Технология оперативного контроля бетона при выдерживании монолитных конструкций в условиях отрицательных температур

1.

Технология
оперативного
температурнопрочностного контроля бетона при выдерживании
монолитных конструкций в условиях отрицательных
температур.

2.

Актуальность выбранной темы в том, что в условиях больших объемов и
высоких темпов изготовления монолитных конструкций особую остроту
приобретают вопросы разработки и применения надёжных методов
построечного контроля температуры выдерживания и динамики нарастания
прочности бетона и связанных с этим технологических приёмов выдерживания
конструкций, подвергающихся ранней распалубке. При этом требуется
разработка
систем
технологического
контроля,
интегрированных
непосредственно
в
производственный
процесс,
обеспечивающих
выдерживание бетона в сложных климатических условиях.

3.

Целью работы является повышение эффективности и надёжности процессов
управления тепловой обработкой и выдерживанием монолитных конструкций
зданий, в том числе подвергающихся ранней распалубке и в условиях
скоростного
строительства,
посредством
разработки
новых
и
совершенствования существующих технологических приёмов оперативного
температурно-прочностного объектного контроля.
Научно-техническая гипотеза состоит в предположении возможности
повышения эффективности монолитного строительства за счет организации
методов, обеспечивающих высокую оперативность выработки решений
адаптивного характера в ходе управления производственными процессами на
различных этапах изготовления строительной продукции.

4.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие
основные задачи исследования:
теоретически обоснован метод косвенного определения температуры
бетона через опалубку с использованием ИК термометрии;
теоретически обоснован метод косвенного определения температуры
бетона через опалубку с использованием контактных датчиков температуры и
теплоизолирующих накладок;
определены перспективные направления дальнейших исследований в
рамках обозначенной предметной области;
проведен анализ факторов, определяющих неоднородность условий
выдерживания бетона в объеме отдельных конструкций и их фрагментов;
разработаны правила выполнения косвенного определения температуры
бетона в построечных условиях;
разработаны типовые приёмы построечного температурного контроля с
применением различных приборных средств и методик измерений для
надёжной оценки теплового режима содержания конструкций и
прогнозирования прочности;
разработан метод организации оперативного мониторинга состояния
возводимых монолитных конструкций в реальном масштабе времени

5.

СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И КОНТРОЛЯ СОСТАЯНИЯ
БЕТОНА ПРИ ВЫДЕРЖИВАНИИ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Состояние бетона монолитных конструкций при выдерживании обычно
определяют по двум основным параметрам, подлежащим контролю и
регистрации — ТЕМПЕРАТУРЕ и ПРОЧНОСТИ.
Прочность бетона
является
показателем качества бетона
конечным
Температура бетона является косвенным
показателем качества бетона

6.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОНТРОЛЬ ВЫДЕРЖИВАНИЯБЕТОНА В
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ- измерение
температуры на поверхности опалубки с целью
оценки температуры в поверхностных слоях
бетона.
непосредственные или ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
термометрами и термодатчиками, размещаемыми
в теле конструкции (в скважинах, реже в отверстиях
под анкера опалубки стен и с помощью теряемых
датчиков, устанавливаемых в центральных или
опасных зонах);

7.

метод определения
прочности по образцам
(кернам), отобранным из
конструкций
неразрушающий
ультразвуковой метод
контроля при сквозном
прозвучивании
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ПРОЧНОСТИ БЕТОНА В
ЗАБЕТОНИРОВАННЫХ
КОНСТРУКЦИЯХ
методы локальных
разрушений: метод отрыва
со скалыванием и метод
скалывания ребра
метод определения
прочности по контрольным
образцам

8.

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПО ТЕМПЕРАТУРЕ
ВЫДЕРЖИВАНИЯ
Существующая практика определения прочности бетона по известной
температуре выдерживания подразумевает применение трех основных методов:
1.
Метод приведенного времени, основанный на гипотезе B.C. Лукьянова,
связывающей интенсивность набора прочности бетона при различных
температурах выдерживания с коэффициентом температурной вязкости
воды.
2.
Метод
«градусо-часы»,
представляющий
модификацию
метода
приведенного времени и основанный на принципе неизменности тепловой
работы бетона при достижении одинаковых уровней прочности.
3.
Интерполяционный, метод расчета прочности по набору кривых нарастания
прочности бетона при изотермическом выдерживании с различными
температурами.

9.

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ
ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
ПРОЦЕССЫ
Основные периоды выделения тепла
при твердении цементной системы в
нормальных условиях
Графики теплового потока и
суммарной тепловой энергии при
гидратации цемента

10.

Сопоставление суммарного
тепловыделения и показателей прочности
контрольного состава в различные
моменты времени
Графики роста прочности на сжатие и
суммарного тепловыделения в первые
7 суток твердения
Время,
часы
Средняя прочность на
сжатие, МПа
Тепловыделение, Дж/г
0
0
0
12
0,07
38,12
18
2,39
83,37
24
6,31
127,10
48
15,22
219,06
72
19,50
250,45
168
24,57
320,35

11.

МЕТОД ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ С
УЧЕТОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ КИНЕТИКИ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА
Изменение прочности бетона на растяжение и моделирование возникновения
растягивающих напряжений во времени. Обозначения:
1– температурные растягивающие напряжения в бетонной конструкции, не
приводящие к возникновению трещин σр, МПа;
2 – температурные растягивающие напряжения в бетонной конструкции,
являющиеся причиной возникновения трещин σр, МПа;
3- нарастание прочности на растяжение в бетонной конструкции Rbt, МПа.

12.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НЕОДНОРОДНОСТЬ УСЛОВИЙ
ВЫДЕРЖИВАНИЯ БЕТОНА В ОБЪЕМЕ КОНСТРУКЦИЙ
Естественные факторы – граничные эффекты, возникающие на краях и торцах
конструкций, в местах выпусков арматуры, стыковки с ранее уложенным бетоном и
т.п., а также массивность конструкций.
Случайные факторы – отказы нагревателей, перебои в электроснабжении, резкое
изменение погодных условий и т.п.
Технологические факторы – метод выдерживания (вид подачи и распределения тепла),
схемы расстановки нагревателей и интенсивность прогрева (тепловая мощность),
качество утепления и электротехнических работ, стадийность выдерживания (в
опалубке, без опалубки, в утеплениях, сочетание с прогревом) и др.
А)
Б)
В)
Г)
Д)

13.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА КОСВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ БЕТОНА ЧЕРЕЗ ОПАЛУБКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИК
ТЕХНИКИ
Пирометры выполняют средневзвешенные
измерения температуры поверхности в
пределах некоторого пятна, размеры
которого зависят от типа используемого
прибора (показателя визирования,
фокусировки), расстояния до измеряемой
поверхности и угла наблюдения
Тепловизоры позволяют не просто
определять температуру в какой-то точке,
а видеть полное тепловое отображение
объектов (сканирование в реальном
времени, фото, видео).

14.

На точность результатов измерения, косвенным методом определения
температуры бетона через опалубку с использованием ИК техники, влияет:
Солнечное излучение и тепловое отражение; Ветер и тепловая инерция;
Поглощение в поле визирования и дальность контроля.
Температуру бетона можно определить по температуре поверхности
ограждения с помощью формулы:

15.

tб-tнв = 70
25
60
20
50
40
15
30
20
10
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Скорость ветра, V м/с
Изменение температуры
поверхности фанерной палубы
(R=0,175м2*°С/Вт) от действия
ветра (V=0... 15м/с): зависимость
величины отклонения ∆t от
скорости ветра и величины
температурной разности tб-tнв.
Изменение температуры ∆t=[tп(V=0)tп(V>0)], °С
Изменение температуры
∆t=[tп(V=0)-tп(V>0)], °С
30
25
20
R2
R1
15
R3
10
R4
5
R5
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Скорость ветра, V м/с
Изменение температуры поверхности от
действия ветра для различных ограждений: R1
— бетонная оболочка 20мм 0,011=0,02/1,86; R2
- фанера 21мм 0,124=0,021/0,17; R3 —
вспененный полиэтилен 10мм 0,244=0,01
/0,041; R4 - вспененный полиэтилен 20мм
0,488=0,02/0,041; R5 - минплита 50мм
1,042=0,05/0,048; R=б/λ; tб=+40°С; tнв=-10°С;
ε=0,95; V=0... 15м/с (αк=3,25+(6*V)0 8, Вт/м2*°С).

16.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА КОСВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ БЕТОНА ЧЕРЕЗ ОПАЛУБКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ НАКЛАДОК
Размещение температурного датчика и теплоизолирующей накладки на палубе
опалубки при косвенном определении температуры бетона
На точность результатов измерения, косвенным методом определения
температуры бетона через опалубку с использованием теплоизолирующих
накладок, влияет: Влияние внешних воздействий; Влияние геометрии
накладок и толщины палубы.

17.

10 мм
20 мм
30 мм
40 мм
50 мм
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Скорость ветра, V м/с
Изменение температуры
поверхности ограждения,
∆t=[tп(V=0)-tп(V>0)] °С
Изменение температуры
поверхности ограждения,
∆t=[tп(V=0)-tп(V>0)] °С
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
tб - tнв= 80
tб - tнв= 60
tб - tнв= 40
tб - tнв= 20
tб - tнв= 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Скорость ветра, V м/с
Изменение температуры поверхности
ограждения (R=0,175м2*°С/Вт) под
накладками толщиной 10,20,30,40,50 мм
(λ=0,049 Вт/м*°С) от действия ветра
V=0... 15м/с (αк=3,25+(6V)08, Вт/м2*°С)
при tб-tнв=60 град; ε=0,95.
Изменение температуры поверхности
ограждения под накладкой толщиной
40мм от действия ветра при различных
значениях температурной разности tб-tнв.
15

18.

Исследование метода определения температуры бетона с
использованием температурных датчиков
1) сервер (персональный
компьютер или ноутбук);
2) беспроводной шлюз ML-SM-G;
3) беспроводные узлы ML-SM-N;
4) модули сопряжения для
подключения отдельных датчиков;
5) датчики.
а) Беспроводной шлюз
б) Беспроводной узел
в) Модуль сопряжения

19.

Система ML-SM основана на аппаратно-программной платформе MeshLogic,
предназначенной для построения беспроводных сенсорных сетей и обладает
следующими особенностями:
• поддержка полностью многоячейковой топологии сети;
• все узлы равноправны и являются маршрутизаторами;
• самоорганизация и автоматический поиск маршрутов;
• устойчивость к соканальной интерференции;
• высокая масштабируемость и надежность доставки данных;
• работа всех узлов сети от автономных источников электропитания.
Тип радиочастотного канала
IEEE 802.15.4
Диапазон частот
2400-2483,5 МГц
Количество частотных каналов
16 (1 основной и 15 резервных)
Максимальная мощность передатчика
20 дБм (100 мВт)
Чувствительность приемника
-98 дБм
Тип антенны
всенаправленная антенна (50 Ом)
Разъем антенны
SMA
Дальность связи
до 1000 м
Сетевой адрес
от 1…65534

20.

Анализ опыта температурно-прочностного контроля бетона при
выдерживании монолитных конструкций в условиях отрицательных
температур
Раньше для замера температуры в бетоне оставляли специальные скважины,
закрываемые плотными утепленными пробками. В скважины устанавливали
металлические трубки, имеющие дно, которое заполняли жидкостью.
Температуру замеряли техническими термометрами, опускаемыми в масло,
которое принимало температуру бетона. Все скважины наносили на схему
сооружения и нумеровали. Во время измерения температуры бетона
термометры изолируют от влияния температуры наружного воздуха и держат
в скважине не менее 3 мин.
Далее широкое применение получили дистанционные методы контроля
температур при помощи термопар.
Потом стали применять ИК технику и теплоизолирующие накладки для
измерения температуры бетона.
И только в последнее время появились беспроводные системы мониторинга.

21.

Разработка практических указаний к осуществлению температурнопрочностного контроля выдерживаемых монолитных конструкций
Для реализации температурно-прочностного контроля на объекте
строительства предварительно необходимо решить следующие основные
организационные моменты:
1. Какая структура будет выполнять непосредственные функции
температурно-прочностного контроля, и с какими другими структурами она
будет функционально связана;
2. Состав работников поста контроля, выполняемые функции, распределение
обязанностей и сменность работ;
3. Принципы взаимодействия поста контроля с исполнителями работ и
внешними контролирующими организациями.

22.

При подготовке работ по температурно-прочностному контролю, следующим
за организационным вопросом решаются вопросы технического обеспечения
и информационной поддержки:
каковы основные правила и требования к выдерживанию бетона;
чем и как измерять температуру и прочность бетона;
как вести обработку и документирование данных;
на основе каких критериев и как проводить анализ данных, принимать
решения по управлению выдерживанием бетона.
Методы и средства определения температуры и прочности бетона
указываются в регламенте на обогрев и выдерживание бетона, входящий в
ППР с предоставлением необходимых ссылок. Конечными методическими
документами являются:
• правила выполнения температурных измерений с учётом применяемых
средств измерений (указания, инструкции);
• правила контроля прочности (ГОСТ).

23.

Осуществление температурного контроля выдерживания бетона должно
системно нацеливаться на решение двух задач:
общую оценку тепловых распределений в конструкциях (выявление
неоднородности прогрева, зон с отклонениями от общего теплового фона
конструкций при выдерживании);
выполнение контроля температуры в отдельных точках (определение
нормируемых параметров прогрева и регистрация температурной истории
выдерживания).
Выдерживание бетона конструкций с осуществлением прогрева и при
необходимости осуществления ранней распалубки может осуществляться по
двум схемам:
прогрев с применением низкотемпературных режимов прогрева,
обеспечивающих разность температур «бетон-воздух» к моменту распалубки
в пределах допускаемых значений;
прогрев при интенсивных режимах с осуществлением специальных
мероприятий в момент распалубки.

24.

Порядок действий при построении графика опорной разности средней и
поверхностной прочности следующий:
выбираются типы конструкций. К одному типу причисляются конструкции
одного сечения, или если их сечение отличается не более чем на 200мм по
наименьшей стороне. Для каждого типа конструкций строится своё расчётное
отношение. Контрольные натурные измерения проводятся на 2-х
конструкциях для. каждого типа: две одинаковые по сечению конструкции или
две конструкции c максимальным (в пределах допустимого) различием в
размерах сечения;
для каждой выдерживаемой по расчётному режиму конструкции (на
протяжении всего периода прогрева и остывания, в т.ч. после распалубки)
измеряется температура в точках Rn и Rср.

25.

Использование подобной беспроводной сети в системе мониторинга на
строительной площадке позволит:
Полностью автоматизировать сбор необходимых данных;
Исключить необходимость прокладки кабелей как для передачи данных
мониторинга, так и для электропитания компонентов системы;
Обеспечить низкую себестоимость монтажа оборудования и позволит
организовать его оперативное перемещение (например, вместе с элементами
переставной или скользящей опалубки);
Обеспечить
возможность
недорогого
масштабирования
системы
мониторинга под любые площади возводимого объекта.

26.

Анализ актуальных направлений внедрения разработанных решений
В связи с тем, что рассмотренные организационно-технические решения
позволяют сократить трудозатраты на прогнозирование и анализ состояния
возводимых монолитных конструкций, а также повысить долю
формализованных процедур в контроле качества строительной продукции,
можно говорить о целесообразности их дальнейшего развития с целью
решения ряда смежных задач технологического и организационного
характера. Данная система позволяет сократить расход электричества за счет
автоматизации процесса прогрева с учетом анализа состояния возводимых
конструкций и динамики изменения условий внешней среды на строительной
площадке. А при разработке управляющего модуля и его интеграции с
предложенной системой мониторинга появится возможность полностью
автоматизировать процесс электропрогрева бетона и оптимизировать
энергозатраты на его реализацию при обеспечении дополнительной
интенсификации строительного производства, как в зимний, так и в летний
период года.

27.

Локальное использование беспроводной системы температурнопрочностного мониторинга бетонной смеси
В ходе рассмотрения комплексного решения был проведен анализ
распределения температур при твердении бетонной смеси, включающий
следующие этапы:
1. Определение количества теплоты, выделяемого при протекании
экзотермического процесса гидратации цементных систем;
2. Обобщение рассмотренных данных из отечественных и зарубежных
литературных источников по кинетике тепловыделения вяжущих и
бетонов;
3. Верификация модели при бетонировании плиты, стен и колонн объекта «Плавательный бассейн МГСУ» по адресу: г. Москва, Ярославское шоссе,
вл. 26», включающая компъютерное моделирование и расчет конструкции
в соответствии с математической моделью в верифицированном
программном комплексе ANSYS, а также мониторинг процесса твердения
плиты, стен и колонн с использованием системы беспроводного
мониторинга.

28.

Установка элементов системы
мониторинга перед бетонированием
плиты
Герметичный датчик одноразового
использования для мониторинга теплового
потока в толще бетонного массива

29.

Изополя температуры плиты в момент
времени t=40 часов, oC
Вид сбоку (плоскость симметрии)
Изополя температуры стандартного
фрагмента центральной зоны плиты с
вырезом 1/4 части в момент времени
t=40 часов, oC.

30.

Для точки 1 (10107_1_1, 10107_1_2, 10107_1_3)

31.

Для точки 2 (16683_1_1, 16683_1_2, 16683_1_3, 16683_1_4)

32.

Точка
измерений /
расчета
Расхождение в
точке
максимума, oC
Максимальное
расхождение, oC
Точка 1
0
0
Точка 2
0,07
38,12
Точка 3
24,57
320,35
Для точки 3 (7754_1_1, 7754_1_2, 7754_1_3, 7754_1_4)

33.

Датчик температуры 1-w ire (°C)
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
25.03 00:00
25.03 12:00
26.03 00:00
26.03 12:00
27.03 00:00
27.03 12:00
28.03 00:00
28.03 12:00
7754_1_4
29.03 00:00
7754_1_1
29.03 12:00
7754_1_2
30.03 00:00
30.03 12:00
31.03 00:00
31.03 12:00
01.04 00:00
7754_1_3
Наименование конструкций: плита малого бассейна в/о В/2+750÷Д/1-750/4/1+750÷5/1-750 с
отм. -1.690 по отм. -1.340.
Температура бетонной смеси: +17 ºС; Температура наружного воздуха: +8 ºС.
Вид прогрева: электропрогрев нагревательными проводами.
Продолжительность температурного контроля: 180 часов (24.03.17- 01.04.17).
На данном температурном графике видно, что температура сначала начала подниматься
(первые 24часа), а следующие 24 часа снижаться, после начала электропрогрева
нагревательными проводами. Этого времени недостаточно для набора бетоном
проектной прочности. В связи с чем, были приняты оперативные меры: повысили
напряжение на нагревательных проводах. Температуру подняли до 20 ºС и стали
выдерживать в течении 100 часов. После чего плавно отключили напряжение на
нагревательных проводах. Плита набрала проектную прочность.

34.

Наименование конструкций: стены Ст-1 и Ст-15 в/о 4÷8/И с отм. -5.100 по отм. -0.330.
Температура бетонной смеси: +13 ºС; Температура наружного воздуха: +0 ºС.
Вид прогрева: электропрогрев стержневыми электродами.
Продолжительность температурного контроля: 66 часов (31.03.17- 01.04.17).
На данном температурном графике видно, что разница температур на датчиках 40416_1_1,
40416_1_2 и 40416_1_3, 40416_1_4, впервые 16 часов после начала электропрогрева
стержневыми электродами, слишком велика. Это было связано с ошибкой строителей,
которые решили подсоединить не подряд все электроды, а через один. Что привело к
такой огромной разнице температур. Датчики 40416_1_1, 40416_1_2 находятся около
электродов, а датчики 40416_1_3, 40416_1_4 далеко от них (между включенными
электродами). В связи с чем были приняты оперативные меры: подсоединили все
электроды. После чего с 01.04.17 с 10:00 температура около датчиков 40416_1_3,
40416_1_4 начала подниматься и тем самым выровнялась.

35.

Наименование конструкций: колонны К-6.1 в/о 7/Б÷Ж, К-6.2 в/о 6÷7/В÷Е, К-8.2 в/о 6/Ж, К8.4 в/о 6/Е, К-8.6 в/о 6/В, К-8.7 в/о 6/Б, К-4.1 в/о 8/1/Г÷Е, К-4.2 в/о 8/1/В+1250 с отм. -5.100
по отм. -0.330.
Температура бетонной смеси: +17 ºС; Температура наружного воздуха: +5 ºС.
Вид прогрева: электропрогрев стержневыми электродами.
Продолжительность температурного контроля: 48 часов (04.03.17- 06.03.17).
На данном температурном графике видно, что прогрев проводили правильно. Медленный
подъем температуры без резких скачков (вниз или вверх), небольшое выдерживание и
затем медленное, плавное снижение температуры.

36.

Датчик температуры 1-w ire (°C)
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
17.03 18:00
18.03 00:00
18.03 06:00
18.03 12:00
18.03 18:00
19.03 00:00
10107_1_1
19.03 06:00
10107_1_2
19.03 12:00
19.03 18:00
20.03 00:00
20.03 06:00
10107_1_3
Наименование конструкций: стены большого бассейна Ст2-Ст12 в/о 8/1+1300÷12/11100/Д÷Ж с отм. -5.100 по отм. -2.190
Температура бетонной смеси: +16 ºС; Температура наружного воздуха: +6 ºС.
Вид прогрева: электропрогрев стержневыми электродами.
Продолжительность температурного контроля: 72 часов (17.03.17- 20.03.17).
На данном температурном графике видно, что прогрев проводили правильно. Медленный
подъем температуры без резких скачков (вниз или вверх), небольшое выдерживание и
затем медленное, плавное снижение температуры.