CC BY
57
Строительное материаловедение
ВЕСТНИК
МГСУ
УДК 666.972 + 621.311.1
В.П. Попов
ФГБОУВПО «СГАСУ»
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ОПЕРАТИВНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ БЕТОНОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Рассмотрена одна из важнейших характеристик бетона гидротехнических сооружений — его морозостойкость. Приведены сведения о применяемых методах определения морозостойкости бетона в лабораторных условиях и их недостатках. Обоснована взаимозависимость морозостойкости и коэффициента Пуассона. Описана разработанная методика оперативного определения морозостойкости бетона конструкций эксплуатируемых гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: гидротехническое строительство, бетонные сооружения, морозостойкость, методика оперативного контроля.
Одной из важнейших характеристик, определяющих долговечность бетона конструкций гидротехнических сооружений, является морозостойкость. Особенно это актуально для тех участков конструкций, которые находятся в зоне колебания уровня воды в осенне-зимний период. Бетон в этих местах на определенную глубину от поверхности конструкций насыщается водой практически до полной стабилизации массы, а впоследствии при переходе температуры воздуха в область отрицательных значений имеет место замерзание влаги в порах бетона. Последнее сопровождается разрушением его структуры сначала на поверхностном слое, а затем и на большей глубине. Поскольку в течение осенне-зимнего периода температура наружного воздуха неоднократно переходит через ноль, то в структуре бетона имеет место процесс многократного (цикличного) замораживания и оттаивания, что ускоряет процесс разрушения бетона. Для оценки способности бетона сопротивляться действию циклического замораживания и оттаивания в практику его контроля введена характеристика, называемая морозостойкостью.
В качестве критерия морозостойкости бетона принимают число циклов замораживания и оттаивания, при которых бетонный образец (как правило, куб) определенного размера при определенных условиях испытания (температурах и продолжительности замораживания и оттаивания) потеряет либо определенный процент прочности, либо определенный процент массы [1]. Сам процесс определения морозостойкости осуществляется в условиях лабораторий, и для его реализации требуется дорогостоящее и энергоемкое оборудование. Кроме того, он требует больших затрат времени и труда. Здесь следует заметить, что в конечном итоге при такой методике испытания бетона определяется морозостойкость подобранных составов, что не гарантирует аналогичных параметров морозостойкости бетона конструкций, поскольку, как это широко известно, на параметры структуры бетона оказывает влияние большое число технологических факторов, сопровождающих процесс ее получения.
Даже небольшие колебания каждого из технологических параметров в сумме могут привести к резкому снижению морозостойкости бетона. Поэтому на строительной площадке необходим неразрушающий оперативный метод определения морозостойкости, который позволял бы оценивать этот параметр бетона в самой конструкции с требуемой для практических целей точностью. Решению этой задачи и посвящены исследования, часть результатов которых приведена здесь.
© Попов В.П., 2012
139
вестник 812012
При изучении процессов разрушения бетона циклическим замораживанием на базе аппарата механики разрушения автор данной работы обратил внимание на тот факт, что морозостойкость бетона хорошо коррелирует с такой его характеристикой, как коэффициент Пуассона [2]. При этом значения последнего относительно просто и с высокой точностью можно определить ультразвуковым неразрушающим методом [3].
Анализ физической картины процесса разрушения бетона циклическим замораживанием позволил дать объяснения обнаруженной зависимости коэффициента Пуассона от морозостойкости. Суть объяснения заключается в следующем. Существующие в настоящее время гипотезы, описывающие процесс разрушения бетона низкотемпературным воздействием, такие как гипотеза общего кристаллизационного давления льда, гипотеза давления дополнительного кристаллольдообразования в капиллярах бетона, гипотеза гидростатического давления воды, отжимаемой в мелкие поры при замерзании воды в крупных порах, гипотеза разности температурных деформаций заполнителей и др., не свободны от недостатков и не могут каждая в отдельности объяснить причины роста микротрещин при циклическом замораживании [4].
На наш взгляд, имеет место совокупное воздействие всех этих факторов, которое в конечном итоге приводит к зарождению микротрещин, дальнейшему их росту и переходу на позднейших стадиях разрушения в магистральные трещины, существенно изменяющие начальные параметры материала. Процесс роста трещин всегда сопровождается изменением начального объема бетонного элемента, которое фиксируется также таким его параметром, как коэффициент Пуассона. Это прекрасно было показано в работах О.Я. Берга и Ю.В. Зайцева [5, 6], где говорилось, что чем плотнее начальная структура бетона (т.е. чем в ней меньше дефектов), тем меньше увеличение объема материала при его разрушении и значения коэффициента Пуассона. Выше предложенная картина зависимости значений коэффициента Пуассона от морозостойкости и была положена с основу предлагаемой методики определения морозостойкости бетона неразрушающим оперативным ультразвуковым методом.
Суть предлагаемой методики заключается в следующем. До начала испытаний подобранных составов бетона на морозостойкость на воздушно-сухих образцах бетона определяют значения коэффициента Пуассона при помощи импульсного ультразвукового метода, после чего образцы подвергаются испытанию на циклическое замораживание. По результатам испытаний строится зависимость значений коэффициента Пуассона от морозостойкости бетона. Далее, в условиях строительной площадки, на готовых конструкциях гидротехнических сооружений тем же импульсным ультразвуковым методом определяют значения коэффициента Пуассона и по ранее полученной зависимости вычисляют морозостойкости бетона.
Для практической реализации метода следует использовать ультразвуковые серийно выпускаемые приборы, снабженные экраном и имеющие приспособленный для бетонов ультразвуковой диапазон излучения. Определение значений коэффициента Пуассона осуществляют при сквозном прозвучивании контролируемого бетонного элемента. При этом датчики располагают под углом в 45° и замеряют время прохождения продольных и сдвиговых (поперечных) ультразвуковых волн через бетонный образец или бетонный элемент. Время прохождения продольных волн замеряется по величине первого вступления, а сдвиговых — по фазовому переходу ультразвуковых волн. Затем вычисляются скорости прохождения волн и по методике [3]. Здесь следует заметить, что предлагаемый метод обладает весьма высокой точностью, не хуже 3 %.
140
КБИ 1997-0935. Vestnik Мвви. 2012. № 8
Строительное материаловедение
ВЕСТНИК
МГСУ
Библиографический список
1. ГОСТ 10060—95. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
2. Попов В.П. Прогнозирование ресурса долговечности бетона акустическими методами на основе механики разрушения : дисс. ... д-ра. техн. наук. СПб. : ПГУПС, 1998. 247 с.
3. МИ 11-74. Методика по определению прочностных и деформационных характеристик при одноосном кратковременном сжатии. М. : Стандарты, 1975. 68 с.
4. Бетон для строительства в суровых климатических условиях / В.М. Москвин, М.М. Капкин, А.Н. Савицкий, В.Н. Ярмаковский. Л. : Стройиздат, 1973. 167 с.
5. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М. : Госстройиздат, 1961. 125 с.
6. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. М. : Стройиздат, 1982. 196 с.
Поступила в редакцию в мае 2012 г.
Об авторе: Попов Валерий Петрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры технологии и организации строительного производства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»),
443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, (846) 242-17-84, sgasu@sgasu.smr.ru.
Для цитирования: Попов В.П. Неразрушающий оперативный метод контроля морозостойкости бетонов гидротехнических сооружений // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 139—142.
V.P. Popov
EFFICIENT NON-DESTRUCTIVE METHOD OF CONTROL OVER THE FROST-RESISTANCE OF CONCRETES DESIGNATED FOR HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURES
The author considers the problem of control over the frost resistance as the most important characteristic of concretes designated for hydraulic engineering structures. His method is based on the identification of correlation between the frost resistance and the Poisson ratio. The value of the Poisson ratio is measurable through the employment of the ultra-sound method.
The proposed methodology contemplates the following sequence of acts. First, the value of the Poisson ratio of air-dried samples of concrete is identified through the employment of the ultrasound method. Thereafter, samples are exposed to cyclic freezing and thawing. Based on the testing results, correlation between the Poisson ratio values and the frost resistance of the concrete is identified. Further, the same ultrasound method is used to find out the values of the Poisson ratio of the hydraulic engineering structures on site to identify the value of the frost resistance of the concrete on the basis of the correlation identified earlier.
Mass produced ultrasound testing devices are to be used for the above purposes. They must have screens, and their ultrasound range must fit concretes. Poisson ratio values are identified through the penetration of the ultrasound signal through the thickness of a concrete element under control. Sensors are to be positioned at the angle of 45°, and the time of travel of longitudinal and shear (lateral) ultra-sound waves through the thickness of a concrete sample or a concrete element is measured. The time of travel of longitudinal waves is measured on the basis of the value of the first signal, while shear waves are measured on the basis of the phase transition of ultrasound waves. Thereafter, velocities of waves are calculated pursuant to the methodology proposed by the author. It is noteworthy that the accuracy of the proposed method is quite high, and the margin of error does not exceed 3 %.
Key words: hydraulic engineering structures, concrete, frost resistance, efficient ultra-sound control method.
References
1. GOST 10060—95. Betony. Metody opredeleniya morozostoykosti. [State Standard 10060-95. Concretes. Methods of Identification of Their Frost Resistance].
2. Popov V.P. Prognozirovanie resursa dolgovechnosti betona akusticheskimi metodami na osnove mekhaniki [Projection of Durability of Concretes by Mechanics-based Acoustic Methods]. St.Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University]. 1998, 247 p.
3. Mi 11-74. Metodika po opredeleniyu prochnostnykh i deformatsionnykh kharakteristikpri odnoos-nom kratkovremennom szhatii [MI 11-74. Method of Identification of Strength and Deformation-related Properties in the Event of a Single-Axis Short-Term Compression]. Moscow, Standarty Publ., 1975, 68 p.
Research of building materials
141
ВЕСТНИК 8/2Q12
4. Moskvin V.M., Kapkin M.M., Savitskiy A.N., Yarmakovskiy V.N. Beton dlya stroitel'stva v sur-ovykh klimaticheskikh usloviyakh [Concrete Designated for Construction In the Unfavourable Climatic Environment]. Leningrad, Stroyizdat Publ., 1973, 167 p.
5. Berg O.Ya. Fizicheskie osnovy teorii prochnosti betona i zhelezobetona [Basic Physics That Underlies the Strength of Concrete and Reinforced Concrete]. Moscow, Gosstroyizdat Publ., 1961, 125 p.
6. Zaytsev Yu.V. Modelirovanie deformatsiy i prochnosti betona metodami mekhaniki razrusheni-ya [Modeling of Concrete Deformations and Strength through the Employment of Methods of Fracture Mechanics]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1982, 196 p.
About the author: Popov Valeriy Petrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443001, Russian Federation; sgasu@sgasu.smr.ru; +7 (846) 242-17-84.
For citation: Popov V.P. Nerazrushayushchiy operativnyy metod kontrolya morozostoykosti betonov gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Efficient Non-Destructive Method of Control over the Frost-Resistance of Concretes Designated for Hydraulic Engineering Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 139—142.
142
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 8
