вариаций при измерении скорости ультразвуковых колебаний (V), на поверхности класса С3

Учитывая суммарные погрешности, в процессе исследования на графиках 4 и 5 представлены значения средних скоростей ультразвуковых колебаний для серий образцов, выделены области максимальных, средних и минимальных значений для всей совокупности.

На поверхности класса С2 более высокий результат определения скорости распространения, чем на поверхности класса С3, что отчетливо наблюдается из представленных графиков по концентрации значений вблизи средней линии, на поверхности класса С2 диаметр и наибольший размер раковин не превышает 1 мм, этим можно объяснить меньшее влияние на прохождение скорости ультразвуковых колебаний по поверхности образцов, для класса С3 наблюдается снижение общей совокупности значений ближе с минимальным.

Выводы

Анализируя построенные графики, можно выделить, что после 6 серий измерений в результатах скорости ультразвуковых колебаний и коэффициента фильтрации наблюдается сходимость, достаточная для определения марки бетона по водонепроницаемости с коэффициентом обеспеченности 0,95. Категории поверхности С1, С2, С3 по [10] соответствующие требованиям [9], а именно – в зоне контакта ультразвуковых преобразователей с поверхностью бетона не должно быть раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм, а также выступов более 0,5 мм, несущественно влияют на результат измерения скорости ультразвуковых колебаний.

Считаем необходимым использовать результаты данных исследований при применении методики ультразвукового контроля водонепроницаемости бетонных облицовок мелиоративных сооружений, представляющей практический интерес для работников эксплуатирующих и проектных организаций при проведении обследования сооружений.


Библиографическая ссылка

Семененко С.Я., Марченко С.С., Арьков Д.П., Попов П.С. УТОЧНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДИКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ БЕТОННЫХ ОБЛИЦОВОК МЕЛИОРАТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 11-1. – С. 28-33;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=12445 (дата обращения: 17.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074