Ultrahelimeetodi kasutamine betoonis esineva prao sügavuse määramiseks

Lõputöös on uuritud ultraheliseadme kasutusvõimalust betoonkonstruktsioonide pragude sügavuse määramisel. Töö baseerub mõõteseadmel Proceq Pundit Lab+, mida TTK ehitusteaduskond kasutab ehitiste seisukorra hindamisel. Töös on antud ülevaade erialakirjanduses toodud meetoditest prao sügavuse arvutamiseks ning viidud läbi ulatuslik katseseeria, mille käigus teostati üle 2000 mõõtmise. Erinevate mõõtemeetodite ja seadme testimiseks valmistati betoonist proovikehad mõõtmetega 200×200×800 mm, millele projekteeriti sisse kindla sügavusega praod (2, 4, 6 ja 8 cm). Ultrahelimõõtmiste alusel määrati laine levimise kiirus betoonis ning määrati pragude sügavused. Laine levimise kiirus betoonis määrati otsese mõõtmise teel nii, et andurid paiknesid prisma vastaspindadel ning pragude sügavuste määramiseks teostati ultrahelimõõtmisi katsekeha pealmiselt pinnalt. Heli levimise kiiruse määramisel betoonis jõuti järgmiste tulemusteni: • heli levimise kiiruse puhul on kõige õigem kasutada kõikide võrreldavate mõõtetulemuste maksimumväärtust, sest laine läbib materjali alati kõige lühemat teed pidi ning seejuures on laine levimise kiirus suurim; • heli leviku kiiruse määramisel ei tohiks kasutada miinimumväärtust, kuna betooni mittehomogeensus võib põhjustada signaali teekonna pikenemist; • ühe päeva vanusel betoonil oli heli leviku kiirus aeglasem, kuid sellest järgnevatel mõõtmistel jäi vahemikku 4500-4800 m/s; • alates 28-päeva vanustest katsekehadest on heli leviku kiirus betoonis praktiliselt konstantne. Prao sügavuse määramiseks mõõdeti laine levimise kiirus pinnalt mõõtmisel andurite neljas erinevas asetuses. Saadud tulemuste alusel arvutati prao sügavus kolmel erineval meetodil: • Meetod 1 andis prao sügavuse määramisel suhteliselt usaldusväärsed lõpptulemused. Seejuures sai selle meetodiga määrata pragude sügavust ka alla 4 cm sügavuse korral. Alates 4 cm prao sügavuse korral jäi viga üldjuhul 1 cm piiridesse. Siiski tuleb arvesse võtta asjaolu, et tegemist oli keskkonnamõjude tõttu kahjustamata betooni pinnaga. See on tähtis aspekt, kuna see meetod eeldab sama heli leviku kiirust betooni pinnal ja betoonkeha sees, mis vanemate betoonkonstruktsioonide korral ei pruugi olla täidetud. • Meetod 2 ei ole alla 4 cm sügavuste pragude määramiseks piisavalt täpne, kuid on edukalt rakendatav alates 6 cm sügavustest pragudest. Seejuures jäi viga enamasti 1,5 cm piiridesse, olles 8 cm prao sügavuse korral vaid mõned millimeetrid, ületades sellega ka meetodit 1. • Meetod 3 vajab erialakirjanduse põhjal täiendavat statistilist andmete töötlust ja iteratsioonimeetodite kasutamist. Antud lõputöö piiratud mahu tõttu neid ei vaadeldud, kuid olemasolevate mõõteandmete põhjal on seda võimalik edaspidi uurida. Vaadeldud meetoditest on just meetod 3 kõige universaalsem, kuna võimaldab mõõtmisel kasutada väga erinevaid mõõtebaasi pikkuseid. Samas on meetod 3 eriti tundlik valesti valitud mõõtebaasi suhtes. Väga paljudel juhtudel prao sügavuse arvutamise valemid ei toiminud. See probleem on põhjustatud laine levimise kiiruse mõõteveast ning andurite paigaldamise ebatäpsusest. Probleem esines pigem väiksema sügavusega pragudel (alla 4 cm), sest sellisel juhul on kahe mõõtetulemuse erinevus väga väike ning mõõteviga võib olla sellest suurem. Mõõteseadme suhteliseks veaks on soovitatav kasutada väärtust ±1% ning arvestada, et andurite paigutamise täpsus on vahemikus ±2 kuni ±4 mm (sõltuvalt mõõtetööde läbiviija vilumusest ning katse läbiviimise tingimustest). Tuleb eraldi rõhutada, et prao sügavuse määramine on eriti tundlik andurite paigaldamise täpsuse suhtes ja võimalusel tuleks vältida andurite asukoha muutmist ühe mõõteseeria jooksul.

The thesis researched the ultrasonic method for determining cracks in concrete. The work is based on the measuring equipment Proceq Pundit Lab+, which the Faculty of Construction of TTK University of Applied Sciences (TTK UAS) uses to assess the condition of structures. The thesis gives an overview of methods used to calculate the depth of cracks. An extensive test series was conducted during which over 2000 measurements were taken. In order to carry out the tests, concrete prisms with dimensions 200×200×800 mm and predesigned cracks (depths 2-8 cm) were made. Using ultrasound the pulse velocity was measured and the depth of cracks determined. Pulse velocity in concrete was defined by direct measurement in a way, where the sensors were located on two opposite surfaces. Determining the crack depths was done by indirect (surface) measurements of ultrasonic. Determining the ultrasonic velocity in concrete produced the following results: • in the case of velocity, the correct way is to use the maximum value of all measured test results, because the wave always passes through the material using the shortest path and therefore the velocity is the greatest; • when determining the velocity, it is not suggested to use the minimum value, because the non-homogeneity of concrete can cause the elongation of sound propagation; • one-day old concrete had a slower velocity, but in the following measurements it remained between 4500-4800 ms; • starting from 28-day old test specimens, the velocity in concrete was practically constant. The pulse velocity used to measure crack depths in concrete, was done from the surface using four different configurations of sensors. The obtained results were used to calculate the depth of cracks using three different methods: • Method 1 gave a fairly reliable end result for crack depth and it can also be used to measure cracks less than 4 cm deep. Starting from crack depths of 4 cm, the error was usually up to 1 cm. It is still important to factor in that the concrete surface was undamaged by environmental effects. It is an important aspect, since this method assumes a constant ultrasound velocity near the surface and inside the concrete, which might not be so in the case of older concrete structures. • Method 2 is not accurate enough to measure cracks less than 4 cm, but can be successfully used for cracks starting from a depth of 6 cm. The error was mostly up to 1,5 cm and in the case of an 8 cm crack it was only a few millimetres, exceeding the accuracy of method 1. • Method 3 needs further statistical data analysis and the use of iteration methods. Due to the volume constraints of the thesis at hand, this method was not studied as deeply, but the gathered data can be used to research this further in the future. Method 3 is the most universal out of all the methods in question, since it allows the use of very different measurement base lengths. At the same time, method 3 is especially sensitive to a wrong measurement base. In very many cases, the formulae for calculating the depth of a crack did not work. Such a problem is caused by the error in ultrasonic velocity and the incorrect placement of sensors. The problem occurred in measuring cracks with a smaller depth (below 4 cm), for in such cases the difference in the two measurements is very small and the measurement error can be greater than that. When measuring with ultrasound, it is suggested to use a measurement error of ±1% and to take into account that the accuracy of placing the sensors in between ±2 to ±4 mm (depending on the skills of the person conducting the measurement and the conditions). It is further needed to stress the fact, that the measuring of a crack is especially sensitive to the placing accuracy of the sensors and if possible, relocating of the sensors during one measurement series should be avoided.