От древности к современности
Бетон – материал, который стал известен человеку еще в доисторические времена. Самые ранние образцы датируются шестым тысячелетием до нашей эры. При помощи этого конструкционного материала были построены и до сих пор строятся тысячи уникальных сооружений по всему миру – жилые и промышленные здания, мосты, туннели, объекты культуры и многое другое. Конечно, если говорить про современное строительство, то речь скорее будет идти про железобетон, где классический материал дополнен армированием из стали или других материалов.
Логично предположить, что монолитное строительство – процесс, который за столь долгое время уже досконально изучен и предельно понятен. Однако развитие материаловедения и усложнение задач, с которыми сталкиваются современные строители, открывают простор для множества исследований и усовершенствований. Но так или иначе, процесс твердения бетона, если не вдаваться в тонкости, в общем случае по-прежнему зависит от очень небольшого числа параметров. К ним относятся состав бетона (в том числе наличие добавок), температура окружающего воздуха и самого бетона, а также время, которое требуется для набора бетоном проектной прочности.
Прогнозирование набора бетоном прочности основывается на данных о его составе и условий твердения (температуры окружающей среды и т.д.). Естественно, прогнозные данные, как и при любых других расчетах, содержат определенные коэффициенты запаса, чтобы даже в случае отклонения от прогнозируемых параметров обеспечить безопасность при работе. Отсюда следует очевидный вывод – если есть возможность как можно более точно оценить реальную набранную бетоном прочность, то можно сократить время ожидания, и оно будет меньше, чем при стандартном подходе.
Наперегонки со временем
Возникает вопрос: а зачем нужна эта гонка и какая будет польза от того, что бетон быстрее наберет прочность? Дело в том, что при современном монолитном строительстве после укладки свежей бетонной смеси в «форму», то есть в опалубку, процесс встает на паузу до затвердения. Нельзя ни демонтировать опалубку, чтобы использовать на других конструкциях, ни прикладывать дополнительную нагрузку, то есть строить дальше. Поэтому скорость твердения бетона выступает своего рода тормозом для общей скорости строительства даже при использовании современных опалубочных систем.
Теперь предположим, что вместо следования некой обобщенной методике можно дать точную оценку набора бетоном прочности для определенной строительной площадки и для конкретных условий. Очевидно, что такая информация поможет сократить строительную паузу, не создавая при этом рисков с точки зрения безопасности, что крайне важно, ведь большинство обрушений в ходе монолитных работ связано с недостаточным набором прочности.
Итак, чтобы сократить время ожидания, необходимо получить объективные данные о процессе твердении бетона в конкретных условиях. Существует целый ряд методов для оценки прочности бетона, и многие из них активно используются для строительного контроля. Но почему тогда «светлое будущее» в виде сокращения сроков строительства так и не наступило? Причин здесь две: особенности измерений и специфика их выполнения.
Первая заключается в том, что для использования некоторых методов,например, проверки прочности бетона на скалывание – требуется прямой доступ к монолитным конструкциям. Это означает, что опалубка, уже была демонтирована. А значит, строители уже выждали необходимое по регламенту количество времени, и, соответственно, никакого сокращения сроков не произошло.
Вторая причина заключается в том, как проводятся измерения. Чаще всего для их выполнения требуется прибор, причем достаточно дорогостоящий, но это не единственная проблема. Прибор сам по себе бесполезен: для его использования необходим квалифицированный оператор. К тому же именно процесс проведения замеров– не главное, что отнимает время: оператору нужно доехать до объекта, подняться на этаж, подготовить оборудование и так далее. Все это объем ручного труда. Можно ли его сократить? Сейчас да: в последнее время появились системы датчиков, которые доступны 24/7 и позволяют измерять параметры бетона в режиме реального времени.
Область применения датчиков для бетона весьма обширна, но в целом можно выделить три основополагающих сценария использования: 1) контроль за температурой для общего ускорения строительства независимо от сезона; 2) контроль за температурой для преодоления ограничений по скорости в зимнее время; 3) бетонирование массивных конструкций.
Их установка проста и не занимает много времени, а получение результатов происходит автоматически без участия людей. При этом результаты загружаются в облачную платформу, где доступ к ним может получить любой человек, для которого настроены соответствующие права доступа, из любой точки земного шара:от прораба, работающего за компьютером в штабе, до собственника компании, который может находиться в командировке в другой стране. Другое преимущество такого подхода заключается в том, что результаты измерений, в отличие от бумажных протоколов, не могут ни потеряться, ни «исказиться» случайно или преднамеренно. Кроме того, при необходимости можно автоматически генерировать любые отчеты.
Как уже было сказано выше, когда речь заходит о наборе бетоном прочности, есть некое «регламентное» значение, которое дается исходя из условий безопасности, т.е., оно берется с запасом. При этом в реальной жизни бетон может набирать прочность быстрее. Иногда разница может составлять часы, а иногда – дни или даже недели. Но станет ли неделя значимым сроком, если мы знаем, что, например, на строительство монолитного каркаса жилого дома уходит в среднем один год? Конечно же, да! Здесь срабатывает эффект экономии на масштабе: в рамках всего проекта одна неделя – это ничто, но если несколько сэкономленных недель на один этаж умножить на количество этажей, получится уже весьма внушительная сумма.
Не только ускорение
Предположим, что такая цель, как «ускорение» не стоит, но мы живем в стране, где большую часть времени в году холодно, а на некоторых территориях даже очень. Здесь становится критически важным не «заморозить» бетон, т.е. не дать температуре в свежеуложенном бетоне опуститься ниже определенного значения. Звучит как тривиальная задача. Однако, возвращаясь к рассуждениям про методы контроля, мы легко найдем параллели. Как правило, прогрев бетона в зимнее время осуществляется при помощи греющего провода. Иногда этот провод повреждается, поэтому важно контролировать, чтобы все участки забетонированной конструкции прогревались равномерно.едь если не уделять этому должного внимания, то бетон на «замороженных» участках не наберет необходимой прочности, и придется выполнять дорогостоящие и трудоемкие мероприятия по демонтажу уже возведенных конструкций.
Как правило, контролем занимается человек со специальным термометром, который измеряет температуру бетона (а точнее, температуру опалубки, в которой находится бетон), чтобы обнаружить и своевременно предотвратить его слишком быстрое остывание. В конечном итоге все снова сводится к ручному труду, который легко поддается оптимизации. При использовании датчиков мы можем получать информацию о температуре бетона (причем именно бетона, а не примыкающих к нему конструкций!) в режиме реального времени. При этом систему можно настроить таким образом, что при достижении критической температуры будет выдаваться соответствующее предупреждение. Так риск пропустить негативное событие на площадке почти равен нулю.
Еще одна задача, которую помогают решить датчики – бетонирование массивных конструкций. На процесс твердения бетона негативно могут влиять не только отрицательные, но и положительные температуры, а точнее, их перепады. При росте разницы температур снаружи и внутри бетонного блока повышается риск возникновения трещин, которые крайне негативно сказываются на несущей способности конструкции в целом. Благодаря датчикам эта проблема решается весьма просто. Расположив их соответствующим образом и настроив автоматическое получение уведомлений о достижении критической разницы температур, мы можем не беспокоиться за получение оптимального результата.
Стоит упомянуть и задачи по бетонированию высоких конструкций или строительство с использованием самоуплотняющегося бетона. При укладке в опалубку бетон ведет себя как жидкость: чем больше высота, на которую мы уложили бетон, тем выше давление. Если речь идет о высоких конструкциях, то давление на опалубку будет слишком большим. Поэтому укладку свежей бетонной смести проводят так, чтобы нижние уложенные слои уже успели затвердеть, что снижает давление на опалубочную систему. Но, как уже было сказано, любой расчет имеет свои коэффициенты запаса, и этот случай – не исключение. Зачастую при бетонировании высоких конструкций можно столкнуться с тем, что скорость, с которой можно укладывать свежую бетонную смесь в опалубку, может быть весьма невысока. Процесс бетонирования длится дольше, соответственно, и скорость строительства снижается. Но если с помощью системы датчиков вместо температуры замерять давление внутри бетонной смести, то, зная фактическое давление на опалубку, мы сможем скорректировать скорость наполнения и за счет этого выполнить работу быстрее.
Как устроены системы датчиков
Современные системы датчиков – это программно-аппаратные комплексы, состоящие из «железа» для самих измерений, и облачной платформы, агрегирующей данные и позволяющей представлять их в необходимом виде, создавать отчеты, настраивать доступы и многое другое. Для проведения измерений в настоящее время используются два вида датчиков: датчик давления и датчик температуры. Они универсальны и совместимы с любыми системами опалубки любого производителя.
Датчик температуры представляет собой термопару из специально подобранных материалов. Он поставляется в бухтах и подвязывается к арматурному каркасу перед бетонированием. Подобные датчики относятся к расходникам, однако за счет простоты конструкции затраты на них минимальны. Датчик давления предназначен для многоразового использования и представляет собой мембрану и измерительный элемент. Установка на опалубку происходит за считаные минуты.
В процессе измерения сигналы с датчиков поступают на специальные модули или узлы, которые обладают собственным питанием и регистрируют полученную информацию с заданной частотой. К примеру, для определения набора прочности плиты перекрытия можно задать опрос датчика с интервалом в 15 или даже 30 минут, в то время как для мониторинга давления частота опроса может быть равна нескольким секундам. Далее полученные данные по радиоканалу поступают на центральный модуль. Он собирает данные со всех узлов, после чего посредством мобильных данных передает консолидированную информацию в облако.
В настоящее время ведется разработка дополнительных датчиков, которые будут использовать ту же инфраструктуру. Это главный плюс системы, ведь один набор элементов может использоваться для определения набора прочности бетона с разными целями: для ускорения строительства; мониторинга при бетонировании в зимнее время; использования натяжения арматуры, подъемно-переставных систем; при бетонировании высоких конструкций или при использовании самоуплотняющегося бетона. Таким образом, используя один комплект оборудования, можно решать множество задач, делая процесс строительства более эффективным и безопасным.
От теории к практике
Число примеров, иллюстрирующих их успешное применение, постоянно растет. Так, они позволили повысить эффективность при строительстве башен Triiple Tower в Вене. Проект жилых башен общей стоимостью более 300 млн евро и площадью этажа около 70 000 м2 стал знаковым для столицы Австрии. Одна из конструктивных особенностей – внушительные консольные выступы на 11 и 22 этажах. Для их реализации использовались сверхмощные несущие леса, нагрузка на одну ветвь которых составляла более 70 тонн. Безусловно, в контексте эффективности сокращение срока использования подобных дорогостоящих конструкций играло весьма важную роль. Датчики позволили не только сократить срок аренды лесов, но и продолжить строительство вышележащих этажей раньше запланированного срока, тем самым ускорив ввод объектов в эксплуатацию.
Еще один показательный пример – штаб-квартира компании Heildelbergcement в Германии. Строительство длилось 16 месяцев, а площадь использованных опалубочных решений составила более 97 000 м2. Но наиболее примечательными стали композиции из трех монолитных колонн, украшающих внутренний холл здания. При их бетонировании строители столкнулись с нетривиальной задачей: по изначальному замыслу, колонны необходимо было выполнить из лицевого бетона, то есть без последующей отделки.
Однако расчет показал, что забетонировать колонны сразу на всю высоту невозможно: в этом случае допустимое давление на опалубку будет превышено, что приведет к рискам для безопасности и нарушению геометрических характеристик. Поэтому был выбран план бетонирования на определенную высоту, после чего должен был идти технологический перерыв, а затем – бетонирование оставшейся части конструкции. Однако при такой схеме был крайне высок риск образования холодного шва на границе видимой линии стыка двух зон, которая делала всю концепцию лицевого бетона бессмысленной.
При реализации проекта подрядчик решил использовать датчики давления. В ходе бетонирования при достижении проектной максимальной высоты датчики зафиксировали, что давление на опалубку меньше того, которое предполагалось в расчетах. Подрядчик принял решение продолжать бетонирование, и в результате колонны были выполнены без каких-либо стыков или швов. Первоначальный замысел архитектора был достигнут в идеальном формате: с соблюдением строгих допусков по геометрии и без рисков для безопасности.
Конечно, системы датчиков – решение относительно новое, и говорить о повсеместном использовании пока рано. Однако полученные успехи и доказанная эффективность побуждают все большее и большее количество компаний интегрировать ее в свой рабочий процесс.
Статья опубликована на сайте it-world
