СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВНЕШНЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО АРМИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
CONTROL METHOD OF EXTERNAL COMPOSITE REINFORCEMENT OF BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к области разработки, производства и монтажа строительных конструкций, преимущественно из бетона, покрытого армирующим композиционным материалом.
В современных строительных конструкциях на основе бетона широко применяются композиционные материалы, позволяющие улучшить их прочностные характеристики, повысить надежность и увеличить сроки эксплуатации. Применение композиционных материалов для внешнего армирования бетонных конструкций сопряжено с необходимостью оценки качества связи между бетоном и композиционным материалом. Наличие зон непроклея и расслоений существенно снижает эффективность внешнего армирования бетона и может послужить причиной внезапного разрушения конструкции.
Известен способ контроля оболочек из композиционных материалов по фазовым превращениям воды на исследуемой поверхности (Патент РФ №2024858, опубл. 15.12.1994). Сущность способа состоит в том, что поверхность панели охлаждают парами азота до температуры ниже температуры фазовых превращений воды, осаждают распыленную воду на охлажденную поверхность, фиксируют фотографическим устройством процесс обратных фазовых превращений на поверхности и при их анализе определяют места непроклея.
Указанный способ характеризуется простотой и высокой производительностью контроля, однако его применение для контроля приклеиваемого армирующего покрытия строительных конструкций затруднено из-за сложности охлаждения большой массы бетона, примыкающего к композитной оболочке. Кроме того, охлаждение армирующего покрытия жидким азотом может инициировать появление дефектных зон при деструкции клея или необратимому снижению свойств армирующего покрытия, что ограничивает применение данного способа. Также расположение контролируемых поверхностей в строительных конструкциях не всегда обеспечивает равномерное нанесение распыленной воды на контролируемую поверхность.
Известен лазерно-вибродиагностический способ выявления дефектов клееных оболочек. Сущность способа состоит в размещении на поверхности композиционной оболочки отражающего зеркала и возбуждении колебаний оболочки. В процессе контроля на зеркало направляют лазерный луч, а по изменению формы отраженного луча судят о наличии дефектов в композиционной оболочке. (В.И.Мордасов, А.Д.Сторож, Н.Е.Гребнев, О.В.Шулепова, Е.Г.Иванова. ЛАЗЕРНО-ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КЛЕЕНЫХ ОБОЛОЧЕК.- Авиационная и ракетно-космическая техника. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(19), 2009.- с.43-48).
Недостатком данного способа является то, что в процессе контроля необходимо перемещать зеркало по контролируемой поверхности, что весьма затруднительно на вертикальных и горизонтальных потолочных строительных конструкциях. Кроме того, наличие значительной присоединенной массы в виде бетонной конструкции требует существенного увеличения мощности источников возбуждающих колебаний, что приводит к усложнению конструкции и может послужить причиной нарушения силовой связи между армирующим композиционным материалом и основанием.
Наиболее близким из известных технических решений к заявляемому является теплоголографический способ неразрушающего контроля композитов. Сущность способа состоит в тепловом нагружении изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. Нагрев исследуемой поверхности выполняется галогенными лампами. Обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, наблюдаемых оператором с помощью голографического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой визуализации практически в реальном масштабе времени. (Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/В.В. Клюев, Ф.В.Сосин, А.В. Ковалев и др./ Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп.-М.:Машиностроение, 2003. с.545 - прототип).
Недостатком этого способа является сложность обеспечения нагрева галогенными лампами строительных конструкций большой протяженности и массы, особенно расположенных вертикально и смонтированных на большой высоте. Кроме того, регистрация голографических интерферограмм на термопластический носитель требует длительных экспозиций, что позволяет проводить контроль только в условиях хорошей виброзащищенности объекта контроля. Такие условия реализуют, в основном, в лаборатории. Чрезвычайно сложно обеспечить их выполнение в производственных условиях, например, при монтаже и эксплуатации строительных конструкций.
Техническая задача изобретения - повышение эффективности способа за счет возможности проведения контроля внешнего композиционного армирования на строительных конструкциях непосредственно на месте монтажа или эксплуатации, независимо от месторасположения контролируемой поверхности, сокращение времени подготовительных операций на проведение контроля, а также увеличение достоверности обнаружения дефектов нарушения механической связи между основой строительной конструкции и внешним композиционным армированием.
Поставленная задача достигается тем, что в способе контроля внешнего композиционного армирования строительных конструкций, включающем тепловое нагружение контролируемой поверхности, облучение контролируемой поверхности когерентным лазерным излучением, регистрацию поля перемещений и обнаружение дефектов композиционного армирования по наличию аномалий интерференционных полос - тепловое нагружение выполняют лучом лазера с длиной волны, обеспечивающей максимальное поглощение энергии контролируемым композиционным покрытием и пятном прогрева меньше поперечного размера допустимого дефекта, энергию прогрева дозируют длительностью импульса излучения, проводят поточечное сканирование исследуемой поверхности, а поле перемещений регистрируют методом высокоскоростной электронной корреляционной спекл-интерферометрии, причем расстояние между точками теплового нагружения при сканировании определяют как расстояние затухания поля деформации от центра зоны теплового нагружения до наиболее удаленной точки обнаружения полосы корреляции поля спекл-структур, а регистрацию поля перемещений ведут в зоне с центром в точке приложения тепловой нагрузки, при этом зона нагрева имеет геометрическую форму, отличную от круга.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- тепловое нагружение выполняют лучом лазера с длиной волны, обеспечивающей максимальное поглощение энергии контролируемым композиционным покрытием и пятном прогрева меньше поперечного размера допустимого дефекта;
- энергию прогрева дозируют длительностью импульса излучения;
- проводят поточечное сканирование исследуемой поверхности;
- поле перемещений регистрируют методом высокоскоростной электронной корреляционной спекл-интерферометрии;
- расстояние между точками теплового нагружения при сканировании определяют как расстояние затухания поля деформации от центра зоны теплового нагружения до наиболее удаленной точки обнаружения полосы корреляции поля спекл-структур;
- регистрацию поля перемещений ведут в зоне с центром в точке приложения тепловой нагрузки, при этом зона нагрева имеет геометрическую форму, отличную от круга.
Применение теплового нагружения при помощи лазерного луча обеспечивает возможность проведения контроля участков композиционного покрытия, размещенных на потолочных балках, перекрытиях и вертикальных колонах. При использовании оптических дефлекторов и сканирующих устройств чрезвычайно легко управлять положением точки приложения теплового воздействия. Кроме того, возможность модулирования мощности лазерного излучения позволяет гибко подстраивать систему диагностики под наиболее оптимальный режим теплового нагружения конкретного материала. Применение теплового нагружения при помощи лазерного луча обеспечивает не только возможность создания тепловой нагрузки в любой точке контролируемой поверхности, но и реализует важнейшее условие диагностики по данному способу - создание нестационарного теплового поля на диагностируемом участке композиционного покрытия.
Применение для теплового нагружения лазера с длиной волны, обеспечивающей максимальное поглощение энергии контролируемым композиционным покрытием, снижает энергозатраты на диагностику, сокращает время диагностики и увеличивает тепловой градиент между композиционным покрытием и базовым основанием строительной конструкции, что повышает точность и достоверность контроля. Реализация пятна прогрева меньше поперечного размера допустимого дефекта обеспечивает получение нестационарного теплового поля, которое формирует поле механической деформации с высокой кривизной, способствующей появлению ярко выраженных аномалий в системе полос корреляции, что создает возможность диагностировать дефекты заданного размера.
Дозирование энергии прогрева путем изменения длительности импульса излучения создает возможность формирования такого фронта тепловых деформаций, при котором происходит наиболее эффективное формирование аномалий на полосах корреляции, что обеспечивает возможность более точно определить форму и локализацию дефекта механической связи между базовым основанием строительной конструкции (например, бетоном) и армирующим покрытием.
Поточечное сканирование исследуемой поверхности позволяет не только сформировать нестационарное тепловое поле для более точного диагностирования зоны локализации дефекта, но и выполнять уточненное диагностирование в местах расположения проблемных зон за счет изменения положения точки тестирующего теплового воздействия, что является существенным отличием от известных способов получения равномерного нагрева посредством сканирования поверхности лазерным лучом.
Регистрация поля перемещений методом высокоскоростной электронной корреляционной спекл-интерферометрии позволяет проводить измерения с лазерно-интерференционной чувствительностью и точностью, что обеспечивает возможность диагностирования внешнего композиционного армирования непосредственно в производственных условиях.
Определение расстояния между точками теплового нагружения при сканировании на основании анализа затухания поля тепловой деформации оптимизирует режим диагностаки посредством регистрации максимально возможной зоны контроля на исследуемой поверхности за один цикл регистрации. Это сокращает время диагностики.
Для уточнения положения дефектов и их геометрических контуров может быть использован способ пространственной модуляции нагревающего луча, что позволяет изменять геометрическую форму зоны нагрева. При этом в ближней к дефекту области можно сформировать такую заданную неоднородность теплового поля, которая более эффективно выявляет дефекты механической связи основы строительной конструкции и композиционного армирования.
На чертеже изображена схема установки для выполнения заявленного способа контроля внешнего композиционного армирования строительных конструкций.
Установка для выполнения заявленного способа контроля диагностируемого объекта 1 с внешним композиционным армированием 2 в зоне контроля 3 включает лазер 4 когерентного излучения, оптический тракт 5, электронно-оптический регистратор 6, представляющий собой приемную часть электронного корреляционного спекл-интерферометра. Лазер 7 импульсного теплового нагрева, например, полупроводниковый лазер с модуляцией мощности излучения и частотой излучения, соответствующей максимуму поглощения композитного материала, закреплен на сканирующем блоке 8 так, чтобы зона теплового воздействия совпадала с центром зоны контроля.
Для управления работой лазеров и сканирующего устройства используется блок управления 9. Для обработки данных, поступающих с оптического регистратора 6, используется компьютер 10, который одновременно служит для программного управления сканирующим блоком 8.
Диагностирование выполняют следующим образом.
Диагностируемый объект 1 с внешним композиционным армированием 2 освещается в зоне контроля 3 когерентным излучением лазера 4. Посредством оптического тракта 5 часть излучения лазера 4 поступает в электронно-оптический регистратор 6. Лазер 7 для импульсного теплового нагрева, например, полупроводниковый лазер с модуляцией мощности излучения и частотой излучения, соответствующей максимуму поглощения композитного материала, закреплен на сканирующем блоке 8 так, чтобы зона теплового воздействия совпадала с центром зоны контроля. Для управления работой лазеров и сканирующего устройства используется блок управления 9. Для обработки данных, поступающих с оптического регистратора 6, используется компьютер 10, который одновременно служит для программного управления сканирующим блоком 8.
При выполнении диагностики сканирующий блок 8 устанавливают так, чтобы обеспечивался прямой оптический доступ к контролируемой поверхности диагностируемого объекта 1. Включают лазер когерентного излучения 4, регистратор 6 и выполняют пробную диагностику внешнего армирования. При этом скорость регистрации спекл-структур устанавливают максимально возможной (500-1000 к/с), экспозицию минимально возможной (0,5-0,1 мкс), а длительность импульса теплового воздействия устанавливают такой, чтобы не происходила деструкция армирующего материала. Величина энергии деструкции определяется экспериментально или по паспортным данным на композиционный материал.
По результатам пробной диагностики определяют радиус затухания деформации от теплового возмущения, вводят эти значения и геометрические характеристики контролируемой поверхности в программу управления сканирующим блоком 8. Одновременно корректируют частоты регистрации и длительность экспозиции по анализу полученных спекл-структур с учетом вибрационных возмущений места диагностики с целью повышения информативности потока данных. Устанавливают в электронном корреляционном спекл-интерферометре интервалы сравнения спекл-структур такими, чтобы обеспечивалось наблюдение изменения поля перемещений контролируемой поверхности 3 в режиме "квазиреального времени".
Процесс контроля внешнего композиционного армирования основы строительных конструкций проводят в интерактивном режиме. Программно устанавливают точку начала диагностики и траекторию перемещения зоны контроля 3. Под действием теплового импульса лазера 7 локально повышается температура в зоне воздействия луча. Тепловое поле распространяется по композиционному материалу 2, вызывая его термомеханическое деформирование. Оператор на экране компьютера 10 наблюдает изменение поля деформирования армирующего покрытия в зоне контроля. Наличие дефектов несплошности в композиционном материале, либо отсутствие механической связи с поверхностью основы строительной конструкции (например, бетона), приводит к возникновению аномальных деформаций, что проявляется в искажении формы полос корреляции. При обнаружении аномальных искажений корреляционных полос на изображении контролируемой зоны оператором делается отметка, например, указанием проблемного участка курсором, а изображение контролируемой зоны с отметками заносится в память компьютера. Сканирующий блок перемещает центр зоны контроля 3 в следующую точку исследуемой поверхности объекта 1, и цикл диагностики повторяется.
По завершении контроля всей поверхности композиционного армирования для уточнения размеров дефекта и его локализации оператор на основании полученной карты дефектов устанавливает точку теплового воздействия вблизи проблемного участка и изменяет геометрическую форму зоны нагрева, например, в виде параллельных линий, ограничивающих дефектную зону. Изменение геометрической формы луча лазера 7 проводится с помощью пространственного модулятора оптического излучения и набора программ управления трансформацией зоны нагрева. Суперпозиция волн термомеханической деформации композиционного материала позволяет более точно определить форму и характеристики дефекта. Наиболее эффективные геометрические характеристики зоны нагрева определяют экспериментально для различных композитных материалов и технологий их нанесения на объект.
Предложенный способ может быть использован не только для контроля внешних армирующих покрытий строительных конструкций, но и для анализа работоспособности авиационно-космических систем, например, теплозащитного покрытия космических аппаратов, панелей крыла и фюзеляжа авиационной техники. Способ применим и в других областях техники, например, для обнаружения трещин в подъемных машинах горнорудных предприятий.
Реализация способа предполагает использование лазерного, электронно-оптического и компьютерного оборудования которое производится серийно. Использование приборов с высокими техническими характеристиками вполне оправдано тем, что внезапное разрушение объектов контроля может представлять опасность для жизни людей и приводить к существенному экономическому ущербу.
Применение изобретения позволяет повысить эффективность способа за счет возможности проведения контроля внешнего композиционного армирования на строительных конструкциях и машиностроительных изделиях непосредственно на месте монтажа или эксплуатации, независимо от месторасположения контролируемой поверхности, сокращения времени подготовительных операций на проведение контроля, а также-увеличения достоверности обнаружения дефектов нарушения механической связи между основой строительной конструкции и внешним композиционным армированием, позволяет реализовать мобильность доставки диагностического оборудования к объекту контроля. Управление характером приложения динамической нагрузки оптимизирует применение способа к обнаружению дефектов в различных материалах и структурах для более точного определения величины и локализации дефектов.