Устройство для определения адгезии примерзания материалов и покрытий к влажному грунту и льду Российский патент 2025 года по МПК G01N19/04 

Изобретение относится к области измеренения характеристик контактирования материалов и покрытий со льдом и/или увлажненным мерзлым грунтом и может использоваться в научных исследованиях при разработке противопучинных оснований зданий, сооружеений и конструкций.

Уровень техники

Известно устройство для измерения адгезии примерзания льда к поверхностям металлических деталей [1.Гольдштейн Р.В., Епифанов В.П. К измерению адгезии льда к другим материалам // Вестник Пермского национального технического университета механики, - 2011, №2, С 28-41], в котором на поверхность металлического образца наносят и замораживают тонкий слой воды толщиной до 2,5 мм, а величину адгезии определяют по усилию сдвига ледяного слоя.

Недостатком устройства является сложность получения ледяного тонкослойного покрытия и практическая невозможность его применения для измерения адгезии примерзания влажного грунта к поверхностям различных материалов и покрытий. Кроме того, расширение воды и увеличение ее объема при замерзании может значительно искажать результаты измерений из-за возникновения дополнительного давления на поверхность образца.

Известно также устройство [2. Грунты. Метод лабораторного определения удельной касательной силы морозного пучения. ГОСТ Р 56726-2015] для измерения в лабораторных условиях касательной силы морозного пучения влажного грунта при его замерзании. Устройство содержит образец влажного грунта к которому примораживается образец материала, роликовое основание, груз для поджатия образца материала к поверхности грунта, датчики измерителя усилий и перемещений. Величину касательных сил морозного пучения определяют по показаниям силоизмерителя при горизонтальном сдвиге образца материала на величину не менее 10 мм. Следует отметить, что из такого эксперимента можно определить величину адгезии примерзания образца материала к грунту по показанию датчика силоизмерителя в начальный момент сдвига.

Недостатком рассмотренного устройства является проведение измерения усилий при горизонтальном перемещении образца материала, что весьма ограничивает возможность использования испытательных машин для проведения экспериментов, например, лабораторного оборудования для испытаний материалов на разрыв, обеспечивающих возможности проведения исследований в широком диапазоне температур при различных регулируемых скоростях вертикального перемещения захватов и измерения усилий сопротивления в широких пределах.

Наиболее близким техническим решением для определения величин адгезии примерзания материалов ко льду является устройство, выполненное в виде модуля, содержащего конический образец, помещаемый в коническую емкость, пространство между которыми предназначено для формирования льда [3.Способ для измерения адгезии льда к поверхностям из различных материалов и исследовательский модуль для его осуществления. Патент РФ №2772065 С1, G01N 19/04 опуб. 16.05.2022, бюл. №14].

Недостатком описанного в патенте исследовательского модуля также является невозможность ограничения влияния расширения воды при ее замерзании на показатели адгезионного взаимодействия, а также измерения адгезии примерзания материалов к влажному грунту. Изготовление образцов и емкостей конической формы также является технологически достаточно сложным процессом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности измерений адгезии примерзания материалов и покрытий ко льду и влажному грунту.

Существенные признаки характеризующие технического решения.

Ограничительные: устройство содержит корпус, соединенный с нижним захватом испытательной машины, верхний захват которой выполнен с возможностью соединения с образцом и размещения образца по центру корпуса для определения усилия сдвига образца при его вертикальном перемещении.

Отличительные: между стенкой корпуса и размещаемым образцом создается пространство, предназначенное для заполнения водой и/или влажным грунтом с дальнейшим его замораживанием, а в корпусе равномерно размещены втулки из замкнутопористого пенопласта с металлическими пригрузами, при этом суммарный объем пор в пенопластовых втулках составляет не менее 9% объема воды и/или грунта.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично представлен чертеж предлагаемого устройства в разрезе, на фиг. 2 представлен чертеж устройства в плане, на фиг. 3 показан чертеж втулки с пригрузом.

Конструкция устройства содержит цилиндрический корпус 1, прикрепляемый к нижнему захвату разрывной испытательной машины и устанавливаемый в него по центру цилиндрической формы образец 2, прикрепляемый к верхнему захвату. Пространство 3 между образцом и корпусом заполняется водой и/или влажным грунтом. В воде и/или грунте между образцом и корпусом равномерно распределены элементы 4 из замкнутопористого пенопласта, с металлическими пригрузами 5. Высота втулки с пригрузом должна соответствовать толщине слоя воды или грунта.

Измерения адгезии примерзания воды или влажного грунта к поверхности образца осуществляют в следующем порядке. Сборку устройства осуществляют внутри низкотемпературной камеры испытательной машины. Корпус закрепляют в нижнем захвате. Образец прикрепляют к верхнему захвату по центру корпуса. В корпус устанавливают пенопластовые втулки с пригрузами и заполняют его водой или влажным грунтом. Затем осуществляют замораживание устройства. Величину адгезии примерзания грунта или льда к образцам материалов и покрытий определяют по усилию сдвига образца при его вертикальном перемещении. В процессе замерзания воды или влажного грунта происходит расширение их объема, на величину до 9%, воздействующее на пенопластовую втулку и сжимающее ее. Сжатие втулки при условии превышения объема пор относительно увеличения объема льда или грунта будет нейтрализовать их дополнительное давление на образец и исключит искажение результатов измерения адгезии примерзания.

Согласно информации, изложенной в монографии [4. Войтковский К.Ф. Механические свойства льда /Акад.наук СССР. Сев.-Вост.отд-ние Ин-та мерзлотоведения им.В.А.Обручева.- Москва: Изд-во Акад.наук СССР, 1960.-100 с. ], расширение объема воды при ее замерзании составляет 9%. Геометрические размеры втулки и веса пригруза должны определяться расчетом, исходя из объема воды или грунта в корпусе, плотности пенопласта и удельного расширения воды при замерзании, чтобы объем пор пенопласта был гарантировано больше абсолютной величины повышения объема льда или грунта. Увеличение объема влажного грунта при замерзании не превышает аналогичный показатель воды и зависит от концентрации влаги.

Результаты исследования адгезии примерзания материалов и покрытий к влажному грунту или к воде востребованы при разработках новых конструкций оснований зданий и сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах.

Изобретение относится к области определения степени контактирования материалов и покрытий со льдом и мерзлым грунтом для разработки противопучинных сооружений и конструкций. Устройство содержит цилиндрический корпус, в центре которого устанавливается образец цилиндрической формы, соединяемый с захватами испытательной разрывной машины. Пространство между внутренней стенкой корпуса и образцом заполняется водой/влажным грунтом. Между поверхностью образца и корпусом равномерно размещаются пенопластовые элементы с пригрузами, суммарный объем пор пенопластовых элементов должен составлять не менее 9% объема воды или грунта. Величина адгезии примерзания образца к воде или грунту определяется по усилию его вертикального сдвига. Технический результат - повышение достоверности определения адгезии примерзания материалов и покрытий ко льду и влажному грунту. 3 ил.

Устройство для определения адгезии примерзания материалов и покрытий ко льду и/или влажному грунту, содержащее корпус, соединенный с нижним захватом испытательной машины, верхний захват которой выполнен с возможностью соединения с образцом и размещения образца по центру корпуса для определения усилия сдвига образца при его вертикальном перемещении, при этом между стенкой корпуса и размещаемым образцом создается пространство, предназначенное для заполнения водой и/или влажным грунтом с дальнейшим его замораживанием, а в корпусе равномерно размещены втулки из замкнутопористого пенопласта с металлическими пригрузами, при этом суммарный объем пор в пенопластовых втулках составляет не менее 9% объема воды и/или грунта.