Способ определения водопоглощения строительных материалов и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК G01N15/08 

Группа изобретений относится к способам исследования физико-механических свойств строительных материалов, а именно определению водопоглощения строительных материалов при различных давлениях.

Сущность группы изобретений состоит в измерении водопоглощения строительных материалов посредством устройства, представляющего собой герметичную камеру для размещения образца строительного материала, оборудованную коммуникационными трубками и системой повышения давления путем прямого измерения объема поглощаемой образцом воды.

В качестве строительных материалов могут выступать бетонные, известково-песчаные и другие материалы.

Водопоглощение является важным параметром, непосредственно влияющим на физико-механические свойства строительных материалов.

Показатель водопоглощения характеризует способность строительного материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение определяется по массе (в процентах от веса сухого материала) либо по объему материала и прямо влияет на его морозостойкость, прочность и долговечность. Помимо этого, у насыщенного водой строительного материала увеличивается масса, что имеет важное значение при расчете параметров утяжеляющих конструкций.

Утяжеляющие бетонные конструкции широко применяются при строительстве морских объектов, таких как основания морских стационарных платформ или балластные покрытия труб, из которых сооружают морские трубопроводы.

Для проектирования объектов, эксплуатируемых под водой на различных глубинах, необходимо обладать не только знанием о водопоглощении строительных материалов, но и понимать, как водопоглощение зависит от глубины, то есть от наружного давления.

Достоверная информация о водопоглощении бетона при различных давлениях позволит, в частности, корректно рассчитать параметры утяжеляющего бетонного покрытия труб, обеспечив, таким образом, их стационарное нахождение на проектных отметках в течение жизненного цикла морского трубопровода и предотвратить всплытие последнего.

Из области техники известен способ определения водопоглощения бетонов [ГОСТ 12730.3-2020. Бетоны. Метод определения водопоглощения], включающий размещение образцов бетона в емкости, наполненной водой, таким образом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм, взвешивание образцов через каждые 24 часа водопоглощения с предварительным вытиранием отжатой влажной тканью. При этом испытания проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний буду отличаться не более чем на 0,1%, а затем выполняют обработку результатов.

Недостатками известного способа являются высокая трудоемкость проводимого исследования, его низкая технологичность и недостаточная точность измерений, обусловленная, в том числе, необходимостью многократного повторения процесса взвешивания образцов бетона и их обтирания тканью, а также отсутствие возможности определения водопоглощения материала при различных давлениях.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является способ и устройство определения водопоглощения материала, описанные в статье [В.А. Солнцев, П.А. Жадобин, Л.П. Харитонова. «Исследование водопоглощения бетона, находящегося в воде под давлением, с целью оценки балластирующих свойств бетонного покрытия морских трубопроводов», опубл. март-апрель 2022, журнал «Scientific and technical journal»], заключающийся в том, что кубические образцы бетона помещают в установку для определения водопоглощения под давлением, в которой давление воды повышают ступенями по 0,1 МПа. Образцы взвешивают с учетом вытекшей из их пор воды каждые 24 ч, предварительно вытирая влажной тканью и, достигнув расхождения результатов взвешивания не более чем на 0,1%, прекращают эксперимент, после чего определяют среднее арифметическое значение водопоглощения по изменению массы образцов.

Недостатком известного способа и устройства является невозможность определения водопоглощения строительного материала путем прямого измерения объема поглощаемой образцом воды и, соответственно, низкая технологичность и точность измерения водопоглощения.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является создание установки и способа определения водопоглощения строительных материалов путем прямого измерения объема поглощения воды строительным материалом без необходимости извлечения образцов как при атмосферном давлении, так и под избыточным давлении.

Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является исключение необходимости манипуляций с образцом материала в промежутке между измерениями, в т.ч. его извлечения, протирки и взвешивания, и повышение точности измерений водопоглощения строительных материалов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что формируется замкнутая герметичная полость в нагнетательной камере, в которой размещают образец строительного материала, а из оставшегося объема окружающей образец полости вытесняют воздух при помощи воды, заливаемой в эту полость. Затем по прозрачной индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой, сообщаемой с трубкой давления, соединяющей полость нагнетательной камеры и полость буферной емкости поддержания давления, определяют текущий уровень воды и последовательно фиксируют его значения с заданным временным шагом, а далее по изменению уровня воды в индикаторной пневмотрубке определяют водопоглощение строительного материала. Наличие буферной емкости поддержания давления позволяет поддерживать в нагнетательной камере необходимое давление без постоянного участия компрессора. Применение предлагаемой установки по определению водопоглощения строительного материала позволяет определять водопоглощение строительного материала путем прямого измерения объема поглощаемой образцом воды путем исключения необходимости манипуляций с образцом в промежутке между измерениями, в частности, его извлечения, протирки и взвешивания.

Поставленная задача достигается тем, что устройство определения водопоглощения строительных материалов содержит нагнетательную камеру, оснащенную запорным устройством, манометр, буферную емкость поддержания давления, соединенную с нагнетательной камерой посредством трубки давления, на которой крепится манометр и индикаторная пневмотрубка с нанесенной на нее градуировочной разметкой с возможность фиксирования посредством ее изменения уровня воды в трубке давления.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения водопоглощения строительных материалов заключается в том, что образец строительного материала помещают в нагнетательную камеру, нагнетательную камеру наполняют водой, в нагнетательную камеру подают сжатый воздух, образец строительного материала выдерживается под водой при соответствующем давлении, водопоглощение строительного материала определяется путем прямого измерения объема поглощаемой образцом воды посредством предлагаемого устройства определения водопоглощения строительных материалов.

Сущность устройства для реализации способа определения водопоглощения строительных материалов поясняется на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства определения водопоглощения строительных материалов под давлением.

На фиг. 2 представлен вид устройства определения водопоглощения строительных материалов под давлением в собранном состоянии.

На фиг. 3 показано сечение А-А устройства определения водопоглощения строительных материалов под давлением.

Устройство, осуществляющее способ определения водопоглощения строительных материалов (фиг. 1-3), состоит из буферной емкости поддержания давления 1, соединенной при помощи прозрачной индикаторной пневмотрубки, с нанесенной на нее градуировочной разметкой 2, с разъемной нагнетательной камерой, образованной верхней крышкой нагнетательной камеры 3 и нижней крышкой нагнетательной камеры 4, оснащенной запорным устройством 5. Герметичность между верхней и нижней крышками нагнетательной камеры обеспечивается при помощи прокладки 6. Заявленное устройство оснащено манометром 7, присоединенным к прямой отборной трубке давления 8, фитингом штуцер золотником 9, присоединенным к манометру 7 и фитингом цанговым угловым 10, соединяющим индикаторную пневмотрубку 2 и прямую отборную трубку давления 8. Крепление разъемной нагнетательной камеры к опорной раме 11 осуществляется крепежными элементами 12.

Работа устройства и способа определения водопоглощения строительных материалов осуществляется следующим образом.

Подготовленный образец бетона 13 размещают в нижней крышке нагнетательной камеры 4, размещенной на опорной раме 11. Накрывают образец бетона 13 верхней крышкой нагнетательной камеры 3. Осуществляют сборку нижней крышки нагнетательной камеры 4, верхней крышки нагнетательной камеры 3, образуя при этом единую полость нагнетательной камеры при помощи крепежных элементов 12, при этом герметичность полости обеспечивается прокладкой 6, предварительно размещенной между верхней 3 и нижней 4 крышками нагнетательной камеры. Открывают запорное устройство 5, подключают к нему водяной насос (на фиг. не показан) и осуществляют заполнение нагнетательной камеры водой, после заполнения нагнетательной камеры запорное устройство 5 закрывают. Выдерживают образец бетона 13 под атмосферным давлением, а затем подают сжатый воздух к фитингу штуцер золотнику 9 и нагнетают воздух посредством компрессора через прямую отборную трубку давления в нагнетательную камеру, образованную верхней крышкой нагнетательной камеры 3 и нижней крышкой нагнетательной камеры 4, при этом давление внутри заявленного устройства контролируется манометром 7. При достижении давления, при котором планируется измерять водопоглощение, подачу сжатого воздуха прекращают. Поддержание заданного уровня давления происходит за счет энергии сжатого воздуха, находящегося в буферной емкости поддержания давления 1. После выдержки образца бетона 13 в течение времени, достаточного для стабилизации температуры и давления, определяют объем жидкости, проникшей в образец бетона 13 при достигнутом давлении, путем фиксации изменения уровня жидкости в индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой 2. В случае снижения давления в процессе испытаний осуществляют подкачку сжатого воздуха до достижения заданного давления путем кратковременной подачи сжатого воздуха.

Измерения на каждом уровне давления выполняют с периодичностью 24 часа до тех пор, пока уровень жидкости в индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой 2 не перестанет изменяться.

Рассмотрим пример реализации способа. Необходимо определить водопоглощение бетона марки М400, в состав которого на 1 м³ входят 470 кг цемента, 1176 кг щебня, 517 кг песка, 188 л воды. Влагопоглощение необходимо определить при атмосферном давлении, а также при давлении 0,ЗМПа и 0,6МПа, т.е. имитируя подводные условия на глубине 30 и 60 метров соответственно.

Для этого был предварительно подготовлен образец бетона кубической формы 13 размером 100×100×100 мм. Образец бетона 13 разместили в нижней крышке нагнетательной камеры 4, закрепленной на опорной раме 11. Собрали нижнюю крышку нагнетательной камеры 4 с верхней крышкой нагнетательной камеры 3, образовав при этом единую полость нагнетательной камеры при помощи крепежных элементов 12, при этом герметичность полости обеспечили прокладкой 6, предварительно размещенной между верхней 3 и нижней 4 крышками нагнетательной камеры. Открыли запорное устройство 5 и заполнили нагнетательную камеру водой с температурой 20°С при помощи линии заполнения, соединенной с резервуаром с водой (на фиг. не показаны), после заполнения нагнетательной камеры запорное устройство 5 закрыли. Заполнение водой осуществили до достижения уровнем воды отметки 0, расположенной на индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой 2.

Для определения водопоглощения бетона последовательно замеряли уровень воды в индикаторной пневмотрубке 2 с периодичностью 24 ч до тех пор, пока уровень воды не перестал изменяться. Процесс выдерживания под атмосферным давлением занял 24 суток и был завершен, когда суточное изменение уровня воды в индикаторной пневмотрубке 2 составило 0 мм. Уровень воды в индикаторной пневмотрубке 2 за 24 суток понизился на 530 мм.

Для определения водопоглощения бетона при избыточном давлении подключили компрессорную линию к фитингу штуцер золотнику 9 и осуществили нагнетание воздуха до давления 0,3 МПа в буферную емкость поддержания давления 1, соединенную с прямой отборной трубкой давления 8. Контроль давления осуществляли при помощи манометра 7. После достижения давления 0,3 МПа подачу сжатого воздуха отключили. Поддержание давления воздуха 0,3МПа осуществлялось при помощи буферной емкости поддержания давления 1, в которую при необходимости подавался сжатый воздух. Выдержка образца под давлением 0,3МПа проводилась до тех пор, пока уровень воды в индикаторной пневмотрубке 2 не стал изменяться, заняла 10 суток, уровень воды в трубке понизился на 124 мм.

Аналогичным образом выполняется определение водопоглощение образца строительного материала при давлении 0,6 МПа, процесс занял 16 суток, уровень воды в индикаторной пневмотрубке понизился на 41 мм.

В рассматриваемом примере было зафиксировано суммарное снижение уровня воды в индикаторной пневмотрубке 2 на 695 мм. При известной площади сечения прямой отборной трубки давления 8 с учетом того факта, что прямая отборная трубка давления 8 и индикаторная пневмотрубка 2 представляют собой сообщающиеся сосуды, возможно определить, какое снижение уровня воды в индикаторной пневмотрубке 2 соответствует увеличению показателя водопоглощения бетона на 1%:

где Δ - изменение уровня воды в индикаторной превмотрубке, соответсвующее увеличению показателя водопоглощения бетона на 1%, см;

V_к - объем кубического образца бетона, равный 1000 см³;

S - площадь сечения прямой отборной трубки давления диаметром 1,5 см, равная 1,767 см².

Для полученного снижения уровня воды в индикаторной пневмотрубке 2 при проведении эксперимента показатель водопоглощения бетона марки М400 при выдерживании под соответствующими давлениями составил соответственно:

а) под атмосферным давлением:

б) под давлением 0,3МПа:

в) под давлением 0,6МПа:

Суммарный показатель водопоглощения бетона марки М400 за все три цикла выдерживания составил:

W_∑=9,364+2,191+0,7244≈12,28%.

Таким образом, применение способа определения водопоглощения строительных материалов и устройства для его осуществления позволяет повысить технологичность и точность измерений водопоглощения строительных материалов при различных давлениях, а также снизить расходы на проведение исследований, в том числе за счет отсутствия необходимости поддержания постоянного расчетного давления за счет работы компрессора, нагнетающего воздух в нагнетательную камеру устройства.

Группа изобретений относится к способам и устройствам исследования физико-механических свойств строительных материалов, а именно определению водопоглощения строительных материалов при различных давлениях. Способ определения водопоглощения строительных материалов заключается в том, что подготовленный образец строительного материала размещают в нижней крышке нагнетательной камеры, накрывают верхней крышкой нагнетательной камеры. Осуществляют сборку нижней крышки нагнетательной камеры и верхней крышки нагнетательной камеры для образования единой полости нагнетательной камеры при помощи шпилек. Заполняют нагнетательную камеру водой, после заполнения перекрывают воду с помощью шарового крана и выдерживают образец строительного материала под атмосферным давлением. Подают сжатый воздух к фитингу штуцер золотнику и нагнетают воздух через прямую отборную трубку давления в нагнетательную камеру, образованную верхней крышкой нагнетательной камеры и нижней крышкой нагнетательной камеры. При достижении заданного давления для измерения водопоглощения подачу сжатого воздуха прекращают. Выдерживают образец строительного материала в течение определенного времени, достаточного для стабилизации температуры и давления. Определяют объем жидкости, проникшей в образец строительного материала, путем фиксации изменения уровня жидкости в индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой. Техническим результатом является повышение технологичности и точности измерений водопоглощения строительных материалов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения водопоглощения строительных материалов, заключающийся в том, что:

- подготовленный образец строительного материала размещают в нижней крышке нагнетательной камеры;

- накрывают упомянутый образец строительного материала верхней крышкой нагнетательной камеры;

- осуществляют сборку упомянутой нижней крышки нагнетательной камеры и упомянутой верхней крышки нагнетательной камеры для образования единой полости нагнетательной камеры при помощи шпилек;

- осуществляют заполнение нагнетательной камеры водой;

- после заполнения нагнетательной камеры перекрывают воду с помощью шарового крана и выдерживают образец строительного материала под атмосферным давлением;

- затем подают сжатый воздух к фитингу штуцер золотнику и нагнетают воздух через прямую отборную трубку давления в нагнетательную камеру, образованную упомянутой верхней крышкой нагнетательной камеры и упомянутой нижней крышкой нагнетательной камеры;

- при достижении заданного давления для измерения водопоглощения подачу сжатого воздуха прекращают;

- выдерживают упомянутый образец строительного материала в течение определенного времени, достаточного для стабилизации температуры и давления;

- определяют объем жидкости, проникшей в образец строительного материала, путем фиксации изменения уровня жидкости в индикаторной пневмотрубке с нанесенной на нее градуировочной разметкой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что герметичность упомянутой полости обеспечивается прокладкой, предварительно размещенной между упомянутыми верхней и нижней крышками нагнетательной камеры.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в случае снижения давления в процессе испытаний осуществляют подкачку сжатого воздуха до достижения заданного давления путем кратковременной подачи сжатого воздуха.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что упомянутое давление является избыточным и контролируется манометром.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что поддержание заданного уровня давления производят за счет энергии сжатого воздуха, находящегося в буферной емкости поддержания давления.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что измерения на каждом уровне давления выполняют с периодичностью 24 часа до тех пор, пока уровень жидкости в индикаторной пневмотрубке не перестанет изменяться.

7. Устройство для определения водопоглощения строительных материалов под давлением для реализации способа по п. 1, включающее:

- металлическую буферную емкость поддержания давления, соединенную при помощи прозрачной полиуретановой индикаторной пневмотрубки, с нанесенной на нее градуировочной разметкой, с металлической разъемной нагнетательной камерой, образованной верхней крышкой нагнетательной камеры и нижней крышкой нагнетательной камеры, оснащенной шаровым краном;

- прямую отборную трубку давления, фитинг штуцер золотник и фитинг цанговый угловой;

- при этом крепление разъемной нагнетательной камеры к металлической опорной раме осуществляется шпильками;

- упомянутая нижняя крышка выполнена с возможностью размещения в ней подготовленного образца строительного материала;

- упомянутая верхняя крышка выполнена с возможностью накрытия упомянутого образца строительного материала и выдержки его в течение определенного времени, достаточного для стабилизации температуры и давления;

- упомянутая нагнетательная камера заполняется водой;

- упомянутый шаровой кран выполнен с возможностью перекрытия воды после заполнения нагнетательной камеры;

- фитинг штуцер золотника выполнен с возможностью приема сжатого воздуха;

- отборная трубка давления выполнена с возможностью нагнетания воздуха в нагнетательную камеру; при этом при достижении заданного давления для измерения водопоглощения подачу сжатого воздуха прекращают;

- индикаторная пневмотрубка с нанесенной на нее градуировочной разметкой выполнена с возможностью определения объема жидкости, проникшей в образец строительного материала;

- упомянутый образец строительного материала выдерживают под атмосферным давлением.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что герметичность между верхней и нижней крышками нагнетательной камеры обеспечивается при помощи прокладки.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в случае снижения давления в процессе испытаний осуществляют подкачку сжатого воздуха до достижения заданного давления путем кратковременной подачи сжатого воздуха.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что содержит манометр для контроля упомянутого давления, которое является избыточным.

11. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что поддержание заданного уровня давления производят за счет энергии сжатого воздуха, находящегося в буферной емкости поддержания давления.

12. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что измерения на каждом уровне давления выполняют с периодичностью 24 часа до тех пор, пока уровень жидкости в индикаторной пневмотрубке не перестанет изменяться.