Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

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)

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

(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.

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.

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.

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.