СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO DETERMINE WATER IMPERMEABILITY OF CEMENT MATERIALS

Изобретение относится к области разработки и производства строительных материалов, а именно к контролю качества бетонов, растворов и цементного камня, и может быть использовано в способе определения водонепроницаемости цементных 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 торцовых 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 торцовой поверхности образца признаков фильтрации воды в виде капель или мокрого пятна. За водонепроницаемость принимают соответствующее значение давления, уменьшенное на 0,2 МПа (см. например, ГОСТ 12730.5. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Раздел 2) [1].
Недостатком 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, а ограничение формы образцов только цилиндрической формой существенно усложняет подготовку эксперимента.
Известен способ ускоренного определения водонепроницаемости бетона. Основан способ на оценке воздухопроницаемости бетонных образцов. В этом способе на поверхность нижних торцов образцов устанавливают фланец камеры вакуумирующего устройства. Герметизацию обеспечивают кольцевым жгутом герметизирующей мастики. Далее создают в камере пониженное давление не менее 0,064 МПа. По изменению давления в камере определяют значение сопротивления бетона прониканию воздуха. Водонепроницаемость бетона определяют по заранее установленной градуировочной зависимости между водонепроницаемостью и сопротивлением бетона проникновению воздуха (см., например, ГОСТ 12730.5. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Приложение 4) [2].
Недостатком данного способа является то, что сопротивление движению воздуха существенно отличается от сопротивления движению воды. Так, например, различия во влажности тестируемых образцов могут приводить к отклонениям измеряемых величин в 15-20%. Необходимость создания градуировочной зависимости требует применения способа, описанного ранее, что в совокупности существенно удлиняет сроки проведения испытаний. Суммарная погрешность определения водонепроницаемости по этому способу составляет не менее 30%. Кроме того, как и в предыдущем способе, невозможно оценить динамику проникновения влаги.
Наиболее близким из известных технических решений к заявляемому является 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) - прототип) [3].
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, как и все ранее описанные способы, он не позволяет обнаружить наличие дефектов образца, влияющих на распространение влаги, и оценить положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги в процессе пропитки.
Техническая задача изобретения - повышение эффективности способа определения водонепроницаемости цементных материалов за счет повышения точности определяемого показателя, а также расширения возможности способа путем обеспечения возможности регистрации положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги, сокращения времени проведения эксперимента.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения водонепроницаемости цементных материалов, включающем высушивание образца до постоянной массы, гидроизоляцию его боковых поверхностей и водонасыщение, верхней торцовой поверхности образца обеспечивают несмачивание и наносят на нее светоотражающее водонепроницаемое покрытие, а через нижнюю торцовую поверхность образца осуществляют непрерывное равномерное водонасыщение, при этом образец устанавливают на фиксированные опоры внутри емкости для водонасыщения, заполняют емкость водой и обеспечивают равномерный контакт нижней торцовой поверхности образца с водой на протяжении всего цикла измерений, затем с помощью лазерного облучения регистрируют серию голографических интерферограмм не смачиваемой поверхности образца в процессе водонасыщения, при этом определяют положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги путем сопоставления изменения поля перемещений регистрируемой поверхности, полученного по интерферограммам, с расчетным полем перемещений геометрически подобного образца.
Положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги может быть определено путем сопоставления экспериментальных и расчетных относительных перемещений между максимумом и минимумом поля перемещений регистрируемой поверхности.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- верхней торцовой поверхности образца обеспечивают несмачивание и наносят на нее светоотражающее водонепроницаемое покрытие;
- через нижнюю торцовую поверхность образца осуществляют непрерывное равномерное водонасыщение, при этом образец устанавливают на фиксированные опоры внутри емкости для водонасыщения, заполняют емкость водой и обеспечивают равномерный контакт нижней торцовой поверхности образца с водой на протяжении всего цикла измерений;
- затем с помощью лазерного облучения регистрируют серию голографических интерферограмм не смачиваемой поверхности образца в процессе водонасыщения, при этом определяют положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги путем сопоставления изменения поля перемещений регистрируемой поверхности, полученного по интерферограммам, с расчетным полем перемещений геометрически подобного образца;
- положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги может быть определено путем сопоставления экспериментальных и расчетных относительных перемещений между максимумом и минимумом поля перемещений регистрируемой поверхности.
Установка образца на фиксированные опоры позволяет обеспечить высокую воспроизводимость поля деформаций при насыщении образца влагой, предотвратить появление паразитных деформаций образца, не связанных с воздействием влаги, а также реализовать однозначность краевых условий для математического анализа деформации образца при воздействии влаги.
Заполнение емкости для водонасыщения так, чтобы обеспечивался равномерный контакт нижней поверхности образца с водой, позволяет исключить влияние на деформирование образца неравномерной пропитки, искажающей поле перемещений, а обеспечение равномерного контакта образца с водой на протяжении всего цикла измерений позволяет реализовать однозначное направление перемещения фронта влаги.
Регистрация серии голографических интерферограмм не смачиваемой поверхности образца позволяет зафиксировать изменение его деформации во времени в виде последовательной серии полей перемещений, изменяющихся под воздействием влаги на образец. Регистрация не смачиваемой поверхности образца также предотвращает декорреляцию изображений исследуемой поверхности, которая возникает при воздействии влаги на микрорельеф поверхности образца. Соблюдение этого условия обеспечивает получение качественной интерферограммы даже при длительных выдержках между экспозициями.
Кроме того, регистрация интерферограмм деформации образца под воздействием влаги позволяет выявить наличие трещин, свищей и неоднородностей, искажающих результаты определения водонепроницаемости при использовании традиционных методов.
Сопоставление изменения поля перемещений регистрируемой поверхности, полученного по интерферограммам, с расчетным полем перемещений геометрически подобного образца позволяет определить положение, скорость и ускорение фронта перемещения влаги, поскольку эти параметры связаны с изменением поля перемещений регистрируемой поверхности. Использование математической модели геометрически подобного образца упрощает процесс сравнения, поскольку расчетные поля перемещений будут близки по характеру распределения перемещений полям, полученным в эксперименте.
Нанесение светоотражающего водонепроницаемого покрытия на не смачиваемую поверхность образца позволяет сократить время экспонирования светочувствительного материала, например фотопластин, и тем самым обеспечивает возможность регистрации полей перемещений на стадиях деформирования исследуемой поверхности с высокой скоростью изменения перемещений. Водонепроницаемость покрытия позволяет исключить влияние испарения влаги с не смачиваемой поверхности, что существенно повышает точность определения параметров перемещения фронта влаги. Кроме того, влагонепроницаемое покрытие повышает качество интерферограмм, поскольку препятствует нарушению поверхностной структуры под воздействием влаги, а следовательно, устраняет декорреляцию изображений, полученных при записи интерферограмм.
Использование относительных перемещений между максимумом и минимумом поля перемещений регистрируемой поверхности для определения положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги значительно сокращает время анализа интерферограмм, поскольку в этом случае проводят построение только графика изменения перемещений во времени между двумя точками на исследуемой поверхности, а не всего поля перемещений.
Все это позволяет повысить эффективность способа определения водонепроницаемости цементных материалов за счет повышения точности определяемого показателя, а также расширения возможности способа путем обеспечения возможности регистрации положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги, сокращения времени проведения эксперимента.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений, содержащих указанные признаки.
Изобретение применимо и будет использоваться в отрасли в 2012-2013 г.
На чертеже изображена схема устройства, используемого для проведения испытаний образцов цементных материалов для определения их водонепроницаемости.
На виброзащищенной платформе голографической установки 1 размещена емкость для водонасыщения 2, на днище которой установлены фиксированные опоры 3. Опоры 3 размещены, например, в вершинах треугольника, что обеспечивает устойчивое размещение образца 4. Образец 4 изготавливают в виде простой геометрической фигуры, например прямой правильной призмы с квадратным основанием. Такая форма образца существенно упрощает его математическое моделирование при расчете поля перемещений, например, с применением метода конечных элементов. Высоту контрольных образцов бетона в зависимости от наибольшей крупности зерен заполнителя назначают в соответствии с табл.1. ГОСТ 12730.5 (Бетоны. Методы определения водонепроницаемости). При этом длину ребер основания выполняют в 6-10 раз больше высоты образца, что обеспечивает хорошее пространственное разрешение интерференционных полос на изображении исследуемой поверхности.
Емкость для водонасыщения 2 при помощи патрубка 5 соединена, например, с простейшим регулятором уровня, состоящим из буферной емкости 6 и герметичного водяного бака 7 со сливной горловиной 8, погруженной в емкость 6.
При выполнении исследований образец, высушенный до постоянной массы, герметизируют по боковым граням, например, путем нанесения на них 2-3 слоев эпоксидной смолы. Верхней торцовой поверхности 9 образца 4 обеспечивают несмачивание и наносят на нее светоотражающее водонепроницаемое покрытие в виде краски, а через нижнюю торцовую поверхность 10 образца 4 осуществляют непрерывное равномерное водонасыщение. После затвердевания нанесенных слоев смолы и краски образец размещают внутри емкости 2 и позиционируют на опорах 3. Лазерное излучение оптического квантового генератора при помощи оптических элементов формируют в виде плоскопараллельного светового потока, освещающего не смачиваемую поверхность 9 образца 4. При этом для обеспечения максимальной чувствительности измерительной схемы к нормальным перемещениям лазерный световой поток ориентируют перпендикулярно исследуемой поверхности.
Емкость 7, заполненную водой, устанавливают и закрепляют над емкостью 6 так, чтобы край сливной горловины 8 соответствовал заданному уровню воды в емкости для водонасыщения 2. Одновременно с этим включают прибор для регистрации временных интервалов (таймер, секундомер и т.п.). После заполнения водой емкости 2 и стабилизации уровня воды перекрывают затвором лазерное излучение, переводят помещение лаборатории в режим неактиничного освещения и устанавливают, например, на борта емкости 2 фотопластину 11 параллельно исследуемой поверхности 9 образца 4. Затем проводят экспонирование фотопластинки 11 с минимально возможной длительностью экспозиции, обеспечивающей получение качественной голограммы. Через интервал времени, определяемый экспериментально, проводят повторное экспонирование той же фотопластинки и обрабатывают ее в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. При этом заносят в журнал показания времени при начале первой и второй экспозиций.
Устанавливают новую фотопластинку и повторяют цикл регистрации аналогично описанному выше. В процессе регистрации интерферограмм на основании анализа предыдущих интерферограмм корректируют длительность интервалов между экспозициями для обеспечения хорошей пространственной частоты получаемых интерферограмм (с точки зрения расшифровки и последующего анализа, например, 2-3 линии на 1 см). Проникновение влаги через толщу образца приводит к тому, что по мере приближения фронта перемещения влаги к срединной линии образца скорость его деформации замедляется, а затем, после перехода через срединную линию, снова возрастает, поскольку начинается деформирование образца в обратном направлении. Процесс регистрации серии интерферограмм ведут, например, до тех пор, пока в процессе деформации образца после перехода срединной линии фронтом распространения влаги на интерферограмме исследуемой поверхности обнаруживается не более одной интерференционной полосы за значительный интервал времени между экспозициями, например более одного часа.
Полученные интерферограммы обрабатывают и расшифровывают по известным, традиционным методикам с последующим построением полей перемещений, например в виде серии 3D-графиков. Полученную серию графиков поля перемещений сравнивают с серией графиков перемещений той же поверхности, полученной путем математического моделирования деформации геометрически подобного тела для условий, имитирующих деформирование образца при его послойном расширении, начиная от нижней плоскости. На основании сравнения серии экспериментальных и расчетных полей перемещений, с учетом длительности временного интервала от начала пропитки до момента перехода фронтом перемещения влаги срединной линии, выполняют построение графика изменения положения фронта перемещения влаги по толщине образца в зависимости от времени пропитки. Определение зависимости скорости и ускорения распространения фронта влаги по образцу выполняют, например, графическим дифференцированием.
Для упрощения как анализа экспериментальных данных, так и определения положения фронта перемещения влаги по толщине образца в зависимости от времени пропитки они могут проводиться путем сопоставления графиков изменения во времени экспериментальных и расчетных относительных перемещений между точками максимума и минимума поля перемещений регистрируемой поверхности.
С этой целью при обработке интерферограмм определяют, например, число полос между максимумом и минимумом поля перемещений исследуемой поверхности и соотносят их с временным интервалом между экспозициями каждой из интерферограмм. Пользуясь известными методами интерполяции и экстраполяции, строят график изменения относительного перемещения заданных точек исследуемой поверхности во времени. Аналогичный график перемещений между теми же точками, но полученный расчетным путем для случая линейного распространения влаги в геометрически подобном теле приводят в масштабное соответствие по времени и амплитуде перемещений с экспериментальным графиком. На основании сопоставления относительных перемещений расчетного и экспериментального графиков, путем простейшего математического анализа, выполняемого, например, методом элементарных графических построений, строят график проникновения влаги по толщине образца в зависимости от времени пропитки.
Предложенный способ может быть использован не только для исследования водонепроницаемости цементных материалов, но и других пористых строительных и конструкционных материалов.
Реализация способа предполагает использование известных и доступных средств экспериментального исследования, в том числе сравнительно простых и недорогих лазерно-голографических устройств и непромышленных компьютеров. Для повышения оперативности исследований и уменьшения трудоемкости экспериментальных работ реализация предложенного способа может быть выполнена с применением иных, более оперативных способов регистрации полей перемещений и деформаций, например методов электронной корреляционной спекл-интерферометрии. Кроме того, применение этого метода позволяет проводить измерения в режиме «реального времени», что существенно увеличивает информационную насыщенность процесса определения проникновения влаги по толщине образца.
Применение изобретения позволяет существенно повысить точность и достоверность исследования процесса проникновения влаги в цементные материалы для измерения водонепроницаемости, поскольку в процессе измерений контролируется:
- механическая целостность образца (наличие трещин, расслоений, несплошностей и других аномалий, существенно влияющих на проникновение влаги);
- 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.
Кроме того, измерение проникновения влаги проводится без воздействия существенного избыточного давления, что не нарушает естественное протекание процесса проникновения влаги. Регистрация положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги обеспечивает возможность более точного прогнозирования работоспособности конструкций и сооружений не только в условиях воздействия влаги, но и при влиянии знакопеременных температур.
Авторами проведен ряд исследований, которые подтверждают эффективность использования предложенного способа. Описанный способ был применен при исследовании влагонепроницаемости бетонов, содержащих различные добавки, например «Адинол-ДМ» (гидроизолятор для бетонов и растворов) совместно с полипропиленовой фиброй, а также бетонов с компонентом «Адипласт» (многофункциональная латексная добавка).
Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность способа определения водонепроницаемости цементных материалов за счет повышения точности определяемого показателя, а также расширения возможности способа путем обеспечения возможности регистрации положения, скорости и ускорения фронта перемещения влаги, сокращения времени проведения эксперимента.
Источники информации
1. ГОСТ 12730.5. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Раздел 2.
2. ГОСТ 12730.5. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Приложение 4.
3. Рекомендации МИ 300.5-94 "Безнапорный метод определения показателей водонепроницаемости бетона и раствора для средне- и низконапорных сооружений" (введены в действие 01.01.1995) - прототип.