Инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне разработали новый тест, который может предсказать долговечность цемента за секунды или минуты, а не за часы, которые требуются при использовании современных методов. Тест измеряет поведение капель воды на цементных поверхностях с помощью компьютерного зрения на устройстве, стоимость которого составляет менее 200 долларов. Исследователи заявили, что новое исследование может помочь цементной промышленности перейти к быстрому и автоматизированному контролю качества своих материалов.
Результаты исследования, проведенного профессором гражданской инженерии и охраны окружающей среды Иллинойса Нишантом Гаргом, опубликованы в журнале npj Materials Degradation. Статья называется «Быстрое прогнозирование начальной сорбционной способности цемента по смачиваемости поверхности».
«Бетон — один из самых потребляемых материалов на нашей планете, уступающий только воде», — сказал Гарг. «Со временем бетон, используемый для строительства нашей инфраструктуры, разрушается из—за воздействия противогололедных солей, циклов замораживания и оттаивания, а также попадания воды — все это может привести к коррозии арматуры, которая используется для укрепления конструкций. В конечном счете, это приводит к сбоям, иногда катастрофическим, как это было видно на примере обрушения кондоминиума в Серфсайде, штат Флорида, в 2021 году, когда погибло 98 человек».
По словам Гарга, один из ключевых тестов, используемых для прогнозирования долговечности цементных систем, основан на способности цементной пасты — смеси вяжущего на основе цемента и воды — поглощать воду. Водопоглощение связано с долговечностью цемента; чем более пористой является цементная масса, тем больше воды она впитывает, что в конечном итоге приводит к коррозии встроенной арматуры в железобетон.
Стандартный тест, известный как ASTM C1585, проводится в лаборатории путем воздействия на образец бетона, содержащий цементную пасту, воды, в то время как технический специалист непрерывно измеряет «сорбционную способность» — или количество воды, которое образец поглощает и пропускает, — наблюдая за изменением его веса в течение нескольких часов, если не дней.
В ходе исследования новое устройство предсказывает начальную сорбционную способность с помощью компьютерного зрения, чтобы увидеть, как быстро одна капля воды впитывается поверхностью в течение первых нескольких секунд или минут. Гарг сказал, что этот тест гораздо менее утомителен, чем нынешний метод ASTM, и может быть выполнен «на лету» в полевых условиях или в лаборатории.
«Мы провели новый тест на более чем 60 уникальных образцах, и существует довольно хорошая корреляция между нашими результатами и результатами обычного метода испытаний ASTM», — сказал Гарг. «Итак, теперь мы предлагаем наш новый метод тестирования в качестве альтернативы для проверки долговечности цементных систем за несколько секунд».
В дополнение к важности поглощения капель исследовательская группа также узнала, что начальный угол, под которым капли воды вступают в контакт с поверхностью цемента, также имеет значение.
«Динамика поглощения быстро меняется, в то время как капли воды меняют форму на поверхности», — сказал Гарг. «Все подобные тонкости учтены в нашем новом тесте».
В настоящее время команда работает над расширением масштабов испытаний строительных растворов и других разновидностей бетона, которые являются более сложными по текстуре и химическому составу.
«Ключевым выводом из исследования является то, что тестирование долговечности строительных материалов является очень медленным, утомительным и трудоемким процессом», — сказал Гарг. «Благодаря доступности таких технологий, как компьютерное зрение и анализ, мы можем разрабатывать тесты, которые будут более быстрыми, автоматизированными и удобными».