Устройство для мониторинга состояния железобетонных конструкций

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) железобетонных строительных конструкций, например, сборных и монолитных колонн и ригелей зданий и сооружений, а также для мониторинга интенсивности автомобильного движения.
Известна система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (патент РФ №66525, кл. G01M 7/00, 2007 г.), содержащая блок ударного устройства, блок вибродатчиков и блок обработки выходной информации, при этом дополнительно включены блок измерения ускорений колебаний объекта, и/или блок измерения скоростей колебаний объекта, и/или блок измерения амплитуд колебаний объекта, и/или блок измерения наклонов, и/или блок измерения прогибов, и/или блок измерения напряжений, и/или блок измерения нагрузок, и/или блок измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или блок контроля трещин, стыков и швов, и/или блок измерения геодезических параметров и блок градации выходной информации. Линиями связи функциональных блоков системы могут являться проводные и беспроводные связи или их сочетание.
Известна также система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений (патент РФ №123949, кл. G01M 7/00, 2013 г.), представляющая собой пространственно распределенные блоки, функционально объединенные между собой, и включающая в себя блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения изменения зависимостей динамических характеристик, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок синхронизации, блок привязки точного времени, блок измерения наклонов, блок сепарации, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерений линейных перемещений, блок измерения деформаций, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения температуры, блок самодиагностики, блок калибровки, блок записи и хранения информации, блок обработки и визуализации информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации, и не менее одного источника резервного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.
Общим недостатком перечисленных решений является необходимость установки датчиков на поверхность исследуемых конструкций, которые под влиянием внешних факторов выходят из строя. Кроме этого, общая стоимость самих датчиков и используемых вместе с ними систем сбора данных достаточно высока.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели принята система мониторинга бетонных конструкций, состоящая из выполненных из стальных сеток с мелкой ячейкой электродов, размещенных в цементном блоке, изготовленном из цемента, заполнителей, микрокремнезема, суперпластификатора и/или углеродных нановолокон (патент США №9797937).
К недостаткам прототипа следует отнести невысокую эффективность работы в случае размещения устройства в растянутой зоне исследуемой конструкций, обусловленную низким сцеплением с окружающим цементным камнем.
Задача полезной модели заключается в усовершенствовании устройства для мониторинга состояния железобетонных конструкций, позволяющем повысить качество работы, а также расширить арсенал средств подобного назначения.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы устройства при использовании не только на сжатых, но и на растянутых участках конструкций.
Технический результат достигается тем, что устройство для мониторинга железобетонных конструкций, содержит блок цементного камня, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, с установленными в нем электродами, подключенными к источнику тока, при этом длинные вертикальные стороны блока имеют волнистую поверхность с высотой профиля 15 мм, соизмеримой с размером крупного заполнителя (щебня).
Выполнение длинных вертикальных сторон блока с волнистой поверхностью с высотой профиля 15 мм, соизмеримой с размером крупного заполнителя (щебня), обеспечивает надежное сцепление сенсора с окружающим цементным камнем и позволяет повысить эффективность работы для контроля состояния не только сжатых, но и на растянутых участках железобетонных конструкций.
Указанный признак позволяет повысить качество работы сенсора, а также расширить арсенал средств подобного назначения.
На фиг. 1 приведена схема устройства для мониторинга состояния железобетонных конструкций, состоящего из блока 1, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда и изготавливаемого из смеси воды, цемента, песка, микрокремнезема (МК), взятых при соотношении В:Ц:П:МК=0,45:1:1:0,15 с добавлением углеродных нановолокон в количестве 1% от массы цемента с установленными в нем при формовании электродами 2,3 для измерения полного электрического сопротивления по четырехточечной схеме при подключении крайних электродов 2 к источнику переменного тока, при этом длинные вертикальные стороны 4 блока имеют волнистую поверхность с высотой профиля 15 мм, обеспечивающую надежное сцепление сенсора с окружающим цементным камнем и позволяющую применять его для контроля состояния не только сжатых, но и растянутых зон железобетонных конструкций.
Для изготовления цементного камня предварительно подготавливается сухая смесь цемента, песка, микрокремнезема, взятых при соотношении Ц:П:МК=1:1:0,15. Углеродные нановолокна в количестве 1% от массы цемента размешиваются в воде, взятой в количестве 45% от массы цемента, после чего полученной суспензией затворяется сухая смесь. Для диспергирования агломератов углеродных нановолокон, образующихся в результате действия сил Ван-дер-Ваальса, суспензия подвергается ультразвуковой обработке в течение 5 мин (Хузин А.Ф., Рахимов Р.З., Габидуллин М.Г., Диспергируемость глобул многослойных углеродных нанотрубок различных производителей // Известия КГАСУ. - Казань: 2015. - С. 164-171; Alsharef J., Taha M.R., Khan T.A. Physical Dispersion of Nanocarbons in Composites - A Review // Technology Journal. - 2017. - №79. - C. 69-81 и др.). Формование блока цементного камня производится в опалубке, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, длинные вертикальные стороны которого имеют волнистый профиль (фиг. 1).
Перед применением для натурного контроля НДС полноразмерных конструкций или мониторинга интенсивности дорожного движения набравшее прочность устройство необходимо откалибровать в лабораторных условиях. Для этого следует провести серию нагружений в прессе, установив при этом фактическую зависимость сопротивления сенсора от действующих в нем напряжений. При калибровке следует также определить частоту переменного тока, при которой угол сдвига фаз тока и напряжения в цепи будет минимальным, так как это будет соответствовать максимальному вкладу активного сопротивления в полное сопротивление цепи.
За счет наличия волнистой поверхности 4 с высотой профиля 15 мм цементному блоку 1 передаются деформации окружающего его материала. В связи с этим мероприятия по мониторингу НДС исследуемой железобетонной конструкции или дорожного полотна сводятся к наблюдению за изменением электрического сопротивления блока 1. Для этого к электродам 2, 3 устройства по четырехточечной схеме подключается измеритель импеданса. Через внешние электроды 2 в блоке 1 возбуждается переменный ток с частотой, установленной в результате калибровки устройства. Удельное сопротивление определяется на участке блока 1 между внутренними электродами 3. По величине изменения удельного сопротивления производится оценка изменения НДС железобетонной конструкции или дорожного полотна. Для выполнения мониторинга НДС железобетонных конструкций устройство фиксируется на арматурном каркасе в опалубке перед началом бетонирования. Для мониторинга интенсивности автомобильного движения устройство располагается в верхнем слое дорожного полотна.