Автоматизированные методы оценки однородности прочностных характеристик бетона и регулирование составов на их основе

В современных условиях особенно остро стоит вопрос о повышении качества бетона и железобетонных конструкций. Только соответствующее качество железобетонных конструкций и высокая эффективность их производства могут обеспечить конкурентоспособность на рынке строительных материалов. С каждым годом увеличивается разнообразие бетонов, расширяются области их применения, предъявляемые к ним требования, сырьевая база производства. В технологии бетона перешли к многокомпонентным рецептурам с добавками-регуляторами, используются новые физико-химические процессы, применяется сложное оборудование с элементами автоматизации и т.д.

В этих условиях задача управления качеством бетона изделий и конструкций из железобетона усложняется. Под управлением качества на современном этапе понимается целенаправленное воздействие на факторы, влияющие на качество продукции, причем воздействие, улучшающее показатели и выбранное на основании имеющейся информации из множества возможных воздействий.
Задача усложняется тем, что происходящие при производстве бетонов физико-химические, термодинамические и другие процессы изучены не столь глубоко, чтобы на основе теоретических положений можно было бы дать этим процессам количественную оценку и определить расчетным путем степень влияния технологических факторов на качество конечной продукции.
Поскольку свойства и процессы получения железобетона управляются статистическими закономерностями, одним из путей обеспечения его качества является математический подход в оценке, выработке воздействий и их оптимизации.
По действующим нормативным документам на проектирование бетонных и железобетонных конструкций за основную характеристику прочности бетона принят класс по прочности при сжатии или растяжении, соответствующий значениям гарантированной прочности бетона с обеспеченностью 95% для железобетонных изделий и конструкций.
Для выполнения этой гарантии требуемую прочность бетона назначают в зависимости от фактического коэффициента вариации из условия получения обеспеченности нормативного сопротивления не ниже вышеуказанной и одновременно обеспеченности расчетного сопротивления не ниже 99,8%.

Средняя прочность бетона (Rб) для каждого класса определяется из условия вышеуказанной обеспеченности по формуле Rб =B/(1-1,64v), где В — значение класса бетона, МПа; V — коэффициент вариации прочности бетона для данного производства.
В производственных условиях на конкретных предприятиях сборных железобетонных конструкций и бетонных заводах фактические значения коэффициентов вариации могут существенно колебаться: от 5-7% на предприятиях с хорошо организованным технологическим процессом до 20-25% и выше на предприятиях с плохо налаженной технологией или использующих нестабильные материалы. При низких значениях коэффициента вариации предприятие имеет возможность снизить требуемую прочность и соответственно снизить себестоимость продукции, сократив расход цемента. При высоких значениях коэффициента вариации во избежание снижения надежности конструкции или сооружения предприятие, согласно ГОСТ 18105-86, должно повысить требуемую прочность и принять необходимые меры, направленные на снижение коэффициента вариации.
Сущность такого управления прочностью бетона при статистической обработке данных результатов испытаний бетона по прочности на сжатие может быть проиллюстрирована рисунком 1.

На рисунке показаны три варианта распределения прочности бетона на сжатие при обеспеченности нормативного сопротивления 95%. График 1 соответствует коэффициенту вариации V1 и соответственно графики 2 и 3 — коэффициентам вариации V2 и V3 при условии, что V1<V2<V3. Приняв, что V2 соответствует принятому нормативному коэффициенту вариации -13,5%, видно, что при меньшем коэффициенте вариации (V1) нормативное сопротивление обеспечивается при меньшей средней прочности (R1), а при большем коэффициенте вариации (V3) для той же обеспеченности необходимо поддерживать большую среднюю прочность (R3).
Контроль прочности и приемки бетона сборных и монолитных конструкций проводится по партиям, в которые включают конструкции или бетонную смесь, изготовленные по одной технологии за определенный промежуток времени продолжительностью от одной смены до одной недели.
Прочность бетона (ГОСТ 18105-86) определяется по двум характеристикам: по средней прочности в партии и коэффициенту вариации прочности в партии, усредненному по всем партиям за анализируемый период. По первой характеристике производится приемка партий по прочности, а по второй — назначение требуемой прочности.
Коэффициент вариации прочности бетона в партии вычисляют:
1) при массовом производстве сборных конструкций и товарной бетонной смеси — как средний по всем партиям за анализируемый период (не менее 15 партий);
2) при производстве отдельных партий — по данным не менее 30 единичных значений прочности.
Для нерегулярно выпускаемой продукции указанный коэффициент вариации не вычисляется, а принимается равным коэффициенту вариации бетона другого состава, выпускаемого регулярно, при условии, что он изготавливается по той же технологии и отличается прочностью не более чем на два класса (марки).

При всей убедительности положений стандарта условия его зачастую не выполняются на предприятиях стройиндустрии по ряду причин, в том числе:
— значительное снижение объемов производства, случайное, нерегулярное изготовление однотипных видов изделий, из-за чего не набирается достаточного количества серий образцов для статистической оценки однородности за определенный период;
— требуется выполнение расчетов, на которые затрачивается значительное время, при отсутствии убежденности в их значимости и необходимости.
Однако за это время технология производства не стала совершеннее, однородность показателей качества бетона не стала выше. По данным /1/, средний размах только содержания цемента в объеме бетонной смеси при работе бетоносмесителей принудительного действия составил 29,6%, максимальный — 63%, минимальный — 12,7%.
Следует уточнить, что в мировой практике оценка прочности бетона как материала с изменяющимися свойствами, зависящими от множества факторов, производится с учетом статистической обработки результатов испытаний.
Стандартом ЕН 206 "Бетоны. Технические условия, эксплуатационные требования, производство, контроль соответствия" включены разделы о критериях контроля и критериях соответствия, причем не только по прочности, но и по другим характеристикам: плотности, В/Ц, расходу цемента и др. Процедура проверки свойств бетона и критерии соответствия разработаны для поддержания стабильного достижения показателей качества в первую очередь прочности бетона. Методы контроля соответствия в этом стандарте аналогичны контролю прочности бетона по ГОСТ 18105. Однако цель европейского стандарта заключается в обеспечении долговечности и надежности конструкций, в то время как основная установка ГОСТ 18105 направлена на снижение средней прочности и расхода цемента. Различие в подходах к критериям соответствия прочности бетона иллюстрируется таблицей 1.



Стандарт ЕN 206 для бетонов первой категории, включающей бетоны класса В20, назначает среднюю прочность не ниже 32 МПа, в то время как по ГОСТ 18105 при коэффициенте вариации 7% возможно снижение средней прочности почти на 10,4 МПа по сравнению с европейскими нормами.
Объективно оценивая результаты испытания бетонов, изготавливаемых на предприятиях республики, можно сказать, что коэффициент вариации обычно превышает 8%. Проведя незначительные расчеты, можно убедиться, что при коэффициенте вариации 8% уровень прочности, на который следует подбирать состав бетона, соответствует марке бетона. При увеличении же коэффициента вариации выше 8% требуется увеличение расхода цемента для обеспечения требуемых показателей надежности.
Во многом решению проблем ведения статистического контроля и обеспечения приемки продукции с учетом однородности показателей прочности посвящена разработанная в институте система автоматизированного управления качеством бетонной смеси и бетона АРМ "Лаборатория".
Система обеспечивает расчет и корректировку составов бетона в соответствии с техническими характеристиками исходных материалов и требованиями к бетону, ведение статистического контроля, определение характеристик однородности и своевременную корректировку составов в соответствии с полученными результатами испытаний. Системой также предусмотрены:
— ведение, накопление, обработка и архивирование лабораторной документации;
— разработка производственно-технических норм расхода цемента;
— разработка рабочих норм расхода материалов;
— учет материалов, ведение ведомостей расходов и подготовка отчетов на списание материалов по БСУ;
— расчет градуировочных зависимостей при применении неразрушающих методов контроля;
— подготовка, выдача и учет документов о качестве бетонной смеси;
— введение статистического контроля однородности прочности и плотности бетона;
— расчет градуировочных зависимостей при использовании неразрушающих методов контроля;
— создание базы данных и ведение справочников;
— формирование справочной и консультативной информации.

Принципиальная схема взаимодействия задач системы представлена на рисунке 2.

Автоматизация решения всех задач объединяется в систему и служит управлению качеством бетонной смеси и организации базы данных. Соответствующие компоненты задач АРМ "Лаборатория" информационно увязаны между собой. Эта связь осуществляется через базу данных, создание и ведение которой выполняется задачей "Нормативно-справочное обеспечение".
Основные задачи системы, которые разработаны ранее, опробованы и широко внедряются на предприятиях республики.
В комплексе задач "Ведение лабораторной документации" осуществляется ведение журналов по контролю качества цемента, песка, крупного заполнителя арматуры и сварных соединений, испытанию бетонных смесей и бетонов на прочность при сжатии, на образцах или неразрушающими способами, а также на морозостойкость и водонепроницаемость. Система позволяет осуществлять ввод данных и коррекцию, удаление и выбор, поиск и получение информации по качеству материалов и бетона за любой период по указанным в запросе критериям.
В ходе работы системы рассчитываются все предусмотренные соответствующими стандартами показатели качества материалов по результатам испытаний. При этом результаты расчетов представляются на экране в сравнении с требованиями нормативных документов и выдается соответствующий протокол испытаний. А также формируется журнал испытаний по требуемой форме.
Подсистема "Статистический контроль" позволяет осуществлять расчеты по статистической оценке однородности прочности бетона, а также анализировать результаты испытания и получать рекомендации по управлению составом бетона с целью поддержания прочности на оптимальном уровне.

Для этого предусмотрены функции "Анализ однородности прочности бетона" и "Расчет статистических характеристик" В результате работы в режиме анализа однородности прочности бетона осуществляется распределение данных об испытаниях бетона на прочность по технологическим комплексам и формирование контрольной карты. На карте отображены результаты испытания по партиям, их положение относительно характерных линий и границ распределения прочности (линия требуемой прочности, уровня прочности, верхней предупредительной границы). По полученным результатам вырабатываются соответствующие рекомендации и принимается решение об изменении состава бетона. После окончания анализируемого периода рассчитываются статистические характеристики: средняя прочность за период, среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации, а также соответствующие полученным результатам требуемая прочность, уровень прочности, прочность, соответствующая верхней предупредительной границе на следующий период. Полученные данные выводятся в виде справки о требуемой прочности по всем технологическим комплексам, а также контрольной карты с графиком изменения прочности за период. Статистический контроль ведется как в варианте классов, так и в варианте марок бетона для случаев испытания бетона по образцам и неразрушающими методами, а также при недостаточном наборе данных и в начале периода статистической оценки в соответствии с ГОСТ 18105.
Разработан вариант статистической обработки результатов испытаний бетона по плотности, что актуально для легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых), с выполнением всех вышеперечисленных функций.
Комплекс "Расчет состава бетона" дает возможность рассчитать базовые составы различных видов тяжелых и легких бетонов. Методика расчета принята в соответствии с рекомендациями /2/ с уточнениями, сформированными в результате опыта, полученного в процессе многолетнего внедрения системы.
В основу подбора состава положено определение необходимого водоцементного отношения для обеспечения отпускной (передаточной) и проектной прочности, а также ограничения, связанные с обеспечением особых свойств бетона (плотности, водонепроницаемости, морозостойкости). Для этого определяется водоцементное отношение, при котором достигается заданный средний уровень отпускной (передаточной) прочности в зависимости от активности цемента при пропаривании, а затем водоцементное отношение, при котором достигается проектная прочность в зависимости от марки цемента. Из двух значений водоцементного отношения (В/Ц) выбирается меньшее. Если к бетонам предъявляются требования по морозостойкости или водонепроницаемости, то принимаются соответствующие ограничения по В/Ц и расходу цемента. При расчете состава бетона учитываются условия твердения (тепловая обработка и ее параметры или естественные условия твердения). Для классического состава бетона расход воды назначается в зависимости от заданной удобоукладываемости бетонной смеси, вида и максимальной крупности заполнителей. При подборе предусматривается расчет двух фракций крупного заполнителя с обеспечением наибольшего заполнения объема бетона.

При применении химических добавок предусмотрен расчет составов бетона с учетом их действия и эффективности. Например, для водопонижающих добавок (пластификаторов, суперпластификаторов) предусмотрены три варианта расчета:
1) для снижения расхода цемента;
2) для повышения прочности;
3) для получения литой бетонной смеси.
В алгоритме расчета состава бетона учитывается максимальное количество факторов, влияющих на свойства бетона, его прочностные показатели и показатели долговечности. Методика предусматривает расчет, кроме основного, еще двух вариантов состава бетона на замес с измененными величинами В/Ц в большую и меньшую стороны для построения базовой зависимости прочности бетона от водоцементного отношения (Rб=f(В/Ц)). На основании базовых зависимостей рассчитываются производственные составы бетона, обеспечивается корректирование составов бетона, в т.ч. с учетом достигнутого коэффициента вариации.

По установленному уровню прочности, который заносится в соответствующий протокол, производится пересчет состава бетона на контролируемый период. Пересчет ведется с учетом достигнутой средней прочности за период, что позволяет учесть уровень и возможности данного производства. Корректировка может производиться по необходимости в течение контролируемого периода при наличии устойчивого отклонения текущих показателей прочности от заданного уровня прочности либо при наличии существенных выбросов прочности.
При корректировке учитываются результаты испытаний исходных материалов, которые передаются в задачу корректировки из журналов испытания.
На основании полученных составов по заданию с бетоносмесительного цеха формируются дозировочные листы для оператора либо передается информация в автоматизированную систему дозирования.
Корректировка ведется с учетом рекомендаций статистического анализа на изменившийся уровень прочности, новых свойств цемента, активности при пропаривании и нормальной густоты, изменившихся физических характеристик заполнителей, зернового состава, загрязненности, влажности и др.
Информация о скорректированных составах сохраняется в базе и в дальнейшем используется для подготовки отчетов на списание материалов, что позволяет получать достоверные данные о прохождении материалов через БСУ, как текущие, так и за календарный период.
Предлагаемая программа расчета составов бетона позволяет оптимизировать составы бетона по количеству цемента, количеству песка и стоимости бетона.

Системой предусмотрен расчет составов с различными видами добавок, пластификаторами и ускорителями, воздухововлекающими и наполнителями, при этом дается возможность выбора варианта по цели применения модификаторов.
На основе работы задачи создается фонд базовых составов бетона, подобранных на конкретных материалах, которые являются основой для работы задачи "Корректировка составов бетона".
Таким образом, благодаря автоматизации оценки статистических характеристик бетона и возможности оперативного корректирования составов достигается главная цель, с одной стороны, необходимой надежности строительных конструкций, а с другой стороны — повышения однородности бетона по прочности и возможность снижения уровня прочности, а следовательно, и стоимости бетона.
Компьютерный метод расчета обладает большой наглядностью, применение его позволяет:
— мгновенно получать результаты с любой заданной прочностью;
— исключать ошибки, которые довольно часто возникают при работе с калькулятором;
— одновременно выполнять расчет нескольких составов бетона при изменении свойств исходных материалов;
— наблюдать за влиянием отдельных факторов на результаты расчета.
Для совершенствования работы лаборатории в комплекс входят программы, позволяющие облегчить и ускорить выполнение сопутствующих задач. Так, задача "Разработка производственно-технических норм расхода цемента" позволяет рассчитывать многовариантные нормы расхода цемента в соответствии со СНиП 5.01.23-83, получать информацию и пояснения по указанному документу и твердую копию норм по разработанной форме с минимальными затратами труда и времени.
Не менее значимой на сегодняшний день является задача "Расчет тарировочных зависимостей". Задача дает возможность математически обработать результаты испытаний при установлении тарировочных зависимостей и получить корреляционную связь в виде формул, таблиц, графиков, определить погрешность испытаний, провести проверку уже используемых зависимостей.
Подсистема "Справочная информация" предназначена для создания базы справочников, характеризующих структуру завода, номенклатуры изделий, видов изготавливаемого бетона и используемых материалов, поставщиков и потребителей. Сформированная база используется для работы всех задач системы.

АРМ "Лаборатория" может обеспечить достижение следующих целей:
— повысить качество и однородность выпускаемого бетона;
— обеспечить снижение коэффициента вариации прочности бетона;
— повысить оперативность управления качеством бетонной смеси;
— повысить достоверность учета и списания основных материалов;
— снизить трудоемкость обработки информации при проведении расчетов;
— обеспечить снижение расхода цемента и рациональное использование энергетических ресурсов.
Экономический эффект от применения системы достигается вследствие снижения коэффициента вариации прочности бетона и может обеспечить до 10% экономии цемента за счет оптимального подбора составов бетона, а также своевременной их корректировки.
Возможности снижения расхода цемента и повышения однородности бетона за счет оперативной корректировки составов в зависимости от свойств применяемых материалов представлены в таблице 2.



Система формируется открытой и может дополняться по мере необходимости конкретными условиями и требованиями с учетом влияния свойств компонентов, производственных и климатических факторов.
Функционирование такой системы целесообразно в системе автоматического управления процессом тепловой обработки, однако возможно и для выбора оптимальных режимов при автономном использовании.

Литература
1. Гордон С.С. Теоретические основы и направления прогресса производства железобетона//Механизация строительства. №4, 2000 г.
2. Рекомендации по подбору составов тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ 27006-86). М., 1990 г.
3. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.
4. СТБ 1182-99. Бетоны. Правила подбора состава.
5. СТБ1112-98. Добавки для бетона. Общие технические условия.

В.Д. ЮРЕНЯ, ст. науч. сотр. УП "Институт НИПТИС"