WERYFIKACJA METODY AKUSTYCZNEJ - IADP 1. Dobór czujników

Badanie wykonywano na trzech próbkach prostopadłościennych o wymiarach 150x150x600 mm, na które naklejono czujniki (Rys. 2), o następującej charakterystyce: próbka nr 1 - czujnik szerokopasmowy o charakterystyce 10-1200 kHz, próbka nr 2 - czujnik rezonansowy o płaskiej charakterystyce w zakresie częstotliwości 30-80 kHz i próbka nr 3 - czujnik rezonansowy z wbudowanym przedwzmacniaczem o wzmocnieniu 40 dB i częstotliwości 150 kHz. Do czujników na próbkach nr 1 i nr 2 zastosowano dodatkowo przedwzmacniacze o wzmocnieniu 40 dB. Pomiary sygnałów emisji akustycznej wykonywane były na próbkach ustawionych pionowo, bez żadnego obciążenia, przez okres ok. 6 dób (500 000 sec).

PRÓBKA NR 1

czujnik szerokopasmowy, o charakterystyce (100-1200kHz)

czujnik o płaskiej charakterystyce w zakresie (30-80kHz)

czujnik rezonansowy o charakterystyce 150 kHz

PRÓBKA NR 2 PRÓBKA NR 3

Rys. 2. Rozmieszczenie i typy czujników AE

Po przeprowadzeniu analizy sygnałów emisji akustycznej, zarejestrowanych przez 3 typy zastosowanych czujników, postanowiono w dalszych badaniach wykorzystywać czujniki rezonansowe o charakterystyce płaskiej w zakresie 30-80 kHz (czujnik na próbce nr 2), gdyż stwierdzono, że najlepiej rejestrują one pełne spektrum procesów destrukcyjnych.

3.2. Badania próbek wykonanych w laboratorium WBiIŚ

Badanie wykonywano na 6 próbkach prostopadłościennych o wymiarach 150x150x600 mm, po 3 z betonu klasy C20/25 i klasy C40/50 wykonanych w laboratorium WBiIŚ na podstawie receptury stosowanej w Zakładzie Produkcji Betonu, z zastosowaniem kruszywa wapiennego, ale bez zastosowania domieszek chemicznych. Próbki zostały zabetonowane i następnego dnia przeniesione do pojemnika z wodą na okres 11 dni, gdzie przebiegał proces wiązania betonu, a ze względu na przechowywanie próbek w środowisku wodnym nie zachodziły procesy skurczowe. Po wyjęciu próbek z wody, naklejono na jednej ściance czujniki emisji akustycznej oraz na 3 ściankach metalowe repery do wykonywania pomiarów odkształcenia ekstensometrem nasadowym o bazie 8 cali (~ 200 mm.). Dodatkowo wykonano po 5 próbek sześciennych 150x150x150 mm, w celu sprawdzenia wytrzymałości betonu.

Na Rys. 3 przedstawiono próbkę wraz z rozmieszczeniem czujników emisji akustycznej oraz reperów do wykonywania pomiarów odkształceń. Czujniki emisji akustycznej umieszczono 30 mm od górnej i dolnej krawędzi elementu, natomiast repery przyklejono 200 mm od krawędzi elementu.

Rys. 3. Schemat próbki

Próbki ustawiono w hali laboratoryjnej, wykonano odczyty bazowe pomiaru odkształceń, a następnie uruchomiono pomiar emisji akustycznej. Liczbę sygnałów danej klasy zliczano w okresie jednej doby. W każdej dobie wykonywano także pomiar odkształceń oraz wilgotności otoczenia i temperatury.

Na Rys. 4 i 5 przedstawiono wyniki pomiarów dla próbek z betonu C20/25, a na Rys. 6 i 7 dla próbek z betonu C40/50. Na Rys. 4 i 6 pokazano wykres średnich odkształceń z pomiarów wykonywanych na trzech bokach poszczególnych próbek w kolejnych dniach wraz z pomiarem wilgotności otoczenia. Natomiast na Rys. 5 i 7 pokazano wykres średniego odkształcenia obliczonego wraz z wykresem rejestrowanych przez czujnik Klas sygnałów AE, jako liczba zliczeń (w ciągu 1 doby) w funkcji czasu.

Rys.4. Wykres średnich odkształceń poszczególnych próbek z betonu C20/25

Rys.5. Wykres średniego odkształcenia próbki z betonu C20/25 i liczby zliczeń sygnałów AE

Identyfikacja sygnałów emisji akustycznej w betonie nieobciążonym 193

Rys.6. Wykres średnich odkształceń poszczególnych próbek z betonu C40/50

Rys.7. Wykres średniego odkształcenia próbki z betonu C40/50 i liczby zliczeń sygnałów AE

Można stwierdzić, że zarówno w próbkach wykonanych z betonu C20/25 jak i C40/50 rejestrowane są głównie sygnały Klasy 1s i 2s, będące wynikiem mikropęknięć w zaczynie oraz na styku zaczynu z kruszywem. W pierwszym okresie 3 dni, ilość sygnałów narasta wraz ze wzrostem odkształceń, a następnie (mimo ciągłego wzrostu odkształceń) proces ten ulega zdecydowanemu osłabieniu i stabilizuje się po sześciu - siedmiu dniach.

3.3. Badania próbek wykonanych w zakładzie prefabrykacji

Badania przeprowadzono na trzech próbkach 150x150x600 mm wykonanych w Zakładzie Prefabrykacji ze stosowanego do prefabrykatów betonu klasy C40/50 (kruszywo bazaltowe), z zastosowaniem domieszek chemicznych. Próbki po 7 dniach trzymania w wodzie zostały przewiezione do laboratorium WBiIŚ i zamocowano na nich po dwa czujniki AE w odległości około 50 mm od dolnej i górnej krawędzi próbki. Próbki umieszczono w pomieszczeniu, w pobliżu okna, tak że były one poddane niekontrolowanemu działaniu słońca (duże nagrzewanie i chłodzenie) i uruchomiono pomiar emisji akustycznej.

Pomiar emisji akustycznej wykonywano, w sposób ciągły, w okresie pierwszych dziewięciu dób, a następnie przez dobę, po dwóch i czterech tygodniach od rozpoczęcia pomiarów. Na Rys. 8 przedstawiono przykładowo zdjęcie i rysunek jednej z próbek po zakończeniu badania (28 dni) wraz z zaznaczonymi (widocznymi) na powierzchni mikrorysami. Szerokość rozwarcia rys została pomierzona lupką optyczną, a wyniki przedstawiono w Tablicy nr 2.

PRÓBKA A

czujniki o płaskiej charakterystyce w zakresie(30-80kHz)

2

5 4

3 1 6

Rys.8 Rysunek próbki wraz z czujnikami i zarysowaniami oraz zdjęcie, po zakończeniu badania Tablica 2. Wyniki pomiarów szerokości rys

Numer rysy Szerokość rysy Numer rysy Szerokość rysy

1 0,02 mm 2 0,07 mm

3 0,05 mm 4 0,02 mm

5 0,02 mm 6 0,02 mm

Przykładowo wyniki pomiarów i analizy porównawczej sygnałów emisji akustycznej w czasie 14 dób przedstawiono na Rys. 9 jako liczbę sygnałów odpowiadających poszczególnym Klasom, w kolejnych terminach wykonywania badań, zarejestrowanych przez dolny czujnik emisji akustycznej AE.

Identyfikacja sygnałów emisji akustycznej w betonie nieobciążonym 195

Rys. 9. Wykres liczby zliczeń sygnałów w zależności od klasy sygnałów AE

W początkowym okresie rejestrowane są sygnały Klas 1s, 2s, 3s będące odpowiednio wynikiem powstawania mikrorys, w tym na powierzchni próbki. Z pomiaru wykonanego po dwóch tygodniach a następnie po czterech wynika, iż proces powstawania mikrorys został wyraźnie zahamowany.

Wykonana lokalizacja sygnałów Klasy 3s (powstawanie mikrorys na powierzchni betonu), których nasilenie obserwowane jest w czwartej i siódmej dobie, dobrze pokrywa się z mikrorysami obserwowanymi na powierzchni próbek.

4. WNIOSKI

 Stwierdzono, że metoda emisji akustycznej IADP może być zastosowana do badania betonu nieobciążonego, ale parametry sygnałów AE różnią się od sygnałów rejestrowanych dla elementów sprężonych,

 Istnieje potrzeba budowy bazy sygnałów wzorcowych pozwalającej na identyfikację procesów destrukcyjnych wywołanych skurczem betonu,

 Zastosowany wstępnie podział sygnałów AE na 4 grupy dobrze klasyfikuje procesy destrukcyjne (powstające defekty) jakie towarzyszą skurczowi.

 Stwierdzono, w próbkach betonowych badanych w laboratorium, występowanie sygnałów głównie Klasy 1s i 2s oraz Klasy 1s, 2s, 3s w próbkach badanych w warunkach skokowych zmian temperatury i wilgotności, co wyraźnie zostało odnotowane w intensywności sygnałów AE (Rys.8).

 Klasa 4s (rozwój rys) w wykonanych badaniach nie wystąpiła, ale obserwowane jest wystąpienie tej klasy na obiektach rzeczywistych.

Badania naukowe zostały wykonane w ramach realizacji projektu "Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury w strategii zrównoważonego rozwoju" współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

Piśmiennictwo

[1] Flaga K.: Naprężenia skurczowe i zbrojenie przypowierzchniowe w konstrukcjach betonowych, Politechnika Krakowska, Monografia 391, Kraków 2011

[2] Jamroży Z.: Beton i jego technologie, PWN wydanie trzecie, Warszawa 2008

[3] Praca zbiorowa pod redakcją: Brandt A.M., Kasperkiewicz J.: Metody diagnozowania betonów i betonów wysokowartościowych na podstawie badań strukturalnych, IPPT PAN Warszawa 2003

[4] Gołaski L., Świt G., Kalicka M., Kanji O: Acoustic Non Destructive Techniques as a new Method for Evaluation of Damages in Prestressed Concrete Structures: Failure of Concrete Structures. Journal of Acoustic Emission, Vol. 24, pp. 187-195 (2006).

[5] Świt G.: Metoda emisji akustycznej w analizie uszkodzeń konstrukcji betonowych wstępnie sprężonych. Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2008, pp. 1-158 (monografia).

[6] B.Goszczyńska, G.Świt, W.Trąmpczyński, A.Krampikowska, J.Bryła, P.Tworzewski, Weryfikacja doświadczalna identyfikacji i lokalizacji zarysowania betonu przy zastosowaniu emisji akustycznej, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 3/2011/II, str.119-126.

[7] B.Goszczyńska, G.Świt, W.Trąmpczyński, A.Krampikowska, J.Tworzewska, P.Tworzewski, Experimental validation of concrete crack initiation and location with acoustic emission metod, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol.12, No1, pp. 23-28, 2012

IDENTIFICATION OF ACOUSTIC EMISSION SIGNALS