СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO DETECT WATER IMPERMEABILITY OF BUILDING MATERIALS

Изобретение относится к области разработки и производства строительных материалов, а именно к контролю качества бетонов, растворов, цементного камня и других строительных материалов.
Известен способ определения водонепроницаемости бетона по "мокрому пятну". Сущность этого способа состоит в том, что образцы цилиндрической формы крепят и герметизируют в специальных обоймах, а на одну из торцевых поверхностей образца подают воду под давлением, увеличивая его ступенями по 0,2 МПа. На каждой ступени выдерживают давление в течение заданного времени до появления на противоположной торцевой поверхности образца признаков фильтрации воды в виде капель или мокрого пятна (см., например, ГОСТ 12730.5. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Раздел 2).
Недостатками этого способа является сложность обеспечения надежной герметизации образцов, что приводит к росту погрешности измерений либо к необходимости проведения повторных испытаний. Трудоемкость этого способа весьма значительна, а ступенчатое увеличение давления приводит к дополнительной систематической погрешности, достигающей 15-30%. Необходимость выдержки образца под давлением в течение 16 часов на каждой ступени нагружения создает значительные временные затраты на испытания, что существенно усложняет подготовку эксперимента.
Известен способ определения водонепроницаемости цементных материалов, включающий высушивание образца до постоянной массы, гидроизоляцию его боковых поверхностей, водонасыщение и расчет водонепроницаемости (см., например, Рекомендации МИ 300.5-94 "Безнапорный метод определения показателей водонепроницаемости бетона и раствора для средне- и низконапорных сооружений" (введены в действие 01.01.1995).
Недостатком этого способа является большая погрешность, достигающая 30%, вызванная тем, что водонепроницаемость зависит от капиллярной проницаемости, а не от общей пористости материала. Этот способ имеет повышенную длительность его реализации, достигающую 5 суток. Кроме того, он не позволяет обнаружить наличие дефектов образца, влияющих на распространение влаги, и определить положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги в процессе пропитки.
Наиболее близким из известных технических решений к заявляемому является способ определения водонепроницаемости цементных материалов, включающий высушивание образца до постоянной массы, гидроизоляцию его боковых поверхностей, установку на фиксированные опоры внутри емкости для водонасыщения, заполнение емкости для обеспечения равномерного контакта нижней поверхности образца с водой, регистрацию серии голографических интерферограмм не смачиваемой поверхности образца в процессе водонасыщения, определение положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги путем сопоставления изменения поля перемещений регистрируемой поверхности, полученного по интерферограммам, с расчетным полем перемещений геометрически подобного образца. (Патент RU 2487351 С1, опубликовано 10.07.2013, Бюл. №19 - прототип)
Указанный способ позволяет оценивать механическую целостность образца (отсутствие трещин, расслоений, несплошностей и других аномалий, существенно влияющих на проникновение влаги), равномерность проникновения влаги по сечению образца, динамику распространения водяного фронта и сравнительный анализ водонепроницаемости различных строительных материалов.
Недостатком указанного способа является невозможность проведения испытания на водонепроницаемость при повышенном давлении, а также его применение для определения водонепроницаемости только цементных материалов, что существенно снижает диапазон применения способа.
Технический результат изобретения состоит в том, что при осуществлении заявленного изобретения обеспечивается возможность регистрации положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги в условиях воздействия на образец избыточного давления при одновременной синхронной регистрации поля деформации и объема поглощенной влаги.
Технический результат достигается тем, что в способе определения водонепроницаемости строительных материалов, включающем гидроизоляцию боковых поверхностей образца, установку образца на фиксированные опоры, регистрацию голографических интерферограмм не смачиваемой поверхности образца в процессе водонасыщения, определение положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги путем сопоставления изменения поля перемещений регистрируемой поверхности, полученного по интерферограммам, с расчетным полем перемещений геометрически подобного образца, при подготовке к определению водонепроницаемости, емкость для испытаний устанавливают и частично заполняют водой так, чтобы при монтаже образца смачиваемая поверхность не контактировала с водой, шарнирно закрепляют образец по направленной посередине образца нейтральной плоскости, а в процессе испытаний поворачивают емкость до обеспечения полного контакта смачиваемой поверхности с водой, фиксируют емкость в повернутом положении, нагружают образец давлением и регистрируют расход воды синхронно с записью голографических интерферограмм.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- при подготовке к определению водонепроницаемости емкость для испытаний устанавливают и частично заполняют водой так, чтобы при монтаже образца смачиваемая поверхность не контактировала с водой.
Установка емкости для испытаний и частичное заполнение водой так, чтобы при монтаже образца смачиваемая поверхность не контактировала с водой, позволяют избежать погрешностей испытаний, связанных с неравномерным водонасыщением образца в процессе его закрепления в испытательной оснастке, а так же при заполнении оснастки водой.
Применение методов топографической интерферометрии для контроля полей перемещений требует тщательного крепления всех элементов оснастки, что может занять длительное время. При этом контакт образца с водой в процессе монтажа недопустим. В то же время емкость для испытаний должна содержать достаточное количество воды для одновременного смачивания всей поверхности образца при начале испытаний.
- шарнирно закрепляют образец по направленной посередине образца нейтральной плоскости.
Закрепление образца именно по направленной посередине образца нейтральной плоскости позволяет минимизировать влияние оснастки на характер деформирования образца при нагружении тестирующим давлением (при водонасыщении открытой поверхности образца свободно как в одну (при приближении фронта влаги в образце к нейтральной плоскости), так и противоположную ей (при переходе фронтом влаги в образце нейтральной плоскости) сторону. Другие способы крепления образца сопряжены с проблемами обеспечения герметизации устройства и минимизации паразитных информаций при взаимодействии образца и оснастки.
Таким образом, шарнирное закрепление образца по направленной посередине образца нейтральной плоскости также направлено на устранение погрешности результатов при проведении испытаний.
- в процессе испытаний поворачивают емкость до обеспечения полного контакта смачиваемой поверхности с водой, фиксируют емкость в повернутом положении.
Поворот емкости в процессе испытаний до обеспечения полного контакта смачиваемой поверхности образца с водой позволяет за очень короткий интервал времени обеспечить равномерный доступ воды по всей смачиваемой поверхности образца. Особенно это актуально для пористых материалов, где процесс водопоглощения может быть интенсивным и коротким по времени.
Фиксирование емкости в повернутом положении необходимо для обеспечения высокой стабильности оснастки в процессе регистрации голографических интерферограмм. При записи голограмм недопустимо смещение крепления образца за время экспозиции на величину более десятых долей микрона.
- нагружают образец давлением и регистрируют расход воды синхронно с записью голографических интерферограмм.
Нагружение образца давлением позволяет интенсифицировать процесс водонасыщения образца, сократить время испытаний и проводить испытания в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
Регистрация расхода воды синхронно с записью голографических интерферограмм в процессе испытаний позволяет определить водонасыщение материала, установить степень кинетики водонасыщения, а также определить показатели влагопереноса материала. В сочетании с данными о динамике перемещения фронта влаги это позволяет получить не только относительные данные о водонепроницаемости различных материалов, но и определить значение искомой водонепроницаемости в величинах, принятых по ГОСТ 12730.5-84.
На фиг. 1 изображена схема установки для проведения испытаний. Отражен этап подготовки установки к проведению испытаний;
на фиг. 2 - то же, этап проведения испытаний.
На виброзащищенной платформе топографической установки 1 размещена поворотная емкость для водонасыщения 2, в которой при помощи разъемного фланца 3 крепится исследуемый образец 4 на шарнире 5. Фланец фиксируется на емкости при помощи группового резьбового соединения 6. Клапан 7 предназначен для быстрого стравливания воздуха при повороте емкости для водонасыщения. Датчик 8 обеспечивает контроль давления в процессе испытания. Давление в емкости для водонасыщения 2 реализуется путем подачи воды по шлангу 9 от насоса 10, размещенного на вспомогательной платформе 11, размещенной вне платформы 1. Вода к насосу 10 поступает из мерного сосуда 12, размещенного на той же платформе 11.
Для контроля расхода жидкости служит датчик уровня 13, соединенный с аналогово-цифровым и цифроаналоговым (АЦП-ЦАП) преобразователем 14, данные от которого поступают для регистрации на компьютер 15. Для записи голографических интерферограмм, например по схеме Ю.Н.Денисюка, используют прозрачные фотопластины 16, закрепленные в держателе 17. Датчик лазерного излучения 18 формирует сигналы синхронизации, поступающие на компьютер 15 через АЦП-ЦАП 14. Для надежного фиксирования положения емкости 2 используется фиксатор 19, например магнит.
Образец 4 для проведения исследований изготавливают в цилиндрической опалубке с заранее установленным тороидальным кольцом шарнира 5 по нейтральной плоскости формуемого образца 4. После затвердевания раствора и выдержки образца в течение заданного времени образец 4 извлекают из опалубки и подвергают сушке. Высушенный до постоянной массы образец герметизируют по боковой цилиндрической поверхности 20, например, нанося на нее 2-3 слоя эпоксидной смолы. Торцовой поверхности 21 образца 4 обеспечивают несмачивание, а торцовая поверхность 22 образца 4 предназначена для водонасыщения при проведении испытаний.
Подготовленный образец 4 размещают в разъемном фланце 3 и позиционируют по тороидальному кольцу, образующему с проточкой фланца 3 шарнирное соединение 5. Для обеспечения герметичности в процессе испытаний зазоры шарнира 5 и полость между фланцем 3 и образцом 4 заполняют эластичным герметиком. Емкость 2 устанавливают так, чтобы ее ось располагалась вертикально и заполняют водой до уровня, обеспечивающего монтаж фланца 3 без контакта поверхности 22 образца 4 с поверхностью воды. После установки образца 4 с фланцем 3 на емкость 2 и затяжки крепежа 6 переводят помещение лаборатории в режим неактиничного освещения, устанавливают фотопластинку 16 в держатель 17.
Включают АЦП-ЦАП 14 и компьютер 15 с программой управления экспериментом. Емкость 2 с фланцем 3 и образцом 4 максимально быстро поворачивают в горизонтальное положение и закрепляют фиксатором 19. Экспонируют фотопластинку 16 лазерным излучением оптического квантового генератора, сформированным в виде плоскопараллельного светового потока, освещающего по нормали не смачиваемую поверхность 21 образца 4. Программно посредством АЦП-ЦАП включают насос 10. Поднимают давление в испытательной емкости 2 до заданного уровня, стравливая избыток воздуха клапаном 7. При достижении в емкости 2 заданного уровня давления повторно экспонируют фотопластинку 16, отправляют ее в обработку, а в держатель 17 устанавливают новую фотопластинку. Затем проводят экспонирование этой фотопластинки с минимально возможной длительностью экспозиции, обеспечивающей получение качественной голограммы. Через интервал времени, определяемый экспериментально, проводят повторное экспонирование той же фотопластинки и отправляют ее в обработку, которую выполняют в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. При этом посредством датчика 18 регистрируются показания времени при первой и второй экспозициях.
Устанавливают новую фотопластинку и повторяют цикл регистрации аналогично описанному выше. Процесс регистрации серии интерферограмм ведут, например, до тех пор, пока на интерферограмме исследуемой поверхности обнаруживается не более одной интерференционной полосы за значительный интервал времени между экспозициями, например более одного часа.
Одновременно с записью интерферограмм регистрируют изменение уровня воды в мерном сосуде 12 посредством оцифровки сигналов датчика 13 и записи данных в компьютер 15. По мере поглощения влаги образцом 4 по сигналам датчика давления 8, посредством компьютера 15 и АЦП-ЦАП 14 насос 10 нагнетает воду в емкость 2, поддерживая тем самым постоянство давления воды в процессе испытаний. Известные геометрические характеристики мерного сосуда 12 позволяют определить расход воды по изменению уровня в привязке ко времени эксперимента и, соответственно, к моментам регистрации интерферограмм.
Первая интерферограмма серии содержит информацию о деформировании образца под воздействием тестирующего давления. По этой интерферограмме могут быть обнаружены механические дефекты образца, поры, трещины, несплошности. Интерферограмма позволяет обнаружить аномалии механического контакта образца и оснастки, а так же служит для верификации математической модели исследуемого образца.
Все последующие полученные интерферограммы содержат информацию о деформации образца при его насыщении водой. Эти интерферограммы обрабатывают и сравнивают полученные поля перемещений с расчетными данными, например, полученными с применением метода конечных элементов, в результате чего определяют зависимость скорости и ускорения распространения влаги по образцу.
Полученные данные позволяют измерить водонепроницаемость строительных материалов как через водопоглощение, посредством определения эквивалентного капиллярного давления в материале и показателя степени кинетики водонасыщения материала, так и путем сравнения динамики распространения фронта влаги по толщине ряда образцов, выполненных из разных материалов, по разным технологиям. При необходимости, на основе полученных данных, марка бетона по водонепроницаемости может быть определена, например, по известной методике, изложенной в ГОСТ 12730.5-84.
Реализация способа предполагает использование известных и доступных средств экспериментального исследования. Для повышения оперативности исследований и уменьшения трудоемкости экспериментальных работ реализация предложенного способа может быть выполнена с применением методов электронной корреляционной спекл-интерферометрии для определения полей перемещений.
Применение изобретения позволяет существенно повысить точность и достоверность исследования процесса проникновения влаги в строительные материалы и измерения их водонепроницаемости, поскольку в процессе измерений контролируется:
- механическая целостность образца (наличие трещин, расслоений, несплошностей и других аномалий, существенно влияющих на проникновение влаги);
- упругодеформационные характеристики материала образца при воздействии избыточного давления;
- равномерность проникновения влаги по сечению образца, что позволяет обнаружить наличие зон локальной повышенной проводимости влаги, искажающей результаты измерений при использовании традиционных методов;
- проникновение влаги посредством оценки деформационной характеристики образца, определяющей работоспособность конструкций и сооружений из этого материала;
- проникновение влаги при воздействии пропитывающей среды в широком диапазоне давлений (от нулевого перепада до предельно допустимого);
- количество поглощенной пропитывающей жидкости во времени синхронно с изменением поля перемещений образца.
Предложенный способ может быть использован не только для исследования водонепроницаемости цементных материалов, но и для других сложноструктурированных строительных и конструкционных материалов.