Лабораторное устройство для имитации воздействия дрейфующего льда на бетонные сооружения

Лабораторное устройство для имитации воздействия дрейфующего льда на бетонные сооружения
Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к устройствам для исследования износостойкости конструкционных материалов, в частности бетона, применяемого для строительства гидротехнических сооружений в арктических морях, при воздействии дрейфующего льда.
Надежность стационарных морских сооружений типа маяков, причальных стенок и т.п, работающих в условиях пониженных температур и воздействия на них дрейфующего льда, в значительной степени определяется износостойкостью конструкционных материалов, в частности, бетона, применяемых для изготовления таких конструкций.
Актуальность темы исследования определяется необходимостью освоения запасов углеводородного сырья на шельфе Мирового океана вследствие постепенного истощения месторождений на суше и ростом потребности промышленности в энергоресурсах. В свою очередь, освоение месторождений нефти и газа на континентальном шельфе ледовитых морей является важнейшей народнохозяйственной проблемой, определяющей развитие топливно-энергетического комплекса России.
Значительная часть шельфа России располагается в холодных арктических и дальневосточных морях, которые характеризуются суровыми климатическими условиями и наличием дрейфующего ледяного покрова. В этих условиях основным фактором, влияющим на надежность морских ледостойких платформ, является ледовый режим акватории в районе строительства и, как следствие, ледовые нагрузки и воздействия на сооружение. Одним из таких воздействий в акваториях с динамичным режимом дрейфа ледяного покрова является истирающее воздействие льда вследствие взаимодействия ледяных образований с поверхностью гидротехнических сооружений, особенно в зоне переменного уровня моря.
При движении льда относительно сооружения происходит эрозия поверхности и абразивное разрушение материала корпуса. Причина разрушения поверхности железобетонных конструкций от абразивного воздействия ледяных образований связана с возникновением значительных пульсирующих давлений в зоне контакта бетона с дрейфующим ледяным покровом.
Кристаллы льда являются хорошим абразивом, что способствует постепенному уменьшению сечения сооружения. Вследствие высоких контактных давлений происходит разрушение цементного камня, что приводит к увеличению пористости, потере заполнителя и уменьшению прочности бетона, а действие окружающей среды, обусловленное циклами замораживания-оттаивания, способствует постепенному ослаблению вяжущих и заполнителей поверхностного слоя и приводит к его разрушению.
Известно оборудование для определения износостойкости бетонов льдом при пониженных температурах.
Например, установка для исследования ледовой абразии материалов была разработана и изготовлена в компании ООО «НПО «Гидротекс»» под руководством проф. А.Т. Беккера, http://www.vniig.rushydro.ru/upload/iblock/48c/Dissertatsiya_Uvarova_15.12.14.pdf, Диссертационная работа Уваровой Т.Э. «Истирающее воздействие дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения», стр. 90.
Установка находится в теплоизолированной камере, в которой поддерживается пониженная температура (до -20°С), и позволяет с силой до 1000 кг прижимать образец исследуемого бетона к поверхности ледяного блока и сообщать ему возвратно-поступательное движение со скоростью до 1 м/с.
После выполнения заданного количества циклов возвратно-поступательного перемещения исследуемый образец бетона извлекают наружу и проводят оценку степени его износа.
Недостатком данного технического решения, в котором исследуемый бетон и лед перемещаются параллельно друг другу, является существенное отличие динамики взаимодействия бетона и льда от реальной динамики взаимодействия движущегося ледяного поля с бетонными сооружениями, при котором перемещение льда и бетона происходит под углом иногда даже под прямым углом, и в момент взаимодействия с бетонной преградой лед разрушается, подвергая бетон импульсной нагрузке.
Известен ГОСТ 13087-81. Бетоны. Методы определения истираемости. Данный ГОСТ рекомендует для определения истираемости бетонов определенные типы испытательного оборудования, которое, в принципе, может быть применено и для испытания истираемости бетонов льдом. Стандарт распространяется на все виды бетонов, применяемых во всех областях строительства. Стандарт устанавливает методы определения истираемости бетонов абразивом на круге истирания (для бетонов дорожных конструкций, полов, лестниц и других конструкций.
Известен также патент № 2542612 «Установка для исследования образца материала на истирание льдом»
Изобретение относится к технике механических испытаний материалов на стойкость к истиранию и может быть использовано для испытаний на ледовое истирание.
Конструкция установки для исследования образца материала на истирание льдом содержит основание, на котором размещена горизонтальная платформа, выполненная с возможностью перемещения образца льда относительно образца истираемого материала, фиксируемого в средстве для его удержания, и средство их прижатия друг к другу. Устройство дополнительно содержит нож, выполненный с возможностью профилирования поверхности образца льда , контактирующей с истираемым образцом. Нож содержит вертикальную направляющую, через которую, с возможностью возвратно-поступательного движения, пропущен шток, на конце которого закреплена режущая пластина, режущая кромка которой, обращенная к образцу льда, выполнена П-образной. Шток снабжен выступом, на котором параллельно продольной оси штока закреплен стержень, нижний конец которого шарнирно скреплен с опорной лыжей. Стержень отстоит от штока относительно направления движения образца, при этом режущая пластина выполнена с возможностью регулирования положения ее кромки относительно опорной поверхности опорной лыжи. Верхний конец штока выполнен с возможностью размещения на нем дополнительного груза.
Технический результат − обеспечение стабильной площади контакта трущихся материалов и повышение несущей способности льда за счет его подрезки ножом с двух сторон.
Все приведенные выше технические решения пригодны только для исследования износа в условиях безударного взаимодействия бетона и льда (или любой другой абразивной пары), подобного, например, воздействию автомобильных шин на дорожное полотно, или износу ступенек лестниц железнодорожного вокзала при большом потоке пассажиров и т.п.
Существенное отличие механизма взаимодействия бетона и льда с помощью всех приведенных выше устройств, в которых лед и бетон двигаются параллельно друг другу, в которых лед не разрушается, а постепенно изнашивается, от динамики взаимодействия реального движущегося ледяного поля с бетонными сооружениями, при котором в момент взаимодействия под углом с преградой лед всегда разрушается, подвергая бетон импульсной нагрузке, является общим недостатком всех без исключения приведенных выше технических решений.
По мнению заявителя для имитации в лабораторных условиях взаимодействия дрейфующего льда на преграду в зоне взаимодействия бетона и льда усилия должны быть направлены под углом или даже по нормали и достаточны для разрушения льда с выдавливанием продуктов его разрушения вдоль поверхности бетона следующими порциями льда.
В качестве прототипа выбрано устройство из заявки на изобретение № 94021945 «Способ очистки корпуса судна и устройство для его реализации». В данном способе очистку корпуса судна осуществляют путем подачи (под углом или по нормали) на поверхность корпуса рабочей среды под давлением, причем в качестве рабочей среды используют ледяную крошку, получаемую путем предварительного охлаждения струи воды с последующим дросселированием в расширяющемся сопле. В предлагаемом устройстве имеется установка для подачи воды, включающая агрегат высокого давления  и подающий аппарат, соединенные трубопроводом с клапанами, при этом установка закреплена на подвижном основании. Отличие состоит в том, что вода дополнительно поступает в охладитель, подключенный параллельно трубопроводу с клапанами, а подающий аппарат  имеет форму сверхзвукового расширяющегося сопла.
Недостатком устройства, является то, что на обрабатываемую поверхность поступает ледяная крошка, а не ледяной монолит, разрушающийся только при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью, что, как и в приведенных выше технических решениях, не соответствует реальной динамике взаимодействия разрушающегося льда с твердой поверхностью.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат – обеспечение возможности исследования абразивных пар трения типа бетона и льда, с разрушением последнего при взаимодействии с бетоном, с помощью устройства для имитации воздействия дрейфующего льда на бетонные сооружения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для воздействия водяного льда, поступающего под давлением, на обрабатываемую поверхность, как это предложено в заявке № 94021945, лед под произвольным углом к обрабатываемой поверхности исследуемого образца с помощью механизма, включающего расположенные на одной оси гидроцилиндр, создающий достаточное для разрушения льда усилие, направляющую трубу с экструдером на выходном конце и тензометр, непрерывно подается в виде монолита, вырезанного из заранее замороженного льда, который, при соприкосновении с испытуемым образцом бетона, разрушается, а разрушенный лед вместе с продуктами эрозии по поверхности бетона оттесняется за пределы образца под давлением следующих порций льда, усилие, с которым лед продавливается через направляющую трубу с экструдером и взаимодействует с исследуемой поверхностью, измеряется с помощью тензометра, причем испытуемый образец закреплен в держателе, обеспечивающем регулируемый угол поступления льда к поверхности, а весь процесс выполняется в теплоизолированной камере с пониженной температурой.
Лабораторное устройство для имитации воздействия дрейфующего льда на бетонные сооружения, включающее устройство для воздействия водяного льда,  поступающего под давлением, на обрабатываемую поверхность, отличающееся тем, что лед под произвольным углом к обрабатываемой поверхности исследуемого образца с помощью механизма, включающего расположенные на одной оси гидроцилиндр, создающий достаточное для разрушения льда усилие, направляющую трубу с экструдером на  выходном конце и тензометр, непрерывно подается в виде монолита, вырезанного из заранее замороженного льда,  который,  при соприкосновении с испытуемым образцом бетона, разрушается, а разрушенный лед вместе с продуктами эрозии по поверхности бетона оттесняется за пределы образца под давлением следующих порций льда, усилие, с которым лед продавливается через направляющую трубу с экструдером и взаимодействует с исследуемой поверхностью, измеряется с помощью тензометра, причем испытуемый образец закреплен в держателе, обеспечивающем регулируемый угол поступления льда к поверхности, а весь процесс выполняется в теплоизолированной камере с пониженной ниже нуля градусов температурой.
Конструкция предлагаемого устройства приведена на фиг.1.
На фиг.1 ледяной монолит 1 штоком 2 гидроцилиндра 3 (масляная станция, с помощью которой гидроцилиндр приводится в движение, на схеме не показана) через направляющую трубу 4 направляется на испытуемый образец 5, закрепленный в держателе 6 с возможностью регулировки угла и расстояния от среза направляющей трубы с помощью крепежных и упорных элементов 7. Выходная часть 8 направляющей трубы представляет собой съемную деталь - экструдер, которому может быть придана любая конфигурация. Вся конструкция прикреплена к жесткой платформе 9. Тензодатчик 10 контролирует усилие, с которым лед продавливается через направляющую трубу и взаимодействует с испытуемым образцом. В зоне взаимодействия 11 льда с образцом происходит разрушение льда и выталкивание его в стороны за пределы образца. Все устройство расположено в теплоизолированной холодильной камере 11, в которой с помощью холодильной установки (на схеме не показана) поддерживается пониженная температура. Когда лед в направляющем цидиндре заканчивается, шток гидроцилиндра отоддвигается назад, гидроцилиндр откидывается вверх, в направляющую трубу вставляется новый ледяной монолит, и испытание продолжается.
Сущность и работа полезной модели поясняется на примере устройства, изображенного выше на фиг.1.
Образец испытуемого бетона 5 в виде куба 70х70х70 мм (все поверхности бетона предварительно отшлифованы и могут подвергаться обработке льдом поочередно) устанавливают в держатель 6, который, в свою очередь, с помощью закладных упорных элементов фиксируют под углом (как, правило, угол 45° к оси конструкции) на расстоянии 25 мм (половина толщины ледяного монолита) от передней плоскости экструдера 8.
Экструдер 8, изготовлен так, что его плоскость, обращенная к наклоненному бетонному образцу, оказывается параллельно его поверхности.
В направляющую трубу 4 устанавливают вырезанный из заранее замороженной жидкости и обработанный до нужного размера ледяной монолит, который может представлять собой замороженные чистую воду или соляной раствор, имитирующий морскую воду, и, в частности, может включать абразивные добавки типа песка, глины и т.п. В нашем случае ледяной монолит имеет квадратное сечение 50х50 мм и длину 400 мм.
Ледяной монолит штоком 2 гидроцилиндра 3 доводят до соприкосновения с поверхностью бетона в нижней точке. Все эти манипуляции выполняют непосредственно в холодильной камере 11 при температуре воздуха в ней -10…-15°С, так как важно не допустить подтаивания льда и примерзания его к направляющей трубе при последующем охлаждении до рабочей температуры (вплоть до -40°С), иначе примерзший ледяной монолит будет полностью разрушен штоком еще в направляющей трубе. После загрузки очередного образца льда воздух в холодильной камере охлаждают до заданной температуры, делают выдержку до 10-20 минут, чтобы все детали механизма, лед и бетонный образец приобрели заданную температуру, после чего перемещают шток гидроцилиндра со скоростью 2-10 мм/с. Ледяной монолит начинает разрушаться при соприкосновении с поверхностью бетонного образца, а продукты разрушения льда, мелкая крошка и отдельные куски льда до 1 см, выдавливаются в стороны, преимущественно в сторону наклона образца (вверх на фиг.1) Тензодатчик регистрирует в это время хаотическое пульсирующее усилие с разбросом от почти 0 до 1200 кг. Слышен характерный хрустящий звук с отдельными ударами и щелчками.
2
Если уменьшать расстояние от поверхности образца бетона до среза экструдера или уменьшать угол наклона образца, усилие, регистрируемое тензодатчиком, возрастает вплоть до того, что превышает допустимое усилие для данного типа тензодатчика (3000 кг). При при приближении угла наклона поверхности образца к перпендикуляру к оси устройства до 20 градусов и менее лед совсем перестает двигаться при любом доступном для данного устройства усилии. Можно подобрать нужные гидроцилиндр и тензодатчик и заставить лед всё-таки двигаться, (при очень больших давлениях ~ 100 Мпа лед становится пластичным, благодаря чему ледники в горах двигаются вниз), но в реальных арктических условиях, для имитации которых и создавалось данное устройство, таких высоких давлений в зоне взаимодействия льда и бетонных конструкций не возникает, так как прочность одноосного сжатия льда не превышает 1-1,5 мПа. (10-15 кГ/см).
После полной выработки ледяного монолита шток гидроцилиндра отводят назад, гидроцилиндр откидывают вверх, в направляющую трубу вставляют новый монолитный кусок льда, разрушенный лед, накопившийся на периферии образца бетона удаляют, и вся процедура повторяется до 10 раз. То есть через зону взаимодействия с бетонным образцом проходит до 4 метров ледяного монолита. Общая длительность такой обработки с остановками для загрузки новых порций льда может достигать 2-3 часов.
По завершении 10 циклов образец бетона извлекают из держателя, очищают от льда, отмывают, высушивают и оценивают степень износа поверхности бетона с помощью микрометрического индикатора часового типа ИЧ.
Зона износа представляет собой область примерно эллипсообразной формы размером 50х60 мм, вытянутую вдоль направления наклона образца. Максимальная глубина износа в центре зоны достигает 0,2-0,3 мм (после прохода 4 метров ледяного монолита). В некоторых случаях наблюдалось вырывание отдельных зерен наполнителя. К краям зоны износа глубина уменьшается до 0. Рельеф зоны износа неравномерен и определяется положением гранул заполнителя, твердость которого выше, чем твердость цементного камня.
Если глубина обработки недостаточна для измерения микрометрическим индикатором, всю процедуру из 10 прогонов ледяных монолитов длиной 400 мм каждый повторяют.
На одном кубическом образце бетона, у которого отшлифованы все грани, можно проводить испытания льдом 6 раз.
С помощью устройства можно исследовать взаимодействие льда не только с плоской поверхностью образца, но и с цилиндрическими образцами бетона, для чего потребуется изготовить экструдер соответствующей формы.
Сравнение результатов испытаний плоской поверхности бетона воздействием льда с помощью выше описанных устройств, обеспечивающих безударное истирание с перемещением контактирующих пар параллельно друг другу, с результатом исследований с помощью предлагаемого устройства, которое подвергает бетон импульсной нагрузке за счет разрушения льда, показывают, что в последнем случае износ бетона в разы превышает износ мягкого воздействии, вплоть до вырывания зерен наполнителя.