Формування гіпотези про розподіл властивостей бетону по об’єму монолітних конструкцій.

Вступ.

Міцність бетону, як і інших будівельних матеріалів, визначається в результаті руйнівного випробування його зразка (для бетону – 0,1×0,1×01 м) під рівномірно зростаючим навантаженням. Відомо, що руйнування такого відносно однорідного матеріалу, як метал, відбувається в результаті виникнення в найбільш «слабкому» об’ємі зразка початкового дефекту – мікротріщини, стрімкий розвиток якого призводить до швидкого руйнування зразка. Бетон, як гетерогенний матеріал, що складається з двох конгломератів – крупного заповнювача і застиглого цементного розчину, з високою неоднорідністю структури самих конгломератів і численними включеннями повітряних та водяних пор, має більш складний процес розвитку руйнування. Висока неоднорідність структури бетону є причиною того, що, з одного боку, початкові мікротріщини виникають на більш ранніх стадіях навантаження, але з іншого боку, їхній розвиток до моменту руйнування зразка є значно більш повільний (закладені мікро- і мезонеоднорідності можуть бути як причиною виникнення окремого початкового дефекту, так і причиною призупинення його розвитку). При порівнянні типових діаграм стиснення металу і бетону проявляється даний значно більш повільний характер руйнування матеріалу бетону.

Рис. (позначено момент «невідворотного» деформування зразка і моменти руйнування зразків)

Висока неоднорідність структури бетону визначає також її високу різноманітність і широкий діапазон можливих значень міцності, що залежить від якісних характеристик окремих структурних компонентів і їхнього кількісного співвідношення. При ‘ведені монолітних залізобетонних конструкцій використовуються важкі бетони, що містять крупний заповнювач з міцних гірських порід (щебінь) середньої величини 10-30 мм. Міцність даного типу бетону залежить, в основному, від двох факторів – міцності застиглого цементного розчину і міцності зчеплення цементного розчину з крупним заповнювачем. Технологічні фактори виготовлення, що визначають формування структури бетону і впливають на її міцнісну здатність, можна умовно розбити на чотири категорії: 1) кількісне співвідношення компонентів бетонної суміші – води, цементу, піску, крупного заповнювачу і спеціалізованих добавок; 2) якісні характеристики компонентів бетонної суміші (активність цементу, форма і розмір щебеню та піску, властивості добавок та ін.); 3) параметри ущільнення бетонної суміші; 4) температурний і вологісний режими твердіння бетонної суміші.

При виготовленні серії контрольних зразків із одного замісу бетонної суміші варіація окремих технологічних факторів від зразку до зразку буде невеликою, і результати випробування даних зразків на міцність будуть мати невеликий розкид. Незначним змінюванням, що визначатимуть незначну неоднорідність показників міцності в даному випадку, підлягатимуть фактори першої і другої зазначених вище груп. При виготовленні сукупності зразків із декількох замісів збільшиться варіація факторів першої групи, і таким чином, збільшиться неоднорідність показників міцності виготовленої сукупності зразків. Якщо з окремого замісу виготовити конструкцію, наприклад, вертикальний пілон, і потім розрізати його на стандартні зразки, випробування даних зразків на міцність покаже неоднорідність, що так само залежатиме від варіації технологічних факторів – в даному випадку уже усіх чотирьох груп, оскільки параметри ущільнення та тепловологісного твердіння окремих об’ємів бетону в вертикальній конструкції відрізнятимуться, що залежатиме від схеми ущільнення та розмірів конструкції. Варіювання факторів третьої і четвертої групи для різних об’ємів горизонтальної конструкції буде також помітним, але воно буде здійснюватись за дещо іншою закономірністю, ніж для вертикальних конструкцій.

Так само як для зразків, при виготовленні декількох конструкцій з різних замісів, а можливо, і різних форм, варіація технологічних факторів зростатиме, і як наслідок, зростатиме неоднорідність міцності бетону в сукупності даних конструкцій.

Оцінка неоднорідності міцності бетону в сукупності готових конструкцій, що були виготовлені в один період часу одною і тою ж бригадою робітників за однаковою технологією, є дуже важливою задачею при зведені монолітних конструкцій, оскільки в такому випадку під час виготовлення в кожній із чотирьох зазначених вище групах факторів можуть бути значні варіювання, навіть при такій формальній однотипній технології виготовлення. Випробування серії контрольних зразків, що були відібрані з тих же замісів бетонної суміші, з яких виготовлялись дані конструкції, дасть дуже наближену оцінку неоднорідності міцності в сукупності конструкцій, оскільки для останньої характерні такі варіювання технологічних факторів, які зовсім відсутні у відповідній сукупності зразків (в першу чергу, це стосується розшарування структури бетону по висоті конструкції). В умовах заводського виготовлення збірних конструкцій за рахунок можливості досягнення високої стабільності параметрів ущільнення та тепловологісної обробки, можливо встановити відповідність між неоднорідністю серії контрольних зразків і відповідної сукупності конструкції, яка не буде змінюватись з часом, оскільки основними фактори змінювання в сукупності конструкцій і сукупності відповідних контрольних зразків, будуть однаковими – а саме змінювання кількісних співвідношень і якісних характеристик компонентів бетонної суміші в окремих замісах. Але в умовах монолітного будівництва, коли постачання бетонної суміші можливе з різних заводів і ускладнюється тривалим етапом її переміщення, коли неможливо проконтролювати сталість технології виготовлення в момент формування конструкції через велику залежність від людського фактору (слабкий рівень автоматизації), коли важко дотримати сталість тепловологісних режимів в різні дні чи періоди дня, а геометрія конструкцій з одної «заливки» є значно більш різноманітною, єдиним надійним способом оцінки неоднорідності міцності бетону залишається використання неруйнівних методів контролю.

Ціль даної роботи – запропонувати шляхи встановлення співвідношень між неоднорідністю показників неруйнівних методів контролю міцності бетону і неоднорідністю показників міцності бетону в характерних об’ємах реальних монолітних конструкцій.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити ряд задач:

1. На основі проведених раніше досліджень сформувати гіпотезу про розподіл характеристик властивостей бетону по об’єму як результат варіації того чи іншого технологічного фактору виготовлення при {характерних проектних} технологіях виготовлення монолітних конструкцій – [встановлення типів неоднорідності];

2. Дослідити особливості кореляційних залежностей між прямими і непрямими показниками міцності бетону в характерних (по типу неоднорідності) об’ємах реальних конструкцій;

3. Встановити співвідношення між неоднорідністю показників неруйнівних методів контролю міцності бетону і неоднорідністю показників міцності бетону в залежності від типу неоднорідності.

Вступ.

Міцність бетону, як і інших будівельних матеріалів, визначається в результаті руйнівного випробування його зразка (для бетону – 0,1×0,1×01 м) під рівномірно зростаючим навантаженням. Відомо, що руйнування такого відносно однорідного матеріалу, як метал, відбувається в результаті виникнення в найбільш «слабкому» об’ємі зразка початкового дефекту – мікротріщини, стрімкий розвиток якого призводить до швидкого руйнування зразка. Бетон, як гетерогенний матеріал, що складається з двох конгломератів – крупного заповнювача і застиглого цементного розчину, з високою неоднорідністю структури самих конгломератів і численними включеннями повітряних та водяних пор, має більш складний процес розвитку руйнування. Висока неоднорідність структури бетону є причиною того, що, з одного боку, початкові мікротріщини виникають на більш ранніх стадіях навантаження, але з іншого боку, їхній розвиток до моменту руйнування зразка є значно більш повільний (закладені мікро- і мезонеоднорідності можуть бути як причиною виникнення окремого початкового дефекту, так і причиною призупинення його розвитку). При порівнянні типових діаграм стиснення металу і бетону проявляється даний значно більш повільний характер руйнування матеріалу бетону.

Рис. (позначено момент «невідворотного» деформування зразка і моменти руйнування зразків)

Висока неоднорідність структури бетону визначає також її високу різноманітність і широкий діапазон можливих значень міцності, що залежить від якісних характеристик окремих структурних компонентів і їхнього кількісного співвідношення. При ‘ведені монолітних залізобетонних конструкцій використовуються важкі бетони, що містять крупний заповнювач з міцних гірських порід (щебінь) середньої величини 10-30 мм. Міцність даного типу бетону залежить, в основному, від двох факторів – міцності застиглого цементного розчину і міцності зчеплення цементного розчину з крупним заповнювачем. Технологічні фактори виготовлення, що визначають формування структури бетону і впливають на її міцнісну здатність, можна умовно розбити на чотири категорії: 1) кількісне співвідношення компонентів бетонної суміші – води, цементу, піску, крупного заповнювачу і спеціалізованих добавок; 2) якісні характеристики компонентів бетонної суміші (активність цементу, форма і розмір щебеню та піску, властивості добавок та ін.); 3) параметри ущільнення бетонної суміші; 4) температурний і вологісний режими твердіння бетонної суміші.

При виготовленні серії контрольних зразків із одного замісу бетонної суміші варіація окремих технологічних факторів від зразку до зразку буде невеликою, і результати випробування даних зразків на міцність будуть мати невеликий розкид. Незначним змінюванням, що визначатимуть незначну неоднорідність показників міцності в даному випадку, підлягатимуть фактори першої і другої зазначених вище груп. При виготовленні сукупності зразків із декількох замісів збільшиться варіація факторів першої групи, і таким чином, збільшиться неоднорідність показників міцності виготовленої сукупності зразків. Якщо з окремого замісу виготовити конструкцію, наприклад, вертикальний пілон, і потім розрізати його на стандартні зразки, випробування даних зразків на міцність покаже неоднорідність, що так само залежатиме від варіації технологічних факторів – в даному випадку уже усіх чотирьох груп, оскільки параметри ущільнення та тепловологісного твердіння окремих об’ємів бетону в вертикальній конструкції відрізнятимуться, що залежатиме від схеми ущільнення та розмірів конструкції. Варіювання факторів третьої і четвертої групи для різних об’ємів горизонтальної конструкції буде також помітним, але воно буде здійснюватись за дещо іншою закономірністю, ніж для вертикальних конструкцій.

Так само як для зразків, при виготовленні декількох конструкцій з різних замісів, а можливо, і різних форм, варіація технологічних факторів зростатиме, і як наслідок, зростатиме неоднорідність міцності бетону в сукупності даних конструкцій.

Оцінка неоднорідності міцності бетону в сукупності готових конструкцій, що були виготовлені в один період часу одною і тою ж бригадою робітників за однаковою технологією, є дуже важливою задачею при зведені монолітних конструкцій, оскільки в такому випадку під час виготовлення в кожній із чотирьох зазначених вище групах факторів можуть бути значні варіювання, навіть при такій формальній однотипній технології виготовлення. Випробування серії контрольних зразків, що були відібрані з тих же замісів бетонної суміші, з яких виготовлялись дані конструкції, дасть дуже наближену оцінку неоднорідності міцності в сукупності конструкцій, оскільки для останньої характерні такі варіювання технологічних факторів, які зовсім відсутні у відповідній сукупності зразків (в першу чергу, це стосується розшарування структури бетону по висоті конструкції). В умовах заводського виготовлення збірних конструкцій за рахунок можливості досягнення високої стабільності параметрів ущільнення та тепловологісної обробки, можливо встановити відповідність між неоднорідністю серії контрольних зразків і відповідної сукупності конструкції, яка не буде змінюватись з часом, оскільки основними фактори змінювання в сукупності конструкцій і сукупності відповідних контрольних зразків, будуть однаковими – а саме змінювання кількісних співвідношень і якісних характеристик компонентів бетонної суміші в окремих замісах. Але в умовах монолітного будівництва, коли постачання бетонної суміші можливе з різних заводів і ускладнюється тривалим етапом її переміщення, коли неможливо проконтролювати сталість технології виготовлення в момент формування конструкції через велику залежність від людського фактору (слабкий рівень автоматизації), коли важко дотримати сталість тепловологісних режимів в різні дні чи періоди дня, а геометрія конструкцій з одної «заливки» є значно більш різноманітною, єдиним надійним способом оцінки неоднорідності міцності бетону залишається використання неруйнівних методів контролю.

Ціль даної роботи – запропонувати шляхи встановлення співвідношень між неоднорідністю показників неруйнівних методів контролю міцності бетону і неоднорідністю показників міцності бетону в характерних об’ємах реальних монолітних конструкцій.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити ряд задач:

1. На основі проведених раніше досліджень сформувати гіпотезу про розподіл характеристик властивостей бетону по об’єму як результат варіації того чи іншого технологічного фактору виготовлення при {характерних проектних} технологіях виготовлення монолітних конструкцій – [встановлення типів неоднорідності];

2. Дослідити особливості кореляційних залежностей між прямими і непрямими показниками міцності бетону в характерних (по типу неоднорідності) об’ємах реальних конструкцій;

3. Встановити співвідношення між неоднорідністю показників неруйнівних методів контролю міцності бетону і неоднорідністю показників міцності бетону в залежності від типу неоднорідності.

Формування гіпотези про розподіл властивостей бетону по об’єму монолітних конструкцій.

В даному пункті статті представлено результати дослідження неоднорідності в монолітних конструкцій з двох об’єктів: торговельний центр, в якому вимірювання неруйнівними методами проводились на всіх (п’яти) поверхах по мірі зведення в 91 вертикальній конструкції, і житловий комплекс, в якому вимірювання проводились на нижніх п’яти поверхах в 60 вертикальних конструкціях після завершення будівництва всього будинку (в середньому через пів року після зведення конструкцій). (Можна привести на рисунку плани підвальних поверхів.) Дослідження проводилось методом відриву зі сколюванням і двома неруйнівними методами – ударного імпульсу і ультразвуковим при поверхневому прозвучу ванні (зрідка, також і при наскрізному).

Першим є дослідження сімнадцяти колон, в яких відриви здійснювались на різних рівнях по висоті конструкції в кількості не менше трьох, яке проводилось з метою максимального виявлення особливостей неоднорідності по висоті конструкції. В результаті була виявлена неоднорідність за рахунок седиментації щебеню (розшарування структури за рахунок осідання більш важких фракцій крупного заповнювачу). …

Результати аналізу підтверджуються результатами дослідження монолітного блоку, що був виготовлений на об’єкті торговельного центру самостійно, і який ретельно був обстежений різними методами (тільки відривів зі сколюванням – 18, розподілених по трьом рівням по висоті).

Наступним представляється дослідження сукупності всіх ділянок на яких проводились відриви зі сколюванням, в усіх обстежених даних методом конструкціях (91+60). Виготовлення торговельного центру тривало більше двох років, тоді як нижні поверхи житлового комплексу були зведені за декілька місяців. Це означає більшу варіацію технологічних факторів, і тому для аналізу конструкції на даному об’єкті об’єднані в сукупності по принципу приблизно одночасного виготовлення, а також приблизно однакового віку випробування неруйнівними методами. Конструкції на другому об’єкті об’єднані в більші сукупності – по принципу одного поверху і одної секції житлового будинку.

Основним результатом дослідження є те, що не спостерігається сталого співвідношення між неоднорідністю непрямих показників і міцністю для першого об’єкту, тоді як для другого – таке співвідношення можна вважати умовно сталим. Це підтверджує тезу про нестабільність технології (значно більшу варіацію технологічних факторів виготовлення) на першому об’єкті – очевидно, що на першому об’єкті, на відміну від другого, використовувались бетонні суміші різних постачальників. Для підтвердження цієї гіпотези – вияснення, які саме технологічні фактори на першому об’єкті спричинюють виникнення неоднорідності в різних сукупностях, необхідно дослідити результати обстеження користуючись кореляційним аналізом і теоретичними викладками по структурній будові матеріалу бетону та фізичних принципів неруйнівних методів.

Для вивчення впливу фактору вмісту крупного заповнювачу подібний аналіз був проведений окремо для трьох рівнів по висоті конструкції (для високих конструкцій – для чотирьох і п’яти рівнів). Відмінність результатів полягає в тому, що …. Це пояснюється ….

В табл.4 наведено два варіанти обстеження – по середній зоні і по верхній. Як видно, Vс зменшується при даних способах обстеження, що пояснюється вилученням із загальної неоднорідності в даних випадках неоднорідності по висоті. Чим більше ОК, тим більше відхилення верхніх зон від середньої. Зміною ОК від замісу до замісу пояснюється неоднаковість неоднорідностей в сукупності при вимірюванні по верхнім і по середнім зонам (в першому випадку неоднорідність в сукупності більша).

Табл. 4.

Аналіз різних способів вимірювання в табл.4 свідчить про те, що в деяких сукупностях основною складовою в загальній неоднорідності є внутрішньо конструкційна неоднорідність, а в деяких більшу значимість має неоднорідність, що проявляється від конструкції до конструкції. Основною задачею досліджень в даному розділі є встановлення причини даного типу неоднорідності, що здійснюється на основі вимірювань фізико-механічних властивостей бетону в конструкції по середнім (верхнім) зонам.

На рис.9 зображено розподіли конструкційної міцності в сукупностях, в яких неоднорідність на рівні різних конструкцій переважає внутрішньо конструктивну неоднорідність.

Рис.9. Розподіли конструктивної міцності в сукупностях і їх параметри.

Як видно, розподіли симетричні нормальні, з різними коефіцієнтами варіації.

Причиною неоднорідності може бути варіація факторів рецептури від замісу до замісу, що викликає, в тому числі, і різну ОК. Другою причиною неоднорідності може бути варіація фізичних характеристик компонентів. Інші причини полягають в різній інтенсивності ущільнення різних конструкцій, їх різні тепловологісні умови твердіння, а також різний вік конструкцій.

Окремо був досліджений аспект доцільності контролю міцності по середньому значенню в конструкції – на об’єкті будівництва торгового центру, як такого, на якому траплялись випадки невідповідності міцності бетону в конструкціях проектному класу. Результати контролю міцності зображено на рис.8 – по осі абсцис відкладено частоти виникнення невідповідності міцності окремої конструкції проектному класу, по осі ординат – позначення окремого обстеження і клас бетону. (Перелік обстежень неповний – в подальшому буде доповнений). Жовтим кольором позначено частоти при контролі по середньому значенню в середній частині конструкції значенню міцності, бордовим – по середньому значенню в нижній частині конструкції, фіолетовим – по середньому значенню в нижній частині конструкції. (Додам ще результати по середньому в усій конструкції – воно буде близьким до результату жовтої діаграми.)

Руйнування відбувається в найслабшій частині вертикальної конструкції, і як видно з діаграми, при контролі по верхній, найслабшій частині конструкції, кількість відбракованих конструкцій помітно зростає.

Монотонний майже лінійний характер неоднорідності міцності в вертикальних конструкціях (рис.4) дозволяє зробити висновок про достатність, задля врахування неоднорідності, обстеження трьох характерних ділянок (крайні і середня), при ігноруванні самої нижньої зони конструкції, як нетипово завищеної.

Дослідження неоднорідності бетону по висоті в вертикальних конструкціях виявило також наступну загальну закономірність – при значній неоднорідності наявна асиметрія в сторону більших значень, при малій неоднорідності – навпаки (рис.4). Дана асиметрія є наслідком незначної нелінійності процесу седиментації, що також призводить до малої нелінійності геометричного закону розподілу міцності по висоті, з протилежними знаками в даних випадках неоднорідності (див. табл.1). Інше можливе пояснення асиметрії – через ультразвуковий наскрізний метод, на який впливають внутрішні «викиди» і дефекти (що, в свою чергу, частіше трапляється в конструкціях з високим значенням Vк).

Табл. 1. Розподіл міцності по висоті.

Обстеження горизонтальних конструкцій плит (5 тип в табл.1,2) зазвичай можливе тільки з верхньої і нижньої сторони, причому через наявність «молочка» і нерівність поверхні обстеження верхньої частини тільки методами часткового руйнування. Дослідження неоднорідності по висоті, аналогічне вертикальним конструкціям, з приведенням розподілів та полів міцності, можливе лише у випадку вибурювання кернів. Результати детального обстеження неруйнівними методами кернів, що були вибурені із плити, вказують на аналогічні тенденції, як і у вертикальних конструкціях – невелике підвищення міцності в самому нижньому шарі плити при рівномірній її зміні по висоті в іншій товщі (див. залежність в табл.1). Послаблена верхня зона не приймається до уваги при розрахунку середнього, як і посилена нижня зона. За результатами дослідження кернів (табл.3) виведено середній коефіцієнт завищення міцності нижнього шару плити товщиною 1-2см, в залежності від Vк (варіація в керні), по відношенню до міцності попереднього шару. Обстеження неруйнівними методами проводиться лише з нижньої сторони, тоді як з верхньої за результатами відривів встановлюється середнє значення для всієї сукупності –Rв сер.

Для різної неоднорідності формули визначення Rс в табл.3 є близькими, усереднена залежність встановлюється як Rс= (Rв сер. + 0,95*Rн)/2. Оскільки неоднорідність в горизонтальних конструкціях лінійна, причому лінійність більш строга, ніж у вертикальних, без присутності «викидів», має місце висока кореляція між розмахом і внутрішньо конструкційним коефіцієнтом кореляції. Усереднена залежність скв від розмаху – σк=…Δк, звідки встановлюється Vк=…Δк*100/Rс.