PS 001 2016 WWW.pdf 69PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Badania ultradźwiękowe płyt włóknisto-cementowych Ultrasonic testing of fibre-cement boards mgr inż. Tomasz Dębowski; dr inż. Marcin Lewandowski; dr inż. Sławomir Mackiewicz; dr hab. inż. Zbigniew Ranachowski,  prof. IPPT PAN – Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie; dr hab. inż. Krzysztof  Schabowicz – Politechnika Wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: k.schabowicz@pwr.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiona została możliwość lokaliza- cji delaminacji w płycie włóknisto-cementowej za pomocą specjalnie do tego celu skonstruowanego urządzenia wyko- rzystującego metodę ultradźwiękową i fale podłużne. Prze- prowadzono badania na trzech rodzajach płyt. Stwierdzono, że proponowana metoda diagnostyczna umożliwia wykry- wanie lokalnych nieciągłości, np. obszarów o obniżonej zwartości, czy delaminacji w płytach włóknisto-cemento- wych na obszarze średnicy wiązki metodą estymacji pręd- kości fali ultradźwiękowej. Zaletami metody są niewielkie wymiary urządzenia i krótki czas badania. Słowa kluczowe: płyty włóknisto-cementowe; badania nie- niszczące; ultradźwięki Abstract This article presents the possibility of delamination lo- cation in the fiber-cement board using a specially-designed device operating on the principle of ultrasonic method and measuring of longitudinal waves velocity. Studies were carried out on three types of board. It was found that the pro- posed diagnostic method allows detection of local disconti- nuities, eg. the areas of reduced compactness, or delamina- tion in fiber-cement boards in the area of the beam diameter by an estimation velocity of ultrasonic waves. The advan- tages of the method are: small dimensions of the device and short duration of the study. Keywords: fibre-cement boards; nondestructive evaluation; ultrasonic Wstęp Projektowane obecnie elewacje budynków charakteryzu- ją się atrakcyjnym wyglądem i podwyższona odpornością na degradujące czynniki atmosferyczne. Na rynku materia- łów budowlanych znajduje się wiele materiałów i inwestor często staje przed problemem jaki materiał wybrać do re- alizacji swojej inwestycji, w tym również elewacji. Korzysta on wówczas najczęściej z podpowiedzi architekta. W ar- chitekturze można zaobserwować obecnie trend, w którym bardzo popularne staje się wykonywanie elewacji w postaci tzw. elewacji wentylowanej z zastosowaniem różnego ro- dzaju okładzin, a w szczególności okładzin z płyt włóknisto- cementowych. Jest to materiał obecnie często stosowany. Przykładową tego typu elewację pokazano na rysunku 1. Historia związana z płytami włóknisto-cementowymi sięga już ponad 115 lat i związana jest z czeskim inżynie- rem Ludwikiem Hatschekiem, który to opatentował materiał budowlany pod nazwą „eternit” [1,2]. Materiał ten zawierał wówczas włókna azbestowe, które dzisiaj stały się materia- łem niedozwolonym do stosowania i zastąpione je włókna- mi celulozowymi [1,2]. Płyty wytwarzane z zastosowaniem tych włókien zawierają ponadto ok. 55%-65% cementu, a pozostałą część stanowią wypełniacze (najczęściej mącz- ka wapienna) oraz dodatki i domieszki. Wytwarzany z takich składników materiał zyskał na popularności ze względu na swoja dużą trwałości i wytrzymałość na zginanie oraz od- pornością na wilgoć i korozję biologiczną [1÷3]. Tomasz Dębowski, Marcin Lewandowski, Sławomir Mackiewicz, Zbigniew Ranachowski, Krzysztof Schabowicz przeglad Welding Technology Review Jak każdy wyrób budowlany płyty włóknisto-cementowe muszą posiadać odpowiednie dopuszczenia umożliwiające ich zastosowanie w budownictwie. Elementem takiego do- puszczenia są odpowiednie badania, związane przede wszyst- kim z kontrolą jakości płyt w trakcie ich produkcji. Kontrola ta oparta jest głównie na badaniach wizualnych dotyczących powierzchni płyty. Brakuje jednak metod badawczych umoż- liwiających pozyskanie informacji o strukturze wewnętrznej materiału, szczególnie jeżeli chodzi o delaminacje (rozwar- stwienie) płyty, bo wada ta ma istotny wpływ między innymi na ich trwałość, użytkowanie i eksploatację [4÷7]. Autorzy pracy zaproponowali do takiego badania wykorzystanie nieniszczą- cej metody ultradźwiękowej z zastosowaniem do tego celu zbudowanego urządzenia wykorzystującego fale podłużne. Rys. 1. Widok fragmentu budynku z elewacją wentylowaną Fig. 1. Partial view of the building with ventilated facade 70 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Opis metody badawczej Na rysunku 2 pokazano zbudowaną do badania delami- nacji płyt włóknisto-cementowych aparaturę ultradźwięko- wą wykorzystującą fale podłużne. Zasadniczą jej częścią jest uchwyt z zamocowanymi głowicami ultradźwiękowymi. Zastosowano głowice typu Omniscan firmy Panametrics o częstotliwości rezonansowej 1MHz i średnicy 19 mm. Rys.  2. Urządzenie ultradźwiękowe do badania delemaniacji płyt włóknisto-cementowych: a) schemat urządzenia, b) widok urzą- dzenia; 1 – płyta włóknisto-cementowa, 2 – przeguby uchwytu, 3 – głowice ultradźwiękowe, 4- sztywne wysięgniki umożliwiających dokonywanie pomiaru na całej powierzchni badanej płyty, 5 – sprę- żynowy mechanizm dociskowy umieszczony wewnątrz uchwytów Fig. 2. Ultrasound device for fiber-cement boards delamination test- ing: a) schematic diagram, b) view of the device; 1 – fiber-cement board, 2 – joints grabs, 3 – ultrasound heads, 4 – rigid booms al- low to measure the entire area of the test plate, 5 – spring-loaded clamping mechanism placed inside the brackets docierającym do głowicy odbiorczej. Prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej vL jest wyznaczana ze wzoru (1): vL.= 2g./ (t2 -.t1) + c gdzie: t1 i t2 oznaczają opóźnienia czasu rejestracji pierwszego i drugiego echa docierającego do głowicy odbiorczej, mierzo- ne w mikrosekundach względem początku impulsu nadaw- czego, g oznacza grubość płyty włókno-cementowej, a c ozna- cza poprawkę wyznaczaną na podstawie pomiaru prędkości fali ultradźwiękowej wykonanej na znormalizowanym wzorcu o znanej grubości i prędkości fali ultradźwiękowej. Rozdzielczość w dziedzinie czasu zastosowanego defek- toskopu cyfrowego wynosi 10 ns. Głowice umieszczone są w ruchomych przegubach umożliwiających docisk głowic do badanej płyty włókni- sto-cementowej równomiernie na całych powierzchniach czołowych. Dodatkowo uchwyt jest wyposażony w sprę- żynę umożliwiającą pewny docisk głowic do powierzchni badanych płyt. Przed procesem wykrywania delaminacji powierzchnię płyty włóknisto-cementowej zabezpiecza się przezroczystą folią samoprzylepną, a powierzchnie czołowe ultradźwiękowych głowic nadawczej i odbiorczej pokrywa cienką warstwą gęstego żelu silikonowego. Rozwiązanie takie umożliwia wykrywanie delaminacji o długości powyżej 10 mm w płytach włóknisto-cemento- wych o grubości w zakresie 4÷40 mm. Ponadto proces wy- krywania delaminacji jest wykonywany w sposób nie naru- szający struktury badanego obiektu, pomiar prędkości fali ultradźwiękowej jest w sposób zautomatyzowany i w czasie nie przekraczającym jednej sekundy. Przykładowe badania Badania eksperymentalne przeprowadzone przy wyko- rzystaniu zbudowanego urządzenia ultradźwiękowego. Głównym celem badań było poszukiwanie imperfekcji w ma- teriale płyty na podstawie analizy prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej. Pojawienie się wady w materiale charakte- ryzowało się obserwowaną skokową zmianą tej prędkości. W tablicy I przedstawiono rodzaje płyt włóknisto-cemento- wych wykorzystanych do badań. Natomiast na rysunku 3 pokazano przykładowe badanie przy wykorzystaniu zbudo- wanego urządzenia ultradźwiękowego. W tablicy II zebrano parametry otrzymane z badań płyt włóknisto-cementowych w tym wytrzymałość na zgina- nie i prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej. Natomiast b)a) Sposób wykrywania delaminacji w płytach włókno-ce- mentowych polega na pomiarze lokalnych zmian prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i porównania ich z prędkością podłużnej fali ultradźwiękowej we wzorcowej próbce bada- nego materiału pozbawionej delaminacji. Prędkość podłuż- ną fali ultradźwiękowej wyznacza się stosując zamocowaną w elemencie pozycjonującym parę głowic ultradźwiękowych o średnicy wiązki ultradźwiękowej nie przekraczającej 20 mm, zapewniającym pewne i powtarzalne sprzężenie z badanym obiektem. Sygnał elektryczny z głowic nadaw- czej i odbiorczej, umieszczonych po obu stronach badanej płyty włóknisto-cementowej jest przesyłany do cyfrowego defektoskopu ultradźwiękowego umożliwiającego określe- nie odstępu czasu pomiędzy pierwszym a drugim echem 1) Oznaczenie płyty A B C Rodzaj płyty włóknisto-cementowa barwiona w masie włóknisto-cementowa włóknisto-cementowa Grubość płyty [mm] 8 8 10 Gęstość objętościowa [kg/m3] 1200 1000 1800 Widok płyty Tablica I. Rodzaje płyt włóknisto-cementowych wykorzystanych do badań Table I. Types of fiber cement boards used for tests 71PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Oznaczenie płyty A B C Wytrzymałość  na zginanie [MPa] 13,98 9,45 9,34 Prędkość podłużnej fali  ultradźwiękowej [km/s] 2,20 1,15 2,69 Rys.  3. Badanie płyty włóknisto-cementowej zbudowanym urządze- niem ultradźwiękowym Fig.  3. Test of fiber-ce- ment board using ultra- sonic device Rys. 4. Zależność prędkości fali ultradźwiękowej w funkcji gęstości objętościowej badanych płyt Fig. 4. The dependence of ultrasonic wave velocity as a function of the bulk density of the tested boards Tablica II. Parametry otrzymane z badań płyt włóknisto-cementowych Table II. The parameters obtained with fiber cement boards Rys. 5. Płyta włóknisto-cementowej z delaminacją wraz z wykresem zależności prędkości fali ultradźwiękowej w funkcji gęstości objęto- ściowej badanych płyty bez delaminacji i z delaminacją (linia czerwona) Fig. 5. Fiber-cement board with delamination along with a graph of ultrasonic wave velocity as a function of bulk density of respondents board without delamination and the delamination (red line) Podsumowanie W artykule przedstawiona została możliwość lokalizacji delaminacji w płycie włóknisto-cementowej za pomocą specjal- nie do tego celu skonstruowanego urządzenia wykorzystującego metodę ultradźwiękową, ultradźwiękowe fale podłużne. Proponowana metoda diagnostyczna umożliwia wykrywanie lokalnych nieciągłości, np. obszarów o obniżonej zwarto- ści, czy delaminacji w płytach włóknisto-cementowych na obszarze średnicy wiązki metodą estymacji prędkości fali ultra- dźwiękowej. Zaletami metody są niewielkie wymiary urządzenia i krótki czas badania. Literatura [1] Informacje ze strony internetowej: http://www.euronit.de/ [2] Informacje ze strony internetowej: http://www.cembrit.com/ [3] PN-EN 12467:2013-03E - Płyty płaskie włóknisto-cementowe. Charakte- rystyka wyrobu i metody badań. [4] Drelich R., Gorzelańczyk T., Pakuła M., Schabowicz K.: Automated Control of Cellulose Fibre Cement Boards with a Non-Contact Ultrasound Scan- ner, Automation in Construction, 57, s. 55-63, 2015. [5] Gorzelańczyk T., Schabowicz K.: Non-Destructive Testing of Moisture in Cellulose Fiber Cement Boards, 11th European Conference on Non-De- structive Testing (ECNDT), Prague, 2014. [6] Gorzelańczyk T., Schabowicz K.: Badania płyt włóknisto-cementowych zawie- rających materiały z recyklingu, Materiały Budowlane, nr 10, s. 27-29, 2015. [7] Schabowicz K., Ranachowski Z., Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Radzik Ł., Kudela Jr. S., Dvorak T.: Application of X-ray microtomography to quality assessment of fibre cement boards, Construction and Building Materials, Vol. 110, s. 182-188, 2016. [8] Tomasz Gorzelańczyk, Krzysztof Schabowicz: Nieniszczące badania płyt włóknisto-cementowych metodą dielektryczną, Przegląd Spawalnictwa, 11/2014 s. 24-27. [9] Jacek Szelążek: Próbki szklane grawerowane laserowo jako wzorce dwójłomności w badaniach ultradźwiękowych, Przegląd Spawalnictwa, 11/2014 s. 11-13. Zbadano dwa wycinki z płyty o oznaczeniu „C” – wzor- cowej i ze stwierdzonymi na przełomach delaminacjami. W obszarach delaminacji występowało obniżenie mie- rzonej prędkości fal ultradźwiękowych o co najmniej 15% lub brak przejścia wiązki, co przedstawiono w sposób poglądowy przy pomocy czerwonej linii na rysunku 5. Na podstawie badań 12 próbek płyt, w tym 3 z wadami postawiono tezę, że stosując w/w metodę jest możliwe wykrycie delaminacji na obszarze średnicy wiązki (ø19 mm) metodą estymacji prędkości fali ultradźwiękowej jako średniej z 10 pomiarów punktowych. na rysunku 4 przedstawiono zależność prędkości fali ultra- dźwiękowej w funkcji gęstości objętościowej badanej płyty włóknisto-cementowej. Na wykresie zaznaczono 5% zakresy niepewności mierzonych wielkości i krzywą regresji. Należy w tym miejscu wyjaśnić, że prędkość fali ultradźwiękowej nie zależy od wytrzymałości na zginanie płyt. Ma na nią jed- nak wpływ gęstość objętościowa płyt.