книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

бильных состояний, сменяющих друг друга случайным образом. Если представить состояния в некотором пространстве, то оказывается, что эти состояния могут самопроизвольно существенно удаляться от равновесного состояния.

Возможна также эволюция состояний бетона под внешним воздействием вследствие протекания внутренних процессов, вопреки свойствам энтропии от хаоса к порядку (в определенном смысле) и усложнению структур, вплоть до самопроизвольного «самозалечивания дефектов» и протекания структурообразующих процессов. Но преимущественно имеют место процессы деградации. В процессе своей эволюции бетоны вследствие перегрузок, экстремальных воздействий климата и т.д. самопроизвольно переходят из-за поверхностного износа, дислокаций и трещинообразования последовательно от субкритического к критическому и суперкритическому состояниям, стремясь к окончательному, катастрофическому, разрушению. Для оттягивания сроков и предотвращения подобного исхода используются специальные аварийные и ремонтные (лечебные) процедуры или различные ремонты бетонов конструкций или сооружений.

На первом, субкритическом, этапе работы сложной технической системы (СТС) разрушения (катастрофы) либо вовсе не возникают, либо для их возникновения необходимы внешние воздействия, мощность которых сопоставима с энергетикой СТС. Например, подобная ситуация может возникнуть при воздействии на автомобильную дорогу с цементобетонным покрытием одноразовых нагрузок от транспорта, значительно превышающих расчётные значения, а также воздействие на конструкцию или сооружение быстрых перепадов низких отрицательных (ниже –50 °С) или повышенных (выше 50 °С температур и т.д.), в результате чего в бетоне возникают микро- и макродефекты – очаги будущего разрушения.

После достижения критического, а тем более суперкритического состояния мощности эксплуатационных воздействий, провоцирующих разрушения (катастрофы), снижаются на много порядков. Последующее разрушение уже может происходить при расчётных или даже меньших по уровню воздействиях.

В понятиях общей математической теории катастроф это в фазовом пространстве представляется так, что вблизи порога устойчивости системы вследствие флуктуаций и малых воздействий система может выйти за пределы зоны устойчивости. В этот момент возникает бифуркация, т.е. в соот-

141

ветствующей точке фазового пространства системы имеет место расщепление первоначальной траектории системы на «пучок» виртуальных траекторий, по которым возможно дальнейшее движение. В этих условиях даже незначительное случайное внешнее воздействие может перевести систему на одну из виртуальных траекторий, которая станет новым участком реальной фазовой траектории системы. Следовательно, само воздействие, даже малое, при этом сыграет роль спускового крючка.

Как показал И.Р. Пригожин, подобная бифуркация не обязательно фатальна для системы, поскольку СТС может попасть на новую траекторию, не ведущую к полной потере устойчивости системы. В этом случае бифуркация является равновесной и обратимой. Однако если в СТС отсутствует аварийная субсистема, устраняющая возможности подобных ситуаций приближения к границе устойчивости, явления бифуркации могут повторяться, и какая-нибудь из них может стать фатальной, т.е. необратимой, после которой произойдет катастрофа и система разрушится. Для описания поведения подобных технических систем представлялось бы естественным использовать вероятностные математические модели, поскольку в них органически заложена неопределенность. Однако для строгой постановки вероятностных задач необходимо на всех уровнях задание вероятностных характеристик. Это практически всегда невозможно, поскольку катастрофические явления индивидуальны и свойство статистической устойчивости не имеет места.

а в общем смысле неопределенности), и СТС может функционировать надежно, лишь имея в своем составе эффективную аварийную субсистему. Применительно к рассматриваемым задачам это система содержания и ремонтов бетонов в конструкциях или сооружениях, работающая оперативно, в реальном масштабе времени.

Это возможно, но необходима серьезная научная проработка проблематики содержательного анализа и прогнозирования состояния, разработка проблемно ориентированного информативного метода определения состояний системы рассматриваемого типа. Для создания научно обоснованных методов прогнозирования должно осуществляться надежное прогнозирование долговечности бетона в конструкции или сооружении, что должно основываться на синтезе нескольких наук. Во-первых, это параметрическая идентификация или техническая диагностика; во времена

142

создания ей была посвящена обширная литература, в том числе справочная и монографическая. Однако объектами исследования, как правило, являлись дискретные системы, имеющие явно выраженные «входы»

и«выходы». Во-вторых, это теория надежности, в той части, в которой она разрабатывалась для постепенных отказов в плане прогнозирования, но также применительно к дискретным системам, причем преимущественно при простых, задаваемых аналитически законах изменения параметров во времени. В-третьих, это прикладная теория случайных процессов в части прогнозирования или предсказания. Она была создана и развивалась в рамках как «чистой» математики, так и прикладной. В рамках этой теории впервые была предложена общая концепция, опирающаяся на анализ условий выхода вектора параметров из заданной области и определение изменяющейся во времени вероятности выхода из этой области. Первоначально также в рамках чистой математики, а именно математической статистики, развивалась теория статистической обработки экспериментальных данных. В-четвертых, это механика сплошных сред, в первую очередь однородных, упруго-пластических, но также и неоднородных.

Вмеханике грунтов, которая также относится к теории сплошных сред, вводились в рассмотрение и активно использовались гораздо более сложные математические модели сред. Значительные успехи были достигнуты на стыках перечисленных наук. В данном исследовании применительно к рассматриваемым задачам используются подходы, методы

ирезультаты всех перечисленных наук.

4.1.3.Нормируемые показатели бетонов

иих стандартизация

Важные исходные положения для рассматриваемой в данной работе проблемы содержат нормативно-технические документы высокого уровня, в первую очередь Государственные стандарты, преимущественно еще времени СССР (ГОСТы), а также Строительные нормы и правила (СНиПы). Несмотря на то что в соответствии с действующим законом РФ «О техническом регулировании» от 27.12.2003 на государственном уровне в России установлен принцип добровольности стандартизации, наработанный десятилетиями опыт необходимо использовать.

Стандарты в какой-то мере могли устареть, содержащиеся в них сведения могут быть неполными, но они являются результатом обобщения деятельности поколений специалистов, работавших в отрасли. Ниже при-

143

водятся и комментируются фрагменты, имеющие прямое отношение к проблематике испытаний бетонов.

Исходным пунктом является классификация. В соответствии с п. 1 ГОСТ 25192–82, бетоны классифицируются по пяти признакам: основному назначению, виду вяжущего вещества, виду заполнителей, структуре

иусловиям твердения.

1.По основному назначению различают бетоны:

–обычные, для типовых несущих конструкций (для промышленных

игражданских зданий);

–специальные, в зависимости от типа (гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные);

–со специальными свойствами (химически стойкие, жаростойкие, звукопоглощающие, для защиты от ядерных излучений).

2. По виду вяжущего вещества бетоны подразделяют:

–на цементные,

–силикатные;

–гипсовые;

–шлакощелочные;

–асфальтобетон;

–пластобетон (полимербетон).

3.По виду заполнителей бетоны могут быть следующих типов заполнителей:

– плотные;

– пористые;

– специальные.

4.По структуре бетоны могут быть следующих типов структур:

–плотная;

–поризованная;

–ячеистая;

–крупнопористая.

5. По условиям твердения бетоны подразделяют на твердевшие:

–в естественных условиях;

–в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении;

–в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения).

Дополнительно к приведенной выше основной классификации в ГОСТ 25192–82 используется классификация по таким признакам:

144

6. По объёмной массе бетоны подразделяют:

–на особо тяжёлый (плотность свыше 2500 кг/м3) – баритовый, магнетитовый, лимонитовый;

–тяжёлый (плотность от 1800 до 2500 кг/м3) – гравийный, щебёночный (базальтовый, известняковый, гранитный);

–легкий (плотность от 500 до 1800 кг/м3) – керамзитобетон, пенобетон, газобетон, вермикулитовый, перлитовый;

–особо лёгкий (плотность менее 500 кг/м3).

7. По содержанию вяжущего вещества и заполнителей различают бетоны:

–тощие (с пониженным содержанием вяжущего вещества и повышенным содержанием крупного заполнителя);

–жирные (с повышенным содержанием вяжущего вещества и пониженным содержанием крупного заполнителя);

–товарные (c соотношением заполнителей и вяжущего вещества по стандартной рецептуре).

Номенклатуру показателей бетонов устанавливает ГОСТ 4.212–80, разработанный на основе и в соответствии с ГОСТ 4.200–78. Несколько десятков показателей классифицированы по иерархической схеме, на верхнем уровне производится разделение на три аспекта. Применительно к теме данной диссертации представляет интерес только первый, технический аспект. Ниже приведен перечень этих показателей, в некоторых случаях с добавлениями из других источников, в частности СНиП 52-01–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции Основные положения»).

1. Показатели конструктивности (состава) бетонной смеси и бетона (вид и расход исходных материалов, массовые пропорции, размеры частиц заполнителя, содержание воздуха).

2. Нормируемая и фактическая прочность (МПа)

• Показатели прочности: 1) на сжатие Rb. Класс бетона по прочности на сжатие B соответствует значению кубиковой прочности бетона на сжатие в МПа с обеспеченностью 0,95 (нормативная кубиковая прочность)

ипринимается в пределах от B 0,5 до B 120; 2) На осевое растяжение Rbt. Класс бетона по прочности на осевое растяжение Bt соответствует значению прочности бетона на осевое растяжение в МПа с обеспеченностью 0,95 (нормативная прочность бетона) и принимается в пределах от Bt 0,4 до Bt 6 на изгиб, на растяжение при раскалывании, при срезе.

145

• Показатели деформативности: начальный нормальный модуль упругости Eb,п (иногда также динамический модуль), модуль сдвига G, коэффициент поперечной деформации v, коэффициент Пуассона, относительная деформация ползучести, относительная деформация усадки εshr, набухание, предельная сжимаемость εbo,n, предельная растяжимость εbto,n, характеристика ползучести, параметры пористости (по семи позициям), влажность, %, водопоглощение, %, проницаемость различными жидкостями и газами, коэффициент фильтрации воды, водонепроницаемость, Марка бетона по водонепроницаемости W соответствует максимальному значению давления воды (МПа · 10–1), выдерживаемому бетонным образцом при испытании, и принимается в пределах от W 2

до W 20.

•Средняя плотность. Марка по средней плотности D соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м3 и принимается в пре-

делах от D 200 до D 5000.

•Теплофизические показатели: тепловыделение при схватывании, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, коэффициент

температурной деформации αbt, температура, соответствующая определенным деформациям под нагрузкой.

•Удельное электрическое сопротивление.

•Коэффициент звукопоглощения.

•Морозостойкость.

•Коррозионная стойкость.

•Истираемость.

•Стойкость при высоких температурах: термостойкость, огнестойкость, огнеупорность, предельная температура применения.

•Стойкость в условиях попеременного увлажнения и высыхания, циклы.

•Цветоустойчивость и другие эстетические показатели.

•Кавитационная стойкость.

•Показатели технологичности бетонной смеси: формуемость, подвижность, жесткость, сохраняемость, сроки начала и конца схватывания, структурная прочность и пр.

•Постоянство состава и структуры: точность дозирования, расслоение, водоотделение.

•Прочее: содержание воздуха, самонапряжение, способность противорадиационной защиты.

146

Дополнительные показатели, характеризующие степень стабильности (или нестабильности):

–вариация значений показателей технического уровня;

–среднее квадратическое отклонение показателей технического уровня от средних значений в единицах измерения показателей;

–коэффициент вариации, %.

В метрологии они относятся к неопределенности свойств объекта. Необходимо отметить, что устанавливается различный порядок представления разных показателей, обусловленный выбором типа шкалы: или в естественных единицах (шкала отношений), или путем грубого округления до установленных уровней (шкала порядков), или отнесением к оп-

ределенной группе (шкала классов или наименований).

В соответствии с принципом стандартизации, принятым в СССР, каждый из пунктов приведенного перечня из ГОСТ 4.212–80 должен быть разъяснен и конкретизирован для того, чтобы понимание каждого показателя было ясным и однозначным. На этой основе может быть достигнуто единство испытаний и однозначная интерпретация их результатов. На различных уровнях по каждому показателю должны быть введены в действие нормативно-технические документы, устанавливающие стандартизованные методы определения показателей, требования к техническим средствам испытаний, алгоритмы обработки данных испытаний и представления результатов. Однако такое полное методическое обеспечение определения всех показателей невозможно, оно имеет место только для некоторых показателей, которые относятся к числу наиболее важных.

Для установления степени важности показателей следовало бы их ранжировать: на основе опроса экспертов установить последовательность по убыванию важности. В этой части имеются установившиеся представления. Бетон испытывается на механическую прочность, устойчивость к сжатию и растяжению, ударам и изгибанию, кручению и срезам, усталости, твердости и т.д. Класс бетона по прочности на сжатие B назначают во всех случаях. Испытаниям на сжатие подвергаются кубические образцы бетона размером 150×150×150 мм, но допускается испытание образцов цилиндрической и призматической форм. Наиболее простые методы определения прочности бетона имеют в основе принцип пластической деформации. При этом после удара определенной силы на поверхности бетона появляется углубление от бойка (шарика), по величине которого судят о прочности бетона. Для этой цели обычно применяются шариковые

147

молотки конструкции И.А. Физделя. Более сложная методика, имеющая повышенный уровень точности, используется в молотке конструкции К.П. Кашкарова – учитывается не только величина углубления в бетоне, но и размер лунки на стандартном металлическом стержне, укрепленном на стержне молотка. Эти приборы определения прочности бетона применяются в основном при предварительных обследованиях объектов.

Из неразрушающих методов очень широкое распространение получил ультразвуковой метод определения прочности бетона, основанный на измерении скорости прохождения ультразвукового импульса от излучателя к приемнику. Поскольку показатель скорости зависит от плотности и упругости, наличия трещин и каверн, ультразвуковой метод определения прочности бетона одновременно применяется для дефектоскопии, позволяющей определить глубину залегания пустот и трещин. Класс бетона по прочности на осевое растяжение Bt назначают в случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и ее контролируют на производстве.

Марку бетона по морозостойкости F назначают для конструкций, подвергающихся действию попеременного замораживания и оттаивания.

Марку бетона по водонепроницаемости W назначают для конструкций, к которым предъявляют требования по ограничению водопроницаемости.

Однако подобная процедура не может быть объективной, поскольку степени важности разных порядков зависят от многих факторов: от типа объекта или сооружения, на котором используется бетон, от имеющихся ресурсов, климатической зоны и т.д.

Тем не менее принято считать, что первый по важности, основной показатель, которым характеризуется бетон, – прочность на сжатие, по которому устанавливается класс бетона. В соответствии со СНиП 2.03.01–84 «Бетонные и железобетонные конструкции» класс бетона обозначается латинской буквой B и цифрами, показывающими предельно допустимое давление в мегапаскалях с вероятностью 0,95. Например, обозначение В25 означает, что бетон данного класса в 95 % случаев выдерживает давление 25 МПа. Марка бетона по прочности – предел прочности при сжатии образцов размером 150×150×150 мм, изготовленных из рабочего состава. Возраст бетона, при котором он соответствует установленному классу по прочности на сжатие, назначается при проектировании исходя из возможных реальных сроков загрузки конструкции проектными на-

148

грузками, способа возведения, условий твердения бетона, а при отсутствии этих данных класс бетона устанавливается для 28 суток.

Применительно к регионам Сибири и зонам вечной мерзлоты особенно важно свойство морозоустойчивости. Климат Сибири достаточно суров: он континентальный и резко континентальный, что значит холод и тяжелое выживание. Зима в данном регионе долгая и суровая, а лето жаркое и очень короткое. Количество дней безморозных очень низкое. Даже весной и осенью уже наблюдаются ночные заморозки.

Методы определения показателей морозоустойчивости представлены в нескольких стандартах, которые, однако, не выделены в единую группу. Морозостойкость бетона определяется способностью бетона в насыщенном водой состоянии выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания. Количественной оценкой морозостойкости является количество циклов, при котором потеря в массе образца составляет менее 5 %, а его прочность снижается не более чем на 25 %. ГОСТ 10060.0–95 «Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования». ГОСТ 10060.1–95 «Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости». ГОСТ 10060.2–95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многовариантном оттаивании и замораживании». ГОСТ 10060.3–95 «Бетоны. Дилатометрический метод ускоренного определения морозостойкости». ГОСТ 10060.4–95 «Бетоны структурномеханический метод ускоренного определения морозостойкости». ГОСТ 26134–84 «Бетоны ультразвуковой метод определения морозостойкости». ГОСТ 28570–90 «Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций».

Для получения правильных результатов испытаний устанавливаются определенные правила отбора проб. Предварительно из образца специальным станком выпиливается или выбуривается проба определенной формы и размера, которая направляется на исследование. Для отбора предварительно выбирают участки в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 из мест удаленных от краев и стыков конструкций, без арматуры. Метод образцов считается самым точным. Испытаниям предшествует изготовление самих образцов, при этом обязательно фиксируется номер и время изготовления, что имеет большое значение. Если проводится лабораторное исследование готовой бетонной конструкции в ходе экспертизы, образцы могут добываться прямо из объекта. Из каждой производимой заводом партии обязательно отбираются образцы для анализа.

149

4.2.Оценка состояния цементобетона

вусловиях воздействия климатической среды

Для бетона, который применительно к задачам прогноза следует рассматривать как сложную систему, требуется выделить из нее самое главное для описания. Для этого используется системный синтез. Такой синтез позволяет из массы переменных извлечь главное, что нужно для принятия решения.

Целью оценки состояния бетона является установление степени его эксплуатационной пригодности. Эксплуатационная пригодность определяется совокупностью требований к его строительно-техническим показателям, полный перечень которых приведен в п. 4.1.3. В зависимости от климата свойства бетона изменяются (закономерности изменения свойств бетона во времени становятся отличными от присущих бетонам в нормальных условиях) и в конечном счете могут перестать удовлетворять предъявляемым к ним требованиям.

Анализ данных литературных источников, приведенный в гл. 1, и результаты экспериментов, представленные в гл. 3, показывают, что негативное воздействие климата сказывается практически на всех свойствах бетона. Доказано, что степень воздействия климата на свойства бетона зависит от его интенсивности и продолжительности, а также от исходного состояния бетона. Состояние бетона под воздействием природных условий климата также меняется.

В связи с этим возникает необходимость разработки научно обоснованного метода оценки состояния бетона. Оценка состояния бетона – сложная многофакторная задача, неразрывно связанная с требованиями, предъявляемыми к данному конкретному бетону. Среди требований может доминировать одно (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, истираемость и т.п.) или их совокупность. Когда важны несколько требований, их следовало бы характеризовать коэффициентами важности или по крайней мере ранжировать по важности. Хотя при этом неизбежно влияние субъективности, все же есть установившиеся традиции, основанные на обобщении опыта. Ниже описаны возможные подходы.

4.2.1. Выбор параметров для описания состояния цементобетона

Не будем априори отдавать предпочтение какому-либо свойству в решении задачи описания состояния бетона. При этом в основу описа-

150