Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Описание способов контроля и качества бетонируемой конструкции

1.1 Методы неразрушающего контроля (преимущества и недостатки)

1.2 Методы местных разрушений

1.3 Методы ударного воздействия

1.4 Современные методы (ультразвуковой, метод измерительных приборов)

1.5 Метод по температурным показателям при прогреве бетона

2. Методика и технология производства экспериментов

2.1 Технологии прогрева бетона в зимних условиях и способы их контроля

2.2 Определение наиболее оптимального прогрева бетона в зависимости от вида конструкции

2.3 Температурно-прочностной контроль производства работ при прогреве бетона

3. Повышение эффективности и надежности процессов контроля качества бетонных конструкций, подвергнутых тепловой обработкой

3.1 Определение эффективных методов температурно-прочностных показателей для контроля качества среднемассивных и массивных конструкций

3.2 Отрицательные факторы и их последствия при различных способах прогрева бетона

3.3 Общие выводы по результатам теоретических и экспериментальных исследований методов определения температурного бетона

Литература

Приложения

бетон конструкция контроль качество



Введение

В настоящее время в России монолитные бетонные и железобетонные конструкции находят все более широкое применение в строительстве различных зданий и сооружений.

В нашей стране здания и сооружения из монолитного бетона возводят круглогодично, наиболее ответственным периодом монолитного строительства является бетонирование в зимний период, в связи с этим актуальными являются мероприятия по созданию надлежащих условий твердения бетона и достижения им необходимых проектных характеристик. Выбор метода зимнего бетонирования зависит от размеров и назначения конструкции (с учетом возможности изготовления их на заводах и полигонах), от ожидаемых наружных температур, применяемых цементов, наличия на строительстве источников тепла, химических добавок, теплоодежд и др.

При выборе того или иного метода производства работ должны быть учтены их сравнительная экономичность и простота выполнения, а также возможность удовлетворения требований суточного графика работ.

За последнее время технологии возведения монолитных зданий претерпели существенные изменения. Активно применяются средства механизации процессов транспортировки и укладки бетонной смеси (бетононасосы и автобетоносмесители), современные опалубочные системы. Получили широкое распространение высокоподвижные бетонные смеси, модифицированные различными добавками, в том числе самоуплотняющиеся. Появились средства оперативного температурного и прочностного контроля выдерживания бетона монолитных конструкций.

Но зачастую отмеченные изменения в технологии зимнего бетонирования не имеют должного научного обоснования, явно недостаточно исследований, которые позволили бы разрабатывать современные интенсивные и эффективные технологии возведения монолитных зданий в зимних условиях.

Методы зимнего бетонирования появились в связи с необходимостью обеспечения твердения обычных цементных бетонов в условиях отрицательных температур наружного воздуха, при которых без специальных мероприятий замедляется или полностью прекращается процесс твердения бетона

В отечественной практике широко применяются технологии, обеспечивающие защиту бетона от негативного воздействия окружающей среды за счёт ускоренного формирования его структуры, приоритет в разработке которых принадлежит отечественным учёным: А.С. Арбеньеву, А.И. Гныре, С.Г. Головневу, Н.Н. Данилову, И.А. Киреенко, Б.М. Красновскому, Б.А. Крылову, С.А. Миронову, Б.Г. Скрамтаеву, И.Г. Совалову и многим другим.

Направления научных исследований в области совершенствования технологических процессов возведения монолитных зданий, в том числе в экстремальных условиях, определили труды отечественных учёных: А.А. Афанасьева, Г.М. Бадьина, Ю.М. Баженова, В.В. Верстова, С.С. Каприелова, Л.М. Колчеданцева, Г.В. Несветаева, Ю.В. Пухаренко, С.В. Федосова, А.Ф. Юдиной и других. Вопросы получения и практического применения самоуплотняющихся бетонов рассмотрены в работах H. Okamura, M. Ouchi, V. Mechtcherine, О.Н. Болотского, Г.В. Несветаева и других.

Цель исследования ? разработка технологий зимнего бетонирования монолитных зданий, обеспечивающих сокращение сроков строительства.

В ходе исследования рассматривались следующие задачи:

- анализ существующих технологий зимнего бетонирования, включая контроль и оценку качества бетона;

- рассмотреть способы контроля и качества бетонируемых конструкций;

- анализ методик и технологий прогрева бетона;

- исследование эффективности и надежности процессов управления тепловой обработкой и выдерживанием монолитных конструкций.

Объект исследования - технологические процессы зимнего бетонирования монолитных зданий.

Предмет исследования - параметры технологических процессов зимнего бетонирования, моделирование технологий зимнего бетонирования монолитных конструкций.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Сформулированы комплексные принципы технологических процессов зимнего бетонирования монолитных конструкций, обеспечивающих сокращение сроков строительства и повышение их качества и безопасности.

2. Установлены зависимости максимально допустимых параметров зимнего бетонирования от прочности бетона на сжатие в процессе его выдерживания.

3. Выявлено влияние модифицирующих добавок, обеспечивающих самоуплотнение бетонной смеси, на физико-механические и технологические свойства самоуплотняющихся бетонов.

Методологической основой исследования послужили результаты анализа существующих технологий и практического опыта зимнего бетонирования монолитных зданий; натурные, расчётные и экспериментальные исследования параметров технологических процессов; современная законодательная и нормативная правовая база в строительстве.

Структура и работы. Работа состоит из введения, трёх глав, литературы, приложений.



1. Описание способов контроля и качества бетонируемой конструкции

1.1 Методы неразрушающего контроля (преимущества и недостатки)

Строительство развивается быстрыми темпами, и с каждым днем требования к срокам и качеству выполнения заказов становятся выше. Современные строительные объекты -- это сложные инженерно-технические сооружения, которые различаются по назначению, материалам, высотности, нормативным срокам службы, назначению и особенностями эксплуатации. Часто возникает потребность в реконструкции старых зданий и сооружений. Все это требует развития технологий, методов и специального оборудования для обследования зданий и сооружений, контроля их качества не только на производстве, но и на самом строительном объекте. Применение приборов контроля позволяет решать проблемы несоблюдения подрядчиками предписаний проекта и последствия неправильного монтажа, что в свою очередь не только может привести к экономическому ущербу, но и нанести урон здоровью и жизням людей. На сегодня существует несколько видов контроля качества строительных конструкций. Одним из основных является неразрушающий контроль (НК), который позволяет проводить измерение физических параметров объектов без их разрушения. Различные методы неразрушающего контроля позволяют определить с большой вероятностью физические и механические свойства строительной конструкции [1].

Выбор оптимального метода НК следует осуществлять исходя из его особенностей объекта, чувствительности, разрешающей способности. К основным методам НК согласно ГОСТ [4- 8] относятся: вихретоковый, магнитный, электрический, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический (ультразвуковой), проникающими веществами (капиллярный). Рассмотрим эти методы для решения задачи определения толщины защитного слоя бетона и расположения стальной арматуры в железобетонной конструкции. Для данного класса задач применяют вихревые, магнитные, электромагнитные, акустические и радиоволновые приборы. Виды и методы неразрушающего контроля, используемые в данных приборах, классифицируются по признакам в соответствии с государственным стандартом [10]. Рассмотрим данные методы более подробно.

Вихретоковый вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя (ВТП) с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте (ОК). Вихревые токи возбуждаются в ОК преобразователем, в качестве которого используется индуктивная катушка, питаемая переменным синусоидальным или импульсным током. При переменном возбуждении индуцируемый ток в ОК представляет собой вектор в комплексной плоскости. Взаимодействие индуктивной катушки с объектом контроля определяется системой уравнений Максвелла [14], описывающей электромагнитное поле в заданном пространстве.

По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные, экранные [ 42] (рис. 1.1).

Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС и/или изменяя их полное электрическое сопротивление (рис. 1.2). На основании анализа результатов измерений, полученных с помощью первичных преобразователей (рис. 1.1), реализующих вихретоковый метод, могут быть рассчитаны параметры несплошностей материалов (дефектоскопия и дефектометрия), геометрические параметры ОК и др. Однако при контроле одного параметра другие могут оказывать негативное влияние. Но стоит отметить, что данная особенность метода делает его более универсальным относительно других методов НК, ведь можно контролировать раздельно несколько параметров объекта либо один параметр с подавлением влияния нескольких мешающих факторов. Это достигается одновременным либо последовательным контролем при нескольких частотах тока возбуждения ВТП, либо использованием нескольких гармонических составляющих сигнала ВТП (при контроле ферромагнитных объектов).

Рисунок 1.1 Некоторые типы вихретоковых преобразователей: а, б -- проходные наружный и внутренний, в -- накладной, г -- экранный (1 -- контролируемый объект, 2 -- преобразователи)

Также используют раздельное или совместное измерение фазы, частоты и амплитуды напряжения измерительного преобразователя, дополнительное подмагничивание ферромагнитных ОК постоянным магнитным полем, применяют спектральный анализ.

Основными достоинствами данного метода являются: возможность осуществления бесконтактного и многопараметрового контроля ОК, простота конструкции ВТП, возможность контроля при движении ОК относительно ВТП с большой скоростью (до 60 м/с), возможность автоматизации контроля. При этом на сигналы вихретокового датчика оказывают несущественное влияние давление, влажность и загрязненность среды, радиационные излучения, загрязнения поверхности ОК непроводящими веществами, в результате отмечается невысокая погрешность измерений.

Рисунок 1.2 Схема принципа действия прибора с накладным ВТП

Кроме того, известно, что до настоящего времени не все функциональные возможности данного метода были использованы. Дальнейшее совершенствование этого метода позволит избежать ряда недостатков и открыть новые направления использования вихретокового метода. К недостаткам данного метода следует отнести ограничения по глубине расположения ОК, возможность контроля только материалов из электропроводящих материалов.

Магнитные методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимодействия контролируемого объекта с магнитным полем и применяются, как правило, для контроля объектов из ферромагнитных материалов. В зависимости от магнитных свойств материала (коэрцитивной силы, магнитной проницаемости, остаточной индукции [41]), формы и размеров контролируемого изделия применяют два способа намагничивания: приложенного магнитного поля и остаточной намагниченности.

При намагничивании короткой детали изделия на ее торцах создаются магнитные полюсы. Если в сечении детали имеются нарушение сплошности или другая неоднородность, приводящая к изменению намагниченности, то в этом месте также образуются полюсы, поле которых образует магнитное поле рассеяния дефекта. Магнитное поле расссеяния дефекта тем больше, чем больше дефект и чем ближе он к поверхности, над которой проводится измерение. Установить точную связь магнитного поля рассеяния дефекта с геометрическими параметрами дефектов и магнитными характеристиками изделий в аналитическом виде не представляется возможным.

К основным видам магнитного неразрушающего контроля относят магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный [10] и магнитографический. Информацию о магнитной проницаемости и ее изменении в зависимости от напряженности магнитного поля получают с помощью катушки индуктивности (индуктивный метод). Для индицирования полей рассеяния на дефектах и измерения магнитных характеристик материалов используют датчики типа феррозондов (феррозондовый метод), преобразователи Холла, магниторезисторы.

К достоинствам данного метода следует отнести сравнительно высокую чувствительность и простоту реализации. Общим недостатком для данных методов контроля является относительно невысокий диапазон контроля параметров объекта (например, определение диаметра ОК), как правило, на расстояние от ОК до 20 мм. Если не требуется определение конкретных параметров ОК, то глубина обнаружения арматуры может составлять 180 мм, после которой сигнал затухает. Кроме того, магнитный метод контроля применим только к ферромагнитным материалам.

Акустические методы неразрушающего контроля основаны на регистрации и анализе параметров упругих волн. Гармонические колебания, распространяясь в среде, создают гармоническую упругую волну, возникающую или возбуждаемую в объекте контроля. В отличие от ранее рассмотренных методов здесь применяют и регистрируют не электромагнитные, а упругие волны, параметры которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия. С помощью акустических методов неразрушающего контроля возможно выявить наличие малейших дефектов, определить качество шлифовки и толщину поверхности за счет того, что акустические свойства твердых объектов и воздуха значительно разнятся. Этот вид контроля применим ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам, пластмассам, керамике, бетону и т.д. Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц), этот метод называют ультразвуковым. По характеру взаимодействия с ОК различают пассивный и активный методы. Пассивный акустический метод предусматривает регистрацию упругих волн, возникающих в самом объекте. Шумы работающего механизма позволяют судить об исправности механизма и даже о характере неисправности. Этот пассивный метод акустического контроля называют шумовибрационным. Многие машины снабжают датчиками, регистрирующими уровень вибрации определенных узлов и прогнозирующими их работоспособность. Это вибрационный метод контроля и диагностики. Активный акустичный метод, кроме приема колебаний и волн, использует также их излучение. Активные ультразвуковые методы применяются более широко. Для контроля используют стоячие волны (вынужденные или свободные колебания ОК или его частей), бегущие волны по схемам прохождения и отражения. Методы колебаний используют для измерения толщин при одностороннем доступе и контроля свойств материалов (модуля упругости, коэффициента затухания). Информативным параметром служат частоты свободных или вынужденных колебаний и их амплитуды.

Наиболее широкое распространение получил метод отражения, или эхометод. Средством возбуждения и приема ультразвуковых волн, как правило, служат пьезопреобразователи. Учитывая сильное отражение ультразвука от тончайших воздушных зазоров, для передачи волн от пьезопреобразователя к изделию используют жидкостный контакт. Для возбуждения волн звукового диапазона, кроме пьезопреобразователей, применяют ударное воздействие, а для приема -- микрофоны [34].

Акустические методы контроля в строительной области используют в большинстве случаев для контроля сварных соединений арматуры (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 Наклонные искатели (И - излучатель, П - приемник) - 1; сварное соединение - 2; дефект - 3; вывод к генерирующему разъему дефектоскопа - И; вывод к входному разъему - П

Недостатком данного метода является низкая точность при испытании объектов, расположенных на поверхности схожих с ними по акустическим свойствам основах, что делает его малоприменимым при контроле фундаментных железобетонных оснований.

Радиоволновые методы основаны на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с ОК. Радиоволновые методы и средства НК используют самостоятельно и в комплексе с другими методами. Преимущественная область применения - контроль неметаллических, а также полупроводниковых материалов, изделий и конструкций. При этом решаются задачи по толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии, влагометрии и скоростеметрии. Чувствительность методов зависит от поглощающих свойств материалов, а разрешающая способность -- от используемого диапазона частот и некоторых геометрических параметров антенн сверхвысоких частот, СВЧ-преобразователей. Преимущество метода - его бесконтактность с ОК при значительно большем диапазоне глубины залегания ОК по сравнению с другими методами НК. Область применения методов и техники СВЧ -- это контроль изделий и конструкций из диэлектрических, композиционных, ферритовых и полупроводниковых материалов, в которых радиоволны распространяются [27]. От металлических структур радиоволны полностью отражаются, поэтому их применение возможно только для контроля геометрических параметров в определенной проекции координат и поверхностных дефектов, а для толщинометрии металлических стержней, листов проката требуется двухстороннее расположение датчиков аппаратуры по отношению к объекту контроля. Из этого следует, что данный метод контроля в поставленной задаче возможно использовать в основном для определения непосредственного расположения стержней арматуры в железобетонных конструкциях.

Методы неразрушающего контроля необходимо сопоставлять между собой с учетом следующих обстоятельств. Во-первых, описанные выше методы НК применимы для контроля в основном только определенных типов материалов: вихретоковый - для проводников электрического тока; магнитный - для ферромагнетиков; акустический - для материалов, обладающих небольшим затуханием звуковых волн соответствующей частоты; радиоволновой - для неметаллических, в которых радиоволны распространяются [25].

Во-вторых, следует иметь в виду различия в модификации методов в зависимости от их предназначения: измерение геометрических размеров, поиск объемных или поверхностных дефектов и т.д. Поэтому решение об использовании того или иного метода НК необходимо принимать с учетом всех факторов, действующих при исследовании ОК.

Исходя из приведенного анализа перечисленных средств диагностики и контроля, преимуществ и недостатков каждого из них, а также поставленной задачи наиболее универсальным для контроля качества железобетонных конструкций строительных объектов, определения диаметра стержней арматуры является вихретоковый неразрушающий контроль. Благодаря высокой информативности, а также таким достоинствам, как отсутствие необходимости непосредственного контакта с объектом, безвредность, надежность, высокая производительность и простота автоматизации, вихретоковое измерительное преобразование имеет широкие возможности применения. Кроме того, несмотря на многообразие видов ВТП и способов выделения информации, имеется множество уже поставленных, но еще не решенных задач. Представленные на рынке устройства, использующие вихретоковый метод неразрушающего контроля, в большинстве случаев не удовлетворяют конкретным требованиям заказчика, таким как определение диаметра арматуры в сечениях железобетонных конструкций, за счет невысокой точности измерения. Для решения данной задачи предлагается использовать оригинальный матричный измерительный преобразователь, представляющий собой совокупность катушек индуктивностей. Обработка результатов измерений представляет собой классическую обратную задачу. Для ее решения будет использован метод натурно-модельных испытаний, использующий результаты натурного испытания для подстройки геометрических параметров модели конструкции, что позволяет получить в ограниченное время прогноз о свойствах испытываемого объекта, существенно сокращая натурные испытания в целом [23].

1.2 Методы местных разрушений

Все вышеуказанные методы достаточно часто применяются при проведении диагностики технического состояния строительных конструкций, однако все они не дают объективной оценки прочности бетона всей конструкции в целом, а только лишь характеристику прочности поверхностного слоя бетона монолитной железобетонной конструкции.

Кроме того, методы неразрушающего контроля прочности бетона могут дать объективные и точные результаты с невысокой погрешностью лишь в том случае, если были использованы тарировочные кривые, для построения которых использовались образцы с одинаковыми показателями бетона исследуемой конструкции (состав, технология изготовления, характеристики использованного сырья, условия твердения и т.д.), что в практике диагностики зданий, построенных задолго до проведения обследования, не представляется возможным.

Более применимыми в этом плане являются методы локального разрушения, которые основаны на исследовании бетона на определенном участке конструкции. К таким методам относятся [13]:

- метод отрыва со скалыванием (определение усилия, необходимого для вырывания анкерного стержня от прочности бетона);

- метод скалывания ребра (определение усилия, необходимого для скалывания угла в конструкции на определенной длине);

- огнестрельный метод (определение объема разрушенного бетона при соударении о него пули при стрельбе из пистолета).

Одним из самых объективных из перечисленных методов является метод отрыва со скалыванием, который является единственным методом контроля прочности (из методов локального разрушения), для которого в стандартах прописаны градуировочные зависимости.

Метод отрыва со скалыванием характеризуется наибольшей точностью, к тому же не требует обязательного наличия ровной поверхности бетона испытуемой строительной конструкции. Согласно ГОСТ 22690-88 прочность бетона определяют по предварительно установленным градировочным зависимостям между прочностью бетонных образцов по ГОСТ 10180 и косвенным характеристикам прочности.

Для метода отрыва со скалыванием согласно ГОСТ 22690 такой косвенной характеристикой является значение усилия местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства. Метод отрыва со скалыванием основан на использовании зависимости величины усилия, необходимого для выдергивания из бетона анкерного стержня, от прочности этого бетона:

, (1.1)

где Р - усилие, при котором вырывается анкерный стержень, кН или кгс;

f - аналитическая зависимость усилия от прочности бетона.

Кроме того, в настоящее время существуют электронные приборы для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием, которые позволяют определять не только косвенную характеристику, но и непосредственно прочность бетона.

Внешний вид прибора «ОНИКС-ОС» для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием приведен на рис. 1.4

Электронный блок прибора автоматически отслеживает процесс нагружения и запоминает экстремальные точки этого процесса. Преобразование усилия вырыва в прочность производится по заложенным внутри электронного блока прибора градировочным кривым в зависимости от вида материала, условий его твердения, крупности заполнителя и ожидаемого класса прочности. Все это значительно сокращает время проведения исследования и упрощает процесс диагностики железобетонных конструкций. При этом, при оформлении результатов отпадает необходимость указания косвенной характеристики прочности и поправочных коэффициентов.

Рисунок 1.4 Внешний вид прибора «ОНИКС-ОС»

В протоколе испытаний указываются показания прибора при измерении прочности бетона в МПа, а также среднее значении прочности бетона на участке в МПа, что позволяет объективно оценить результаты диагностики без специальной подготовки.



1.3 Методы ударного воздействия

Недостатком всех неразрушающих методов контроля прочности бетона, рассмотренных выше, является трудоемкость подготовки к испытаниям, связанная с необходимостью корректировки базовой градуировочной зависимости для каждого конкретного случая. Получение универсальной градуировочной зависимости или методики контроля с помощью известных методов и приборов, например, методов упругого отскока или ударного импульса, затруднительно. Используемые косвенные характеристики прочности подвержены влиянию многих факторов, не всегда имеющих однозначную связь с измеряемыми свойствами материала. Как следствие, одно и то же значение регистрируемого параметра может соответствовать различной прочности объекта, что приводит к снижению достоверности контроля [12].

В этой связи была поставлена задача провести исследования по выбору параметров ударного воздействия и физико- механических характеристик бетона, наиболее чувствительных к изменению прочности бетона во всем ее диапазоне, и получить градуировочные зависимости между выбранными параметрами и прочностью. Анализ таких зависимостей позволит рассмотреть возможность построения универсальной методики контроля, которая позволила бы отказаться от необходимости получения индивидуальных зависимостей.

Наиболее совершенной разновидностью склерометрических методов является метод динамического индентирования с непрерывной регистрацией процесса удара [34]. Он заключается в нанесении локального удара жестким индентором по испытуемому материалу и регистрации всей кривой текущей скорости перемещения индентора, которая и представляет собой исходную информацию о материале. Скорость индентора в каждый момент времени фиксируется с помощью магнитоиндукционного датчика.

Обработка полученного массива скорости индентора позволяет получить ряд параметров, характеризующих физико-механические свойства и состояние контролируемого материала. Основными параметрами индентирования являются: максимальное контактное усилие Р_max, максимальная глубина внедрения индентора б_max, длительность активного этапа удара t_a, коэффициент восстановления скорости е (отношение скорости отскока индентора к скорости его падения). На основании параметров Р_max и б_max с учетом диаметра сферического наконечника индентора D рассчитывается динамическая твердость HD - важная характеристика свойств материала:

(1.2)

Таким образом, метод ударного воздействия характеризуется более высокой информативностью измерений по сравнению с методами упругого отскока и ударного импульса. Перечисленные параметры могут использоваться как в качестве косвенных характеристик прочности бетона, так и для оценки его физико-механических свойств (например, модуля упругости [22]) согласно принятым моделям деформирования. Применительно к испытаниям строительных материалов метод динамического индентирования с непрерывной регистрацией процесса удара реализован в портативном измерителе прочности ИПМ-1 (рис. 1.5) [25].

По сравнению с известными приборами, реализующими метод ударного импульса, измеритель прочности ИПМ-1 имеет значительно более высокую энергию удара (1,4 Дж) и диаметр сферического наконечника индентора (32 мм). Это позволяет уменьшить неопределенность измерения, вызванную структурной неоднородностью бетона, а также влиянием поверхностного слоя.

Рисунок 1.5 Измеритель магнитных полей ИМП-1

1.4 Современные методы (ультразвуковой, метод измерительных приборов)

В настоящее время значительно вырос уровень производства приборов неразрушающего контроля, что объяснятся широкой областью их применения: контроль прочности бетона и качества бетонирования, дефектоскопия, оценка глубины трещинообразования и т. д. [20].

В связи с принятием в 2012 г. новой редакции ГОСТ 17624-2012 «Бетоны. Ультра- звуковой метод определения прочности», вступившей в силу с 1 января 2014 г. взамен давно утратившей свою актуальность редакции 1987 г., изменились требования к приборам и методам контроля прочности бетона ультразвуковым методом [24].

Обновленная версия стандарта разработана в соответствии с требованиями международных нормативных документов в области измерений, испытаний и контроля и с учетом современного уровня развития науки и техники.

Главные положительные отличия новой редакции ГОСТ 17624-2012:

- впервые определена допустимая прочность бетона классов В60 (т. е. прочностью до 75 МПа);

- впервые разрешено определять прочность бетона в монолитных конструкциях поверхностным способом прозвучивания;

- установлен способ построения градуировочных зависимостей не только по контрольным образцам, но и по результатам испытания методом отрыва со скалыванием;

- четко разграничены оценки класса бетона по результатам испытаний ультразвуковым методом по ГОСТ 18105-2010 (приложение В ) [23 ].

Хотя документ хорошо проработан, следует отметить и его недостатки. Согласно п. 5.4 ГОСТ 17624-2012, база прозвучивания прибора неразрушающего контроля должна быть не менее 120 мм и не более 200 мм, однако давно выпускаются и успешно работают приборы с базой прозвучивания 100 мм. Возникает вопрос о возможности использования таких приборов, как, например, «Бетон-22» и «Бетон-32» (рис. 1.6 ).

Рисунок 1.6 Бетон-32 с базой прозвучивания 100 мм

Однако в ряде исследований установлено, что погрешность результатов измерения ультразвуковым методом непосредственно зависит от базы прозвучивания (рис. 1.7) [29].

Рисунок 1.7 Зависимость коэффициента вариации многократных измерений времени прохождения ультразвука от базы прозвучивания

На основе приведенного графика можно сделать вывод, что установленная ГОСТом база прозвучивания 20 см имеет больший коэффициент вариации, чем запрещенная - 10 см, что свидетельствует о неоднозначности установленных требований к приборам неразрушающего контроля.

1.5 Метод по температурным показателям при прогреве бетона

Основные части любого бетона- это щебень, песок, цемент и вода. Процесс бетонирования - процесс перехода бетона из жидкой фазы в твердую. Но для успешного перехода необходимы определенные условия. При нормальных условиях (температура +15^оС во влажной среде) гидратация зерен цемента начинается с их поверхности, образуя при этом цементный клей в виде водного гидросиликата кальция. Затем реакция переходит на более глубоко расположенные слои зерен цемента вследствие отсасывания ими воды. Гель поверхностных слоев, постепенно обезвоживаясь, все плотнее и крепче стягивается, достигает полной водонепроницаемости и превращается в твердый гель - цементный камень. Таким образом, зерно цемента превращается как бы в орешек, имеющий затвердевшую оболочку и нетронутое ядрышко, которое не участвовало в реакции гидратации.

Процесс гидратации экзотермический. В 28-дневном возрасте при нормальной температуре гидратированная часть зерна цемента составляет 12% от всего объема. При повышении температуры большая часть цементного зерна гидратирует, увеличивается скорость гидратации. Заметно повышается прочность бетона, сокращается период времени, за который бетон дойдет до марки. (Марка бетона - это его средняя прочность на сжатие в кг/см², достигнутая за 28 суток при твердении в нормальных условиях). В результате реакции гидратации выделяется большое количество теплоты.

Если по какой либо причине произойдет повышение температуры выше допустимой (выше 80^оС), то свободная вода начнет интенсивно испаряться, оставляя поры и снижая плотность бетона. Если же во время этого процесса температура понизится ниже допустимой (ниже 5^оС), что возможно в условиях зимнего бетонирования, то несвязанная вода начнет замерзать, т.е. создавать свои структуры и своими связями разрушать связи зерен цемента. И в том, и в другом случае прочностные показатели резко снижаются.

Очевидна необходимость прогрева бетона в период низких температур, а т.к. с ростом температуры реакции растет ее скорость, прогрев бетона может применяться в любое время для скорейшего достижения бетоном марки. Чем быстрее твердеет бетон, тем скорее представляется возможность освободить опалубку, обогревательные приборы, утеплительные приспособления и материалы, а также сократить расход топлива или энергии, перебросить технический персонал и рабочих на другой участок и приступить к работам, ведение которых невозможно до распалубки.

Происходящее при твердении бетона выделение тепла при зимнем бетонировании в некоторых случаях имеет большое практическое значение. В условиях зимнего бетонирования весьма существенным является количество выделяемого тепла, продолжительность тепловыделения и влияние его на повышение температуры бетона (рис. 1.8)

Рисунок 1.8 Тепловидения портландцемента

Все это зависит от [25]:

а) химического состава, марки и тонкости помола цемента - чем выше активность цемента, тем больше тепловыделение при его твердении;

б) расхода цемента на 1 м³ бетона - так как тепло выделяется при гидратации цемента, то расход его на 1 м³ имеет существенное значение;

в) степени массивности (размера и формы) конструкции - у массивной конструкции потеря тепла через поверхности меньше, следовательно, выше подъем температуры, остывание продолжительнее; в конструкциях средней массивности выделение бетоном собственного тепла при твердении имеет большое практическое значение, т.к. вместе с другими мероприятиями часто позволяет выдерживать их зимой способом термоса без обогрева;

г) температуры бетонной массы (начальной) и окружающей среды;

д) водоцементного отношения. Чаще выделяемой теплоты недостаточно для повышения температуры бетона в зимний период - ее хватает только на замедление процесса остывания.

Но эту теплоту необходимо учитывать при обогреве бетона.

Для достижения бетоном проектной прочности необходимо 28 дней выдержки при нормальных условиях. Но выдерживать бетон столь долгий период в зимний период трудно. При замерзании бетона на ранних стадиях (в возрасте до 4 суток) его твердение прерывается, т.к. вся вода переходит в твердую фазу, а твердые тела в химическое соединение почти не вступают. К тому же, свободная вода, замерзнув, расширяется на 10% от первоначального объема, создавая пористую структуру, и образует наледь на зернах щебня или гравия, что препятствует дальнейшему повышению прочности после размораживания. Это является главной причиной понижения прочности бетона при его раннем замерзании.

В зависимости от водоцементного отношения, по достижению бетоном возраста 6-7 суток при нормальных условиях почти вся вода гидратирует, да и к тому же прочность бетона к этому моменту составляет 40% от R₂₈. После размораживания такого бетона его твердение возобновится и по достижению бетоном 28-дневного возраста (без учета времени заморозки) его прочность составит 95-100% (в зависимости от марки) от прочности такого же не подвергшегося замораживанию бетона ( рис.1.9)

При зимних работах следует предохранять бетон от замерзания на срок, обеспечивающий при данной температуре выдерживания бетона получение им прочности, позволяющей распалубить и загрузить конструкцию нагрузками, которые она должна воспринимать зимой, до возобновления нарастания в бетоне прочности.

Рисунок 1.9 Потеря прочности бетоном, в зависимости от его возраста в момент замораживания

Интенсивность процессов растворения и соединения веществ в воде при изменении температуры меняется. Уже говорилось о том, что при увеличении температуры скорость гидратации также увеличивается, при уменьшении температуры - замедляется. Продолжительность схватывания цементного теста в значительной мере зависит от температуры. Сроки наступления начала и конца схватывания цемента с повышением температуры ускоряются, а с понижением - замедляются ( рис. 1.10).

Рисунок 1.10 Влияние водоцементного фактора на сроки схватывания портландцемента 500 при температурах 0^о, +17^о, +50^о

Т.к. при повышении температуры увеличивается гидратируемая часть цементного зерна, то количество воды, необходимое для получения теста нормальной консистенции, возрастает с повышением его температуры. Нельзя допускать сильного испарения с поверхности бетона, что приведет к его пересушиванию, значительная часть останется невовлеченной в твердение. Наоборот, необходимо дополнительно увлажнять бетон, что позволит даже несколько приобрести в качестве.



2. Методика и технология производства экспериментов

2.1 Технологии прогрева бетона в зимних условиях и способы их контроля

Возведение монолитных зданий и сооружений является ответственным предприятием строительной отрасли. Данное направление непрерывно развивается и в настоящее время строительство монолитных домов поставлено на поток. Производство бетонных работ осуществляется круглогодично. Сезонность строительства давно ликвидирована, однако, зимнее бетонирование сталкивается с проблемами обеспечения необходимых температурных условий для нормального твердения бетона.

Современные технологии зимнего бетонирования предлагают несколько методов производства работ [27, c. 34]:

а) метод термоса;

б) метод конвективного обогрева с устройством замкнутых контуров (тепляков);

в) применение противоморозных добавок;

г) использование термоактивной опалубки;

д) паропрогрев;

е) электропрогрев электродами;

ж) электропрогрев с применением греющего провода;

з) комбинированный метод.

Для тонкостенных конструкций с большой площадью поверхности охлаждения рекомендуется использовать прогрев греющим проводом. Бетонируемые конструкции характеризуют модулем поверхности, который представляет собой отношение площади поверхности охлаждения к объему бетона. Для перекрытий и стен с модулем поверхности более 6 прогрев электрическим проводом является часто наиболее экономичным и технологически рациональным решением [15].

В то же время, данный метод сопровождается сложными электротехническими расчетами и требует правильной укладки провода в конструкцию. Технология производства работ должна быть выбрана с учетом снижения трудоемкости работ, минимизации затрат, соблюдения температурного режима твердения бетона. Реализация данного метода осложнена подбором оптимальных значений длины и диаметра греющего провода, учетом возможной неравномерности его электрического сопротивления, выбором питающего напряжения и имеет риск обрыва провода при монтаже и бетонировании. В этих условиях важную роль играет компьютерное моделирование процессов прогрева.

Метод электропрогрева основан на выделении тепла проводником с большим сопротивлением при прохождении через него электрического тока. В качестве нагревательного элемента используется провод ПНСВ. Данный провод состоит из стальной жилы в ПВХ оболочке. Стальные жилы изготавливаются с различными диаметрами, наиболее часто применяются в строительстве и присутствуют в продаже провода ПНСВ с диаметрами жил 1,2, 2,0, 3,0 мм. Чем больше диаметр, тем меньше удельное сопротивление проводника.

В технологии электропрогрева рекомендуется рассчитывать провод ПНСВ так, чтобы мощность тепловыделения была 30-35 Вт/м для армированных конструкций и 35-40 Вт/м для неармированного бетона. Мощность прогрева равна электрической мощности нагревательного элемента, так как вся электрическая энергия преобразуется в тепловую. Мощность прогрева рассчитывается по известной формуле:

, (2.1)

где P - мощность прогрева (Вт);

U - напряжение источника тока (В);

R - сопротивление нагревательного элемента (Ом).

Прогрев осуществляется с использованием трансформаторов или специальных станций прогрева бетона. Станции прогрева позволяют изменять выходное напряжение ступенями. При напряжении питания 220 В, на выходе можно получать напряжение в пределах 35-90 В. Понижение напряжения необходимо для обеспечения безопасности прогрева и уменьшения монтажной длины нагревательного элемента.

Расчет монтажной длины элемента согласно методике [15] выполняется по формуле:

(2.2)

где l - длина проводника (м);

S - площадь поперечного сечения жилы (мм² );

p - оптимальная погонная нагрузка (Вт/м);

с_t - удельное сопротивление жилы при рабочей температуре (Ом•мм² /м).

Следует отметить, что удельное сопротивление токопроводящей жилы изменяется при нагреве, соответственно, общее сопротивление жилы в процессе нагрева также изменяется. В расчете учитывается сопротивление провода при рабочей температуре прогрева и соответствующей ей погонной нагрузке на провод. Сопротивление жилы, приведенное к 1 погонному метру длины нагревателя при рабочей температуре, рассчитывается по формуле:

, (2.3)

Подставляя (3) в (2) получаем:

(2.4)

По опытным данным методики [15] можно принимать сопротивление жилы исходя из таблицы 1.

Таблица 2.1

Зависимость сопротивления стальной жилы различного сечения от погонной нагрузки из методических рекомендаций

Диаметр токонесущей стальной жилы, мм	Электрическое сопротивление токонесущей жилы Rt (Ом•м) при погонной нагрузке на провод (Вт/м)
	10	15	20	25	30	35	40	50
1,2	0,170	0,181	0,194	0,210	0,222	0,235	0,240	0,259
2,0	0,059	0,064	0,068	0,072	0,076	0,082	0,085	0,089
3,0	0,032	0,034	0,035	0,036	0,037	0,0375	0,038	0,039

Напряжение электрического тока в нагревательных элементах можно изменять путем переключения режимов прогрева на станциях прогрева бетона, а также изменением схем подключения проводов к ним. Существует 2 принципиальные схемы подключения: «треугольник» и «звезда».

В схеме подключения «треугольник» провода разделяются на 3 группы с одинаковым количеством проводов, провода в группе соединяются параллельно. Три набора проводов соединяют концами в 3 узла, а выводы от них подключают к выходным зажимам трансформаторной подстанции. Каждый провод в группе, называемый «ниткой», находится под линейным выходным напряжением станции прогрева.

В схеме подключения «звезда» провода объединяются в «тройки», состоящие из 3 нагревателей одинаковой длины. Одним концом провода закрепляются в узел, вторые концы нагревателей подключаются к выходным зажимам станции прогрева. Каждый провод «тройки» находится под фазным напряжением трансформатора, которое меньше линейного в 1,73 раза.

Более наглядно схемы подключения представлены на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 Схемы подключения нагревательных элементов к станции прогрева бетона: а - схема «звезда»; б - схема «треугольник»

Технология прогрева предусматривает использование провода ПНСВ, находящегося непосредственно внутри бетона. На воздухе провод ПНСВ перегорает, поэтому включение питания разрешается производить только после полной укладки бетонной смеси и отсутсвия контакта проводов с воздушной средой.

При монтаже провода ПНСВ нагревательные элементы оснащаются «холодными концами» из провода АПВ-4. Использование данного провода позволяет фиксировать наличие тока по небольшому нагреву «холодных концов». Их выводы соединяют с проводами СИП, которые служат магистралями от трансформаторов до нагревателей [28].

Шаг нагревателей выбирается согласно расчетам или с помощью компьютерного моделирования в среде ELCUT. Как правило, расстояние между проводами ПНСВ выбирается из интервала 100-300 мм в один или два ряда по высоте. Часто шаг укладки выбирается кратным шагу армирования для удобства монтажа провода.

С целью упрощения работ и снижения трудоемкости рекомендуется укладывать провод одновременно с выполнением армирования. При армировании в два слоя укладку провода в конструкцию выполнять до монтажа второго слоя арматурных сеток и стержней. При производстве последующих арматурных работ избегать повреждения провода, не производить резку и сварку арматуры над проводом из-за риска повреждения изоляции и целостности нагревателей.

Схемы укладки проводов и длины отрезков принимать для каждой конструкции индивидуально.

Схемы укладки провода в плите перекрытия показаны в приложении А и Б.

По данным табл. 1 составим таблицу длин нагревательных элементов для различных диаметров стальной жилы в зависимости от выходного напряжения тока трансформатора, схемы подключения и погонной нагрузки на провод 35 Вт/м.

Таблица 2.2

Расчет оптимальной длины нагревателя

Расчет длины нагревателя из провода ПНСВ в зависимости от диаметра жилы, напряжения выходного тока трансформатора и схемы подключения
Диаметр токопроводящей жилы, мм	Rt, Ом•м, при P=35 Вт/м	Напряжение тока прогрева бетона, В
		Схема подключения "треугольник"	Схема подключения "звезда"
		60	80	85	95	34,7	46,2	49,1	54,9
		Оптимальная длина нагревателя из ПНСВ, м
1,2	0,235	20,92	27,89	29,64	33,12	12,09	16,12	17,13	19,15
2,0	0,0820	35,42	47,22	50,17	56,08	20,47	27,30	29,00	32,41
3,0	0,0375	52,37	69,83	74,19	82,92	30,27	40,36	42,89	47,93

Анализируя табл. 2.2 можно сделать следующие выводы:

1. Оптимальная длина нагревателя варьируется от 12 до 83 м, что дает широкий выбор схем подключения и оптимизации укладки провода в бетонируемую конструкцию.

2. Чем тоньше сечение провода, тем короче должна быть длина нагревателя для соблюдения требования по погонной нагрузке на провод. Выбор провода ПНСВ диаметром 1,2 мм должен быть обусловлен не только дешевизной товара (чем тоньше провод, тем дешевле), но и размерами конструкции.

3. ПНСВ ?1,2 мм оптимален для прогрева стен, так как монтажная длина провода ограничивается только высотой стены. Провод укладывается вдоль вертикальных стержней армирования стен несколькими петлями. Данный провод можно также использовать при прогреве сравнительно небольших по длине конструкций (16,5 м при подключении схемой «треугольник» и 19 м при подключении схемой «звезда»).

4. Провод ПНСВ диаметром 3 мм имеет наибольшую монтажную длину в связи с меньшим удельным сопротивлением провода. Данный тип провода можно порекомендовать в качестве нагревателя при большой площади обогреваемой конструкции. При крупных блоках бетонирования использование данного провода зачастую является единственным возможным решением, так как он позволяет перекрывать большие площади прогрева с одной точки подключения (41 м при подключении треугольником и 47 м при подключении звездой).

5. В случае малогабаритных конструкций или небольших участков бетонируемых стен, перекрытий, колонн, балок, площадок большая монтажная длина провода ПНСВ ?3,0 мм при той же мощности обуславливает увеличение числа петель и, соответственно, более равномерный обогрев бетона, однако, повышает трудоемкость укладки провода. Использование длинных нагревателей снижает количество выводов и монтажных кабелей, прокладываемых от нагревательных элементов до трансформаторных подстанций, и дает определенную экономию. При повреждении провода значительная площадь бетонируемой конструкции лишается прогрева, что может вызывать неравномерные деформации и/или промерзание бетона.

6. Провод ПНСВ ?2,0 мм является промежуточным вариантом, сочетающим преимущества и недостатки проводов диаметром 1,2 и 3,0 мм.

7. Схема подключения «звезда» позволяет сократить в 1,73 раза длину проводника. Данную схему рекомендуется применять только при прогреве перекрытий в связи с особенностями подключения. В случаях, когда длина прогреваемой конструкции равна длине нагревателя не требуется устройства петель. Отсутствие петель снижает трудоемкость, однако использование коротких нагревателей увеличивает количество выводов и подключений концов к зажимам трансформаторной подстанции. При возможном случайном обрыве или перегорании провода из электрической схемы выпадает одна нитка нагревателя в то время, как остальные продолжают работать. Участок конструкции в зоне обрыва перестает получать тепло от оборванного провода, но теплота от соседних нагревателей предотвратит промерзание конструкции.

8. Выбор питающего напряжения зависит от длины проводника и типа станции прогрева. Чем больше длина, тем выше при данной мощности должно быть напряжение. Однако повышение температуры бетона и, соответственно, напряжения должно происходить постепенно (обычно ступенчато), например, последовательно используя ступени - 35, 45 и 60 В, что обеспечит плавный выход на расчетную мощность, которая будет обеспечиваться при 60 В в течение необходимого времени. Приведенные в табл. 2.2 значения длин проводов рассчитаны на рабочее напряжение 60 В.

9. Суммарная мощность прогрева бетона нагревателями ПНСВ в кВт определяет выбор оборудования (станции прогрева бетона, трансформаторы).

В случае отключения нагревательного элемента вследствие повреждения или обрыва провода некоторая площадь бетонной конструкции остается без внешнего источника тепла. Неравномерный прогрев опасен промерзанием частей конструкции, появлением трещин от перепадов температуры, недобором прочности бетона в связи с нарушением температурного режима твердения.

Ниже рассматривается случай обрыва нагревателей на участке бетонируемого перекрытия. Моделируется аварийная ситуация, при которой участок перекрытия в виде полосы шириной 1,5 метра не прогревается из-за повреждения проводов ПНСВ. В качестве среды моделирования выбран программный комплекс ELCUT. Распределение температурного поля в теле бетонируемой конструкции моделируется в данной программе по методикам и разработкам Л. В. Зиневич [25 ].

В качестве исходных данных принимаем следующие. Производится бетонирование монолитного перекрытия т олщиной 200 мм при температуре окружающей среды -20⁰С. Применяется бетон класса В20. Прогрев осуществляется проводом ПНСВ с мощностью 35 Вт/м. Обрыв провода в модели выполнен на участке шириной в 1,5 метра.