автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка ультразвукового метода контроля структурной поврежденности облицовочного мрамора под влиянием экстремальных термических воздействий

/ о

На правах рукописи

АЗ И ЕВ Денис Анатольевич

УДК 662.83: 550.3

РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ОБЛИЦОВОЧНОГО МРАМОРА ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.1-5.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ШКУРАТНИК В. Л.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ЗИЛЬБЕРШМИДТ М. Г., канд. техн. паук, ст. н. с. ДОЗОРОВ Т. А.

Ведущее предприятие — «ВНИПИИСТРОМСЫРЬЕ».

Защита диссертации состоится « УХ.» о^я^^Я 1998 г-

в Д£ час. па заседании диссертационного совета К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, Ленинский просп., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « Ул. »

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

проф., докт. техн. наук КРЮКОВ Г. М.

Введение

Накопленный в монументальном, гражданском и промышленном строительстве опыт использования облицовочного мрамора убедительно свидетельствует о его уникальных физике - механических свойствах, декоративности и долговечности. В то же время экономичность мраморных покрытий во многом определяется реальными сроками их эксплуатации, которые зависят как от качества исходного минерального сырья, так и от степени структурной повреждённости камня, возникающей в процессе его добычи, обработки, соответствующих строительно-монтажных работ, а также в результате различных внешних воздействий непосредственно в месте установки. Среди последних наибольшую опасность представляют обусловленные пожарами тепловые воздействия, приводящие к интенсивному разрушению мрамора под влиянием процессов его термической диссоциации и высоких термонапряженин.

Своевременная и надежная информация о степени структурной поврежденности мраморной облицовки является необходимым условием для принятия обоснованных и эффективных технологических решений по её реставрации, частичной или полной замене, что важно как с точки зрения эксплуатационной безопасности, так и с точки зрения рационального использования природных ресурсов. Кроме того, выявление участков мраморных покрытий с наиболее сильной повреждённостью позволяет получить ориентировочные данные о местоположении очагов возгорания, используемые при решении различных задач пожарно-технической экспертизы.

Направленное одностороннее тепловое воздействие на облицовку при пожарах должно приводить к неоднородному по глубине распределению её структурной поврежденности и акустических свойств. Это обуславливает перспективность использования для оценки указанной поврежденности упругих волн рефракции. Однако в

настоящее время отсутствует не только какой-либо опыт такого использования, но и необходимые для его практической реализации экспериментальные данные и теоретические предпосылки. В связи с этим установление закономерностей изменения структурной повреждённости и акустически* свойств облицовочного мрамора по его толщине при тепловом воздействии и создание на этой базе соответствующего ультразвукового метода контроля, основанного на использовании продольных упругих волн рефракции, является актуальной научной задачей.

Исследования, проведённые автором в рамках настоящей диссертационной работы, выполнялись в соответствии с. утвержденным Минобразования РФ планом госбюджетных НИР МГГУ по теме " Научное обоснование и разработка теории и методов геоконтроля и геомониторинга на основе принципов акустической спектроскопии и эффектов нелинейной акустики" (№ гос. регистрации 01940001434).

Цель диссертационной работы заключается в установлении закономерностей изменения структурной повреждённости и акустических свойста облицовочного мрамора по его толщине при экстремальных тепловых воздействиях и создании на этой базе ультразвукового метода контроля, основанного на использовании упругих волн рефракции и обеспечивающего повышение информативности и надежности оценки указанной поврежденности.

И лея работы заключается в использовании рефракционных эффектов, наблюдаемых при распространении ультразвуковых колебаний в облицовочном мраморе, для оценки его структурной повреждённости, обусловленной влиянием внешних тепловых воздействий.

Автором защищаются следующие основные научные

положении:

1. При достаточно продолжительных объёмных пожарах, длительностью более 30 минут, температура прогрева мраморных облицовочных покрытий может достигать величин, способных на глубинах до нескольких сантиметров приводить к возннкновению структурной поврежденности мрамора, обусловленной, с одной стороны, фазовыми преобразованиями в результате процессов термической диссоциации, а с другой - термонапряжениями, превосходящими прочностные параметры образующих минералов.

2. Характер изменения скорости ( СР ) распространения продольных ультразвуковых колебаний по толщине Ь мраморной облицовки, отражающий изменения её структурной повреждённостн в результате длительных экстремальных тепловых воздействий, позволяет рассматривать облицовку как плоско-слоистую рефрагирующую среду, зависимость СР(Ь) в которой может быть аппроксимирована двумя практически линейными участками, причём крутизна первого из них, начинающегося у свободной границы, более чем вдвое превышает крутизну второго, начало которого соответствует предельной глубине, где ешё имели место процессы термической диссоциации мрамора.

3. Установление предельной глубины 7-\ облицовочного покрытия, где структурная повреждённость обусловлена не только термонапряжениями в мраморе, но и его термической диссоциацией, должно рассматриваться в качестве основной целевой функции ультразвукового контроля, причём значение 2,\ может быть определено на основе измерения и последующего сравнения времён распространения продольных рефрагироаанных волк на двух лежащих на одном профиле фиксированных базовых расстояниях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и полученных экспериментально зависимостей температур прогрева

мраморных покрытий от их глубины (максимальное расхождение по сопоставимым точкам не более 12 %);

- хорошей воспроизводимостью установленных закономерностей изменения температуры и скоростей распространения ультразвуковых колебаний по толщине мраморных покрытий под влиянием тепловых воздействий при многократных (более 30) контрольных измерениях;

- совпадением с погрешностью не более 10 % результатов определения структурной повреждённости контрольных образцов мраморной облицовки с данными прямых наблюдений на её торцованной и полированной боковой поверхности.

Научное значение работы заключается в получении формул акустического тракта при ультразвуковом контроле структурной повреждённости облицовочного мрамора с использованием продольных волн рефракции и установлении закономерностей изменения указанной повреждённости, акустических и прочностных свойств мрамора в функции от испытанных тепловых воздействий.

Практическая ценность работы состоит в разработке основанного на использовании продольных волн рефракции ультразвукового метода контроля структурной повреждённости облицовочного камня под влиянием экстремальных термических воздействий.

г

Реализация работы. В рамках диссертационной работы создана "Методика оценки структурной повреждённости облицовочного мрамора под влиянием экстремальных термических воздействий", которая передана для практического применения и используется в ЗАО НПП "Стек" и в ООО "Техстройсинтез". .

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VI Сессии Российского акустического общества (г. Москва, 1997 г.), а также на научных семинарал кафедры ФТКП МГГУ.

Публикации, Результаты выполненных исследований отражены в 4 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 144 страницах текста, . содержит 25 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 80 наименований.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. Шкуратнику В. Л. за помощь в постановке и проведении научных исследований, а также к.т.н,, доц. Янченко Г. А., консультации и советы которого были использованы при написании второй главы диссертации.

Основное содержание работы

Общепризнано, что благодаря своей прочности, декоративности, относительно высокой морозостойкости, простоте обработки и экологической безопасности мрамор является наиболее совершенным облицовочным материалом. Более того, по имеющимся оценкам, именно мраморная облицовка при условии её эксплуатации более 10 лет является и наиболее дешевый стеновым покрытием. В то же время структурная поврежденность мрамора различного масштабного уровня приводит к увеличению эффективной пористости, истираемости, водопоглещения, снижению прочности и морозостойкости, изменению цвета, ухудшению полируемости и декоративных свойств, вследствие чего существенно уменьшаются как потенциальные сроки его эксплуатации, так и безопасность последней.

Среди факторов, определяющих возникновение и развитие нарушений структуры облицовочного камня, традиционно выделяют природные, связанные с генезисом, тектоническими процессами в массиве и выветриванием, и техногенные, связанные с механическими и химическими воздействиями при отделении блоков от массива и их

транспортировке, изготовлении плит и их чистовой обработке, а также при провелелии строительно-монтажных и реставрационных работ.

Огдельную специфическую по своим параметрам и степени разрушительного влияния группу факторов образуют обусловленные пожарами экстремальные термические воздействия (ЭТВ), приводящие к структурным повреждениям мрамора вследствие возникновения высоких термонапряжений в нём и фазовых преобразований. Хотя отрицательное влияние ЭТВ на свойства и эксплуатационные характеристики облицовочного камня является давно установленным фактом, однако конкретные закономерности указанного влияния практически не изучались. И это несмотря на то, что, как показывает соответствующая статистика, за последние 10 лет в России и, в частности, в Москве наблюдается устойчивый рост не только числа пожаров, но и относительного числа облицованных камнем объектов среди общего числа зданий и сооружений, пострадавших от пожаров.

Глубина и степень структурной повреждённости облицовочного мрамора при ЭТВ не могут быть оценены по чисто внешним признакам на свободной поверхности облицовки, а требуют для своего определения применения физических методов неразрушающего контроля.

Как показывает анализ, среди последних наиболее перспективны ультразвуковые ( УЗ ) методы, которые уже более тридцати лет успешно используются для решения разнообразных задач геоконтроля, связанных с локализацией структурных неоднородностей, имеющих аномальные акустические свойства. Достигнутый на сегодня высокий уровень теоретического, методического и аппаратурного обеспечения УЗ дефектоскопии горных пород и других крупноструктурных материалов предопределен результатами рабог Многочисленных исследовательских коллективов, занимавшихся соответствующими вопросами в таких институтах, как ВНИМИ, ВНИИНК,

ВНИИЖЕЛЕЗОБЕТОН, ВНИПИИСТРОМСЫРЬЁ, ГИДРОПРОЕКТ, ИГД им. Скочннского, ИГД КНЦ РАН, ИПКОН РАН, ИФЗ РАН, МГГУ, МИСИ и др.

Проведённые предварительные оценкн показали, что . подвергнутый одностороннему тепловому воздействию облицовочный мрамор, как объект УЗ контроля, должен обладать рядом особенностей. Основными из них являются, во-первых, монотонное изменение с глубиной скорости распространений УЗ колебаний, коэффициента преломления и частотнозависнмого затухания, во-аторых, отсутствие четких акустических границ искомой структурной неоднородности н, п третьих, необходимость контроля указанной неоднородности при одностороннем доступе к ней. С учётом этого оценка структурной термоповреждённостн мрамора на основе традиционно используемых в УЗ дефектоскопии методических подходоп оказывается неэффективной. С другой стороны, отмеченные особенности создают предпосылки для проведения такой оценкн с использованием продольных упругих волн рефракции. В соответствии с этим были сформулированы следующие основные задачи исследований:

!. Установление закономерностей распределения температур прогрева мраморных облицовочных покрытий по глубине при возникающих вследствие пожаров экстремальных термических воздействиях.

2. Исследование взаимосвязи между температурой прогрева облицовочного мрамора, с одной стороны, и его структурной повреждённостыо и акустическими свойствами, с другой.

3. Расчёт и компьютерное моделирование акустического тракта на продольных волнах при контроле структурной поврежлённостн облицовочного мрамора с использованием волн рефракции.

4. Разработка методики ультразвукового рефракционного контроля структурной повреждённости мраморных облицовочных материалов, подвергшихся экстремальным термическим воздействиям.

При решении первой из указанных выше задач были использованы приведённые в специальной литературе экспериментальные данные по изучению процессов развития пожаров и показателей их теплового воздействия на строительные конструкции.

Как показал проведённый с учётом этих данных анализ, для оценки степени прогрева мраморных облицовочных покрытий можно воспользоваться решениями соответствующей краевой задачи т еплопроводности с граничными условиями первого рода.

В качестве исходных для расчётов были приняты известные по работам Астапенко В. М. и др. зависимости безразмерной температуры 0 поверхности от безразмерного времени действия пожара. В частности, для стен такая зависимость имеет вид:

© = (ТПс- То)/(Тпстм- То)=223(т/хтах)5'45 ехр(- 5.45 (т/тт«х)), ( 1 ) где Тле,Тис1"" и То - текущая, максимальная и начальная температуры поверхности, "С; х и тт« - текущее время и время достижения максимальной температуры поверхности. Причём значения ТПстах и тш«< являются функцией пожарной нагрузки & [кг/м2] и различны для пожаров, регулируемых нагрузкой (ПРН), ц пожаров, регулируемых вентиляцией (ПРВ).

Анализ зависимости { I ) показывает, что прогрев строительных конструкций ( СК ) осуществляется при сложных нелинейных граничных условиях 1-го рода. На интервале 0 < т < Тт« идёт прогрев СК, а при т > - их охлаждение. Поскольку точных аналитических решений краевых задач теплопроводности с такими граничными условиями пока нет, искомое решение определялось в виде суммы решений нескольких краевых задач теши)лроводности с более простыми граничными условиями, алгебраическая сумма которых в

любой момент времени равнялась бы граничным условиям основной задачи. В частности, зависимость Тпс = Ц т ) заменялась линейно -кусочными функциями на соответствующих временных интервалах. При этом погрешность в определении Т„с не превышала нескольких процентов.

Точное аналитическое решение задачи нагрева (охлаждения) полубесконечпогр тела с линейным изменением во времени температуры его сьободной поверхности имеет вид:

О = (1 +1/2Ро) егГс (1/2 лГг^ ) - (I/ ехр( - 1/4Р0), ( 2 )

где для первого временного интервала'.

0= - То) / в(т - п ), Ро = С(т-т |)/г», ( 3 )

а для второго:

© = (Т(г,т)-То)/в'(Т-Тт«)> Ро=ц(т-Гт«)/22. (4)

В(3), (4)£- коэффициент температуропроводности, Z -глубина прогрева;

в = [Т»« (0, т ) -То ]/( тт„ - XI); в' = [ а (12 - Т| ) - То] /(хг - тт«); величины Т| и т2 определяются аз зависимостей Т(0,т), представленных кусочно-линейными функциями, для каждого конкретного пожара индивидуально.

Вычислив в соответствии с ( 2 ) значения Т(Х,х) для первого и второго временных интервалов (ЦХ, т|) и Т(г,тг)), получчм искомое значение:

Т(г,т)вТ(2,Т|).Т(г,<1). (5)

На рис. 1 в качестве примера представлены 1рафикн, отражающие результаты части расчётов для тп = 1,22 часа, различных значений т и величины С= 0,505 * 10 мг/с.

Полученные расчётным путём зависимости температуры мраморного покрытия от глубины были подтверждены результатами экспериментальных исследований.

то

Как следует из анализа полученных зависимостей увеличение степени прогрева мраморных покрытий имеет место в течение всего време- ¿00 ни действия пожаров как при ПРВ, так и при ПРН; при достаточно продолжительных ПРВ (тп > 0,5 часа) температура и глубина прогрева .мраморных покрытий достигают довольно значительных ветчин (более 800° С

г 'С

/-т-моос . г-т-мис

3-Т-1Вр0с ❖ -г -шоаос :

£00

4<7<7

г'-ю'н

Рис.1

на глубинах до 2 см); при продолжительности ПРВ менее 0,5 часа значительному прогреву (до температур, способных привести к лекарбошиации мрамора) подвергаются только поверхностные области облицовки толщиной в единицы мм; закономерности прогрева мраморных пркрьиин при ПРВ характерны и для ПРН, однако, при одинаковых временах действия. ПРН обеспечивают несколько меньшую степень прогрева.

В то же время при ПРН имеет место более высокий дополнительный прогрев глубинных слоев за счёт инерционности температурной волны. Для решения второй из поставленных в диссертации задач была проведена оценка влияния тепловою воздействия на структурное состояние мрамора. При лом

нспользопалась методика расчёта структурных напряжений, генерируемых при воздействии теплового поля на горную породу, изложенная в работах Г.Я. Новика и М.Г. Зильбершмидта.

В результате были определены усреднённые структурные напряжения, обусловленные многокомпонентносгью породы и анизотропией слагающих минералов, а также величина температурного градиента, связанного с возникновением макронапряжений в породе. По результатам расчётов была получена зависимость значений тепловых структурных напряжений в мраморе от температуры, которая показала, что указанные напряжения могут иметь относительно большие абсолютные значения, соизмеримые в области высоких температур с прочностными параметрами образующих минералов. Причем появление нарушений сплошности отдельных зёрен мрамора должно происходить уже при температурах порядка 130 - 150° С.

В ходе проведения экспериментальных исследований процессов изменения структурного состояния мрамора при тепловом воздействии изучались аншлифы образцов мрамора методами рентгеноструктурного анализа, оптической и растровой электронной микроскопии, а динамика поверхностных изменений в процессе ИК-воздействия па аншлифы наблюдалась с помощью высокотемпературного микроскопа.

По результатам экспериментов можно сделать выг.од о существовании двух механизмов изменения свойств мрамора и его структурной повреждённости при нагреве. Персый из них связан с нарушением сплошности отдельных зерен мрамора под действием тепловых структурных напряжений, приводящих к трещинообразованию; а второй - с влиянием фа?овых преобразований в результате протекания процессов термической диссоциации мрамора.

к

Для установления взаимосвязи между температурой и временем предварительного прогрева мраморных образцов, с одной стороны, и скоростями распространения продольных СР и поперечных С* упругих волн в них, с другой, были проведены экспериментальные исследования на специально разработанной лабораторной установке. В результате было установлено, что в диапазоне температур 20 - 720° С скорости СР и Cs уменьшаются практически линейно, со значений СР = 5600 м/с и G = 3080 м/с до значений СР = 3450 м/с и Cs = 1950 м/с. В диапазоне температур 720 - 920 °С крутизна спадания C¡, и С* увеличивается более чем вдвое. Так, если на участке 20 - 700 ° С ScP а 3,16 м/(с град), то на участке 700 - 800 ° С ScP а 7 м/(с град), а на участке 820 - 920 0 С Sep = ! 1,5 м/(с град).

Таким образом, как »> следовало ожидать, наиболее значимые изменения скорости распространения УЗК происходят в мраморе в случае его температурной декарбонизации. Факт наиболее значимых структурных изменений мрамора в диапазоне от 800 °С подтверждается тахже исследованиями термоакустоэмнсснонного эффекта памяти (ГЭП) на образцах, подвергнутых циклу нагревания -охлаждения до То,« = 200, 400, 600 и 850° С. При последней из указанных температур ТЭП пропадает. Каждый из предварительно нагретых до температуры T¡ образцов подвергался, также исследованиям на прочность.

Полученные в результате описанного выше комплекса экспериментальных исследований кривые изменения акустических и прочностных свойств мрамора в функции от теплового воздействия состоят из двух монотонно спадающих участков, причем второй из них. начинающийся при температурах, превышающих ЬОО °С, и соответствующий процессам декарбонизации, имеет крутизну, более

чем вдвое превышающую крутизну первого участка. Отмечено также, что основные структурные изменения в мраморе происходят уже после 30 минутного прогрева и дальнейшее увеличение времени температурного воздействия указанные изменения практически не увеличивают.

Характер изменения с глубиной скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний в мраморе С,,,-подвергшемся одностороннему температурному воздействию, позволяет рассматривать его как рефрагнрующую среду, значения СР в которой возрастают с удалением от нагреваемой поверхности.

каустика (т -0)

Для обоснования метода контроля структурной посреж-денности облицовочного мрамора с исполь- ш зоваиием продольных упругих волн рефракции был проведен расчет сосгветст-

иующето акустического тракта, схема которого представлена на рис. Поршневые круглые излучающий I к приемный II пьечошек! рнчесше преобразователи (ПЭП) с б ¿ПОИ Го приложены к границе 7.-Ч полупространства, в котором скорость продольных волн возрасте! с увеличением Ъ от величины Со до величины - С0 / п(г). где п(£> • показатель преломления.

Рис.2.

Известно, что в рефрагирующей среде продольная волна описывается скалярным потенциалом вида

оФ = [клаР„/ц,} ] [( 2Х1 ■ к„2 - Л7) / \У„( X) к„] ( 2.$) ) Н„<»(Х г) -

* Jl < Л я ) dA = / Ф{ X) Но (|> (X г) <1Х, (6)

где к», кчо и - волновые числа соответственно продольных и поперечных волн и параметр Ламе на поверхности 2=0; Но(1> и Jl - цилиндрические функции Ханкеля 1-го рода и Бесселя нулевого и первого порядка; X - переменная интегрирования; У/ДХ) = (2Хг - к«|г)г+

+4Х2 V к„: - V к «г -Х-; Р0 - давление излучающего ПЭП; вгл (2, О ) -

одномерная функция Грина для рефрагируюшело луча,

распространяющегося по траектории ;гз *. очки 0,0 в точку г,2 и

испы гавшего поворот при 2=2).

И}г.есшо также, что нормированное давление преломленной

волны, регистрируемой ПЭП II, равно Л1Г Ч

ЙРПР = [ / I р(г')г'аг,а<р)/[тгц2р1, ]|, (7)

° 0 О. '¿'О

где значение Р ( г') = цЛ (2X2 - к„,2 )Ф(Х) Н„ <" (X г) dX1 г = [ г»2 + (г')2 -

-о*

• 2 г» г' сохф ],/2 , определяется в системе координат с центром в центре ПЭП II и с осями, сопараллельными 02, ОХ.

После преобразовании с использованием теоремы сложения цилиндрических функций из ( 6 ) и ( 7 ) было получено выражение для 5РПр на случай (ш+1) - кратного отражения от каустики (ш=0,1,2 ....) и ш - кратного отражения от поверхности 2=0

5РПр =£ \ [( 2Х2 - к*,2)2/ V. (Я)] [- V, (X) ] (X) Н„ <» (X г.) *

*[},ЦЩ1Х]4Х, (8)

где УК(Х) и У„трСХ) - коэффициенты отражения от каустики и свободной границы соответственно.

Оценив интегралы в ( 8 ) методом перевала, получаем

о- £-'-

6Рпр s V 2 / Jt Ко гГ е'"'4 2 J [( 2к„2 sin2« - к„,2)2 / W„ ( к„ sino» ) ]

i"-

»[ costo/ Vsinto ) [ Ji2 (к„ a sinco)/ sinte ] VoV ( Kj siim ) exp[ (Ы2) *

*( tn+í ) + iq(ü>)] dea, (9)

П

где q(w) = к,, [ rusino» + 2( m + 1 ) ¡ -fn2 (Z) - sin2 (uï^dZ ] .

o

Седловые точки подынтегральных выраженн u ( 9 ) определяются из уравнения

q'(<ft¡m) = О или r..= 2(ir¡+!) sinoisn, J dZ/ /ñ^Z) - sin2«,,,,'; ( 10 )

о

расстояние Ztm до точки поворота для каустики со значком m ( in = 0, 1, 2,...) определяется по формуле

n(Ztm) = SintOsm (II)

Из выражений ( 10 ),( 11 ) вытекает, чго при г»-И) значения Zi,i, -> О, (А,„ -> я/2, поэтому каустики приближаются к поверхности Z = 0. Физический смысл величины ш5ГП ( 0< < я/2 ) заключается в том, что она характеризует угол выхода и регистрации луча, отсчитываемый от нормали к поверхносш Z = 0, который до решеграцин ПЭП 11 ( m + I ) раз отразился от каустики, находящейся на расстоянии ZtmOT поверхности контроля Z=0, а также m ра> от ной поверхности.

Приводя асимптотическую опенку интегралов в ( 9 ) с использованием второй производной q"(û)jm) и учитывая соотношения ( 10 ) и ( 11 ), получаем, что

с-*

S Р„р s (а2 к«/2^ 2г0) £ [(2 ко1 sinJow • к,<,2)^гГм^/ W„ (k„síVi ¡d,») * mi-o

W 111+Г] e ±,,;4{ Voip"' ( KoSincüsm ) F2 ( K„a sin ) exp [ ( i я/2 ) <m+ 1/2) +

2t/r,

+ ¡Ч(<!Ы]} { l(SÍn2OV,J n'(0) eos Osm) + J (dZ [ 1+ Sin20)sm ( I/ nn' )' 1 /

___o

/ V n2(Z) - sin20»sm) I }"l/2, (12)

где n' = d n(Z) / dZ, n'(0) = d n(Z) / dZ i; q (oxm) = Ко [ r0 sin cbm + Zím 2-0

+ 2(m+l) J V n4Z) - sin2 cosm'dZ ] ; F (x) = 2 Ji (x) / x - функция о

направленности круглого поршневого преобразователя.

Для экспоненциально-убывающей с ростом Z зависимости n (Z) из < 10 ) с учётом ( 11 ) имеем Ztm

г» = 2 Sincosm ( m+1 ) J [ c'J7adZ / V I - cm/^s'm2 m*«] -о

= 2Z,( m+1 ) ( я/2 - ). (13)

При пом значение эйконала (набега фазы) составит -

_

qlWsra) = К„ Г,, sinohm + 2к„ (т+1) J [ V 1 - ev//° sinW'/ ] dZ =

о

= 2(m + 1) KcZo siti[r„/2Z,>(m+l )]. ( 14)

Из ( 13 ) получаем следующее уравнение для седловых точек:

Ohm = л/2 • и! 2Z» (R1 + 1). ( is)

Поскольку значения углов ел™ не могут быть меньше нуля ( 0 < оьш < л/2 ), то из ( 15 ) следует, что наибольшее расстояние г„, на котором может быть зарегистрирован сигнал при { ш + I ) отражении от каустики - r„m = ж Zo ( m + I ).

Используя ( 12) - ( 14 ), получаем

_ О» __t

SPtip « ( а2ко / 4"v/ г, Z.') I V sin [ r01 Z>(m+1)] /'(m+1) FJ [ к„а *

j rr.-a

* cos (го I 2zo(m+l)].{ [2ко2 cos4r»/2 (m+1 )Zo)-k^]2 /W«[k„*

* cos (r„/ 2Zo(m+l)]}VoTpm [к,cos (ro/2Z,,(m+l)] exp [p (m+1) rJ2 )+ + iq ( (йш ) ]. (16)

При m=0 in ( 16 ) получаем формулу для однокрашого отражения от каустики, а отражение от поверхности Z=0 отсутствуем. Если относительное базовое расстояние г» / Zu -> 0, то i!>sm -> я/2, i .e. каустическая поверхность приближается к плоскости Z = 0. При этом cos (0<m -»0 и| q"(íOsm)I —> 0, поэтому асимптотические формулы ( 12 ) и ( 16 ) становятся неприменимыми. Это. однако, наблюдается при весьма малых значениях относительна < расстоянии г» / Zo ( << 1 ) или для отражений очень высокого порядка (т>>1). В указанных предельных случаях ( [ Го / Z,(m+i) ] —v 0 ) рсфрагированная волна сливается с обычной поверхностно - продольной волной. Последняя должна рассматриваться как помеховая, так как ухудшает условия выделения полезного сигнала. При тгом можно показать, что отношение сигнал / помеха определяется выражением

I ЙР„(1/ 5 Р„о, I» (к„ Го / 8) V (г,У Z>) sin( г/ Z,)[( 2к<>2 - к,,,* )2 / к,,3 V к,,,3- к.-] *

*[ F2 ( к« a cos(r,i/2Z,i)) / F( к, а )] [( 2k¿ cos:(r»/2 Z>) - к*-)3 / W„( к„ * cos (rj 2 Zo» 1. (17)

Разность фаз (с точностью до л/2) поверхносгно-продолыши и преломленной волн:

Лф = arg (5 Рпо») - arg (8 Р,ф) = к«п> - 2 k»Z> sin (r„/2 Ъ,). ( i S )

При г» / Zu ~> 0 , разность фаз (18 ) Лф ~> 0.

Проведенное с использованием полученных выше соот'ношений компьютерное моделирование позволило провести аь-иш; возможностей рефракционного контроля структурной поврежденности облицовочного мрамора. В частности, было покашно, что при постоянном значении kä максимум отношения ( 17 ) доспи аегся при (г,. / Z„U, = 2,46. Для последнего значения r„ / Z. из ( !К ) получаем,

что Дф £ 0,57 кА|. При выполнении условия кп& >> 1 это дает разность фаз, достаточную для выделения первого вступления рефракционной волны (с т = 0). Для к«/к« = 1,75 из ( 17 ) следует, что 15 Рпр / бРпо* |з = 0,29 к» 21», т.е. аплитуда полезного сигнала также будет значительно превосходить амплитуду помеховой поверхностно-продольной волны.

Теоретический и экспериментальный анализ усредненных зависимостей С(2) в термоповрежденных мраморных покрытиях толщиной И показал, что в первом приближении они могут быть описаны /шумя линейными участками, первый из которых примыкает к нагреваемой поверхности и соответствует протяженности зоны (0 < Ъ < 2л), где структурная поврежденноеть максимальна к обусловлена как термонапряжениям!,так и термической диссоциацией. Соответствующая апроксимация скорости для этого участка может быть представлена в виде

- Со[1+ас(2720], а « 1,45 . (19)

Второй линейный участок, соответствующий глубинам Ъ\ < Ъ < Ь, описывается аппроксимацией:

С(г) = Со(1+о«)[1+Рс(г2г|.|)], Ре» 0,12 . (20)

Из ( 10) и ( 19 ), предполагая, что точка поворота < Ъ\ , для представляющего наибольший интерес случая т = 0 получаем

«¡¡о = агс1в [т«а.с12Ъ\\. (21)

Положение точки поворота г«, определяемое условием ( И ), с учетом (19), может быть записано в виде

2ю = V (2|/<хе)2 +( г,/4)»'-й /о. (22)

При координате Z^o ( 22 ), равной значение базового расстояния г«, для которого это имеет место, максимально и равно

Гош = 2 V 1 +( 2 / ас). ( 23 )

Для рассматриваемого случая из ( 14 ) с учетом ( 21 ) может быть получено следующее выражение величины фазового набега:

= (2 Ко Ъ\ / ас) !п [ (г,, ас / 1Ъ\) + V 1 +(г„аТГШ^]. ( 24 )

Набег фазы ч = 2лГг1, где Гр - рабочая частота, I - время распространения волны по лучевой траектории. Для пракшческих оценок в условиях реальных изменений скорости продольных ноли в мраморной облицовке, частоту ГР следует выбирать не менее 1 МГц. При этом для оценки значения Ъ\ необходимо выполнение условия:

(2лГр/С„)г,» 1, (55)

что имеет место при Zl > 1,5 мм. Для излучающих поверхностен с радиусами не более 0,5 мм ( практически точечный контакт ) размер ближней зоны

Гб =( ^ / С») а2 <0,2 мм (26)

гораздо меньше минимального потенциального выявляемого размера

г..

' Из ( 12 ), ( 19 ) и ( 21 ) следует, что амплитуда давления на приемный преобразователь рефрагировашюй волны ЭРпр ~ у ас/ поэтому сигнал, отраженный от каустики с точкой поворота Ъи, > Ъ\, будет в несколько раз меньше, чем в области 0 ■£> Ъ ^ Zl. Отсюда приближенную оценку координаты 2 можно получить по формуле, следующей из ( 22 ):

Zi Mñ,/2)/W 1 +(2/ac),

(27)

1 лс г„ - базовое расстояние, на котором заметно начало достаточно быстрою убывания амплитуды 5Рлр при увеличении г» от минимально возможного значения.

Пусть и 12 - времена распространения волн рефракции на базовых расстояниях г<м и г«, причем г«' = 2 г»! = 2 г». Тогда из ( 24 ) слсдуез, что

и, = t:/l,= ln[(iWZ,)+Vl +(r„ct</Zi)2] / ln[(r„aJ2Zt) +VT~+ (r„ac/2Z,)l =

= AvMmU Z,> / Arsh(0,5 r„a</ Zi). ( 28 )

Таким образом, в соответствии с ( 2R ) может быть предложен следующий алгоритм контроля мраморных покрытий с использованием волн рефракции: размещение излучающего и приемного ПЭП на свободной ( подвергшейся термическому воздействию ) поверхности плиты на базе rlwi„ ~ 3>.; измерение амплитуды Api первой полуволны принятого . сигнала, зафиксированного на базе Го*,,,,: дискретное ( с шагом Д г« =5 мм ) перемещение приемного ПЭП вдоль выбранного профиля с одновременным измерением амплитуд АР, в каждой точке контроля (i -номер точки контроля ); нахождение базы г« , начиная с которой амплитуда АР о рефрагнрованной волны начинает резко падать (Аро+о s 0,5 A¡) ( этой базе соответствует момент начала дефокусировки лучевого пучка с проникновением волны за искомую границу Zi и с дальнейшим её рассеиванием, то есть значение п> представляет собой верхнюю границу гС1П« возможных базовых расстояний контроля); измерение времен распространения УЗК tp) и tp: на базах контроля г» и 2 Го. удовлетворяющих условиям: Го,™ < г» ; 2 n> < г»,м< ; определение отношения Ui = tp2 / t,i и параметра te = 1/ ( Ь - 1 )2, по которому, в

соответствии с ( 28 ), получают значения параметра гс; определение искомой глубины декарбонизации мраморного покрытия по формуле Ъ\ = Го/Гс.

Ниже в табл.1 представлены в качестве примера результаты проведенного в соответствии с описанным алгоритмом определения значения 2-х на одной из плит коелгинского мрамора, подвергшихся воздействию пожара, с указанием величин всех параметров контроля и данных промежуточных вычислений.

Таблица 1

ь, Ср1ПН1» г» Гошм« Гит**, г«, 2ги, и (р2, и Гс г.,

мм км/с МГц мм мм мм мм МКС МКС мм

30 1,8 1,0 5 90 25 50 15,0 24,1 1,605 2,735 1,54 16,2

С целью оценки точности определения значения 2| УЗ методом на десяти подвергнутых воздействию пожара плитах мрамора это значение было выявлено путём непосредственных наблюдений. Для этого с помощью алмазного полотна обнажалась, а затем полировалась торцевая поверхность плиты в месте УЗ измерений. При этом слой, где произошла термическая диссоциация, оставался относительно матовым, так как хуже полировался, что. и позволяло достаточно уверенно определить его фактическую границу Результаты определения и сравнения величин 2| и Ъ\ф, представленные в табл.2 свидетельствуют о том, что относительная погрешность определения Ъ\ УЗ методом не превышает 10 % , будучи минимальной (< 4,5 %) при Ъ\ * Ь / 2 и максимальной при -* Ь и -> 0.

Таблица 2

мм 6,6 8,5 11,4 14,3 15,3 16,2 18,9 21,6 24,3 25,1

7лъ, мм 7,0 9,0 12,0 15,0 16,0 17,0 20,0 23,0 26,0 27,0

ъг 1, % 5,7 5,5 5,0 4,6 4,3 4,7 5,5 6,0 6,5 7,4

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение • актуальной научной задачи установления закономерностей изменения структурной поврежденности и акусп. .есккх свойств облицовочного мрамора по его толщине под влиянием обусловленных пожарами экстремальных термических воздействий и создания на >>он базе соответствующего ультразвукового метода контроля, основанного на использовании продольных упругих волн рефракции и обеспечивающего повышение информативности и надежности оценки указанной поврежденности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Теоретически и экспериментально установлены закономерности распределения температур прогрева мраморных облицовочных покрытий под воздействием объёмных пожаров, как регулируемых вентиляцией, так и регулируемых нагрузкой, свидетельствующие о том, что при их продолжительности более 30 минут температура прогрева на глубине до нескольких сантиметров может превышать 800° С.

2. Проведены теоретическое рассмотрение и соответствующий расчет влияния теплового воздействия на состояние мрамора, которые показали, что возникающие в нём тепловые структурные напряжения могут достигать значений, превосходящих в области высоких температур прочностные параметры образующих минералов.

3. С помощью рентгеновской дифрактометрни, электронной микроскопии, методов термоакустической эмиссии и ультразвукового прозвучивания проведены экспериментальные исследования структурной повреждённости мраморной облицовки при различной степени теплового воздействия, результаты которых свидетельствуют о существовании двух основных механизмов образования указанной повреждённости. Первый из них связан с нарушение оплошности отдельных зерен мрамора под действием термонапряжений, а второй -с влиянием фазовых преобразований в результате его термической диссоциации.

4. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что подвергшаяся воздействию высоких температур мраморная облицовка представляет собой рефрагирукнцую среду, скорость распространения упругих волн в которой увеличивается с глубиной по закону аппроксимируемому двумя линейными участками, причем участок с большей крутизной, примыкающий к нагреваемой поверхности, соответствует протяжённости зоны, где структурная повреждённость максимальна и обусловлена как термонапряженнямн, так и термической диссоциацией,

5. Получены формулы акустического тракта для рефрагированных и выступающих в качестве помехи при контроле рефрагирующих сред поверхностно-продольных волн. На основе проведенного с использованием указанных формул компьютерного моделирования установлены оптимальные параметры контроля и показано, что реально достижимое отношение сигнал - помеха позволяет надёжно выделять первое вступление рефракционной волны однократно отраженной от каустики.

6. Обоснована методика ультразвукового контроля структурной повреждённости облицовочного мрамора, позволяющая оценить глубину, до которой распространяется зона его

декарбонизации, по результатам измерения времени распространения продольных упругих волн рефракции на двух фиксированных базовых расстояниях.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Азиев Д. А. Критерии структурной поврежденности облицовочного камня в условиях экстремальных термических воздействий. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. Вып.З, 1997, с. 96-101.

2. Янченко Г.А., Азиев Д.А. Анализ степени прогрева облицовочных покрытий -при объёмн''' пожарах в помещениях. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. Вып.З, ¡997, с. 101-107

3. Шкуратник В.Л., Азиев Д.А. К обоснованию методики использования упругих волн рефракции для контроля состояния мраморных облицовочных покрытий, подвергшихся экстремальным термическим воздействиям. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. Вып.2, 1997, с. 4 - 7.

4. Азиев Д. А. К расчёту акустического тракта при контроле поверхностной области массива горных пород с использованием волн рефракции. - Акустика на пороге XXI века. Сб. трудов VI сессии Российского акустического общества,, М.: МГГУ, 1997, с. 301 - 305.

Подписано в печать £0 .01-1998г. формат 60x90416 Объем 1 п.л. Тираж 100'экз. ' Заказ 340

Типография Московского государственного горного университета, М-.Ленинский пр.6.