книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

В качестве рабочей гипотезы нами выдвигается предположение, что воздействие природных условий климатической среды на бетон приводит к изменению значений практически всех его характеристик свойств

иструктуры. Изменение значений наиболее информативных характеристик свойств бетона при действии реальной климатической среды за ограниченный промежуток времени может служить основой прогнозирования его стойкости. Использование при изготовлении бетонной смеси суперпластификаторов, модифицированных ЛСТ может уменьшить стойкость зрелого бетона.

Целью настоящей исследовательской работы является прогнозирование поведения бетонов, при изготовлении которых использована пластифицирующая добавка, испытывающих воздействие климата, на основании количественных значений совокупности характеристик его свойств

иструктуры.

Для этого необходимо решить следующие частные задачи:

–провести изучение комплекса характеристик бетона с добавкой П-20 в сопоставлении с бетонами без добавок, пропаренных и естественного твердения;

–определить относительную информативность этих характеристик

спозиций стойкости бетона в природных условиях реального климата;

–разработать методику оценки и прогнозирования стойкости бетона в тех же условиях;

–оценить влияние пластификации бетонной смеси пластифицирующей добавкой на стойкость зрелого бетона.

61

Глава 2 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Выбор метода описания состояния цементобетона

За последние годы оформилась специальная дисциплина – техническая диагностика, цель которой оценка различных технических систем по результатам измерения контролирующих параметров. Состояние при этом характеризуется как вектор характеристик системы, который вместе с исходным сигналом (воздействием) определяет дальнейшее поведение системы. Знание состояния позволяет предсказать поведение системы в будущем.

Прогнозирование состояния бетона осложняется непрерывным взаимодействием цементного камня с внешней средой, которая непрерывно меняется. Неблагоприятные для бетона условия (в летний период – повышенная температура при пониженной влажности воздуха) меняются на благоприятные (повышенная влажность при положительных температурах) или неблагоприятные в виде переходов температуры через ноль.

Такая сложная физико-химическая система, как цементный камень, чутко реагирует на изменение внешней среды. На дефекты структуры, приобретённые бетоном в процессе изготовления, накладываются дефекты, приобретённые в процессе взаимодействия с внешней средой. Всё это происходит на фоне продолжающейся гидратации цемента, способствующей самозалечиванию дефектов, интенсивность которого также зависит от внешних условий.

Изменения структуры, связанные с внутренними физико-химиче- скими процессами, – это результаты продолжающейся гидратации цементов, изменения гранулометрического состава компонентов бетона, перераспределения напряжений в составляющих бетона, связанного с различиями и изменениями во времени деформативных характеристик компонентов состава, появления и «самозалечивания» дефектов структуры и т.д. Последствия внешних воздействий, меняющихся во времени, зависят также и от степени дефектности структуры бетона к началу этих воздействий. Развитие дефектов во времени определяется, помимо прочего, и технологией изготовления (строительства), степенью начальной дефектности и прошлым («предысторией») отдельных технологических переделов и бетона в целом. Многочисленность видов дефектов и диффе-

62

ренциация их по степени развития, а также изменчивость внешних воздействий (эксплуатационной среды) делает описание состояния бетона в целом достаточно сложной задачей.

Детерминированное прогнозирование, в основе которого лежит игнорирование статистической неоднородности среды и свойств материала, для прогнозирования состояния бетона, по-видимому, пока неприемлемо. Перспективно, на наш взгляд, статистическое прогнозирование, основанное на предположении о вероятностном характере изучаемых процессов.

Известные методы статистического прогнозирования – экспоненциональное сглаживание 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. Предпочтительным, очевидно, является поисковый, или исследовательский прогноз, то есть прогноз, содержанием которого является определение возможных состояний объекта прогнозирования в будущем.

Более перспективно, по нашему мнению, использование для прогнозирования состояния бетона методов теории распознавания образов, которые нашли широкое применение в таких отраслях, как радиотехника, машиностроение, связь и т.д., и учитывают как требование многопараметрической оценки, так и возможность получения результатов за приемлемое время [10, 78].

В основе этого подхода лежат следующие принципы. Поведение материала или изделия во время его нормальной эксплуатации определяется некоторыми начальными параметрами. Совокупность таких параметров называется образом материала или изделия. По результатам предварительных испытаний, проведенных в нормальном эксплуатационном режиме (не обязательно до наступления предельного состояния), объекты группируются в соответствии со своим сроком службы. Затем в каждом новом, т.е. не включенном в предварительные испытания, объекте оцениваются выбранные параметры и на основе специальных алгоритмов оценивается их близость к некоторому обобщенному образу, созданному на основе предварительных испытаний и классификации их результатов.

Распознавание обычно строится как определение меры «похожести» образца и эталона или в виде группировки совокупности предъявляемых

63

объектов по степени сходства их друг с другом. В качестве меры «похожести» обычно используют классификатор по минимуму расстояния, а сам объект характеризуют признаками, которые могут быть непрерывными и иметь количественную или качественную оценку.

2.2. Выбор метода описания процесса накопления повреждений

Долговечность бетона любого состава – это стойкость материала, в нашем случае испытывающего воздействие климатической среды. Общеизвестно, что задолго до полного разрушения в бетоне начинается процесс микротрещинообразования [14, 15], который накладывает свой отпечаток на общее поведение материала.

Под действием параметров климатической среды в бетоне возникают собственные напряжения, которые, по классификации Ю.А. Нилендера, могут быть трёх родов:

•макроструктурные напряжения, возникающие вследствие неравномерного распределения температуры или влажности в объёме бетона;

•микроструктурные напряжения, возникающие в оболочках из цементного камня и зёрнах заполнителя вследствие различной деформативности при изменении температуры и влажности (микроструктурные напряжения возникают также в стенках пор цементного камня под воздействием капиллярных поверхностных сил, осмотического давления, давления нагревающейся в порах воды);

•ультромикроструктурные напряжения, возникающие вследствие неоднородности строения «микрообъёма» и различия физико-механи- ческих свойств в кристаллической и гелевой составляющих цементного камня.

Возникновение, развитие и изменение собственных напряжений в бетоне сопровождается соответствующими деформациями и повреждениями структуры. Причём деструкция бетона под воздействием климатической среды представляется процессом постепенного повреждения структуры [18, 19, 59, 143], степень которого зависит от параметров климатической среды. Так, исследованиями [19] установлено, что твердение клинкерных материалов при различных температурах давало снижение прочности цементного камня, твердевшего при температуре 59 °С независимо от степени гидратации. В опытах в диапазоне температур от 30 до 50 °С усадка бетона была в 2–3 раза больше чем у бетона с постоянной

64

температурой 40 °С [119]. Г.Д. Дибровым обнаружено повышение прочности на сжатие и снижение прочности на растяжение при изгибе в начальный период циклического увлажнения и высыхания бетона [50, 51]. Дальнейшее увлажнение и высушивание приводит к расшатыванию структуры, её нарушению и в конечном счете разрушению образцов [50, 133]. Таким образом, процесс накопления повреждений бетонов в результате циклического воздействия среды может быть рассмотрен с позиций развития усталостных явлений в нём по аналогии с механической усталостью.

Теория механической усталости материалов разработана достаточно полно, а её основные выводы носят общий характер, позволяющий предположить их справедливость в случае циклических деструктивных воздействий любой природы. В нашем случае таким воздействием является периодическое действие параметров климатической среды.

Одним из основных положений теории усталостного разрушения материалов является правило накопления повреждений, которое показывает, каким образом следует суммировать количество циклов приложения агрессивного воздействия в зависимости от величины последнего. Знание этого правила даёт возможность прогнозировать долговечность материалов в известных условиях эксплуатации. Рассматривая процесс циклического воздействия параметров климатической среды, введём по аналогии с механическим воздействием [70] функцию

где 1 – если бетон находится в предельном состоянии; 0 – в противоположном случае.

При этом

где N1, N2, … Nk – количество циклов приложения воздействия параметров климата, вызывающее полное разрушение на уровнях 1, ..., k; n1, n2, … nk – количество циклов воздействия на бетон к моменту изучения его состояния; m1, m2,… mk – безразмерные величины, характеризующие изменение степени агрессивности параметров климата по мере изменения состояния бетона.

65

Применительно к рассматриваемому изменению состояния бетона под воздействием циклически меняющихся параметров климатической среды должны быть приняты следующие допущения:

•стойкость бетона к воздействию климата зависит от величины накопленных повреждений, но не зависит от того, каким образом произошло их накопление;

•при изготовлении бетона можно изменить численное значение характеристик свойств и структуры (например, изменяя состав бетона или технологию его изготовления), но невозможно исключить функциональные связи между ними.

2.3.Обоснование принятой схемы проведения эксперимента

Представляя бетон в виде системы, формирование её состояния представим в виде схемы причинно-следственных связей Исакова Каору [56] (рис. 2.1). Исходное состояние бетона зависит от состава и качества исходного сырья и технологии получения бетонной смеси и изделия. Формирование исходного состояния в условиях воздействия параметров климата изучено достаточно полно (см. главу 1) и зависит от температуры компонентов бетонной смеси в процессе приготовления и обезвоживания бетона в процессе становления структуры.

Рис. 2.1. Схема причинно-следственных связей формирования состояния бетона

66

Период становления структуры бетона может быть сокращён за счёт интенсификации твердения цемента посредством известных технологических приёмов, таких как тепловлажностная или термическая обработка бетона или использование различных химических добавок.

Негативное воздействие параметров климатической среды на исходное состояние бетона может быть смягчено уходом за бетоном любым из практикуемых способов. Наименее изучен процесс изменения состояния бетона под воздействием параметров климатической среды при эксплуатации готового изделия. Исходное состояние бетона под воздействием эксплуатационных нагрузок, агрессивных агентов и параметров климатической среды меняется во времени. Изменение состояния системы сопровождается изменением параметров, характеризующих её состояние.

Всоответствии с поставленной задачей необходимо оценить состояние бетона, испытывающего негативное воздействие климатической среды, разработать метод прогнозирования изменения состояния, что позволяет не рассматривать в рамках данной работы формирование исходного состояния и исключить из рассмотрения воздействие эксплуатационной нагрузки и агрессивных агентов. Введенные ограничения позволяют свести задачу к описанию изменения исходного (начального) состояния системы под влиянием внешнего сигнала в виде климатических воздействий.

Естественно, что как начальное, так и состояние системы в рассматриваемый момент времени, а при необходимости и её конечное состояние должны быть описаны одинаковыми параметрами. Система реагирует на внешний сигнал изменением параметров. Из числа параметров можно исключить ползучесть, релаксацию и деформирование под нагрузкой, так как действие эксплуатационных нагрузок в рамках данной работы не рассматривается.

Вработе рассматривается процесс функционирования реального бетона (как системы) под воздействием параметров реальной климатической среды, как возмущающего сигнала. Процесс представляет собой последовательную смену состояний системы во времени. Каждое мгно-

венное состояния системы описывается набором значений параметров, z1, z2, zn–1, zn, которые достаточно отображают основные свойства системы

вданный момент. Очевидно, что в общем случае zi зависит от времени и, следовательно, может быть выражена как функция времени z1(t), z2(t), …, zn(t).

67

Значения z1, z2, ..., zn–1, zn можно интерпретировать как координаты точки в п-мерном пространстве, а состояние системы будет представлено вектором с составляющими по осям координат Z1, Z2, …, Zn–1, Zn .

Априорной информации недостаточно для выбора критерия (см. гл. 1) откликов системы на внешний сигнал, поэтому складывается ситуация с многими откликами [68], для которой экспериментальных планов практически не существует. Значениями выбранных параметров, равно как и уровнем внешнего воздействия параметров климатической среды управлять практически невозможно. Следовательно, классические методы планирования экспериментов использовать в данном случае не представляется возможным.

Рис. 2.2. Структурно-логическая схема исследований

68

Результатом исследования является создание математической модели, т.е. некоторого математического объекта, поставленного в соответствие данному физическому процессу – изменению характеристик системы под воздействием климатических условий. Или, иначе говоря, установление совокупности соотношений, связывающих характеристики состояния процесса с параметрами системы, исходной информацией и начальными условиями.

Поэтому поставим задачу получения ряда состояний системы (бетона), каждое из которых будет описываться совокупностью характеристик. Причем начальные условия получим, изменяя структуру бетона, оставляя неизмененным его состав. Например, бетоны пропаренные, естественного твердения, пластифицированные при одинаковом составе будут иметь различную структуру к моменту начала воздействия климата. При таком подходе каждое из состояний может быть принято за начальное, а любое из последующих – за конечное.

Такой подход к решению поставленной задачи предопределяет последовательность проведения исследований, которая представлена на рис. 2.2 в виде структурно-логической схемы исследований.

2.4. Выбор параметров и конкретизация схемы проведения эксперимента

Бетон имеет количественные и качественные характеристики. Для удобства последующего математического описания целесообразно ограничиться рассмотрением только количественных характеристик, в числе которых могут быть прочностные, деформативные и структурные. Поскольку априорной информации для решения вопроса приоритетности параметров недостаточно, будем считать все характеристики одинаково значимыми.

Прежде всего это прочностные характеристики, которые в большинстве случаев формируют потребительские свойства бетонов.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал [5, 14, 16, 19, 32], позволяющий констатировать, что прочность бетона, полученная по результатам кратковременных испытаний, не является достаточной характеристикой для оценки его с точки зрения эксплуатационных качеств в условиях воздействия параметров климатической среды.

Исследованиями [4, 14, 33] доказано, что, варьируя исходными компонентами, а также их соотношениями в общем объеме материала, можно

69

получать равнопрочные бетоны с различными деформативными свойствами. Поэтому наряду с прочностными в число параметров, подлежащих исследованию, включим и деформативные. Деформативные свойства будем оценивать не только модулем упругости, но и коэффициентом пластичности или упругости при уровне загружения 0,85 Rb, что позволит получить более полную информацию об изменении пластических свойств бетона под воздействием климатической среды.

Согласно Ю.М. Баженову [16], лишь после накопления определённого критического объёма микротрещин в бетоне происходит его разрушение. Процесс микротрещинообразования, начинающийся задолго до полного разрушения, накладывает свой отпечаток на общее поведение бетона под воздействием климатической среды. Границами, определяющими качественные переходы структуры и отражающими происходящие в ней изменения, принято считать уровни микротрещинообразования Rcrc0

и Rcrcγ .

А.Е. Шейнин, Ю.В. Чеховский [177] доказали, что значения параметрических уровней Rcrc0 и Rcrcγ определяются не только R, но существенно

зависят от условий твердения бетона и хранения образцов до их испытания. О.Я. Берг считал, что граничная область микроразрушения бетона при сжатии Rcrc0 – Rcrcγ , представляет для теоретических, практических

и проектных целей большее значение, чем стадия разрушения бетона, применяемая сейчас при анализе прочности бетона [20]. В связи с этим

целесообразно включить в число исследуемых параметров нижний (Rcrc0 )

и верхний (Rcrcγ ) уровни изучаемых бетонов.

Анализ литературных источников, представленный в гл. 1, показал, что воздействие параметров климатической среды приводит к изменению пористости бетона и изменению характера реакции гидратации цемента. Пористость бетона, по мнению ряда исследователей [23, 67, 107], предопределяет сопротивляемость бетона воздействию параметров климатической среды.

В.Е. Фёдоров для образцов постоянного состава в зависимости от режимов твердения получил величины объёмного веса, водопоглощения и пористости, отличающиеся от соответствующих значений характеристик бетона нормального твердения на 10–50 %, что доказывает возможность изменения их в условиях воздействия климатической среды.

70