СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING FROST RESISTANCE OF POROUS MATERIALS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Способ определения морозостойкости строительных материалов относится к области испытаний строительных материалов, в частности к определению морозостойкости пористых материалов, более предпочтительно керамического кирпича и камней керамических.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ определения морозостойкости образцов строительного материала (бетон) по соотношению структурной и прочностной характеристик образцов, где за структурную характеристику принимают капиллярную и контракционную пористости, а за прочностную - работу разрушения образцов с последующим расчетом морозостойкости по формуле. (А.С. СССР N 435621 М. кл. C 01 N 25/02, 1975 г.).
Недостатком способа является низкая точность определения.
Известен способ определения морозостойкости строительного материала (кирпич) путем определения структурной и прочностной характеристики образцов с последующим расчетом морозостойкости по формуле, в которой определяют высоту капиллярного водоподъема в единицу времени, удельное количество льда вытесненного на поверхность образца при одностороннем замораживании, коэффициент водонасыщения, предел прочности водонасыщенного образца при изгибе, работу разрушения водонасыщенного образца при ударе. (А.С. СССР N 828849 М. кл. C 01 N 33/38, 1982 г.).
Недостатком способа является недостаточно высокая достоверность результатов испытаний из-за применения в них множества расчетных коэффициентов, невысокая эффективность, связанная с длительностью проведения эксперимента, применения сложного оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому способу, принятому за прототип, является способ определения морозостойкости ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные», пункт 7.1 «Контроль морозостойкости при объемном замораживании», включающий насыщение образцов в воде, циклическое замораживание и оттаивание образцов и регистрацию числа циклов замораживания и оттаивания до появления видимых признаков разрушения. Согласно техническим требованиям ГОСТ 530-2012 в качестве марки кирпича по морозостойкости принимают число замораживаний-размораживаний, необходимых для снижения предела прочности и потери массы в пределах, оговоренных стандартом.
Недостатком способа является значительная трудоемкость и продолжительность времени испытания, процесс циклического замораживания может занимать от 25 до 300 дней, и необходимость применения сложного и громоздкого оборудования.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в экспресс методах определения морозостойкости пористых строительных материалов, которые позволили бы сократить время проведения испытаний, упростить методику их проведения и исключить использование сложного и громоздкого оборудования. Перечисленные задачи могут быть решены с помощью способа определения морозостойкости пористого материала с водопоглощением от 6% до 20%, в соответствии с предложенным изобретением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенный способ измерения морозостойкости пористого материала включает следующие стадии:
обеспечение по меньшей мере одного испытуемого пористого образца;
определение капиллярного водонасыщения, указанного по меньшей мере одного испытуемого образца путем измерения количества поглощяемой воды, % масс, в различных точках времени между началом измерения и полным насыщением образца;
определение испарившейся воды, % масс, из указанного по меньшей мере одного испытуемого образца в различных точках времени между началом сушки полностью насыщенного водой образца и его полного высыхания;
нанесение полученных результатов измерений водопоглощения и водоотдачи на график в координатах «изменение количества воды, % - время, %»;
расчет площади S, определяемой на указанном графике внутренней областью между кривой зависимости количества поглощенной воды, % от времени, % и кривой зависимости количества испарившейся воды, % от времени, %;
определение морозостойкости указанного образца по формуле:
a, b, c -
a = -266,23; b = 3,39; c = 261143,96.
коэффициенты уравнения регрессии, для образцов с водопоглощением от 6% до 20%,
В одном из вариантов реализации заявленного изобретения количество точек измерения капиллярного водонасыщения, % масс. в первый час измерения составляет не менее 3 точек измерения с интервалом 15-25 минут, после первого часа до 14 часов - минимум 8 измерений, после 14 часов до полного водонасыщения - минимум 2 измерения.
В другом варианте реализации заявленного изобретения количество точек измерения испарившейся воды, % масс. составляет не менее 15 точек с промежутком не более 15 мин;
В предпочтительном варианте реализации заявленного изобретения измерение капиллярного водопоглощения и/или испарившейся влаги замеряют непрерывно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На Фиг. 1 показан график, на котором на основании полученных результатов измерения капиллярного водонасыщения и испарившейся воды для образца Состава 1 построены кривая зависимости количества поглощенной воды, % от времени, % и кривая зависимости количества испарившейся воды, % от времени, %. При этом площадь S - площадь петли гистерезиса, ед. для образца Состава 1- определяется на графике областью, расположенной между этими двумя кривыми;
На Фиг. 2 показан график, на котором на основании полученных результатов измерения капиллярного водонасыщения и испарившейся воды для образца Состава 7 построены кривая зависимости количества поглощенной воды, % от времени, % и кривая зависимости количества испарившейся воды, % от времени, %. При этом площадь S - площадь петли гистерезиса, ед. для образца Состава 7- определяется на графике областью, расположенной между этими двумя кривыми;
На Фиг. 3 показан график зависимости между площадью гистерезиса, рассчитанной для каждого образца Составов 1-19, и его морозостойкостью, которая была определена согласно ГОСТ 7025-91.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно, что решающим фактором, оказывающим влияние на морозостойкость пористых материалов, является структура имеющихся пор в материале и распределение их по размерам. При замерзании пористых материалов влага в жидком виде или в виде пластичного льда находится в непрерывном движении, направление и количество мигрирующей влаги зависят в основном от структуры материала. У каждого пористого материала своя структура пористости, так как капилляры имеют различное строение: форму, размер, протяженность, количество. В зависимости от строения капилляров, от возникающих капиллярных сил на границе поверхность капилляр-вода, они по-разному поглощают воду и по-разному отдают ее в процессе сушки, что, в свою очередь, влияет и на морозостойкость пористого материала. При этом, структура пор материала может увеличивать или уменьшать динамику капиллярного водонасыщения и динамику водоотдачи, что позволяет определить структурные изменения в материале на основании этих кинетических параметров.
В уровне техники известны попытки определения зависимости между динамикой водопоглощения и отдельно между динамикой водоотдачи (сушки) и морозостойкостью пористого материала. Однако выявленные зависимости не давали хорошей корреляции с результатами стандартных измерений морозостойкости пористых материалов и достоверные результаты были получены только в ограниченных случаях.
Задача, которая стояла переда авторами, заключалась в разработке способа измерения, который бы позволял максимально описать структуру пор исследуемого образца, а также выявить математическую зависимость между определенной структурой и морозостойкостью. Авторами было обнаружено, что совместно водонасыщение и сушка дают более полную характеристику структуры пор, а также существует определенная математическая зависимость между такой характеристикой и морозостойкостью материала.
Ниже приведены результаты исследований и примеры реализации предложенного способа измерения морозостойкости пористого материала с водопоглощением от 6% до 20%. Испытания проводились с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ имени В. Г. Шухова.
1. Подготовка образцов
Из четырех модельных составов керамических масс, различных по минералогическому составу (табл.1), формовали образцы пластическим и полусухим способом формования в виде кубов размером 50x50x50 мм и обжигали при различных температурах обжига. Получили 19 составов с учетом способа формования и температуры обжига (табл.2). В каждом составе минимальное количество образцов составляло 5 образцов.
Таблица 1
Содержание глинистых минералов и примесей модельных составов
Состава
Содержание, %
каолинит
гидрослюда
монтмориллонит
кварцсвязанный
полевой шпат
гидроокислы железа
кварцсвободный
№1
23
13
6
36
6
1,0
15
№2
23
6
12
33
9
2,0
15
№3
18
16
20
22
8
1,0
15
№4
10
24
21
18
10
2,0
15
Таблица 2
Шифры составов керамических образцов
Шифрсостава
Модельныйсостав
Способпроизводства
Температура обжига, °С
1
№1
Пластический
950
2
№1
Пластический
1000
3
№1
Пластический
1050
4
№1
Полусухой
950
5
№1
Полусухой
1000
6
№1
Полусухой
1050
7
№2
Пластический
950
8
№2
Пластический
1000
9
№2
Пластический
1050
10
№2
Полусухой
950
11
№2
Полусухой
1000
12
№2
Полусухой
1050
13
№3
Пластический
950
14
№3
Пластический
1000
15
№3
Полусухой
950
16
№3
Полусухой
1000
17
№4
Пластический
950
18
№4
Пластический
1000
19
№4
Пластический
1050
2. Определение кинетики капиллярного водонасыщения образцов
Для каждого из 19 образцов, приведенных в Таблице 2, измеряли капиллярное водонасыщение следующим образом. Каждый образец погружали в воду на глубину 1-2 мм так, чтобы нижняя поверхность образца контактировала с водой, и в таком положении выдерживали заданное время (10, 20, 30, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 480, 660, 840, 1020, 1440, 2880 мин) в герметично закрытой емкости, где поддерживался постоянный уровень воды. По истечении заданного времени, образцы извлекали из воды, обтирали их поверхность влажной тканью, взвешивали и вновь погружали в воду. Конечной точкой взвешивания была точка 2880 мин, так как за это время произошло полное капиллярное водонасыщение образцов. Увеличение массы поглощенной воды измеряли с точностью до 0,01 гр. Количество поглощенной воды вычисляли по следующей формуле:
С
кап
- количество поглощенной воды, %;
m
τ
- масса образца через определенное время водонасыщения, г;
m
сух
- масса сухого образца, г;
m
48
- масса образца через 2880 мин (48 часов) капиллярного водонасыщения, г.
С
кап
По полученным данным для каждого образца строили кривую кинетики капиллярного водонасыщения в координатах «изменение количества воды, , % - время, %». Примеры таких кривых показаны на Фигурах 1 и 2 для Составов 1 и 7, соответственно.
Определение кинетики сушки образцов
После полного капиллярного водонасыщения образцы 1-19 подвергали сушке в сушильном шкафу при постоянной температуре 120°С. Измерение количество испарившейся воды производили путем взвешивания через промежутки времени с шагом 15 минут до полного испарения находящейся в нем воды. Максимальное время водоотдачи для всех образцов составило 12 часов. Количество испарившейся воды вычисляли по следующей формуле:
С
исп
- количество испарившейся воды, %;
m
48
- масса образца через 2880 мин (48 часов) капиллярного водонасыщения, г;
m
τ
- масса образца через определенное время сушки, г;
m
сух
- масса сухого образца, г.
С
Определение морозостойкости по ГОСТ 7025-91
исп
Далее по полученным данным для каждого образца в одной системе координат с кривой кинетики капиллярного водопоглощения строили кривую кинетики сушки в координатах «изменение количества воды, , % - время, %». Примеры таких кривых показаны на Фигурах 1 и 2 для Составов 1 и 7.
Для всех образцов 1-19 после исследования кинетики водопоглощения и сушки были проведены измерения морозостойкости стандартным методом по ГОСТ 7025-91.Для этого образцы насыщали водой и подвергали попеременному многократному замораживанию и размораживанию при температуре минус 15°С. Продолжительность одного замораживания составляла не менее 4 ч. Продолжительность оттаивания в воде при температуре около 20°С не менее 2 ч. После каждого цикла производился осмотр образцов по степени повреждений.
Результаты величины морозостойкости для каждого образа приведены в Таблице 3.
3. Математическая формула морозостойкости
После построения кривых кинетики капиллярного водонасыщения и кинетики сушки для каждого образца в одной системе координат, авторы изобретения предположили, что возможно существует зависимость между морозостойкостью материала и площадью области между упомянутыми двумя кривыми, так называемой петлей гистерезиса, S. Для проверки данного предположения для всех образцов была рассчитана площадь гистерезиса, S математическим методом. Данные расчетов приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Шифр состава
Площадь петлигистерезиса, ед.
Морозостойкость ГОСТ 7025-91, циклы
Морозостойкость рассчитаннаяпо формуле, циклы
1
1211
65
67
2
1118
80
80
3
1195
65
69
4
1667
25
28
5
1498
40
39
6
1310
50
55
7
2679
9
7
8
3156
7
7
9
2074
15
14
10
2283
9
10
11
2507
8
8
12
2079
15
14
13
1660
30
30
14
1284
50
58
15
2089
15
14
16
1305
50
56
17
600
250
252
18
710
200
191
19
790
150
159
Далее полученные значения из Таблицы 3 (площадь петли гистерезиса, морозостойкость ГОСТ 7025-91) были нанесены на график в координатах «морозостойкость, циклы - площадь петли, ед.». График показан на Фиг. 3.
Выявленная зависимость площади гистерезиса от морозостойкости пористого образца описывается следующим уравнением:
при подборе коэффициентов в уравнении, методом наименьших квадратов, уравнение принимает вид:
, где
М
- морозостойкость, циклы;
S
- площадь петли гистерезиса, относит. ед.
Данные морозостойкости образцов Составов 1-19 рассчитанные с использованной выведенной формулы показали хорошую корреляцию с морозостойкостью, рассчитанной согласно ГОСТ 7025-91 и приведены в таблице 3.
4. Способ определения морозостойкости пористых образцов на основании кинетики капиллярного водонасыщения и сушки
Математическая формула зависимости морозостойкости от скорости капиллярного водонасыщения и сушки испытуемого образца, впервые выявленная авторами, позволяет определять морозостойкость пористых материалов исключив времязатратные стадии замораживания и оттаивания образцов, а также использование громоздкого оборудования, которое используется в стандартных методиках. Это, в свою очередь, позволяет сократить время проведения испытаний образцов.
Предложенный авторами способ оценки определения морозостойкости пористых материал в производстве осуществляется следующим образом: образцы погружаются нижней поверхностью в воду на высоту 1-2 мм и производится взвешивание через определенные промежутки времени, далее производится их сушка в сушильном шкафу до полного высыхания образца, рассчитывается количество воды в процессе капиллярного водонасыщения и в процессе сушки. По данным капиллярного водонасыщения и водоотдачи строятся графики зависимости водонасыщения и водоотдачи от времени в единой системе координат. Рассчитывается площадь петли гистерезиса и определяется морозостойкость образцов по формуле:
, где
M
- морозостойкость, циклы;
S
- площадь петли гистерезиса, относит. ед.
Конкретные примеры осуществления способа, раскрытые в данной заявке, являются иллюстративными и не ограничивают заявленный объем притязаний. Предложенный способ может быть предназначен для любых пористых материалов, пористая структура которых влияет на морозостойкость. Предпочтительными вариантами материалов, для которых может быть использован данный способ, являются пористые материалы с водопоглощением не менее 6% и не более 20%, так как ниже и выше этих пределов водопоглощений имеется большая погрешность при расчёте морозостойкости. При водопоглощении ниже 6% стенки пор материала характеризуются очень низкой гидрофильностью и, соответственно, количество адсорбированной воды минимальное и ее недостаточно для полного описания структурных характеристик. Пористые материалы, имеющие водопоглощение более 20%, наоборот, характеризуются высокой гидрофильностью, но вода не удерживается в изделии.
Данное изобретение не ограничено конкретными методиками определения кинетики водонасыщения и сушки, которые раскрыты в примерах. Суть изобретения заключается в том, что авторами была обнаружена зависимость морозостойкости от комбинации двух параметров - водонасыщения и сушки. Это связанно с тем, что когда идет процесс водонасыщения, то он идет вглубь образца, а процесс сушки, испарение воды - с поверхности образца и, соответственно, комбинирование этих параметров характеризуют более близкую картину процессов миграции влаги близкую к естественным условиям. Таким образом, специалисту будет понятно, что качество результатов измерения морозостойкости предложенным способом будет зависеть от точности определения кинетики водонасыщения и сушки, что может быть осуществлено любыми известными из уровня техники методами и средствами, а не только раскрытыми в конкретных примерах.
Данное изобретение также не ограничено конкретными временными интервалами измерения капиллярного водопоглощения и сушки. Специалисту хорошо известен процесс кинетики водопоглощения. Процесс водонасыщения условно делится на три участка:
- первый участок - в образце заполняются поры более крупного диаметра и скорость на этом участке максимальная и требует более частого замера массы образца для построения достоверной кривой зависимости массы, % от времени, %;
- второй участок - в образце заполняются поры с более мелким диаметром и далее насыщение крупных пор идет путем подсоса из мелких, скорость водонасыщения замедляется;
- третий участок - восходящие насыщение образца за счет действия капиллярного действия значительно ослабевает.
Таким образом, для специалиста в данной области не составит труда подобрать необходимые временные интервалы и их количество для построения достоверных кривых кинетики водонасыщения и, соответственно, получения надежных результатов измерения морозостойкости. Аналогичный подход также касается и процесса сушки. Самым предпочтительным вариантом измерения кинетики водонасыщения и сушки является непрерывное измерение массы насыщаемого образца.