СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ЖИДКОСТИ В ПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ
METHOD AND SYSTEM FOR FLUID DISCHARGE INTO POROUS MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение относится к области обработки твердых материалов, в частности к нагнетанию жидкости внутрь пористых материалов или материалов, имеющих границы раздела, с целью улучшения их свойств.
[0002] В частности, заявленное изобретение относится к защите от окисления активных или пассивных каркасов, закладываемых в бетонную массу и представляющих собой, в частности, сборную конструкцию из металлических прутов, проводов или полос, помещенных в оболочку или без оболочки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Специалистам в данной области техники хорошо известно, что строительные материалы, находящиеся на открытом воздухе, подвержены разрушению, связанному с растрескиванием под действием замерзания и влаги, с коррозией каркасов в бетоне или с другим агрессивным воздействием.
Для предотвращения угрозы такого разрушения специалистами применяются различные способы.
[0004] Хорошо известны способы по удалению разрушенных частей бетона и нанесения слоя ремонтного покрытия с целью ограничения проникновения в бетон воды, загрязненной, например, хлоридами, последствий замерзания или карбонизации воздуха. Недостатком является то, что бетон обрабатывают лишь на поверхности.
[0005] Различные другие решения были предложены для имеющих коррозийные разрушения конструкций, армированных металлическими каркасами с предварительным напряжением или без такового.
[0006] В патентном документе США 5,427,819 описан способ восстановления армированного бетона, в котором удаляют основную часть бетона над обрабатываемым каркасом, насыщают бетон, оставшийся в непосредственной близости к каркасу, ингибитором коррозии против хлоридной коррозии и в завершение вместо бетона, удаленного на первом этап, используют строительный раствор с низкую проницаемостью. При наличии общей коррозии армированного бетона такой способ оказывается сложным и дорогостоящим.
[0007] В патентном документе США 5,422,141 описан состав для восстановления армированного бетона, содержащий ингибиторы коррозии и усилители проницаемости состава, причем указанный состав наносят с поверхности армированного бетона. Если диффузия указанного состава недостаточна, глубину проникновения увеличивают путем выполнения на обрабатываемой поверхности насечек, которые могут быть расположены довольно близко к обрабатываемым каркасам - на расстоянии всего лишь около 1 см.
[0008] Другое известное решение состоит в катодной защите каркасов и описано в документе US 5,228,959. Недостаток такого способа связан с необходимостью регулярного повторения в течение всего срока службы конструкции, и его применение является весьма дорогостоящим. Кроме того, способ не подходит для обработки предварительно напряженных каркасов с опасностью возникновения хрупкости.
[0009] В патентном документе ЕР 0733757 описан способ пропитки предварительно напряженных бетонов, в котором раствор с ингибиторами коррозии нагнетают под низким давлением в отверстия, просверленные непосредственно до обрабатываемых каркасов. Проникновению обрабатывающего раствора способствует воздействие на жидкость акустической волны, генерируемой мощным ультразвуковым насосом во внешней камере сжатия. Недостатком является затухание ультразвуковых волн по мере проникновения на глубину обработки. Кроме того, в данном документе не содержится сведений о способах обработки поверхности армированных бетонов.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Задачей изобретения является создание способа и системы для нагнетания жидкости в пористые материалы или материалы с неоднородными границами разделов, такими как, например, бетон, камень или другие подобные материалы, не обладающих указанными недостатками известных технических решений.
[0011] Настоящее изобретение направлено на обеспечение глубокой пропитки поверхностей или границ раздела указанных материалов, в частности вблизи армирующих конструкций, в частности вблизи металлических каркасов и предварительно напряженной арматуры.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Первый аспект настоящего изобретения относится к способу нагнетания жидкости в пористый материал или в материал, имеющий границы разделов, содержащему следующие этапы:
прикрепление к указанному материалу инжектора с тем, чтобы указанный инжектор, по меньшей мере с одной поверхностью указанного материала, определял границы камеры сжатия;
нагнетание указанной жидкости в указанную камеру сжатия и воздействие на указанную жидкость акустической волной высокой мощности посредством колебательного элемента, проходящего непосредственно внутрь указанной камеры сжатия.
[0013] В предпочтительных вариантах осуществления способ нагнетания жидкости обладает по меньшей мере одним или любой подходящей комбинацией из перечисленных ниже признаков:
границы камера сжатия определены по существу стенками полости в материале;
этапу прикрепления инжектора к материалу предшествует проделывание полости в указанном материале;
материал содержит одну или более металлических армирующих конструкций, причем полость, проделанная в материале, не открыта на металлическую армирующую конструкцию указанного материала;
материал содержит одну или более металлических армирующих конструкций, причем полость, проделанная в материале, открыта на металлическую армирующую конструкцию (10) указанного материала;
указанный материал содержит бетон;
указанный материал содержит одну или более металлических армирующих конструкций;
жидкость содержит ингибиторы коррозии;
жидкость содержит нитриты, причем рН указанной жидкости составляет от 10 до 12,5;
жидкость содержит красящую добавку;
указанный материал содержит металлические сборные конструкции, содержащие границы (11) раздела металл-металл;
частота акустической волны высокой мощности превышает 20 кГц;
используют один или несколько вакуумных сосудов, размещая их на одной или нескольких поверхностях материала со снижением давления, способствуя тем самым прохождению жидкости по пористому материалу (2) или по границам раздела, имеющимся в пористом материале (2).
[0014] Другой аспект изобретения относится к системе, которая позволяет осуществлять заявленный способ и содержит:
источник акустических волн высокой мощности, снабженный колебательным элементом;
инжектор, позволяющий нагнетать жидкость под давлением и снабженный по меньшей мере одним крепежным средством для закрепления указанного инжектора на пористом материале, причем указанный инжектор выполнен с возможностью образования, совместно с поверхностью материала, камеры сжатия напротив или внутри указанного пористого материала;
причем система отличается тем, что колебательный элемент, выступающий из инжектора, выполнен с возможностью генерирования акустической волны внутри указанной камеры сжатия.
[0015] Предпочтительным вариантом осуществления изобретения предусмотрена подвижность колебательного элемента относительно инжектора с возможностью регулировки его положения посредством подвижной опоры.
[0016] В настоящем изобретении также раскрыта система, позволяющая осуществлять описанный выше способ и содержащая:
источник акустических волн высокой мощности, снабженный колебательным элементом;
инжектор, позволяющий нагнетать жидкость и снабженный по меньшей мере одним крепежным средством для закрепления указанного инжектора на металлическом сборном элементе, причем указанный инжектор выполнен с возможностью образования, совместно с поверхностью указанного сборного элемента под прямыми углами к границе, камеры сжатия напротив указанного сборного элемента;
причем указанная система отличается тем, что колебательный элемент, выступающий из инжектора, выполнен с возможностью генерирования акустической волны внутри указанной камеры сжатия, что позволяет обрабатывать границу раздела металлов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] Фиг.1 - изображение одного из вариантов осуществления заявленного изобретения для случая обработки армированного или предварительно напряженного бетона.
[0018] Фиг.2 - изображение одного из вариантов осуществления изобретения, предусматривающего воздействие вакуумом на заднюю поверхность, противоположную обрабатываемому материалу. Можно воздействовать вакуумом и на переднюю поверхность, охватывающую ультразвуковое устройство.
[0019] Фиг.3 - изображение одного из вариантов осуществления изобретения, предусматривающего обработку границы между двумя элементами, например между двумя металлическими листами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Основным объектом настоящего изобретения является способ нагнетания жидкости в пористый материал, согласно которому указанную жидкость нагнетают внутрь камеры сжатия, по меньшей мере частично образующую поверхность указанного обрабатываемого материала. Особенность изобретения состоит в том, что проникновению жидкости способствует воздействие акустической волны высокой мощности. В предпочтительном варианте использована мощность, достаточная для порообразования в паровой фазе. Плотность ультразвуковой энергии в жидкости превышает 5 Вт/л, предпочтительно превышает 10 Вт/л. В предпочтительном варианте частота ультразвуковых волн, используемых при нагнетании, составляет от 20 до 100 кГц.
[0021] Предпочтительный вариант заявленного способа предусматривает создание акустической волны в непосредственной близости от местонахождения обрабатываемого пористого материала, в камере сжатия, образованной по меньшей мере одной поверхностью 6 указанного материала (Фиг.1). Способ применим вблизи внешних поверхностей указанного материала либо в глубине указанного материала, в частности вблизи металлических арматурных каркасов либо в предварительно напряженной арматуре, посредством камеры сжатия, образованной в полости 5, выполненной в указанном материале (см. фиг.1). Указанную полость можно получить, например, сверлением. Способ позволяет, помимо прочего, защитить металлические конструкции армированных бетонов без изменения их поверхности, за исключением ремонта поверхности в местах вмешательства в указанные бетоны. Высверленную полость можно при необходимости снабдить трубчатой оболочкой.
[0022] Одним из частных вариантов осуществления заявленного способа, применяемым для обработки армированных или предварительно напряженных бетонов, предусмотрено использование акустической волны, представляющей собой мощные ультразвуковые волны, вызывающие порообразование в паровой фазе. Преимущество состоит в возможности дополнительной очистки металлических каркасов от продуктов коррозии. Для обработки предварительно напряженных или армированных бетонов камеру предпочтительно получать путем проделывания отверстия в бетоне с выходом ее на обрабатываемые металлические каркасы или рядом с ними.
[0023] В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения источник мощных ультразвуковых волн размещают в непосредственной близости к обрабатываемым каркасам, с тем чтобы вибрация, создаваемая ультразвуковыми волнами, способствовала миграции жидкости, в частности ингибитора коррозии.
[0024] Другим вариантом предусмотрено нагнетание жидкости в поры материала с целью пропитки обрабатываемых объемов.
[0025] Заявленный способ применим для нагнетания жидкости между двумя поверхностями таких структурных элементов, как, например, места соединения металлических каркасов. При этом, как описано выше, в месте нахождения границы используют сосуд под давлением.
[0026] Нагнетаемая жидкость проникает в глубину даже в случае очень плотных границ приблизительно в несколько десятков микронов.
[0027] Давление нагнетания жидкости регулируют в зависимости от механической прочности материала на разрыв. Для бетона оно ограничено величиной в несколько бар. Для других материалов его можно подобрать в соответствии с прочностными характеристиками обрабатываемого материала.
[0028] И наконец, при наличии доступа к обеим поверхностям обрабатываемого материала может оказаться целесообразным разместить второе устройство, содержащее сосуд, на поверхности, противоположной поверхности размещения заявленной системы нагнетания жидкости, и создать в указанном втором сосуде вакуум, с тем чтобы улучшить миграцию жидкости внутрь материала. Вакуумом можно воздействовать также и на переднюю или на боковую поверхность, охватывающую ультразвуковое устройство.
[0029] Природа вводимых жидкостей зависит от задачи обработки: в случае армированных или предварительно напряженных бетонов жидкости могут представлять собой ингибиторы коррозии или же другие средства, обеспечивающие, например, уменьшение пористости материала после обработки; данные примеры пропиток не являются ограничительными.
[0030] Среди ингибиторов коррозии ингибиторы на основе таких нитритов, как нитрит кальция или натрия, в наибольшей степени подходят для обработки таких армирующих конструкций, как металлические каркасы или арматура, подверженные коррозии в присутствии хлоридов, которые могут быть привнесены на начальном этапе изготовления бетона или же из других веществ, таких как противооблединительная соль, или при наличии морской окружающей среды. Особенно эффективны составы на основе нитритов с устойчивым значением рН в диапазоне от 10 до 12,5. При необходимости для улучшения эффективности смеси к жидкости могут быть добавлены органические ингибиторы.
-
[0031] В случае обработки некоторых пористых материалов, таких как бетоны, содержащие такие армирующие конструкции, как, например, металлические каркасы, может оказаться целесообразным определять концентрацию хлоридов в различных частях обрабатываемого материала до выполнения этапов заявленного способа обработки. По существу хлориды являются основной причиной возникновения коррозии в металлических каркасах. Таким образом применение заявленного способа обработки можно ограничить участками, на которых концентрация хлоридов превышает определенный пороговый уровень. Предпочтительно уделять особое внимание обработке областей, в которых концентрация ионов хлора превышает 0,1% Cl по отношению к массе бетона.
[0032] Заявленный способ обеспечивает возможность визуального контроля миграции жидкости путем наблюдения за цветом обрабатываемого материала или за выделением жидкости на другом конце границы. Такое наблюдение можно облегчить путем добавления в обрабатываемую жидкость красящих веществ.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0033] Фиг.1 иллюстрирует один из вариантов осуществления заявленного способа применительно к обработке армированных или предварительно напряженных бетонов. Система, обеспечивающая осуществление заявленного способа, содержит инжектор 1 с впускной трубкой 4, позволяющей нагнетать жидкость в камеру сжатия 5. Указанная камера сжатия 5 по существу образована стенкой 6 полости, проделанной (высверленной) в поверхности указанного обрабатываемого материала 2. Выпускная трубка 8 предназначена для выпуска обрабатывающей жидкости, которую можно подвергнуть проверке, а затем вновь нагнетать.
[0034] Проникновение жидкости в пористый материал достигается за счет создания акустической волны высокой мощности посредством колебательного элемента 7.
[0035] Глубину, на которую колебательный элемент 7 генерирует акустическую волну, можно регулировать за счет смещения подвижной детали 3 относительно инжектора 1. При этом, в частности, обеспечена возможность лучшего очищения пор, трещин и микротрещин в пористой среде с целью оптимизации проникновения жидкости в указанную среду.
[0036] В одном из частных вариантов осуществления изобретения (фиг.2) проникновение жидкости в пористый материал 2 улучшено за счет применения сосуда 15, в котором можно создать вакуум, используя известное специалистам средство 16, причем указанный сосуд 15 можно разместить на любой поверхности обрабатываемого материала 2, например, как показано на фиг.2, на противоположной поверхности. В варианте с фиг.2 помимо трубки 4 для впуска обрабатывающей жидкости инжектор 1 содержит также охлаждающий контур с входным отверстием 12 и выходным отверстием 13 для охлаждающей жидкости, а также выпускную трубку 14 для обрабатывающей жидкости. Выпускная трубка 14 позволяет указанной обрабатывающей жидкости циркулировать в камере сжатия 5, например, с целью ее охлаждения или мониторинга.
[0037] Такая конфигурация системы является предпочтительной, поскольку охлаждающий контур позволяет осуществлять коррекцию значительного локального нагрева, который может возникать в результате генерации мощных акустических волн.
[0038] Важно отметить, что применение заявленного способа не ограничено обработкой армированных бетонов ингибиторами коррозии. Поскольку заявленный способ является неразрушающим, он применим и при ремонте зданий, в том числе памятников архитектуры, например для обработки известняка, разъеденного атмосферными загрязнениями, для нагнетания ингибиторов коррозии вдоль дополнительных каркасов зданий, в том числе памятников архитектуры, или для решения других аналогичных задач.
[0039] Фиг.3 иллюстрирует применение предложенного способа на границе 11 между двумя металлическими листами 10. На фиг.3 изображены также описанные выше средства, обеспечивающие охлаждение и пополнение обрабатывающей жидкости.