CC BY
4УДК 691.328.43
МОНИТОРИНГ УТЕЧЕК ВОДЫ В БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВСТРОЕННЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НИТЕЙ
Донцова1 А.Е., Ольшевский1 В.Я., Столяров1 О.Н.
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, anne.dontsoova@gmail.com
Аннотация. Исследование посвящено возможностям мониторинга технического состояния бетонных трубопроводов, коллекторов, лотков, колодцев и контроля утечек в них посредством использования встроенных датчиков на основе углеродных нитей. Чувствительность электромеханических характеристик углеродных волокон к изменениям параметров внешней среды и механического напряженного состояния позволяет использовать углеродные нити как датчики, чувствительные к повреждениям и утечкам в трубопроводах. Для проведения испытаний были изготовлены образцы изделий из текстильно-армированного бетона (ТАБ) с использованием текстильного полотна из щелочестойких стеклянных и углеродных нитей. Образцы были испытаны на трехточечный изгиб, в результате чего в бетонной матрице образовались трещины, имитирующие повреждения бетонного трубопровода. Затем был проведен мониторинг значений электрического сопротивления армирующих углеродных нитей при локальном смачивании образцов в зоне повреждений. Эксперимент выявил изменения электрического сопротивления при смачивании образцов с относительным изменением до 87% от фонового значения, позволяющие судить о наличии утечки в конструкции. Средние значения относительного изменения в течение всего эксперимента составили 48%, 6%, 13% и 16% для разных образцов. При смачивании изделия из ТАБ изменения электрического сопротивления отдельной армирующей нити неоднородны, и представляют собой чередование перепадов значения и периодов плавного убывания. Электрическое сопротивление углеродных армирующих ровингов было также предварительно измерено в фоновом режиме на краткосрочном и долгосрочном периодах для оценки наличия и влияния фоновых шумов на результаты испытаний. Было выявлено, что изменения электрического сопротивления армирующих нитей при утечках незначительны на кратковременном промежутке и существенно превышают фоновые шумы на долговременном промежутке. Углеродные нити могут быть использованы в качестве встроенных датчиков мониторинга повреждений и утечек в бетонных трубопроводах.
Предмет исследования: изменение электрического сопротивления армирующих углеродных нитей при утечках в бетонной конструкции.
Материалы и методы: анализ литературы по теме исследования, проведение экспериментальных измерений электрического сопротивления углеродных нитей, анализ влияния фоновых шумов на снимаемые данные, построение графиков и визуализация экспериментальных данных.
Результаты: использование углеродных нитей возможно в качестве встроенных датчиков контроля утечек в бетонных трубопроводах. В экспериментах была выявлена чувствительность армирующих углеродных нитей к смачиванию бетонной конструкции. Среднее значение изменения сопротивления углеродных нитей относительно фонового значения составило от 6% до 48% для разных образцов. Изменение сопротивления при смачивании образцов превысило фоновые шумы, регистрируемые при фиксации значений электрического сопротивления углеродных нитей в отсутсвие изменений внешней среды.
Выводы: сведения о наличии повреждений и утечек в бетонной конструкции, полученные от встроенных в бетонную конструкцию датчиков, позволяют, в частности, своевременно выполнять ремонтные работы трубопроводных сетей, из-бегаяя аварийных ситуаций, а в общем случае выявлять закономерности и особенности внутренних процессов бетонного изделия под нагрузкой и точнее предсказывать поведение эксплуатируемых бетонных конструкций. Ключевые слова: текстильно-армированный бетон (ТАБ), бетонные трубы, углеродные волокна, мониторинг, электрическое сопротивление.
ВВЕДЕНИЕ
Углеродные нити применяются для армирования различных конструкционных материалов во многих областях промышленности. Способность углеродных нитей передавать электрический сигнал может быть использована для оценки напряженного состояния нити или условий внешней среды, таких, как влажность и температура. Одним из наиболее популярных конструкционных материалов в наши дни является бетон. Процессы изготовления бетонных конструкций и набора ими прочности хорошо изучены, однако возможности
неразрушающего контроля и оценки технического состояния конструкций в ходе эксплуатации недостаточны. Исследования изменений электрического сопротивления углеродных нитей, заложенных в конструкцию при бетонировании, позволят выдвигать предположения о внутреннем состоянии изделия, на основании чего может быть произведена более точная оценка его несущей способности.
Целью данной работы является исследование чувствительности армирующих углеродных нитей к повреждениям и утечкам в бетонных трубопроводах.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Полые бетонные цилиндрические тонкостенные конструкции могут быть использованы в различных областях строительства - в качестве безнапорных и напорных трубопроводов, оболочек для напорных трубопроводов из стали [1] и композитов [2] или в качестве фундаментных свай [3]. На протяжении многих десятилетий трубопроводы из железобетона применяются при конструировании систем водоснабжения и канализации. Чаще всего обозначенные конструкции располагаются под землёй, что вызывает дополнительные сложности в обслуживании и ремонте бетонных труб. В работах [4]-[11] описываются основные проблемы при эксплуатации и ремонте бетонных трубопроводов. Преимуществами применения бетонных труб для указанных целей являются невысокая материалоёмкость в сочетании со значительной жесткостью материала (как на сжатие, так и на изгиб, из расчёта на кубический метр материала). Коллекторные бетонные трубопроводы являются наиболее частым источником аварийных ситуаций в сетях водоотведения, причем наиболее часто коррозионным повреждениям подвергается свод коллекторного трубопровода, а разрушениям -стыки труб [12]. Несмотря на регламентируемый в ГОСТ 6482-2011 «Трубы железобетонные безнапорные. Технические условия» срок эксплуатации бетонных трубопроводов, составляющий 50 лет, среднестатистический срок безаварийной работы, рассчитанный в работе [13], составил 12,5 лет.
Применение текстильного армирования позволяет избежать коррозии стальной арматуры, а мониторинг состояния трубопроводов с помощью тензометрических датчиков позволяет планировать ремонтные работы во избежание аварийных отключений. Применение композитных материалов в армировании может придать бетону ряд положительных качеств, обоснованных
В качестве армирующего материала было использовано основовязаное полотно из стеклянных и углеродных нитей двух видов переплетения: трико и цепочка. Тип переплетения нитей в полотне влияет на его прочностные свойства и на форму поперечного сечения армирующих ровингов [15]-[17].
коррозионной стойкостью армирующих волокон. В исследовании [14] авторами выявлено улучшение адгезии камня и армирующего базальтового волокна из-за частичной деградации поверхности волокон в щелочной среде бетонирования. Преимущества применения углеродных ровингов и стекловолокна при армировании бетона, по сравнению с армированием сталью, описывается в работе [15]. В статье упоминаются возможности использования углеродного волокна в качестве тензометрического датчика, а также перспективы изготовления прочных тонкостенных бетонных конструкций. При условии совместной работы углеродной нити и армируемого материала мониторинг значений электрического
сопротивления армирующей нити дает возможность делать выводы о техническом состоянии конструкции и его изменениях [15]-[27]. Знания о характере внутренних изменений в бетонных трубопроводах с течением времени позволяют избегать как аварийных разрушений, так и преждевременной замены еще рабочих конструкций. Информация о наличии утечек может быть использована в эксплуатации трубопроводных сетей для оперативной замены поврежденных участков, а возможность локализации разрушений сокращает расходы на земляные работы по поиску утечек [5], [28].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ходе исследования для оценки чувствительности армирующих углеродных нитей к повреждениям и протечкам в бетоне были изготовлены образцы балочек из текстильно-армированного бетона. Образцы были изготовлены из мелкозернистого бетона. Расходы материалов приведены в таблице 1.
Было изготовлено семь образцов бетонных балочек. После набора прочности бетоном, образцы балочек были испытаны на трёхточечный изгиб на электромеханической испытательной машине 1ш^оп (модель 5965). Характеристики каждого из образцов приведены в таблице 2.
Таблица 1. Состав мелкозернистого бетона Table 1. The constituents of fine grained concrete
Составляющее Цемент М400 Вода Песок (0 - 0,63 мм) Пластификатор
Расход, кг/м3 749 276 1367 8
Таблица 2. Характеристики изготовленных образцов бетонных балочек _Table 2. Parameters of the manufactured concrete beam samples
№ Тип армирования Размеры, мм F , Н max ' ст, МПа
1 цепочка 13,8х200,0х50,0 180,22 4,26
2 цепочка 12,4х200,0х50,0 155,09 4,54
3 трико 17,8х200,0х50,0 258,41 3,67
4 цепочка 32,2х160,0х41,4 985,50 4,27
5 без армирования 15,6х200,0х50,0 198,54 3,67
6 без армирования 19,4х200,0х50,0 224,15 2,67
7 без армирования 36,6х160,0х41,7 978,58 3,42
Изготовленные образцы бетонных балочек являлись моделями стенки трубопровода из текстильно -армированного бетона. Образец трубопровода и армирующие текстильные полотна представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Труба из ТАБ и типы армирующих полотен Fig. 1. TRC pipe and textile fabrics as reinforcements in concrete
Электропроводность углеродных нитей измерялась цифровым мультиметром DT832. Щупы мультиметра присоединялись к концам ровингов посредством соединительных кольцевых клемм или клемм типа «крокодил». Соединение щупов мультиметра с клеммами фиксировалось клейкой изолирующей лентой. При замыкании клемм друг на друге значение сопротивления составляло 0,2 Ом.
Измерения электрического сопротивления армирующих углеродных нитей проводились во
время смачивания бетонных изделий. Сначала, снятием нескольких значений, фиксировалось фоновое значение электрического сопротивления. Затем на балочки выливалась жидкость (водопроводная вода) в области трещин, полученных при проведении испытаний на трехточечный изгиб. Для исключения протекания и утекания жидкости через существующие трещины бетонных образцов, а также чтобы избежать намокания непосредственно контактов щупов мультиметра, зона смачивания была герметично
отделена от других зон бетонных балочек. Таким образом, при наливании воды в зону трещин, влага заполняла имеющиеся трещины, а текстильное армирование испытуемых балочек оказывалось погружено в воду на протяжении всего эксперимента.
Снятие значений электрического сопротивления армирующих углеродных нитей производилось двумя способами:
1. Измерение изменения электрического сопротивления углеродных ровингов при смачивании на коротком временном отрезке: значения снимались с периодом 1 с на протяжении 150 с, при этом смачивание балочки происходило в первые 10 с эксперимента;
2. Измерение изменения электрического сопротивления углеродных ровингов при смачивании на длинном временном отрезке: значения снимались с периодом 10 с на протяжении 1800 с, при этом смачивание балочки происходило также в первые 10 с эксперимента.
Между экспериментами образцы балочек оставлялись как минимум на 48 ч при комнатной температуре для полного просушивания. Таким образом исключалось взаимное влияние экспериментов на одном и том же образце.
Для оценки значимости шумов, фиксируемых при снятии значений электрического
сопротивления, для каждого из образцов бетонных балочек было проведено измерение сопротивления армирующих углеродных ровингов в условиях отсутствия изменений внешней среды. Значение относительного изменения электрического сопротивления 8 рассчитывалось по формуле (1).
Чн =
(R - Rp),
(1)
где Л - среднеарифметическое значение электрического сопротивления, Ом, измеренного в течение эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Измерение фоновых изменений электрического сопротивления армирующих углеродных нитей проводилось на кратковременном и долговременном промежутках.
На кратковременном промежутке значения сопротивления фиксировались каждую секунду на протяжении 150 с. Графики относительного изменения сопротивления для каждого из образцов приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Относительное изменение сопротивления нитей на кратковременном промежутке Fig. 2. Change in the fractional electrical resistance of carbon roving over a short period
ср
На кратковременном промежутке фоновое изменение электрического сопротивления не превышает 10% для всех образцов, и среднее значение отклонения составляет 1,2% для образца 1; 0,4% для образца 2; 0% для образца 3; 4,7% для образца 4. Большое количество шумов при снятии значений фонового сопротивления на образце 4 может быть объяснено наибольшим повреждением образца при проведении испытания балочки на изгиб. Как следствие, часть углеродных волокон в
армирующих нитях, могла быть повреждена при испытании на изгиб, что повлияло на однородность поперечного сечения электропроводящего ровинга по его длине.
На долговременном промежутке значения сопротивления фиксировались каждые 10 с на протяжении 1800 с. Графики относительного изменения сопротивления для каждого из образцов приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Относительное изменение сопротивления нитей на долговременном промежутке Fig. 3. Change in the fractional electrical resistance of carbon roving over a long period
На долговременном промежутке фоновое изменение электрического сопротивления достигает 20% для образцов 3 и 4, и не превышает 10% для образцов 1 и 2. Среднее значение отклонения составляет 3,5% для образца 1; 1,1% для образца 2; 10,5% для образца 3; 8,3% для образца 4.
По результатам кратковременного и долговременного исследования электрического сигнала, проводимого углеродными армирующими
нитями, образцы 1 и 2, армированные полотном цепочка, показали себя как наименее подверженные посторонним шумам при снятии значений электрического сопротивления.
Графики относительного электрического сопротивления углеродных волокон образцов кратковременном промежутке рисунке 4.
изменения армирующих из ТАБ на приведены на
Рис. 4. Относительное изменение электрического сопротивления углеродных нитей при смачивании на кратковременном промежутке
Fig. 4. Change in the fractional electrical resistance of carbon roving during wetting over a short period
На кратковременном промежутке изменения электрического сопротивления при смачивании углеродных армирующих нитей не наблюдаются.
Графики относительного изменения
электрического сопротивления армирующих
углеродных волокон образцов из ТАБ на долговременном промежутке приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Относительное изменение электрического сопротивления углеродных нитей при смачивании на долговременном
промежутке
Fig. 5. Change in the fractional electrical resistance of carbon roving during wetting over a long period
На основании полученных графиков характер изменений электрического сопротивления углеродных ровингов может быть описан следующим образом:
1. Отсутствие значительных изменений в электрическом сопротивлении в период проникновения влаги от внешней грани балочки через трещины к армирующим ровингам;
2. Пик изменения сопротивления при смачивании армирующих ровингов водой. Для образцов 1, 3, 4 наблюдается через ~50 с от начала эксперимента. Для образца 2 - через ~500 с. Различие в длительности начального периода для образца 2 может быть объяснено меньшим размером трещин в образце, что повлекло за собой затруднённое проникновение влаги к углеродным нитям.
3. Чередование пиков значений с плавным изменением значений электрического
сопротивления. Как правило, между резкими перепадами электрического сопротивления, значение сопротивления плавно убывает. Пиковые изменения имеют хаотичный характер, и могут быть как возрастающими, так и убывающими.
Изменения электрического сопротивления при смачивании углеродных волокон превышают значения фоновых шумов, полученных при измерениях электрического сопротивления углеродных ровингов, не подверженных никакому воздействию со стороны окружающей среды, что позволяет провести различие между помехами измерений и наличию трещин или протечек в конструкции.
Данные по изменениям электрического сопротивления при смачивании армирующих углеродных нитей образцов балочек из ТАБ приведены в таблице 3.
Таблица 3. Изменения электрического сопротивления углеродных ровингов Table 3. Change in the fractional electrical resistance of carbon rovings
Относительное изменение сопротивления № образца
1 2 4 6
Среднее значение 48,4% 5,6% 12,9% 14,1%
Пиковое значение 87,2% 16,3% 28,1% 70,7%
Среднее значение фоновых шумов 3,5% 1,1% 10,5% 8,3%
Пиковое значение фоновых шумов 10,2% 4,2% 22,7% 21,7%
ВЫВОДЫ
Эксперименты, проведенные в данной работе, доказывают возможность мониторинга технического состояния трубопроводов из ТАБ посредством контроля электрического
сопротивления армирующих углеродных нитей.
В результате выполнения работы получены следующие результаты:
1. На основе методической и научной литературы проанализированы сферы применения бетонных трубопроводов. Проведена проверка соответствия свойств текстильно-армированного бетона и требований к бетонным трубопроводам. Выявлена недостаточность данных по методикам расчета и нормативной документации по применению текстильно-армированного бетона, что подтверждает необходимость проведения исследований по данному строительному материалу. Выявлены описанные в литературе способы применения углеродных армирующих нитей в качестве датчиков утечек и повреждений конструкций.
2. На основании серии экспериментов по мониторингу электрического сопротивления углеродных армирующих нитей подтверждена возможность применения углеродных ровингов в качестве датчиков повреждений и утечек в бетонной конструкции.
В дальнейших исследованиях данной темы могут быть рассмотрены следующие вопросы:
1. Определение численных коэффициентов, определяющих взаимосвязь между количеством жидкости, протекающей через конструкцию, и величиной изменения электрического сопротивления армирующих нитей;
2. Оценка чувствительности встроенных датчиков технического состояния и исследование возможностей локализации утечек в конструкции исходя из значений электрического сопротивления армирующих углеродных нитей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлова С.С. Оценка эксплуатационной надежности трубопроводов, транспортирующих сточные воды // Аграрный научный журнал. 2016. № 3. С. 59-62.
2. Shepelevich M., Puzan A. Studying crack resistance of reinforced-concrete - fibre-glass composite pressure pipes for microtunneling // Problemy sov-remennogo betona i zhelezobetona. 2019. № 11. С. 7688.
3. Денисов О.Л., Фаттахов М.М., Багдасарян Г.Г., Мишланова Н.А. Фундаменты из полых круглых свай под объекты нефтегазового комплекса // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. № 3(109). С. 179-188.
4. Jai Shankar V.P., Jebasingh V.K. A Critical Review on Mass Concrete Embedded Water Pipes as Permanent Roofing // Lecture Notes in Civil Engineering. № 83. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2021. С. 349-358.
5. Visitacion-Sumida B., Chavez-Vazquez M., Bellows P., Slezak L. The City of San José Demonstrates Flexibility and Resolution to Accomplish Yard Piping Repairs Safely and Quickly // Pipelines 2020. 2020. С. 130-138.
6. Siwek J., Choma M. Let's get this program started - Hidden challenges of large diameter sewer rehab projects // WEFTEC 2019 - 92nd Annual Water Environment Federation's Technical Exhibition and Conference. 2019. С. 3126-3143.
7. Engindeniz M., Zarghamee M., Crosby K., Cluff
B. A Repair Program to Minimize Failure Risk of Highly Distressed PCCP Circulating Water Lines // Pipelines 2015. 2015. С. 978-988.
8. Pérez R.E., Zapata J.P.C., De La Cruz F.J.P., Pe-ñalver F.J.L. Mitigation of damage caused to drinking water and sewage pipes during seismic and hydrological episodes // WIT Transactions on the Built Environment. 2017. №174. С. 413-426.
9. Morris A., Grafenauer T., Ambler A. City of Houston 30-Inch Water Transmission Main Replaced by Compressed Fit HDPE Pipe Lining // Pipelines 2017. 2017. С. 178-185.
10. Wells T., Williams H. Acid neutralisation behaviour of concrete sewer pipes // Australasian Corrosion Association Annual Conference: Corrosion and Prevention 2015, ACA 2015. 2015. С. 9-10.
11. Long S., Markham T., Larsen M., Pridmore A., Ojdrovic R., Engindeniz M. Discovery to Solution Implementation: NTMWD Addresses Degraded Piping under a Major Highway // Pipelines 2016. 2016.
C. 1515-1522.
12. Новиков А.М. Виды повреждений сети водо-отведения и причины их возникновения // Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, открытия и достижения. 2017. С. 172-179.
13. Дрозд Г.Я., Хвортова М.Ю. Коррозия бетонных канализационных труб // Агротехника и энергообеспечение. 2015. № 2(6). С. 76-84.
14. Федоркин С.И., Сироджа И.Б., Когай Э.А. Особенности формирования микроструктуры цементного камня в мелкозернистых бетонах на карбонатных заполнителях, армированных базальтовым волокном // Строительство и техногенная безопасность. 2014. № 50. С. 18-24.
15. Quadflieg T., Stolyarov O., Gries T. Carbonfaserbewehrung als Sensor für Bauwerke // Beton- und Stahlbetonbau. 2017. № 8(112). С. 541-544.
16. Perry G., Goldfeld Y. Design methodology for TRC pipes: experimental and analytical investigations // Materials and Structures. 2021. № 5(54). С. 1-20.
17. Goldfeld Y., Rabinovitch O., Fishbain B., Quadflieg T., Gries T. Sensory carbon fiber based textile-reinforced concrete for smart structures // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2016. № 4(27). С. 469-489.
18. Goldfeld Y., Perry G. Electrical characterization of smart sensory system using carbon based textile reinforced concrete for leakage detection // Materials and Structures. 2018. № 6(51). С. 170.
19. Goldfeld Y., Ben-Aarosh S., Rabinovitch O.,
Quadflieg T., Gries T. Integrated self-monitoring of carbon based textile reinforced concrete beams under repeated loading in the un-cracked region // Carbon. 2016. № 98. С. 238-249.
20. Goldfeld Y., Quadflieg T., Ben-Aarosh S., Gries T. Micro and macro crack sensing in TRC beam under cyclic loading // Journal of Mechanics of Materials and Structures. 2017. № 5(12). С. 579-601.
21. Goldfeld Y., Yosef L. Electrical-structural characterisation of smart carbon-based textile reinforced concrete beams by integrative gauge factors // Strain. 2020. № 4(56). С. е12344.
22. Goldfeld Y., Quadflieg T., Gries T. Sensing capabilities of carbon based TRC beam from slack to pull-out mechanism // Composite Structures. 2017. № 181. С. 294-305.
23. Quadflieg T., Goldfeld Y., Dittel G., Gries T. New Age Advanced Smart Water Pipe Systems Using Textile Reinforced Concrete // Procedia Manufacturing. 2018. № 21. С. 376-383.
24. Perry G., Dittel G., Gries T., Goldfeld Y. Monitoring capabilities of various smart self sensory carbon-based textiles to detect water infiltration // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2021. № 20(32). С. 2566-2581.
25. Perry G., Goldfeld Y. Smart self-sensory TRC pipes - proof of concept // Smart Materials and Structures. 2022. № 5(31). С. 055011.
26. Донцова А.Е., Ольшевский В.Я., Столяров О.Н. Композитные трубы из текстильно-армированного бетона в инженерных системах зданий и сооружений // Неделя науки ИСИ: сборник материалов Всероссийской конференции, 26-30 апреля 2021 г. В 3 ч. Ч. 1. 2021. С. 10-12.
27. Донцова А.Е., Ольшевский В.Я., Столяров О.Н. Мониторинг утечек воды в бетонных трубах с помощью встроенных датчиков на основе углеродных нитей // Неделя науки ИСИ: сборник материалов Всероссийской конференции, 4-10 апреля 2022 г. В 3 ч. Ч. 1. 2022. С. 237-238.
28. Stolyarov O., Quadflieg T., Gries T. A study of warp-knitted fabric structure parameters affecting the mechanical properties of textile-reinforced concrete // ICCM International Conferences on Composite Materials. 2015.
REFERENCES
1. Orlova S.S. Assessment of the operational reliability of pipelines transporting wastewater. Agrarnyj nauchnyj zhurnal. 2016. No. 3. Pp. 59-62. (In Russian).
2. Shepelevich M., Puzan A. Studying crack resistance of reinforced-concrete - fibre-glass composite pressure pipes for microtunneling. Problemy sovremen-nogo betona i zhelezobetona. 2019. No. 11. Pp. 76-88. D0I:10.35579/2076-6033-2019-11-06. (In Russian).
3. Denisov O.L., Fattahov M.M., Bagdasarjan G.G., Mishlanova N.A. Foundations from hollow round piles for oil and gas facilities. Problemy sbora, podgo-tovki i transporta nefti i nefteproduktov. 2017. No. 3. Vol. 109. Pp. 179-188. (In Russian).
4. Jai Shankar V.P., Jebasingh V.K. A Critical Review on Mass Concrete Embedded Water Pipes as Permanent Roofing. Lecture Notes in Civil Engineering. No. 83. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2021. Pp. 349-358.
5. Visitacion-Sumida B., Chavez-Vazquez M., Bellows P., Slezak L. The City of San José Demonstrates Flexibility and Resolution to Accomplish Yard Piping Repairs Safely and Quickly. Pipelines 2020. 2020. pp. 130-138. D0I:10.1061/9780784483206.015.
6. Siwek J., Choma M. Let's get this program started - Hidden challenges of large diameter sewer rehab projects. WEFTEC 2019 - 92nd Annual Water Environment Federation's Technical Exhibition and Conference. 2019. Pp. 3126-3143.
7. Engindeniz M., Zarghamee M., Crosby K., Cluff B. A Repair Program to Minimize Failure Risk of Highly Distressed PCCP Circulating Water Lines. Pipelines 2015. 2015. Pp. 978-988. D0I:10.1061/9780784479360.090.
8. Pérez R.E., Zapata J.P.C., De La Cruz F.J.P., Pe-ñalver F.J.L. Mitigation of damage caused to drinking water and sewage pipes during seismic and hydrological episodes. WIT Transactions on the Built Environment. 2017. No. 174. Pp. 413-426. D0I:10.2495/SAFE170381.
9. Morris A., Grafenauer T., Ambler A. City of Houston 30-Inch Water Transmission Main Replaced by Compressed Fit HDPE Pipe Lining. Pipelines 2017. 2017. pp. 178-185. D0I:10.1061/9780784480892.018.
10. Wells T., Williams H. Acid neutralisation behaviour of concrete sewer pipes. Australasian Corrosion Association Annual Conference: Corrosion and Prevention 2015, ACA 2015. 2015. Pp. 9-10.
11. Long S., Markham T., Larsen M., Pridmore A., Ojdrovic R., Engindeniz M. Discovery to Solution Implementation: NTMWD Addresses Degraded Piping under a Major Highway. Pipelines 2016. 2016. Pp. 1515-1522. DOI: 10.1061/9780784479957.141.
12. Novikov A.M. Types of damage to the sewerage network and their causes. Nauka i innovacii v XXI veke: aktual'nye voprosy, otkrytija i dostizhenija. 2017. Pp. 172-179. (In Russian).
13. Drozd G.Ja., Hvortova M.Ju. Corrosion of concrete sewer pipes. Agrotehnika i jenergoobespechenie. 2015. No. 2. Vol. 6. Pp. 76-84. (In Russian).
14. Quadflieg T., Stolyarov O., Gries T. Carbonfaserbewehrung als Sensor für Bauwerke. Beton- und Stahlbetonbau. 2017. No. 8. Vol. 112. Pp. 541-544. D0I:10.1002/best.201700016.
15. Fedorkin S.I., Sirodzha I.B., Kogaj Je.A. Features of the formation of the microstructure of cement stone in fine-grained concretes on carbonate aggregates reinforced with basalt fiber. Stroitel'stvo i tehnogennaja bezopasnost'. 2014. No. 50. Pp. 18-24. (In Russian)
16. Perry G., Goldfeld Y. Design methodology for TRC pipes: experimental and analytical investigations. Materials and Structures. 2021. No. 5. Vol 54. Pp. 1-20. D0I:10.1617/s11527-021-01778-8.
17. Goldfeld Y., Rabinovitch 0., Fishbain B., Quad-
flieg T., Gries T. Sensory carbon fiber based textile-reinforced concrete for smart structures. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2016. No. 4. Vol. 27. Pp. 469-489.
18. Goldfeld Y., Perry G. Electrical characterization of smart sensory system using carbon based textile reinforced concrete for leakage detection. Materials and Structures. 2018. No. 6. Vol. 51. Pp. 170.
19. Goldfeld Y., Ben-Aarosh S., Rabinovitch O., Quadflieg T., Gries T. Integrated self-monitoring of carbon based textile reinforced concrete beams under repeated loading in the un-cracked region. Carbon. 2016. No. 98. Pp. 238-249.
20. Goldfeld Y., Quadflieg T., Ben-Aarosh S., Gries T. Micro and macro crack sensing in TRC beam under cyclic loading. Journal of Mechanics of Materials and Structures. 2017. No. 5. Vol. 12. Pp. 579-601.
21. Goldfeld Y., Yosef L. Electrical-structural characterisation of smart carbon-based textile reinforced concrete beams by integrative gauge factors. Strain. 2020. No. 4. Vol. 56. Pp. е 12344.
22. Goldfeld Y., Quadflieg T., Gries T. Sensing capabilities of carbon based TRC beam from slack to pull-out mechanism. Composite Structures. 2017. No. 181. Pp. 294-305.
23. Quadflieg T., Goldfeld Y., Dittel G., Gries T. New Age Advanced Smart Water Pipe Systems Using
Textile Reinforced Concrete. Procedia Manufacturing. 2018. No. 21. Pp. 376-383.
24. Perry G., Dittel G., Gries T., Goldfeld Y. Monitoring capabilities of various smart self sensory carbon-based textiles to detect water infiltration. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2021. No. 20. Vol. 32. Pp. 2566-2581.
25. Perry G., Goldfeld Y. Smart self-sensory TRC pipes-proof of concept. Smart Materials and Structures. 2022. No. 5. Vol. 31. Pp. 055011.
26. Dontsova A.E., Ol'shevskij V.Ja., Stoljarov O.N. TRC pipes in engineering systems of buildings and structures. Nedelja nauki ISI : sbornik materialov Vse-rossijskoj konferencii, 26-30 aprelja 2021. V 3 ch. Vol. 1. 2021. Pp. 10-12.
27. Dontsova A.E., Ol'shevskij V.Ja., Stoljarov O.N. Leakage monitoring of textile-reinforced concrete pipelines using integrated carbon fiber sensors. Nedelja nauki ISI : sbornik materialov Vserossijskoj konferencii, 4-10 aprelja 2022 g. V 3 ch. Vol. 1. 2022. Pp. 237238.
28. Stolyarov O., Quadflieg T., Gries T. A study of warp-knitted fabric structure parameters affecting the mechanical properties of textile-reinforced concrete. ICCM International Conferences on Composite Materials. 2015.
WATER INFILTRATION DETECTION OF CONCRETE STRUCTURES USING INTEGRATED
CARBON FIBER SENSORS
Dontsova1 A.E., Olshevskiy1 V.Ya., Stolyarov1 O.N.
1 Peter The Great Saint-Petersburg Polytechnical University, 195251, Russia, Saint-Petersburg, Politechnich-
eskaya str., 29, anne.dontsoova@gmail.com
Abstract. This article aims to develop the sensory possibilities of carbon rovings used as built-in leakage sensors to perform concrete pipelines' structural health monitoring. The sensitivity of electromechanical behavior of carbon rovings allows the researchers to use the rovings as leakage sensors. This way the concrete pipelines can be surveyed remotely and nondestructively. In this study, the textile-reinforced concrete (TRC) specimens were manufactured using woven textile of glass and carbon rovings. The specimens were tested for three-point bending. As a result, micro and macro cracking of concrete took place imitating operational damage of a real pipe. Later on, the specimens were locally wetted in the cracked areas while monitoring of reinforcing carbon rovings electrical resistivity was carried out. The measurements showed relative changes in electrical resistivity up to 87% of the initial value. The significant changes in the carbon roving's electromechanical parameters allow the researchers to indicate piping failures causing leakage. Average values of carbon rovings' electrical resistivity relative changes reached 48%, 6%, 13%, and 6% for different samples. The resistance variation behavior is heterogeneous and represents a complex of sharp shifts and smooth decreases. Additionally, preliminary monitoring of carbon rovings electrical resistivity with no wetting had been carried out to compare the wetting event resistance changes and the incidental interference of the electrical signal. The short-term resistance changes turned out to be insignificant, but the long-term variation of electrical resistance after the wetting event was far outweighing the background signal disturbances. In conclusion, the carbon rovings are applicable to be used as built-in sensors for concrete pipelines' structural health assessment.
Subject: reinforcing carbon rovings' electrical resistance change during leakage events in concrete structures. Materials and methods: scientific literature review, experimental measurements of carbon rovings' electrical resistance during wetting events, analysis of incidental interference of the electrical signal, plotting and visualization of experimental data. Results: carbon rovings are sufficient to be used as built-in leakage sensors in concrete pipelines. The experiments revealed sensory abilities of the carbon rovings to a wetting of a concrete structure. The average value of the relative resistance change ranged from 6% to 48% for different samples. However, the relative resistance change because of wetting events exceeded the background noise of the electrical signal in all cases.
Conclusions: The knowledge about the damage and the leakage in the concrete structures is useful both for two purboses. First of all, in particular, it allows to perfom the survey and repair of concrete pipelines avoiding the emergencies and without expensive ground works in search of a failure. Secondly, in general case, the knowledge allows the research to identify the patterns of the internal behavior of the concrete structure under load and to predict the failure behavior more accurately.
Keywords: textile-reinforced concrete (TRC), concrete pipelines, carbon rovings, structural health monitoring, electrical resistance.
