Zvuk se šíří ze zdroje pouze pružným látkovým prostředím libovolného skupenství. Nejčastěji se jedná o vzduch, kde se zvuk šíří jako podélné postupné vlnění: dochází k periodickému stlačování a rozpínání vzduchu, což se projeví periodickými změnami tlaku vzduchu. Nejdůležitější charakteristikou prostředí z hlediska šíření zvuku je velikost rychlosti zvuku v daném prostředí.
Velikost rychlosti šíření zvuku v daném materiálu závisí jednak na hustotě daného materiálu, ale také na jeho pružnosti. Šíření zvuku je ovlivněno i překážkami, na něž zvukové vlnění dopadá - projevuje se odraz i ohyb zvukového vlnění. Zvláštním případem odrazu zvuku od rozlehlé překážky je ozvěna.
Akustické nedestruktivní metody pro diagnostiku betonu
Akustické nedestruktivní metody mohou být dobře použity pro odhalování vad a poruch, jako jsou praskliny, dutiny, kaverny nebo delaminace v prostém, vyztuženém nebo i předpínaném betonu. Lze je též využít pro posouzení stavu konstrukce, která byla komplexně degradována různými vnějšími činiteli.
Vibroakustické metody můžeme rozlišit na aktivní a pasivní z úhlu pohledu buzení signálu. Aktivní metody využívají umělé vnesení mechanické vlny do zkoušeného materiálu pomocí budiče a následné zaznamenání signálu změněného průchodem materiálu zkoušeného prvku přijímačem. Budič může mít různé podoby od sférických kladívek po piezoelektrické budiče. V případě přijímačů lze použít kontaktní piezoelektrické snímače nebo bezkontaktní vysoce citlivé mikrofony. Pasivní metody využívají vznik akustických mechanických rázů buď od uvolňování vzniklého napětí v konstrukci, nebo od samotného provozu konstrukce. Tato publikace se bude věnovat aplikaci metodám aktivním.
V průběhu testování nedestruktivní vibroakustickou metodou, jako je například Impact-Echo nebo měření rychlosti průchodu ultrazvuku, je posuzována změna signálu vytvořeným průchodem mechanické vlny zkoušeným materiálem. Nejčastější nástroj pro posouzení těchto signálů je Fourierova rychlá transformace, kterou lze získat frekvenční spektrum a posuzovat tak různé vlastní rezonanční frekvence zkoušené konstrukce. Tímto způsobem lze získat vlastní frekvence podélného, ohybového a kroutivého vlnění. Změna ve frekvenčním spektru může indikovat změnu ve fyzikálně mechanických vlastnostech konstrukce.
Čtěte také: Důležitost fólie pod beton
Měření rychlosti průchodu ultrazvuku
Další akustickou nedestruktivní metodou je měření rychlosti průchodu ultrazvuku. Tato metoda je založená na přesném záznamu času signálu vybuzeného a časové prodlevy, kterou zabere mechanické vlně prostoupit zkoušenou konstrukcí. V takové sestavě ultrazvukový buzený puls má tendenci cestovat nejkratší možnou trasou skrze zkoušenou hmotu. Výstupem z této metody je rychlost šíření ultrazvuku v testovaném materiálu vL.
Pro zjišťování vlastností betonu využíváme ve stavební praxi ultrazvukovou impulzovou metodu, spočívající ve vysílání krátkých svazků tlumeného mechanického kmitání do materiálu. Toto kmitání vzniká v budiči, který pravidelně a opakovaně vysílá elektrické impulzy. Během zkoušení konstrukcí a materiálu se mohou použít dvě, popřípadě jedna sonda. Při použití dvou sond funguje jedna jako budič ultrazvukových vln a druhá jako jejich snímač. Pokud se používá jen jedna sonda, zastává obě funkce a je tedy zároveň budičem a snímačem. Sonda (piezoelektrická) po přiložení k povrchu konstrukce nejprve funguje jako budič vysílající do konstrukce mechanický signál, poté se přepne do režimu snímání, kdy přijímá signál odražený od protějšího povrchu konstrukce nebo překážky a mění ho na elektrický obraz. Takto přeměněný obraz se zobrazuje na obrazovce přístroje jako tzv. „echo“.
Ultrazvuková impulzová metoda odrazová se neustále zdokonaluje a rozšiřují se její možnosti využití v diagnostice konstrukcí. Nevýhodou metody je nutnost použití složitějších a dražších přístrojů než u metody průchodové, výhodou je naopak možnost zkoumat i konstrukce přístupné pouze z jedné strany, jako jsou stěny, průmyslové podlahy nebo ostění tunelů.
Při použití ultrazvukové metody odrazové se doba průchodu signálu zkoumaným prvkem zjišťuje jako čas, který uplyne mezi vysláním ultrazvukové vlny do prostředí, následným odrazem vlny od vzdáleného povrchu (případně vady) a zaznamenáním odraženého echa v místě vyslání signálu. Moderní přístroje dokáží sledovanou dobu zobrazit na svých obrazovkách jako graf A-scan, který zachycuje výchylky impulsu v závislosti na času. Z přesného času průchodu ultrazvuku zkoumaným prostředím lze stanovit tloušťku konstrukce, popřípadě hloubku zjištěné vady.
Metoda Impact-Echo
Metoda Impact-Echo ve stavitelství byla původně vyvinuta v roce 1980 pro účely měření tloušťky betonových desek, ale postupně našla širší uplatnění. Postup stanovující zjištění rezonanční frekvence a rychlosti mechanické vlny je uveden v americké normě ASTM C1383-15. Detailně popisuje odečítání času ze získaných signálů a určování vrcholů jednotlivých rezonančních frekvencí. V této rovnici se počítá, že mechanická vlna prochází homogenním materiálem prismatického tvaru, což v případě heterogenních materiálů jako je beton neplatí. Je tedy potřeba upravit rychlost vlny Cpp o korekční faktor, který zohlední testované médium. J. M. Sansalone a kolektiv ve své publikaci z roku 1997 uvádí vztah pro výpočet frekvence s bezrozměrným korekčním faktorem 0,93, který byl experimentálně ověřen.
Čtěte také: Betonová nádrž: utěsnění
Akustická impedance a šíření vln v betonu
Při degradaci materiálu komplexním činitelem, jako je například zvýšená teplota, dochází ke změně jak fyzikálně mechanických, tak fyzikálně chemických vlastností. Kromě často posuzovaných veličin jako vlastní první druhá, popř. třetí rezonanční frekvence a rychlost zvuku v materiálu je akustická impedance Z. Akustická impedance hraje důležitou roli v mechanismu prostupu akustické vlny testovaným materiálem.
Mechanická vlna se šíří v materiálu v podobě podélného vlnění, které se skládá ze tří složek vlnění - podélného vlnění (P vlna), smyková vlnění (S vlna) a povrchové vlnění (vlna R), též nazývaná Rayleighova vlna. Tyto vlny se šíří v materiálu ve formě sfér, které naráží na trhliny, defekty a části materiálu, které dosahují různé objemové hmotnosti. V momentě nárazu mechanické vlny na rozhraní materiálu s různou akustickou impedancí, dojde buď k částečnému pohlcení, odražení nebo lámání vlny. Každé takové rozhraní tedy slouží jako další zdroj mechanického vlnění.
Pokud se mechanická vlna pohybuje zkušebním tělesem zhotovené například z betonu a dojde k nárazu mechanické vlny na vnější hranici tělesa, vzduchem naplněné póry nebo praskliny, dojde k odražení mechanické vlny.
Vliv recyklovaného kameniva na akustické vlastnosti betonu
S rozvojem využívání recyklovaného kameniva pro výrobu betonu je nutné vedle základních mechanických a přetvárných vlastností materiálu ověřovat i charakteristiky určující finální komfort obyvatel při užívání stavby. Jednou z těchto vlastností je i akustická neprůzvučnost. Předkládaný článek prezentuje výsledky experimentálního měření akustické neprůzvučnosti železobetonových stěn vyrobených s použitím přírodního i recyklovaného kameniva. Změřeny byly i fyzikální materiálové konstanty, které se používají pro určení akustických vlastností výpočtem.
Dynamický vývoj v oblasti výzkumu výroby betonu s použitím recyklovaného kameniva jde ruku v ruce s rozšiřováním jeho uplatnění v konstrukcích na reálných stavbách. V současné době se beton s recyklovaným kamenivem uplatňuje spíše u doplňkových nenosných konstrukcí, jako jsou např. podkladní betony, výplňové nenosné konstrukce, příp. prefabrikované prvky z prostého betonu pro tížné dělicí opěrné stěny. Zatímco mechanické parametry a trvanlivost betonu s recyklovaným kamenivem byly zkoumány v mnoha vědeckých pracích a např. vliv recyklovaného kameniva na pevnost betonu je již vcelku dobře známý, tak užitným vlastnostem, jako je např. zvuková izolace materiálu, už tolik prostoru věnováno nebylo.
Čtěte také: Aplikace laku na betonovou stěrku
V bytových stavbách jsou jako mezibytové příčky často navrhovány železobetonové stěny, jelikož zároveň plní i ztužující funkci celého objektu. Vedle základních mechanických vlastností, které se u dělicích konstrukcí bytových staveb posuzují, je jedním z hlavních parametrů taktéž vzduchová neprůzvučnost konstrukce.
Experimentální ověření akustické neprůzvučnosti
Pro ověření, zda konstrukce mezibytové stěny z betonu s recyklovaným kamenivem vyhoví požadavkům ČSN 73 0532 na zvukovou izolaci mezi dvěma obytnými místnostmi sousedních bytů, byl realizován praktický experiment. Hlavním cílem experimentu bylo laboratorně zjistit akustickou neprůzvučnost železobetonových stěn vyrobených z betonu obsahujícího recyklované kamenivo a ověřit tak, zda je tento druh betonu vhodný do konstrukcí s přísnějšími požadavky na zvukovou izolaci, převážně pak do stěn mezi obytnými místnostmi.
Pilířem experimentu byla výroba tří železobetonových stěn o rozměrech 3,57 × 0,2 × 3,73 m, které byly vyztuženy u obou povrchů vázanou výztuží Ø 10/100 mm v obou směrech. Beton pro výrobu stěn byl specifikován dle ČSN EN 206+A2 a ČSN P 73 2404 jako C25/30 - XC2, stupeň konzistence S4.
Pro výrobu betonových stěn byly použity tři receptury s různým podílem recyklovaného kameniva v betonu. První receptura (NAC) obsahovala pouze přírodní těžené kamenivo a sloužila jako receptura referenční. V receptuře RAC-50 bylo hrubé přírodní kamenivo nahrazeno hrubým recyklovaným směsným kamenivem, drobné kamenivo bylo zachováno přírodní těžené. V poslední receptuře (RAC-100) bylo nahrazeno drobné i hrubé přírodní kamenivo recyklovaným směsným kamenivem.
Recyklované kamenivo se oproti kamenivu přírodnímu vyznačuje násobně vyšší mírou nasákavosti. Z fotografií je patrné znečištění hrubé složky recyklovaného kameniva dřevěnými částicemi, které mohou mít následně dopad na mechanické i užitné vlastnosti betonu. V tomto případě bylo znečištění způsobeno nedokonalým odstraněním dřevěných materiálů před zpracováním (drcením) stavebního a demoličního odpadu na recyklované kamenivo do betonu.
Výsledky měření akustické neprůzvučnosti
Pro stanovení akustické neprůzvučnosti železobetonových stěn se postupovalo dle ČSN EN ISO 10140 - 2. Při měření neprůzvučnosti je zkoušený prvek nainstalován do otvoru mezi dvěma vertikálně oddělenými místnostmi (místností zdroje a místností příjmu). Přenos zvuku bočními cestami je při zkoušce zcela eliminován a stanovené hodnoty vyjadřují neprůzvučnost zkoušené konstrukce. V místnosti zdroje se během zkoušky vytvoří difuzní zvukové pole. Následně se v místnostech zdroje i příjmu měří průměrné hladiny akustického tlaku v rozsahu středních kmitočtů pásem 1/3 oktávy od 100 do 5 000 Hz.
Z průběhu naměřených křivek vyplývá, že největší rozdíl mezi prvkem z betonu s přírodním kamenivem a prvky z betonu s recyklovaným kamenivem nastává v okolí pásma 100 a 250 Hz, kde je neprůzvučnost betonu s přírodním kamenivem vyšší o přibližně 15, resp. 10 dB. Ve zbytku pásem se hodnoty liší minimálně a průběh je víceméně totožný. Výsledná vážená laboratorní neprůzvučnost konstrukcí s recyklovaným kamenivem se liší od referenční konstrukce o 3 dB.
Ačkoliv je objemová hmotnost konstrukce z betonu RAC-100 o dalších 110 kg/m3 nižší než konstrukce z betonu RAC-50, tento rozdíl se v naměřené akustické neprůzvučnosti významně neprojevil, a proto je průběh posunutých směrných křivek s výslednou hodnotou vážené laboratorní vzduchové neprůzvučnosti totožný. Všechny tři konstrukce tak splňují požadavek na váženou stavební neprůzvučnost dle ČSN 73 0532 mezi dvěma obytnými místnostmi sousedních bytů, kde je stanovena mezní hodnota 53 dB. Železobetonové stěny byly zkoušeny bez dalších přídavných vrstev.
Spolu s akustickou neprůzvučností železobetonových stěn byly stanoveny i fyzikální materiálové konstanty všech tří betonových směsí použitých v experimentu. Parametry byly stanoveny vždy na třech tělesech o rozměrech 100 × 50 × 600 mm rezonanční metodou. Je nutné vzít v potaz, že zkoušená tělesa nebyla vyztužena, a proto se reálné hodnoty železobetonových stěn mohou od těch naměřených lišit.
Z výsledků je opět patrný negativní vliv recyklovaného kameniva na dynamický modul pružnosti. Při náhradě hrubé frakce recyklovaným kamenivem u receptury RAC-50 poklesla hodnota modulu o přibližně 8 %. U receptury se 100% podílem recyklovaného kameniva byl oproti referenční receptuře pokles modulu přibližně 25 %. V porovnání se statickým modulem pružnosti byl vliv recyklovaného kameniva na dynamický modul pružnosti nižší.
Rychlost šíření podélných vln se mezi měřenými vzorky znatelně lišila pouze u receptury RAC-100, a to přibližně o 200 m/s. Mnohem důležitější rozdíl však nastává při srovnání naměřených hodnot rychlosti šíření podélných vln a ztrátového činitele s hodnotami udávanými literaturou. Naměřené hodnoty rychlosti šíření podélných vln jsou přibližně o jednu třetinu nižší. Naopak hodnoty ztrátového činitele jsou více než čtyřnásobné oproti hodnotám uvedeným v literatuře, a to i v případě betonu s přírodním kamenivem.
| Receptura | Objemová hmotnost (kg/m³) | Dynamický modul pružnosti (GPa) | Rychlost šíření podélných vln (m/s) | Ztrátový činitel |
|---|---|---|---|---|
| NAC (přírodní kamenivo) | 2380 | ~40 | ~4500 | ~0.01 |
| RAC-50 (50% recyklované kamenivo) | 2260 | ~36.8 | ~4400 | ~0.04 |
| RAC-100 (100% recyklované kamenivo) | 2150 | ~30 | ~4300 | ~0.04 |
Poznámka: Hodnoty v tabulce jsou orientační a vychází z textu článku.
Nedestruktivní měření tloušťky betonu ultrazvukovou odrazovou metodou
Ultrazvuková odrazová metoda, známá ve světě pod názvem pulse echo, je velmi perspektivní metodou určenou zejména pro diagnostiku masivních konstrukcí a konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. Příspěvek se zaměřil zejména na zjišťování tloušťky betonových konstrukcí a průmyslových podlah.
V současné době jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu provádění staveb, betonové konstrukce nevyjímaje. Zatímco kontrola vlastností vstupních materiálů je na solidní úrovni a navíc i relativně snadno proveditelná, podstatně horší je prokazování kvality hotových konstrukcí. Z hlediska betonu nejde jen o jeho vlastnosti, jako jsou např. rovnoměrnost, pevnost v tlaku nebo statický modul pružnosti, ale rovněž o skryté vady a poruchy, k nimž řadíme nedodržení tloušťky konstrukce.
Diagnostika výše uvedených vad a poruch byla donedávna značně obtížná, zvlášť u masivnějších konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. V minulosti byla částečně používána metoda radiografická, i když s řadou omezení, dále např. metoda impact echo. Jinak nezbývalo než provést řadu jádrových vývrtů. V posledním desetiletí však došlo k výraznému posunu v oblasti nedestruktivní diagnostiky jak z hlediska rozvoje metod, tak i z hlediska vývoje přístrojové techniky. Velkého rozmachu ve stavebnictví dosáhla metoda GPR (radarová), ale rovněž ultrazvuková odrazová metoda, nazývaná též pulse echo.
Na trhu se objevuje stále více přístrojů pro ultrazvukovou odrazovou metodu. Mezi nejznámější patří např. systém MIRA. Autoři příspěvku měli k dispozici přístroj Pundit 250 Array. Odrazové sondy jsou z důvodu zlepšení možností analýzy odražených signálů konstruovány jako maticové, tedy s větším počtem budičů a snímačů uspořádaných do matice. Používají se nízkofrekvenční ultrazvukové snímače krátkých pulzů s kontaktem suchého bodu - ve světě je tento princip známý jako tzv. A-scan je zkratkou pro „amplitude scan“. Jedná se o nejjednodušší zobrazení, při kterém jsou zaznamenávány dva základní parametry odezvy: velikost (amplituda) a čas výskytu odezvy. B-scan je zkratkou pro „brightness scan“. Jedná se o dvojrozměrné zobrazení s informacemi vyšetřovaného prostředí v určitém řezu. Toto zobrazení nám umožňuje „nahlédnutí“ do zkoumané konstrukce.
Pundit 250 Array využívá 24 snímačů rozdělených po řadách (trojicích) do 8 kanálů. Při snímání dané konstrukce vždy funguje jeden kanál jako vysílač a zbylé jako přijímače s tím, že během snímání musí zastat každý kanál funkci vysílače i přijímače. Takto vznikne celkem 28 A-scanů, které se mapují pomocí syntetické clony do obrazu hledaného B-scanu. Výrobce udává taktéž možnost měření do hloubky až jednoho metru.
Praktické aplikace
Prvním příkladem praktické aplikace ultrazvukové odrazové metody (pulse echo) je měření tloušťky průmyslové podlahy. Jedná se o typický příklad ze stavební praxe, kdy nedodržením požadované tloušťky podlahy lze poměrně výrazně „ušetřit“. V případě zkoumané podlahy byla podle projektové dokumentace požadována tloušťka podlahy z drátkobetonu 240 mm. Jelikož vznikly oprávněné pochybnosti o dodržení této hodnoty, byly provedeny zkoušky pomocí přístroje Pundit 250 Array. V různých částech haly vycházela tloušťka podlahy pomocí ultrazvuku od 167 mm do 190 mm. Jádrové vývrty byly následně odebrány v dalších místech, kde tloušťky pomocí ultrazvuku vycházely od 173 mm do 190 mm. Porovnání výsledků měření tloušťky podlahy s délkou jádrových vývrtů ve stejných místech jsou uvedeny v Tab. 1.
| Místo měření | Tloušťka ultrazvukem (mm) | Délka jádrového vývrtu (mm) | Rozdíl (mm) |
|---|---|---|---|
| 1 | 167 | 170 | 3 |
| 2 | 180 | 185 | 5 |
| 3 | 190 | 192 | 2 |
Tab. 1: Porovnání výsledků měření tloušťky podlahy.
Při měření sondou Pundit 250 Array byly zjištěny určité odchylky v naměřené tloušťce betonu. Na každé stěně byla nejprve stanovena průměrná rychlost šíření příčných ultrazvukových vln (s-wave) ze šesti měření v různé výšce. Takto stanovená rychlost pak spolu s dobou průchodu (rovněž stanovenou na 6 místech v různé výšce) sloužila k výpočtu tloušťky prvků.
Průměrná hodnota tloušťky betonu polostěn stanovená sondou Pundit 250 Array vyšla 288,4 mm, což je přibližně o 3,9 % méně, než byla skutečná tloušťka. Výsledky porovnávacího ultrazvukového měření tloušťky betonu polostěn sondou Pundit 250 Array ukázaly, že měření je poměrně přesné. Průměrná odchylka měřené tloušťky dosáhla jen −3,9 % ze skutečné hodnoty, což při tloušťce 300 mm dělá přibližně 12 mm (maximální odchylka činila −11,0 %, tedy 33 mm).
Rozhodujícím faktorem odchylky naměřené tloušťky je stanovená rychlost šíření ultrazvukového vlnění. Tato se měří na povrchu konstrukce. Vzhledem ke skutečnosti, že největší odchylka měřené tloušťky betonu byla zjištěna vždy u polostěny A3 (v řadě polostěn u otevřené strany parkovacího domu) a rovněž u dalších méně chráněných polostěn B3 a A4, je zde patrná souvislost mezi stavem povrchu betonu a naměřenou rychlostí šíření ultrazvukového vlnění.
tags: #rychlost #šíření #mechanických #vln #betonem