Управление качеством дорожного бетона на основе информационных технологий

УДК 691.32.001.1

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ДОРОЖНОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

С. Н. Толмачев, к.т.н., доцент, А. И. Жадан, ассистент, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрены вопросы повышения качества дорожных цементобетонов за счет применения современных информационных технологий. Современная компьютерная база и программное обеспечение позволят обрабатывать значительные информационные массивы и на этой основе осуществлять прогноз показателей качества и долговечности бетонов.

Ключевые слова: прогноз, качество, дорожный цементобетон, информационные технологии, компьютерное материаловедение, прочность, долговечность.

Введение

На современном этапе развития технологии дорожных цементных бетонов основной задачей обеспечения их долговечности является достижение стабильности показателей каждого элемента технологического процесса. В условиях истощения материальной базы качественных заполнителей бетона и их замены на побочные продукты смежных производств, а также заполнители пониженного качества, это представляется достаточно сложным. Существующее на предприятиях по выпуску бетонных смесей и изделий оборудование в значительной мере устарело, а процесс обновления в силу нехватки финансов идет медленно. Это также вносит отрицательный вклад в показатели качества таких бетонов. В то же время компьютеризация заводских и построечных лабораторий, развитие информационных технологий позволяют применить новые подходы к проблеме управления качеством бетона.

Анализ публикаций

Тенденции развития технологии основного строительного материала XX и XXI ст. - бетона и железобетона - связаны с возможностями компьютеризации всех технологических этапов от проектирования состава до достижения заданных свойств с минимальными расходами сырья и энергии. Управление процессами получения заданных свойств требует преодоления трудностей математического описания и моделирования многостадийных гетерогенных процессов твердения цемента. В последние годы для решения сложных заданий в разных отраслях науки и техники успешно используют новые подходы, связанные с

информационными технологиями (ИТ) и экспертными системами (ЭС).

Один из основоположников информационной технологии бетона А. В. Ушеров-Маршак [1] описывает проблему использования ИТ в бетоно-ведении. Для бетона ИТ состоят из банков данных (БД) нормативно-технологического характера и баз знаний (БЗ), построенных на гносеологических предпосылках, моделях реакций гидратации и структурообразования при изготовлении или эксплуатации изделий и конструкций. Обязательными являются интеллектуальные программы для превращения объективной информации относительно методологии бетоноведения.

Информационные технологии используют только целесообразную количественную информацию, полученную на современном концептуальном методологическом уровне. В бетоноведении методология исследований охватывает многоуровневую систему состав - структура - процесс -свойство. Суть системы в рассмотрении и исследовании состава и структуры материалов, полуфабрикатов и готовых материалов на всех уровнях от надмолекулярного к макроскопическому, композитному. Уровень всегда избирается относительно нужной информации. Структура материалов, составляющих бетон, исследуется для трех фаз - твердой, жидкой и порового пространства. Их взаимодействие с учетом реакционной возможности и поверхностных явлений под воздействием внешних факторов - самый важный объект бетоноведения. В этой связи процессы твердения и эксплуатации бетона должны разделяться на элементарные и технологические с выделением разных по своей природе регулирующих действий - механических, тепловых, химических и др. Главные критерии - объективность

получения и результативность использования научной информации.

Одним из наиболее плодотворных направлений является получение и накопление банков данных, связанных с закономерностями кинетических и энергетических превращений состава и структуры компонентов и фаз в процессе твердения или последующей службы цемента и бетона. Все элементарные акты гидратации и структуро-образования, которые обеспечивают заданные свойства, сопровождаются тепловыми эффектами разной интенсивности и длительности. Их измерение, идентификация и соответствующая физико-химическая интерпретация позволяют оценивать термокинетические и термодинамические показатели гетерогенных взаимодействий, выделять важные для регуляции параметров скорости и полноты процессов, прогнозировать возможности осуществления реакций и стабильности новообразований.

Термокинетика и термодинамика - ведущие дисциплины получения знаний ИТ. Термокинетика позволила впервые классифицировать процессы твердения и сами вяжущие вещества с прогнозом их реакционной возможности в различных условиях. Результаты определения экзотермии, как внутреннего источника тепла, используются в расчетах тепловых балансов для ускоренных автоматизированных режимов твердения. На компьютерной основе была решена сложная кинетическая задача превращения изотермических термокинетических зависимостей в неизотермические для любых температурных условий. Таким образом, можно получить необходимое количество информации феноменального характера об одном из главных явлений, которое сопровождает и раскрывает сущность твердения. Термодинамический анализ фазовых переходов вода - лед в порах и капиллярах при замораживании обеспечивает количественную оценку размеров и формы микропор цементного камня. Примененный для этого метод сканирующей калориметрии позволяет проводить измерение без разрушения структуры материала в отличие от других средств порометрии.

Методологическое отличие современного бетоноведения - комплексний характер исследований и испытаний с целью использования их результатов в БД и БЗ информационных технологий бетона. В мире накоплен определенный позитивный опыт создания и функционирования ИТ и ЕС для проектирования состава обычных и специальных бетонов, технологии зимней бетонированности, профилактики долговечности и ремонта железобетонных изделий и др. Эти системы базируются на разных знаниях и имитационных моделях кинетики изменений температуры и прочности, развития деформаций, поровой структуры в зависимости от поставленной цели с учетом внешних

факторов. Обязательными составными частями БЗ системы являются математические модели кинетики гидратации всех клинкерных минералов с выделением лимитирующих стадий — растворения, диффузии, кристаллизации по данным калориметрии, а также модели микроструктуры по данным сканирующей электронной микроскопии.

В отличие от производства сборного железобетона, где контролируемые заводскими лабораториями характеристики качества бетона вполне достаточны для потребителя при принятии решений о применении изделий, отпускные характеристики товарного бетона не всегда достаточны для оценки его применимости при возведении монолитных покрытий автомобильных дорог [2]. Это определяет неэффективность применения систем управления характеристиками бетона для сборных железобетонных изделий к задачам управления качеством товарного бетона.

Организация мониторинга качества бетона в системе «характеристики исходных материалов (входное качество) - характеристики бетонной смеси на выходе из бетоносмесителя (отпускное качество) - характеристики смеси и бетона на месте укладки (потребительское качество)» создает предпосылки к повышению качества бетона и более эффективному управлению технологическим процессом его приготовления. Современные телекоммуникационные средства, информационные технологии, автоматизированнные компьютерные рабочие места в условиях заводских и научно-исследовательских лабораторий позволяют решать данную проблему без значительных затрат.

Таким образом, применение информационных технологий для повышения качества и прогнозирования срока службы дорожных бетонов является в настоящее время актуальной задачей.

Цель и постановка задачи

Целью исследования является повышение качества дорожных цементобетонов за счет использования возможностей информационных технологий. На данном этапе работы необходимо было рассмотреть следующие задачи:

- оценить возможности информационных технологий применительно к управлению качеством дорожных цементных бетонов;

- выявить возможные контролируемые параметры и критерии оценки качества бетона.

При решении такого рода задач исследования переходят в новую отрасль материаловедения -компьютерное материаловедение.

Компьютерное материаловедение по своим основным задачам не отличается от традиционного

- это изучение связей между составом и свойствами материала с целью поиска оптимального состава и режима обработки для получения заданного качества материала [3]. Но компьютерное материаловедение может решать задачу, используя одновременно модели, которые описывают разные масштабные уровни структуры (атомно-молекулярный, гетерофазный и др.) и модели феноменологические, привлекая неограниченные базы данных и знаний.

Результаты исследования

В подавляющем большинстве случаев срок службы цементобетонных покрытий оказывается много меньше, чем теоретически возможный. Это -следствие несоответствия качества структуры бетона условиям его работы в покрытии из-за, в частности, отсутствия надежных методов определения ряда свойств. Цементобетон в эксплуатационных условиях подвергается воздействию разнообразных факторов - транспортных нагрузок, циклическим нагреву-охлаждению, увлажнению-высушиванию. Между тем, основными показателями качества дорожных бетонов считают прочность и морозостойкость. Практически не учитывают возможные изменения свойств бетона при замене заполнителей и вяжущего, при нарушении технологических переделов изготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси, а также операций по уходу за твердеющим покрытием. Эти причины вызывают преждевременные разрушения покрытия гораздо чаще, чем нагрузки от

автомобильного транспорта или циклические воздействия различной степени агрессивности. Возможный путь прогнозирования долговечности таких бетонов заключается в развитии и совершенствовании системы: «критерии качества-

долговечность». В качестве таких критериев целесообразно выбирать наиболее простые и легко измеряемые величины - параметры качества.

Рассмотрим работу системы на примере двух предлагаемых критериев, величины которых можно менять на стадиях проектирования состава бетонной смеси, ее изготовления, уплотнения и твердения уложенного бетона - структурная пористость и истираемость бетона (рис. 1, 2). На структурную пористость значительное влияние оказывают соотношение диаметров и масс фракций заполнителей, а также показатели их качества (рис. 1). Последние тесно связаны с характеристиками смачиваемости заполнителей и могут быть заменены на этот интегральный показатель, определяющий в итоге качество готового бетона. В целом понятие устойчивости дорожного бетона в агрессивных средах включает в себя основные выходные параметры: прочность, водопоглоще-ние, морозо- и коррозионную стойкость. Оценивая показатель структурной пористости, можно прогнозировать значение выходных параметров и на основе применения информационных технологий их изменение во времени. Аналогично факторы, влияющие на истираемость бетона, в свою очередь, могут определить те же выходные параметры (рис. 2).

Соотношение масс фракций заполнителей

Соотношение диаметров частиц заполнителей

Показатели качества заполнителей

СТРУКТУРНАЯ ПОРИСТОСТЬ

УСТОЙЧИВОСТЬ БЕТОНОВ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Проч- Водопо- Морозо- Корози-

ность глощение стойкость онная стойкость

Рис. 1. Факторы, влияющие на структурную пористость бетона

Активация

компонентов

Условия твердения, испытания

Прочность

бетона

Показатели качества заполнителей

ИСТИРАЕМОСТЬ

УСТОЙЧИВОСТЬ БЕТОНОВ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Проч- Водопо- Морозо- Корози-

ность глощение стойкость онная стойкость

Рис. 2. Факторы, влияющие на истираемость бетона

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показали правильность подхода. В результате были собраны данные, включающие характеристики исходных материалов, эксплуатационные показатели бетона и значения критериев его качества. При сборе данных использованы масивы, включающие 15-30 точек по 15 составам дорожных бетонов на различных заполнителях с разным расходом вяжущего. В настоящее время данные обрабатываются с целью составления прогнозных зависимостей поведения дорожных бетонов в условиях действия агрессивных сред.

В современном понимании функций контроля и управления речь идет о характеристически-эксплуатационном мониторинге процесса строительства и эксплуатации покрытия автомобильной дороги, представляющем взаимоувязанную систему технических, организационных и информационных компонентов.

Основу системы должны составлять компьютерные программы, реализующие детальный анализ всех вариаций качества заполнителей условий твердения и эксплуатации бетона и дающие расчетные прогнозы прочности бетона в этот период.

В систему такого мониторинга должен быть включен выборочный контроль эксплуатационных свойств бетона, который осуществляется в отдельных контрольных точках. Экспериментально полученные значения сопоставляются с расчетными значениями и, по мере накопления данных, производится постоянная корректировка исходных данных программ для обеспечения высокой точности расчетов.

Литература

1. Ушеров-Маршак А.В. Методолопчш основи

бетонознавства та шформацшно! технологи бетону // Будiвельнi матерiали i конструкций - 1995. - №1. - С. 21-22.

2. Морозов Ю.Л. Система управления характери-

стиками товарного бетона на основе информационных технологий // Строительные материалы. - 2001. - №8. - С. 20-21.

3. Вознесенський В.А. Комп’ютерне матерiало-

знавство // Будiвельнi матерiали i конструкций - 1995. - №1. - С. 13.

Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н.,

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 января 2005 г.