ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ЦЕМЕНТА И СТАКАН ДЛЯ ЭТОГО ПРИБОРА

Предлагаемые технические решения относятся к устройствам для определения активности цемента.
Активность цемента - параметр, характеризующий прочность на сжатие образцов из цементного раствора, изготовленных и испытанных в стандартных условиях, установленных ГОСТ 30515-97.
Известны стандартные методы испытания цемента (см. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. ГОСТ 310.4-81). В соответствии с ГОСТ 310.4-81 изготовленные из испытываемого цемента растворные образцы, уплотненные с помощью виброплощадки и выдержанные вначале в формах в условиях влажной среды в течение не менее 24 часов, а затем без форм в воде, заменяемой через каждые 14 суток, в конечном итоге подвергают прессовым испытаниям.
Основной недостаток стандартных испытаний - их большая длительность, не позволяющая использовать результаты для корректировки технологических процессов производства цемента и изделий из него. Кроме этого, для проведения испытаний требуется специальная оснастка и оборудование: мешалка, виброплощадка, камера и ванна для выдержки образцов, а также пресс. Испытания можно проводить только в специализированных лабораториях.
Известны оперативные методы и приборы определения активности цемента, например, с помощью индикатора активности цемента ИАЦ-04М (http://www.biolight.ru/files/0009764-1.pdf). Такой индикатор может использоваться на цементных заводах, а также строительными организациями и другими потребителями. Указанный прибор включает мерный сосуд для смеси цемента с водой, снабженный датчиком электрического сопротивления водоцементной смеси, и электронный блок, осуществляющий обработку сигнала датчика, выдающий на дисплей цифровые данные, отображающие активность испытываемого цемента.
Такой метод испытания по электропроводности смеси характеризуется слабой корреляцией с активностью цемента, что не позволяет обеспечить приемлемую достоверность результатов.
Известны методы определения активности цемента, основанные на измерении контракции цемента (изменения объема системы «цемент-вода») при гидратации цемента.
К приборам, основанным на данном методе, относится контракциометр переносной КД-07, разработанный ГНМЦ «ВНИИФТРИ», и предназначенный для измерения контракции цементных материалов и ускоренного определения на этой основе в полевых и стационарных условиях активности цемента, прочности и водопроницаемости бетона (раствора) и др.
Указанный котракциометр включает емкость для воды, размещаемый в ней сосуд, также заполняемый водой, внутри которого устанавливается стакан с ручкой для исследуемого материала, герметизирующую крышку для сосуда со стеклянной трубкой и защитной оболочкой, шкалой объема и заглушкой, крепежные винты для фиксации крышки, а также уплотняющие прокладки (см. Руководство по эксплуатации, паспорт). Емкость, сосуд, стакан с ручкой, защитная оболочка стеклянной трубки, заглушка и крепежные элементы выполнены из нержавеющей стали.
О контракции материала судят по изменению в течение времени испытания (как правило, 3 часа) объема столба воды в стеклянной трубке над слоем воды, покрывающей цементный материал. Измерения производят по положению водного мениска относительно линейной шкалы, причем поддерживают заданную температуру воды в емкости. Роль термостата играет емкость с водой. При необходимости в трубку доливают мерное количество воды.
Обрабатывая полученные результаты по специальной методике прогнозируют контракцию к любому, наперед заданному времени и определяют активность цемента.
К недостаткам данного устройства, в первую очередь можно отнести относительно невысокую точность измерения, вследствие наличия субъективного фактора, связанного с визуальным контролем положения мениска, ручной обработкой результатов и сложностью обеспечения стабильной температуры исследуемого материала. Кроме того, контракциометр имеет значительные высоту и массу.
Известен выбранный в качестве прототипа контракциометр ВМ-7.7 (http://www.vnir.ru/desc.php?bc_tovar_id=3059), включающий загрузочный конический стакан и крышку с мерной горловиной и закрепленной рядом с горловиной стальной линейкой с делениями, закрепляемой на стакане с промежуточной прокладкой посредством трех винтов. Горловина снабжена крышкой. Двойное дно состоит из упругой диафрагмы, уплотнительного кольца и завинченного в стакан массивного диска из обычной стали с центральным резьбовым отверстием для воротка. В комплект также входит открытая емкость для воды (ведро), в которую помещают прибор. Диафрагма предназначена для передачи усилия от вкручиваемого в отверстие воротка к донной части затвердевшего образца при его извлечении из стакана.
Испытания проводят следующим образом. Готовится смесь из 1 кг цемента и 500 мл кипяченой воды. Смесь тщательно перемешивается, помещается в стакан, проштыковывется, уплотняется на вибростоле до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем стакан, очищенный от остатков цемента, закрывают с помощью винтов крышкой с резиновым кольцом. Через мерную горловину доливают воду до верхнего деления линейки и размещают в емкости с водой с температурой + (20±2)°С, выполняющей роль термостата. Засекают время. Отчеты снижения уровня воды в горловине (контракционный объем VK) снимают через 3, 7 и 24 часа. После испытаний контракциометр извлекают из воды. Для извлечения затвердевшей пробы цемента в отверстие завинчивают вороток. Активность цемента находят по таблицам, прилагаемым к прибору.
Принцип действия этого прибора близок к описанному выше контракциометру КД-07, и основные недостатки этих приборов совпадают:
- недостаточная точность измерения, связанная с необходимостью визуальной оценки уровня жидкости и ручной обработкой результатов;
- необходимостью долива воды при длительных испытаниях;
- большая масса прибора (примерно 4 кг);
- исследования проводятся в заполненной водой емкости, что приводит к повышенной влажности, возможности разлива воды и др. неудобствам;
- сложность извлечения затвердевшего образца из стакана путем вкручивания воротка, а также повреждения образца при его изъятии.
Авторы поставили задачу: повысить точность измерения при одновременном улучшении массо-габаритных показателей прибора, а также облегчить извлечение затвердевшего образца из стакана и обеспечить возможность его использования в дальнейшем для разрушающих испытаний, по которым возможна корректировка получаемых оперативным путем результатов.
Указанная задача решается за счет того, что в приборе для определения активности цемента, включающем герметичную измерительную камеру, стакан для исследуемого материала, крышку и система измерения объема воды в измерительной камере, предложено в качестве системы измерения использовать датчик объема, выполненный, например, в виде контактирующего с водой сильфона, связанного с датчиком линейного перемещения, при этом прибор снабжать электронным блоком для регистрации во времени и преобразования сигналов датчиков в показания активности исследуемого материала.
В камере предусмотрена дополнительный отсек для размещения датчика объема.
На внутренней поверхности крышки выполнено углубление с центральным отверстием для удаления воздуха из измерительной камеры при заполнении ее водой.
Электронный блок снабжен разъемами для подключения к компьютеру.
Указанная задача решается также за счет того, что в стакане прибора для определения активности цемента, выполненном коническим со съемным дном, предложено использовать конусность, не превышающую 0,5°, нижнюю внутреннюю часть стакана снабжать фланцем, а дно выполнять в виде диска, контактирующего с фланцем.
Дно стакана для прибора может быть выполнено в виде диска с наружным фланцем, при этом диаметр диска соответствует внутреннему диаметру фланца стакана, а фланец диска выполнен с возможностью опирания на фланец стакана.
Стакан может быть выполнен из композитного материала.
Стакан может быть снабжен ручкой.
Таким образом, за счет замены визуального наблюдения за изменением уровня воды на использование датчика объема, а также за счет того, что функцию оператора по определению активности цемента по таблицам заменена обработкой полученных результатов посредством электронного блока, удалось значительно повысить точность измерения. Возможность подключения прибора к компьютеру обеспечивает детальный анализ полученной информации, ее архивирование, составление отчетов и т.д.
Оснащение прибора датчиком температуры обеспечивает возможность точного измерения температуры и введения температурной коррекции результатов.
За счет использования герметичной камеры с отсеком для датчика обеспечивается полное изолирование цементного образца от окружающего пространства. Вода не испаряется, ее утечки исключены.
Выполнение внутренней поверхности крышки вогнутой (сферической, конической и т.п.) за счет углубления и наличие отверстия в верхней части обеспечивает надежное удаление из измерительной камеры воздуха при заполнении ее водой.
Снабжение измерительной камеры дополнительным отсеком для размещения датчика объема обеспечивает оптимальную компоновку прибора и защищает датчик, выполненный в виде сильфона от возможных воздействий при загрузке и выгрузке стакана, в том числе загрязнений.
Выполнение стакана с легко устанавливаемым и извлекаемым дном (вместе с затвердевшим образцом) позволило максимально приблизить форму образца к цилиндрической и извлекать его из стакана без нарушения целостности. Такой образец, в отличие от конического, можно использовать для дальнейших испытаний, например на сжатие на прессе, по результатам которых корректируется оперативные оценки активности цемента.
Снабжение внутренней части стакана фланцем и выполнение донной части в виде диска с фланцем за счет выбора соответствующих диаметральных размеров обеспечивает возможность плотного вхождения дна в стакан и надежное опирание фланца дна на фланец стакана.
Выполнение стакана и его донной части из композитного материала обеспечило значительное снижение массы, кроме того это позволяет избежать негативного воздействия воды.
Снабжение стакана ручкой обеспечивает удобство размещения стакана в камере и извлечения его.
Проведенные патентные исследования показали, что заявляемый объект соответствует критериям патентоспособности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен продольный разрез прибора, а также фотографиями, где на фото 1 представлен внешний вид измерительной камеры, на фото 2 - внешний вид стакана и на фото 3 - внешний вид электронного блока.
Прибор для измерения активности цемента включает измерительную камеру 1, стакан 2 и электронный блок 3.
Измерительная камера 1 выполнена в виде прямоугольного контейнера с полостью для размещения стакана 2 и сообщающимся с ней отсеком 3 для размещения датчика объема, и крышкой 4, герметично закрывающейся камеру 1. Крепление крышки 4 осуществляется посредством винтов. В камере 1 под крышкой 4 размещается стакан 2 для исследуемого материала. В дополнительном отсеке 3, имеющим цилиндрическую форму, и расположенным параллельно основанию измерительной камеры 1, размещен датчик объема, выполненный в виде сильфона 5. Диаметр сильфона 6 меньше диаметра дополнительного отсека 3, что позволяет сильфон 5 разместить на некотором расстоянии относительно внутреннего края отсека 3 для исключения нежелательных воздействий на него при загрузке и выгрузке стакана 2, а также обеспечит беспрепятственный выход воздуха из отсека при заливке камеры.
В центральной части внутренней поверхности крышки 4, располагаемой над стаканом, выполнено углубление. В конкретном варианте выполнения внутренняя поверхность крышки 4 выполнена по радиусу. Возможно другое выполнение, например в виде конуса. В верхней части углубления в крышке 4 выполнено отверстие с пробкой 6 для удаления воздуха при заполнении измерительной камеры 1 водой. Остальная внутренняя часть крышки 4 для плотного прилегания ее к наружной поверхности камеры 1 и обеспечения герметичности выполнена плоской.
Кроме того камера 1 снабжена патрубком с крышкой 7 для залива воды. Внутри камеры 1 также размещены датчик линейного перемещения донной части сильфона и датчик температуры (на чертеже не показаны).
Дно 8 стакана 2 выполнено съемным. Для установки дна 8 на нижней внутренней части стакана выполнен фланец. Дно 8 выполнено в виде диска с наружным фланцем. При этом диаметр дна 8 соответствует внутреннему диаметру фланца стакана 2, а наружный диаметр фланца дна 8 соответствует внутреннему диаметру нижней части корпуса стакана. Это обеспечивает плотное вхождение дна 8 в отверстие в корпусе стакана 2 при его установке в стакане. В собранном состоянии фланец дна 8 опирается на фланец корпуса стакана 2.
Стакан 2 (корпус и дно) выполнен из композитного материала и снабжен ручкой 9. Стакан выполнен 2 с незначительной конусностью, не более 1°. Такая конусность с одной стороны позволяет легко извлекать затвердевший образец воздействием снаружи на съемное дно 8 стакана 2, а с другой обеспечивает получение близких по форме к цилиндру образцов, пригодных для последующих испытаний.
Все металлические детали измерительной камеры изготовлены из нержавеющей стали.
Электронный блок на лицевой панели имеет 12-ти клавишную клавиатуру и графический дисплей. В торцовой части блока установлен восьмиконтактный разъем для подключения измерительной камеры 1, а рядом установлен USB-разъем для связи с компьютером и передачи данных в сервисную программу с целью более детальной обработки полученной информации, подготовки отчета и архивирования результатов. Разъем USB также используется для подключения внешнего блока питания при проведении длительных испытаний и зарядки аккумуляторов. Аккумуляторы располагаются в батарейном отсеке электронного блока.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Готовиться смесь из цемента и воды. Смесь тщательно перемешивается, помещается в стакан 2 с предварительно установленным в нем дном. Смесь проштыковывают, уплотняют на вибростоле до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем стакан, очищенный от остатков цемента, помещают в измерительную камеру 1. Камеру 1 герметично через прокладки закрывают крышкой 4 и затягивают винты. Затем полость внутри камеры 1 через патрубок заполняется водой. При этом для полного удаления воздуха из камеры 1 пробка 6 откручивается, открывая отверстие, расположенное в верхней зоне полости камеры 1. Затем пробка 6 закручивается, перекрывая отверстие в камере, а патрубок, через который заливалась вода, закрывается крышкой 7. Сразу после герметизации камеры 1 процесс испытания начинается. По мере гидратации цемента объем системы «цемент-вода» уменьшается и сильфон компенсирует изменение объема. Его смещение фиксируется датчиком линейных перемещений, передающим соответствующий сигнал в электронный блок. В течение всего цикла измерения посредством соответствующего датчика контролируется температура в камере. Его сигнал также поступает в электронный блок. Измерения выполняются автоматически в течение 3 часов и более, до 7 суток и более.
Полученные данные обрабатываются, и на экране дисплея появляется значение исследуемого параметра.
После окончания испытания крышка 4 освобождается, через открывшееся отверстие стакан 2 за ручку 9 извлекается из камеры 1, вода сливается.
Стакан 2 переворачивается, и затвердевший образец удаляется из стакана 2 путем легкого нажатия на дно.
После этого прибор готов к следующему испытанию.