Мониторинг бетона

А.Б. Тринкер, доктор технических наук

Аннотация: управление структурой и свойствами бетона в период его проектирования и приготовления решает несколько проблем – возведение долговечного сооружения и получение прибыли, но при выполнении определённых условий. Начало «Эпохи модифицирования бетона применением химических добавок» ровно 70 лет назад, позволило строить высотные железобетонные сооружения различного архитектурного художественного исполнения. В отличие от металлических башен (например, Эйфеля), которые требуется регулярно красить для защиты от коррозии, железобетонные сооружения и небоскрёбы долговечны, не разрушаются от воздействия высоких температур и эстетичны, причём сохраняется экология. Применение бетона в строительстве небоскрёбов впервые в истории человечества было успешно осуществлено практически в 1963-1967 годах при возведении Останкинской телебашни в Москве.

Ключевые слова: управление структурой и прочностью бетона, контроль качества, контрольно-измерительные приборы.

В ХХI веке «контроль качества» назвали «мониторинг».

Из многочисленных проблем требующих решения отечественными строителями и промышленностью строительных материалов, первичной является обеспечение долговечности возводимых сооружений, эта проблема многократно усиливается в условиях вынужденной круглогодичной всепогодной работы в широком диапазоне температурно-влажных условий. Проблему долговечности железобетонного сооружения можно успешно нейтрализовать методом управления структурой и свойствами бетона в период его проектирования.

Обширные исследования по выяснению причинно-следственных связей, условий получения долговечного цементного камня и бетона, и практические применения результатов научно-исследовательских работ были весьма успешно выполнены в 1940-1960-х годах отечественными учёными: П.П. Будниковым, Ю.М. Бутом, Ц.Г. Гинзбургом, Г.И. Горчаковым, В.Ф. Журавлёвым, А.Н. Защепиным, В.М. Медведевым, С.А. Мироновым, В.М. Москвиным, Н.А. Мощанским, Л.Н. Поповым, П.А. Ребиндером, С.М. Рояком, А.В. Саталкиным, Е.Е. Сегаловой, Б.Г. Скрамтаевым, В.И. Сорокером, В.В. Стольниковым, Б.Д. Тринкером, С.В. Шестопёровым, В.Н. Юнгом и другими [1-8].

Рассмотрим основные факторы управляющие свойствами бетона, которые требуется учитывать в современных условиях жёсткой конкуренции в строительстве.

1. Управление свойствами осуществляется в предстроительный период при проектировании состава бетона созданием необходимой консистенции бетонной смеси с контролируемой, заданной структурой и обеспечением всех проектных требований к бетону.

Давно известно, что долговечность железобетонных конструкций и сооружений зависит от характеристик пористости цементного камня и бетона.

В период твердения испаряющаяся вода образует с цементным камнем две формы связи: физико-химическую и физико-механическую, на основе которых возникают три группы пор, отличающиеся по размеру, расположению и, самое главное, влиянию на долговечность бетона. Капиллярные поры, расположенные между агрегатами частиц цементного камня, благоприятствуют впитыванию и миграции воды, которая замерзает в них при охлаждении. Капиллярные поры являются основным дефектом строения бетона, увеличивая пористость и понижая его долговечность. Контракционные поры образуются вследствие уменьшения абсолютного объёма системы цемент-вода (в/ц), вызывают добавочное поглощение воды и образование в системе новых пор. Поры геля представляют собой промежутки между частицами. Вода в порах геля не переходит в лёд при низких температурах.

Капиллярная пористость возрастает при увеличении в/ц и уменьшается при более полной гидратации цемента – при низких в/ц. Активизация цемента и надлежащий уход за бетоном необходимы как для более полной гидратации цемента, так и для уменьшения капиллярной пористости и повышения стойкости бетона. Два главных фактора: в/ц и относительное количество связанной воды (степень гидратации), управляют структурой и свойствами твердеющего бетона. Например, при снижении величины в/ц до 0,30 – 0,35, резко уменьшается капиллярная пористость цементного камня.

Итак, пористость бетона обусловлена наличием пор в цементном камне и также процессами расслоения (седиментации) бетонной смеси и воздухововлечением в период приготовления, транспортировки и уплотнения.

Водоотделение бетонной смеси ухудшает контакт раствора с зёрнами крупного заполнителя, усиливает неоднородность строения бетона и в результате ухудшается плотность и морозостойкость бетона. Эффективным средством ликвидировать расслоение бетонной смеси является квалифицированный подбор гранулометрического состава заполнителей с целью уменьшения размеров межзерновых пространств и расхода воды затворения, а также введение поверхностно-активных добавок.

Наиболее эффективно (доступнее, технологичнее, дешевле) процесс управления свойствами бетонной смеси (реология) и бетона и кольматация капиллярных пор осуществляется введением поверхностно-активных веществ (ПАВ) и электролитов – химических добавок, которые весьма успешно применялись, начиная с 1946 года.

Спустя 40 лет плодотворной работы отечественных учёных и специалистов, химизация бетона достигла 90%, что глобально повысило экономический эффект за счёт: экономии цемента, увеличения срока живучести бетонных смесей, сокращения времени формования, экономии энергии и топлива, применения круглогодичного процесса бетонирования, повышения долговечности и увеличения эксплуатационного срока службы промышленных и гражданских зданий и сооружений.

2. Консистенция бетонной смеси - одна из важнейших характеристик, влияющая на долговечность сооружений и определяется: удобообрабатываемостью, уплотняемостью, перекачиваемостью и удобоукладываемостью. Консистенция это понятие, применяемое для определения состояния бетонной смеси, также можно квалифицировать как сохранность формы вещества, его способность к пластической деформации.

При уплотнении бетонной смеси (независимо от того, осуществляется ли процесс уплотнения трамбованием или вибрацией) происходит удаление воздуха из бетона, пока не будет достигнута максимально возможная плотность. Таким образом, производимая работа направлена на преодоление сцепления между отдельными частицами в бетоне, а также сцепления между бетоном и поверхностью опалубки или арматуры. Часть производимой работы затрачивается на колебания опалубки, а также на вибрацию уже схватившихся частиц бетона. Итак, производимая работа состоит из бесполезной и полезной, причем последняя представляет собой работу, затрачиваемую на преодоление внутреннего и поверхностного сцепления. Поскольку самой смеси свойственно только внутреннее сцепление, удобоукладываемость наиболее точно можно определить как количество полезной работы, необходимой для достижения полного уплотнения.

Удобоукладываемость весьма важная конечная характеристика бетонной смеси, влияющая на качество бетона сооружения, так как бетонная смесь должна иметь такую удобоукладываемость, которая позволила бы при уплотнении достичь максимальную плотность за счет наименьшего усилия, при экономии энергии.

Современные международные строительные фирмы выполняют работы с отличным качеством, возводя долговечные железобетонные конструкции и сооружения с высокими экономическими показателями в результате точного соблюдения всех требований действующих нормативных документов.

В Германии огромный государственный институт норм DIN - DeutschesInstitut für Normung e.V. - занимается разработкой и контролем за соблюдением государственных стандартов.

DIN работает по следующим приоритетным направлениям:

• инновационное руководство (Innovationsmanagement),
• международная торговля (Internationaler Handel),
• глобальный доступный рынок (Globaler Marktzugang),
• экономическая эффективность (Wirtschaftlichkeit),
• безопасность (Sicherheit),
• предпринимательская стратегия (Unternehmensstrategie).

Среди 140 комиссий и комитетов DINпочётное пятое место занимает Комитет по нормам в строительстве и железобетону NA 005 (NA Bau).

Проверке и контролю качества на всех стадиях приготовления бетонной смеси и производству работ в Германии придаётся большое значение и регламентировано многочисленными нормативными документами, например следующими:

DIN EN 206–1 Смеси бетонные. Часть 1. Технические требования, эксплуатационные характеристики, производство.

DIN EN 1045–1 Конструкции несущие из бетона, железобетона и напряжённого бетона. Часть 1. Размеры и конструкции.

DIN EN 1045–2 Конструкции несущие из бетона, железобетона и напряжённого бетона. Часть 2. Бетон. Технические требования.

DIN EN 206–1 Правила применения.

DIN EN 1045–3 Конструкции несущие из бетона, железобетона и напряжённого бетона. Часть 3. Конструктивные исполнения.

DIN EN 1045–4 Конструкции несущие из бетона, железобетона и напряжённого бетона. Часть 4. Дополнительные правила, касающиеся производства сборных элементов.

Протокол DIN 100 Бетон. Сопоставление DINEN 206–1 и DIN 1045–2.

DIN EN 1045–5 Бетонные смеси. Испытания бетона. Специально изготовленные образцы.

DIN 4099 Сварка арматурной стали. Выполнение работ и испытания.

В соответствии с государственным нормативным стандартом, принятым в Германии, DIN EN 206, подразделяют 4 разных вида (класса) испытаний для определения консистенции бетонной смеси:

1) классы S1-S5 (определение осадки конуса) в соответствии с DIN EN 12350–2;

2) классы V0-V4 (метод Вебе) в соответствии с DIN EN 12350–3;

3) классы C0-C4 (определение степени уплотнения) в соответствии с DIN EN 12350–4;

4) классы F1-F6 (определение подвижности бетонной смеси) в соответствии с DIN EN 12350–5 расплыв на встряхивающем столе (для высокоподвижных и литых смесей).

Испытания бетонной смеси производятся по нормам:

DIN EN 12350–1 Бетонная смесь свежеприготовленная. Испытания. Часть 1.
Отбор проб (Фото 1 и 2).

DIN EN 12350–2 Бетонная смесь свежеприготовленная. Часть 2. Определение осадки конуса.

DIN EN 12350–3 Бетонная смесь свежеприготовленная. Часть 3. Метод Вебе.

DIN EN 12350–4 Бетонная смесь Часть 4. Степень уплотняемости.

DIN EN 12350–5 Бетонная смесь Часть 5. Испытания на расплыв (Фото 3).

DIN EN 12350–6 Бетонная смесь Часть 6. Плотность.

DIN EN 12350-7 Бетонная смесь Часть 7. Содержание воздуха (Фото 4).

ASTMC 173 Определение содержания воздуха в свежеприготовленной бетонной смеси.

Статья 422 Испытания бетона. Рекомендации и указания к DIN 1045.

Испытания бетона осуществляют по нормам:

DIN EN 12390–1 Испытания затвердевшего бетона. Часть 1. Форма, размеры и другие требования к испытуемым образцам и пресс-формам.

DIN EN 12390–2 Испытания затвердевшего бетона. Часть 2. Изготовление и хранение образцов для испытания на прочность.

DIN EN 12390–3 Испытания затвердевшего бетона. Часть 3. Испытания прочности образцов бетона на сжатие (Фото 5).

DIN EN 12390–4 Испытание затвердевшего бетона. Часть 4. Определение прочности на сжатие. Требования к испытательным машинам.

DIN EN 12390–7 Испытания затвердевшего бетона. Часть 7. Плотность бетона.

Статья 526 Дополнения к нормативам DIN EN 206–1, DIN 1045–2, DIN 1045–3, DIN 1045–4, DIN 4226.

DIN EN 12390–8 Испытания затвердевшего бетона. Часть 8.
Водонепроницаемость бетона под давлением.

DIN CEN/TS 12390–9 Испытания затвердевшего бетона. Часть 9.
Испытания на морозостойкость и морозо- и солестойкость (Фото 7).

Испытания бетона построенного сооружения:

DIN EN12504–1 Испытание бетона в сооружении. Часть 1.
Изготовление кернов, исследование и испытание на прочность (Фото 6 и фото 5).

DIN EN 12504–2 Испытание бетона в сооружении. Часть 2.
Неразрушающие испытания. Определение упругого отскока (Фото 10).

DIN EN 12504–3 Испытание бетона в сооружении. Часть 3.
Определение усилия вырыва.

DIN EN 12504–4 Испытание бетона в сооружении. Часть 4.
Испытания ультразвуковыми приборами (Фото 9).

Издатель: Немецкий Комитет по железобетону.

Приведенная неполная подборка немецких государственных стандартов даёт представление об обширном диапазоне и ответственном отношении к контролю качества ведущих строительных фирм мира.

 
Фото 1. Вибростол с регулируемыми режимами амплитуды и частоты                     Фото 2. Отбор проб бетонной смеси в соответствии с DIN EN 12350–1.
вибрации, оборудованный зажимными креплениями кубических форм                   Часть 1. Форма стальная полированная 15х15х15 см.
по DIN EN 12350.

          
Фото 3. Испытание на расплыв бетонной смеси консистенции F5/F6 в соответствии с DIN EN 12350–5, Часть 5.
В комплекте: встряхивающий стол 70х70 см, конус высотой 20 см, cнижним диаметром 20 см, верхним диаметром – 13 см.

         
Фото 4. Определение содержания воздуха в бетонной смеси                      Фото 5. Универсальная машина Universalprüfmaschine DIN EN 196-1
в соответствии с DIN EN 12350–7. Часть 7.                                                   с диапазоном измерений от 10 kN до 400 kN для испытания образцов бетона
                                                                                                                   в соответствии с DIN EN 12390–3. Часть 3.

        
Фото 6. Шлифовальная лабораторная машина Probenschleifmaschine-TYPE   Фото 7. Климатическая камера типа Klimaprüfkammer–KPK 630.V 
WSM 3/230для изготовления образцов бетона отобранных из                       с автоматической установкой и контролем температуры в режиме от минус
конструкции по DIN EN 12504-1. Образцы бетона: кубики (диапазон             40 до плюс 180 градусов Цельсия, относительной влажности в диапазонах
от 50 до 200 мм), цилиндры (диаметром от 40 до 160 мм), брусчатка          от 10% до 97% для испытаний морозостойкости и солестойкости
(размеры от 60х120 до 120х240 мм).                                                            образцов бетона по DIN CEN/TS 12390–9.

                                       
Фото 8. Анализатор: питьевой воды, поверхностных вод,                    Фото 9. Компактный прибор ультразвукового испытания бетона, 
грунтовых вод, технических вод, сточных вод, марка                          соответствует DIN EN 12504–4.
Filterphotometr–NANOCOLOR 300 D, соответствует
DIN CEN/TS 12390-10.

    
Фото 10. Разновидности универсального переносного прибора Sclerometer Schmidt Hammer модель N (первое фото) и модель NR (второе фото) с графическим записывающим устройством, определяющие прочность бетона сооружения в диапазоне от 5 до 70 МПа; модель PT (третье фото), определяющая прочность в диапазоне от 0,5 до 5,0 МПа. Испытания в соответствии с DIN EN 12504–2.

Применение высокоточных приборов и оборудования Präzision Messung для контроля и соблюдение всех требований нормативных документов обеспечивает высокое качество и долговечность бетона, гарантирует конкурентоспособность строительной фирме во всём мире и получение значительной прибыли, модернизирует индустрию.

Выводы:

Управление структурой и свойствами бетонной смеси и бетона с целью повышения качества и долговечности железобетонных конструкций и сооружений в условиях жёсткой конкурентной борьбы целесообразно. При этом применяются поверхностно-активные и другие вещества и способы, улучшающие свойства бетона одновременно с использованием всего комплекса новейшего оборудования для контроля качества бетонной смеси и бетона в соответствии с международными нормативными стандартами.

Применение бесценного опыта отечественных учёных - в этом залог успеха в соперничестве с иностранными фирмами за рынок сбыта своей продукции.

Библиография:

1. Тринкер Б.Д., «Применение пластифицированного цемента и пластифицирующих добавок к бетону», Стройиздат, Москва, 1952, стр. 1–60.

2. Тринкер, Б.Д., Стольников, В.В.«Инструкция по изготовлению бетона с применением пластифицированного цемента или обычного цемента с добавкой на месте работ концентратов сульфитно-спиртовой барды», (ИМ-202-51), утверждена 17.10.1951, Государственный комитет Совета Министров СССР по делам строительства, М., 1951, 20 стр.

3. Тринкер Б.Д. «Повышение долговечности гидротехнического бетона добавками из сульфитно-спиртовой барды ССБ», «Конференция по коррозии бетона и мерам борьбы с ней», 17-20 марта 1953, Москва, Волхонка,14.

4. Тринкер, Б.Д.«Руководство по проектированию и подбору состава гидротехнического и обычного бетона», Министерство строительства РСФСР, техническое управление, Москва, 1957, 54 стр.

5. Патуроев В.В., Тринкер Б.Д. «Рекомендации по изготовлению и применению изделий и конструкций из полимерсиликатного бетона», Москва, НИИЖБ Госстроя СССР, 1985, стр. 1–44.

6. Тринкер Б.Д., Дёмина Г.Г. «Бетоны высокой морозостойкости с заданной структурой», ЦБНТИ Минмонтажспецстрой СССР, Москва, 1975.

7. Тринкер А.Б. «Единая система скоростного бетонирования высотных сооружений», журнал «Бетон и железобетон», № 12, 1983, стр. 20–21.

8. Тринкер А.Б. «Эффективные полифункциональные добавки на основе отходов производства», журнал «Специальные строительные работы», Москва, 1992, вып. 5, стр. 10–21.

9. Klaus Kummer, Josef Frankenberger «Das deutsche Vermessung- und Geoinformationswessen 2012», Themenschwerpunkte 2012: Jahresrückblick - ALKIS©: Das Amtliche Liegenschaftskataster-Informationssystem, 2011, XXII, 482 S. Wichmann, ISBN 978-3-87907-511-9.

10. Th. A. Wunderlich «Ingenieurvermessung» Beiträge zum 16.Internationalen Ingenieurvermessungskurs, München, 2010, Wichmann, ISBN 978-3-87907-492-1.