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

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРТЕНИЕ
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.
Известен базовый способ 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.
Наиболее близким к предлагаемому способу, принятому за прототип, является заявка №20221191139 «Способ определения морозостойкости пористого материала» в котором структурная характеристика материала оценивается по численному значению площади петли, которая образуется между кривой водонасыщения и кривой водоотдачи, а морозостойкость рассчитывается по формуле. Недостатком способа является трудоемкость в расчете площади между кривыми водонасыщения и водоотдачи.
Цель способа – упростить расчет морозостойкости и методику проведения испытаний.
Данная задача может быть решена с помощью способа определения морозостойкости пористых материалов, в соответствии с предложенным изобретением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенный способ измерения морозостойкости пористого материала включает следующие стадии:
обеспечение по меньшей мере одного образца, например керамического кирпича или камня с заданной массой в сухом состоянии, ;
первое частичное погружение упомянутого образца в воду, последующее извлечение и определение его массы после 2,4 часа выдержки в воде, ;
повторное погружение упомянутого образца частично в воду, последующее извлечение и определение его массы после 48 часов выдержки в воде с момента первого погружения образца в воду, ;
последующая сушка упомянутого образца при температуре 120 °С и определение его массы после 0,6 часов сушки ;
на основании полученных масс образца определение количества поглощенной за 2,4 часа воды , %  и количества испарившейся за 0,6 часа воды , % для упомянутого образца;
расчет морозостойкости образца по формуле:
где
,
К –
коэффициент водонасыщения и водоотдачи, равенрезультату частного чисел количества поглощенной воды  и количества испарившейся воды  при 5% от времени водонасыщения и сушки, что соответствует 2,4 водонасыщения и 0,6 часам  сушки;
a, b, c –
= 22,195; b = -204,845; c = 682,944.
коэффициенты уравнения регрессии: a
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
2
На Фиг. 1 показан график зависимости площади петли гистерезиса от коэффициента водонасыщения и водоотдачи Составов 1-19, а также приведено значение коэффициента детерминации (R) при 5% от времени водонасыщения и сушки.
2
На Фиг. 2 показан график зависимости площади петли гистерезиса от коэффициента водонасыщения и водоотдачи Составов 1-19, а также приведено значение коэффициента детерминации (R) при 10% от времени водонасыщения и сушки.
2
На Фиг. 3 показан график зависимости площади петли гистерезиса от коэффициента водонасыщения и водоотдачи Составов 1-19, а также приведено значение коэффициента детерминации (R) при 20% от времени водонасыщения и сушки.
На Фиг. 4 показан график зависимости морозостойкости образцов, определенной согласно ГОСТ 7025-91 и величиной коэффициента водонасыщения и водоотдачи, определенный как результат частного чисел количества поглощенной воды и количества испарившейся воды при 5% от времени водонасыщения и сушки, рассчитанный для каждого образца Составов 1-19.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В заявке №20221191139 разработан «Способ определения морозостойкости пористых материалов», который позволяет максимально описать структуру пор исследуемого образца на основе комбинации двух параметров - водонасыщения и сушки. В формуле для расчета морозостойкости используется площадь петли гистерезиса, которая образуется между кривыми водонасыщения и водоотдачи и рассчитывается математическим методом. Задачей авторов данной заявки являлось рассчитать морозостойкость пористого материала, исключив при этом математический расчет площади петли гистерезиса.
Для построения кривых водонасыщения и водоотдачи требуется не менее 15 точек измерений для каждой кривой. Так как площадь петли гистерезиса зависит от изменения во времени количества поглощенной и испарившейся воды, было предположено, что результат частного чисел количества поглощенной и испарившейся воды в определенных точках времени водонасыщения и сушки будет прямо пропорционален площади петли гистерезиса.
Для решения данной задачи были произведены:
- подготовка образцов для исследований;
- расчет коэффициента водонасыщения и водоотдачи в точках при 5%, 10%, 20 % от времени водонасыщения и сушки, полученный как результат частного чисел количества поглощенной воды и количества испарившейся воды в данных точках;
- расчет коэффициента детерминации из графиков зависимости площади петли гистерезиса от коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5%, 10%, 20% от времени водонасыщения и сушки;
- возможность использования выбранного коэффициента водонасыщения и водоотдачи при выбранном проценте времени в расчете морозостойкости.
Ниже приведены результаты исследований и примеры реализации предложенного способа измерения морозостойкости пористых материалов. Испытания проводились с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ имени В. Г. Шухова.
Подготовка образцов
Из четырех модельных составов, например, 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
Определение количества поглощенной воды капиллярного водонасыщения образцов в фиксированных точках времени 5, 10, 20% от времени водонасыщения и сушки
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 в герметично закрытой емкости, где поддерживался постоянный уровень воды: 5% от времени- что соответствует 2,4 часам водонасыщения, 10% - что соответствует 4,8 часам и 20% - что соответствует 9,6 часам водонасыщения. По истечении заданного времени, образцы извлекали из воды, обтирали их поверхность влажной тканью, взвешивали и вновь погружали в воду. Последней точкой взвешивания была точка 48 часов, так как за это время произошло полное капиллярное водонасыщение испытуемых образцов. Увеличение массы поглощенной воды измеряли с точностью до 0,01 гр. Количество поглощенной воды вычисляли по следующей формуле:
%, где
- количество поглощенной воды, %;
– масса образца через определенное время капиллярного водонасыщения, г;
– масса сухого образца, г;
– масса образца через 48 часов капиллярного водонасыщения, г.
Полученные данные количества поглощенной воды (%) для образцов 1-19 в фиксированных точках времени представлены в Таблице 3.
Определение количества испарившейся воды в процессе сушки образцов в фиксированных точках времени 5,10, 20% от времени водонасыщения и сушки
После полного капиллярного водонасыщения образцы 1-19 подвергали сушке в сушильном шкафу при постоянной температуре 120 °С.  Измерение количество испарившейся воды производили путем взвешивания в фиксированных точках времени: 5% - что соответствует 0,6 часа сушки, 10% - что соответствует 1,2 часам сушки и в 20% - что соответствует 2,4 часам сушки. Количество испарившейся воды вычисляли по следующей формуле:
%, где
- количество испарившейся воды, %;
– масса образца через 48 часов капиллярного водонасыщения, г;
- масса образца в фиксированных точках времени сушки, г;
– масса сухого образца, г.
Полученные данные количества испарившейся воды (%) для образцов 1-19 в фиксированных точках времени представлены в таблице 3.
Вычисление коэффициента водонасыщения и водоотдачи в фиксированных точках времени 5,10, 20% от времени водонасыщения и сушки
Коэффициент водонасыщения и водоотдачи рассчитывали, как результат частного чисел количества поглощенной воды и количества испарившейся воды (данные из Таблицы 3) при 5%, 10%, 20 % от времени водонасыщения и водоотдачи по формуле:
где
,
- количество поглощенной воды в материале при капиллярном водонасыщении при 5,10, 20% от времени водонасыщения;
- количество испарившейся воды в материале в процессе сушки при 5,10, 20% от времени сушки.
К)
Данные значений коэффициента водонасыщения и водоотдачи ( при 5%, 10%, 20 % от времени водонасыщения и сушки приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Значения количества поглощенной и испарившейся воды, коэффициент водонасыщения и водоотдачи в фиксированных точках времени измерений, площадь петли гистерезиса
Шифрсостава
Количество поглощенной и испарившейся воды в фиксированных точках времени,%
Коэффициент водонасыщения и водоотдачи в фиксированных точках времени (<i>К)</i>, %
Площадь петли гистерезиса, ед.
5%
10%
20%
5%
10%
20%
погл.
исп.
погл.
исп.
погл.
исп.
1
66,05
28,51
80,41
47,28
90,22
66,27
2,32
1,70
1,36
1211
2
66,94
31,79
81,07
49,82
90,61
69,17
2,11
1,63
1,31
1118
3
60,46
26,57
76,34
44,22
87,9
64,63
2,28
1,73
1,36
1195
4
91,00
28,48
95,54
47,94
98,02
67,83
3,20
1,99
1,45
1667
5
93,06
34,89
96,64
50,68
98,53
70,26
2,67
1,91
1,40
1498
6
95,40
38,45
97,51
53,34
99,21
68,79
2,48
1,83
1,44
1310
7
59,19
11,08
75,36
20,82
87,31
37,17
5,34
3,62
2,35
2679
8
56,79
7,89
73,48
15,61
86,17
26,6
7,20
4,71
3,24
3156
9
34,65
8,75
52,74
17,59
71,5
41,5
3,96
3,00
1,72
2074
10
80,87
17,06
89,95
31,57
95,29
51,72
4,74
2,85
1,84
2283
11
82,53
15,63
90,92
28,94
95,79
48,35
5,28
3,14
1,98
2507
12
87,00
23,01
97,2
38,25
98,81
56,91
3,78
2,54
1,74
2079
13
86,4
29,0
96,55
50,48
98,75
72,58
2,98
1,91
1,36
1660
14
95,25
39,15
59,75
31,89
98,95
74,59
2,43
1,87
1,33
1284
15
92,66
22,77
96,4
39,41
98,39
60,04
4,07
2,45
1,64
2089
16
97,30
41,12
98,68
58,61
99,1
74,58
2,37
1,68
1,33
1305
17
79,13
59,51
88,94
75,87
94,82
87,9
1,33
1,17
1,08
600
18
64,8
45,23
93,71
70,21
97,2
80,27
1,43
1,33
1,21
710
19
51,21
31,65
64,62
44,98
80,42
64,92
1,62
1,44
1,24
790
Значение площади петли гистерезиса
Данные значений площади петли гистерезиса для Составов 1-19 использованы из заявки №20221191139 и представлены в таблице 3.
Определение морозостойкости по ГОСТ 7025-91
Для всех образцов 1-19 после измерения капиллярного 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 4.
Формула морозостойкости
Так как задачей авторов было исключение в формуле для определения морозостойкости площади петли гистерезиса, то следующим шагом необходимо было установить уровень пропорциональности между коэффициентом водонасыщения и водоотдачи в фиксированных точках времени водонасыщения и сушки, и площадью петли гистерезиса. Для этого были построены графики зависимости в координатах «площадь петли гистерезиса, ед. – коэффициент водонасыщения и водоотдачи при 5%, 10%, 20% от времени водонасыщения и сушки, %». Фигуры 1, 2, 3.
2
2
2
2
Для графиков зависимостей площади петли гистерезиса от коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5%, 10%, 20% от времени водонасыщения и сушки были рассчитаны коэффициенты детерминации R (с помощью встроенной функции Excel), по значениям которых установили уровень пропорциональности регрессий. Значения коэффициентов детерминации линейных регрессий приведены на фигурах 1, 2, 3 и равны R= 0,9821, R= 0,922, R= 0,815.
По значениям коэффициентов детерминаций, было установлено, что наиболее высокая величина пропорциональности соблюдается при 5% от времени водонасыщения и водоотдачи и равна 0,9821. Поэтому, было предположено, что значение площади петли гистерезиса можно заменить значением коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5% от времени водонасыщения и сушки, что соответствует 2,4 часам водонасыщения и 0,6 часам сушки. Для получения формулы расчета морозостойкости, был построен график зависимости морозостойкости образцов Составов 1-19 определенной согласно ГОСТ 7025-91 (данные из Таблицы 4) и коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5% от времени водонасыщения и сушки. График зависимости показан на Фигуре 4.
Выявленная зависимость морозостойкости от коэффициента водонасыщения и водоотдачи пористого образца описывается следующим уравнением:
, (уравнение 1)
при подборе коэффициентов в уравнении, методом наименьших квадратов, уравнение принимает вид:
где
,
- морозостойкость, циклы;
-  коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5% от времени водонасыщения и сушки %.
Полученные данные расчета морозостойкости образцов Составов 1-19 с использованием приведенной формулы, показали хорошую корреляцию с морозостойкостью, рассчитанной согласно ГОСТ 7025-91. Таким образом, значение площади петли гистерезиса можно заменить значением коэффициента водонасыщения и водоотдачи при 5% от времени водонасыщения и сушки. Данные морозостойкости образцов рассчитанные с использованием формулы приведены в Таблице 4.
Таблица 4
Морозостойкость Составов 1-19 определенной по ГОСТ 7025-91 и рассчитанная по формуле
Шифрсостава
Морозостойкость ГОСТ 7025-91,циклы
Морозостойкостьрассчитаннаяпо формуле,циклы
1
65
61
2
80
79
3
65
64
4
25
25
5
40
41
6
50
51
7
9
8
8
7
7
9
15
14
10
9
9
11
8
6
12
15
16
13
30
30
14
50
54
15
15
14
16
50
57
17
250
254
18
200
213
19
150
156