Совершенствование метода и технических средств контроля коррозионного состояния железобетонных конструкций с применением спектральных методов анализа материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Брюхова Анна Сергеевна

• Брюхова Анна Сергеевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Брюхова Анна Сергеевна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ

1.1 Описание объекта контроля и его дефектов

1.2 Электрохимические методы диагностирования опор контактной сети

1.3 Акустические методы диагностирования

1.4 Основы и преимущества спектральных методов диагностирования

1.5 Спектроскопия комбинационного рассеяния

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1 Моделирование процесса развития коррозии полых железобетонных конструкций

2.2 Исследование факторов, влияющих на скорость распространения коррозии

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОРРОЗИИ

3.1 Подготовка образцов с различной степенью коррозии

3.2 Рентгенография образцов с различной степенью коррозии

3.3 Спектральный анализ образцов с различной степенью коррозии

3.4 Исследование взаимосвязи продуктов коррозии на поверхности с изменением сечения арматурных стержней

3.5 Проведение спектрального анализа методами лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии

3.6 Проверка адекватности полученных градуировочных зависимостей

3.7 Повышение точности спектрального анализа материалов

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИ

4.1 Устройство отбора пробы с внутренней поверхности

железобетонной опоры

4.2 Разработка структурной схемы прибора

4.3 Использование оптоволоконных линий доставки излучения

4.4 Выбор лазера

4.5 Разработка устройства позиционирования в ограниченном пространстве

4.6 Описание аппаратных средств и алгоритмов работы мобильного

прибора контроля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АУ Антенное устройство

АЭСА Атомно-эмиссионный спектральный анализ

ВОК Волоконно-оптический кабель

ГСО Государственный стандартный образец

ГГ Градуировочный график

Д Датчик

ДФЭ Дробный факторный эксперимент спектроскопия

КРС Спектроскопия комбинационного рассеяния

ЖБ Железобетон

ИК Ингибиторы коррозии

КС Контактная сеть

Л Лазер

ЛИЭС Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия

ОК Объект контроля

ОЗ Оптический зонд

ПЗС Прибор с зарядовой связью

ПФЭ Полный факторный эксперимент

РК Рентгенографический контроль

УЗК Ультразвуковой контроль

УФ Ультрафиолетовое излучение

ЦКП Центральное композиционное планирование

ШИМ Широтно-импульсная модуляция

ЭХМ Электрохимический метод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода и технических средств контроля коррозионного состояния железобетонных конструкций с применением спектральных методов анализа материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Контактная сеть (КС) является важной частью комплекса взаимосвязанных устройств электрифицированной железной дороги. Работа контактной сети производится в тяжелых климатических и эксплуатационных условиях. Она повергается значительным перепадам температуры окружающей среды, осадкам, нагреванию проводов и т.д. К надежности контактной сети предъявляются высокие требования, поскольку она не имеет резерва [34,91].

Одним из основных элементов КС является опора. Она служит для поддержания и фиксации устройств контактной сети. Именно по причине падения опор происходит обрыв проводов контактной сети, что вызывает нарушение режима движения поездов. Поэтому диагностированию состояния опор КС необходимо уделять должное внимание.

Железобетон является одним из наиболее широко используемых строительных материалов, поскольку является сравнительно дешевым, благодаря доступности сырья и прочностным характеристикам [28].

По состоянию на 2017 год общее количество опор КС на всей территории Российский железных дорог составляет 1,738 млн. опор. Железобетонные составляют 91, 5% от общего количества (1,59 млн. опор) 38,8% на участках.

Количество опор КС со сроком эксплуатации, превышающим 40 лет, составляет 556,6 тыс. опор (32 %). Наибольшее количество опор со сроком эксплуатации свыше 40 лет в хозяйствах Московской (78,2 тыс. шт.), ЗападноСибирской (75,7 тыс. шт.), Южно-Уральской (52,1 тыс. шт.) и Юго-Восточной (51,0 тыс. шт.) ДИ [6,7,13].

На участках постоянного тока в целом по сети находится в эксплуатации 33,5 тыс. электрокоррозионноопасных опор. Наибольшее их количество на Западно-Сибирской - 11,4 тыс., Южно-Уральской - 9,7 тыс., Московской - 5,8 тыс. Количество опор, подверженных коррозии, на участках постоянного тока составляет 3,8 %.

Основной причиной снижения прочностных характеристик железобетона является коррозия стальной арматуры, находящейся в бетоне. Попадание внешних агрессивных сред (хлориды, сульфаты), приводит к коррозии арматуры и, как следствие, разрушению бетона [40,85, 86, 90].

Существующие методы диагностирования железобетонных опор КС помогают решить задачу диагностирования, но имеют ряд недостатков [17,80]:

1. Метод откопки опор является трудозатратным из-за откопки опоры и из-за влияния человеческого фактора;

2. Индуктивный метод также требует откопки опоры; влияние на показание прибора внешнего электромагнитного поля; невозможность диагностирования через арматурную сетку; влияние изменения толщины защитного слоя и усилия прижимания датчика; наличие коррозии определяется по косвенным показателям;

3. Акустический и электрохимический методы определяют наличие коррозии по косвенным признакам;

4. Вибрационный метод позволяет диагностировать лишь надземную часть, тем самым не определяя наличие и степень коррозии.

Одним из перспективных методов диагностирования коррозионного состояния железобетона является метод лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС). Благодаря данному методу можно определить не только наличие коррозии, но и определить количество железа, вышедшего на поверхность бетона, тем самым дав заключение об остаточной несущей способности железобетонной опоры.

Предлагаемое использование метода ЛИЭС для диагностирования железобетонных опор КС и конструктивное решение для использования в полевых условиях представляют решение данной задачи.

Цель диссертационной работы: разработка методических основ оценки коррозионного состояния железобетонных конструкций транспортной инфраструктуры, путем контроля продуктов коррозии на труднодоступных поверхностях и установления количественной взаимозависимости изменения

сечения арматурных стержней от концентрации продуктов коррозии на их поверхности, а также создания технических средств с использованием технологии лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели диссертационной работы были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

1. Произвести обзор методов диагностирования коррозионного состояния железобетонных конструкций, с целью выявления недостатков и достоинств существующих методов, обоснования применения спектральных методов в зависимости от особенностей объекта контроля.

2. Выполнить экспериментальные исследования с применением технологии спектрального анализа образцов с различной степенью коррозии.

3. Исследовать факторы, влияющие на степень распространения коррозии тонкостенных железобетонных конструкций в направлении от арматурного стержня к поверхности, и определить взаимосвязь с выходным параметром -интенсивностью спектральных линий характерных элементов.

4. Разработать математическую модель коррозионного состояния железобетонных конструкций по данным спектрального анализа продуктов коррозии на их поверхности.

5. Разработать методику и технические средства, реализующие неразрушающий контроль коррозионного состояния железобетонных конструкций с использованием спектральных методов анализа.

Методы исследования: в диссертационной работе представлены результаты экспериментальных исследований образцов с различной степенью коррозии, полученные на приборах спектрального анализа; результаты теоретических исследований, выполненные с помощью методов планирования инженерного эксперимента и математической статистики; представлены алгоритмы различных режимов работы мобильного прибора контроля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель контроля коррозионного состояния железобетонных конструкций, которая позволила предложить и подтвердить

гипотезу о существовании причинно-следственной связи между воздействием агрессивных сред и изменением прочностных характеристик железобетонных конструкций. Установлено, что под воздействием проникновения агрессивных сред происходит необратимая деградация стальной арматуры, находящейся внутри бетона, уменьшается ее сечение, тем самым снижаются прочностные характеристики железобетонных опор.

2. Экспериментальные исследования с применением технологии спектрального анализа на образцах с различной степенью коррозии, позволили определить спектральные линии Fe (275,574), Fe (330,720), Si (288,158), Na (819,482), С1 (837,59), Са (854,209) нм, свидетельствующие о наличии коррозии. По данным испытаний образцов сравнения получен вывод о том, что образец с большим содержанием продуктов коррозии имеет наибольшее значение относительной интенсивности спектральной линии железа.

3. По результатам измерений и анализа образцов с различной степенью коррозии, выполненных на приборах спектрального анализа, подтверждена возможность и эффективность предложенного метода в задачах диагностирования и определения коррозионного состояния железобетонных конструкций. Результаты, полученные при помощи предложенной методики и технических средств лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии, подтверждены данными широко распространенного метода атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением спектра.

Достоверность научных исследований обеспечивается: представительностью и экспериментальными данными, полученными на реальных объектах, использованием аттестованных методик выполнения измерений, поверенного оборудования и образцов сравнения с известным количественным составом анализируемых элементов, для поверки спектрометров использованы государственные стандартные образцы с действительными свидетельствами типа, известных методов планирования эксперимента, а также методов математической статистики и интерпретации статистических данных, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ контроля коррозионного состояния железобетонных конструкций с труднодоступными поверхностями в условиях транспортной инфраструктуры на основе спектрального метода анализа, обладающий преимуществами по сравнении с существующими - быстродействие, достоверность, возможность использования в полевых условиях.

2. Математическая модель изменения количественного содержания продуктов коррозии на поверхности железобетонных конструкций при коррозионном разложении металлических арматурных стержней в условиях воздействия влияющих факторов в виде функциональной зависимости изменения концентрации продуктов коррозии на поверхности от количества металла, вышедшего из арматурного стержня.

3. Способ градуирования спектральных приборов с использованием образцов сравнения, созданных с добавлением известного содержания продуктов коррозии на основе зависимости относительной интенсивности спектральных линий от концентрации продуктов коррозии на поверхности железобетона и подтверждение адекватности экспериментальных методов определения коррозионного состояния, выполненные с применением экспертных средств контроля, основанных на различных физических принципах.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Предложена практическая реализация разработанной методики совместно с автоматизированным мехатронным комплексом для контроля коррозионного состояния полых железобетонных конструкций, заглубленных в грунт в условиях эксплуатации

2. Практическая реализация методики прямого контроля количественного содержания продуктов коррозии металлических арматурных стержней на поверхности железобетонных конструкций, с использованием спектральных методов анализа на основе переносного лазерно-искрового спектрометра, позволяющая повысить достоверность контроля

3. Предложены методики градуирования спектральных приборов с использованием образцов сравнения, созданных на основе добавок известного содержания продуктов коррозии на основе зависимости относительной интенсивности спектральных линий от концентрации продуктов коррозии на поверхности железобетона.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах: XI Международной IEEE научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 2017 г.). II Всероссийской научной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур» ОКиН (г. Хабаровск, 2018). XXVIII Международный научный симпозиум «Метрология и метрологическое обеспечение 2018» (г. Созополь, Болгария, 2018). III всероссийская научно-техническая конференция «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (г. Омск, 2018). X Международной научно-технической конференции «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (г. Новосибирск, 2018). III Научно-технической конференции «Приборы и методы неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов» НККМ-2018 (г. Санкт-Петербург 2018). IV Международная сетевая научно-техническая конференция «Интеграционные процессы в научно-техническом и образовательном пространстве» (г. Бишкек, Киргизская Республика, 2018). Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» (г. Москва, 2018). 61-я международная сетевая научно-техническая конференция «Научно-инновационные технологии: идеи, исследования и разработки» (г. Бишкек, Киргизская Республика, 2019). XIII научная конференция «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (г. Омск, 2019).

Публикации.

Основные положения диссертационного исследования достаточно полно отражены в 11 публикациях, в ведущих рецензируемых изданиях,

рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, опубликовано 3 научных работы, 1 статья опубликована в издании, индексируемой в международной реферативной базе данных Scopus.

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР

КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Для разработки прибора диагностирования коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети, позволяющего осуществлять контроль в полевых условиях с определенной точностью, необходимо определить особенности конструкции железобетонных опор и рассмотреть известные методы диагностирования. Основываясь на данных произведенного анализа выполняется выбор метода диагностирования, удовлетворяющий заданным требованиям.

1.1 Описание объекта контроля и его основных дефектов

В настоящей работе объектом исследования являются железобетонные опоры контактной сети, которые изготавливаются в соответствии с ГОСТ Р 54270-2010. Данный ГОСТ был введен взамен ГОСТ 19330-91, поскольку, при эксплуатации железобетонных опор, установили главный недостаток -недостаточная долговечность.

На сегодняшний день, из общего числа опор контактной сети, на Российской железной дороге используются железобетонные опоры контактной сети (95%). Эволюция развития опор контактной сети началась в 1929 году, в это время была проложена первая электрифицированная линия железной дороги, и продолжается по сегодняшний день.

В самом начале эволюции развития опор контактной сети, в большем количестве, применялись деревянные опоры, но также применялись металлические и железобетонные. Материал изготовления деревянных опор -лиственница или сосна, пропитанные антисептическими материалами, для продления срока службы. Металлические опоры представляют собой стальной прокат. Железобетонные - бетонированные цилиндрические секции, напряженные арматурой.

До середины 60-х годов, по результатам накопленного опыта, было установлено, что наибольшей долговечностью обладают металлические опоры [89], поскольку за 30 лет эксплуатации, не было обнаружено значительных повреждений, а коррозия на поверхности опоры была минимальной.

Также, в этот период времени, использовались и деревянные опоры, которые имели преимущества, связанные с их дешевизной и простотой. Но они имели главный недостаток - небольшой срок службы (пропитанные 12 - 15 лет; не пропитанные 3 - 4 года).

В этот период времени железобетонные опоры контактной сети не нашли признания, поскольку имели высокую трудоемкость изготовления.

Второй этап начался во второй половине 60-х годов, в связи с принятием Генерального плана электрификации железных дорог (принят в 1956 году). Этот план подразумевал электрификацию 40 тыс. км. Для его реализации, в рамках запланированного плана, генерального плана электрификации железных дорог, требовалось большое количество металла В данный промежуток времени Россия претерпевала дефицит металла, основываясь на этом принято решение об использовании железобетона.

На изготовление железобетонных опор уходило до 4 раз меньше металла, чем для изготовления металлических опор, в это же время была изменена конструкция железобетонных опор (разработана институтом Гипропромтрансстрой, 1955 год).

Третий этап (1993 год и по сегодняшний день) начался, когда был принят новый подход по отношению к железобетонным опорам. Теперь железобетонные опоры являются важными конструкциями, отказ которых приводит к угрозе безопасности движения поездов и жизни людей, а также влечет значительные экономические потери [77].

Опора контактной сети - строительная несущая конструкция, на которой закрепляют устройства контактной сети, состоящая из верхней части (стойки) и подземной части (фундамента) или только из стойки. [31]

Стойка для опор контактной сети - элемент опоры, воспринимающий нагрузки от контактной сети, функцией которого является передача этой нагрузки на фундамент или непосредственно на грунт [32].

Железобетонные стойки разделяются на 2 типа:

1) Стойки, закапываемые в грунт или устанавливаемые в стакан.

а) СС - стойка с проволочной напрягаемой арматурой и ненапрягаемой стержневой, конусность 1,5 %.

б) СП - стойка с напрягаемой стержневой продольной арматурой, конусность 1, 5 %.

в) СТ - стойка с напрягаемой стержневой продольной арматурой, конусность 1 %.

2) Стойки, закреплённые анкерным креплением к фундаменту при помощи анкерных болтов.

а) ССА - стойка с проволочной напрягаемой арматурой и ненапрягаемой стержневой, конусность 1,5 %.

б) СПА - стойка с напрягаемой стержневой продольной арматурой, конусность 1, 5 %.

в) СТА - стойка с напрягаемой стержневой продольной арматурой, конусность 1 %.

Железобетонные стойки 1 типа представлены на рис. 1.1, стойки 2 типа - на рис. 1.2.

Рисунок 1.1 - Железобетонные стойки первого типа

1 - стойка; 2 - отверстия для установки закладных изделий; 3 - закладные изделия.

Рисунок 1. 2 - Железобетонные стойки второго типа.

1 - стойка; 2 - отверстия для установки закладных изделий; 3 - закладные изделия; 4 - вентиляционное отверстие

Опора контактной сети в течение всего срока службы принимает на себя постоянные знакопеременные нагрузки, воздействие окружающей среды также вносит свой вклад в долговечность опоры [52,76]. Все эти влияния могут вызывать разнообразные повреждения, а по причине воздействия окружающей среды образуются коррозионные повреждения подземной части опоры. Комплексное воздействие погодно-климатических, а также эксплуатационных

факторов приводят к снижению несущей способности железобетонных опор [2,3,20,23].

Коррозия - разрушение материалов под воздействием различных факторов окружающей среды. Коррозии подвержены не только металлы и сплавы, но и другие различный материалы, такие как, например, бетон [18].

Для того чтобы более подробно раскрыть термин коррозия, необходимо ввести несколько понятий.

Вид коррозии - термин, который связывает повреждение материалов с источником его возникновения. Примерами видов коррозии могут служить: атмосферная коррозия, подземная, блуждающими токами и электрокоррозия.

Тип коррозии - процессы, происходящие на поверхности или внутри материала при его разрушении. Различают два типа коррозии, независимо от вида коррозии - химический и электрохимический.

Существует 7 видов коррозии бетона и арматуры. Каждый имеет свой характер процесса.

Коррозия - особо опасный вид дефекта арматуры в подземной части железобетонной опоры контактной сети, в частности самый опасный вид коррозии - электрокоррозия. Данный вид коррозии вызывает быстрое разрушение опор [79,84]. Электрокоррозия возникает под влиянием токов утечки с рельсов по арматуре, в условиях низкого омического сопротивления и блуждающих токов [67,68]. Причины возникновения токов утечки и их формирование, рассмотрены такими учеными, как А. В. Котельниковым, В. И. Ивановой, К. Г. Марквардтом [4,10,51]. Наибольшая опасность электрокоррозии арматуры наблюдается в анодных и знакопеременных зонах, когда плотность стекающего тока превышает 0,6 мА/дм2 или сопротивление опоры менее 25 Ом на каждый вольт потенциала «рельс - земля».

Таблица 1.1

Классификация процессов коррозии бетона и арматуры

Вид коррозии Агрессивный фактор Характер процесса

Арматура

Атмосферная коррозия Влажность воздуха, С увеличением объема

кислород, агрессивные происходит образование

газы гидроокисей и

электрохимическое

окисление

Почвенная коррозия Кислород, агрессивные С увеличением объема

почвы происходит образование

гидроокисей и

электрохимическое

окисление

Электрокоррозия Стекание постоянного С увеличением объема

электрического тока с происходит образование

арматуры в бетон, гидроокисей и

электролиз электрохимическое

окисление

Бетон

Выщелачивание Растворяющая Растворение гидрата

способность воды окиси кальция и

гидролиз

гидросиликатов и

других минералов

цементного камня

Растворение, усиленное химическими реакциями Наличие ионов водорода Растворение минералов цементного камня, усиленное действием кислот

Наличие солей Аналогично, совместно с обменными реакциями с солями магния

Образование в структуре бетона новых веществ с увеличением объема Наличие сульфатов Образование гидросульфоалюмината кальция со значительным увеличением объема.

Наличие сульфатов с хлоридами Образование двуводного гипса с тем же эффектом

Наличие соли и испаряющей поверхности Накопление в порах бетона солей, способных переходить в другие кристаллогидратные формы с изменением объема

Газовая коррозия Наличие в атмосфере кислых газов Растворение минералов цементного камня и усиленное действие кислот, сопровождающиеся обменными реакциями с солями

В настоящее время к опорам предъявлены высокие требования качества и надежности, в соответствии с этим на участках постоянного тока электрокоррозионные [35,69-70] опоры должны быть подвержены диагностированию их подземной части. Для диагностирования подземной части

опоры чаще других используется визуальный метод, а для этого ее сначала необходимо откопать [12,62]. Эту операцию производят в два этапа. Откопке подлежат те зоны, которые имеют наименьшие нагрузки, глубина откопки составляет 2/3 (не менее 0,5 м) глубины заложения опоры или же до уровня грунтовых вод. После чего, бетон необходимо простучать молотком. Если слышен глухой звук, имеются «бурые пятна» коррозии, видны трещины и наблюдается отслоение бетона, то это свидетельствует о наличии коррозионного повреждения опоры. Осмотр трещины производится при помощи микроскопа, чаще через лупу. Определение длины измеряют линейкой. Контроль развития трещины производится с помощью установления гипсовой марки [17,64].

Этапы обнаружения дефектных опор:

1) измерение значения сопротивления опоры и потенциалов «рельс-земля».

2) Определение значение тока утечки, протекающего через арматурный стержень [49].

Рассмотрим широко известные методы определения коррозии опор контактной сети [19,78].

1.2 Электрохимические методы диагностирования опор контактной сети

На значение степени электрокоррозии влияет несколько факторов, например соотношение потенциал - сопротивление, на наиболее значимым является количество ионов в почве, способные вызывать коррозию металла.

Для увеличения степени достоверности определения степени электрокоррозии используют интегрирующие датчики. Датчиком представляет собой, заглубленную в почву электрохимическую ячейку стали в бетоне, способную пропускать электрический ток [45-47].

Перед проведением измерений датчик взвешивают с высокой точностью (до 0,01г), спустя несколько месяцев производится повторное взвешивание. После чего рассчитывается вынос металла в г/дм2сут для каждого датчика. Электрокоррозионные диаграммы получают по закону Фарадея.

На сети Российских железных дорог для определения степени коррозии опор контактной сети, изготовленных из железобетона, применяется прибор ПК-1, ПК-1М и ПК-2. Наибольшее распространение получил прибор ПК-1М. Технические данные такого прибора представлены в таблице 1.2 [48].

Таблица 1.2

Технические данные прибора ПК-1М

Сопротивление опор контактной сети от 1 Ом до 1 МОм

Потенциал "рельс-земля" от -250 до +250 В

Напряжение пробоя защитных устройств от 600 до 1600 В

Габаритные размеры, мм (не более) 180 х 160 х 65мм

Масса прибора, кг (не более) 1,5

Электропитание прибора:

зарядного устройства от сети переменного тока напряжением 220 ±22В, 50 ± 1Гц;

Время работы аккумуляторной батареи, ч (не менее) 8

Контроль осуществляется согласно методикам, описанным в литературе по ссылкам, указанным ниже [33,44,45,72,75].

Главный недостаток метода - доступ к арматуре. Поскольку она находится в бетоне, данный способ сложно реализуемый.

1.3. Акустические методы диагностирования

Вибрационный метод основан на определении амплитуды затухающих колебаний опоры от степени коррозии арматуры (рис. 1.3). Далее, согласно методикам, описанным в источниках литературы [11,33]:

сбрасывающее устройство

А

натяжение

V

датчик

]—I—АДО-2М

1...2 м

/

Диапазон измерения амплитуды колебаний при помощи прибора АДО-2М от 0,01 до 2 мм. Принцип действия АДО-2М основан на том, что чем выше степень коррозии, тем колебания затухают быстрее [48].

Недостаток метода заключается в влиянии внешних факторов, таких как: параметры грунта, способ установки опоры, пористость бетона.

Параметры бетона определяют ультразвуковыми дефектоскопами «Бетон-5», УКВ-1М и УК-12П [63]. Для обеспечения надежного акустического контакта между бетоном и рабочими поверхностями ультразвуковых преобразователей применяют солидол, технический вазелин. Данный метод позволяет определить глубину распространения трещин в бетоне, размеры каверн и зон неуплотненного бетона.

Ультразвуковые приборы УК-1401 (УК-14ПМ) предназначены для измерения времени и скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых материалах при прозвучивании на фиксированной базе с целью определения прочности и целостности железобетонных опор контактной сети. База прозвучивания - 150 мм, диапазон измерений времени - 15... 70 мкс; дискретность измерения времени - 0,1 мкс; диапазон измерений скорости звука -2150 ... 9900 м/с. Обычно выполняют два измерения - вдоль и поперек тела опоры.

Диагностику надземной и подземной частей опор можно проводить низкочастотным ультразвуковым дефектоскопом А1220 рисунок 1.4. Прибор состоит из электронного блока с экраном и клавиатурой и 24-элементного (6*4) матричного антенного устройства (АУ). Конструкция элементов АУ прибора обеспечивает проведение контроля без контактной жидкости, т.е. с сухим точечным контактом. Элементы АУ подпружинены и дают возможность измерений на криволинейных и шероховатых поверхностях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брюхова Анна Сергеевна, 2020 год

АКТЫ

испытаний

Утверждаю: [роректор по научной аедаЪОУ ВО ОмГУПС

_С. Г. Шантаренко

{О » 1Л 2020 г.

ккт

испытания методики определении степени коррозии железобетонных конструкций методом атомно-эмиссионной спектрометрии

Научно-техническая комиссия в составе:

Муравьева Д. В. - к.т.н., доцента кафедры «Технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПС, заведующего лабораторией «Металловедение и структурный анализ металлов и сплавов»;

и исполнителей:

Кузнецова А. А. - д.т.н., профессора, заведующего кафедрой «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа;

Брюховой А. С. - инженера кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа

составили настоящий акт о том, что исполнители организовали и провели производственные испытания методики определения коррозионного состояния железобетонных конструкций методом атомно-эмиссионной спектрометрии с использованием спектрометра типа «Аргон-5СФ».

Используемое методическое и техническое обеспечение:

1. Атомно-эмиссионный спектрометр «Аргон-5СФ»;

2. Управляющий компьютер с программным обеспечением;

3. Методика определения коррозионного состояния железобетонных конструкций;

4. Рентгенографический аппарат «Экстравольт-225».

Методика заключается в определении концентрации продуктов коррозии в виде оксидов и других соединений железа на поверхности бетона, выборе приспособлений для проведения анализа, подборе режимов работы спектрометра, постройке градуировочных графиков и выдаче заключения о коррозионном состоянии железобетонной конструкции. Спектральный анализ проводился на атомно-эмиссионном спектрометре «Аргон-5СФ» с применением приспособления для измерения проволоки и прутков. Для этого с поверхности бетона был снят верхний слой, толщиной 0,5 мм, содержащий

продукты коррозии (проба). Полученная проба была помещена в кратер угольного электрода (лиаметр электрода 6 мм с внутренним ответстием диаметром 3,5 мм, глубиной 4 мм) и залита связующим клеем для последующего проведения спектрального анализа. Графитовый электрод закрепляется в приспособлении для измерения проволоки и устанавливается на предметный стол. Расстояние между графитовым электродом и вольфрамовым противоэлектродом обдувается потоком чистого аргона. С помощью низковольтной искры в атмосфере аргона происходит возбуждение электрического разряда, затем происходит испарение и возбуждение свечения атомов пробы.

Измерение производилось с режимом работы: продувка 10 с; обжиг I с; экспозиция 10 с; спектральный диапазон 170 - 400 нм; спектральное разрешение 0,03 нм; частота поджигающих импульсов - 200 Гц; количество приемников излучения CCD - 6. Полученные значения интенсивности спектральной линии железа и линии сравнения приведены в таблице I.

Таблица 1 - Значения интенсивности спектральной линии железа (275,574 нм) и линии сравнения углерода (193,090 нм)

Образец / Fe / с 1 отн

1% 1118252 4979994 0,225

2% 2964327 3576839 0,829

3% 1172748 759444 1,544

3%п 1460473 598319 2,441

Ржавчииа 4244541 3272797 1,297

Бетон 771789 3350958 0,230

Клей 67166 3647528 0,018

Графит 48344 5942766 0,008

Спектральные линии трех образцов с максимальной, средней и минимальной интенсивностью спектральной линии железа представлены на рисунке 1.

Для определения концентрации продуктов коррозии проведены измерения и построен градуировочный график по данным образцов с известным содержанием РеС1з.

Сравнивая значения интенсивностей аналитической линии в образцах с различным содержанием продуктов коррозии, наблюдалась однозначная

зависимость выходного аналитического сигнала по отношению концентрации железа в образцах.

Длима волны, нм

Рисунок 1 - Спектральные линии железа (275,574 нм) для трех образцов 1-малое содержание продуктов коррозии; 2-среднее; 3-большос

Для подтверждения того, что произошло разложение и уменьшение сечения стальной арматуры в бетоне, произведен рентгенографический контроль на установке «Экстравольт-225» (ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» г. Омск). По полученным снимкам и дальнейшей обработке изображений установлена взаимосвязь между концентрацией продуктов коррозии на поверхности бетона и утонением стальной арматуры. Зависимость изменения концентрации железа на поверхности бетона от изменения поперечного сечения арматурных стержней приведена на рисунке 2.

2,5

0,5

V» 1 1 -0,0276х2 + 0,5601* - 0,2617

/4 Р

у

■

0 2 Утонение, % 8 10

Рисунок 2 - Градуировочный график изменения концентрации железа на поверхности бетона в зависимости от изменения поперечного сечения

арматурных стержней

Заключение. В результате испытания методики определения коррозионного состояния железобетонных конструкций, можно сделать вывод о том, что приборы спектрального анализа чувствительны к обнаружению продуктов коррозии на поверхности бетона. Установлена связь между уменьшением сечения стальной арматуры и концентрацией продуктов коррозии, таким образом, возможна выдача заключения об остаточном ресурсе железобетонной конструкции. Подтверждение правильности методики выполнено на рентгенографическом аппарате.

Члены комиссии:

Заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника»,

доктор технических наук, профессор

А. А. Кузнецов

Доцент кафедры «Технологии транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава», заведующий лабораторией «Металловедение структурный анализ металлов и сплавов»,

кандидат технических наук, доцент ,

—1 " \

Инженер кафедры «Теоретическая электротехника» [V

Д. П. Муравьев

А. С. Брюхова

«УТВЕРЖДАЮ» Региональный SciAps Inu

Акт

производственных испытаний методики определении коррозионного состояния железобетонных конструкций методами лазерно-искровой

эм нее и о и ной спе кт роскоп и и

Научно-техническая комиссия в составе представителей предприятия SciAps Inc. Russia:

Скориной Е. Г. регионального директора SciAps Inc. Russia; Аграфенина А. В. - научного консультанта SciAps Inc. Russia; и исполнителей:

Кузнецова А. А. - д.т.н., профессора, заведующего кафедрой «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа;

Брюховой А. С. - инженера кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа

составили настоящий акт о том, что исполнитель организовал и провел производственные испытания методики определения коррозионного состояния железобетонных конструкций методами лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии на анализаторе LIBS Z-300.

Используемое меюднчсское и техническое обеспечение:

1. Лазерный анализатор LIBS Z-300;

2. Управляющий компьютер с программным обеспечением;

3. Методика определения коррозионного состояния железобетонных конструкций.

Анализатор LIBS Z-300 предназначен для анализа любых элементов периодической таблицы. Спектральный диапазон составляет 190-950 им; лазер 5-6 мДж/имп; частотой следования импульсов до 50 Гц; продувка аргоном. Принцип действия спектрометра основан на измерении массовой

доли химических элементов методом регистрации эмиссионного спектра плазмы анализируемою материала, при внешнем воздействии лазера.

При помощи прибора SciAps Z300 были проанализированы образцы железобетона с различным содержанием продуктов коррозии на поверхности (образцы: 3 grey - среднее содержание; 3 ochre - максимальное и sample_5 -чистый бетон). Предварительно образцы выдерживались в течении 30 часов в 3% растворе NaCI при воздействии электрического тока.

В результате проведения серий измерений были зарегистрированы различные интенсивности спектральных линий железа (259,940 нм и 263,08 им) и натрия (818,326 нм и 819,482 нм). В каждом из диапазонов наблюдались похожие картины изменения значения интенсивностей элементов, связанных с наличием коррозии. Для примера взяты два диапазона 255-289 нм и 810-880нм. Значения интенсивностей зарегистрированных спектральных линий приведены в таблице.

Таблица Значения интенсивностей зарегистрированных спектральных линий

Fe(259,94ÓHM) Fc(263,08HM) Na(818,326HM) Na(819,482iiM)

3_ochre 500 600 900 1300

3_grey 750 1000 1000 1500

sample 5 800 1050 2220 3030

Полученные графики спектральных линий представлены на рис.1 и рис.2

t • —

J_L

А"»"* «л»"«. -»

I исунок 1 - Спектры трех образцов с различным содержанием продуктов коррозии в диапазоне 255-289 нм.

JUL

1

м <«

Рисунок 3.26 - Спектры трех образцов с различным содержанием продуктов

коррозии в диапазоне 810-880 нм.

Заключение. В результате испытания методики определения коррозионного состояния железобетонных конструкций, можно сделать вывод о том, что приборы спектрального анализа с лазерным возбуждением спектра чувствительны к обнаружению продуктов коррозии на их поверхности. Портативный спектрометр тина БЫАря может быть

использован для выполнения полевых работ по определению степени коррозии железобетонных опор контактной сети на железнодэрожном транспорте.

Члены комиссии:

Научный консультант SciAps Inc. Russia

Региональный директор SciAps Inc. Russia

Заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» Ом ГУ ПС д. т. н., профессор

Инженер кафедры

«Теоретическая электротехника» Ом ГУ ПС

А. С. Брюхова