• ru
  • en

Статьи

Либо напишите книгу, стоящую чтения, либо сделайте что-то, стоящее написания книги. Бенджамин Франклин
Дефектоскопия, № 6, 2017

Дефектоскопия, № 6, 2017

Прогнозирование прочности бетона в процессе его твердения при помощи метода акустической эмиссии.

Проведено исследование процесса структурообразования бетона при помощи метода акустической эмиссии. По результатам проводимых экспериментальных исследований выявлена взаимосвязь между акустико-эмиссионными данными, зарегистрированными в течение первых суток твердения бетонного состава, и его прочностью в возрасте 28 суток. Выделены информативные параметры акустико-эмиссионных данных, коррелирующие с прочностью бетонного состава в возрасте 28 суток.
 

Ключевые слова: акустическая эмиссия, бетон, структурообразование бетона, прогнозирование прочности бетона.

Введение

В последние десятилетия в строительной области произошел резкий скачок в сфере технического прогресса. Строятся высотные здания, проектируются многокилометровые мосты, тоннели, подземные и наземные переходы. Несмотря на все нововведения и индивидуальные конструкторские решения, наиболее распространенным материалом при строительстве, как и сто лет назад, является бетон. Важнейшей характеристикой, которой уделяют особое внимание, при контроле бетона является его прочность.
Задача определения прочности бетона со сформировавшейся структурой является хорошо изученной и может быть решена с применением как разрушающих, так и неразрушающих методов контроля (НК). Однако особый интерес для надежности и долговечности строительной конструкции представляет разработка новых методик, позволяющих проводить мониторинг свежего бетона, а также прогнозировать прочность бетона еще на начальных стадиях его твердения.
Наибольшее распространение в данном направлении получили акустические методы НК. Так, в частности, известны работы по исследованию протекания процесса гидратации бетона и взаимосвязи между прочностью бетона и такими параметрами ультразвуковых сигналов, как скорость распространения и амплитуда [1―4].
Другим перспективным методом, применимым к решению данной задачи, является метод акустической эмиссии (АЭ), который позволяет регистрировать внутреннюю структурную активность бетона в процессе его твердения. Так, в ряде работ авторами была показана возможность применения метода АЭ для мониторинга свежеприготовленного бетона на различных стадиях его твердения: от нескольких часов до 28 суток после приготовления [1, 5―8]. А некоторыми из них даже были приняты довольно успешные попытки по поиску взаимосвязи между данными АЭ, зарегистрированными в процессе твердения бетона, и его механическими характеристиками [9].

Описание экспериментальных исследований

Для оценки эффективности метода АЭ применительно к задаче прогнозирования прочности бетона компанией «ИНТЕРЮНИС-ИТ» совместно с НИИЖБ имени А.А. Гвоздева были проведены эксперименты по регистрации сигналов АЭ, возникающих в процессе твердения бетонных образцов, отличающихся друг от друга составом и, как следствие, прочностью.
Исследовались тяжелые, легкие и мелкозернистые бетоны с различным водоцементным отношением (В/Ц). В ходе экспериментов свежеприготовленный бетон заливали в заранее заготовленные опалубки из ламинированной фанеры (рис. 1).
Для сбора данных использовали АЭ-систему A-Line 32D DDM производства компании «ИНТЕРЮНИС-ИТ» и преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) DIS 30-300, имеющие рабочий частотный диапазон 30 ― 300 кГц. ПАЭ через слой контактной жидкости устанавливали на стальной волновод (рис. 2) и фиксировали магнитным держателем. Волновод, в свою очередь, погружали в исследуемый состав.

Рис. 1. Пример проведения эксперимента.

Конструкция волновода позволяет благодаря большой площади контакта регистрировать процессы, протекающие как в поверхностных, так и в подповерхностных слоях образца.
В результате проведенных экспериментов был исследован процесс твердения 8 бетонных составов. Длительность экспериментов составила от 28 до 85 суток. В ходе экспериментов непрерывно осуществлялась регистрация волновых форм сигналов и стандартных параметров АЭ [10], а также температуры бетонной смеси и окружающей среды с помощью многоканального регистратора температуры «Терем-3».
Также во время экспериментальных исследований проводили замеры прочности образцов свидетелей (при помощи сжатия под прессом), изготовленных из состава, аналогичного бетонным кубам, заготовленным в тот же день, что и исследуемые образцы. Прочность бетона определяли согласно [11] как среднеарифметическое значение прочности по двум образцам с наибольшей прочностью в партии из трех образцов (70x70x70 мм).
Диапазон значений прочности на 28 сутки для исследуемых образцов составил от 6,9 до 57,9 МПа. Результаты испытаний, полученные для образцов в возрасте 28 суток, использовались для поиска корреляции между прочностью исследуемых образцов и параметрами АЭ, измеренными в ходе первых суток твердения бетонных образцов.
Рис. 2. Объемная модель волновода.

Обобщенные данные об исследуемых в экспериментах образцах представлены в таблице.

Номер бетон­ного куба

Класс бетона по прочности на сжатие

Водоце­ментное отноше­ние Заполнитель Крупный/Мелкий Проч­ность на 28 сутки ,МПа Бетон
Куб № 1 В22.5 0,6

Щебень/Песок
 
34,0
Тяжелый бетон

 
Куб № 2 В50 0,34 43,4
Куб № 3 В7.5 1,14 10,1
Куб № 4 В80 0,41 40,7
Куб № 5 В15 0,77 Керамзит/Песок 14,9 Керамзитобе­тон
Куб № 6 В22.5 0,36

-/Песок

45,5
Мелкозерни­стый бетон
 
Куб № 7 В50 0,27 57,9
Куб № 8 В10 0,91 6,9

Состав бетонных образцов выбирался таким образом, чтобы исследовать различные типы бетонов с прочностными характеристиками, наиболее часто используемыми в строительной практике.

Анализ данных

Образование структуры бетона представляет собой сложный физико-химический процесс, в ходе которого смесь цемента, воды и заполнителя постепенно преобразуется в цементный камень, обладающий существенной прочностью. Образование структуры бетона, а следовательно, и процесс набора прочности длится годами. Однако наиболее существенные изменения, в ходе которых формируется первоначальная структура бетона, протекают в первые несколько суток его твердения.
По современным воззрениям процесс структурообразования бетона принято разделять на три основных периода: растворения (начальный и индукционный периоды), ускоренный (схватывания) и кристаллизации (твердения) [12, 13].
Метод АЭ, в свою очередь, как было выявлено, позволяет в режиме реального времени наблюдать процесс структурообразования бетона, что достигается благодаря высокой чувствительности, присущей методу (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости: Сумма импульсов АЭ(Время) (а), Амплитуда(Время) (б), Энергия(Время) (в).

По изменению параметров АЭ с течением времени можно также выделить три периода структурообразования бетона, длительность каждого из них может изменяться в широких пределах и зависит как от состава бетона, так  и от внешних условий. Зависимости  представлены для куба № 5 (керамзитобетон). Качественно их внешний вид для других кубов является схожим. Рассмотрим каждый из периодов более подробно.
Период I ― период растворения (начальный Ia и индукционный Iб), наступает сразу после смешивания цемента, воды и заполнителя. На начальном этапе данного периода количество химически несвязанной (свободной) воды велико, что, в свою очередь, придает смеси подвижность. Под подвижностью следует понимать механическое перемещение смеси и ее отдельных компонент. Так, в частности, тяжелый заполнитель стремится опуститься вниз, а легкий поднимается в верхнюю часть образца, происходит расслоение бетонной смеси, а также миграция воды и пузырьков газа, наблюдается микроусадка вследствие испарения воды. Схожие типы источников АЭ были выделены авторами [9]. Данные источники оказывают свое влияние в той или иной мере для любого состава. Подвижность смеси регистрируется при помощи ПАЭ и является основным источником АЭ для данного периода.
В результате химических реакций гидратации, протекающих в пределах данного периода, происходит уменьшение химически несвязанной воды, а та ее часть, которая еще не вступила в химическую реакцию, находится в неподвижном состоянии во флокулах. Как следствие, происходит уменьшение подвижности, которое влечет за собой уменьшение активности АЭ. В результате период I, по данным АЭ, характеризуется высоким значением активности на начальном этапе с последующим ее уменьшением практически до нулевого значения на индукционном периоде (см. рис. 3а). Также данный период характеризуется максимальными значениями параметров сигналов АЭ (см. рис. 3б, в) в сравнении с оставшимися двумя.
Причина, по которой из рассмотрения исключаются другие процессы, которые должны протекать в данный временной интервал, заключается в том, что все они являются низкоэнергетическими (растворение и осаждение продуктов химической реакции, а также образование гидросиликатов кальция коллоидных размеров на поверхности цементных зерен) и в сочетании с большим коэффициентом затухания акустических сигналов в бетонной смеси не могут быть зарегистрированы ПАЭ.
Основным источником АЭ для первого периода является подвижность, которая зависит от расхода используемых компонент (количества воды, цемента, мелкого и крупного заполнителей). Основным параметром, который оказывает доминирующее влияние на подвижность, является В/Ц-отношение. При этом чем оно больше (при неизменном количестве заполнителя в составе), тем выше подвижность состава и, следовательно, больше и сумма импульсов  АЭ, зарегистрированных в пределах данного периода.
Второй период характеризуется началом кристаллизации гидроксидов на поверхности цементных зерен. Новообразования кристаллитов имеют малые размеры. Данный процесс является интенсивным, но низкоэнергетическим. Сигналы АЭ, распространяясь в цементном тесте, структура которого не сформирована и характеризуется высоким коэффициентом затухания, претерпевают сильное ослабление и не превышают порог регистрации аппаратуры. Вследствие этого данный период характеризуется отсутствием сигналов АЭ.
Было экспериментально установлено, что длительность второго периода не является фиксированной для различных кубов и коррелирует с прочностью бетонного состава в возрасте 28 суток. При этом чем меньше длительность второго периода, тем интенсивней протекает процесс структурообразования бетона и, следовательно, тем выше его финальная прочность. На основании данного утверждения была построена линейная регрессионная модель между длительностью второй стадии и прочностью бетона в возрасте 28 суток, позволяющая осуществлять прогноз его прочности (рис. 4а, б).

а б

Рис. 4. Линейная регрессионная модель Длительность второй стадии(Прочность) для тяжелого бетона (а)  и мелкозернистого (б).

Данные зависимости имеют хорошую корреляцию между зависимой и независимой переменными. Коэффициент корреляции для мелкозернистого бетона составляет 0,999, для тяжелого ― 0,989. Максимальная относительная погрешность определения прочности бетона в возрасте 28 суток для мелкозернистого бетона ― 1 %,  для тяжелого ― 4,9.
Начало второго периода, по данным АЭ (см. рис 3а), примерно совпадает по времени с началом схватывания бетонного состава, однако его длительность превышает временной интервал, соответствующий схватыванию бетонного состава. Второй период, по данным АЭ, включает в себя период схватывания и начальный этап третьего периода (кристаллизации). 
Отсутствие сигналов, которым характеризуется второй период, будет продолжаться до тех пор, пока состав не приобретет первоначальную структуру, что приведет к уменьшению коэффициента затухания. К этому моменту начнется третий период.
Третий период характеризуется образованием целостной структуры в виде кристаллического сростка. Источником АЭ для данного периода является рост кристаллитов в условиях ограниченного объема. Поскольку состав на данном периоде характеризуется уже частично сформировавшейся структурой, то затухание звуковых волн значительно меньше, чем для предыдущего периода. Данный период характеризуется увеличением числа регистрируемых сигналов АЭ. Помимо увеличения числа регистрируемых сигналов (см. рис. 3а), происходит  относительное увеличение количественных значений параметров сигналов АЭ (см. рис. 3б, в). При этом стоит отметить, что активность АЭ, которая выражается тангенсом угла наклона зависимости Суммы импульсов АЭ(Время), является практически постоянной довольно длительное время. Со временем тангенс угла наклона уменьшается, что соответствует уменьшению скорости кристаллизации (или скорости приращения прочности). Данный факт косвенно подтверждает предположение, что источник АЭ в течение третьего периода является одним и тем же. Третий период является самым продолжительным из всех. В ходе него происходит постепенное, плавное уменьшение угла наклона зависимости Сумма импульсов АЭ(Время), которое соответствует постепенному затуханию процесса структурообразования. Поскольку источником АЭ в пределах данного периода является рост кристаллитов в условиях ограниченного объема, то можно утверждать, что тангенс угла наклона соответствует скорости кристаллизации состава.
Корректность вышеизложенных принципов выделения стадийности структурообразования бетона при помощи метода АЭ подтверждается кривой температурных изменений бетонной смеси (рис. 5). Температуру вычисляли как разность между температурами бетона и окружающей среды.

Рис. 5. Зависимости суммы импульсов АЭ и температуры от времени.

Три периода процесса структурообразования бетона, описанные выше, можно также выделить на основании изменения кинетики тепловыделения бетонных составов [12, 13].
На первом этапе происходит кратковременное выделение тепла. Тепловой эффект гидратации компенсируется отрицательным эффектом растворения. Зерна цемента покрываются тонкой гелевой пленкой. Ее образование препятствует взаимодействию молекул воды и негидратированной поверхности цементных зерен. Реакция гидратации затормаживается и, как следствие, тепловыделение практически равно константе. Это второй условный период, в течение которого происходят процессы зарождения и медленного роста гидросиликатов кальция, которые приводят к разрушению пленки. Разрушение пленки, в свою очередь, открывает доступ воды к поверхности негедратированных частиц. Начинается третий период ― ускоренный период, который, как отмечалось ранее, характеризуется образованием кристаллитов на поверхности цементных зерен, к его окончанию на поверхности негедратированных зерен образуется твердая оболочка и скорость реакции снижается. Наступает четвертый период ― период кристаллизации состава.
Стоит отметить, что все периоды не идут строго последовательно, а накладываются друг на друга. В результате этого переход от одного периода к другому является плавным, а не скачкообразным.
Возможность выделения стадийности структурообразования бетона при помощи метода АЭ создает предпосылки для прогнозирования прочности бетона на нормативный срок. Прогностическую  модель строили на основании параметров АЭ, значения которых зависят от периода твердения бетона. Все три периода для большинства бетонных составов можно наблюдать в первые сутки твердения. При этом время, необходимое на прогнозирование прочности, с учетом структурообразования бетона, при помощи метода АЭ составляет, как правило, от 4 до 24 часов для большинства используемых в строительстве составов.

Построение прогностической модели

В данной статье уже были представлены зависимости, позволяющие прогнозировать прочность бетона с достаточно высокой точностью (см. рис. 4а, б). Для этого использовалась связь между длительностью второй стадии, измеренная при помощи метода АЭ, и прочностью бетона на 28 сутки. Однако стоит отметить, что чем больше независимых параметров входят в эмпирическое уравнение, тем более достоверной является модель.
С целью повышения достоверности модели был проведен пошаговый регрессионный анализ, в ходе которого в качестве независимых переменных выступали параметры сигналов АЭ в пределах каждой из стадий, их кумулятивные и средние значения. В качестве зависимой переменной выступала прочность бетонных образцов, испытанных в возрасте 28 суток.
Наилучшая корреляция была получена при использовании комбинации таких независимых параметров, как длительность второй стадии и тангенс угла наклона третьей стадии (рис. 6а, б).

а б

Рис. 6. Зависимость фактического значения прочности от спрогнозированного значения для тяжелого бетона (а) и мелкозернистого (б).

Данные зависимости могут быть описаны при помощи регрессионного уравнения вида

                            (1)

где   ― спрогнозированное значение прочности;t ― длительность второй стадии (время, необходимое составу для формирования первоначальной структуры); tg(α) ― тангенс угла наклона третьей стадии зависимости Сумма импульсов АЭ(Время) (косвенная оценка скорости кристаллизации).
Коэффициент корреляции для зависимостей (см. рис. 5), полученных при помощи уравнения (1), для мелкозернистого бетона составляет 1,0 и для тяжелого ― 0,997. Максимальная относительная погрешность определения нормативной прочности отсутствует для мелкозернистого бетона и составляет 3,4 % для тяжелого бетона.

Особенности предлагаемого подхода

Предлагаемый подход по прогнозированию прочности бетона при помощи метода АЭ включает в себя ряд особенностей. Во-первых, время измерения, необходимое для прогнозирования, не является фиксированным и лежит в диапазоне (для большинства составов) от 4 до 24 часов.
Во-вторых, измерение может проводиться для самой конструкции, а не для контрольного образца, что достигается благодаря возможности установки волновода с ПАЭ непосредственно на исследуемый объект.
В-третьих, метод АЭ учитывает неоднородность состава благодаря своей интегральности.
В-четвертых, данный подход может быть реализован на программном и аппаратном уровнях в любой системе АЭ. При этом последовательность действий, которую необходимо выполнить для прогнозирования прочности, будет максимально простой (рис. 7).

Рис. 7. Порядок проведения измерений.

Для выполнения измерения необходимо волновод с ПАЭ, подключенным к прибору АЭ,  установить в состав, залитый в опалубку. После этого запустить в приборе, реализующем прогностическую модель, режим сбора данных. По окончании режима сбора данных (длительность которого не является фиксированной) будет сформирован отчет, содержащий в себе прогнозируемое значение прочности бетона на 28 сутки.

Выводы

Проведено исследование процесса структурообразования бетона при помощи метода АЭ. Выделены информативные параметры акустико-эмиссионных данных (полученных за первые сутки твердения бетонного состава), коррелирующие с прочностью бетона в возрасте 28 суток. Построена эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать прочность бетона на 28 сутки твердения с погрешностью не более 4 %.
В настоящие время ведутся дальнейшие работы в данном направлении с целью набора статистики и подтверждения полученных результатов.

Литература

1. Koen VAN DEN ABEELE, Geert DE SCHUTTER, Martine WEVERS. Non Destructive Online Evaluation of Concrete Hardening Using Acoustic Emission and Harmonic Wave Spectroscopy, 2006, ECNDT – Th.4.6.4, p. 1―9.

2. Rustem Gul, Ramazan Demirboga, Tekin Guvercin. Compressive strength and ultrasound pulse velocity of mineral admixture mortars. ― Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 2006, v. 13, p. 18―24.

3. Guang Ye, K. van Breugel, A.L.A. Fraaij. Experimental study on ultrasonic pulse velocity evaluation of the microstructure of cementitious material at early age. ― HERON,  3, p. 161―167. v. 46, № 2001,

4. I. Gabrijel, D. Bjegovic. Monitoring of concrete hardening using Acousto-Ultrasonic method. ― HDKBR INFO Magazine,  v. 4, p. 21―27. 2014,

5. Pazdera L., Topolar L., Bilek V., Smutny J., Korenska M. Advanced Analysis of Acoustic Emission Parametrs during the Concrete Hardening for Long Time. ― 11th European Conference on Non-Destructive Testing, 2014. ― 8 p.

6. Sagaidak A.I., Bardakov V.V., Elizarov S.V., Terentyev D.A. The Use of Acoustic Emission Method in the Modern Construction. ― 8 p. Conference of the European Working Group on Acoustic Emission – Fr.1.A.3, 2014. ―st31

№ 10, с. 77―81. 7. Муравин Г.Б., Павловская Г.С., Щуров А.Ф. Исследование акустической эмиссии твердеющего бетона. ― Дефектоскопия, 1984,

8. Pazdera L., Topolar L., Bilek V., Smutny J., Korenska M. Is it possible to applied acoustic emission method during concrete hardening? EWGAE 2010, 6 p.

9. Sokratis N. ILIOPOULOS, Evin Dzaye, Yassir EL KHATTABI, Dimitrios G. AGGELIS. Continuous AE monitoring of fresh concrete. ― JSNDI & IIIAE 2016, Progress in Acoustic Emission XVIII, 2016, p. 293―298.

10. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.

11. ГОСТ 10180―2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

12. Кузнецов А.М. Технология вяжущих веществ и изделий из них. ― М.: Высшая школа, 1963. ― 456 с.

13. Баженов Ю.М. Технология бетона. ― М.: Высшая школа, 1987. ― 415 с.