СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/00 

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).

Описанный 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 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' - эффективный коэффициент диффузии, установленный по предварительно построенной тарировочной кривой на основании результатов комплексных испытаний бетонных образцов, см²/год (SU, авторское свидетельство №1193572. М.Кл. G01N 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).

Однако отмеченный способ определения долговечности железобетонных конструкций не может быть реализован при отрицательных температурах окружающей среды, так как он не учитывает влияние размеров кристаллов льда в порах бетона в процессе эксплуатации сооружений при различной влажности на скорость распространения ультразвуковых колебаний (УЗК).

Нами экспериментально установлено, что с увеличением исходной влажности бетона и при наличии в его порах кристаллов льда при отрицательных температурах значительно возрастает скорость распространения УЗК в бетонных (железобетонных) конструкциях. Поэтому определение эффективного коэффициента диффузии в реальных железобетонных конструкциях, эксплуатирующихся в агрессивной среде при высокой влажности и наличии кристаллов льда при отрицательных температурах, по тарировочной кривой, экспериментально установленной по результатам ультразвуковых измерений при положительных температурах 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 20...90%.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание нового метода определения долговечности железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивной и влажной среде при низких температурах окружающей среды и наличии кристаллов льда в порах бетона.

Технический результат - повышение точности и надежности определения эффективного коэффициента диффузии и долговечности железобетонных конструкций при низких температурах окружающей среды с учетом реальной влажности и наличии кристаллов льда в порах бетона эксплуатируемых сооружений.

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, перед испытанием образцы различных составов насыщают водой (влагой) и замораживают в морозильной камере или естественным путем (в зимних условиях) при температуре до минус 20°С и ниже в течение двух и более суток и строят тарировочную кривую «эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне» с учетом влияния кристаллов льда в порах бетона образцов на скорость распространения в них ультразвуковых колебаний, причем измерение скорости ультразвука в образцах различных составов и материале конструкций осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, 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 с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в порах бетона 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, % (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 чертежами.

На фиг.1 представлены зависимости скорости распространения ультразвука в экспериментальных бетонных образцах от их влажности при отрицательных температурах и наличии кристаллов льда в порах бетона (зависимость 1 для бетона класса В15...В20 по прочности на сжатие; зависимость 2 - В22,5; зависимость 3 - В25; зависимость 4 - В35...40).

На фиг.2 представлена зависимость интегрального показателя - величины, обратной относительному параметру скорости распространения ультразвука в бетонах класса В15...В40 по прочности на сжатие от их влажности при отрицательных температурах, то есть при наличии кристаллов льда в порах бетона.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Кривые на фиг.1 описываются уравнением степенной функции следующего вида

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

С₀ - скорость распространения УЗК в бетоне при W=0% для бетонов класса В15...В40 по прочности на сжатие, С₀ изменяется, соответственно, в пределах 4350...4600 м/с; 90 и 1,33 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных;

W - влажность бетона, % (по массе);

Коэффициент корреляции данной зависимости (4) составляет К=0,995.

График на фиг.2 описывается уравнением убывающей степенной функции

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

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

- показатель величины, обратной относительному параметру скорости распространения ультразвука а бетонах класса В15...В40 по прочности на сжатие;

W - влажность бетона, % (по массе);

0,0205 и 1,21 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате исследований.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (5) составляет К=0,994.

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 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, % (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) - 0,98.

Предложенный способ определения долговечности железобетонных конструкций при низких температурах 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 предварительно насыщенных влагой и замороженных образцах из бетона и в железобетонных конструкциях, предназначенных для использования в агрессивной воздушно-влажной среде, при отрицательных температурах окружающей среды 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 при отрицательных температурах окружающей среды 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 с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в порах бетона по следующей формуле

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).

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 бетона 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 с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в порах бетона.

ПРИМЕР. Определить долговечность ребристых плит покрытий производственных зданий при отрицательных температурах (-25°С) окружающей среды и следующих исходных данных:

- толщина защитного слоя железобетонных конструкций ребристых плит х=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 даны (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. М.Кл.³ G01N 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 при низких температурах в условиях агрессивной воздушно-влажной среды; погрешность изменений составляет 1...3%.

Способ заключается в определении эффективного коэффициента диффузии, характеризующего проницаемость железобетона для углекислого газа, в измерении скорости ультразвука в предварительно насыщенных влагой и замороженных бетонных образцах различных составов и материале конструкций при отрицательных температурах окружающей среды, в построении тарировочной кривой зависимости эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне от образцов 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. 2 ил.

Способ определения долговечности железобетонных конструкций при низких температурах, 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 перед испытанием образцы различных составов насыщают водой (влагой) и замораживают в морозильной камере или естественным путем (в зимних условиях) при температуре до минус 20°С и ниже в течение двух и более суток и строят тарировочную кривую "эффективный коэффициент диффузии - скорость прохождения ультразвука в бетоне" с учетом влияния кристаллов льда в порах бетона образцов на скорость распространения в них ультразвуковых колебаний, причем измерение скорости ультразвука в образцах различных составов и материале конструкций осуществляют при отрицательных температурах окружающей среды, 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 с учетом реальной влажности и размеров кристаллов льда в порах бетона устанавливают из формулы

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

m_u - реакционная емкость контролируемых железобетонных конструкций, относительные величины по объему (объем газа, поглощаемый единицей объема бетона);

x_u - толщина защитного слоя бетона железобетонных конструкций, см;

С_u - концентрация углекислого газа в атмосфере, относительные величины 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.%.