автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Внутренний неизотермический массоперенос в бетоне на ранней стадии выдерживания

U V ti

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТОЖКОМ ИНЖЕНЕРНО - СТРОИТЕЛЬНОМ ИНСТИТУТЕ .

На правах рукописи УДК 624.012. 44:693.547.3

Поддасова Ирина Анатольевна

ВНУТРЕННИЙ НЕИЗОТЕР5ШЧВСКИЙ Ш.ССОПЕРЕНОС .В ШОШ НА РАННЕЙ СТАДИИ ВЫДЕРЖИВАНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительна материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на роисканиз ученой стапени кандидата технических наук

Томск - 1993

Работа выполнена в Томском инванерно-строительном институте

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Вздущзл организация. -

доктор технических наук, профессор А. И. Гныря

доктор технических наук, профессор В. И. Терехов

кандидат технических наук, в. н. с. Н. Е Куприянов

Научно - исследовательский институт Транспортного строительства

Защита состоится " " июне 1993 г. на васеда-шш специализированного совета Д 064.41.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Научно. - исследовательском институте строительных материалов при Томском инженерно - строительном институте по адресу; 634003, г. Томск, пх Соляная 2, корп. Б, ауд. Е07.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "¿4 " мая 1693 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять на иш ученого секретаря специализированного Совета

Ученый секретарь специализированного совета Д 064.41.01 кандидат технических наук, доцент

Е К. Скрипников

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Как известно, свойства бетона во многом шределяются его структурой. В процессе твердения она претерпевает сачественное изменение, превращаясь из пластичного тела в камне-¡идный материал. При атом состояние структуры в начальный период so многом определяет ее и в последующее этапы.

В работах многих исследователей неоднократно указывалось на шачительнуга роль процесса массопереноса в формировании структуры ¡етона. Наличие его на раннем этапе выдериивания приводит- к обра-юванию неоднородной структуры и направленной пористости, которая дексируется процессом схватывания и дальнейшим затвердеванием. В »езультате мзссоперенос приводит к таким негативным последствиям, sii снижение прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, кор-юзоинной стойкости бетона.

Несмотря на важность проблемы, работ, посвяшзняых иассопере-гасу в бетоне, немного. Видимо, это связано с отсутствием совер-¡енных приборов и методик определения послойной влажности и с [резвычайной сложностью системы, Имеющиеся результаты исследований ;аяг возможность судить о качественном характере процэсса массопе-еноса в бетоне, не позволяя оценить его количественно. В настоя-ре время не существует единой теории и методики, позволяющих рогнозировать процесс миграции влаги в зависимости от различных словий выдерживания бетона

Прогнозирование свойств бетона основано на температурной за-исимостл прочности бетона (как правило, интегральной по сечению), то не учитывает ухудшение качества поверхностных слоев монолитных острукций, обусловленное миграцией влаги под действием неоднород-ого температурного поля. Это особенно актуально для бетонирования условиях строительной площадки, ■ где знание происходящих про-ессов в бетоне необходимо для назначения оптимальных режимов вы-ерживания, а возможность технологических воздействий hi бетон ми-имальна.

Работа выполнялась в соответствии с разделом "Сове зшенствова-ие технологии строительства" программы "Строите-иство" Ми-истерства науки, высшей школы и технической политики России. Ре-ультаты, полученные в диссертации, применялись при выполнении зз. договоров кафедры ТСП ТИС1Ь N 718 (1988-1989 г) и N 2

- л -

(1902-1993 г).

Цель работы состояла в псследовз;;ш! процесса внутреннего пеи-зотершчгскаго массопереноса в бетоне на стадии видерыгпа-

пня, обосновании и разработка »етешткческой модели ¡1 создании н: ее- основе метода расчета поля в-Енгоеодерглкня,

Поставленной целью определена сяэдуюг^э задач» исследования: обоснование шхвзшда внутреннего шссслзраксса ь бетоне и: ранаэй стадии тпердгип: при шзогергепюегах уеяокззх;

раерабсткг дагодкгш расчета структурно: изрз:а;ернс1«к цемент-кого геля СЕ8ШУЛ0»Э1Ш0Г0 Сетона;

разработка методики расчета юдф&щкгигев внутреннего гассо-переноса;

разработка метода расчета пространствеяио-времвшшк изменена, температуры и влагосодержаши;

экспериментальная проверка метода расчета; определение степени влияния внутреннего массопереноса н структуру бетона, выдерживаемого на раннем этале в иеизотерми ческих условиях.-

Основная идея работы состояла в количественной оценке факто ■ ров, определяющие внутренний массопереное в бетоне на ранней ста дии неизотермического выдерживания, на дифференциальное распреде хягш1э влажности для прогнозирования состояния структуры твердеюшр го бетона.

На защиту выносятся:

1» Теоретическое представление процесса миграции влаги в Се тоне на раннем этапе твердения при неизотермических условиях вы держшания, основанном на:

- модели цементных паст в виде регулярной структуры ив овод ненных парообразных цементных частиц, жидкость которой находится адсорбционных ободочках и в капиллярах, образованными этими части цаш;

- механизма массопереноса в еззнэотфоршванном бетоне, рас сматриваеыом как аналог фильтращш жидкости под действием градиеи та капиллярного давления.

2. Штодика расчета:

- коэффициентов внутреннего неизотермического массопереноса;

- структурных характеристик цементных паст;

- полай температуры и влажности с использованием расчетных коэффициентов внутреннего массопереноса;

3. Результаты исследования структуры Сетона в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна работы:

расчетно-экспериментальным путем установлено, что перенос влаги в свекеуложенком бетоне, выдерживаемого при неизотермических условиях при температурах не выше 90°С, в основном обусловлен капиллярным течением, вызванным температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков жидкой фазы; противоположно направленный изотермический поток жидкости связан с зависимостью радиусов капилляров от влажности системы;

обоснована правомерность использования закона фильтрации для описания процесса миграции влаги в свежеулокенном бетоне при условии учета адсорбционных сил частиц цемента;

установлена связь структурных характеристик цементных паст и водоудержизающэй способности цемента, обусловленная эависимостыэ этих характеристик от степени взаимодействия цемента с -водой на раннем этапе твердения.

Методология работы основана на классических представлениях процессов тепло- и мзссопереноса, адсорбционного взаимодействия цемента с водой, фильтрации жидкости и результатах исследования процесса мзссопереноса в бетоне, полученных в работах Е И. Гамаю-нова, А. И. Гныри, А Я Волосяна, Л Б. Заседателева, Е А, Крылова, Й. а Куприянова, Е С. Лукьянова, А. В. Лагойды, Л. А. Ш-лининой, О. П. Мчедлова-Петросяна и других.

Достоверность результатов работы подтверждена при выполнении экспериментов по исследованию массопереноса, в том числе с использованием нейтронного метода измерения влажности.

Значимость работы. Полученная модель, дополняя знания о процессах, происходящих в бетоне на ранней стадии выдерживания, позволяет определить дифференциально© распределение влажности по сечения конструкции, что более точно характеризует состояние структуры материала как в начальный, так и в последующа этапы твердения. _ .

Разработанный метод расчета поля вдагосодеркания позволил оценить степень воздействия процесса массопереноса на качество бетона, выдержанного на раннем этапе в нейзотермических условиях. С его помощью возможно определить режим выдерживания бетона с точки греши минимального деструктивного влияния на качество материала процесса внутреннего массоперэносз ген: !гри нагреве, так и при

- Б -

.остывании конструкций в условиях строганиной площадки или промышленного приизводства. Штод наиболее эффективен для массивных и среднемассквных кострукций типа "пластина" в бетонах, где превалируют связи когезиояного характера.

Апробация работы: основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах, дошадывались на международной научно-технической конференции в области бетона и железобетона (Волго-Балт-1991), на 4 всероссийских научно-технических конференциях и семинарах, заседании научно-технического совета секции по технологии бетона БШБ.

Внедрение работы*. Результаты выполненных исследований исполь-зовалис. при строительстве производственных сооружений Уренгойской ГРЭС, а также при возведении монолитного жилого дома в г. Томске.

• Обьем работы. Диссертация содержит 99 стр. компьютерного текста, 3 таблицы, 30 рисунков; состоит из введения, трех глав, списка использованной литературы, включающего 170 наименований и приложения.

Работа выполнялась под руководством доктора технических наук. -профессора А. И. Гныри, доктора технических наук, профессора А. а Лагойды и научного консультанта кандидата физико-математических наук, доцента Е Е Дудки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Неоднородность структуры бетона по сечению конструкции связывают обычно с двумя процессами - массопереносом и седиментацией. Последняя, обусловленная оседанием частиц под действием силы тя-кести, ограничена действием только в вертикальном направлении и существенно проявляется в литых смесях при В/Ц>0.62 . Технологические мероприятия, предусмотренные нормативной литературой, позволяют свести к щяшуму отрицательное воздействие этого явления.

Действие ыассопереноса, в отличие от предыдущего процесса, не ограничено одним направлением. Его появление возможно при наличии градиентов температуры, давления и влажности. Ветон, являясь капиллярно- пористым телом с момента укладки , характеризуется определенными значениями этих параметров. Однако, вклад каждой из них в общий поток влаги может быть различным. Б некоторых работах, посеишэнпш массопереносу в бетоне, приоритетная роль отдается

градиенту влагосодергания , в других - давлению.

В отличие от вышеназванных, температурный градиент, обусловленный внутренним и внешним теплообменом, за исключением нормальных условий выдерживания, присутствует в бетоне всегда. Чада всего максимум интенсивности теплопереноса приходится на ранние сроки твердения, когда структура обладает наименьшей прочностью. Воздействие температурного градиента на массоперенос молит усугубляться жесткими режимами тепловой обработки, а также при зимнем бетонировании, когда перепад температуры конструкции и окружающей среды достигает десятков градусов. Как показал обзор выполненньг: ранее исследований, процесс массопереноса существенно ухудшает качество бетонных конструкций,- твердеющих на раннем этапе выдерживания в неизотермических условиях. Отрицательное воздействие миграции влаги заключается в перераспределении первоначально равномерного влагосодержания по сечению конструкции, что способствует фор-мировачию неоднородной структуры бетона и образованию направленной пористости. В результате происходит снижение прочностных показателей материала, ухудшение его эксплуатационных характеристик.

Щоцессу внутреннего неизотермического массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания значительное внимание уделено в работах Е. С. Векслера, Л. Я. Волосяна, К. Э. Горяйнова, Е И. Куприянова, А. В. Лагойды, Л. Д. Ыалининой. Исследуя явление при теп-ловлажностной обработке бетона или при его замораживании, авторы этих работ выделили факторы, определяющие интенсивность массопереноса: градиент' температуры, начальное влагосодержание (водоцемент-ное отношение), время предварительного выдерживания, дисперсность цемента В перечисленных работах экспериментально определены скорость и коэффициенты переноса Л. Я Волосяном с использованием измеренных коэффициентов аналитически решена задача изотермического массопереноса

Однако, имеющаяся на сегодняшний момент информация о внутреннем массопереносе в бетоне ка ранней стадии 'выдермвапия дает только обпэе представление об этом явлении. Полученные экспериментальные данные имеют частный характер. Они дают возможность судить об основных закономерностях процесса, не позволяя количественно оценить влияние тех или иных параметров на миграцию влаги в бетоне. Так как эксперименты в указанных выше работах производились либо при жестком нагреве, либо с замораживанием бетона, механизмы массопереноса, предложенные ранее, нельзя считать обоснованными, в

- в -

связи с присутствием дополнительных факторов паро- и льдообразования при аг.х условиях. Возможность прогнозирования процесса массопереноса и его негативных последствий ограничена отсутствием единого подхода и теории, описывающей это явление в бетоне на ранней стадии выдерживания.

Сложность изучения массопереноса в бетоне экспериментальным путем связана не только с его обьемом, но и с отсутствием достаточно точной и простой методики определения послойной влажности свежеуложенного Сетона. Поэтому для дальнейшего анализа проблемы было решено выбрать путь математического моделирования, позволяющего находить количественные закономерности процесса и связи между его суг ственными параметрами. Роль эксперимента при этом подходе сводится к проверке теоретических предположений, на которых основана модель.

Свежеотформованный бетон реальных конструкций подвергается влиянию множества факторов ~ как внешних, так и внутренних. Учесть их все при решении поставленной задачи практически невозможно. Поэтому были выделены параметры, наиболее важные для рассматриваемого процесса.

Внутренние факторы характеризуют степень сопротивления цементной пасты потокам массы и теплоты, а также свойства, характеризующие ее как вяжудай материал - степень гидратации и тепловыделения. При изучении массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания, как правило, имеют в виду его цементно-водную составляющую. Видимо, это связано с тем, что цементный гель - самый активный и изменчивый компонент бетона и состояние его структуры в большинстве случаев определяет качество материала в целом. Придерживаясь этой точки зрения, процесс массопереноса в свежеуложенном бетоне рассматривали в системе "цемент-вода".

Цементный гель, или цементную пасту можно охарактеризовать как высоковлажное, легко деформируемое несвязное.пористое тело. В таком состоянии цементная паста находится благодаря тому, что тонкая пленка продуктов гидратации на поверхности частиц цемента, появляющаяся с момента затворения, временно прекращает взаимодействие молекул воды с минералами клинкера. Продолжительность на. чального периода зависит от вида цемента, водоцемеитного отношения, температуры и изменяется от 0.75 до 14 часов.

Внешние условия характеризуются определенными значениями влажности, температуры и давления. Елагосодержание свежеуложенного

бетона близко к насыщению и обычно намного превышает влажность окружающей среды. Это обстоятельство неизбежно приводит «.появлению внешнего массообмена. Однако, технологией бетонных работ пре1 дусматривается гидроизоляция опалубки (если ее материал водопогло-щаемый) и укрытие открытой поверхности конструкции. Испарение влаги с открытой поверхности бетонной смеси в неизотермических условиях представляет собой отдельную сложную задачу. Поэтому в рамках данной работы было решено пренебречь испарением , в связи с коротким (в 50-600 раз) , по сравнению с общим периодом твердения, рассматриваемым отрезком времени.

Различие температуры бетона и окружакадзй среды приводит к появлению теплообмена. Как было показано выжэ, неизотермичность условий выдерживания - основная причина миграции жидкости. Шэтому задача массопереноса рассматривалась совместно с■задачей теплопе-реноса. Основными характеристиками, определяющими этот процесс в бетоне, являются: коэффициент теплопередачи опалубки, температура окружающей среды, теплопроводность материала.

Та;с как бетонные работы производят, в основном, в естественных условиях, то влиянием внешнего давления на внутренние процессы бетона, по сравнению с действием температуры, можно пренебречь без .особого ущерба для анализа

Таким образом, по отношению к внешним условиям рассматриваемая система является закрытой, обменивающаяся с окрузшадэй средой только энергией. Система дифференциальных уравнений, описывавдай такое состояние системы, выглядит следующим образом

(1)

(2)

При следующих начальных и граничных условиях

UùhUo, Тм*То(х)

у* ом

(3)

где - функции, определяющие температуру окруэяаящэй среды; ы,,

<*< ~ функции, определяющие коэффициент теплоотдачи с учетом термического сопротивления опалубки; л.» - то же, теплопроводности сшси, Ас - температуропроводность; Ьт , да ~ коэфициенты массопереноса; Привязка уравнений (1,2), описывающих целый класс подобных явлений, '.к системе "цемент-вода", осуществлялась при помощи коэффициентов тепло- и массопереноса, функций экзотермии (источника теплоты). и гидратации (внутреннего стока).

Для уравнения теплопереноеа теллофиэические характеристики свежа ужшного бетона принимались из литературы и считались постоянными. Для уравнения массопереноса проблема отыскания необходимых параметров решалась путем разработки метода расчета коэффициентов внутреннего массопереноса на основе модельного представления системы "цемент-вода", теории фильтрации и теории адсорбционного взаимодействия цемента с водой затворения по И. Н. Ахвердову.

Коэффициенты внутреннего массопереноса, формально означающие количество вещества, переносимое черев единицу, площади под действием единичного градиента температуры или концентрации (влажности, разделяют на две составляющие. Первая характеризует проницаемые свойства среды и обусловлена геометрией системы; вторая отражает ее чувствительность к изменениям температуры или влажности. Для нахождения первой составляющей определялись структурные характеристики цементного теста: пористость, радиус капилляра, проницаемость. Расчет второй составляющей производился с использованием обоснованного механизма миграции' влаги в свекеотформованном бетоне.

В основу расчета структурных характеристик цементной пасты поломано модельное представление реальной ' среды "цемент-вода" в виде регулярной структуры из одинаковых оводненных шарообразных частиц цементного клинкера. Тип упаковки сфер и пористость системы определяется углом упаковки У . - йидкость затворения располагается в содьватных оболочках частиц цемента и в капиллярах, ими образованными. Плотность адсорбированной жидкости и ее количество, по И. Н. Ахвердову, зависит от коэффициента нормальной густоты и вла-госодержания смеси (водоцементного отношения). Использование этой зависимости позволило рассчитать радиус капилляра г и пористость цементного теста ш .

r*df\lsiny/fi-0.35 di 'йчи*0№Кнгуц/^&>)*

m-^Vh-м/с Уи' Ш

С 4)

(В)

(б)

где У - угол упаковки частиц; di - диаметр частицы цемента, м; á¡

- диаметр оводненной частицы цемента; Кю - коэффициент нормальной густоты цементного теста; рч, р&, - плотность частиц цемента и адсорбированной жидкости соответственно, иг/м; И«., 1ha , Val, Ve/,

- обьем цемента, воды затворения, адсорбированной и свободной жидкости соответственно; j - коэффициент, учитывающий уменьшение пористости цемента за счет образования зон застойной жидкости. .В результате анализа известных зависимостей проницаемость цементного теста рассчитывалась по формуле Терцаги

где £ - коэффициент, учитывающий форму частиц.

В результате расчета по формулам (4-7)- установлено, что с увеличением влагосодержания (В/Ц) пористость , проницаемость и радиус капилляра цементной пасты увеличивается как за счет утолщэния сольватных оболочек частиц цемента, так и за счет изменения - угла упаковки У до предельной водоудерживающзй способности цемента. Величины радиусов капилляров, полученные по описанной вшэ и известных ранее методикам, икегст одиншивый порядок. В отличиэ от них, предложенная схема расчета более точно определяет структурные характеристики цементных паст, так как она учитывает адсорбцконяо свяааннув жидкость.

При рассмотрении механизма массопереноса предполагалось, что миграция влаги в свежеотформованном бетоне происходит под действием температуры и влажности (нэиготершчесгай! я изотерштскай пареное жидкости соответственно). Появление последнего обусловлено действием терыопереносз влаги и проявляется- как противоположно направленный, тормозящий его поток. Первичным по времени является неизотермический поток, так как сразу после укладки в опалубку бетон увлажнен равномерно.

Анализ известных механизмов перекоса шаги под действием градиента температуры в капиллярно-пористых телах показал, что боль-

(j-m)2»

(7)

шииство из них реальны в системах гигроскопичной влажности. В области влагосодержания, к которой относятся цементные пасты, известны два механизма; обусловленный механическим воздействием расширяются пузырьком "ващэмленного" воздуха при его нагреве и термокапиллярно-менисковый. Первый из них может быть значительным при резком нагреве бетона до температур свыше 60-100'С, что в реальных условиях возможно только при жестких режимах термообработки. Для более распространенных условий бетонирования целесообразным представляется термокашшюрно-менисковый механизм миграции влаги, вызванный температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости. Он не исключает, а предполагает высокую влажность системы, в том числе и заполненные капилляры; наличие менисков обеспечивает достаточное количество вовлеченного воздуха (до 40 л/мЗ), а также поверхность конструкции. Термокапил-лярко-менисковый механизм переноса хорошо согласуется с моделью цементной пасты, где капилляры - неотъемлемая часть ее структуры.

Согласно предыдущему механизму изотермический перенос жидкости рассматривался с позиций капиллярного представления цементных паст. Так как цементный гель на стадии вяакопластичного состояния - легкодеформируемое несвязное пористое тело, между частицами которого прочные связи отсутствуют, то изменение влагосодержания по сечению конструкции повлечет за собой изменения структуры: . в области с повышенным влагосодержанием за счет увеличения пористости и радиусов капилляров произойдет ее "разрыхление", в области с пониженным влагосодержанием - уплотнение ( по метод:«« расчета структурных характеристик). Изменение радиусов капилляров по направлению градиента температуры станет причиной обратного/ изотермического потока влаги.

Следовательно, массоперенос в свежеуложенном бетоне , выдерживаемого в неизотермических условиях при температурах не выше 90° С обусловлен, с одной стороны, температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости, с другой - деформируемостью структуры цементно1водной составляющей под действием изменяющегося влагосодержания.

Использование вышеописанного механизма массопереноса и модельного представления цементной пасты позволило рассчитать коэффициенты внутреннего . массопереноса . Этот расчет основывался на предположении, что миграцию влаги в цементных пастах можно рассматривать как фильтрацию жидкости под действием капиллярного

давления. Применение закона фильтрации для определения коэффициентов массопереноса в цементных гелях связано, прежде всего, с соответствием границ и условий применения этого закона: 1) наличие капиллярно-пористой структуры,; ?) отсутствие турбулентности потока вследствие большой инертности системы; 3) отличная, на несколько порядков от диффузии, скорость переноса.

Общий вид уравнений коэффициентов массопереноса представляется следующим образом:

Вт'-К(дР/дГ) («

Ьи-- ЖdßldU) (В)

K-t/ju <10)

где Вт - коэффициент неизотермического массопереноса, и2/ч°С; ди -коэффициент изотермического массопереноса, и2/ ч\ 0 - капиллярное давление, Па; Т - температура, "С; U - влагосодерлание; К - коэффициент фильтрации, mV Па-ч; i - проницаемость, м ; ум. - вязкость, Па-ч.

Первая часть уравнений (8, 9) характеризует проницаемые свойства среды, вторая - ее чувствительность по отношении к изменениям температуры и влажности. Для расчета (З^ДТ) автором применялась линейная зависимость поверхностного натяжения С(Т)

Закон фильтрации в чистом виде применим для грунтов, где взаимодействие воды с частицами грунта незначительно, в цементно-вод-ной системе оно проявляется гораздо ярче, поэтому в цементных пастах следует ожидать отклонение от закона фильтрации Дарси, обусловленное увеличением сопротивления системы потоку жидкости (а) при увеличении влагасодержания. В результате анализа ряда зависимостей установлено, что в цементных пастах она имеет вкспотен-циальный вид

Q- Umin вхр (Hif Hmut) , (11)

где Umm - минимальная водоудерживающая способность цемента (максимальная гигроскопичность), М - толщина сольватной оболочки, м; И mm - то же, соответствующая ¿//лгл. Hmin и Umin конкретны для каждого цемента. Для определения Автором предложена формула, полученная на основе безразмерной функции Лаверетта:

// . _ 0.255К»1 рч/ре (12)

где - плотность частиц цемента и свободной воды соответст-

венно, кг/и', Ню - коэффициент нормальной густоты цементного теста. Толщина сольватной оболочки, соответствующая Итю, рассчитывалась на основе модельного представления шарообразных частиц цемента

Vía - О. ü di UmCn (15)

где V« - обьем частицы цемента; Vsa - обьем адсорбционной жидкости; с/ц - диаметр частиц цемента; й> - диаметр оводненной частицы цемента; р&а - плотность адсорбированной жидкости. С увеличением влагосодержания степень сопротивления системы "цемент-вода" потоку жидкости возрастает настолько, насколько изменяется за счет понижения плотности , толщина сольватных оболочек частиц цемента. Таким образом, параметр Q отражает степень инертности системы процессу массопереноса в зависимости от ее влагосодержания. Окончательные функции коэффициентов $г и Ъи имеют вид

dT-L й£ , ¡)u4£¿g (16)

aja ¿т <уиш

Величины А и Ът , рассчитанные по формулам (1В), имеют порядок 10~J- 10*мг/ч, 10"*- 1CTV/4°C соответственно, что совпадает с экспериментально полученными значениями в работах Л. Я Ео-лосяна, Н. Е Куприянова, Л. А. Малининой.

Результатом вышеизложенных рассуждений является модель неизотермического массопереноса влаги в системе "цемент-вода". Она базируется яа следующих предположениях:

1) отсутствие внешнего ыассообдана;

2) постоянство теидофизичесю® характеристик системы;

3) представление цементной пасты в виде системы шарообразных частиц одинакового размера, упаковка которых определяется влагосо-держанием системы;

4) на рассматриваемом этапе взаимодействие цемента с водой

- 15 -

обусловлено, а основном, адсорбционными силами;

5) перемещение влаги в неизотермических условиях происходит в основном под действием градиента капиллярного давления и рассматривается как аналог процесса фильтрации.

Включая в уравнения теплопроводности и массопереноса функции экзотермии {г и гидратации ^ , с учетом закона сохранения массы, юлучим систему уравнений, описывающую взаимосвязанные процессы тепло- и массопереноса в цементных пастах.

Щ-М-ЪгЯн,™ "7>

' «в>

Функции связывания и экаотермии определялись по зависимостям: , кгк0ехр(-Е"/ЛТ) (19)

(20)

'де Ц - расход цемента, С - удельная теплоемкость,П -порядок ре-цщии, Еа - энергия активации, £« - постоянная реакции, р»- плотность ;емвнта, К. - универсальная газовая постоянная, £ - удельное тепло-адедение цемента, Т - температура, с - время. Коэффициенты перегас а в уравнении (17) рассчитывались по изложенной выше методике.

Дифференциальные уравнения второго порядка (17,18) решались ¿етодом замены самих уравнений конечно-разностными аналогами по шстонеявной шеститочечной схеме с последующим решением системы шнейных уравнений методом прогонки. Область применения модели ограничена действием механизма массопереноса: по температуре - от эвтектической до 90°С, по влажности - от максимальной гигроскопич-гасти до максимальной водоудерживающзй способности цемента; по >ремени - когда цементная система находится на стадии вязкоп-гастичного состояния.

Исходная информация для решения системы уравнений (17,18) ¡ключает в себя 23 Параметра, характеризующих теплофизичэские ¡войства материала,условия окружающей среды, качества цемента, а :акже геометрические размеры конструкции.

В результате анализа степени влияния различных факторов на фоцесс массопереноса в бетоне были выделены две группы, определи-

ющие интенсивность теплообмена и массопроводные коэффициенты соответственно.

Первая группа параметров, в которую входят: коэффициент теплопередачи опалубки, температура окружающей среды и бетона начальная, темепературо- и теплопроводность смеси, формирует градиент температуры по сечению конструкции. Известно, что с его ростом интенсивность массопереноса возрастает.

Значение температурного градиента в бетоне определяют чаще всего как частное от деления перепада температуры в центре и на поверхности конструкции на расстояние между этими точками. Однако, бетон - достаточно теплоемкий материал, и линейное распределение температуры по сечению характерно только для тонкостенных конструкций при значительном-температурном перепаде. В остальных случаях для вычисления градиента температуры необходимо знать все температурное поле, как правило, неравномерное. Тогда, в зависимости от размера конструкции, скорость изменения теплового потока, а значит, и массопереноса, будет разная. Миграция влаги в поверхностных слоях остывающих массивных бетонных конструкций выражена ярче, чем в средненемассивных и тонкостенных конструкциях, где распределение температуры по сечению более равномерно.

Ко второй группе относятся факторы, определяющие структуру цементного теста: В уд • К-ю , В/Ц. Влияние этих параметров на массоперенос связано с изменением толщины сольватных оболочек на частицах цемента: с их уменьшением увеличивается капиллярный потенциал, снижается сопротивление потоку влаги. Поэтому с ростом В/Ц, Кт и уменьшением скорость массопереноса ослабевает.

Полученная методика расчета позволяет определить влажностное поле по сечению бетонной конструкции на раннем этапе выдержтания при любой комбинации как внешних, так и внутренних параметров в границах модели. Критериальное обобщение результатов является отдельной сложной задачей. Ее решение в рамках данной работы не рассматривали, считая это предметом дальнейшего исследования.

С целью проверки адекватности модели был проведен ряд экспериментов. Внутренний неизотермический массоперенос изучался на образцах бетона и цементно-песчаного раствора с различным водоце-ментным отношением. При выдерживании образцов необходимо было создать условия, максимально соответствующие требованиям модели: одномерность температурного поля, влагоизоляция образца, достаточно точное измерение влажности и характеристик цемента.

Температурный градиент в горизонтальном направлении (для исключения влияния силы тяжести) создавался путем одностороннего охлаждения сраау после укладки смеси во в лаг (полированную форму. Охлаждение осуществлялось при помощи жидкого азота Температура раствора у металлической пластинки в течение эксперимента ив превышала 1-2°С. При исходной температуре 23-2б'С, температурный градиент в половине образца (16 см) составлял 1-2'С/ои. По истечении 4-х часов из центральной части образца отбирались пробы на расстоянии 0,5,10,15,20 см от холодного торца. Их влажность определялась методом высушивания с последующим прокаливанием.

Поле влагосодержания измерялось на двух составах цемент-но-песчаной смеси: 1:2:0.4 и 1:4:0.7 (по массе). При этом использовался цемент Ачинского эааода с Чщ =0.2Б и ^»2900 см2/г. Песок перед экспериментом предварительно высушивался. Ошибка измерения влажности составила 0.62 отн.

Для исследования внутреннего массопереноса при одностороннем нагреве бетона применялся нейтронный влагомер НИ 10 ВВ. Измерения производились на образцах свежауложенного бетона, находяшэгося а металлических кюветах с толщиной стенок 5 мм. Оптимальные размеры форм 200*150*400 мм для исключения влияния краевого аффекта были определены экспериментально.

Для создания теплового потока в продольном направлении в первой трети образца устанавливались два электрода. Величина температуры в центре образца за время эксперимента не превышала ВО'С, а на холодном торце 20°С. Максимальный градиент температуры составлял 2-2.5 СУси. В экспериментах использовался бетон состава 1:1.512.2:0.5 ( цемент: песок : гравий: вода по массе) на портландцементе Ачинского завода с Инг = 0.2Б V5» 2900 см2/г.

Результаты экспериментов по определению поля влагосодер/лния в свежеотформованном бетоне с различными вадоцемвнтными отношениями показали хорошую сходимость измеренных и расчетных значений влажности: величина отклонения теоретических и экспериментальных значений не превышала 6Х относительной величины (рис.1). Апробация методики расчета на реальных бетонных конструкциях по данным других исследователей показала, что величина отклонения расчетных и экспериментальных данных не превышала 10-15 X отн.

Для определения влияния массопереноса на структуру бетона иэ образцов, охлаждаемых 4 часа по описанной выше методике, спуотя 28 суток нормальных условий выдерживания, отбирались пробы из поверх-

Рис. 1. Внутренний неизотермический массоперенос в свежеот-■ формованном бетоне при одностороннем охлаждении образца №0* ню>500т ё ¿ерв&тюй ¡рорме отеШ торец -метмическш) 1,2- исходная температура и В/Ц смеси; 3, 4 - расчетная температура и влагосодержание через 4 часа; « - экспериментальные значения влажности; л - экспериментальные значения температуры

костного и центрального слоя, измерения показали, что величина пористости и удельной поверхности пор охлажденных слоев превышала на 60% и 100% соответственно ?ти значения центральных слоев у образцов с В/Ц=0.4; в образцах с В/Ц=0.7 эти изменения не превышали 4% и ЗОХ соответственно. Аналогичное распределение наблюдалось при определении плотности: ее снижение в охлажденных слоях, по сравнению с центральными, для В/Ц=0.4 составили 18-20%, для Е/Ц=0.7 -4%. Из полученных данных видно, что "состояние структуры затвердевшего бетона пропорционально ее состоянию на раннем этапе неизотермического выдерживания. Распределение пористости и плотности по сечению образцов подобно распределению влагосодержания аа этот период. Наличие процесса внутреннего шссопереноса привело к необратимым изменениям в структуре: в области с повышенным влагосодерма-нием формировалась менее плотная структура бетона.

Следовательно, возможность прогнозирования процесса массопереноса можно использовать как для оптимизации режимов выдерживания бетона, с. точки зрения негативного влияния процесса внутреннего массопереноса, так и для оценки состояния структуры бетона, твердеющего в начальный период при неизотермических условиях. Применение возможно для промышленного призводства (в границах модели) и в условиях строительной площадки.

Практические результаты работы применялись для оценки качества конструкций монолитного жилого дома, возводимого в зимнее время в г. Томске, а также при строительстве производственных сооружений Уренгойской ГРЭС.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создана математическая модель внутреннего неизотермич кого массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания. На ее основе разработан метод расчета поля влагосодержания, позволяющий с погрешностью 10-15% определять вдажйостные поля и их изменения в массивных и среднемассивных протяженных конструкциях в условиях строительной площадки.

2. Предложены и обоснованы механизмы изотермического и неизотермического переносов влаги в свежеуложенном бетона, обусловленные соответственно изменением радиусов капилляров в областях с различной влажностью и температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости.

3. На основе модельного представления цементно-водной системы с использованием закона фильтрации жидкости через пористые среды разработана методика расчета коэффициентов внутреннего неизотермического массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания.

4. Разработана методика расчета пористости, радиуса капилляра и проницаемости цементно-водной системы, учитывающая адсорбционное взаимодействие цемента с водой.

5. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена величина степени сопротивления цементной пасты потоку жадности, позволяющая количественно определять зависимость интенсивности процесса от влагосодержания системы. Установлена ее взаимосвязь с величиной коэффициента нормальной густоты цементного теста.

6. С применением численных методов разработан метод расчета полей температуры и влагосодержания, позволяющий проследить динамику формирования микроструктуры бетона на раннем этапе выдерживания, в отличие от ранее известных методик.

7. Определено, что величина отклонения экспериментальных значений влажности от теоретических не превышает Б % относительной величины в опытных образцах и 10-16 % в реальных конструкциях, что свидетельствует о целесообразности метода расчета в бетонах на портландцементах и его разновидностях.

8. Шказана возможность прогнбзирования состояния структуры затвердевшего бетона, выдержанного в неизотермических условиях на раннем этапе твердения, по распределению влаги в конструкции за этот период. Результаты работы применялись при оценке качества конструкций монолитного жилого дома в г. Томске, а также при строительстве производственных сооружений Уренгойской ГРЭС.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Подласова И. А., Гныря А. И., Лагойда А. В., Дудка В. В., Сар-кисов Ю. С. Моделирование внутреннего неизотермического массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания / Деп. рукопись во ЕНИШПЙ. - N11220. - 15.04.92. - вып. 2. - 1992. - 32 с.

2. Подласова И. А., Гныря А. И., Лагойда А. Е Структурные характеристики цементных паст / Обеспечение надежности транспортных сооружений в условиях Сибири. - Томск: Издательство ТГУ. - 1993. -С. №493.

3. Подласова И. А., Гныря А. И., Лагойда А. Е , Дудка Б. В., Сар-кисов ИХ С. Расчет коэффициентов неизотермического массопереноса в

бетона на равней стадии тверд алия / /кгуша», » вопроси с.троятэзь-кого штерпаговедвпш и технологии строитель^ го производства. Томск: Издательство ТГУ, 1SD3. - С.iOï-W.

4. шдлзсова 51 Л., Скберт Л. IL Штодкиб шэрештя влаакостп бетона яейгроняь'н ивтодои / Тозиси домадов научио-техвичаского семинара. - т1здябшгш:, 1S69. - С. 77.

5. Гныря A. JL , Воровских IL А., Шдаксова J А. Бетонирован;» Лупдн.'жнткшс плит на прошшкшных объектах в уса вкях Крайнего Сз-вгрв // 23 »«едяунзродвая кояфэрэвция и области С -тона и жэлззобе-тонз "Еолго-Валт-91". - il: Стройиздаг, 1991. - С. 46-47.

Заказ 151, гнраа-ЮО Ротапринт ТНАСУР