CC BY
27
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
EXPERIMENTAL STUDY OF MOISTURE CONDITION OF BUILDING CONSTRUCTIONS
B.C. Ройфе
V.S. Royfe
НИИСФ PAACH
Описана инженерная методика контроля влажностного режима строительных конструкций зданий и приведены результаты расчета параметров закладных датчиков локального влагосодержания.
We describe the engineering method of control of moisture condition of building constructions and the results of the design parameters embedded sensors of the local humiditi content.
При проектировании зданий и сооружений различного назначения согласно действующим в строительной отрасли федеральным и региональным нормативным документам должны быть произведены прочностные, теплотехнические и др. расчеты.
Однако, существующие методы таких расчетов, зачастую, оказываются малоэффективными в силу большого числа допущений и упрощений, принимаемых исследователями в условиях отсутствия или недостаточных экспериментальных данных о фактическом состоянии конструкций уже эксплуатируемых аналогичных строительных объектов. В первую очередь, это относится к температурно-влажностному режиму конструкций, особенно, массивных, например, в гидротехниче-ском строительстве, или многослойных, например, в автодорожном, жилищном и др. видах строительства. Одним из основных факторов, влияющих на эксплуатационные показатели, в частности, на долговечность подобных конструкций, является пространственное и временное распределение свободной влаги и ее перемещение внутри конструкции.
К методике исследования фактического влажностного состояния строительной конструкции предъявляется ряд специфических требований, основными из которых являются возможность длительных наблюдений за динамикой процесса влагопереноса под воздействием климатических факторов без нарушения целостности конструкции и экспрессность инструментальных измерений. Получение экспериментальных данных о фактическом влажностном состоянии эксплуатируемых конструкций является достаточно сложной научно-технической задачей, до окончательного решения кото-рой еще далеко. Экспериментальные исследования служат для подтверждения и коррекции результатов аналитических расчетов и ни в коей мере не могут рассматриваться как альтернатива расчету, однако, если экспериментальные данные сильно расходятся с результатами расчета, то либо расчет сильно упрощен, либо эксперименты проведены не корректно.
3/2011_МГСу ТНИК
Поскольку речь идет о длительных натурных наблюдениях путем инструментальных измерений, понятно, что для решения этой задачи могут быть использованы лишь косвенные неразрушающие методы контроля, а в качестве первичных преобразователей (датчиков) должны использоваться устройства, способные передавать информацию из локальной зоны, объем которой может меняться на порядок в зависимости от ноднородности материала конструкции. Из современных неразрушающих методов измерения влажности только электрические методы позволяют с помощью малогабаритных датчиков локализовать зону контроля, однако здесь есть свои особенности и ограничения в применении. Основным ограничением является необходимость закладки датчиков внутрь фрагмента конструкции, что возможно, как правило, в процессе ее изготовления. При этом датчик, вводимый в массив материала, должен, во-первых, иметь надёжный контакт с материалом исследуемой зоны конструкции и, во-вторых, должен представлять наименьшее препятствие для тепломассопереноса в зоне действия. Таким условиям удовлетворяют копланарные датчики, электроды которых расположены в одной плоскости, т.е. конструктивно закладной датчик для измерения локальной влажности, должен представлять собой тонкую пластинку из хорошего диэлектрика, на которой размещены металлические электроды, контактирующие непосредственно с материалом конструкции.
Из двух разновидностей электрических методов измерений (диэлькометриче-ского и кондуктометрического), принципиально различающихся измеряемым электрическим параметром (диэлектрической проницаемостью £ и электропроводностью р, соответственно), явное предпочтение должно быть отдано диэлькометрическому, во-первых, потому, что он стандартизирован в качестве метода измерения влажности строительных материалов [2], а во-вторых, он свободен от влияния минерализации влаги и других мещающих факторов, присущих кондуктометрическому методу.
Реальные закладные датчики локального влагосодержания, реализующие диэль-кометрический метод измерения, представляют собой пластинки фольгирован-ного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, на которых нанесен рисунок электродов, выполненных в виде незамкнутых концентрических окружностей, электрически соединенных через одну [1]. В процессе наблюдений измеряется емкость датчика С, зависящая от геометрических размеров датчика, и диэлектрической проницаемости материала, корреляционно связанной с его влагосодержанием. Зона действия или локальность этих датчиков определяется площадью, на которой размещены электроды, и глубиной проникновения поля в материал. При уменьшении площади (средней ёмкости) датчика уменьшение количества информации в заданной локальной зоне наступает вследствие неоднородности материала в толще конструкции. В этом случае рабочее поле датчика не может охватить всех компонентов материала и будет нести информацию о влажности отдельных составляющих, а не материала в целом. Кроме того, при существенном уменьшении диаметра датчика на количестве получаемой от датчика информации, практически, начинает сильно сказываться влияние ёмкости соединительных проводов. В силу изложенного ограничиваются минимально возможные размеры датчика. С другой стороны, с увеличением площади датчика происходит потеря части информации о влажности определенной локальной зоны по следующим причинам:
Во-первых, большая пластина представляет существенное препятствие для движения влаги в конструкции. Во-вторых, при виброуплотнении материала с заложенным датчиком наблюдается так называемый "эффект стенки", при котором гранулы заполнителя отходят от пластины датчика, а пространство вблизи электродов заполня-
ется цементным тестом. Учитывая, что глубина действия поля датчика сравнительно невелика, большой датчик будет нести информацию о влажности только одного компонента, т.е. не уменьшит. а, наоборот, увеличит погрешность измерения.
Выбор размеров датчиков с небольшими отклонениями в пределах указанной области обеспечивает достоверное определение влажности заданной локальной зоны конструкции.
Расчеты и эксперименты, проведенные с различными материалами, показали, что при выборе диаметра датчика, соизмеримого с диаметром самой крупной фракции заполнителя, в рабочее поле датчика попадают все компоненты материала.
Результаты расчетов, позволяющие выбирать оптимальные размеры закладных емкостных датчиков и конфигурацию их электродов для локального определения влажности в строительных конструкциях, в том числе, многослойных, приведены в таблице I.
Таблица 1
Оптимальные размеры закладных емкостных датчиков_
Максимальный размер фракции заполнителя бетона (мм) Диаметр наружного электрода датчика (мм) Ширина электродов датчика (мм) Расстояние между электродами (мм) Объем зоны контроля материала (см3)
5 15 0,2 1,0 0,5
10 18 0,2 1,0 0,75
20 20 0,5 2,0 1,6
40 25 0,5 2,0 2,4
60 50 1,0 4,0 7,8
Подготовка датчиков к закладке в испытуемую конструкцию включает в себя: определение необходимого количества датчиков, которое равно числу исследуемых слоев по толщине конструкции, умноженному на число датчиков в каждом слое, оснащение их соединительным кабелем и индивидуальную калибровку датчиков. Количество датчиков в одном слое по толщине конструкции определяется необходимой степенью осреднения, зависящей от неоднородности материала конструкции. Количество подготавливаемых датчиков берется с 20-ти процентным запасом по сравнению с необходимым количеством. При оснащении датчиков соединительными кабелями особое внимание следует обратить на обеспечение их одинаковой длины. Свободный конец кабеля снабжается малогабаритным разъемом для подключения к измерителю емкости, в качестве которого может быть использован любой современный отечественный или импортный прибор для измерения емкости.
Индивидуальную калибровку датчиков проводят по следующей методике:
- в стеклянную бюксу с объемом, не менее чем в 5 раз превышающим объем зоны контроля датчика, наливают калибровочную жидкость с известным значением диэлектрической проницаемости £, например, ацетон (г= 21,4);
- к измерителю емкости поочередно подключают разъемы кабелей подготовленных датчиков;
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
- фиксируют значения начальной ёмкости каждого датчика Со^ в воздухе (е =1);
- поочередно опуская каждый датчик в бюксу с калибровочной жидкостью так, чтобы пластинка датчика была полностью погружена в жидкость, фиксируют значения емкости каждого датчика Си;
- находят разность АС; = (Си - Си) для каждого датчика и среднее арифметическое значение емкости датчика в партии Сср, где С0; - рабочая (геометри- ческая) емкость конкретного датчика в воздухе.
- определяют относительные отклонения 5;=(ДС; - АСср)х100/АСср для каждого датчика и отбраковывают датчики, у которых 5; > 5%.
После того, как будет набрано необходимое количество датчиков с 5; < 5%, калибровка заканчивается и датчики подготавливаются к закладке в испытуемую конструкцию.
В качестве примера в таблице 2 приведены результаты калибровки партии закладных датчиков, подготовленных к закладке.
Таблица 2.
№№ Ои Ск1 АС; АСср 5;
датчиков пФ пФ пФ пФ %
1 5 41 36 -0,3
2 5 40,5 35,5 -1,7
3 4 39,5 35,5 -1,7
4 4 40,5 36;5 36,1 +1,1
5 4 41 37 +2,5
6 5 39,5 34,5 -4,4
7 8 44,5 36,5 +1,1
8 7 43 36 - 0,3
9 5 42 37 +2,5
10 4 40 36 -0,3
11 6 42,5 36,5 +1,1
12 5 41,5 36,5 +1,1
Откалиброванные датчики закладываются в заранее определенные и подготовленные места (зоны контроля) конструкции, выводятся наружу отрезками радиочастотного кабеля определенной длины, которые подсоединены к специальным щиткам с разъемами, пронумерованными в соответствии с нумерацией заложенных датчиков. Далее составляется программа натурных наблюдений, в которой определяется периодичность и последовательность инструментальных измерений в зависимости от назначения объекта наблюдений и времени года. Инструментальные измерения проводят с помощью серийных радиоизмерительных приборов (измерителей емкости) или с помощью специализированных измерителей влажности, проградуированных на конкретных строительных материалах.
Примеры практического применения описанной методики приведены в [3, 4]. Выводы, полученные на основе анализа результатов проведенных длительных экспе-
риментальных исследований влажностного состояния конструкций, особенно в первые годы эксплуатации, позволили выявить случаи излишнего влагонакопления, непредвиденных зон промерзания и других отклонений от расчетных параметров и своевременно принять возможные меры по устранению выявленных нарушений.
Литература:
1. Авт. свид. №549727 SU. Контактный первичный преобразователь влажности. Ройфе В.С./Б.И. 1977, №9.
2. ГОСТ 21718-84. Материалы строительные. Диэлькометрический метод измерения влажности. Издательство стандартов, М., 1984 - 7 с.
3. Глебова Ф.Х. Измерение влажности тяжелого бетона диэлькометрическим методом// Сб.тр. НИИ строительной физики. М., 1983, с. 99-102.
4. Хурцилава А.К. Методика неразрушающего контроля влажностного состояния бетона гидротехнических coopy®eHHfi//«GEORGIAN ENGINERING NEWS», Тбилиси, 2004, №2, с.104-107.
Literature:
1. Avt. svid. №549727 SU. Kontaktnyipervichnyipreobrazovatel' vlajnosti. Roife V.S./B.I. 1977, №9.
2. GOST 21718-84. Materialy stroitel'nye. Diel'kometricheskii metod izmereniya vlajnosti. Izdatel'stvo standartov, M., 1984 - 7 s.
3. Glebova F.H. Izmerenie vlajnosti tyajelogo betona diel'kometricheskim metodom// Sb.tr. NII stroi-tel'noi fiziki. M., 1983, s. 99-102.
4. Hurcilava A.K. Metodika nerazrushayuschego kontrolya vlajnostnogo sostoyaniya betona gidroteh-nicheskih soorujenii//«GEORGIANENGINERING NEWS», Tbilisi, 2004, №2, s.104-107.
Ключевые слова: строительные конструкции, влажностный режим, методика измерений, закладные датчики.
Keywords: building constructions, moisture condition, method of control, embedded sensors.
e-mail авторов: roife@mail.ru
