ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХОМЕТОДА ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ И ПЛИТНЫХ РОСТВЕРКОВ

ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХОМЕТОДА ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ И ПЛИТНЫХ РОСТВЕРКОВ 

Аннотация

Введение. 

В настоящей статье, рассмотрены некоторые возможности и ограничения ультразвукового эхометода при определении наличия дефектов внутренней структуры бетона и параметров армирования монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков при обследовании технического состояния с применением ультразвуковых низкочастотных томографов.

Представлены параметры, определяемые при обследовании технического состояния фундаментных плит и плитных ростверков.

Описан способ определения отдельных фактических параметров фундаментных плит и плитных ростверков ультразвуковым эхометодом, представлены его возможности, границы применимости и ограничения.

Приводятся данные о возможности применения ультразвуковых томографов для обследования технического состояния готовых и возводимых монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков.

Цель. 

Краткий обзор основных возможностей и ограничений ультразвукового эхометода, выявленных при использовании ультразвуковых томографов для определения наличия дефектов внутренней структуры бетона и фактических параметров армирования фундаментных плит и плитных ростверков при обследовании их технического состояния, отдельно или совместно с другими существующими методами.

Материалы и методы. 

В статье использован метод экспериментального исследования натурных конструкций. С помощью томографов выполнялось определение наличия дефектов внутренней структуры бетона, фактических геометрических параметров и параметров армирования фундаментных плит и плитных ростверков классов В25-В40 по прочности на сжатие, с толщинами 400-1400мм при различных параметрах системы армирования и различном качестве лицевой поверхности верхней грани.

На участках обследования ультразвуковым эхометодом в отдельных случаях выполнялся отбор образцов-кернов (вырубка фрагментов плит) и их последующий анализ с прямыми измерениями перечисленных параметров.

Результаты. 

Автором сформулированы основные возможности и ограничения ультразвукового эхометода, выявленные при его использовании с целью определении наличия дефектов внутренней структуры бетона и фактических параметров армирования фундаментных плит и плитных ростверков при обследовании их технического состояния.

Выводы. 

Положительный опыт использования ультразвуковых низкочастотных томографов и рассмотренные выше примеры применения ультразвукового эхометода для определения наличия дефектов внутренней структуры бетона и фактических параметров системы армирования монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков, свидетельствуют о возможности его эффективного применения в качестве инструмента для решения производственных задач, отдельно или в сочетании с другими методами.

Ключевые слова: ультразвуковой эхометод, ультразвуковой томограф, железобетонные конструкции, фундаментные плиты, плитные ростверки, обследование технического состояния.

CAPABILITIES AND LIMITATIONS OF THE ULTRASONIC ECHOMETHOD IN TECHNICAL CONDITION INSPECTION OF MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE STRUCTURES OF FOUNDATION SLABS AND SLAB RAILROADS 

Abstract 

Introduction

Тhis article examines some of the capabilities and limitations of the ultrasonic echo method in determining the presence of defects in the internal structure of concrete and reinforcement parameters of monolithic reinforced concrete structures of foundation slabs and slab grillages during technical condition inspections using low-frequency ultrasonic tomographs. 

Parameters determined during technical condition inspections of foundation slabs and slab grillages are presented. This article describes a method for determining individual actual parameters of foundation slabs and slab grillages using the ultrasonic echo method, presenting its capabilities, applicability limits, and limitations. Data is provided on the feasibility of using ultrasonic tomographs to survey the technical condition of finished and under-construction monolithic reinforced concrete structures such as foundation slabs and slab grillages. 

Objective 

This article provides a brief overview of the main capabilities and limitations of the ultrasonic echo method, identified when using ultrasonic tomographs to determine the presence of defects in the internal structure of concrete and the actual parameters of the reinforcement of foundation slabs and slab grillages during their technical condition surveys, either separately or in combination with other existing methods. 

Materials and Methods

This article utilizes an experimental study of full-scale structures. Tomographs were used to determine the presence of defects in the internal structure of concrete, the actual geometric parameters, and the reinforcement parameters of foundation slabs and slab grillages of compressive strength classes B25-B40, with thicknesses of 400-1400 mm, various reinforcement system parameters, and varying surface qualities of the upper face. In some cases, core samples (cutting out fragments of slabs) were collected at the ultrasonic echo inspection sites, followed by their analysis with direct measurements of the aforementioned parameters. 

Results 

The author has formulated the key capabilities and limitations of the ultrasonic echo method, identified during its use to determine the presence of defects in the internal structure of concrete and the actual reinforcement parameters of foundation slabs and slab grillages during inspection of their technical condition. 

Conclusions 

The positive experience of using low-frequency ultrasonic tomographs and the above-discussed examples of the application of the ultrasonic echo method to determine the presence of defects in the internal structure of concrete and the actual parameters of the reinforcement system of monolithic reinforced concrete structures, such as foundation slabs and slab grillages, demonstrate the potential for its effective use as a tool for solving production problems, either alone or in combination with other methods. 

Keywords: ultrasonic echo method, ultrasonic tomograph, reinforced concrete structures, foundation slabs, slab grillages, technical condition inspection.

Введение

Обследование монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков гражданских и промышленных зданий (сооружений) с целью оценки их технического состояния, выполняется в соответствии с ГОСТ 31937-2024.

При обследовании технического состояния монолитных железобетонных конструкций, в зависимости от задач обследования, могут определяться [1]:

—фактические геометрические параметры конструкций (толщина, наличие каналов в теле конструкции, их линейные размеры и расположение и т. д.);

—фактические физико-механические параметры материалов конструкций (арматурной стали, бетона);

—параметры визуально выявляемых дефектов (трещин, отколов, разрушений), качество лицевой поверхности монолитных конструкций;

—фактические параметры системы армирования (тип, количество слоев и рядов армирования, шаг арматуры в рядах, толщина защитного слоя бетона и диаметры арматурных стержней.

Кроме того, часто возникает необходимость определения наличия дефектов внутренней структуры бетона, которые могут возникать при нарушении технологии бетонирования и ухода за бетоном (непроектное расположение рабочих швов бетонирования, участки недостаточно уплотненного бетона, участки бетона с кавернами, полостями с различными линейными размерами, содержащими инородные тела, мусор).

Следует отметить, что в текущей редакции ГОСТ 31937, определение наличия дефектов внутренней структуры бетона конструкции не является обязательным при выявлении дефектов на лицевой поверхности конструкции. В этом случае, поиск дефектов внутренней структуры бетона с помощью ультразвуковых томографов выполняется в соответствии с программой работ по техническому обследованию, при необходимости.

Тем не менее, п. 5.3.1.32 ГОСТ 31937 допускает использование ультразвукового эхометода (ультразвуковой томографии) для определения скрытых дефектов бетонирования (непроектные вертикальные, горизонтальные или наклонные швы бетонирования) по специально разработанной методике, утвержденной в соответствующем порядке, с последующим контрольным бурением кернов.

В п. 5.3.1.10 ГОСТ 31937-2024 перечислены методы определения параметров фактического армирования готовых железобетонных конструкций, применяемые при техническом обследовании [1]:

—выполнение контрольных вскрытий с обнажением арматуры для непосредственного определения параметров армирования ручным измерительным инструментом (штангенциркули, штангенглубиномеры, линейки, рулетки);

—магнитный по ГОСТ 22904–2023 [2];

—радиационный по ГОСТ 17625–83 [3].

Кроме того, для определения системы армирования железобетонных конструкций, стандарт допускает применение геофизических (георадиолокационные) методов и ультразвукового метода.

В настоящей статье, рассмотрены возможности ультразвукового эхометода, реализуемого в ультразвуковых низкочастотных томографах, применение которых, отдельно или в сочетании с другими методами, эффективно при обследования технического состояния монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков.

Факторы, затрудняющие обследование технического состояния монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков.

Постоянное усложнение объемно-планировочных и конструктивных решений вновь возводимых проектируемых и строящихся зданий, заставляет усложнять систему армирования фундаментных плит и плитных ростверков.

Для того, чтобы сечения элементов железобетонных конструкций могли воспринимать колоссальные усилия, возникающие при действии эксплуатационных нагрузок в современных зданиях, приходится постоянно увеличивать размеры сечения, физико-механические характеристики бетона и арматурной стали, и, часто, усложнять систему армирования, в том числе, располагая арматуру в несколько (два, три и более) рядов.

Нарушения технологии производства работ по бетонированию и уходу за бетоном могут увеличивать риски возникновения дефектов внутренней структуры бетона.

К факторам, затрудняющим обследование технического состояния монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков, следует отнести:

—односторонний доступ к железобетонным конструкциям;

—наличие отделочных (систем полов), защитных, в том числе, гидроизоляционных и иных типов покрытий на внутренних поверхностях обследуемых конструкций;

—большие линейные размеры сечений фундаментных плит и плитных ростверков;

—увеличение риска наличия дефектов внутренней структуры бетона, вследствие нарушения технологии производства работ по бетонированию и уходу за бетоном и сложности конструкций;

—различные типы армирования зон фундаментных плит и плитных ростверков, использование арматурных стержней больших диаметров при малом шаге, в том числе многорядное;

—невозможность или ограниченная возможность использования разрушающих методов контрольных вскрытий, отбора образцов-кернов.

—повышенная влажность, низкая освещенность и стесненные условия работы.

В большинстве случаев, при определении параметров системы армирования элементов железобетонных конструкций гражданских, общественных и промышленных зданий, для решения задач обследования, технически и экономически оправдано и достаточно применения магнитного метода и выполнения контрольных вскрытий с обнажением арматуры для непосредственного определения параметров армирования ручным измерительным инструментом.

Однако, при обследовании технического состояния железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков, где влияние вышеперечисленных факторов велико, использование только традиционных методов: метода контрольных вскрытий (бурений), магнитного, георадиолокационного,  не обеспечивает получения всех требуемых фактических параметров, и не всегда позволяет выполнить оценку технического состояния конструкции.

Существующие методы определения параметров конструкций, оказываются ограниченно применимыми или неприменимыми, в случаях:

—глубокого расположения стержней арматурного каркаса (более 100 мм);

—плотного расположения стержней арматурного каркаса (менее 100 мм), в зонах перехлестки стержней;

—расположения арматуры в несколько рядов;

—железобетонных конструкций, сильно увлажненных или загрязненных электролитами;

—невозможности выполнения отбора образцов кернов, контрольных вскрытий защитного слоя бетона.

Использование ультразвукового эхометода при обследовании технического состояния монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков.

Ультразвуковой эхометод позволяет эффективно определять отдельные параметры армирования (количество рядов армирования, координаты центров и шаг арматурных стержней) второго, третьего и последующих рядов армирования, расположенных на различных глубинах в различных типах конструкций.

Метод реализован в ультразвуковых дефектоскопах и томографах с антенными решетками с пъезопреобразователями с сухим точечным контактом. Полученные результаты контроля могут быть представлены в легко доступном виде- томографическом. Способ отображения результатов контроля в виде томограмм или даже объёмных картин естественным образом вытекает из самого алгоритма работы метода, поэтому его ещё называют методом отражательной томографии [5].

Для демонстрации возможностей томографов отечественного производства, которые объективно отражают возможности и границы применимости ультразвукового метода в целом, ниже представлены результаты обследования отдельных участков железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков ультразвуковым эхометодом (рис.1-7).

По результатам анализа томограмм (рис.1-7), можно сделать следующие выводы:

— при толщинах фундаментных плит (ростверков) до 600 мм (при отсутствии значительных дефектов внутренней структуры бетона), возможно определение отдельных параметров армирования (шаг, толщина защитного слоя бетона) для слоев армирования у верхней и нижней граней плит для наиболее используемых диаметров арматурных стержней (d12…d40), толщины конструкции, а также, качественная и количественная оценка внутренней структуры бетона на участке обследования;

— при толщинах фундаментных плит (ростверков) более 600 мм (при отсутствии значительных дефектов внутренней структуры), возможно определение параметров армирования у верхней грани плиты. Оценка параметров армирования у нижней грани плиты возможна при комплексном использовании ультразвукового эхометода и отбора образцов кернов (вырубок фрагментов плит);

— оценка толщины фундаментных плит (ростверков) более 600 мм возможна при отсутствии значительных дефектов внутренней структуры. Соответственно, при регистрации донного образа, возможна качественная и количественная оценка внутренней структуры бетона на участке обследования.

Возможности и ограничения ультразвукового эхометода при обследовании технического состояния монолитных железобетонных конструкций фундаментных плит и плитных ростверков.

К возможностям ультразвукового эхометода можно отнести следующее:

—возможность определения отдельных параметров арматурного каркаса, положение арматурных стержней, шаг, оценка толщины защитного слоя.

—возможность эффективного определения положения арматурных стержней при их многорядном расположении при толщине защитного слоя более 100 мм.

—возможность определения наличия дефектов внутренней структуры бетона полостей, инородных тел с линейными размерами более 10 мм. Качественная оценка внутренней структуры бетона.

—возможность определения толщины фундаментных плит и плитных ростверков при одностороннем доступе.

—нечувствительность к влажности конструкции, ее загрязнению электролитами.

К ограничениям ультразвукового эхометода можно отнести следующее:

—относительно невысокая производительность, невозможность оперативного обследования больших зон фундаментных плит и плитных ростверков.

—невозможность эффективного обследования фундаментных плит и плитных ростверков с лицевой поверхностью классов А6, А7 [4] без дополнительной подготовки, шлифовки.

—невозможность эффективного обследования фундаментных плит и плитных ростверков с отделочными, защитными и гидроизоляционными покрытиями, системами полов без дополнительной подготовки участков зон обследования, удаления покрытий и их шлифовки.

—отсутствие достаточной нормативно-технической базы, регламентирующей применение ультразвукового эхометода при обследовании фундаментных плит и плитных ростверков.

—требования к квалификации и опыту оператора, субъективность при интерпретации томограмм.

—зависимость от степени неоднородности внутренней структуры бетона, типа и наибольшей крупности заполнителя, коэффициента затухания.

—невозможность точного определения диаметров элементов арматурного каркаса.

При этом, в арбитражных случаях или при обследовании зон фундаментных плит и плитных ростверков с дефектами внутренней структуры бетона и сложной системой армирования (например, зоны с дополнительным армированием, зоны установки каркасов поперечного армирования от продавливания, для окончательных выводов, остается необходимость контрольных бурений, отбора образцов-кернов, для уточнения результатов обследования ультразвуковым эхометодом.

Отдельно, следует отметить положительную динамику, сложившуюся в последнее время, свидетельствующую о росте объемов применения ультразвукового эхометода при обследовании технического состояния зданий и сооружений, которая выражается в:

—включении ультразвукового эхометода в актуальные редакции ряда нормативных      документов по техническому обследованию и строительному контролю. Например, ГОСТ 31937-2024.

—включении ряда приборов, реализующих ультразвуковой эхометод, ультразвуковых низкочастотных томографов в реестр средств измерений.

На итоговый результат обследования участка конструкции ультразвуковым эхометодом, влияет множество факторов. Это и качество лицевой поверхности обследуемого участка конструкции, на которой располагается антенная решетка томографа при обследовании и отсутствие ударных воздействий на конструкцию (например, работа перфоратора, гидромолота, резка и бурение бетона различными механизмами и т. д.), качество уплотнения бетона, тип и размеры заполнителя и т. д., поэтому эффективность применения метода может в каждом конкретном случае может отличаться.

Возможность применения ультразвукового эхометода при определении отдельных параметров плоскостных железобетонных конструкций (плиты перекрытий, фундаментные плиты, стены) в зависимости от шага стержней сетки армирования, ближайшей к антенной решетке прибора, представлена в табл. 1-2. Знаком «+» в ячейках таблицы отмечена возможность эффективного применения ультразвукового эхометода. Под эффективным применением, в данном случае, предполагается применение только ультразвукового эхометода с высокой вероятностью получить требуемые параметры без применения других методов (в том числе, отбора образцов кернов, контрольных вскрытий). Знаком «-» в ячейках таблицы отмечена низкая вероятность получить требуемые параметры используя только ультразвуковой эхометод.