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

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ ШЕРИШВ ПРИ ТОШКОМ ИНВЕНЕИГО - СТРОЯТЕЛЫШ ИНСТИТУТЕ .

Ш правах рукописи УДК 624.012.44: .693.547.3

Шдласова Ирина Анатольевна

ВНУТРЕННИЙ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ЫАССОГЕРЕЮС В БЕТОНЕ БД РАННЕЙ СТАДИЯ ЩДЕРДИВАШЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материала и отделил

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата тохничзских наук

Томск - 1С93

■Работа выполнена в Томской инивкарва-строительном институте

Наутаий руководитель -Официалъыш оппоненты -

Еэдутря организация. -

доктор технических наук, профессор А. 51 Гныря

доетор технических наук, профессор Е 51 Терехов

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

Научно - исследовательский институт Транспортного строительства

Залога состоится "2?" июня 1993 г. на заседании специализированного совета Д 064.41.01 по защите диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в Научно. - исследовательском институте строительных материалов при Томском инженерно - строительном институте по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. В, ауд. 307.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " МО.Й 1993 г.

Отзывы на авторефэрат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять на пиа ученого секретаря специализированного Совета.

Ученый секретарь специализированного совета Д 034.41.01 кандидат гехничэских наук, доцент

Н. К Скрипникова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Как известно, свойства Corona во многом пределявтся его структурой. В процессе твердения она претерпевает ачественное изменение, превращаясь из пластичного тела в камне-идный материал. При этом состояние стругаури в начальный период о многом определяет ее и в последующе этапы.

В работах многих исследователей неоднократно указывалось на начительную роль процесса массопереноса в формировании структуры етона. Наличие его на раннем этапе Еыдергспззния приводит- к обра-ованию неоднородной структуры и направленной пористости, которая иксируется процессом схватывания и дальнейшим затвердеванием В езультате массошренос приводит к таким негативным последствиям, ак снижение прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, кор-оэоинной стойкости бетона

Несмотря на важность проблемы, работ, прсвяирнкых шссопере-:осу в бетоне, немного. Видимо, это связано с отсутствием совер-кнных приборов и методик определения послойной влажности и с резвычайной слолностьп системы. Имеющееся результаты исследований ,апг возможность судить о качественной характере процесса массопе-«носа в бетоне, не позволяя оценить его количественно. В настоя-ре время не существует единой теории и матодики, позволяющих [рогноэировать процесс миграции влаги в зависимости от различных 'словий выдерживания бетона.

Прогнозирование свойств Сетона основано на температурной эа-1Исимости прочности бетона (как правило, интегральной по сечешш), [то не учитывает ухудшение качества поверхностных слоев шволитных »струкций, обусловленное миграцией влаги под действием неоднород- . юго температурного поля. Это особенно актуально для бетонирования t условиях строительной плоярдки, где звание происходящих процессов в бетоне необходимо для назначения оптимальных режимов выдраивания, а возможность технологических воздействий hi бетон ми-[имальна.

Работа выполнялась в соответствии с разделом "CoBt зшевствова-[ие технологии строительства" программы "Строительство" Ми-[истерства науки, высшей школы и технической политики России. Ре-|ультагы, полученные в диссертации, применялись при выполнении [оэ. договоров кафедры ТОТ ТИСЕ- N 718 (1988-1989 г) и N 2

(1992-1993 г).

Цель работы состояла в исследовании процесса внутреннего ней-зотермшеского массопереноса в бетоне на ранней стадии выдзркива-ига, обосновании и разработке математической модели и создании ш ее основе метода расчета гадя вдагосодержаккя.

Поставленной цэлыо определены следующие задачи исследования:

обоснование механизма внутреннего кассояереноса в бетоне ш ранней стадии твердения при кеизотермических условиях;

разработка методики расчета структурных характеристик цементного геля сЕэдаулоленного бетона;

разработка методики расчета коэффициентов внутреннего массопереноса;

разработка метода расчета пространственно-временных изменена температуры и влагосодержания;

экспэршэнтадьвая проверка метода расчета;

определение степени влияния внутреннего массопереноса ке структуру Сетона, выдерживаемого на раннем этапе в неиэотерии-ческих условиях.

Основная идея работы состояла в количественной оценка факто-■ роа, определяющее внутренний ыассоперенос в бетоне на ранней сга-дш1 неизотерштаского выдергивания, на дифференциальное распределение влажности для прогнозирований состояния структуры твердеющего бетона.

На залзсту выносятся;

1. Теоретическое представление процесса миграции влаги в бетоне на раннэы атапе твердения при веизотермических условиях виде рливания, основанном на:

- кодеж цементных паст в виде регулярной структуры из овод-доншх парообразных цементных частиц, жидкость которой находится а адсорбционных оболочках и в капиллярах, образованными этими частицами;

- шханизме шссопереноса в свэжэотфоршванном бетоне, рассматриваемом как аналог фильтрации квдкости под действием градиента капиллярного давления.

2. Штодика расчета: •

- коэффициентов внутреннего неизотермического шссопереноса;

- структурных характеристик цементных паст;

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

3. Результаты исследования структуры бетона в лайораторных я производственных условиях. Научная новизна работы:

расчетно-экспершентальным путем установлено, что перенос влаги в свежеуложенгои Сетоне, выдерживаемого при неизатершческих условиях при температурах'не выше 80* С, в основном обусловлен капиллярным течением, вызванным температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков жидкой фазы; противоположно направленный изотермический поток жидкости связан с еависимостьм радиусов капилляров от влажности системы;

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

установлена связь структурных характеристик цементных пзст и водоудержизающей способности цемента, обусловленная зависимостью этих характеристик от степени взаимодействия цемента с •водой на раннем этапе твердения.

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

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

Значимость работ Полученная модель, дополняя знания'о провесах, происходящих в бетона на ранней стадии выдерживания, позволяет определить дифференциальное распределение влажности по сечению конструкции, что более точно характеризует состояние структуры материала как в начальный, так я в последующе этапы твердения. # .

Разработанный метод расчета поля влагосодермания позволил оценить степень воздействия процесса массопереноса на качестао бетона, выдержанного на раннем этапе з неизотермических условиях. С его помогаю возможно определить режим выдерживания бетона с точки зрения минимального деструктивного влияния на качество материала процесса внутреннего массопереноса как яри нагреве, таге и при

- б -

.остывании конструкций в условиях строительной площадки или промышленного производства. Метод наиболее эффективен для массивных и среднешссивяых кострукций типа "пластина" в бетонах, где превалирует связи ¡адгезионного характера.

Апробация работы; основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах, докладывались на международной научно-техни-чэской конференции в области бетона и железобетона {Волго-Балт-1991), на-4 всероссийских научно-технических конференциях и семинарах, заседании научно-технического совета секции по технологии Сетона ®ШБ.

Вазррекие работы: Результаты выполненных исследований исяоль-вовалио. при строительства производственных сооружений Уренгойской ГРЭС,'а также при возведении монолитного жилого дома в г. Томске.

• Обьем работы. Диссертация содержит 93 стр. компьютерного текста, 3 таблицу, 30 рисунков; состоит из введения, трех глав, списка использованной литературы, включающего IVO наименований и приложения.

• Работа выполнялась под руководством доктора технических наук, профессора А. II Гныри,. доктора технических наук, профессора А. Е ■Дагойды и научного консультанта кандидата физико-математических наук, доцента Е Е Дудки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Неоднородность структуры бетона по сеченив конструкции связывает обычно с двумя процессами - шссопереносом и седиментацией. Последняя, обусловленная оседанием частиц под действием силы тя-гэсти, 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 минимуму отрицательное воздействие этого явления.

Действие игссопереносц, в с'хличпо от предыдущего процесса, не ограничено одним направлением. Его появление возможно при наличии градиентов температуры, давления и влажности. Бетон, являясь капиллярно-пористым телом с момента укладки , характеризуется определенными значениями этих параметров. Однако, вклад каждой из них а общий поток влаги может быть различным. В некоторых работах, посвящэнным иассопереносу в бетоне, приоритетная роль отдается

- 7 -

градиенту влагосодержапия , в других - давлению.

В отличие от вьпзеиаэвашшх, температурный градиент, обусловленный внутренним и внешним теплообменом, за исключением нормальных условий выдерживания, присутствует в бетоне всегда Чзчге всего максимум штенсииюстн теплопереноса приходится на ранние сроки твердения, когда структура обладает нагакиисэя прочностью. Воздействие температурного градиента на мэссоперенос мотет усугубляться кэсткими режшами тепловой обработки, а также при зимнем бетонировании, когда перепад температуры конструкции и окруяащэй среды достигает десятков градусов. Как показал обзор выполнрчнн" ранее исследований, процесс массопереноса существенно ухудшает качество бетонных конструкций,- твердеющих на раннем этапе ввдержша-ния в неизотершгчесюсс условиях. Отрицательное воздействие миграции влаги заключается в перераспределении первоначально равномерного влагосодериаяня по сечени» конструкции, что способствует формированию неоднородной структуры бетона и образованию направленной пористости. В результате,происходит снижение прочностных показателей материала, ухудшение его эксплуатационных характеристик.

Процессу внутреннего неизотермичестсого массопереноса в батоне на ранней стадии выдершвапия значительное внишниэ уделено а работах £. С. Векслера, Л Я. Волосяна, К. Э. Горяйяова, Н. И. Куприянова, А. Е Лагойды, Л. А. Малншшой. Исследуя явление при теп-ловлалиостной обработке бетона или при его замораживают, ' авторы этих работ выделили факторы, определяйте интенсивность массопере-нгса: градиент температуры, начальное алагосодергшиа (Еодоцемепт-ное отноиение), время предварительного выдерживания, дисперслость цемента В перечисленных работах экспериментально определены сгл-рость и коэффициенты переноса., Л а Волосяном с использованием измеренаих коэффициентов анаяитичесют 'решена задача нэотершгаетсо-го массопереноса. «

Од на; со, ккещался на сегодияпгниА момент зшфоршция о внутреннем массопереносе в бетоне на ранней стадии 'ввдэрлизэнпя дает только обске представление об этом явлеюш. Шлучеанкэ эксперимэн-тальные дашьш имекгг частный характер. Они даст возможность судить об основных закономерностях процесса, не позволяя количественно ■ оценить влияние тех или иных параметров на миграцию влаги в бетоне. Тек как эксперименты в указанных выше работах- производились либо при застком нагреве, либо с заморалгаанием бетона, ыехааиэш массопереноса, предложенные ранее, нэагя считать обоснованными, в

- в -

связи с присутствием дополнительных факторов паро- и льдообразования при si .л условиях. Возможность прогнозирования процесса массо-цереноса и его негативных последствий ограничена отсутствием единого подхода и теории, описывающей это явление в бетоне на равней стадии выдергивания.

Сложность изучения ыассопереноса в бетоне экспериментальным путем связана не только с его обьеиоы, яо и с отсутствием достаточно точной а простой методики определения послойной влажности свежеуложввшго бетона. Шэтому для дальнейшего анализа проблемы было решено выбрать путь математического моделирования, позволяющего находить количественные закономерности процесса и связи мэвду его суя ствешшми параметрами. Роль эксперимента при атом подхода сгодится к проверке теоретических предположений, на которых основана модель.

СвежзотфорыоЕанный бетон реальных конструкций подвергается влиянию множества факторов - как внешних, так и внутренних. Учесть их все при решении поставленной задачи практически невозможно. По-етому 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 вяжущий материал - степень гидратации и тепловыделения. При изучении массопереноса в Сетоне на ранней стадии выдерживания, как правило, имеют в виду его дементно-водную составляющую. Видимо, aro связано с тем, что цементный гель - самый активный к изменчивый компонент бетона и состояние его структуры в большинстве случаев определяет качество материала в целом. Придерживаясь этой точки зрения, процесс массопереноса в свежеуложенном Сетона рассматривали в системе "цемект-вода".

Цементный гель, или цементную пасту можно охарактеризовать как высокойлажное, легко деформируемое несвязное пористое тело. В таком состоянии цементная паста находится благодаря тому, что тонкая пленка продуктов гидратации на поверхности частиц цемента, ио-являщаяся с момента ватворения, временно прекращает взаимодействие молекул воды с минералами клинкера. Продолжительность на. чального периода зависит от вида цемента, водоцементного отношения, температуры и изменяется от О. 76 до 14 часов.

Внешне условия характеризуются определенными значениями влажности, температуры и давления. Влагосодержанш свекеулоленного

Сетона близко к насыцеяш и обычно намного превышает влажность окружающей среды. Это обстоятельства неизбежно приводит «.появлению внешнего массообмена. Однако, технологией бетонных работ предусматривается гидроизоляция опалубки (если ее материал водопогло-шдемыа) 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 50-500 раз), по сравнению с общим периодом твердения, рассматриваемым отрезком времени.

Различие температуры бетона и окружанщгй среды приводит к появлению теплообмена. Как было показано выше, неизотермичность условий выдерживания - основная причина миграции■ жидкости. Поэтому задача массопереноса рассматривалась совместно с-задачей теплопе-реноса. Основными характеристика).®, спрэделякиими этот процесс в бетоне, являются; коэффициент теплопередачи опалубки, температура окружающей среды, теплопроводность материала

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

Таким образом, по отношении к внешним условиям рассматриваемая систеиа является закрытой, обманивашэясп с окружавшей средой только энергией. Система дифференциальных уравнений, описывающей такое состояние системы; выглядит следующим образом

(1)

(г)

При следующих начальных и граничных условиях

Щх)*и0, Та) » То(х)

■с>о, Х'ОЛ

где ¿-г,¿ч - функции, определяющие температуру окружающей среды; Л - функцни, определявшие коэффициент теплоотдачи с учетом термического сопротивления опалубки; , л_, - то же, теплопроводности Смеси, <2, - температуропроводность; От , Ни ~ коафициенты массопереноса Привязка уравнений (1,2), описывающих целый класс подобных явлений, ' .к систем» "цемент-вода", осуществлялась при помощи коэффициентов тепло-, и шссопереносз, функций экэотермии (источника тсшты). и гидратации (внутреннего стока).

Для уравнения теплопереноса тешюфизические характеристики свешулояэшго 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 "цешнт-вода", теории фильтрации и теории адсорбционного взаимодействия цемента с водой затворения по И. Е Ахвердову.

Коэффициенты внутреннего массопереноса, формально означающие количество вещзства, переносимое через единицу, пловдди 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 положено модальное 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 , • жидкость затворения располагается в сольватных оболочках частиц цемента и в капиллярах, ими образованными. Плотность адсорбированной яидкости и ее количество, по И. Я. Ахвердову, зависит от коэффициента нормальной густоты и вла-госодержаиия смеси (водоцамантного отношения). Использование этой зависимости позволило рассчитать радиус капилляра г- и пористость цементного теста т .

Г- di^únf/X -0.25 drfau+omK^u/jíto)* (б)

m'l(%-)lad)/lVufVcS*Vad) (в)

г да У - угол упаковки частиц; oV - диаеттр частицы цемента, м; $

- диаметр оводненшй частицы цемента; - коэффициент пориаль-ной густоты цементного теста; р«. fía - плотность частиц цемента и адсорбированной гшдкости соответственно, кг/м; У«» Vis , Va), Va,

- объем цемента, воды вагвореяш, адсорбированной и "свободной жидкости соответственно; ¡ - коэффициент, учитывающей. уменьшение пористости цемента за счет образования зон застойной яидкости. .В результате анализа известных зависимостей проницаемость, денэнтного теста рассчитывалась по формуле Торцаги

к- Sm'd? (7)

(i-m)**

где Е - коэффициент, учитывающий форму частиц.

В результате расчета по формулам (4-7) ■ установлено, что с увеличением влагосодержания (а'Ю пористость , проницаемость и радиус капилляра цементной пасти увеличивается как за счет утоэзэния сольватяых оболочек частиц цемента, так и за счет изменения - угла упаковки У до предельной водоудэрживакщэй способности цемента. Величины радиусов капилляров, получаннш по описанной внтэ и .известных ранее методикам, имеют одинаковый порядок. В отличие от них, предложенная 'схеш расчета более точно определяет структурные характеристики цементных паст, так как она учитывает адсорбционно связанную падкость.

Ери рассмотрении механизма маесопереносз предполагалось, -что миграция влаги в свежеотфорюваннои бетона происходит- под действием температуры и влажности (неизотермический я изотермический пареное жидкости соответственно). Шявлениэ последнего обусловлено действием термоперелоса влаги и проявляется- как противоположно" направленный, тормозящий его поток. Первичным по вреиени является неизотермический поток, так как сразу после уклада® в опалубку бетон увлажнен равномерно.

Анализ известных механизмов переноса влаги под действием градиента температуры в капиллярно-пористых тегах показал, что боль-

пшство из них реальны в системах гигроскопичной влажности. В области влагосодержания, к которой относятся цементные пасты, известны два механизма: обусловленный механическим воздействием расширяющимся пузырьком "защемленного" воздуха при его нагреве и термокашштряо-менксковьй. Первый из них может быть значительным при резком нагреве Сетона до температур свыше 50-100'С, что в реальных условиях возможно только при жестких режимах термообработ-131. Для более распространенных условий бетонирования целесообразным представляется термокапиллярно-менисковый механизм миграции влаги, вызванный температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости. Он не исключает, а предполагает Засокук влзмность системы, в том числе и заполненные капилляры; наличие менисков обеспечивает достаточное количество вовлеченного воздуха (до 40 л/мЭ), а такие поверхность конструкций. Термокапиллярно-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 вяэкопластичного состо-' -яния - 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 пониженный влагосодерданием - уплотнение ( го методике расчета структурных характеристик); Изменение радиусов капилляров по направлению градиента температуры станет причиной обратного, изотермического потока влаги. '

Следовательно, кассоперенос в свежеуложенном бетоне , выдерживаемого в неиаотермических условиях при температурах не выше 90° С обусловлен, с одной стороны, температурной зависимостью поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости, с другой - деформируемостью структуры цементно-водной 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, па несколько порядков от диффузии, скорость переноса.

Общий вид уравнений коэффициентов массопереноса представляется следующим образом:

Ът%К-(дР/дГ) (8)

ди -- К (дР/дШ

К-1/уи ■<«»

где Вт - коэффициент неизотермического массопереноса, ма/ч*С\1)и -коэффициент изотермического массопереноса, иг/ ч;О - капиллярное давление, Па; Г - температура,°С; и - влагосодердание; К - коэффициент фильтрации,, и'/ Па-ч; к - проницаемость, м ; уи - вязкость, Па • ч.

Первая часть уравнений (8, 9) характеризует проницаемые свойства среды, вторая - ее чувствительность ло отношению к изменениям температуры и влажности. Для расчета ФУЮ 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 влагосодержания. В результате анализа ряда зависимостей установлено, что в цементных пастах она имеет экспотэн-циальный вид

й - ¿1 тш ёхр (////Нтш) (11)

где Итсл - минимальная водоудерживающая способность цемента (максимальная гигроскопичность), Не - толодгаа сольватной оболочки, м; Йти7 - то же, соогветствуюат Млия. Нтш и Итсп конкретны для каждого цемента. Для определенюГ^штором предложена формула, полученная на основе безразмерной функции-Леверетта

// - - ажлАмре... (12)

где уц,рв - плотность «истиц цемента и свободной воды соответственно, кг/ы5; Инг - коэффициент нормальной густоты цементного теста. Толщина сольватной ободочки, соответствующая Итт, рассчитывалась на основе модельного представления шарообразных частиц цемента

Нтя^Гй.-а*)/! , (13)

, (И)

VtA-O.üdU^l^UmCr, (15)

где Vu - обьем частицы цемента; Vía - обьем адсорбционной жидкости; dq - диаметр частиц цемента; d, - диаметр оводненной частицы цемента; psa - плотность адсорбированной жидкости. С увеличением влагосодераании степень сопротивления системы "цемент-вода" потоку издкости возрастает настолько, насколько изменяется за счет понимания плотности , толщина сольватных оболочек частиц цемента. Таким образом, параметр Ü отражает степень инертности системы процессу ыассопереноса в зависимости от ее влагосодеркания. Окончательные функции коэффициентов 5Т и 5« имеют вид

aju ¿t " ctjitM

Величины Da и Яг , рассчитанные по формулам (16), имеют порядок 10 J- 10"í- Ю^м'/ч'С соответственно, что совпада-

ет с экспериментально полученными значениями в работах JL Е Бо-лосяна.'Е Е Куприянова, Л. А. Калининой.

Результатом вышеизложенных рассуждений является модель неизотермического массоперекоса влаги в системе "цевднг-вода". Она базируется на следующих предположениях:

1) отсутствие внешнего ыассообиена;

2) постоянство яеплофиэических характеристик систеш;

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

4) на рассматриваемом этапе взаимодействие цемента с водой

- 15 -

обусловлено, в 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 а массопереноса функции экаотермии и гидратации ^ , с учетом закона сохранения массы, получим систему уравнений, описывавшую взаимосвязанные процессы тепло- и массопереноса в цементных пастах.

Щ-М-ьЮ-Ш)

Функции связывания и зкзотермии определялись

{Г1-ехр(-к1тп) , Ъгкаехр(-Еа/ЯТ) (19)

£ - ехр(-0т)- ^ (го)

где Ц - расход цемента, С - удельная теплоемкость,л -порядок реакции, Е" - энергия активации, - постоянная реакции, плотность цемента, И - универсальная газовая постоянная, у. - удельное тепловыделение цемента, Г - температура, "Г - время. Коэффициенты переноса в уравнении (17) рассчитывались по изложенной выго методике.

Дифференциальные уравнения второго порядка (17,18) решались методом замены самих уравнений конечно-разностными аналогами по чистонеявной шеститочечной схеме с последующим решением системы линейных уравнений методом прогонки. Область применения модели ограничена действием механизма массопереноса: по температуре - от эвтектической до 90'С, по влажности - от максимальной гигроскопичности до максимальной водоудеркивающзй способности цемента; по времени - когда цементная система находится на стадии вяэкопластичного состояния.

Исходная информация для решения системы уравнений (17,18) вклпчает в себя 23 параметра, характеризующих теплофизические свойства материала, условия окружающей среды, качества цемента, а такжв геометрические размеры конструкции.

В результате анализа степени влияния различных факторов на процесс массопереноса в бетоне были выделены два группы, определя-

(IV) (18)

по зависимостям:

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 чашр 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, Судет 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 откосятся факторы, определяющие структуру цементного теста: 5ф , И«з , 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, К иг и уменьшением Цв скорость массопереноса ослабевает.

Полученная методика расчета позволяет определить влажностное ■ поле по сечении бетонной конструкции на раннем этапе выдерживания 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 цели,¡а проверки адекватности модели был проведен ряд экспериментов. Внутренний неизотермический массоперенос изучался на образцах, бетона и цементно-песчаного раствора с различным водоце-ментным отношением. При ввдерживании образцов необходимо было создать условия, максимально соответствующие требованиям модели: одномерность температурного поля, влагоизоляцин образца, достаточно точное измерение влажности и характеристик цемента.

Температурный градиент в горизонтальном направлении (для исключения влияния силы тяжести) создавался путем одностороннего ох» »

лаждения сразу после укладки смеси во влагоизолированнуи форму. Охлаждение осуществлялось при помощи жидкого азота Температура раствора у металлической пластинки в течение эксперимента не превышала 1-2°С. При исходной температуре 23-26"0, температурный градиент в половине образца (16 см) составлял 1-2'С/см. До 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 последувщим прокаливанием.

Поле влагосодержания измерялось на двух составах цемент-но-лесчаной смеси: 1:2:0.4 и 1:4:0.7 (по массе). При этом использовался цемент Ачинского завода о £¿»=0.25 и £^=2900 см2/г. Песок перед экспериментом предварительно высушивался. Ошибка измерения влажности составила О. 6% ом.

Для исследования внутреннего массопереноса при одностороннем нагреве Сетона применялся нейтронный влагомер НИ 10 ЕВ. Измерения производились на образцах евежеуложенного Сетона, находящегося в металлических кюветах с толщиной стенок 5 мы. 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 бО'С, а на холодном торце 20°С. Максимальный градиент температуры составлял 2-2. 5 С'/см. В экспериментах использовался бетон состава 1:1.512.2:0.5 ( цемент: песок : гравий: вода по массе) на портландцементе Ачинского завода с Ниг = 0.25 = 2900 см2/г.

Результаты экспериментов по определению поля влагосодержания в свежеотформованном бетоне с различными, водоцементныш отношениями показали хорошую сходимость измеренных и расчетных значений влажности: величина отклонения теоретических и экспериментальных значений не превышала 5Х 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 Сетона иэ образцов, охлаждаемых 4 часа по описанной выше методике, спустя 28 суток нормальных условий выдерживания, отбирались пробы из поверх-

ааг а/ о./5 аг 0250.5 о йог сн о.!5 аг ол 02

Расстояние от охлажденной грана, м.

Рис. 1. Внутренний неизотермический массоперенос в свежеог-формованном Оетонэ при одностороннем охлаждении сбрасца -¿оо .-г их--500 и.ч$ аюрме (мбый тореи -тат/щешй)

1, 2 - исходная температура и В/Ц смеси; 3, 4 - расчетная температура и вдагосодержание

через 4 часа; ; . « - экспериментальные значения влажности; л - экспериментальные значения температуры

ностшго п центрального слоя. Измерения показали, что величина пористости и удельной поверхности пор охлажденных слоев превышала на Б0% и 1007, соответственно ?ти значения центральных слоев у образцов с В/Ц=0.4; а образцах с В/Ц=0.7 эти изменения не превышали 4% и ЗОХ ссотЕетственно. Аналогичное распределение наблюдалось при определении плотности: ее снижение а охлажденных слоях, по сравнению с центральный!, для В/Ц=0. 4 составили 18-20%, для В/Ц=0.7 -41. Из полученных данных видно, что состояние структуры затвердевшего бетона пропорционально ее состоянии на раннем этапе неизотермического выдерживания. Распределение пористости и плотности 'по сечению образцов подобно распределению влагосодерггання за этот период. Щличие процесса внутреннего массопереноса привело к необратимым изменениям в структуре: в области с повышенным влагосодериа-яием 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 з 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 10-16Х определять влажностныэ шля 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 бетоне, обусловленные соответственно изменением радиусов капилляров в областях с различной влажность» и температурной зависимость^)' поверхностного натяжения менисков капиллярной жидкости.

3. На основе модального представления цементно-водной системы с использованием закона фильтрации жидкости через пористые среды равработана 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 обосновала и экспериментально подтверждена величина степени сопротивления цементной пасты потоку жидкости, позволяющая количественно определять зависимость интенсивности процесса от влагосодержания системы. Установлена ее взаи-иосвяаь с величиной коэффициента нормальной густоты цементного теста.

6. С применением численных методов разработан метод расчета полей температуры и влагосодержания, позволявший 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 5 % относительной величины в опытных образцах и 10-15 7. в реальных конструкциях, что свидетельствует о целесообразности метода расчета в бетонах на портландцементах и его разновидностях.

8. Шказана возможность прогнозирования 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. Яодласова И. А., Гныря А. И., Лагойда А. В., Дудка Б. В., Сар-кисов ЕС. Моделирование внутреннего неизотермического массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания / Деп. рукопись во ВНИИНГПИ. - N11220. - 15.04.92. - вып. 2. - 1992. - 32 с.

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

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

бетоне на ранней стадии твердения / Актуалг да вопросы строительного материаловедения и технологии строители го производства. -Томск: Издательство ТГУ, 1993. - С,105-Ш.

4. БЬдласова II. А., Сиберт А. И. Нетодтс. измерения влажности Сетона нейтронным методом / Тезисы докладов научно-технического семинара. - Чэлябинск, 1989. - С. 77.

Б. Гныря к. И., Боровских Л А., Шдласова 1 к.' Бетонирование фундаментных плит на промышленных объектах в ус г чняя Крайнего Севера // 23 международная конференция в области С чона н жэлэзобе-тона "Волго-Балт-91". - 11: Стройиздат, 1991. - С. 43-47.

Заказ 151, тираж-100 Ротапринт ТИАСУР