Dachy - Zastosowanie ultradźwięków do badania zmian gęstości w dachówkach ceramiczny

W produkcji wyrobów dachówkowych na właściwości produktu finalnego bardzo duży wpływ ma kształtowanie się struktury wyrobu, począwszy od fazy formowania półfabrykatów po wypalanie włącznie [1,2,3]. Już w najwcześniejszym okresie powstawania wyrobu (w fazie przerobu i formowania) w zależności od zastosowanych surowców, maszyn przeróbczych i zastosowanej prasy formierskiej powstają w materiale obszary o zmiennym zagęszczeniu, które w toku procesów termicznych tj. suszenia i wypalania często powodują w gotowym produkcie powstawanie spękań, rozwarstwień i deformacji (fot.3,4). Defekty te wpływają na obniżenie właściwości wyrobu co przekłada się bezpośrednio na ich popyt (sprzedaż). Końcowym rezultatem obniżonej jakości wytworzonego produktu są efekty ekonomiczne zakładu.
Na fot. 5 pokazano fragmenty tworzywa z dachówki karpiówki wyprodukowanej w jednej z firm austriackich, które charakteryzują się wysoką zwartością, małą porowatością oraz brakiem wad w postaci spękań, rozwarstwień itp.

Zdarza się często, że przyczyn powstawania wad wyrobów nie można od razu wskazać. Jest to spowodowane tym, że nasze możliwości śledzenia procesów ograniczają się zazwyczaj do zjawisk w skali makro. Uwadze umykają zjawiska w skali mikro, których nie da się obserwować w bezpośredni sposób w toku produkcji. W tym ostatnim przypadku mamy do czynienia tylko z efektem końcowym – tj. złą bądź obniżoną jakością produktu. Defekty objawiają się – jak już wspomniano wcześniej - w postaci mikropęknięć, deformacji, zmian gęstości w obrębie wyrobu, różnic we właściwościach itp.[9] Przykładem może tu być technologicznie poprawnie prowadzony proces suszenia i wypalania, a mimo tego powstawanie mikroobszarów o zmiennych własnościach lub nawet mikropęknięć. De facto nie potrafimy rozsądzić, czy te wady są wynikiem błędnego suszenia czy nieprawidłowego wypalania, bądź obu procesów. Dla poznania źródła wad powinno się śledzić kształtowanie struktury wyrobu w każdej operacji jednostkowej, a więc zaraz po procesie formowania, osobno po procesie suszenia i odrębnie po wypaleniu. Taki podgląd zmieniających się „właściwości” w toku produkcji tj. podczas nabierania przez półfabrykat cech gotowego wyrobu powinien być prowadzony i na bieżąco analizowany. Ponadto, brak informacji na temat zjawisk zachodzących w materiale w czasie jego obróbki nie pozwala optymalizować procesu produkcji tj. uzyskiwać wyroby o najwyższej jakości przy równocześnie najniższych kosztach produkcji. Niemniej istotnym zagadnieniem jest śledzenie strukturalnych zmian zachodzących na gotowym wyrobie zastosowanym w budowlach pod wpływem mrozu lub korozji chemicznej bądź obu czynników równocześnie.

- Zastosowanie ultradźwięków do badania zmian gęstości w dachówkach ceramicznych

Fot.3. Mikroobszary z dachówki karpiówki z widocznymi bruzdowymi rozwarstwieniami tworzywa
A – obraz mikroskopowy zgładu z grubości dachówki o kierunku równoległym do jej długości; światło odbite; powiększenie 13x
B – obraz mikroskopowy zgładu z grubości dachówki o kierunku prostopadłym do jej długości; światło odbite; powiększenie 13x

Fot.4. Przełamy z różnych miejsc dachówki karpiówki. Kolejne zdjęcia od góry przedstawiają:
A – mikroskopowy wygląd brzegu dachówki
B - mikroskopowy wygląd środkowego obszaru dachówki
C - mikroskopowy wygląd obszar pomiędzy brzegiem a środkiem dachówki.
Powiększenie obrazów – 13x

Fot. 5. Przełamy bardzo zwartego tworzywa z dachówki karpiówki firmy austriackiej
A – mikroobszar z brzegu dachówki
B – mikroobszar ze środka dachówki
Powiększenie 13x

Zjawiska tworzenia mikrostruktury w toku całego procesu technologicznego wydają się możliwe do obserwowania w sposób pośredni - poprzez zastosowanie nieniszczącej metody ultradźwiękowej. Ultradźwiękowa metoda badania materiałów polega na pomiarze prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w materiale. Metoda ta znalazła zastosowanie do wykrywania wad w materiałach gęstych i porowatych. Dzięki zależnościom pomiędzy własnościami sprężystymi materiałów a parametrami tekstury takimi jak porowatość, rozkład wielkości porów, czy kształt porów daje ona możliwość uzyskania informacji o parametrach mikrostruktury danego wyrobu [4]. Pomiar prędkości fal ultradźwiękowych można wykonać w dowolnych miejscach tworzywa i w ten sposób scharakteryzować nie tylko globalnie własności, ale można pokazać rozkład tych własności na określonym obszarze [5]. Ze względu na fakt, że ultradźwiękowa metoda badania materiałów jest metodą nieniszczącą, uznaje się ją za metodę wyjątkowo przydatną i dającą szeroki zakres informacji o badanym materiale. Stanowi ona jeden z ważniejszych sposobów badania ich jakości.
W niniejszym artykule na przykładzie dachówek karpiówek (fot.1,2) pokazano zmienny rozkład gęstości (niejednorodność) materiału ceramicznego obserwowany metodą ultradźwiękową.

Rys.1. Miejsca pomiarowe i kierunki rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w dachówkach karpiówkach.

Artykuł niniejszy został opracowany jako fragment problematyki realizowanej w ramach projektu badawczego nr 7 T08D 005 20 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych.

1. Metodyka badań.

Procesy otrzymywania materiałów ceramicznych a zwłaszcza procesy formowania są przyczyną powstawania niejednorodności oraz niezamierzonej anizotropii własności fizycznych materiałów ceramicznych [1,2]. Wielkości anizotropii własności i niejednorodności, które są tym większe im z większymi wymiarami wyrobu mamy do czynienia mają niekorzystny wpływ na własności użytkowe materiałów, a występująca niejednorodność prowadzi do zdefektowania wyrobu w postaci rozwarstwień, spękań i niejednolitych zagęszczeń masy, co w konsekwencji prowadzi do lokalnych obniżeń własności mechanicznych i zniszczenia wyrobu w warunkach eksploatacyjnych.

Rys.2 Rozkład prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej na grubości dachówek. Dachówki B i C są od producenta X, dachówka J producenta Y. Na osi y oraz w tabelkach podano prędkości fali w m/s; na osi x - miejsca pomiarowe; na osi z (oraz y po prawej stronie wykresów płaskich) - pasy pomiarowe. Poziomice zawierają stałe prędkości. Przy brzegach dachówki prędkość fali dochodzi do 3400 m/s, a w obszarach środkowych spada do 2100 m/s. Dachówka B jest pęknięta (strzałka).

Anizotropia własności spowodowana jest uprzywilejowanym ułożeniem faz, wydłużonych ziaren i porów w wyrobie, natomiast niejednorodność związana jest z różnym rozkładem masy (gęstości) w poszczególnych jego obszarach. Te niekorzystne zjawiska w materiałach ceramicznych można wykrywać i określić ich wielkość na dowolnym etapie produkcji w sposób nieniszczący metodą ultradźwiękową [5].
Metody ultradźwiękowe badania materiałów ceramicznych polegają na pomiarze prędkości propagacji fal ultradźwiękowych w ośrodkach sprężystych, która to prędkość jest funkcją mikrostruktury, stałych sprężystości, gęstości oraz wymiarów geometrycznych badanego tworzywa [5,6]. Metodą ultradźwiękową można w sposób bezpośredni określić anizotropię próbek, niejednorodność, a przez to wykryć wady.

Metody ultradźwiękowe pozwalają w sposób nieniszczący na systematyczne śledzenie zmian zachodzących w jednostkowym wyrobie (od etapu formowania do końcowego produktu) [1, 2, 3, 8], na prowadzenie badań po dowolnym czasie użytkowania produktu oraz na śledzenie wpływu zanieczyszczenia środowiska i zmiennych warunków atmosferycznych (mrozoodporności) na szybkość zachodzącej korozji materiału ceramicznego. Może to mieć duże znaczenie poznawcze w zakresie procesów zachodzących w długich okresach czasu ("starzenia się wyrobów"). Metodą ultradźwiękową można w sposób bezpośredni (w przypadku materiałów o małej porowatości) wyznaczyć wszystkie stałe sprężystości lub stałe materiałowe próbek izotropowych i anizotropowych [6, 7]. Natomiast w oparciu o wcześniej wyznaczone korelacje, można określić inne własności fizyczne badanego materiału np. wytrzymałość na zginanie, ściskanie, porowatość, gęstość itp.[4]. Metody ultradźwiękowe można zastosować do bieżącej kontroli jakości produkcji materiałów ceramicznych, do kontroli stabilności i powtarzalności warunków technologicznych.

Rys.3. Zmiana prędkości fali ultradźwiękowej po długości.
Dachówki B i C posiadają jeden zaczep, a dachówka J dwa zaczepy
W dachówce B na kierunku 6 występuje pęknięcie.

Badania ultradźwiękowe mogą być wykonywane na wyrobach o różnych kształtach, różnych wielkościach (od kilku mm do kilku metrów), o różnym składzie fazowym i objętościowym (w tym zawierających pory o udziale objętościowym dochodzącym nawet do 70%). Badania ultradźwiękowe są powtarzalne, a pomiary prędkości fal ultradźwiękowych mogą być wykonywane na materiałach ceramicznych z dokładnością do 0.2%. Ze względu na występowanie silnego tłumienia fal ultradźwiękowych w materiałach ceramicznych (wilgotność, ziarnistość, porowatość, stopień spieczenia) zastosowanie metod ultradźwiękowych do ich badania uzależniony jest od posiadania odpowiedniego typu aparatury (wzmocnienia, częstotliwości) i oprzyrządowania (przetworniki). W tym zakresie odczuwa się brak odpowiedniej aparatury ultradźwiękowej i dlatego jest to też główną przyczyną braku w literaturze danych dotyczących zastosowania jej do badań wyrobów ceramiki budowlanej w tym dachówek ceramicznych.

Rys.4 Zmiana prędkości fal ultradźwiękowych mierzona na wyciętych z dachówki kostkach w zależności od miejsca ich wycięcia. Kierunki pomiarów:
a - równolegle do długości dachówki,
b - po grubości.

Badania ultradźwiękowe dachówek karpiówek przeprowadzono przy użyciu aparatu MT-541 (f=0.5MHz) pokazanym na fot.6. Dachówki te pod względem kształtów są najmniej skomplikowanymi wyrobami dachówkowymi. Pomiary czasu podłużnej przejścia fali ultradźwiękowej wykonano na surowych (wysuszonych) i wypalonych dachówkach, w trzech kierunkach tj. po długości, szerokości i grubości dachówek. Kierunki, linie i punkty pomiarowe obrazuje schematycznie rys.1, zaś fot.2 pokazuje punkty przystawiania głowic aparatu w przedstawionej na zdjęciu karpiówce. Uzyskane zmiany prędkości rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej po grubości dla wybranych dachówek przedstawiono na rys.2. Stwierdzono, że najwyższe prędkości rozchodzenia się fali mierzone po grubości dachówek występują we wszystkich przypadkach przy ich brzegach (patrz rys.1 punkty pomiarowe 1 i 11). Prędkości te gwałtownie obniżają się dla dalszych obszarów. Rozkłady prędkości są jednak różne w zależności od rodzaju dachówek karpiówek tj. czy dachówka posiada dwa zaczepy lub tylko jeden (dachówka o symbolu J ma dwa zaczepy, a dachówki B i C – jeden). W pasach, wzdłuż długości dachówki, w których znajdują się zaczepy, występuje wzrost prędkości fali ultradźwiękowej. W dachówkach B i C następuje wzrost prędkości w obszarach środkowych (charakterystyczna litera W), natomiast w dachówce J obserwuje się nieznaczny wzrost prędkości w obszarach pośrednich - w pasach formowania zaczepu, natomiast najmniejsza prędkość występuje w obszarze środkowym dachówki. Dla wszystkich dachówek wyznaczone rozkłady prędkości są symetryczne względem linii biegnącej przez środek dachówek - po ich długości, czyli linii równoległej do kierunku wychodzenia pasma z prasy formierskiej.

Wyniki pomiarów po grubości potwierdzają też badania ultradźwiękowe przeprowadzone po długości dachówek (rys.3). Tutaj również stwierdzono, że największe prędkości występują w obszarach brzegowych dachówek (tuż przy krawędziach), a najmniejsze w obszarach środkowych (dachówka J) i w obszarach pośrednich (dachówki B i C).

W dachówce B obserwuje się dodatkowe obniżenie prędkości mierzone po grubości (strzałka na rys.2). Obniżenie prędkości obserwuje się również na rys. 3. na kierunku 6 dla pomiarów po długości dachówki B. W obszarze dachówki B, w którym nastąpiło obniżenie prędkości fali ultradźwiękowej stwierdzono po zakończeniu pomiarów pęknięcie dachówki na badanym obszarze.

Rys.5 Zmienność gęstości pozornej kostek dachówki w zależności od miejsca ich wycięcia:
h - gęstość oznaczona metodą hydrostatyczną,
o - metodą objętościową.

W badanych dachówkach występuje znaczna anizotropia prędkości (tabela 1). Największe wartości uzyskano dla pomiarów po długości dachówek, czyli w kierunku wychodzenia pasma z prasy, niższe o około 10 - 13% dla pomiarów po szerokości, a najmniejsze wartości prędkości uzyskano dla pomiarów po grubości. Te ostatnie wartości są mniejsze o ponad 30% od wyznaczonych prędkości po długości dachówek. Występujący typ anizotropii jest odbiciem sposobu formowania, w trakcie którego następuje specyficzne ułożenie płytkowych form składników masy (głównie substancji ilastej) i porów w kierunku wychodzenia pasma dachówki z prasy formierskiej.

Tabela.1. Średnie wartości prędkości fal ultradźwiękowych mierzone w trzech kierunkach

Z badań prowadzonych na innych materiałach ceramicznych wynika że, występuje zależność liniowa między gęstością pozorną badanego materiału a prędkością rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w tym materiale [4]. Obserwowane znaczne zmiany prędkości (rys.2) w różnych obszarach dachówek można wytłumaczyć różnym zagęszczeniem materiału w tych obszarach. W celu potwierdzenia tej hipotezy wykonano badania zależności prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych od gęstości dachówek. W tym celu z wypalonej dachówki pochodzącej z tej samej firmy co dachówka C wycięto dwa pasy - b i c (rys.1), które to pasy następnie pocięto uzyskując z każdego pasa po 20 prostopadłościanów o wymiarach: długość (równoległa do długości dachówki) - 30 mm, szerokość (równoległa do szerokości dachówki) – 5 ¸10 mm, grubość - równa grubości dachówki. Dla wyciętych prostopadłościanów oznaczono gęstość pozorną metodami: hydrostatyczną i objętościową oraz wykonano pomiary prędkości rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej we wszystkich kierunkach. Wyniki pomiarów prędkości i gęstości zamieszczono na rysunkach 4 i 5. Największe gęstości posiadały belki wycięte z brzegu dachówki, nieco mniejsze dla belki wycięte ze środka (z obszaru formowania zaczepu) i najmniejsze ze stref pośrednich tj. z obszarów między brzegiem a środkiem dachówki.

Rys.6 Zależność prędkości fal ultradźwiękowych od gęstości pozornej (hydrostatycznej) dachówki karpiówki (W-2) z pomiarów po grubości (A) i po długości (B). Linia łamana łączy kolejne punkty pomiarowe począwszy od brzegu dachówki poprzez jej środek do przeciwległego brzegu.

Podobne istotne zmiany występują dla prędkości fal ultradźwiękowych mierzonych po grubości belek (rys.4 linia b). Tendencję zmian można zaobserwować również dla pomiarów prędkości po długości (linia a). Zmiany prędkości i gęstości od miejsca pomiaru na dachówce są podobne do zmian występujących na wyciętych belkach przedstawionych na rys.4 i 5. Na rys.6 przedstawiono zależności między prędkością fal ultradźwiękowych mierzonych po długości i grubości dachówki (pomiar na wyciętych kostkach) od gęstości hydrostatycznej. Uzyskane korelacje są istotne na poziomie a = 0.01, co pozwala na szacowanie gęstości badanych dachówek nieniszczącymi pomiarami ultradźwiękowymi. Obserwowana duża niejednorodność prędkości fali na każdej dachówce i ich charakterystyczny rozkład (np. kształt litery „W” w dachówkach z jednym zaczepem) jest rezultatem zmiennej gęstości tworzywa w poszczególnych obszarach dachówki. Na rys.7 pokazano rozkład zmian prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej obserwowany na obszarze całej powierzchni dachówki. Obraz ten zarazem pokazuje zmienne właściwości tworzywa tejże dachówki rejestrowane nieniszczącą metodą ultradźwiękową.

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono przydatność metody ultradźwiękowej do badania półfabrykatów i wyrobów ceramiki budowlanej. W celu jej praktycznego zastosowania dla potrzeb ceramiki budowlanej metoda ta wymaga dalszego doskonalenia.

Piekarczyk Jan
Stolecki Józef
Stolecka Maria
Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie
Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Zastosowanie ultradźwięków do badania zmian gęstości w dachówkach ceramicznych

Nasze portale

Partnerzy