Vliv vlhkosti a způsobu prozvučování cihel na výsledky jejich měření ultrazvukovou metodou

Pro vyšetřování zděných konstrukcí lze využít i ultrazvukovou impulsovou metodu. Pomocí ultrazvukové metody lze zjišťovat materiálové charakteristiky cihel (pevnost, modul pružnosti). Pro stanovení je však mít k dispozici vztah mezi parametrem z nedestruktivního zkoušení a pevností v tlaku s dostatečnou těsností korelace.

Výsledky měření ultrazvukovou impulsovou metodou jsou ovlivňovány řadou faktorů, délkou měřící základny, frekvencí sond, rozměry vzorků, vlhkostí, vnitřní struktura a její defekty apod. Při zkoušení cihel zabudovaných ve zdivu se vliv výše uvedených faktorů jednoznačně projeví. Byl sledován jednak vliv vlhkosti, jednak vliv způsobu prozvučování přímého (po délce a šířce cihly) a polopřímého (přes rohy cihel) na výsledky měření ultrazvukovou impulsovou metodou. Vliv vlhkosti a způsob prozvučování cihel ovlivňuje výsledky měření ultrazvukovou metodou různou mírou. Nejméně jsou ovlivňovány výsledky měření na vápenopískových cihlách a nejvíce naopak na pálených cihlách vyráběných z plastického těsta. Projevuje se zde synergický vliv stavu struktury (obsahu póru) a defektů ve střepu. Pro správnou interpretaci výsledků měření ultrazvukovou impulsovou metodou cihel zabudovaných v konstrukci je třeba tyto vlivy zohlednit.

1. Úvod

Pálené cihly jsou jedním z frekventovaných stavebních materiálů, a to především v historických stavbách. I v současné době je mnoho staveb ve stavu, kdy při jejich rekonstrukci je nutné provádět různá statická zajištění nebo zásahy ovlivňující jejich statiku. Tyto stavební úpravy vyžadují znalost materiálových vlastností.

Při vyšetřování stavebních materiálů v konstrukcích jsou využívány i různé nedestruktivní metody zkoušení, nejčastěji jsou to tvrdoměrná a ultrazvuková impulsová metoda. V největším rozsahu je využití těchto metod rozpracováno pro zkoušení betonů, a to jak v odborné literatuře, např. [4, 5, 7], tak i v technických normách (ASTM C597-09, ČSN EN 12504-4 [10], ISO 1920-7 [11].

Ultrazvuková impulsová metoda je využívána i pro hodnocení jiných materiálů, její využití pro hodnocení pevností cementů je uvedeno v práci [3] a pro stanovení pevností betonových dlažebních bloků v [2].

Využití ultrazvukové impulsové metody pro hodnocení cihel nebo zdiva je uvedeno v pracích [1, 6] Tyto studie se zabývají využitím ultrazvukové metody pro zjišťování materiálových vlastností cihel, jednak stanovením pevnosti cihel, jednak hodnocením parametrů zdiva. Zkoušky byly prováděny jak v laboratoři, tak i na reálných zděných konstrukcích. Měření bylo prováděno přímým prozvučováním, avšak údaje o vlhkostním stavu cihel a zdiva nejsou uvedeny. Ve studii [1] jsou uvedeny pevnostní vztahy pro určení pevnosti plných pálených a vápenopískových cihel; které vzhledem k malému rozsahu souboru dat (15/12) prezentují pouze existenci závislosti mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu a pevností cihel v tlaku.

Obecně je známo, že výsledky měření ultrazvukovou impulsovou metodou jsou ovlivňovány řadou faktorů: vlhkost, vnitřní struktura a její defekty apod. Cihly zabudované ve zdivu mohou mít různou vlhkost, strukturu, ale i defekty související s technologií výroby, které jsou sice z hlediska jejich použití přípustné, ale je otázkou jak se uvedené vlivy projevují na výsledcích měření ultrazvukovou impulsovou metodou.

V článku jsou uvedeny výsledky měření a zkoušek, které byly zaměřeny na sledování vlivu vlhkosti a způsobu prozvučování na rychlost šíření ultrazvukového impulsu v pálených a vápenopískových cihlách plných o rozměru 290 (303) × 140 (145) × 65 (70) mm, se zaměřením na využití ultrazvukové metody při měřeních na reálných zděných konstrukcích.

2. Metodika zkoušení a základní charakteristiky cihel

2.1 Ultrazvuková impulsová metoda

Pro měření ultrazvukovou impulsovou metodou byl použit přístroj PUNDIT se sondami o vlastní frekvencí 82 kHz.

Uvedená frekvence sond byla zvolena z důvodu dosažení poměru délky vlny (λ) k nejmenšímu rozměru vzorku ve směru prozvučování (d_min) < 1, aby bylo eliminováno případné snižování rychlosti šíření ultrazvukového impulsu. Pro ověření zda tento poměr při zvolené frekvenci je dosažen byly z měřeného souboru cihel vybrány cihly různé kvality a provedena ověřovací měření rychlosti ultrazvukového impulsu.

Rychlost šíření ultrazvukového impulsu se pohybovala v rozmezí 1,1 až 3,6 km/s, těmto hodnotám odpovídá poměr λ / d_min, který je roven 0,14 resp. 0,44, tzn. uvedená podmínka byla splněna.

Měření byla prováděna přímým a polopřímým (šikmým) prozvučováním – druhý způsob prozvučování byl zvolen z důvodu, že ne ve všech případech lze provádět na cihlách zabudovaných v konstrukcích měření přímým prozvučováním. Nepřímé prozvučování, tj. měření na povrchu cihel nebylo prováděno, protože při tomto způsobu měření prochází ultrazvukové impulsy těsně pod povrchem cihly na kterém jsou umístěny sondy; při tomto způsobu měření není možné obsáhnout celou masu zkoušené cihly, tj. výsledky měření charakterizují pouze její podpovrchovou část, nikoli celý prvek.

Způsoby prozvučování cihel jsou schematicky znázorněny v obrázku 1a, b, c.

Měření pro každý směr prozvučování bylo prováděno ve 3 měřicích bodech.

Pří prozvučování po délce byly měřicí body ve vzdálenosti 25, 70 a 105 mm od hrany cihly; délka měřicí základny byla rovna délce cihly.

Pří prozvučování po šířce byly měřicí body ve vzdálenosti 30, 145 a 260 mm od hrany cihly; délka měřicí základny byla rovna šířce cihly.

Při prozvučování přes roh cihel (polopřímé prozvučování) bylo měření prováděno mezi body vyznačenými na kratší boční a podélné ploše (viz obr. 1c). Vzdálenost měřících bodů byla stejná jako při přímém prozvučování. Délka měřicí základny pro příslušné měřicí body byla vypočítána dle Pythagorovy věty.

Pro sledování vlivu vlhkosti byla prováděna pouze měření přímým prozvučováním po délce a šířce cihly.

Obrázek 1. Schématické znázornění způsobů prozvučování cihel

Pro dosažení dobré akustické vazby byl využíván indiferentní gel používaný ve zdravotnictví. Délka měřicí základny byla zjišťována s přesností na 1 mm a doba průchodu ultrazvukového impulsu s přesností 0,1 μs. Rychlost šíření ultrazvukového impulsu byla vypočítána dle vztahu (1):

kde je

V

rychlost šíření ultrazvukového impulsu,

L

délka měřící základny,

T

čas, který uplyne při průběhu impulsu měřící základnou.

Měření v každém měřicím bodu bylo prováděno dvakrát. V případě, že se naměřené hodnoty od sebe nelišily o více než 4 % vztaženo k menší naměřené hodnotě, bylo měření považováno za vyhovující. Jestliže se lišily naměřené hodnoty o více než 4 %, bylo provedeno další měření a použily se hodnoty, které od sebe nelišily o více než 4 %. Nebyla-li tato podmínka splněna, zkušební místo bylo vyloučeno.

2.2 Zkušební vzorky

Měření byla prováděna na plných pálených a vápenopískových cihlách.

a) Cihly plné pálené (CPP): jsou vyráběny různými technologiemi – lisováním a tažením; cihly vyráběné lisováním z období 1840-1900 (dále označované „LIS“); cihly vyráběné tažením z plastického těsta z období 1950–1990 (dále označované „PLAST“).

Struktura cihelného střepu obsahuje otevřené a uzavřené póry, trhlinky a mikrotrhlinky; jejich množství závisí na způsobu vytváření, sušení a pálení. Cihly vyráběné různými technologiemi se vyznačují i odlišnou strukturou.

b) Vápenopískové cihly (VPC): vyrábí se lisováním a následným autoklávováním ze směsi křemičitého písku, nehašeného vápna a vody. Mají kompaktní strukturu s méně defekty než pálené cihly.

2.3 Základní parametry cihel

Základní parametry cihel jsou uvedeny v tabulce 1.

2.4 Podmínky zkoušení

Cihly byly před zkouškou vysušeny do konstantní hmotnosti, pro sledování vlivu vlhkosti byly uloženy ve vlhkém prostředí, aby došlo k absorpci vlhkosti a následně nasyceny vodou.

3. Výsledky měření a zkoušek

3.1 Vliv vlhkosti na rychlost šíření ultrazvukového impulsu

Měření byla prováděna na 5 sadách vzorků. V tabulce 2 jsou uvedeny pro jednotlivé hodnoty vlhkosti cihel parametry související se změnou rychlosti šíření ultrazvukového impulsu, konkrétně:

W

vlhkost cihel při měření [%]

V_i

rychlost šíření ultrazvukového impulsu při dané vlhkosti [m/s]

ΔV_i

rozdíl rychlosti šíření ultrazvukového impulsu při dané vlhkosti (vztaženo k vlhkosti suchého vzorku) [m/s]

δV_i

rozdíl rychlosti šíření ultrazvukového impulsu při dané vlhkosti (vztaženo k vlhkosti suchého vzorku) [%]

ΔWV_i

rozdíl v rychlostech na 1 % vlhkosti pro danou vlhkost [%].

Porovnání průběhu rychlosti šíření ultrazvukového impulsu pro jednotlivé druhy cihel v závislosti na vlhkosti je uvedeno v obrázku 2.

Porovnání průběhu rychlosti šíření ultrazvukového impulsu pro jednotlivé druhy cihel v závislosti na vlhkosti je uvedeno v obrázku 2.

3.2 Vliv způsobu prozvučování na rychlost šíření ultrazvukového impulsu v cihlách

Byly porovnávány hodnoty rychlosti šíření ultrazvukového impulsu při různém způsobu prozvučování.

V tabulce 3 jsou uvedeny rychlosti šíření ultrazvukového impulsu zkoumaných cihel (průměrná hodnota souboru, minimální a maximální hodnota), konkrétně:

V_LC

rychlost šíření ultrazvukového impulsu – přímé prozvučování po délce vzorku

V_ŠC

rychlost šíření ultrazvukového impulsu – přímé prozvučování po šířce vzorku

V_ROH

rychlost šíření ultrazvukového impulsu – polopřímé prozvučování přes roh cihly

V_LC+ŠC

rychlosti šíření ultrazvukového impulsu při přímém prozvučování

V_ROH1+2

rychlosti šíření ultrazvukového impulsu při polopřímém prozvučování

V_B

rychlosti šíření ultrazvukového impulsu ze přímého a polopřímého prozvučování

Rozdíly v rychlostech jsou vyjádřeny pro jednotlivé způsoby měření průchodu ultrazvukového impulsu ve zkoušených cihlách byly vypočítány dle vztahů (2 až 6):

Rozdíl mezi V po délce a šířce cihly

Rozdíl mezi V při měření přes rohy cihel

Rozdíl mezi V při měření po délce a přes rohy cihel

Rozdíl mezi V při měření po šířce a přes rohy cihel

Rozdíl mezi rychlostí šíření ultrazvukového impulsu při přímém a polopřímém prozvučování

4. Diskuse k výsledkům měření

V dalším je uvedena analýza poznatků o vlivu vlhkosti a způsobu prozvučování (přímé a polopřímé – šikmé) cihel na výsledky měření ultrazvukovou impulsovou metodou, zejména z hlediska zkoušení cihel zabudovaných v konstrukcích.

Byly zkoumány cihly plné pálené vytváření lisováním a tažením z plastického těsta a vápenopískové cihly.

4.1 Vliv vlhkosti cihel

Vliv vlhkosti na rychlost šíření ultrazvukového impulsu v pórovitých materiálech je obecně znám. V publikaci [8] se uvádí, že při změně vlhkosti betonu o 1 % se rychlosti šíření ultrazvukového impulsu změní o 120 m/s. Při měření cihel zabudovaných v konstrukcích nelze ovlivnit jejich vlhkost, proto je nezbytné znát, do jaké míry obsažená vlhkost ovlivní výsledky měření ultrazvukovou impulsovou metodou, pro správnou interpretaci výsledků měření.

Byl prokázán jednoznačný vliv vlhkosti na rychlost šíření ultrazvukového impulsu, který je však rozdílný pro různé druhy cihel, které se liší svojí vnitřní strukturou, jak je zřejmé z porovnání rozdílů rychlosti šíření ultrazvukového impulsu v obrázku 3.

U vápenopískových cihel se rychlost šíření ultrazvukového impulsu při zvýšení vlhkosti o 1 % zvýší o 0,5 až 0,8 %, u lisovaných pálených cihel o 0,6 až 1,1 % a u pálených cihel vytvářených z plastického těsta o 0,7 až 1,3 %.

Rozdíly ve vlivu obsahu vody pro jednotlivé typy cihel lze vysvětlit různou vnitřní strukturou a různým obsahem defektů, zejména mikrotrhlin, které se vyskytují u cihel pálených; nejvyšší četnost defektů struktury je u pálených cihel vytvářených z plastického těsta.

4.2 Způsob prozvučování cihel

Zkoumání vlivu směru prozvučování cihel na rychlost šíření ultrazvukového impulsu přímo souvisí s měřením cihel v konstrukci, protože tyto nejsou vždy přístupné měření přímým prozvučováním.

Při různém způsobu prozvučování cihel byly zjištěny různé rozdíly v rychlostech šíření ultrazvukového impulsu, které se v číselných hodnotách liší v závislosti od druhu zkoušené cihly, jak je zřejmé z porovnání průměrných, minimálních a maximálních percentuálních rozdílů pro přímé a polopřímé prozvučování uvedeném v obrázku 4.

Rozdíly v rychlostech jednoznačně souvisí s pórovou strukturou cihel a výskytem defektů ve struktuře. Nejnižší rozdíly byly zjištěny u vápenopískových cihel, které mají kompaktnější strukturu a minimum vnitřních defektů ve srovnání s pálenými cihlami.

Při prozvučování vápenopískových cihel při polopřímém prozvučování (prozvučování přes roh) (viz obr. 1c) je rozdíl v rychlostech minimální (0,6 %); větší rozdíl byl zjištěn mezi přímým a polopřímým prozvučováním – rychlosti šíření ultrazvukového impulsu byly při polopřímém prozvučování (prozvučování přes roh) vyšší o 4,6 % než při přímém prozvučování. Rozptyl rozdílů mezi přímým a polopřímým prozvučováním byl v rozmezí −7,3 % až −0,3 %.

U lisovaných pálených cihel jsou sice průměrné hodnoty rozdílů pro jednotlivé způsoby prozvučování nižší než u vápenopískových cihel, ale minimální a maximální hodnoty jsou podstatně vyšší; pro přímé a polopřímé prozvučování byly −7,3 resp. 7,6 %. Největší rozdíly v rychlosti šíření ultrazvukového impulsu byly zjištěny pro pálené cihly vytvářené lisováním; pro přímé a polopřímé prozvučování jsou minimální a maximální hodnoty rozdílů −10,5 resp. 28,0 %.

I v tomto případě lze identifikovat jako příčinu rozdílů v rychlosti šíření ultrazvukového impulsu rozdílnosti ve struktuře jednotlivých druhů cihel.

5. Závěr

Z analýzy poznatků o vlivu vlhkosti a způsobu prozvučování cihel vyplynulo, že výsledky měření cihel zabudovaných v konstrukci ultrazvukovou metodou jsou těmito faktory ovlivňovány v různé míře. Projevuje se zde synergický vliv vlhkosti a stavu struktury (obsahu póru) a defektů ve střepu.

Nejmenší rozdíly v rychlosti šíření ultrazvukového impulsu byly zjištěny u vápenopískových cihel, což lze vysvětlit jejich vyšší homogenitou ve srovnání s pálenými cihlami a také menším obsahem defektů ve vnitřní struktuře.

Nejvyšší rozdíly v rychlostech šíření ultrazvukového impulsu byly zjištěny u cihel plných pálených vytvářených z plastického těsta; důvodem je větší výskyt defektů ve vnitřní struktuře těchto cihel.

Ultrazvuková impulsová metoda je vhodná pro zjišťování pevnostních a pružnostních charakteristik cihel v případě, že tyto vykazují minimum defektů ve struktuře.

Pro srovnatelnost výsledků měření cihel v konstrukci je nezbytné používat stejný způsob prozvučování a frekvenci sond. Pro správnou interpretaci výsledků měření ultrazvukovou impulsovou metodou cihel zabudovaných v konstrukci je třeba tyto vlivy zohlednit.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

1. Aliabdo, A. A. E., Elmoaty, A. E. M. A. Reliability of using nondestructive tests to estimate compressive strength of building stones and bricks, Alexandria Engineering Journal, 51/3 (2012) 193–203.
2. Brozovsky, J., Matejka, O., Martinec, P. Concrete interlocking paving blocks compression strength determination using non-destructive methods. Conference Proceedings: Application of contemporary non-destructive testing in engineering (2005) 91–97.
3. Brozovsky, J., Zach, J. Ultrasonic pulse method – the cement strength evaluation tool. Book of 2^nd International conference on waste engineering management, Book Series: RILEM Proceedings 73 (2010) 314–323.
4. Bungey, J. H. The Testing of Concrete in Structures. Surrey University Press, 2 ed., London (1989).
5. Jones, R. The non-destructive testing of concrete. Mag. Concr. Res., 2. (1949).
6. Kojima, T., Haya, H., Minegishi, K., Nguyen, R. T. Ultrasonic Velocity Measurement for Analysis of Brick Structure, 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings (2008) 398–401.
7. Malhotra, V. N., Carino, N. J. Handbook on nondestructive testing of concrete. 2^nd edition, USA: CRC Press, Switzerland (2004).
8. Pavlík, A., Doležel, J. Nedstruktivní vyšetřování betonových konstrukcí, SNTL Prague, (1977).
9. ASTM C597-09 Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete. ASTM International, United States (2009).
10. ČSN EN 12504-4 Zkoušení betonu – Část 4: Stanovení rychlosti šíření ultrazvukového impulsu, Český normalizační institut, Praha (2002).
11. ISO 1920-7 Testing of concrete – Part 7: Non-destructive tests on hardened concrete, International Organization for Standardization (2004).