Využití ultrazvukové impulsové metody pro zjišťování pevnosti v tlaku různých druhů cihel

Nedestruktivní metody zkoušení jsou využívány především pro hodnocení kvality betonu. V článku jsou uvedeny poznatky o využití ultrazvukové impulsové metody (UIM) pro stanovení pevnosti v tlaku cihel plných betonových, vápenopískových a pálených. Parametry z měření UIM (rychlost šíření ultrazvukového impulsu, dynamický modul pružnosti v tlaku a tahu) jsou ovlivňovány tvarem a rozměry cihel, složkami ze kterých se skládají, pórovitostí a vadami v jejich struktuře. Uvedené faktory se různou mírou ovlivňují jednak výsledky měření touto metodou, jednak těsnost kalibračních vztahů pro určení pevnosti v tlaku z rychlosti šíření ultrazvukového impulsu a dynamického modulu pružnosti v tlaku a tahu.

1. Úvod

Nedestruktivní metody zkoušení jsou v současné době ve stavební praxi v největším rozsahu využívány především při vyšetřování betonových a železobetonových konstrukcí, konkrétně se jedná o tvrdoměrné metody (odrazové tvrdoměry), metody místního porušení (např. metody vytrhávání trnu) a dynamické metody (ultrazvuková impulsová metoda nebo rezonanční metoda). Uvedené nedestruktivní metody jsou využívány pro zjišťování pevnostních charakteristik zabudovaných betonů, v menším rozsahu jsou využívány pro zjišťování defektů konstrukcí či stejnoměrnosti zabudovaného betonu. Jejich použití pro betonové a železobetonové konstrukce je popsáno odborné literatuře a také kodifikováno v technických normách ať již národních, evropských nebo mezinárodních.

Pro ostatní druhy stavebních materiálů nosných konstrukcích staveb jsou využívány podstatně méně, kromě tvrdoměrných metod při zkoušení malty v ložných spárách zdiva a cihel plných pálených, a to především z důvodu chybějících využitelných kalibračních vztahů umožňujících stanovení sledovaného parametru (např. pevnosti) z parametru nedestruktivního zkoušení a podpory v normativních dokumentech, které by kodifikovaly jak metodiku vlastního provádění zkoušek, tak i postupy vyhodnocení jejich výsledků.

Ultrazvuková impulsová metoda je kromě ocelových konstrukcí nejvíce využívána pro hodnocení betonu a betonových konstrukcí; je využívána jednak pro zjišťování fyzikálně-mechanických charakteristik (pevnost betonu v tlaku, modul pružnosti), jednak pro zjišťování homogenity a vad betonu v konstrukcích případně nebo pro zjišťování hloubky trhlin v betonu; také je využívána jako podpůrná metoda při hodnocení mrazuvzdornosti betonu

2. Ultrazvuková impulsová metoda – základní charakteristika

Ultrazvuk jsou mechanické kmity částic prostředí s frekvencí vyšší než 20 kHz. Pro zkoušení stavebních materiálů se zpravidla používají sondy o frekvenci 40 kHz až 150 kHz.

Při šíření ultrazvukové vlny prostředím se jeho částice rozkmitávají v různém směru vzhledem ke směru postupu vlny. Podle toho se rozlišují druhy ultrazvukových vln na podélné, příčné, povrchové a deskové. Při podélné vlně částice prostředí kmitají po přímkové dráze ve směru šíření vlny.

Nejrozšířenější metodou zkoušení je ultrazvuková impulsová průchodová metoda. Podstata metody spočívá ve vysílání budičem opakovaných ultrazvukových impulsů do materiálu a v následném snímání prošlých impulsů vyšetřovaným materiálem, tj. zjišťuje se čas, který uplyne při průběhu impulsu měřící základnou. Měření lze provádět přímým, nepřímým a povrchovým prozvučováním. Z času, který uplyne při průběhu impulsu měřící základnou a délky měřící základny se vypočítá rychlost šíření ultrazvukového impulsu V ze vztahu (1):

kde je

L

délka měřicí základny;

T

čas, který uplyne při průběhu impulsu měřicí základnou.

Z rychlosti šíření ultrazvukového impulsu a objemové hmotnosti lze vypočítat dynamický modul pružnosti v tlaku a tahu E_U dle vztahu (2):

kde je

V

rychlost šíření ultrazvukového impulsu;

D

objemová hmotnost.

Měření ultrazvukovou impulsovou metodou je ovlivňováno řadou faktorů, konkrétně: vlhkostí, vadami ve struktuře zkoušeného materiálu, rozměry a tvarem vzorku, vlastní frekvenci sond, ale také prostředky akustické vazby mezi sondami a zkoušeným materiálem. Tyto faktory je nezbytné zohlednit při zpracování metodiky měření konkrétních materiálů.

3. Charakteristika struktury jednotlivých druhů cihel

Struktura zkoušených cihel, konkrétně betonových, vápenopískových a cihel pálených je dána použitými surovinami a technologií výroby.

3.1 Betonové cihly

Betonové cihly jsou vyráběny ze směsi sestávající z drobného a hrubého kameniva (D_max = 8 mm), cementu, vody a přísad. Tento beton ve srovnání s běžně používanými betony pro stavební konstrukce obsahuje podstatně menší množství záměsové vody, proto jsou výrobky vytvářeny vibrolisováním. Vzhledem k použitému silikátovému pojivu se pevnosti výrobku zvyšují v čase v důsledku procesu hydratace cementu. Ztvrdlý beton, tj. i struktura betonové cihly je tvořena konglomerátem ze zrn kameniva, ztvrdlé cementové malty a vzduchových pórů – viz obr. č. 1a.

3.2 Vápenopískové cihly

Vápenopískové cihly jsou vyráběny ze směsi křemičitého písku, nehašeného vápna a vody. Z této směsi jsou lisováním vytvářeny výrobky, které jsou následně umístěny na určitou dobu do autoklávu, kde při tlaku vodní páry 16 barr a při teplotě 195 °C dochází k jejich vytvrzení (uvolňuje se oxid křemičitý z povrchu zrn písku, který reaguje s pojivem – vápenným hydrátem za vzniku velmi pevné CSH-fáze. Struktura vápenopískové cihly je tvořena konglomerátem písku spojeného produkty hydratace vápna a je znázorněna v obr. č. 1b.

3.3 Cihly pálené

Cihly pálené – jsou vyráběny z cihlářských hlín a vody, případně s přidáním ostřiv, taviv a lehčiv. V závislosti na obsahu vody jsou cihly vyráběny technologií tažení nebo lisování. Technologií tažení jsou vyráběny především běžné zdící materiály. Technologie lisování pro výrobu cihel byla využívána v dřívější dobách, v současnosti je využívána pro výrobu cihel typu klinker. Po vylisování jsou cihly vysušeny a následně je proveden výpal. Výpalem cihly získají požadované fyzikálně mechanické parametry. Struktura pálených cihel se liší v závislosti na způsobu vytváření, procesu sušení a výpalu. Je tvořena cihelným střepem, který obsahuje vzduchové póry otevřené i uzavřené, ale v různé míře i trhlinky. Struktura cihly vytvářené tažením je zobrazena na obr. č. 1c a cihly vytvářené lisováním (vyrobena v roce 1899) je na obr. č. 1d).

a) Betonová cihla

b) Vápenopísková cihla

c) Cihla pálená vytvářená tažením z plastického těsta

d) Cihla pálená vytvářená lisováním

Obr. 1 Struktura jednotlivých druhů cihel

4. Metodika a výsledky zkoušení

4.1 Zkušební vzorky

Měření ultrazvukovou metodou bylo prováděno na cihlách plných, konkrétně:

• Betonové cihly: rozměry 240 × 115 × 70 mm; objemová hmotnost 2217–2305 kg/m³, pevnost v tlaku 45,1–77,0 MPa. Měření byla prováděna ve stáří 7, 14, 21 a 28 dní. Počet vzorků v souboru 60. Pro zajištění stejných vlhkostních podmínek byly vzorky uloženy v prostředí s φ ≥ 95 % a teplotě 20±2 °C.
• Vápenopískové cihly: rozměry 240 × 115 × 70 mm; objemová hmotnost 1744–1897 kg/m³ (počet vzorků v souboru 50); rozměry 290 × 140 × 65 mm, objemová hmotnost 1469–1774 kg/m³, pevnost v tlaku 12,7–31,1 MPa (počet vzorků v souboru 40). Vzorky byly před měřením vysušeny do konstantní hmotnosti.
• Pálené cihly: rozměry 290 × 140 × 65mm; cihly vytvářené tažením (označení „TAZ“), počet vzorků v souboru 80, objemová hmotnost 1469–1774 kg/m³, pevnost v tlaku 12,7–35,2 MPa. Cihly vytvářené lisováním (označení „LIS“), počet vzorků v souboru 50 – objemová hmotnost 1567–1781 kg/m³, pevnost v tlaku 21,9–47,0 MPa. Vzorky byly před měřením vysušeny do konstantní hmotnosti.

4.2 Ultrazvuková impulsová metoda

Měření bylo prováděno přímým prozvučováním. Systém měření doby průchodu ultrazvukového impulsu – po délce cihly bylo měření prováděno ve 3 měřicích bodech, po šířce cihly v 5 měřicích bodech, které byly rovnoměrně rozloženy po měřené ploše. Vlastní frekvence sond byla zvolena 82 kHz, aby byla splněna podmínka a ≥ 1,25λ, (kde a je nejmenší rozměr vzorku v místě měření, λ je délka vlny), spojovací prostředek byl sonogel používaný ve zdravotnictví. Na každém měřicím místě bylo provedena 3 doby průchodu ultrazvukového impulsu. Rychlost šíření ultrazvukového impulsu byla vypočítána na 0,001 km/s ze vztahu (1).

4.3 Výsledky měření

Obrázky č. 2 a), b) až 4 a), b) znázorňují závislost mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu event. dynamickým modulem pružnosti a pevností v tlaku.

4.4 Vztahy pro predikci pevnosti v tlaku cihel z parametru měření ultrazvukovou impulsovou metodou

Na základě výsledků zkoušek byly pro jednotlivé druhy cihel zpracovány kalibrační vztahy (3 až 8) mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu resp. dynamickým modulem pružnosti a pevností v tlaku cihly.

Symboly ve vzorcích:

f_c

pevnost v tlaku [MPa],

V

rychlost šíření ultrazvukového impulsu [km/s],

E_U

dynamický modul pružnosti v tlaku [GPa].

• Betonové cihly:
  f_c = 626,67V − 74,603V ² − 1241,9 r = 0,957; V ∈ {3,6; 4,2} (3)
   
  
  
  f_c = 21,106E_U − 0,2692E_U² − 339,91 r = 0,957; E_U ∈ {28,5; 40} (4)
   
  
  
• Vápenopískové cihly:
  f_c = 4,8008V − 3,4402V ² − 6,4506 r = 0,966; V ∈ {1,9; 2,9} (5)
   
  
  
  f_c = 21,106E_U − 0,2692E_U² − 339,91 r = 0,957; E_U ∈ {5,8; 15,3} (6)
   
  
  
• Cihly plné pálené (vytvářené lisováním)
  f_c = 35,617V − 4,1951V ² − 29,466 r = 0,873; V ∈ {1,9; 3,5} (7)
   
  
  
• Cihly plné pálené (vytvářené tažením z plastického těsta)
  f_c = 10,754V − 0,5367V ² + 6,1707 r = 0,698; V ∈ {1,0; 3,0} (8)
   
  
  

a) V × f_c

b) E_U × f_c

Obr. 2 Závislost mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu resp. dynamického modulu pružnosti a pevností v tlaku – vápenopískové cihly

a) V × f_c

b) E_U × f_c

Obr. 3 Závislost mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu resp. dynamického modulu pružnosti a pevností v tlaku – betonové cihly

a) Cihly vytvářené lisováním

b) Cihly vytvářené tažením z plastického těsta

Obr. 4 Závislost mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu a pevností v tlaku – cihly plné pálené

5. Diskuse výsledků

Na základě analýzy výsledků zkoušek byly získány níže uvedené poznatky o využitelnosti ultrazvukové impulsové metody pro zjišťování pevností v tlaku cihel betonových, vápenopískových a pálených.

5.1 Vnitřní struktura cihel

Rychlost šíření ultrazvukového impulsu je ovlivňována vadami ve struktuře materiálu. U betonových cihel je tvořena zrny kameniva vyplněnými cementovou maltou a póry s nasákavostí < 6 %. Strukturu vápenopískových cihel lze charakterizovat jako jemnozrnný beton s nasákavostí 10–15 %. Střep cihel pálených měl nasákavost 11 až 17 % a kromě pórů obsahoval v různé míře trhlinky. Výskyt trhlinek byl vyšší u cihel vytvářených lisováním z plastického těsta. Odlišnosti ve struktuře zkoušených cihel se v závislosti na druhu cihel projevily na výsledcích měření. Nejvíce se vliv imperfekcí ve struktuře projevil u cihel plných pálených, nejméně u vápenopískových cihel, toto lze vysvětlit jejich homogenitou a absencí viditelných trhlinek.

5.2 Vlhkost cihel

Obecně je známo, že vlhkost materiálů ovlivňuje rychlost šíření ultrazvukového impulsu. Voda v pórové struktuře materiálů, kde nahrazuje vytěsněný vzduch, zvyšuje rychlost šíření ultrazvukového impulsu (rychlost ultrazvuku ve vodě je cca 3,5krát vyšší než ve vzduchu). Proto je nezbytné stanovit jednoznačné vlhkostní podmínky při měření pro zajištění opakovatelnosti a reprodukovatelnosti měření. Pro eliminaci vlivu vlhkosti na výsledky měření byly cihly vápenopískové a pálené před zkouškou vysušeny, betonové cihly byly uloženy v prostředí s φ ≥ 95 %.

5.3 Tvar a rozměry cihel

Nejmenší rozměr zkoušených cihel byl 65–70 mm. Rychlost šíření ultrazvukového impulsu závisí od délky vlny; poměr délky vlny k nejmenšímu rozměr vzorku ve směru prozvučování by měl být < 1, protože v opačném případě dochází ke snížení rychlosti šíření ultrazvukového impulsu. Proto pro zajištění reprodukovatelnosti výsledků měření je nezbytné zvolit odpovídající frekvenci sond.

5.4 Vztahy pro predikci pevnosti v tlaku cihel z parametru měření ultrazvukovou impulsovou metodou

Jak již bylo uvedeno, parametry z měření ultrazvukovou impulsovou metodou jsou ovlivňovány tvarem a rozměry cihel, složkami, ze kterých sestávají, pórovitostí a defekty ve struktuře. Uvedené faktory se různou mírou projevují i na kalibračních vztazích zpracovaných pro určení pevnosti v tlaku z parametru nedestruktivního zkoušení. Při hodnocení kalibračních vztahů se vycházelo hodnoty koeficientu korelace. Za prakticky využitelné jsou považovány kalibrační vztahy s koeficientem korelace r ≥ 0,85, vhodnější jsou, ale kalibrační vztahy s r ≥ 0,9. Podle uvedených kritérií jsou prakticky využitelné kalibrační vztahy zpracované pro betonové cihly (vztah 3 a 4) a pro vápenopískové cihly (vztah 5 a 6); koeficient korelace leží v rozmezí 0,96 až 0,97. Koeficient korelace vztahu zpracovaného pro pálené cihly lisované je 0,873, to znamená, že je na hranici použitelnosti. Závislost pro pálené cihly vytvářené lisováním z plastického těsta se vyznačuje nízkou vázaností mezi proměnnými (r = 0,698), a proto je zpracovaný vztah pro určování pevností těchto cihel nepoužitelný. Při stejných podmínkách zkoušení lze rozdíly v korelaci jednotlivých vztahů vysvětlit různou strukturou jednotlivých druhů cihel. Obecně pro cihly pálené platí, že trhlinky v cihelném střepu nejsou na závadu, pokud negativně neovlivňují deklarovanou pevnost. Z hlediska hodnocení pevnosti cihel plných pálených ultrazvukovou metodou se značně projevuje vliv neuspořádaně vyskytujících defektů v mikrostruktuře cihelného střepu, který je výraznější u cihel vytvářených lisováním z plastického těsta.

6. Závěr

Z analýzy výsledků měření ultrazvukovou impulsovou metodou betonových, vápenopískových a pálených cihel vyplynulo, že ultrazvuková impulsová metoda je prakticky využitelná pro zjišťování pevností v tlaku betonových a vápenopískových cihel. Podmínkou jsou přesně definované podmínky měření pro zajištění reprodukovatelnosti výsledků měření. Pro zkoušení plný cihel pálených je ultrazvuková impulsová metoda využitelná v případě, že cihelný střep obsahuje minimum defektů.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Reference

1. Brožovský, J. High-Strength Concrete – NDT with Rebound Hammer – Influence of Aggregate on Test Results. Nondestructive Testing and Evaluation, 29 (2014), 225–268.
2. Brožovský, J. Determine the Compressive Strength of Calcium Silicate Bricks by Combined Non-Destructive Method. The Science World Journal. 2014 (2014), 1–5.
3. Brožovský, J., Bydžovský, J. Analysis of relations for determination of parameters of various types of concrete based on ultrasonic pulse method measurement. Advanced Materials Research. 923 (2014), 99–107.
4. Brožovský, J. Comparsion of Compressive Strenghts of Concrete testing by Different of Sclerometers. Procedia Engineering, 65 (2013), 254–259.