СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля строительных конструкций и может быть использовано для массового определения долговечности железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной воздушно-влажной среде.

Известен способ определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды путем выявления исчерпания бетоном защитных свойств по отношению к стальной арматуре, заключающийся в том, что определяют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа (СО₂) в бетоне и по известной зависимости, характеризующей процесс нейтрализации бетона во времени по глубине его защитного слоя над арматурой, устанавливают искомый параметр долговечности железобетонных конструкций (см. Рекомендации по обеспечению надежности и долговечности железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений при их реконструкции и восстановлении /Харьковский ПромстройНИИпроект Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1990. - С.61...63, п.п.4.1...4.2).

Однако отмеченный способ неразрушающего контроля отличается недостаточной надежностью и низкой производительностью определения долговечности железобетонных конструкций.

Наиболее близким к заявляемому объекту относится способ определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, включающий определение эффективного коэффициента диффузии, характеризующего проницаемость железобетона для углекислого газа, измерение скорости ультразвука в бетонных образцах различных составов и материале конструкций, построение тарировочной кривой зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне образцов от величины скорости в нем ультразвуковых колебаний, определение эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в железобетонных конструкциях по результатам ультразвуковых измерений скорости в них и предварительно построенной тарировочной зависимости, а также расчет долговечности железобетона контролируемых конструкций по известной формуле кинетики карбонизации

где τ - долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, лет;

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкциях в относительных величинах по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя железобетонных конструкций, см;

С_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему;

D' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год (SU, авторское свидетельство №1193572. А. М.Кл³ G 01 N 29/00, 33/38. Способ определения долговечности изделий из железобетона /С.Н.Алексеев, И.Н.Урбанович и А.А.Зайцев. - Заявка №3699113/25-28; Заявлено 10.02.1984; Опубл. 23.11.1985, Бюл. №43).

Описанный способ не учитывает влияние влажности бетона в железобетонных конструкциях сооружений на скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний (УЗК).

Нами экспериментально установлено, что с увеличением влажности бетона значительно возрастает в нем скорость распространения УЗК. Поэтому определение эффективного коэффициента диффузии в реальных железобетонных конструкциях, эксплуатирующихся в агрессивной среде при высокой влажности, по тарировочной кривой, экспериментально установленной по результатам ультразвуковых измерений бетонных образцов естественной влажности (0...2%, т.е. практически «сухого» бетона) и последующих их испытаний в камере ускоренной карбонизации, а также расчет долговечности железобетонных конструкций по известной формуле (1) кинетики карбонизации осуществляется с большой погрешностью, величина которой составляет 25...90%.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание метода определения долговечности железобетонных конструкций в агрессивной среде с учетом влажности бетона при их эксплуатации.

Технический результат - повышение точности и надежности определения эффективного коэффициента диффузии и долговечности железобетонных конструкций с учетом влажности бетона при их эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения долговечности железобетонных конструкций, включающем определение эффективного коэффициента диффузии, характеризующего проницаемость железобетона для углекислого газа, измерение скорости ультразвука в бетонных образцах различных составов и материале конструкций, построение тарировочной кривой зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне образцов от величины скорости в нем ультразвуковых колебаний, определение эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в реальных железобетонных конструкциях по результатам ультразвуковых измерений скорости в них и предварительно построенной тарировочной зависимости и расчет долговечности железобетона контролируемых конструкций по формуле кинетики карбонизации, согласно изобретению долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды устанавливают из формулы

где τ - долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, лет;

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций в относительных величинах по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя железобетонных конструкций, см;

C_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему;

D_k - эффективный коэффициент диффузии контролируемых железобетонных конструкций, см²/год,

при этом эффективный коэффициент диффузии (D_k) уточняют из зависимости

где D' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год;

W_k - влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций, % (по массе);

W₀ - влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне», % (по массе).

Изобретение поясняется иллюстрированным материалом.

На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности (зависимость 1 для бетона класса В 12,5 по прочности на сжатие; 2 - В22,5; 3 - В25; 4 - В35...40).

На фиг.2 - зависимость интегрального показателя - относительного параметра скорости распространения ультразвука в бетонах класса В12,5...В40 по прочности на сжатие от их влажности.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Кривые на фиг.1 описываются уравнением степенной функции следующего вида:

где C_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%, м/с;

С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% (для бетонов класса В12,5...В40 по прочности на сжатие, С₀ изменяется соответственно в пределах 4050...4600 м/с; 2,85 и 3,2 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе).

Коэффициент корреляции данной зависимости (4) составляет К=0,997.

График на фиг.2 описывается уравнением убывающей степенной функции следующего вида:

где С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0%, м/с;

С_j - скорость распространения УЗК в бетоне при W>0%;

W - влажность бетона, % (по массе).

0,00069 и 3,1 - эмпирические коэффициенты, установленные в результате исследований.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (5) составляет К=0,996.

Для определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды по результатам экспериментальных и теоретических исследований получена следующая регрессивная модель

где τ - долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, лет;

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций в относительных величинах по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя железобетонных конструкций, см;

C_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему;

D_k - эффективный коэффициент диффузии контролируемых железобетонных конструкций, см²/год,

при этом эффективный коэффициент диффузии (D_k) уточняют из зависимости

где D' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год;

W_k - влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций, % (по массе);

W₀ - влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии -скорость прохождения ультразвука в бетоне», % (по массе).

Коэффициент корреляции модели (6) составляет 0,995, (7) - 0,99.

Предложенный способ определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды осуществляют следующим образом.

Предварительно экспериментально устанавливают зависимость эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в железобетоне от величины скорости распространения в нем ультразвуковых колебаний. Для этого в образцах из бетона и железобетонных конструкциях, предназначенных для использования в агрессивной воздушно-влажной среде, измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний при поверхностном прозвучивании с частотой 60 кГц и базой прозвучивания 120...200 мм, что позволяет получить информацию о структуре поверхностных слоев бетона толщиной 20...30 мм, ограниченной областью защитного слоя, и определяют влажность бетонных образцов. Затем бетонные образцы помещают в камеру ускоренной карбонизации с концентрацией углекислого газа 10 об.%, относительной влажностью 75±5°С. После длительного (порядка 14 сут) пребывания образцов в камере замеряют толщину нейтрализованного слоя образцов. Для этого образцы раскалывают перпендикулярно прозвученным граням, скол обрабатывают 0,1%-ным раствором фенолфталеина в этиловом спирте и затем производят замеры толщины неокрашенной кромки бетона по периметру скола. Одновременно химическим анализом проб бетона определяют количество углекислого газа, поглощенного единицей объема бетона.

На основании измеренных величин определяют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа бетонного образца по формуле

где m_u - реакционная емкость бетона или объем газа, поглощенного единицей объема бетона;

х - толщина нейтрализованного слоя бетона, см;

С_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему;

- продолжительность воздействия газа на образец железобетона.

На основании указанных измерений и расчетов для бетонных образцов различных составов строят тарировочную кривую зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне от величины скорости в нем ультразвуковых колебаний.

Для оценки долговечности контролируемой железобетонной конструкции не менее чем в тридцати участках измеряют время распространения ультразвуковых волн и влажность бетона, вычисляют среднюю скорость ультразвука в бетоне и по ранее построенной тарировочной кривой определяют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в бетоне. Значение эффективного коэффициента диффузии для контролируемой железобетонной конструкции определяют в зависимости от влажности бетона по следующей формуле:

где D_k - эффективный коэффициент диффузии контролируемых железобетонных конструкций, см²/год;

D' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год;

W_k - влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций, % (по массе);

W₀ - влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне»,% (по массе).

Долговечность контролируемой железобетонной конструкции, характеризующуюся временем нейтрализации защитного слоя железобетона, рассчитывают по формуле

где τ - долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, лет;

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций в относительных величинах по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя железобетонных конструкций, см;

С_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему.

Особенностями предложенного способа неразрушающего контроля эксплуатируемых железобетонных конструкций сооружений являются новые методы определения скорости ультразвука, эффективного коэффициента диффузии углекислого газа и долговечности железобетона в зависимости от влажности бетона.

ПРИМЕР. Определить долговечность ребристых плит покрытий производственных зданий при следующих исходных данных:

- толщина защитного слоя железобетонных конструкций ребристых плит x=2 см;

- концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему С_u=0,003;

- эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов D'=3633 см²/год;

- реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций ребристых плит m_u=60;

- влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций ребристых плит W_k=6,5% (по массе);

- влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне», W₀=1,5% (по массе).

Подставляя исходные данные (D', W_k, W₀) в формулу (9), получим значение эффективного коэффициента диффузии контролируемых железобетонных конструкций ребристых плит

Долговечность железобетонных ребристых плит покрытий производственных зданий в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, определенная по зависимости (10), составляет

Долговечность железобетонных ребристых плит покрытий в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, определенная по прототипу (SU, авторское свидетельство №1193572. А. М.Кл³ G 01 N 29/00, 33/38. Способ определения долговечности изделий из железобетона /С.Н.Алексеев, И.Н.Урбанович и А.А.Зайцев. - Заявка №3699113/25-28; Заявлено 10.02.1984; Опубл. 23.11.1985, Бюл. №43):

Погрешность при определении долговечности железобетонных ребристых плит покрытий (без учета их влажности) по прототипу при этом составила

Предложенный способ неразрушающего контроля позволяет значительно повысить точность определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды; погрешность изменений составляет 1...3%.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля строительных конструкций, в частности предусмотрено для определения долговечности железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды. Способ заключается в определении эффективного коэффициента диффузии, характеризующего проницаемость железобетона для углекислого газа, в измерении скорости ультразвука в бетонных образцах различных составов и материале конструкций, в построении тарировочной кривой зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне образцов от величины скорости в нем ультразвуковых колебаний, в определении эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в реальных железобетонных конструкциях по результатам ультразвуковых измерений скорости в них и предварительно построенной тарировочной зависимости. При этом определяют влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций и влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне», и с учетом этих данных рассчитывают долговечность железобетона контролируемых конструкций по формуле кинетики карбонизации. Технический результат - повышение точности и надежности определения эффективного коэффициента диффузии и долговечности железобетонных конструкций с учетом влажности бетона при их эксплуатации. 2 ил.

Способ определения долговечности железобетонных конструкций, включающий определение эффективного коэффициента диффузии, характеризующего проницаемость железобетона для углекислого газа, измерение скорости ультразвука в бетонных образцах различных составов и материале конструкций, построение тарировочной кривой зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне образцов от величины скорости в нем ультразвуковых колебаний, определение эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в реальных железобетонных конструкциях по результатам ультразвуковых измерений скорости в них и предварительно построенной тарировочной зависимости и расчет долговечности железобетона контролируемых конструкций по формуле кинетики карбонизации, отличающийся тем, что определяют влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций и влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне», а долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды устанавливают из формулы

где τ - долговечность железобетонных конструкций в условиях агрессивной воздушно-влажной среды, лет;

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций в относительных величинах по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя бетона железобетонных конструкций, см;

С_u - концентрация углекислого газа в атмосфере в относительных величинах по объему;

D_k - эффективный коэффициент диффузии контролируемых железобетонных конструкций, см²/год,

при этом эффективный коэффициент диффузии (D_k) уточняют из зависимости

где D' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год;

W_k - влажность бетона контролируемых железобетонных конструкций, мас.%;

W₀ - влажность бетонных образцов, по результатам испытаний которых построена тарировочная кривая «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне», мас.%.