Введение

В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений под воздействием силовых, климатических и техногенных факторов происходит естественный и деструктивный физический износ строительных конструкций. Изменение несущей способности железобетонных и бетонных элементов часто обусловлено накоплением скрытых внутренних дефектов — технологических и эксплуатационных трещин, раковин, каверн, расслоений, а также локальных зон повышенного водонасыщения и деструкции цементного камня. Указанные повреждения, оставаясь незаметными при визуальном осмотре, создают существенную угрозу внезапного аварийного разрушения ответственных объектов капитального строительства [3].

Традиционные разрушающие методы контроля (высверливание кернов, вырезка образцов) обеспечивают высокую достоверность локальных физико-механических показателей, однако снижают целостность конструкций, требуют значительных трудозатрат и не позволяют получить сплошную картину дефектности крупногабаритных сооружений. В связи с этим особую актуальность приобретает развитие методов неразрушающего контроля (НК), опирающихся на регистрацию волновых и теплофизических полей в теле строительных материалов [1].

Целью настоящей работы является исследование физико-технических закономерностей и научно-методическое обоснование комплексного совместного применения инфракрасной термографии и ультразвуковой дефектоскопии для оперативного обнаружения, пространственной локализации и точной количественной оценки параметров скрытых дефектов в строительных конструкциях.

Физические основы и особенности применения инфракрасной термографии

Метод инфракрасной (ИК) термографии основан на дистанционной регистрации собственного или отражённого инфракрасного излучения поверхностей объектов и визуализации сформированного температурного поля в виде двухмерных термограмм [2]. В строительной диагностике различают пассивный и активный режимы термографического контроля.

Пассивный режим применяется при наличии устойчивого температурного градиента между внутренним объёмом здания и внешней окружающей средой (в отопительный период разница температур составляет не менее 10–15 °C). Метод позволяет эффективно выявлять дефекты теплоизоляции, тепловые мосты, зоны сублимации и фильтрации воздуха, а также участки повышенной влажности ограждающих конструкций [5].

Активная термография базируется на искусственной тепловой стимуляции контролируемого объекта за счёт внешних источников нагрева (галогенные или импульсные лампы, конвективный прогрев) с последующей регистрацией нестационарного теплового отклика. Физическая сущность метода заключается в том, что наличие внутренних дефектов (пустот, воздушных зазоров, отслоений штукатурных и защитных слоёв) изменяет локальное тепловое сопротивление и теплопроводность материала. Воздушная прослойка с низкой теплопроводностью (λ ≈ 0,026 Вт/(м·К)) выступает в роли теплоизолирующего барьера, приводя к образованию локальных температурных аномалий на контролируемой поверхности в процессе теплопередачи [4], [7].

Согласно исследованиям, при активном тепловом воздействии термографический метод обеспечивает высокую точность геометрической оценки площади подповерхностных расслоений бетона, залегающих на глубине до 10–20 мм [7]. Однако с увеличением глубины залегания дефекта тепловой поток рассеивается, температурный контраст на поверхности затухает, а помеховые факторы (солнечная радиация, ветровой поток, неоднородность излучательной способности поверхности) существенно ограничивают глубину дефектоскопии [6].

Физико-акустические принципы ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвуковой метод диагностики строительных конструкций основан на возбуждении в материале упругих механических колебаний ультразвукового диапазона (20–150 кГц) и измерении параметров их распространения (скорости C, времени прохождения t, амплитуды и спектрального состава сигнала). Основным информативным параметром является скорость продольных ультразвуковых волн C, которая напрямую связана с плотностью ρ, модулем упругости E и коэффициентом Пуассона μ бетона:

(1)

Наличие скрытых дефектов (трещин, пор, каверн, зон разуплотнения цементного камня) вызывает локальное снижение прочностных характеристик и нарушение монолитности. Поскольку упругие волны в воздушных включениях распространяются со скоростью всего около 331 м/с, а в неповреждённом тяжёлом бетоне скорость составляет 3800–4600 м/с, акустическая волна огибает границы несплошностей, что приводит к увеличению времени пролёта t и зафиксированному падению кажущейся скорости прозвучивания [8], [9].

В современной практике дефектоскопии железобетона применяются низкочастотные ультразвуковые томографы (например, А1040М «Полигон»), оснащённые сухими эластичными антенными решётками (САР). Такие приборы работают по эхо-импульсной схеме при одностороннем доступе к конструкции, реализуя алгоритмы фокусировки в каждую точку (САФТ/SAFT) и позволяя реконструировать B-сканы и томографические сечения внутренней структуры на глубину до 400–600 мм с визуализацией арматурных стержней, каверн и протяжённых трещин [10].

Существенное влияние на результаты ультразвукового контроля оказывают эксплуатационные факторы — влажность и водонасыщение бетона, а также отрицательные температуры. Заполнение пор бетона водой или льдом существенно повышает скорость прохождения УЗК, что требует введения соответствующих влажностных и температурных поправочных коэффициентов при вычислении прочности и глубины дефектов [11], [12].

Комплексный подход к диагностике скрытых дефектов

Сравнительный анализ возможностей инфракрасной термографии и ультразвуковой дефектоскопии демонстрирует их глубокую физико-техническую комплементарность (взаимодополняемость). Сведём сопоставление основных диагностических параметров рассматриваемых методов в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительный анализ характеристик методов неразрушающего контроля

Инфракрасная термография выступает в качестве высокоэффективного экспресс-метода первично-панорамного сканирования. Она позволяет в кратчайшие сроки обследовать масштабные площади строительных конструкций (фасады, плиты покрытия, протяжённые стены) без непосредственного физического контакта и зафиксировать потенциально дефектные участки по аномалиям температурного поля.

На втором этапе комплексной диагностики выявленные аномальные зоны подвергаются детальному локальному ультразвуковому зондированию с применением эхо-импульсных дефектоскопов или томографов. Ультразвуковой метод уточняет пространственную конфигурацию, глубину залегания, эквивалентный размер дефекта и фактический класс прочности бетона в локальной зоне.

Таким образом, синергетический эффект комплексного подхода заключается в существенном повышении достоверности диагностики (снижение вероятности ошибок I и II рода) и оптимизации временных и финансовых затрат на проведение технического обследования объектов.

Заключение

1. На основе проведённого анализа установлена физико-техническая целесообразность комплексного объединения инфракрасной термографии и ультразвуковой дефектоскопии при техническом обследовании бетонных и железобетонных строительных конструкций.
2. Инфракрасная термография обеспечивает оперативный бесконтактный сплошной контроль и панорамное картирование приповерхностных дефектов, зон влагонакопления и нарушений теплоизоляции, однако имеет физические ограничения по глубине зондирования (до 20–30 мм).
3. Применение ультразвукового эхо-импульсного метода и акустической томографии позволяет производить глубинное зондирование массива бетона на глубину до 600 мм, с высокой точностью локализовать внутренние пустоты, каверны и трещины, а также оценивать физико-механические характеристики материала.
4. Разработанная двухэтапная схема комплексного контроля (экспресс-локализация температурных аномалий с последующим детальным ультразвуковым томографированием) повышает достоверность определения скрытых дефектов и оптимизирует трудоёмкость обследования конструкций зданий и сооружений.

Литература:

1. Сницарь Л. Р., Искаков К. Т. Анализ основных характеристик инфракрасной термографии и ультразвуковых методов диагностики технических объектов // Труды университета. — 2023. — № 2 (91). — С. 329–335.
2. Вартанов А. З., Набатов В. В. Термографический контроль для строительства (обзорная статья) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № S1. — С. 193–204.
3. Ивасев С. С., Гирн А. В., Раводина Д. В. Методы неразрушающего контроля: учебное пособие. — Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2015. — 112 с.
4. Khan F., Bolhassani M., Kontsos A., Hamid A., Bartoli I. Modeling and experimental implementation of infrared thermography on concrete masonry structures // Infrared Physics & Technology. — 2015. — Vol. 69. — P. 165–173.
5. ГОСТ Р 54852–2011. Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. — М.: Стандартинформ, 2012. — 16 с.
6. Kirimtat A., Krejcar O. A review of infrared thermography for the investigation of building envelopes: Advances and prospects // Energy and Buildings. — 2018. — Vol. 176. — P. 390–406.
7. Huh J., Tran Q. H., Lee J.-H., Han D., Ahn J.-H., Yim S. Experimental Study on Detection of Deterioration in Concrete Using Infrared Thermography Technique // Advances in Materials Science and Engineering. — 2016.
8. ГОСТ 17624–2021. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. — М.: Российский институт стандартизации, 2021. — 28 с.
9. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Неразрушающий контроль: справочник. В 7 т. Т. 3: Ультразвуковой контроль / под общ. ред. В. В. Клюева. — 2-е изд., испр. — М.: Машиностроение, 2008. — 864 с.
10. Недавний О. И., Смокотин А. В., Богатырева М. М., Протасова И. Б. Опыт применения эхо-импульсного метода при неразрушающем контроле бетона несущих конструкций // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2015. — № 1 (48). — С. 140–147.
11. Алимов А. Г. Совершенствование теоретических основ и разработка современных методов ультразвукового диагностирования бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях высокого водонасыщения и низких температур // Технологии гражданской безопасности. — 2011. — Т. 8. — № 1–2. — С. 56–63.
12. Коротин А. И., Лазарев А. Л., Святкина Г. Н. Применение ультразвуковых методов контроля для оценки качества соединений металлических конструкций в современных условиях // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2018. — № 3. — С. 140–148.