книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

ввиде определения показателей, характеризующих «плотность» бетона,

вкачестве основного показателя долговечности бетона. Под «плотностью» бетона в данном случае понимают характеристику его пористости (отсутствие или минимальное содержание капиллярных пор), определяющую его низкую проницаемость для воды и водных растворов.

Стандарт EN 206-1 содержит рекомендации по учету воздействия на бетон шести различных сред эксплуатации, и только одна не считается агрессивной. Остальные пять имеют три или четыре подградации по степени увеличения агрессивности, или суровости эксплуатации. Возможность изменения условий эксплуатации во времени не учитывается. В качестве основного критерия обеспечения стойкости в этих условиях принята прочность. Соответственно рекомендуемые прочности бетона для этих сред колеблются от С25 (опасность карбонизации) до С45 (морская вода, химическая агрессия). При действии замораживания-оттаивания минимальный класс по прочности на сжатие рекомендуется С30 [3].

Оценка долговечности бетонов, подвергающихся действию агрессивных сред, опирается преимущественно на результаты ускоренных испытаний. В основе различных методов этих испытаний лежит предположение о порядковом соответствии результатов лабораторного определения долговечности испытаниям в натурных условиях. Характерной особенностью этих испытаний является то, что почти все они оценивают долговечность как функцию какой-либо одной характеристики. В то же время существуют публикации, в которых подвергается сомнению целесообразность такой оценки. Так, в работе [170] отмечается, что результаты исследований подтверждают неправильность оценки коррозионной стойкости бетонов только по прочности образцов на сжатие и изложена комплексная методика исследования по двум характеристикам: удлинению образцов и испытанию балочки на изгиб, позволяющим оценивать бетон качественно и количественно более объективно.

Вработе [92] для оценки коррозионной стойкости и морозостойкости бетонов рекомендуется производить следующие виды испытаний: определение прочности бетона при сжатии и изгибе, динамического модуля

упругости, взвешивание образцов для определения изменения массы и внешний осмотр. В то же время в работах [79, 117] отмечается, что изменение различных характеристик бетона в случае нестационарных воздействий носит взаимосвязанный характер, отягощенный статистической неоднородностью материала.

51

Исследования НШЖБ, МИСИ и др. свидетельствуют, что случаи коррозии бетона при различных циклических воздействиях среды можно анализировать с единых позиций. Для прогноза стойкости бетона могут быть использованы как характеристики макроструктуры, так и показатели микроструктурного уровня.

Высказано мнение, что при переходе от начальных этапов процесса

кконечным все более полным становится влияние факторов, приводящих

кразрушению. Это существенно ограничивает точность прогноза стойкости с помощью показателей только микроструктуры [126]. Корреляционная зависимость между характером и состоянием ключевых структурных параметров и свойствами позволяет в необходимых случаях отказаться от изучения сравнительно трудоемких структурных характеристик и перейти к методу оценки изменений структуры по изменению ключевых свойств [139].

Причем климат оказывает в различной степени влияние на характеристики свойств и структуры бетона. Так, «если первые 2,5 часа бетон испытывает воздействие континентального климата, то прочность снижается на 35–15 % при практически неизменной степени гидратации цемента, водонепроницаемость уменьшается в 8–10 раз, значительно снижается морозостойкость» [98].

Выявлению корреляционных зависимостей между характеристиками структуры и свойств посвящено значительное число исследований [2, 4, 18, 23, 27, 28, 32, 34, 54, 60, 67, 73, 84, 102, 107, 140, 144, 160, 173], но ха-

рактер изменения зависимости при действии климата изучен недостаточно. А вопрос выбора наиболее информативных характеристик бетона, испытывающего воздействие климата, не решен.

Анализ литературных источников показал, что деструкция бетона под воздействием климата представляет собой физический процесс постепенного повреждения структуры [18, 19, 20, 59, 140], что не исключает возможности прогнозирования деструкции во времени. Причем оценку стойкости, характеристики свойств и структуры бетона и показатели среды необходимо анализировать в комплексе [36, 57, 69,124]. Наименее исследованным является процесс образования трещин и накопление повреждений, а также выбор характеристик свойств и структуры, достаточно полно характеризующих изменения, происходящие в бетоне, под воздействием климатической среды.

Впоследнее время как наука оформилось техническое диагностирование, которое предполагает обследование конструкций и сооружений

52

и оценку остаточного ресурса. Однако остаточный ресурс, как правило, не оценивается, потому что существующая система экспертизы опирается на механическую концепцию, в которой действующие напряжения сравниваются с пределом прочности и отсутствует время до разрушения.

Действующие напряжения зависят от дефектов-концентраторов. Но нахождение дефекта не приводит к оценке остаточного ресурса. Способом продления срока службы производственного объекта являются перегрузочные испытания. Однако они также основаны на механической концепции и не приводят к оценке ресурса.

В табл. 1.8 приведены некоторые из известных в РФ методы оценки остаточного ресурса зданий и сооружений.

Таблица 1.8 Методы определения долговечности и оценки остаточных ресурсов

Метод	Суть или специфика					Источник, разработчик
Оценка долговечности	По приведенному удли-					Горчаков Г.И. и др.
	нению образцов
Оценка долговечности	По водонасыщению				и	Бруссер М.И.
	распределению влаги
Оценка долговечности	Ключевой	структурный				Рыбьев И.А.
	параметр
Оценка долговечности	Коэффициент			гидро-		Книгина Г.И.
	фильности
Долговечность и стой-	Открытая	и	замкнутая			Минас А.И.
кость	пористость
Стойкость и прогнози-	Зависимость		от	темпе-		Курбанов Т.Ю.
рование долговечности	ратурно-влажностных
	деформаций		в	разных
	возрастах
Прогнозирование дол-	Методика	определения				Etude cjmparative de la dura-
говечности	проницаемости			для	ио-	bilite des betons B30 et B80
	нов хлора					des ouvrages jumeaux de
						Bourges.
						Etude experimentale de la pe-
						netration des ions chlorures par
						differentes methods / Baroghel-
						Bouny V., Rougeau P., Chaus-
						sadent T., Croquette G. // Bull.
						Lab. Ponts et Chaussees. 1998.
						№ 217. РР. 75–84, 106, 110

53

								Окончание табл. 1.8
	Метод		Суть или специфика				Источник, разработчик
Прогнозирование дол-			Процессы карбонизации				Там же
говечности			и усадки бетонов
Анализ	«жизненных		Определение			норми-	Duurzaan bouwen, is dat meet-
циклов» (LCA) «eco-			руемой		долговечности,		baar // Otar. 1998. 83, No. 9.
quantuma», эко-индика-			но не самой долговеч-				PP. 303–307
торы,	модели	TWIN,	ности
система BEDS
Остаточный		ресурс	Методы		динамических		Улицкий		В.М.,	Парамо-
общественных зданий			испытаний.			Обследова-	нов В.Н.,		Шашкин А.Г.,
			ние в целях реконструк-				Шашкин К.Г. («Геореконст-
			ции				рукция» и «Северо-западное
							отделение РНКМГ и Ф»)
Остаточный		ресурс,	Модели		вероятностной		Москвичев В.В.,
методы	риск-анализа		динамики повреждений				Лепихин А.М.,
конструкций потенци-			в сложных,			структурно	Доронин С.В.
ально опасных объек-			неоднородных системах
тов
Остаточный ресурс			Нетрадиционная задача				Лапко А.В., Крохов С.И., Но-
			распознавания образов в				воходько Н.А.
			условиях		неоднознач-
			ных «указаний учите-
			ля», позволяющая рас-
			ширить область приме-
			нения			теории
			классификации при ис-
			следовании			сложных
			систем
Определение		остаточ-	Анализ данных о реаль-				МНИЛ	ПЭНСиИК		Ростов-
ного ресурса		посред-	ном	состоянии элемен-			ской-на-Дону ГАС совместно
ством экспертной сис-			тов	зданий,		выявление	с межвузовским сектором
темы «Строитель»			закономерности их из-				новых информационных тех-
			менения (старения)				нологий (МС Нит) НИИ
							МиПМ	Ростовского		госуни-
							верситета

При обследованиях зданий старого фонда, чертежи которых отсутствуют, а вскрытия затруднены или недопустимы, в сочетании с общеизвестными методами неразрушающего контроля наиболее эффективны методы динамических испытаний.

54

Применение этих методов, по мнению авторов, позволяет достаточно надежно определить остаточный ресурс общественных зданий, технические возможности и экономические параметры их реконструкции (В.М. Улицкий, В.Н. Парамонов, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин, «Северозападное отделение РНКМГ и Ф», «Геореконструкция»). Однако эти методы не позволяют определить время, в течение которого возможна эксплуатация объекта при условии воздействия на него реальной эксплуатационной среды.

Разработаны также методы риск-анализа конструкций потенциально опасных объектов, базирующиеся на специальных моделях вероятностной динамики повреждений в сложных, структурно неоднородных системах.

Методы позволяют выполнять оценки показателей безопасности и остаточного ресурса по данным экспертных оценок технического состояния объектов. На основе вероятностной трактовки процессов деформирования и разрушения, а также наступления предельных состояний развита методология решения прямых и обратных задач механики разрушения и ресурсного проектирования конструкций. Статистическое моделирование динамики повреждений и вероятностная формулировка предельных состояний позволили получить оценки влияния технологических дефектов и усталостных трещин на безопасность и остаточный ресурс (В.В. Москвичев, А.М. Лепихин, С.В. Доронин). Но для статистического моделирования необходимо иметь соответствующий материал в виде результатов обследования в количестве, достаточном для статистической обработки.

Приложения методов распознавания образов для оценки технического состояния обследуемых зданий и сооружений общеизвестны. Достаточно широко применяется в практике диагностирования и нетрадиционная задача распознавания образов в условиях неоднозначных «указаний учителя», позволяющая расширить область применения теории классификации при исследовании сложных систем. Разработаны оригинальные методы синтеза и анализа непараметрических алгоритмов распознавания образов при «неидеальном учителе», установлены их асимптотические свойства и зависимость от вероятностных особенностей обучающих выборок (А.В. Лапко, С.И. Крохов, Н.А. Новоходько). Метод применяется для диагностирования, но для определения остаточного ресурса не пригоден.

55

Разработана также экспертная система «Строитель», предназначенная для определения и оценки эксплуатационной надежности жилых и гражданских зданий. В стадии разработки второй уровень экспертной системы, предназначенный для планирования и оптимизации проведения ремонта (реконструкции) зданий. Основная задача экспертной системы этого уровня – проанализировать данные по реальному состоянию отдельных элементов зданий; выявить закономерность их изменения (старения); сравнить остаточный ресурс каждого элемента с требуемыми сроками надежной эксплуатации; назначить комплекс необходимых мероприятий (капитальный ремонт, реконструкция и т.д.) и оптимизировать его параметры с учетом фактического состояния и многокритериальных требований реальной ситуации. Работа осуществлена на основании договора № 100/93, заключенного между дирекцией МПП ЖКХ Кировского района и Межвузовской научно-исследовательской лабораторией повышения эксплуатационной надежности зданий и испытания конструкций Ростовской-на-Дону государственной академии строительства совместно с межвузовским сектором новых информационных технологий НИИ механики и прикладной математики Ростовского государственного университета. Необходимо отметить, что методика определения остаточного ресурса каждого элемента не создана.

Механическая концепция постепенно уступает место кинетической теории, где возникает время до разрушения в зависимости от условий нагружения, что является основой оценки ресурса. Установлено, что разрушение подготавливается накоплением микроповреждений, приводящим к формированию макротрещин, и ростом макротрещин. Это позволяет прогнозировать разрушение и ресурс как момент времени смены стадий и зарождения магистральной трещины.

Известные и используемые при прогнозировании долговечности металлических изделий и конструкций гипотезы накопления повреждений представлены в табл. 1.9.

Практически все эти гипотезы учёные пытались использовать для прогнозирования долговечности цементных бетонов, но в силу существенной специфики бетона как материала и отличия реальных эксплуатационных сред от циклических попытки оказались неудачными.

В кинетической теории разрушение нагруженных материалов имеет термоактивированную природу вне зависимости от вида материала и характера нагрузок (статические, возрастающие, циклические и т.д.).

56

Таблица 1.9

Гипотезы накопления повреждений

Название гипотезы

Сущность

Формула

Линейного накоп-

Доля повреждённости при любом уровне ам-

Разрушение произойдёт, если

ления повреждений

плитуды напряжения цикла Si прямо пропор-

т

ni

Пальмгрена-

циональна отношению числа циклов его дейст-

∑

≥1

Майнера

вия к полному числу циклов, которое привело

i=1

N

i

бы к разрушению при этом уровне, т.е. Di = ni/Ni

Марко-Старки (Ри-

Нелинейная гипотеза повреждения Di =

N

N

N

харта-Ньюмарка)

= (ni/Ni)mi, где mi зависит от уровня напряжения

l

1+

1

+

1

+... +

1

dD

n

N2

N3

Ni

∑

= ∫

N

+

N

1

r

−1

+... +

N

1

r

−1

0 1

r2D

2

ri D

i

N2

ri

r2

Ni

Генри

Кривые усталости смещаются по мере накоп-

ления повреждений Д = (Е0 – Е)/Е0, где Е0 –

n

предел усталости исходного материала, Е – то

D =

N

же после повреждений.

1+

E0

−

n

Считается, что при действии циклических на-

1

грузок ниже предела усталости не возникает

S

−E0

N

никаких повреждений

Гатса

Усталостная прочность и предел усталости ме-

Эквивалентно соотношению Генри

няются непрерывно. D(S) = (S – Se)ρ, где Se –

предел усталости, S – мгновенное значение

прочности

57

58

Окончание табл. 1.9

Название гипотезы

Сущность

Формула

Кортена-Долана

Время, требуемое для образования зародышей

d

d

d

повреждённости, равно нулю N 1 = 0. Между

n

+

n

2

S

2

+

n

S

3

+ ... +

n

S

i

= 1

удельной повреждённостью и числом циклов

1

3

i

N

N

S

N

S

N

S

1

1

1

1

существует степенная зависимость D1 = rN a

1

1

1

Марина

Построено семейство кривых усталости, соот-

n

+

n

S

q

+

n

S

q

+ ... +

n

S

q

= 1

ветствующих различным уровням повреждён-

1

2

2

3

3

i

i

N1

ности

N2

S1

N3

S1

Ni

S1

Билинейное прави-

Процесс усталости разделён на фазы зарожде-

ло Мэнсона сумми-

ния трещины и её распространения. Правило

рования поврежде-

линейного суммирования повреждений приме-

ний

няется к каждой фазе отдельно

В последнее время появились работы, направленные на установление физической взаимосвязи между пределом прочности и характеристиками ползучести, в частности длительной прочностью, что является новым аспектом теории прочности. Прочность традиционно рассматривалась как сопротивление материала разрушению при напряжениях ниже предела прочности. При меньших нагрузках разрушения нет. Поэтому явление ползучести – пластическое течение, заканчивающееся разрывом материала под воздействием постоянного напряжения меньше предела прочности, ранее рассматривалось как некая аномалия.

Установлено, что при любых температурах величины, характеризующие сопротивление материала достижению некоторой величины деформации или разрушению, принципиально зависят от времени испытания. Эти данные образовали эмпирический базис кинетической теории прочности. Оказалось, что величины пределов прочности, текучести, ползучести, которые определены при некоторых данных температуры и скорости деформирования, относятся только к принятым условиям испытаний и меняются при изменении этих условий, то есть обнаруживают тем- пературно-временную зависимость и на этой основе физически связаны между собой.

Нахождение связи между длительной и кратковременной прочностью имеет важное значение для теории ускоренных испытаний на надежность, но для цементных бетонов эта связь не определена. Отсутствует также научно обоснованный метод оценки и прогнозирования состояния бетона, подвергающегося воздействию реальной климатической среды. Обширная система «внешних» факторов малопредсказуема в связи с трудностью прогнозирования изменений внешних (атмосферных) воздействий на бетон.

Выводы по главе 1

1.Влияние меняющихся климатических условий на бетоны не исчерпывается колебаниями температур, влажности, солнечной радиации

идругих параметров среды по отдельности, а характеризуется их совокупным, взаимообусловленным действием.

2.Долговечность цементного камня условно оценивается соотношением неблагоприятных внутренних и внешних факторов, которые могут привести к ослаблению и даже разрушению цементного камня. Внутрен-

59

ние факторы долговечности цементного камня определяются незавершённостью химических реакций гидратообразования, формированием неравновесных фаз и неустойчивых промежуточных соединений. Высокая щёлочность цементного камня и значительная пористость в области капиллярных пор (10–7–10–4 м) лежит в основе «внешних» факторов недолговечности.

3.Исследования, посвященные выбору характеристик бетона, предопределяющих его стойкость в условиях воздействия континентального климата, противоречивы. Вопрос моделирования климатического воздействия на бетон в лабораторных условиях, как и переход от моделирования

квоздействию реальной климатической среда, в целом не решен.

4.Объем исследований по долговечности бетонов естественного твердения, пропаренных и пластифицированных, испытывающих воздействие природных условий климата, недостаточен для выработки надежных способов оценки и прогнозирования его состояния.

5.Имеет место тенденция к увеличению объема информации о негативных последствиях воздействия климата на бетон за счет увеличения числа исследуемых характеристик макро- и микроструктурного уровня. Ни одна из изученных характеристик не может однозначно характеризовать стойкость бетона.

Рабочая гипотеза и вопросы исследования

На основе проведенного обобщения литературных данных можно отметить, что, несмотря на широкое развитие строительства с использованием бетонов в условиях воздействия климата, не выработан достаточно надежный способ оценки состояния бетона с позиций стойкости. Мнения ученых о величине воздействия и значимости различных климатических факторов на бетон противоречивы. Недостаточно изучены последствия воздействия климата на структуру и свойства цементного камня и бетонов с добавками пластификаторов и пропаренных бетонов.

Оценка стойкости бетона не получила достаточного отражения в нормативных документах, что привело к фактам недостаточной долговечности таких сооружений, как цементобетонные покрытия автомобильных дорог, мостов, железобетонных шпал, облицовок каналов, лотков ирригационных каналов, подпорных стен и объектов культурно-бытового значения и т.д.

60