книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

3. Циклическое воздействие негативных факторов климатической среды приводит к развитию микродефектов, приобретенных бетоном

впроцессе изготовления, и появлению новых.

4.При сезонном изменении климатических условий негативные последствия воздействия сухого периода на бетоны устраняются частично. В бетонах происходит накопление дефектов.

5.Уровень информативности характеристик свойств бетонов, испытывающих воздействие климатической среды, различен. В наружных слоях бетонов, испытывающих воздействие природных условий климата, после 1 месяца процесс гидратации приостанавливается. Под воздействием климата меняется количественный, а не качественный состав новообразований.

132

Глава 4

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОНА

4.1. Предпосылки теории оценки и прогнозирования состояния цементных бетонов

4.1.1.Основные понятия и терминология

Врамках данной работы использованы некоторые термины и определения, рекомендованные к применению ГОСТы, в первую очередь ГОСТ 27.002–89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» и др.

Прогностика – это научная дисциплина, изучающая общие принципы и методы прогнозирования развития объектов любой природы, закономерности процесса разработки прогнозов.

Прогноз (предсказание; предположение; прогностическая модель) –

это научно обоснованное суждение о возможных состояниях объекта в будущем и (или) об альтернативных путях и сроках наступления этих состояний. Примечание: когда этот объект рассматривается одновременно с «прогнозным фоном», то в этом случае его называют «объектом прогнозирования» и говорят о «прогнозах объекта прогнозирования» и «прогнозах прогнозного фона» этого объекта.

Прогнозный фон – совокупность внешних по отношению к объекту прогнозирования условий, существенных для решения задачи прогноза. Примечание: изменение состояния бетона в конструкции или сооружении происходит в результате внешних воздействий на фоне внутренних процессов, происходящих в бетоне.

Прогнозирование – процесс разработки прогнозов.

Прием прогнозирования – процесс разработки прогнозов. Одна или несколько математических, или логических операций, направленных на получение конкретного результата в процессе разработки прогноза.

Включает в себя изменение свойств бетона в конструкции или сооружении во времени на прогнозном фоне.

Метод прогнозирования – способ исследования объекта прогнозирования, направленный на разработку прогнозов. Примечание: методы прогнозирования являются основанием для методик прогнозирования.

133

Методика прогнозирования – совокупность специальных правил и приемов (одного или нескольких методов) разработки конкретных прогнозов.

Прогнозирующая система – система методов прогнозирования и средств их реализации, функционирующая в соответствии с основными принципами прогнозирования.

Поисковый прогноз (исследовательский прогноз) – прогноз, содержанием которого является определение возможных состояний объекта прогнозирования в будущем.

Нормативный прогноз (программный прогноз) – прогноз, содержанием которого является определение путей и сроков достижения возможных состояний объекта прогнозирования в будущем, принимаемых в качестве цели.

Принцип системности прогнозирования – принцип прогнозирования,

требующий взаимоувязанности и соподчинённости прогнозов объекта прогнозирования и прогнозного фона и их элементов.

Принцип непрерывности прогнозирования – принцип прогнозирова-

ния, требующий корректировки прогнозов по мере поступления новых данных об объекте прогнозирования.

Принцип верифицируемости прогнозирования – принцип прогнозиро-

вания, требующий определения достоверности, точности и обоснованности прогнозов.

Прогнозная ретроспекция – этап прогнозирования, на котором исследуется история развития объекта прогнозирования и прогнозного фона с целью получения их систематизированного описания.

Прогнозный диагноз – этап прогнозирования, на котором исследуется систематизированное описание объекта прогнозирования и прогнозного фона с целью выявления тенденции их развития и выбора (разработки) моделей и методов прогнозирования.

Прогнозная модель – модель объекта прогнозирования, исследование которой позволяет получить информацию о возможных состояниях объекта в будущем и (или) путях и сроках их осуществления.

Прогнозный эксперимент – исследование на прогнозных моделях путем варьирования характеристик объекта прогнозирования, входящих в модель, с целью выявления возможных допустимых и (или) недопустимых прогнозных вариантов и альтернатив развития объекта прогнозирования.

134

Верификация прогноза – оценка достоверности и точности или обоснованности прогноза

Корректировка прогноза – уточнения прогноза на основании результатов его верификации и (или) на основании дополнительных материалов и исследований.

Ошибка прогноза – апостериорная величина отклонения прогноза от действительного состояния объекта. Примечание: ошибка прогноза не определяет однозначно качество прогноза, так как она в значительной мере зависит от принимаемых на основании прогноза решений и их реализации.

Источник ошибки прогноза – фактор, могущий привести к появлению ошибки прогноза. Примечание: различают источники регулярных и нерегулярных ошибок. К первым, например, относятся неадекватный метод прогнозирования, недостоверные и недостаточные исходные данные, ко вторым – непредсказуемые явления и события типа скачков, прорывов, нарушающие спрогнозированные тенденции развития объекта.

Характеристика объекта прогнозирования – качественное или коли-

чественное отражение какого-либо свойства объекта прогнозирования.

Мерность объекта прогнозирования – число значащих переменных объекта прогнозирования в его описании.

Прогнозная тенденция – обобщенная качественная характеристика направления развития объекта прогнозирования

Информативность переменной объекта прогнозирования – количе-

ство информации об объекте прогнозирования, содержащейся в значениях переменной в соответствии с целью прогноза и методами прогнозирования. Примечание: под количеством информации понимается мера уменьшения неопределенности ситуации вследствие того, что становятся известными исходы другой ситуации.

Прогнозная экстраполяция – метод прогнозирования, основанный на математической экстраполяции, при котором выбор аппроксимирующей функции осуществляется с учетом условий и ограничений развития объекта прогнозирования. Примечание: в зависимости от вида анализа исходных данных и способов представления его результата различают следующие виды прогностической экстраполяции: экстраполяция тренда, экстраполяция огибающих кривых, экстраполяция корреляционных и регрессивных зависимостей, экстраполяция, основанная на факторном анализе, и др.

135

Инверсная верификация – верификация прогноза путем проверки адекватности прогностической модели на ретроспективном периоде.

Под долговечностью в настоящее время принято понимать свойство объекта сохранять свою работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и регламентов. В качестве такого объекта в данной работе рассматривается цементный бетон, как конструкционный материал.

За предельное состояние объекта принимается состояние, при котором дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по причинам безопасности, снижения эффективности эксплуатации, необходимости проведения капитального ремонта.

Предельное состояние сооружений, конструкций и изделий определяется опасностью разрушения, неэффективностью их дальнейшей эксплуатации из-за старения и частых отказов или увеличения затрат на ремонт. В некоторых случаях критерием предельного состояния сооружений, конструкций и изделий может быть нарушение требований безопасности, например на автомобильной дороге. Предельное состояние в результате морального устаревания обычно учитывается, но в рамках данной работы не рассматривается.

В рамках данной работы в качестве показателя долговечности приня-

то календарное время службы до достижения предельного состояния.

В качестве срока службы может быть принято время до первого капитального ремонта, между капитальными ремонтами, до выбраковки конструкции или сооружения. Отметим, что капитальный ремонт может быть плановым (с установленными сроками) или по состоянию.

Теория прогнозирования, или прогностика, строится на математических моделях процессов, выход которых за установленные пределы рассматривается как достижение предельного состояния или постепенный отказ. Модели могут быть детерминированными или вероятностными. Методам прогнозирования при вероятностных моделях применительно к различным разделам науки и областям практической деятельности посвящена обширная литература. Во всех случаях прогнозирование предпочтительно осуществляется по результатам измерения параметров, поэтому в этом разделе основное внимание уделяется обсуждению характеристик бетона и методов их экспериментального определения.

136

4.1.2. Общее представление об объекте прогнозирования

Как известно, дополнительные неточности в результаты прогноза, помимо основных, доминирующих, могут вносить самые на первый взгляд незаметные факторы воздействия на бетон, которые появляются в начальный период вплоть до фактического и окончательного выхода на предельное состояние. При этом факторы воздействия могут быть как экзогенные (внешние), так и эндогенные (внутренние).

В нашем случае внешнее (экзогенное) возмущающее воздействие – это эксплуатационная среда, действие которой наряду с силовым воздействием транспортных средств сопровождается изменением температурновлажностного режима и солнечной радиации. Результат внешнего воздействия в значительной степени зависит от тепломассопереноса, темпера- турно-влажностных деформаций материалов, составляющих бетон, и степени дефектности самого бетона.

Изменения структуры и свойств цементных бетонов в составе конструкций или сооружений в процессе их эксплуатации приводят к перераспределению напряжений в элементах, составляющих конструкцию или сооружение, и в неблагоприятных условиях – к появлению и развитию дефектов.

Изменения структуры и свойств бетонов (см. гл. 3), связанные с внутренними физико-химическими процессами (эндогенное воздействие), – это результаты продолжающейся гидратации цементов, изменения гранулометрического состава компонентов бетона, перераспределения внутренних напряжений в составляющих массивов бетона,

и «самозалечиванием» дефектов структуры и т.д. Интенсивность протекания внутренних процессов зависит также и от внешних воздействий. Как показано в гл. 3, последствия внешних воздействий зависят также и от степени дефектности структуры бетона к началу этих воздействий.

Многочисленность видов дефектов, дифференциация их по степени развития, неопределённость внешних воздействий и последствий их воздействия делают задачу описания состояния цементных бетонов в целом достаточно сложной и многофакторной.

Развитие дефектов во времени определяется, помимо вышеперечисленного, технологией изготовления (строительства), степенью начальной

137

дефектности и прошлым («предысторией») отдельных технологических переделов и бетона в целом.

Всё это, вместе взятое, позволяет отнести цементный бетон в конструкции или сооружении к сложным динамическим системам. Для них прогноз изменения параметров должен строиться на основе максимально полных сведений о предыстории.

Складывается классическая ситуация, когда малые причины могут иметь большие последствия (например, наличие небольших по размеру пор или микротрещин в цементном бетоне может привести к появлению каверны или магистральной трещины, что влечет за собой значительные деформации конструкции или сооружения или их разрушение т.п.). Математики называют это свойство высокой чувствительностью к начальным данным.

То, что чувствительность объекта прогнозирования как сложной системы ведет к хаосу, понял в 1963 г. американский метеоролог Э. Лоренц. Компьютерный анализ, осуществлённый им, привел к принципиальному результату: динамический хаос, т.е. непериодическое движение в детерминированных системах, где будущее однозначно определяется прошлым, имеет конечный горизонт прогноза. Другими словами, применительно к нашей задаче прогнозирование долговечности цементных бетонов в принципе возможно.

Выделение из многообразного прогнозного фона какого-либо воздействия в качестве доминирующей причины исчерпания ресурса долговечности, как и выделение одного из потребительских свойств бетона в качестве определяющего, в лучшем случае даёт частное решение задачи, которое работает далеко не всегда. Анализ существующих методов оценки или прогнозирования долговечности (см. гл. 1) выявил нецелесообразность раздельного рассмотрения внутренних и внешних воздействий.

Так как объект в нашем случае целесообразно рассматривать одновременно с «прогнозным фоном», то в соответствии с принятой терминологией назовём его «объектом прогнозирования» и используем принцип системности, требующий взаимосвязанности и соподчиненности прогнозов объекта прогнозирования, прогнозного фона и их элементов.

Детерминированное прогнозирование, в основе которого лежит игнорирование статистической неоднородности среды и свойств материала, для прогнозирования состояния бетона, по-видимому, принципиально неприемлемо. Перспективно, на наш взгляд, статистическое прогнозирова-

138

ние, основанное на предположении о вероятностном характере изучаемых процессов.

Известные методы статистического прогнозирования, построенного на экспоненциональном сглаживании, и авторегрессионные схемы, не могут в нашем случае использоваться в полном объёме, так как, несмотря на их эффективность, они требуют предварительных длительных систематических наблюдений на каждом объекте. Кроме того, при использовании этих методов необходимо, чтобы время прогнозирования было мало по сравнению с временем предварительного изучения процесса, что неприемлемо для прогнозирования состояния цементных бетонов.

Предпочтительным, очевидно, является поисковый или исследовательский прогноз, то есть прогноз, содержанием которого является определение возможных состояний объекта прогнозирования в будущем.

Возможность создания подобной методики основана на использовании некоторых положений теории хаоса и катастроф. Поэтому целесообразно кратко рассмотреть эти положения. Принципы построения подобных систем могут быть поняты исходя из отдельных положений:

•нелинейной, неравновесной термодинамики;

•теории открытых диссипативных и интерактивных систем, т.е. управляемых систем с положительными обратными связями и состоящих из большого числа взаимодействующих субсистем (созданных лауреатом Нобелевской премии И.Р. Пригожиным);

•теории бифуркаций, дифференцируемых на обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные) [48, 56].

Управляемыми системами с положительными обратными связями

исостоящими из большого числа взаимодействующих субсистем и являются любые сложные технические или природные системы, в том числе цементные бетоны.

До работ И.Р. Пригожина полагали, что развитие и диагностику любых систем можно исследовать исходя из оценки влияния составляющих элементов и внешних воздействий. При этом предполагалось, что динамика систем адекватно описывается равновесными состояниями, возмущаемыми внешними силами, а изменения выходных параметров системы пропорциональны этим возмущениям. Однако эксперименты и результаты диагностики состояний реальных цементных бетонов в составе конструкций или сооружений показали, что необходимая для прогноза времени достижения предельных состояний точность оценки влияния факторов на

139

систему не достигается. Считают, что хаос является более высокой формой порядка, однако более правильно считать хаос другой формой порядка – с неизбежностью в любой динамической системе за порядком в обычном его понимании следует хаос, а за хаосом порядок.

Установлено, что даже малые ошибки при измерении параметров исследуемого объекта могут привести к абсолютно неверным предсказаниям. Эти ошибки могут возникать вследствие незнания всех начальных условий. Кроме того нужно учитывать, что принимаемый нами перечень начальных условий неполон, следовательно, в самой постановке задачи заложена неопределенность, которая может привести к существенным погрешностям в предсказаниях. Условия лабораторных и полигонных испытаний, как правило, отличаются от условий, в которых материалы служат

вусловиях реальной эксплуатации, что вносит неопределённость в получаемые результаты.

Втаких системах, если рассматривать их с позиций классической статистической физики, лишь обратимые во времени процессы развиваются от менее к более вероятному состоянию систем. Численную оценку этого явления для закрытых систем дал Больцман, введя в термодинамику понятие энтропии – параметра, значение которого пропорционально логарифму вероятности состояния системы. Закон роста энтропии в закрытой системе и есть одна из формулировок второго начала термодинамики. Исключение составляют только явления возникновения малых, маловероятных и кратковременных самопроизвольных флуктуаций в системе.

Гипотеза об обратимости большей части процессов, происходящих

вбетоне эксплуатируемой конструкции или сооружения, не подтверждается практикой, что делает несостоятельными исходные аксиомы, рассмотренные выше. В принципе цементный бетон не является строго закрытой системой.

Необоснованное и незаконное использование рассмотренного выше подхода для сложных, открытых и нелинейных систем, в том числе и для бетонов, обычно приводило к значительным расхождениям расчетных и опытных данных (см. гл. 1).

Исследования И.Р. Пригожина показали, что интерактивные системы никогда не достигают равновесного состояния, эволюционируя в определенном направлении от одного метастабильного состояния к другому. Бетон в конструкции или сооружении представим в виде именно интерактивной системы и характеризуется совокупностью дискретных метаста-

140