Г.А.ГУБАЙДУЛЛИН, канд. техн. наук, А.А.БЛИНОВ, инж. (Научно-производственное предприятие КАРАТ), Новые средства контроля и автоматизации процессов термообработки бетона
Тепловая обработка бетона является наиболее длительным и энергоемким технологическим переделом, во многом определяющим качество изделий. Известно, что автоматизация процессов термообработки позволяет на 25-30% сократить энергозатраты, обеспечить ритмичность производства и высокое качество бетона. В настоящее время возобновился интерес предприятий строительной индустрии к автоматизации термообработки бетона, утраченный за годы экономического спада, когда из-за отсутствия спроса практически прекратился выпуск средств данного назначения.
Научно-производственным предприятием КАРАТ разработан и выпускается новый комплекс технических средств для контроля и автоматизации процессов термообработки монолитного и сборного железобетона, включающий в себя: средства контроля, регистрации и регулирования (приборы “ТЕРЕМ- З.Х”, РТМ-5), сбора, переноса и обработки информации (прибор “ТЕРМОТРАНСФЕР” и компьютерные программы), а также мобильный термографический комплекс “ТЕРМОКОМ” (термографы РТВ-2, прибор “ТЕРМОСКОП”, адаптеры и компьютерные программы), применяемый при определении температурных полей камер. Предлагаемый комплекс дает возможность реализовать высокоэффективную систему автоматического управления и контроля, получить исчерпывающую объективную информацию о технологическом процессе в реальном времени, диагностировать тепловые установки и повысить эффективность их работы.
Основа комплекса — многоканальный регулятор-регистратор “РТМ-5, предназначенный для автоматического программного управления термообработкой железобетонных изделий в различных технологических установках циклического и непрерывного действия: ямных и туннельных камерах, термоформах, кассетах, стендах. Состоит “РТМ-5” из блока управления (габариты 190x140x55 мм), силового блока (250x150x60 мм), позволяющего напрямую управлять реверсивными электроприводами паровых клапанов, блока сопряжения с компьютером (90x55x50 мм) и интеллектуальных термодатчиков, обеспечивающих высокую точность измерений при длине линий связи до 1 км.
Процессы регулирования регистрируются в реальном времени и могут быть просмотрены на дисплее в графическом и цифровом видах на любой стадии работы и в архиве. Ресурса памяти достаточно для хранения полной информации по восьми каналам в течение 30-40 дней, а когда этот ресурс исчерпывается устаревшая информация автоматически заменяется новой. Самодиагностика системы управления охватывает контроль положения и исправности исполнительных органов и датчиков, сигнализацию о нарушениях режимов работы, учет температурно-временного эквивалента прочности бетона, сбоев, срабатывания защит.
Посредством клавиатуры, системы меню и графического дисплея оператор имеет возможность программировать режимы работы каждой из восьми камер, задавать период регистрации температуры, выбирать закон регулирования и настроечные параметры,передавать информацию на компьютер, следить за работой камер.
Предусмотрена возможность поэтапной автоматизации процессов термообработки изделий с распределением во времени затрат на приобретение оборудования, монтажноналадочные работы, модернизацию камер. На начальном этапе рекомендуется внедрить контроль тепловых режимов камер на базе многоканального регистратора ТЕРЕМ- 3.1. В дальнейшем ТЕРЕМ-3.1 легко трансформируется в блок управления “РТМ-5 простой перепрошивкой программы микроконтроллера.
Для контроля режимов ускоренного твердения монолитного бетона выпускается ТЕРЕМ-3.0 — специализированная модель портативного 10-канального регистратора с автономным питанием, поставляемая с термопарным кабелем. Регистратор размещают на объекте в удобном месте, термопары устанавливают в контрольных точках и подключают к самозажимной колодке регистратора. Пользователь выбирает режимные параметры: время начала и окончания работы, период отсчетов, уровни срабатывания сигнализации. Прибор регистрирует температуру в восьми контрольныхточках объекта, а также влажность и температуру окружающей среды. Максимальное количество отсчетов на каждый канал — 1600 с периодом записи от 1 с до 1 ч. Записанная информация может просматриваться на дисплее как в процессе работы, так и по окончании измерений, а также транслироваться на компьютер непосредственно или с помощью малогабаритного прибора для сбора и переноса информации ТЕРМОТРАНСФЕР”.
Программы компьютерной обработки позволяют архивировать, корректировать, сопровождать комментариями, распечатывать, просматривать в цифровом и графическом видах результаты измерений, получаемые приборами ТЕРЕМ-З.Х и “РТМ-5”.
Для создания полноценной системы управления и контроля в ее состав необходимо вводить компьютер, связанный через интерфейс RS-232 или RS-425 с регулятором посредством кабельной линии, при этом компьютер может обслуживать несколько регуляторов “РТМ-5. На практике часто возникают ситуации, когда связать приборы РТМ-5” и “ТЕРЕМ-3.1” напрямую с компьютером затруднительно, а регистраторы “ТЕРЕМ-3.0 нежелательно снимать с объекта. В таких случаях целесообразно использовать ТЕРМОТРАНСФЕР — прибор сбора и переноса данных, емкость памяти которого рассчитана на 30 приборов “ТЕРЕМ- З.Х” или “РТМ-5”. “ТЕРМОТРАНСФЕР незаменим при большом количестве применяемых регистраторов или регуляторов, их территориальной разбросанности по объектам, когда исполнение линий связи с компьютером требует больших материальных затрат.
Эффективность применения средств автоматизации и контроля находится в сильной зависимости от способности тепловых установок обеспечивать равномерность прогрева железобетонных изделий и конструкций. На практике по ряду причин большинство пропарочных камер, термоформ, кассет и стендов имеют значительную неоднородность температурного поля греющих поверхностей, изделия прогреваются неравномерно по поверхности и в пакетах форм. Например, при отсутствии циркуляции греющей среды в пропарочных камерах возникают застойные зоны и расслоение паровоздушной среды по высоте камеры и, как следствие, — высокая неравномерность температурного поля, в динамике достигающая 30 градусов.
В связи с этим контроль температурного поля тепловых установок является весьма актуальной задачей, реализация которой до настоящего времени была связана с большими техническими проблемами. Предельно облегчить определение температурных полей позволяет мобильный термографический комплекс “ТЕРМОКОМ-4, состоящий из термографов “РТВ-2”, прибора “ТЕРМОСКОП-1, адаптера магнитных контейнеров и специализированной программы компьютерной обработки.
Базой этого комплекса являются уникальные термографы, состоящие из термодатчика, микроконтроллера, часов реального времени с календарем, памяти на 2048 отсчетов и последовательного интерфейса; их питание осуществляется от встроенной литиевой батареи, рассчитанной на 10 лет непрерывной работы или 1 миллион измерений.
Конструктивно термограф похож на таблеточный аккумулятор диаметром 17 мм и высотой 6 мм при массе 3,3 г; имеет пылевлагонепроницаемый корпус из нержавеющей стали, выдерживающий погружение в жидкость на глубину до 10 м и ударное ускорение не менее 500 д. Диапазон регистрируемых температур от -20 до +70°С, предельный эксплуатационный диапазон от-40 до +85°С, период отсчетов от 1 до 255 мин.
Термограф посредством адаптера подключается к компьютеру и обслуживается специальной программой, с помощью которой программируется время, дата начала и окончания регистрации, период отсчетов, осуществляется просмотр записанной информации в табличной и графической формах.
Прибор ТЕРМОСКОП-1” предназначен для обслуживания термографов на удаленных объектах, в полевых и других условиях, где неудобно или невозможно применение персонального компьютера. Он обеспечивает считывание и сохранение информации от 14 термографов, просмотр на дисплее результатов регистрации (график измерения температуры во времени, гистограмма распределения температуры, записи выхода за пределы установленного диапазона), программирование термографов и передачу данных на компьютер.
Комплекс “ТЕРМОКОМ-4” может также применяться при температурном мониторинге движущихся объектов, в лабораторных камерах, холодильных установках, для контроля за соблюдением технологической дисциплины и т.п.
В настоящее время на базе описанной выше аппаратуры реализованы и эксплуатируются системы автоматического управления термообработкой бетона на Краснопресненском заводе ЖБК (г.Москва), заводе ЖБИ-6 (г.Энгельс), в Мостоотряде № 123 (г. Пермь) и на ряде других предприятий.
Методы и средства неразрушающего контроля бетона и железобетонных изделий
Важнейшим условием повышения качества в отрасли строительства является совершенствование методов и средств контроля. Методы контроля качества, основанные на изготовлении и испытании стандартных образцов, не позволяют осуществлять надежный контроль в силу ряда причин: объем изготовления стандартных образцов несоизмерим с объемами производства конструкций и сооружений, условия формования и твердения стандартных образцов не всегда соответствуют условиям изготовления конструкций, поэтому характеристики стандартных образцов могут значительно отличаться от фактической прочности бетона в конструкциях. Кроме того, испытание бетона традиционными методами в ряде случаев и в некоторых технологических процессах просто не представляется возможным. Определение прочности продуктов полусухого вибропрессования сложной формы (бордюрный камень, тротуарная плитка), монолитных бетонных конструкций в условиях стройплощадки, оценка прочностных характеристик бетона существующих зданий и сооружений при их технической диагностике невозможны без применения неразрушающих методов.
Не менее важна квалификация персонала, проводящего испытания, анализ результатов и выдающего заключение. Даже самый совершенный прибор в руках оператора, не получившего надлежащих знаний,—бесполезный предмет. На сегодняшний день сразу несколько образовательных учреждений проводят обучение по специальности “Неразрушающий контроль в строительной отрасли.
Необходим правильный выбор метода и прибора, поскольку зачастую проведенные испытания и выбранный метод оказываются некорректными в силу особенностей испытуемого изделия или конструкции. Таковыми могут являться большая плотность армирования, высокая влажность, карбонизация поверхностных слоев, объемные характеристики изделий, оговариваемые ГОСТ 22690-98.
Для контроля прочности бетона достаточно широко применяются методы с частичным разрушением бетона — отрыв со скалыванием, скалывание ребра и отрыв дисков, механические методы — пластической деформации, упругого отскока и ударного импульса, физические методы — ультразвуковой и метод волны удара, Далее пойдет речь о преимуществах и недостатках перечисленных методов и о приборах, созданных для их реализации.
Наиболее точными являются методы с частичным разрушением бетона. Метод отрыва со скалыванием позволяет контролировать прочность бетона на глубине до 48 мм, что определяется глубиной заделки анкера. К недостаткам этого метода можно отнести высокую трудоемкость и невозможность его использования в густоармированных участках конструкций. Альтернативой этому методу является метод скалывания ребра, кдостоинствам которого можно отнести более высокую производительность и возможность испытания густоармированных участков конструкций.
Из приборов, основанных на методах с частичным разрушением бетона, в настоящий момент в России выпускаются только две современные модели — Скол и “Отрыв, являющиеся модификациями прибора ПОС-МГ4. Это сравнительно небольшие и легкие приборы, развивающиеся усилия 3000 и 5000 кГс, предназначенные для контроля прочности бетона в диапазоне 5...100 МПа с погрешностью до ±2%. Отличительной особенностью приборов является электронный си- лоизмеритель. Для удобства эксплуатации приборы оснащены функцией запоминания максимальной нагрузки при вырыве фрагмента бетона, устройством индикации скорости нагружения в процессе испытаний в диапазоне 1.5...3 кН/с и микрометрической гайкой для контроля величины проскальзывания анкера.
Устройство для нагружения выполнено по оригинальной компоновочной схеме, предоставляющей большее удобство при эксплуатации прибора. С целью повышения точности обеспечена возможность ввода в диалоговом режиме: вида бетона, условий его твердения, типоразмера анкера, фракции заполнителя; при этом происходит автоматический выбор одной из 12 градуировочных зависимостей, установленных в приборах. Предусмотрена возможность записи в программное устройство приборов дополнительно 16 индивидуальных зависимостей пользователя. Результаты испытаний хранит энергозависимое запоминающее устройство.
Из методов, основанных на ударном воздействии на бетон, наиболее производительным можно считать метод ударного импульса Он является и более перспективным сточки зрения автоматизации процесса контроля. К достоинствам метода относится форма электрического сигнала (акустического импульса), являющаяся комплексной характеристикой, зависящей от упругих и пластических свойств исследуемого материала, а также относительно низкое влияние состава бетона на результаты измерений. К недостаткам можно отнести контроль прочности в поверхностном слое и трудоемкость контроля карбонизированного бетона, связанная с необходимостью удаления поверхностного слоя, подверженного карбонизации.
На сегодняшний день разработано два прибора, реализующих этот метод: ИПС-МГ4 и ИПС-МГ4+. Микропроцессорный прибор ИПС- МГ4 предназначен для оперативного и производственного контроля прочности и однородности бетона, раствора методом ударного импульса по ГОСТ 22690. Прибор позволяет записать в программное устройство 16 индивидуальных градуировочных зависимостей, установленных пользователем. Для удобства эксплуатации прибор поставляется потребителю с базовой градуировойной зависимостью,обеспечивающей определение прочности легких и тяжелых бетонов, раствора, имеющих кубиковую прочность от 3 до 100 МПа, с погрешностью не более 10%. Измерение прочности бетона заключается в нанесении на контролируемом участке изделия серии до 15 ударов. Электронный блок по параметрам ударного импульса, поступающим от склерометра, оценивает твердость и упруго-пластические свойства испытуемого материала, преобразует параметры импульса в прочность, индицируя ее на дисплее прибора в МПа.
Алгоритм обработки результатов измерений включает: усреднение единичных значений; сравнение каждого единичного значения со средним, с последующей отбраковкой единичных значений, имеющих отклонения от среднего более допустимого; усреднение оставшихся после отбраковки единичных значений; индикация и запись в память конечного значения прочности. Конструктивные особенности датчика- склерометра учитывают суровые условия эксплуатации, поэтому по стойкости к ударным нагрузкам и абразивному воздействию он превосходит все известные аналоги. Кроме того, в ИПС-МГ4 впервые применена не спиральная, а листовая пружина, что обеспечивает простоту конструкции и стабильные во времени характеристики склерометра.
В отличие от предшественника, ИПС-МГ4+ хранит в программном устройстве около 100 градуировочных зависимостей, учитывающих вид бетона, заполнитель, условия твердения и возраст бетона. Этот прибор оснащен более мощным запоминающим устройством, таймером реального времени, оригинальной программой передачи и просмотра данных на компьютере.
Многочисленные исследования в области испытания бетона неразрушающими методами показали, что результат, полученный ультразвуковым методом, более других зависит от расхода цемента, крупности и вида заполнителя, от влажности и пористости бетона. Различие значений RC)K с показаниями прибора при этом могут достигать 80%. Следовательно, для получения достоверного результата ультразвуковые приборы чаще других необходимо градуировать, а это значительно снижает производительность контроля. К неоспоримым преимуществам ультразвука относится возможность обнаружения трещин и скрытых полостей в теле бетона.
Исходя из опыта Б.Г.Скрамтаева, М.Ю.Лещинского, В.А.Клевцова и других исследователей, для контроля прочности бетона при обследовании можно рекомендовать сочетание методов — отрыва со скалыванием (или метод скалывания ребра) с высокопроизводительными методами ударного импульса или упругого отскока. При этом уточнение градуировочной зависимости приборов ударного действия производится через коэффициент совпадения, установленный по результатам испытания бетона методом отрыва и ударным методом на одном и том же участке. На остальных участках прочность бетона определяется приборами ударного действия. При выполнении таких работ важную роль играют параметры армирования. Необходимо обладать информацией о наличии арматуры на участке конструкции и о глубине ее залегания. Арматура может вносить ошибку в результаты измерения прочности бетона любым методом. Кроме того, не обладая информацией о параметрах армирования, нельзя рассчитать несущую способность конструкции, найти аварийные участки.
Для определения параметров армирования широко используется магнитный метод. Этот наиболее простой и надежный метод положен в основу всех измерителей защитного слоя бетона в России и за рубежом.
В СКБ Стройприбор разработан микропроцессорный прибор ИИА- МГ4, предназначенный для контроля толщины защитного слоя бетона и расположения стержневой арматуры диаметром от 3 до 40 мм магнитным методом по ГОСТ 22904. Диапазон измерения защитного слоя 3...100 мм, с погрешностью не более ±7%. Предусмотрена возможность определения диаметра арматурных стержней при известном защитном слое. Прибор оснащен энергонезависимым запоминающим устройством.
Бетон и железобетон, 2002 №4