Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2011 November 9 - 11, 2011 - Harmony Club Hotel, Ostrava - Czech Republic
POROVNÁNÍ DETEKCE VNITŘNÍCH VAD MRAZEM POŠKOZENÝCH STŘEŠNÍCH TAŠEK AKUSTICKÝMI NEDESTRUKTIVNÍMI METODAMI COMPARISON OF DETECTION OF FROST DAMAGED ROOF TILES INTERNAL DEFECTS BY ACOUSTIC NON-DESTRUCTIVE METHODS Iveta PLŠKOVÁ*, Michal MATYSÍK*, Marta KOŘENSKÁ*, Zdeněk CHOBOLA* * Ústav fyziky Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně, Veveří 331/95, 602 00 Brno * Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Czech Republic Contact e-mail:
[email protected] Abstrakt Příspěvek popisuje výsledky našeho experimentálního výzkumu mrazuvzdornosti střešních tašek provedeného dvěma nedestruktivními akustickými metodami: metodou impact echo a ultrazvukovou impulzní metodou. K ověření výsledků akustických nedestruktivních metod byly stanoveny další fyzikální vlastnosti testovaných střešních tašek. Klíčová slova: impact echo, střešní tašky, mrazuvzdornost, ultrazvuková impulzní metoda Abstract This paper presents the results of our experimental research of the frost resistance of roof tiles assessment performed by two acoustic non-destructive methods: the impact echo method and the ultrasonic impulse method. To verify the rightness of acoustic nondestructive methods results, additional physical parameters of the roof tiles under experiment have been measured Key words: impact echo, roof tiles, frost resistance, ultrasonic impulse method
1. Úvod Mrazuvzdornost pálených tašek a doplňků (ČSN EN 539-2) [1] patří mezi nejvýznamnější vlastnosti z hlediska trvanlivosti. Před a po ukončení zmrazování a rozmrazování jsme vzorky posoudili vizuálně, metodou Impact-echo a ultrazvukovou impulzní metodou. Nedestruktivní metoda Impact-echo je schopna upozornit na vznikající defekty ve struktuře materiálu, které nelze okem pozorovat. Za nepřípustná poškození se považují výlom žebírek, povrchová trhlina, lom, olupování, drolení, lístkování. Ultrazvuková impulsová metoda průchodová se používá převážně tam, kde chceme zjistit pomocí rychlosti šíření ultrazvukového vlnění jakost zkoušeného materiálu, případně jeho mechanicko-fyzikální charakteristiky. [5, 6] Tato metoda je
DEFEKTOSKOPIE 2011
121
založena na opakovaném vysílání ultrazvukových impulsů do zkoušeného materiálu a zjištění impulsové rychlosti. Z té jsou následně vypočteny dynamické moduly pružnosti. [2, 3, 4] 2. Experimentální část Zkušební vzorky pálené střešní krytiny byly testovány metodou Impact-echo před zahájením degradace mrazícími a rozmrazovacími cykly a poté vždy po provedení série 50-ti cyklů. V získaných frekvenčních spektrech sledujeme změny dominantní frekvence. Při degradaci dochází k posunu rezonančních frekvencí, případně k nárůstu počtu dominantních frekvencí. Z toho usuzujeme na možné změny ve struktuře zkušebních těles. Budící impuls byl vyvolán kovovým kladívkem. Odezva tašky na budící impuls byla snímána piezokeramickým snímačem umístěným na ploše tašky. Elektrický signál byl ze snímače veden na vstup digitálního osciloskopu a dále zpracováván. Pro posouzení mrazuvzdornosti byly na vybraných sadách zkušebních vzorků, provedeny mrazící a rozmrazovací cykly podle ČSN EN 539-2. Před zahájením mrazících a rozmrazovacích cyklů byly střešní tašky ponořeny do nádoby s vodou o teplotě t1 = (20 ± 5)°C. Bezprostředně potom byly vloženy do mrazícího boxu. Během této fáze mrazících a rozmrazovacích cykl ů byla teplota vzduchu uvnitř mrazícího boxu udržována po dobu 2 hodin ± 30 minut na hodnotě t2 = (-20 ± 5)°C. Stejně tak po zmrazení vzorků zůstala teplota v mrazni čce po dobu (75 ± 15) minut na hodnotě t3 = (-20 ± 5)°C. Mrazící cyklus byl ukončen ponořením vzorků na 1 až 2 hodiny do vody. Po ustálení byla teplota vody t4 = (20 ± 5)°C. Pro možnost verifikace vhodnosti frekvenční inspekce při posuzování mrazuvzdornosti bylo provedeno měření změn dynamického modulu pružnosti testované střešní krytiny impulzní ultrazvukovou metodou. Při realizaci ultrazvukové impulsové metody jsme sledovali průchod vlnění o frekvenci 54000 Hz. Do materiálu jsou vysílány ultrazvukové impulsy. Impulsovou rychlost šíření ultrazvukového vlnění zjistíme výpočtem z času šíření a dráhy, po které se impuls ultrazvuku šířil. Tato rychlost je různá pro různé materiály a mění se s jejich vlastnostmi. Sondy s akustickým vazebním prostředkem jsme umístili do středu bočních hran zkoumaného vzorku. Mírným pootočením sond jsme upravili akustický kontakt. Při měření je nutná aplikace akustického vazebního prostředku. Jeho tenká vrstva je místo vzduchu mezi sondou a vzorkem. [7, 8] Při jeho použití se sníží nežádoucí odraz vln a výrazně se zvýší průchod ultrazvuku přes uvedené rozhraní. [9] Hodnotu dynamického modulu pružnosti v tlaku nebo v tahu Ebu v MPa vypočítáme ze vztahu [2]
E
122
bu
=
ρ v L2 10 k2
− 6
DEFEKTOSKOPIE 2011
kde:
ρ
objemová hmotnost materiálu vzorku v kg.m-3 impulsová rychlost šíření podélného UZ vlnění v m.s-1, koeficient rozměrnosti prostředí, bez rozměru.
vL k
3. Dosažené výsledky Analyzován byl soubor pálených střešních tašek. Kontrolní měření metodou Impactecho byly provedeny před zatěžováním mrazícími a rozmrazovacími cykly a následovně po každé sérii tj. po 50-ti,100 a 150-ti cyklů. Naším cílem je ověření metody Impact-echo při testování mrazuvzdornosti střešní krytiny. Pozorovali jsme změny vyvolané po provedení určitého počtu zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů. Měření ultrazvukovou impulsovou metodou bylo provedeno také před zahájením mrazících a rozmrazovacích cyklů a bylo zopakováno po každé sérii cyklů. V grafu na obr. 1 jsou uvedeny získané hodnoty dominantních frekvencí v závislosti na počtu mrazících a rozmrazovacích cyklů. Moduly pružnosti získané z ultrazvukové impulsové metody v závislosti na počtu mrazících a rozmrazovacích cyklů jsou zaznamenány v grafu na obr. 2. Průměrné hodnoty dominantní frekvence a příslušné variační koeficienty jsou na obr. 3. Obr. 4 prezentuje průměrné hodnoty modulu pružnosti a variační koeficienty.
3000
]z 2900 H[ ec ne 2800 vk er fi n nat 2700 ni m oD 2600
2500
0
50
100
150
Pocet cyklu
Obr.1 Dominantních frekvence v závislosti na počtu mrazících a rozmrazovacích c. Fig.1 Values of a dominant frequency vs. number of the freezing-and-thawing c.
DEFEKTOSKOPIE 2011
123
14600 14500 ] a P M [ i t s o n z u r p l u d o M
14400 14300 14200 14100 14000 0
50
100
150
Pocet cyklu
Obr.2 Dynamický modul pružnosti v závislosti na počtu mrazících a rozmraz. c. Fig.2 Values of a elasticity modulus vs. number of the freezing-and-thawing cycles Mean Value
COV in %
3,5
3 2800 2,5
2 2700 1,5
COV [%]
Prumerne hodnoty dominantni frekvence [Hz]
2900
1 2600 0,5
0
2500 0
50
100
150
WŽĐĞƚĐLJŬůƵ
Obr.3 Průměrné hodnoty dominantní frekvence - variační koeficient Fig.3 Average Values of a dominant frequency, mean values, variance coefficients
124
DEFEKTOSKOPIE 2011
COV in %
14500
1
14400
0,8
14300
0,6
14200
0,4
14100
0,2
COV [%]
Prumerne hodnoty modulu pruznosti [MPa]
Mean Value
0
14000 0
50
100
150
WŽĐĞƚĐLJŬůƵ
Obr.4 Průměrné hodnoty dynamického modulu pružnosti – variační koeficient Fig.4 Average values of a elasticity modulus, mean values and variance coefficients
4. Závěr U testovaných zkušebních těles střešní krytiny byla průměrná hodnota dominantní frekvence u nových vzorků 2715 Hz. U vzorků po 50-ti zmrazovacích a rozmrazovacích cyklech se zvýšila na 2770 Hz, po 100 cyklech – 2840 Hz a po 150-ti cyklech – 2870 Hz. V průběhu zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů nastaly změny ve frekvenčních spektrech - došlo k posunu dominantní frekvence. U nových vzorků pálené střešní krytiny činila průměrná hodnota dynamického modulu pružnosti získaného z ultrazvukové impulsové metody 14450 MPa. U vzorků podrobených 50-ti zmrazovacím a rozmrazovacím cyklům 14400 MPa, 100 cyklům – 14200 MPa a 150-ti cyklům – 14150 MPa. Z uvedených výsledků vidíme, že v průběhu 150-ti zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů došlo ke změnám vedoucím ke zhoršení vlastností testovaných střešních tašek. Poškození vnitřní struktury vzorků se ve frekvenčních spektrech projevilo posunem dominantní frekvence a snížením dynamického modulu pružnosti. Na základě naměřených dat lze konstatovat, že obě použité defektoskopické metody jsou schopné detekovat poškození pálené střešní krytiny způsobené zmrazovacími cykly.
DEFEKTOSKOPIE 2011
125
Poděkování Příspěvek byl zpracován díky podpoře projektu GAČR GP103/09/P247 a projektu FAST-S-11-6. Literatura [1] ČSN EN 539-2 Pálené střešní tašky pro skládané krytiny - Stanovení fyzikálních charakteristik - Část 2: Zkouška mrazuvzdornosti [2] PLŠKOVÁ, I.; CHOBOLA, Z.; MATYSÍK, M. Assessment of ceramic tile frost resistance by means of the frequency inspection method. Ceramics-Silikáty. 2011. 55(2). p. 176 - 182. ISSN 0862-5468. [3] PLŠKOVÁ, I.; MATYSÍK, M.; CHOBOLA, Z. Optimizing the Location of Piezoelectric Sensors. TRANSACTIONS ON TRANSPORT SCIENCES. 2010. 3(1). p. 23 - 28. ISSN 1802-971X. [4] ]HAJEK, K. and SIKULA, J., 2008. A resonance frequency shift in spectral analysis of the impact echo. NONLINEAR ACOUSTICS FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS, AIP CONFERENCE PROCEEDINGS. 18th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Stockholm, SWEDEN, 2008, pp. 525-528. ISSN: 0094243X, ISBN 9780735405448 [5] FICKER, T.; MARTIŠEK, D.; JENNINGS, H. Roughness of fracture surfaces and compressive strength of hydrated cement pastes. Cement and Concrete Research. 2010. 40(6). p. 947 - 955. ISSN 0008-8846. (IF(2009)=2,376).
[6]
FICKER, T. Quasi-static compressive strength of cement-based materials. Cement and Concrete Research. 2011. 2011(41). p. 129 - 132. ISSN 0008-8846. (IF(2009)=2,376).
[7]
MAZAL, P.; PAZDERA, L.; DVOŘÁČEK, J. Application of acoustic emission method in contact damage identification. INTERNATIONAL JOURNAL OF MATERIALS & PRODUCT TECHNOLOGY. 2011. 41(1). p. 140 - 152. ISSN 0268-1900.
[8] PAZDERA, L.; TOPOLÁŘ, L.; BÍLEK, V.; SMUTNÝ, J.; KUSÁK, I.; LUŇÁK, M. Measuring of Concrete Properties during Hardening. In ESA 2010. 1. CZ, Palacky University. 2010. p. 311 - 318. ISBN 978-80-244-2533-7.
[9] Lunak M; Kusak I; Pazdera L; Topolar L., Bilek V., Monitoring of cement-based material solidification, focusing on electrical properties, 48th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON EXPERIMENTALNI ANALYZA NAPETI 2010, EXPERIMENTAL STRESS ANALYSIS 2010, ISBN: 978-80-244-2533-7, Pages: 233-240 Published: 2010
126
DEFEKTOSKOPIE 2011
