ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА БИОСТОЙКОСТЬ В МОДЕЛЬНЫХ СРЕДАХ

Полезная модель относится к области испытаний строительных материалов: в частности к устройствам для испытания в модельных средах образцов строительных материалов стандартных размеров на биостойкость.
Известно устройство для испытания образцов строительных материалов в аэротенках, представляющее собой полимерную сеть с накладными карманами из того же материала, для размещения образцов. Устройство погружают в водную, биологически-активную среду аэротенка и закрепляют в нем сеть с помощью тросов и карабинов на ограждениях (патент РФ №115076, Б №11, 20.04.12).
Недостатком данного устройства являются: неудобство и трудоемкость размещения и закрепления образцов, нерациональное использование возможностей аэротенка: не полное использование всей ширины его коридора, различная нагрузка активного ила в зависимости от места установки по длине коридора.
Также известно устройство для закрепления образцов испытываемых материалов, установленное в водоочистном сооружении (аэротенке), выполненное в виде блоков, состоящих из П-образных направляющих, в которых установлены рамы для размещения вкладных рамок, в которых закреплены полимерные сетки с накладными карманами (патент РФ №126142, Б №8, 20.03.13).
Недостатком данного устройства является возможное нарушение гидродинамического режима работы аэротенка, при установке максимального количества образцов, обусловленное высоким гидродинамическим сопротивлением, что определяется как конструкцией, так и положением устройства в водоочистном сооружении (поперек коридора аэротенка).
Кроме того, основным недостатком предложенных устройств является то, что при испытании образцов невозможно изменять параметры биологически-активной среды аэротенка - температуру и pH среды, т.е. осуществлять комплексное изучение процессов биокоррозии строительных материалов в полном объеме.
В качестве прототипа было выбрано устройство, используемое в способе испытаний образцов строительных материалов на биостойкость по патенту РФ №2471188, Б №36, 27.12.12. Устройство представляет собой герметично закрытую емкость, сделанную из материала, стойкого к воздействию микроорганизмов, на дне которой уложены образцы исследуемых изделий, погруженные в модельную слабоагрессивную среду (pH<7) так, чтобы верхняя кромка среды была выше верхней грани образцов.
Существенными недостатками прототипа является то, что температура модельной среды нестабильна и зависит от температуры окружающего воздуха, кроме того, невозможно поддерживать pH среды на заданном уровне, и осуществлять перемешивание среды. Все это существенно влияет на результаты оценки степени биостойкости строительных материалов и не позволяет проводить комплексное изучение процессов биокоррозии, т.е. прототип не позволяет оценивать кинетические параметры процессов биоповреждения строительных материалов.
Задачей полезной модели является создание устройства для проведения исследований процессов биоповреждения строительных материалов, которое позволяет поддерживать pH модельной среды и ее температуру на заданном уровне и позволяет обеспечивать постоянство концентраций компонентов модельной среды за счет постоянного перемешивания. Устройство должно в автоматическом режиме осуществлять запись во времени основных кинетических параметров - pH и температуры среды.
Полезная модель направлена на создание возможности проведения кинетических исследований процессов биокоррозии строительных материалов в условиях постоянства pH и температуры модельной среды, возможность расчета кинетических параметров по полученным экспериментальным данным установки и возможность создания математической модели процессов биокоррозии строительных материалов, что принципиально отличает данное устройство от ранее созданных.
Техническим результатом является повышение точности изучения процессов биоповреждения строительных материалов и возможность создания математической модели процессов биокоррозии.
Результат достигается тем, что в лабораторной установке для испытания образцов строительных материалов на биостойкость в модельных средах, включающей в себя испытательную емкость, выполненную из материала стойкого к воздействию микроорганизмов с установленными в донной части установки образцами, погруженными в модельную среду, согласно полезной модели, испытательная емкость выполнена с теплозащитным кожухом и снабжена кассетой, установленной в ее донной части и выполненной в виде емкости с двойным дном, верхнее из которых имеет отверстия, верхнее и нижнее дно кассеты соединены полосками с образованием меандрообразного канала; в одном углу кассеты установлен поточный нагреватель модельной среды, имеющий патрубок для поступления модельной среды и отверстия, сообщающиеся с каналом кассеты, для подвода в него нагретой модельной среды, в верхней части кассеты закреплена полимерная сетка для фиксации образцов; в испытательной емкости установлены датчик температуры и pH-электрод, погруженные в модельную среду; в нижней части испытательной емкости расположен патрубок, соединенный со сливной емкостью поливинилхлоридным шлангом, проходящим через электромагнитный клапан; установка снабжена насосом, всасывающий патрубок которого соединен с патрубком испытательной емкости, нагнетательный патрубок насоса соединен с патрубком нагревателя; установка снабжена также подпиточной емкостью, расположенной выше испытательной емкости и имеющей электромагнитный клапан на линии подачи модельной среды в испытательную емкость; установка снабжена электронным блоком управления, осуществляющим запись и регулирование основных параметров среды и связанным с датчиком температуры, pH-электродом, электронагревателем модельной среды и электромагнитными клапанами.
Результат достигается также тем, что, все узлы установки выполнены из коррозионностойких материалов, а все емкости выполнены из листового полиметилметакрилата.
На фиг. 1 схематично представлена предлагаемая установка для испытания образцов строительных материалов на биостойкость (вид сбоку).
На фиг. 2 схематично представлена кассета для размещения испытуемых образцов (вид сверху).
Лабораторная установка для испытания образцов строительных материалов на биостойкость состоит из испытательной емкости 1 прямоугольного сечения из материала, стойкого к воздействию микроорганизмов, например, листового полиметилметакрилата. В донной части испытательной емкости 1 расположена кассета 2 для размещения испытуемых образцов. Кассета 2 представляет собой емкость прямоугольного сечения, выполненную, например, из листового полиметилметакрилата, в верхней части которой (параллельно дну) закреплена полимерная сетка 3, служащая для фиксации в ее ячейках образцов строительных материалов 4 в вертикальном положении. Кассета 2 имеет двойное дно, верхнее дно имеет отверстия 5. Верхнее и нижнее дно кассеты 2 соединены полосками, например, из листового полиметилметакрилата 6, образующими меандрообразный канал прямоугольного сечения, по которому подается подогретая модельная среда для обновления и перемешивания среды вокруг образцов 4 и поддержания заданной температуры среды. В одном из углов кассеты 2, расположен поточный нагреватель среды 7, представляющий собой прямоугольную емкость, например, из полиметилметакрилата, с установленным в ней электронагревателем 8. Поточный нагреватель 7 имеет входной патрубок 9 для поступления модельной среды и отверстие прямоугольной формы (на схеме не показано) для подвода нагретой среды в меандрообразный канал кассеты 2. К патрубку 9 поточного нагревателя 7 с помощью поливинилхлоридного шланга подсоединен нагнетающий патрубок 10 центробежного насоса 11. Всасывающий патрубок 12 насоса 11 с помощью поливинилхлоридного шланга подсоединен к патрубку 13 испытательной емкости 1. Патрубок 13 выполнен из коррозионностойкого материала, например, из нержавеющей стали. В испытательной емкости 1 установлены также pH-электрод 14 и датчик температуры 15, погруженные в модельную среду на глубину 30 мм. Испытательная емкость 1 имеет теплозащитный кожух из плитного пенополистирола, обеспечивающий минимальный теплообмен с окружающей средой (на схеме не показан).
Установка также включает в себя электронный блок управления 16, осуществляющий запись и регулирование основных параметров среды: pH и температуры, путем измерения pH и температуры среды с помощью подсоединенных к нему pH-электрода 14 и датчика температуры 15, связанных с электронагревателем 8, служащим для нагрева модельной среды до установленного значения температуры.
Испытательная емкость 1 и сливная емкость 17 соединены между собой поливинилхлоридным шлангом через электромагнитный клапан 18, расположенный в нижней части испытательной емкости 1 для обеспечения слива отработанной модельной среды самотеком.
Подпиточная емкость 19 выполнена, например, из листового полиметилметакрилата и имеет прямоугольное сечение. В ее нижней части находится патрубок, к которому при помощи поливинилхлоридного шланга подсоединяется электромагнитный клапан 20. К электромагнитному клапану 20 подсоединяется поливинилхлоридный шланг, который, погружен в модельную среду испытательной емкости 1, для подачи свежей среды. Подпиточная емкость 19 расположена выше испытательной емкости 1, для обеспечения слива свежей модельной среды самотеком. Электромагнитные клапаны 18 и 20, связанные с электронным блоком управления 16 обеспечивают поддержание pH среды на заданном уровне, путем периодического добавления свежей модельной среды и слива отработанной.
Принципиальная электрическая схема электронного блока управления 16 состоит из трех частей: измерительного блока, блока питания и зарядного устройства (на схеме не показаны).
Принцип работы установки заключается в следующем: в испытательную емкость 1 вставляют кассету 2, в которой посредством полимерной сетки 3 вертикально установлены образцы строительных материалов 4. В испытательную емкость 1 заливают модельную среду так, чтобы верхняя кромка среды была выше верхней грани образцов на 10-15 см. Модельная среда из испытательной емкости 1 попадает на всасывающий патрубок 12 насоса 11, работающего в постоянном режиме и обеспечивающего непрерывное перемешивание модельной среды в испытательной емкости 1. Модельную среду из нагнетающего патрубка 10 подают в поточный нагреватель 7 и нагревают электронагревателем 8. Поток нагретой модельной среды поступает в меандрообразный канал кассеты 2 и проходит через отверстия 5 в перфорированном верхнем дне кассеты 2, таким образом перемешивая модельную среду вокруг образцов строительных материалов 4 и поддерживая заданный уровень температуры и pH среды посредством электронного блока управления 16.
Установка может работать в двух кинетических режимах. При основном режиме работы установки происходит автоматическое поддержание во времени постоянных значений pH и температуры среды, которая может быть задана в интервале от 25 до 50°C с точностью 0.01°C.
При основном режиме работы установки с целью поддержания pH и температуры среды на заданном уровне, в испытательной емкости 1 производится замер этих параметров с помощью pH-электрода 14 и датчика температуры 15. Электрический сигнал с обоих датчиков поступает в электронный блок управления 16. Если температура среды по показаниям датчика температуры окажется ниже заданной, то электронный блок управления 16 автоматически включит электронагреватель 7 и выключит его в тот момент, когда температура среды достигнет заданного значения. Если уровень pH модельной среды повысится (pH>7), то электронный блок управления 16 включит электромагнитный клапан 18 и заданное количество отработанной модельной среды сольется в сливную емкость 17, после чего электромагнитный клапан 18 автоматически выключится. Далее произойдет автоматическое включение электромагнитного клапана 20 и заданное количество свежей модельной среды из подпиточной емкости 19 сольется в испытательную емкость 1. После чего, происходит повторное измерение pH модельной среды, и если pH среды не достигла заданного значения, то операция повторится вновь.
При дополнительном режиме работы установки вышеописанным образом происходит поддержание заданного значения температуры модельной среды с ее перемешиванием и регистрацией температуры среды во времени. Регистрация и запись во времени pH среды на карту памяти производится без операций слива отработанной и без добавления свежей модельной среды. По истечению заданного срока испытаний образцов строительных материалов на биостойкость, электронный блок управления 16 включает электромагнитный клапан 18 и весь объем модельной среды из испытательной емкости 1 автоматически сливается в сливную емкость 17, после чего образцы строительных материалов 4 извлекают для проведения дальнейших испытаний.
Используемые модельные среды представляют собой как водные растворы одно-, двух- и трехосновных карбоновых кислот (уксусная, щавелевая, лимонная и др.) с различной концентрацией, так и их возможные комбинации.
Биостойкость образцов строительных материалов определяется коэффициентом их химической стойкости, характеризующим изменение прочности образцов на сжатие и изгиб до и после экспозиции в модельных средах.
Лабораторная установка позволяет повысить точность изучения процессов биоповреждения образцов строительных материалов за счет поддержания температуры и pH среды на заданном уровне и создать математическую модель описания процессов биокоррозии на основе экспериментальных данных и коэффициента химической стойкости образцов, определенного при различных температурах. За счет возможности повышения температуры модельной среды, использование предлагаемой полезной модели позволяет не только определять кинетические параметры процесса биокоррозии строительных материалов, но и существенно сократить время испытаний (в 2-4 раза) против существующих методов, так как при повышении температуры среды на 10 градусов, согласно правилу Вант-Гоффа, скорость процессов биокоррозии увеличивается в два раза.