Способ определения количества цемента в изделии из цементно-песчаной смеси
METHOD FOR DETERMINING THE AMOUNT OF CEMENT IN A PRODUCT MADE OF A CEMENT-SAND MIXTURE

Изобретение относится к области технологии строительства и может быть использовано для определения количества цемента в застывшей цементно-песчаной смеси при создании и эксплуатации строительных конструкций и изделий.
Состав цементно-песчаных смесей регламентирован ГОСТ 28013-98. «Растворы строительные. Общие технические условия» (с изменением № 1, ИУС 11-2002). Введ. 01.07.1999. Эти смеси используются, например, для кладки кирпича, для штукатурки или изготовления стяжек; при этом соотношение цемента и песка в них может существенно отличаться. Согласно ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний» (введ. 01.07.1986) предусмотрены различные испытания растворов строительных как в процессе изготовления, так и после затвердевания: определение подвижности, средней плотности, предела прочности и др.
Недостатком этих методов является то, что они только косвенно оценивают количество цемента в цементно-песчаной смеси. В то же время известно, что одним из существенных параметров, определяющим конечную надежность и прочность строительной конструкции, является количество цемента, содержащееся в строительном растворе.
Известен способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции (патент РФ 2513567, МПК E02D3/12, G01N27/22, Опубл. 20.04.2014), заключающийся в добавлении в закачиваемый в скважину цементный раствор порошкообразного индикатора - графита, тонкость помола которого не ниже тонкости помола цемента, в количестве 1…10% веса цемента, измерении электропроводности цементного раствора с указанной добавкой, измерении электропроводности выделяемой из скважины грунтоцементной пульпы и определении цемента в грунтоцементном материале конструкции как разности между количеством цемента в цементном растворе и количеством цемента в пульпе, рассчитанном по линейной зависимости величины электропроводности цемент содержащего раствора от количества цемента в растворе.
Недостатком этого способа является возможность определения количества цемента только в процессе заливки раствора, а также необходимость постоянного использования в цементном растворе порошкового графита, который не улучшает характеристики раствора и меняет его электропроводность, что не позволяет корректно использовать данный способ.
Таким образом, известные способы имеют низкий технический уровень, поскольку не позволяют оперативно и без разрушения определять количество цемента в строительном растворе после его затвердевания, то есть проводить контроль готовых изделий и конструкций.
В этой связи важнейшей задачей является разработка способа определения количества цемента в застывшем (затвердевшем) цементно-песчаном растворе, который позволял бы оперативно и без разрушения производить измерения на готовом изделии или конструкции для проведения расчета прочности сооружаемой конструкции, а также для проведения мониторинга в процессе эксплуатации.
Техническим результатом является определение содержания цемента в изделиях из цементно-песчаных смесей с высокой точностью и возможность контроля качества готовых строительных конструкций и изделий при их создании и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается при использовании способа определения количества цемента в изделии из цементно-песчаной смеси, заключающемся в нагружении поверхности изделия посредством сферического индентора двумя различными нагрузками на глубины остаточных отпечатков, составляющих (2…10)% от диаметра индентора, измерении глубин остаточных отпечатков и расчете количества цемента по следующей зависимости:
где Ц – количество цемента в изделии из цементно-песчаной смеси (%),
D – диаметр сферического индентора (мм),
a и b – коэффициенты, зависящие от свойств цемента и песка,
а g – коэффициент пластической контактной жесткости изделия из цементно-песчаной смеси (Н/мм), определяемый по формуле:
1
2
где F и F –нагрузки на индентор (Н),
1
2
h и h –глубины остаточных отпечатков (мм).
Сущностью способа является то, что в процессе определения количества цемента в изделии из цементно-песчаной смеси само изделие сохраняет свою целостность, а количественные параметры, позволяющие определить процентное содержание цемента, получают посредством двукратного нагружения поверхности изделия сферическим индентором на глубины остаточных отпечатков, составляющих (2…10)% от его диаметра. Это позволяет с помощью выявленной количественной взаимосвязи между закономерностями протекания пластической контактной деформации материала из цементно-песчаной смеси и содержанием в её составе цемента установить точное значение последнего.
Коэффициенты a и b зависят от свойств цемента и песка и обеспечивают точность определения процентного содержания цемента в изделии из цементно-песчаной смеси благодаря учету свойств конкретного вида цемента и песка.
Предлагаемая новая зависимость (1) расчета процентного содержания цемента в изделии из цементно-песчаной смеси устанавливает взаимосвязи между всеми существенными параметрами, определяющими количество цемента: пластические свойства застывшего раствора из цементно-песчаной смеси (строительного раствора) при контактной деформации (от них зависит коэффициент пластической контактной жесткости материала изделия, однозначно определяемый глубинами остаточных отпечатков и соответствующих им контактных нагрузок), а также свойства используемого цемента и песка. Это позволяет оперативно с высокой точностью определять процентное содержание цемента в изделии из цементно-песчаной смеси без разрушения конструкции.
Способ определения количества цемента в цементно-песчаной смеси реализуется следующим образом.
2
Изделие, строительную конструкцию или затвердевший раствор из цементно-песчаной смеси (строительный раствор) нагружают посредством сферического индентора двумя последовательно прикладываемыми различными нагрузками с получением остаточных отпечатков с глубинами, составляющими (2…10)% от диаметра индентора. В качестве индентора используют стальной закаленный шарик (с твердостью по Виккерсу не менее HV 850 кгс/мм). В качестве нагружающего устройства можно использовать как стационарные (Золоторевский, В.С. Механические свойства металлов/В.С. Золоторевский. - М.: МИСИС, 1998. – 400 с.), так и переносные твердомеры (Матюнин, В.М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов/В.М. Матюнин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2015 – 288 с.).
Для готовых крупногабаритных строений целесообразно использовать переносной вакуумный твердомер (Матлин, М.М. Контроль твердости крупногабаритных металлоизделий (обзор публикаций) / М.М. Матлин, В.А. Казанкин, Е.Н. Казанкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2020. - № 10. - C. 30-33.), в котором закрепление на контролируемой поверхности и создание рабочей нагрузки реализуют при помощи атмосферного давления.
Измеряют глубину остаточных отпечатков. Эту операцию можно выполнить с помощью индикатора часового типа (ценой деления 0,01 или 0,001 мм) или индуктивного датчика, установленных в индикаторной стойке.
Значения коэффициентов a и b зависят от свойств используемого в растворе цемента и песка, постоянны для данных свойств цемента и песка независимо от их соотношения в изделии/конструкции из цементно-песчаной смеси (строительного раствора) и могут быть определены по цементно-песчаной смеси любого заданного состава.
Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.
Для экспериментального исследования были изготовлены образцы в виде плиток из цементно-песочной смеси с разными соотношениями цемента и песка:
– 1 часть цемента и 3 части песка - часто используется, например, для кладки кирпича, для штукатурки, для стяжек;
– 1 часть цемента и 2,5 части песка;
–1 часть цемента и 2 части песка - часто используется, например, для стяжек;
– 1 часть цемента и 1,5 части песка - часто используется, например, для кладки кирпича;
– 1 часть цемента и 1 часть песка;
– 2 части цемента и 1 часть песка.
Смеси при соотношении песка и цемента 5:1 и выше (так называемые тощие смеси) используются редко, поскольку медленно застывают и имеют склонность осыпаться со временем.
Для изготовления плиток из цементно-песочной смеси использовали цемент марки М500 [ГОСТ 31108-2020 Цементы общестроительные. Технические условия. Введ. 1.03.2021 (введен вместо ГОСТ 10178-85 и ГОСТ 31108-2016).] – значение коэффициента a=1675, и песок для строительных работ (ГОСТ 8736-2014. Песок для строительных работ. Технические условия. Введ.01.04.2015.) – значение коэффициента b=1,23.
Таким образом, в рассматриваемом случае формула (1) примет вид
В качестве индентора использовали стальной закаленный шарик диаметром 10 мм. Нагружение проводили с помощью пресса Бринелля.
ф
Результаты экспериментальной проверки предложенного способа – сравнения фактического процента Ц содержания цемента в цементно-песчаных плитках со значениями Ц, определенными предлагаемым способом с использованием выражений (1) и (2) приведены в таблице.
Как видно из таблицы, при использовании предлагаемого способа погрешность определения содержания цемента в цементно-песчаных строительных смесях не превышает (3…7)% и имеет характер двухстороннего разброса.
В связи с этим предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определять содержание цемента в цементно-песчаных строительных смесях без разрушения строительных сооружений, конструкций и других изделий из цементно-песчаных смесей, в том числе крупногабаритных и может быть использован для контроля качества строительства.
Таблица
Фактическое количество цемента, использованное при изготовлении плитки Ц<sub>ф</sub> (%)
Контактные нагрузки, Н
Глубины остаточных отпечатков, мм
Коэффициент пластической контактной жесткости g (Н/мм)
Количество цемента, определенное предлагаемым способом Ц (%)
Погрешность
<img file="00000004.jpg" he="26" wi="56" img-content="undefined" img-format="jpg" />
F<sub>1</sub>
F<sub>2</sub>
h<sub>1</sub>
h<sub>2</sub>
25,0
613
818
0,440
0,574
1539
24,4
2,4
28,6
613
818
0,325
0,434
1884
29,7
-3,8
33,3
818
1643
0,320
0,680
2292
35,5
-6,6
40,0
818
1643
0,290
0,585
2795
42,0
-5,1
50,0
1643
3270
0,520
0,950
3768
52,7
-5,4
66,7
1643
3270
0,310
0,670
4930
62,6
6,1
Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности предлагаемого способа для практического использования и подтверждают его высокую точность: погрешность определения содержания цемента в цементно-песчаных строительных смесях не превышает (3…7)% в широком диапазоне изменения процентного содержания цемента в цементно-песчаных строительных смесях.
Таким образом, способ определения количества цемента в изделии из цементно-песчаной смеси, заключающийся в нагружении поверхности изделия посредством сферического индентора двумя различными нагрузками на глубины остаточных отпечатков, составляющих (2…10)% от диаметра индентора, измерении глубин остаточных отпечатков и расчете количества цемента по заявленной формуле, обеспечивает определение содержания цемента в изделиях из цементно-песчаных смесей с высокой точностью и возможность контроля качества готовых строительных конструкций и изделий при их создании и эксплуатации.