автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Взаимодействие бетонов, содержащих противоморозные добавки, с вечномерзлым грунтом

у Г Б О*

■ 'Г'4'-.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

КУРУШИН АЛЕКСЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 691.32:666.972.16:624.139

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕТОНОВ, СОДЕРШЩ ПР0ТИВ0М0Р03ШЕ ДОБАВКИ, С ВЕЧНОМЁРЗЛЫМ ГРУНТОМ

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия и 05.03.02 - Основания и фундаменты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщений ( МИИТ ).

Официальные оппоненты:

- д.т.н. проф. Фёдоров А.Е, - МИИТ

- д.г.-м.н. проф. Лебеденко Ю.П. - МГУ им. М.В.Ломоносова

- д.т.н. проф. Хлевчук В.Р. - ЦНШСФ

Ведущая организация: Производственно-проектное объединение "Автомрст". -

Защита состоится "23" . . 1994 г. в час

на заседании диссертационного совета Д 114.05.08 при Московском Государственном университете путей сообщений по адресу: 101475,ГСП, г.Москва,А-55, ул. Образцова, 15 , ауд. //о/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета,

Автореферат разослан " . 1994 г.

Отзыв на реферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу Совета Университета.

Учёный секретарь диссертационного

совета

В.И.Кшкин

- 3 -

ОБЩЯ ХАРАКТЕГИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Значительную часть территории России (более 10 миллионов квадратных километров или 47 % всей территории) занимают вечномёрзлые грунты. Большая часть их расположена в зоне перспективного хозяйственного освоения, обусловленного запасами полезных ископаемых. Их освоение помимо суровых климатических условий затрудняется низким уровнем оснащения круглогодичными путями сообщения, и в том числе железнодорожными. Удалённость строительных объектов от зоны транспортного влияния железных дорог приводит к удорожанию строительства за счёт увеличения стоимости строительных материалов, рабочей силы и тепловой энергии, а так же увеличивает срки строительства. Поэтому любые мероприятия, обеспечивающие снижение энергоёмкости и приводящие к уменьшению сроков строительства существенно повышают эффективность производства в этой зоне. Одним из таких мероприятий является использование бетонов, содержащих противоморозные добавки, для омоноличивания буронабивннх свай, сооружаемых без-обогревным методом в вечномёрзлых грунтах. Однако реализация на практике этого метода сдерживается неизученностью вопроса о взаимодействии бетона, содержащего противоморозные добавки, укладываемого в подготовленную скважину, и вечномёрзлого грунта. Среди специалистов, занимающихся строительством оснований в вечномёрзлых грунтах встречаются разные взгляда: от полного отрицания различных опасений, связанных с этим взаимодействием, до записанных в нормативной литературе рекомендаций воздерживаться от применения таких бетонов для омоноличивания буронабивннх свай в вечномёрзлых грунтах до изучения вопроса о их взаимодействии. Последние ограничения фиксируют имеющиеся у проектировщиков и строителей опасения, что противоморозные добавки способны выходить из бетона, размораживать контактирующий с бетоном вечномёрз-

лый грунт, катастрофически сникая*его несутцую способность. Количественных данных о величине возможного выхода солей-антифризов из бетона в-контактирующий с ним мёрзлый грунт нет, хотя известно о существовании теплового взаимодействия, создающего прел л посылки для-выхода солей из бетона в грунт. Но полной картины теплового взаимодействия бетона с мёрзлым грунтом1 так же построить полностью не удаётся из-за отсутствия (или, что то же самое) . из-за большого тасла аппроксимаций) полной и непротиворечивой модели тепловыделения'(экзотермии) бетона при твердении. То же самое относится и к методике расчёта набора прочности бетоном, содержащим.лротивоморозные добавки, твердеющим в условиях кон--,,„• такта с мёрзлым грунтом. Если предположить справедливости опасений выхода антифризов их. бетона в вечномёрзлый грунт, то неясна величина этого выхода, закон распределения засоленности грунта вследствие этого-выхода и долговременное поведение в грунте вышедших из бетона солей.

Боё вышеупомянутое определяет актуальность разработки вопросов взаимодействия бетонов, содержащих протнвоморозные добавки, уложенных в подготовленную скважину в мёрзлом грунте.

Целью изучения взаимодействия-омоноличивающих бетонов с вечномёрзлыми грунтами-в.наших исследованиях является определение возможности применения .бетоном, содержащих противоморозные ■добавки, для ¡омоноличивания-.. буронабивных-висячих свай в усло-

—виях—вечномёрзлых-грунтов«-^-:_■■" ■"_

Задачи, решаемые в ходе:выполнения исследований: I. Определить существование влагообмена омонолйчнващего . бетона с контактирующим грунтом. -Исследовать характеристики этого влагообмена и их зависимости от технологических- параметров укладываемого, бетона, влажностных характеристик и температуры контактирующего-грунта.

2. Получить для бетонов, содержащих противоморозные добавки, временные зависимости тепловыделения ( экзотермии ) при их твердении. Исходя из полученных временных зависимостей -экзотермии твердения бетона, влияющих на тепловое взаимодействие бетона с контактирующим мёрзлым грунтом,.определить динамику набора бетоном прочности, зону протаивают прилегающего к бетону мёрзлого грунта, время смерзания грунта с бетоном сваи и

I

время восстановления равновесного температурного поля в грунте.

3. Определить существование миграции противоморозных добавок из бетона, содержащего такие добавки, в контактирующий

с ним мёрзлый грунт. Изучить влияние типа добавки, её концентрации, а так же возраста бетона на величину миграции противоморозных добавок из бетона в грунт. Выявить процессы, определяющие засоление грунта на разных этапах взаимодействия с бетоном. Определить степень засоления контактирующего с бетоном мёрзлого грунта противоморозными добавками, вышедшими из бетона, и определить степень их влияния на механические характеристики при-контактных слоев грунта.

4. Разработать и исследовать способ защиты мёрзлого грунта под пятой основания и выдать рекомендации о возможном применении бетонов, содержащих противоморозные добавки, для омоноли-чивания висячих буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах.

Научная новизна работы заключается в разработке физических и математических моделей взаимодействия бетона, содержащего противоморозные добавки, уложенного в скважину в вечно-мёрзлом грунте, экспериментальных исследованиях процессов взаимодействия омонолитавагацего бетона с мёрзлым грунтом и рекомендациях по применению таких для устройства буронабивных свай в вечномёрзлом грунте, что определяется следующими результатами:

- б -

»

- впервые построена физическая и математическая модели влагообмена бетона, содержащего противоморозные добавки, с окружающим грунтом}

- впервые получены экспериментальные данные по влиянии технологических параметров бетона ( температура при укладке, водоце-меитноэ отношение, концентрация противоморозных добавок, масса уложенного цемента) и влажности: окружающего грунта на характеристики влагообмена;

- впервые цредлокен срособ защиты вечнонёрзлого грунта под пятой основания и получены характеристики надёжности такой защиты;

- построена гидратациошая модель тепловыделения бетона на основе схемы последовательной реакции первого порядка, учитывающая изменение скорости реакции со временем вследствие изменения размера поверхности зёрен цемента, на которой происходит взаимодействие с водой;

- предложена простая аналитическая зависимость для температурной функции , дош диапазона.температур, в котором реально происходит твердение* бетона сваи в скважине и корреляционная фун кция для расчёта доли набранной бетоном прочности;

- разработана модель засоления контактирующего с бетоном гру та и модель релаксации засоленности после смерзания грунта со

-сваей;---

- на основе преложенных моделей разработан пакет прикладных программ, позволяющих определить параметры функции влагообмена бетона, параметры функции тепловыделения, ареал оттаивания,время смерзания, динамику набора бетоном прочности;

- впервые получены экспериментальные данные по влагообмену, миграции добавок, теплообмену бетона с грунте»!, влиянию засоленности грунта (в реальных пределах) на его несущую способность.

Практическое значение работы заключается в обосновании возможности использования бетонов, содержащих противоморозные добавки, для омоноличивания буронабивных свай в вечномёрзлых трунта^ при учёте результатов их взаимодействия на стадии расчёта и про-ектирования.Результаты исследований вошли в ВСН 73-93, введённые в действие с I марта 1993 года.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Между бетоном и грунтом существует изменяющийся во времени-по величине влагообмен, приводящий к выносу солей, в основном входящих в состав противоморозных добавок, из бетона в грунт. Параметры потока влаги, которым обмениваются бетон с грунтом, определяются технологическими параметрами бетона, а так же составом и состоянием грунта, контактирующего с бетоном. Вынос солей в грунт снижает его несущую способность в мёрзлом состоянии. Изменение во времени величины влагообмена и, следовательно, вынос солей в грунт связаны о протеканием гидратационных процессов в бетоне, сопро-всвдаадихся выделением тепла.

2.Гидратадия цемента, идущая по схеме последовательной реакции первого порядка, происходит с уменьшением во времени площади поверхности зёрен, по которой взаимодействует цемент с водой. Учёт изменения скорости реакции вследствие сокращения этой поверхности улучшает аппроксимацию функции тепловыделения, позволяет отказаться от использования дополнительных эмпирических коэффициентов. Точная аппроксимация величины интегрального тепловыделения озволяет его епользовать для расчёта набранной бетоном прочности, отказавшись от применения для этой цели нескольких формул и таблиц эмпирических коэффициентов, необходимых для пользования; этими формулами.

3. Тепловыделение, сопровождающее гидратацию цемента, влияет на тепловое взаимодействие бетона и мёрзлого грунта, определяет величину потока растворов солей, выходящего из бетона в

. протаявшую область грунта и засолягаДего её. Пооле смерзания грунта со сваей происходит релаксация засоленности, приводящая к повышению несущей способности грунта.

4. Для избежания попадания солей-антифризов из бетона в , грунт нами предложено применение буферно-экранирующего слоя, способного обеспечить защиту мёрзлого грунта от выноса в него солей и, следовательно,с заданной надёжностью предотвратить снижение несущей способности грунта в мёрзлом его состоянии.

•Публикация и апробация работы. Диссертационная работа заслушивалась и обсуждалась на заседаниях кафедр "Физика-1" и "Строительные материала и технологии" МГУ ПС. Основные резуль таты были доложены и получили одобрение на Научно-технической конференции "Современные композиционные материалы и интенсивные технологии их производства? (Саранск, 1991 г.), на I Международной конференции "Снижение материалоёмкости продукции строительной индустрии" (Талпсент, 1992 г.), на II Минском международном форуме по.тепло- и массообмену (Минск,1992 г.).Ре зультагы исследований обсуждались на секции НТС Минтрансстроя, на научном семинаре лаборатории безобогревннх методов бетонирования ЦНИИС.

■Структура и объём работы. Диссертация состоит из Введения, 274 страниц машинописного текста, 49 иллюстраций, 6 таблиц и семи Приложений, включающих экспериментальные результата и пакет программ, библиография из 167 названий.

Ряд поставленных в диссертации исследований, идеи которых принадлежат её автору, выполнены совместно с проф. Костяевым П.С и инж. Вороновым П.В.

Основное содержание работы. Во введении отмечается, что с самого начала строительства на вечной мерзлоте стали широко применять направленное тепловое воздействие на грунты ( предпо'стро-ечное оттаивание или охлаждение ), обеспечивающее изменение строительно-механических овойств грунта в желаемом направлении и, следовательно, более экономичное решение конструкций и технологии сооружений фундаментов.

В первой главе проводится анализ конструкций и технологий сооружения фундаментов под опоры мостов в вечномёрзлых грунтах. При устойстве опор в современных конструкциях предусмотрено сооружение глубоких ( до 30 м ) свай, служащих анкерами фундамен- -тов, препятствующих их выпучиванию. При. любых конструктивных решениях ( буроопускные, буронабивные и т.п. ) сваи требуется их омонолидивание бетоном, для обеспечения сцепления (смерзания) сваи о окружающим грунтом. Наиболее рациональной технологией является та технология бетонирования,при которой не требуется подвод тепла к бетону, уложенному в скважину. В строиельной практике ниболее приемлемыми технологиями бетонирования, исходя из приведённого требования, является термосное выдерживание бетона, • а так же бетонирование с применением бетонов, содержащих проти-воморознне добавки. Применение метода термоса для обеспечения набора прочности омоноличиваэдего бетона при положительных температурах в условиях контакта с вечномёрзлнми грунтами ограничивается условиями использования грунта по второму принципу; при ис использовании грунта по первому принципу рациональнее использовать бетоны, содержащие противоморозные добавки. Широкое применение таких бетонов для омоноличивання буронабивных свай до настоящего. времени одерживается опасениями, что предполагаемый выход противоморозных добавок из бетона сваи в окружающий грунт приведёт к катастрофическому снижению несущей способности сваи вследствие засоления вечноыёрзлого грунта и вызванного эт™

вследствие засоления вечвомёрзлого грунта и вызванного этим снижением его прочности и силы сцевления с поверхностью сваи. Если вопросы динамики прочности бетонов, содержащих противоморозные добавки, изучены специалистами достаточно хорошо для различных температурных условий,то неиз/ченность всего комлекса вопросов, связанных со взаимодействием омоноличивающего бетона буронабив-ной сваи о вечномёрзлый грунтом на начальных этапах после заполнения скважины бетоном не способствует широкому применению бетонов, содержащих противоморозные добавки, для омоноличивания буро-набивных свай.

В литературе имеются самые противоречивые мнения как о существовании выхода солей из бетона в грунт, так и о их влиянии на вечномёрзлый грунт.Поэтому одной из задач поставленных исследований явилось изучение возможности и временной динамики влаго-обмена бетона, содержащего противоморозные добавки, с окружающей средой, одной из которых может являться вечномёрзлый грунт. В первой главе рассматриваются явления тепло- и влагопереноса в вечномёрзлых грунтах, используемых как основания транспортных сооружений, процессы промерзания-протаивания грунта, теплофизи-ческие характеристики грунтов и их зависимость от физического состоят грунта. Отмечается, что одной из основных характеристик определяющих физические и строиельные свойства грунта определённой литологии является количество незамёрзшей воды, определяемое главным пг^злм трмттАрятурлЯ ц сострим—грунтааспмот— рены процессы промерзания-протаивания грунта вследствие теплового взаимодействия с бетоном сваи, выделяющим тепло при гидратации цемента как с учётом только нондузстивного механизма теплопередачи, так и с учётом конвективного переноса тепла. Дан обзор литературы, поввящённой математической постановке задачи теплообмена со средой, в которой могут происходить фазовые превращения.

-и -

К таким средам относятся вечномёрзлые грунты о нарушенным тепловым состоянием за счёт заполнения скважины бетоном, содержащим противоморознне добавки. Теплообмен будет происходить не только за счёт кондуктивного переноса тепла, но и за счёт конвекции,со*-провождающеЦся солепереносом противоморозных добавок, что должно приводить к засолешго области грунта,подвергшейся конвекции. Рассмотрение вопросов и механизмов влатопереноса и льдоввделения в вечномёрзлых грунтах, освещенные в литературе, показало, что после смерзания протаявшей области грунта, засоленной противомо-розными добавками, будет происходить диффузия влаги и вышедших в грунт солей в-'Области, не подвергшиеся засолению за счёт конвекции. Количественная картина этих процессов при взаимодействии веч-номёрзлого грунта с бетоном буроиабявной сваи, содержащим к тому же противоморознне добавки, в литературе отсутствует.

В результате обзора литературы, анализа состояния проблемы, выявления вопросов, требующих разработки и важных для практического использования бетонов, содержащих противоморознне добавки, для омонодичивания буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах были сформулированы цели настоящей работы, изложенные выше.

Во второй главе описана предложенная модель динамики влаго-обмена бетона о окружающей средой, с которой он контактирует сразу после затворения. В соответствии о ней, в ранних возрастах бетона ( 0 ... 3 час ), когда вода ещё химически не связана, он рассматривается как водонаоыщенный грунт, в котором вода удерживается сорбцией на поверхности частиц и силами поверхностного натяжения. Распределение влаги в слое бетона в этом случае будет подобным распределению влагоеодержали в шшаств грунта с характеристиками пористости и гранулометрическим составом, подобным характеристикам оухой бетонной смеси. При укладке бетона в подготовленный объём будет происходить вытекание ( высачиваете ) вода в нижележащин слои грунта под действием силы тяжеоти. С течннием

времени процессы гидратации цемента Ърив'одят не только к изменению вяагосодержания, но и к изменении физических характеристик (Затона. Это приведёт куменкаенюо содержания свободной воды, изменению пористости и; структуры. В бетоне возникнет отрицательное давление/ называемое контрактационным, что приведёт к изменению величины и знака потока йлаги, -которым бетон обменивается с окружающей-средой,- - ■' - " • ' ' -

Поток влахи из бетона выносят з контактирующий сним грунт растворённые противоморозные добавки, -tro приводит к накоплению в грунте относительно концентрированного'раствора противоморозных добавок и его разбавлению за счёт имеющейся в грунте влага. При смене направления потока влаги из- Грунта в бетон будет всасываться обеднённый раствор солай, а в грунте будет оставаться, хотя и обеднённый раствор солей. Гак происходит засоление грунта за счёт конвективного солеобмена, приводящее к понижению несущей способности мёрзлого грунта, контактирующего сбетоном. Диффузионной засоление грунта при этих процессах пренебрежимо, поэтому для сроков до-смерзания растаявшего грунта с бетоном сваи ( до S0 ... 50 суток в зависимости от начальной температуры бетона, его экзотер-шш, температуры вечномёрзлого грунта и его геокриологических характеристик ) диффузионными процессами засоления пренебрегаем ж рассматриваем только конвективный обмен.

•■.'./ Полагая, что масоа?химически несвязанной воды в бетоне убы-—вает со. временем, а скорости уоывания пропорциональна массе имеющейся несвязанной воды, получим для количества несвязанной воды в бетоне: - -<-••" "-

у(т)=л?0 (i -ехр(-аг)) с i)

где ГПо - количество несвязанной вода при Т = 0, (X - скорость связывания воды в бетоне. Для количества воды 1 (Г), вышедшей иа бетона в грунт, котрое так же считаемпропорциональным разности между количеством „несвязанной воды в бётоне и количеством воды,

- а-

вышедпей в грунт, получено дифференциальное ур&ение:

г Лг = ~ бт0ехр(-ат) +6та , (.2)

где$ - постоянная, определяемая окоростыэ выхода влаги из бетона' в грунт.

Решение уравнения ( 2 ) имеет гид:

2&) - /¡а-ехр^ат}) -в а-ехр(-бг)) (3 > где А = т06/(&~а)} В = т0а/(6 -а)

Подученное выражение ( 3 ) допускает простую ¡интерпретацию. Первое слагаемое описывает процесс внсачивания влаги из бетона в грунт и ограничено сверху запасом свободной ( гравитационной ) воды в бетонном растворе. Второе слагаемое описывает прцесс всаоыва-ния влаги твердеющим бетоном из окружающего грунта ( знак "-" указывает на отрицательный "выход" влаги из бетона). Оба эти процесса происходят одновременно. Разделения этих двух процесоов в лабораторных условиях можно достичь, избавившись от контрактационного. подсооа влаги бетоном, что возможно только при его контакте с абсолютно сухим грунтом.

Определение всех постоянных {Д, 5 , Л и 6 ) в уравнении ( 3 ) производилось из полученных нами экспериментальных зависимостей Я Величина массы влаги, вышедшей через единицу поверхности контакта бетона, содержащего противоморозные добавки, с грунтом определялась весовым методой по изменению массы капсул-при&шиков влах влаги, контактирующих с бетоном. Капсулы-приёмники были либо полностью высушены ( тогда они позволяли определить параметры /7 и £7), либо полностью насыщены раствором противоторозной добавки, использованным для затворения бетона ( тогда они позволяли определить весь набор параметров Я , В , СС и б функции влагоойиена (3) ). Типичные экспериментальные зависимости АГП^Т) да

сухого и влагонаонщенного приёмника влаги приведены на рио. I .

На экспериментальную точку приходится от трёх до пяти измерений

( по числу приёмников влаги). Средний ^разброс численных значений &Л1{Т) не превышал 15 ... 20$ при точности определения массы приёмника не хуже 0,2-10~3.

Исследовалось влияние на параметры влагообмена бетона, содержащего противоморозные добавки, с контактирующим грунтом начальной температуры бетона и грунта, масри бетона, концентрации проти-воморозной добавки,. величины водоцементного отношения ( рис. 2 ). Для получения количественных характеристик влияния каждого из упомянутых факторов на величину выхода влаги из бетона был поставлен полный факторный эксперимент для каждой пары факторов с их вариацией по двум уровням.

Для расчёта параметров, входящих в ( 3 ) .использовались полученные экспериментальные данные, скорректированные на влияние фильтра, располагавшегося между бетоном и приёмником для предотвращения выноса механических частиц из бетона в приёмники. Скорректированные данные подвергались сглаживанию и обрабатывались с помощью разработанной программы "МО-ЩЦ", позволяющей исследователю в диалоговом режиме визуально контролировать взаимное расположение экспериментальных точек и зависимостей ( 3 ) для наилучшего определения из эксперимента параметров А , а. и 6 .Другая разработанная программа "МО-МНК" позволяет определить эти же параметры методом покоординатного спуска при контроле расхождения между расчетными и экспериментальными значениями суммы квадратов отклонений ("метод 'наименьших квадратов"). Обе программы в большинстве случаев давали практически совпадающие значения. Однако при неблагоприятном сочетании параметров вторая программа "зацикливается" и в этом случае пользуемся значениями параметров, определяемых по программе "М0-1ОД".

Пооле определения параметров А ,В, а и б в выражении ( 3 ) рассчитывалось уравнение регрессии для этих коэффициентов в функции величины факторов каждого опыта. Результаты регрессионной об-

работки экспериментальных данных позволяют сделать следующие выводы о влиянии технологических параметров бетона,содержащего про-тивоморозные добавки:

1. Понижение начальной температуры укладываемого бетона и температуры грунта сопровождается уменьшением как величины выса-чивания влахи из бетона, так и величины всасывания её из окружающей средн. Отношение коэффициентов В/А »характеризующее преобладание процессов всасывания над процессами высачивания, с понижением температуры растёт.

2. При понижении температуры одноврнменно с понижением величины влагообмена значительно понлжавтоя скорости процессов высачивания и всасывания влаги.

3. Уменьшение концентрации противоморозной добавки снижает величину высачивания и поглощения влаги ( значения коэффициентов А и В ).

4. Цри положительных температурах противоморозные добавки слабо влияют на скорость высачивания и поглощения влаги. При отрицательных температурах увеличение концентрации добавок приводит к увеличению времени, в течение которого может происходить высачивание гравитационной влаги.

5. Исследования влияния концентрации -противоморозной добавки и водоцементного отношения показывают увеличение влагообмена при их увеличении как порознь, так и при их совместном воздейй отвии.

Первый вывод в рамках предложенной нами модели можно объяснить увеличением вязкости воды при понижении температуры, тогда как четвёртый является следствием уменьшения скорости гидратации цемента и менее существенным увеличением вязкости водного раствора при возрастании концентрации добавок для заданной температуры.

Влияние

массы бетона ( точнее, толщины слоя бетона, на—

ходящегося, над приёмником влаги ) щзр положительных и отрица- г тельных температурах в наших опытах, согласно данным эксперимента, мекта, одинаково, Другими словами, увеличение толщины слоя бетона приводит к уменьшению коэффициентов А и В. Р&счёты поккзывают ,что при увеличении толщины слоя бетона коэффициент А , определяющий максимальное значение массы высочившейся влаги, стремится к какому-то предельному значению. Это можно объяснить тем, что начиная с некоторого значения толщины бетонного слоя его проницаемость для атмосферного давления становится пренебрежимо малой и высачивание влаги из бетона с самого начала сопровождается созданием отрицательного давления в бетоне, препятствующего выходу влаги из бетона. Понижение температуры и связанное с этим повышение вязкости раствора в порах приводит к тому, что при меньших толщинах бетонного слоя достигается предельное значение массы высочившейся влаги.

При взаимодействии бетона с сухим приёмники«, воспринимающим всю высоченную влагу и не отдающим её бетону после начала схватывания, изменение массы приёмника увеличивается при увеличении массы бетона.

Полученные зависимости для свободного влагообмена бетона, с окружающей средой определяют, по существу,его потенциальные -возможности обмениваться влагой при вгатлодействш_со__ср£^__

-дойтПрзгт&ссмотрении взаимодействия бетона, содержащего проти-

воморозные добавки,' в реальных сооружениях для определения величины выхода солей из бетона в грунт необходимо решать задачу с учётом не только потенциальных значений величины влагообмена бетона, но и свойств контактирующего с ним грунта, а так же тех процессов, которые протекают в грунте .В этих случаях процессы влагообмена сопровождаются, а при определённых условиях и определяются, процессами теплообмена. Но в любом случае максимальная .масса вышедшей из бетона влаги, а следовательно и мае-

Рис. I. Зависимость изменения массы приёмника влаги от времени контактирования о бетоном для разных масс бетона и влажности приёмника при Т = -3°С. I - Н = 9 см, 2 - Н = 18 см, = 7 % ; 3 - Н = 9 см, 4 - Н = 18 см, ц. = 100 %.

лт,г

Рис. 2. Зависимость изменения массы приёмника влаги от времени контактирования с бетоном для разных значений > водоцементного отношения и концентрации противоморозной добавки при Т = -3°С. . I - Ц = 0,5 , 2 - = 0,4 , 0 = 6 % ; 3 - 0,5 , 4 - 0,4 , С = 3 $ .

- {& -

са вынесенных из бетона солей не преЬысит величины А »устанавливающей верхний предел выноса влаги нз бетона, содержащего против оморознне добавки»

Дня предотвращения выноса солей ш бетона в грунт предложена применять буферный ело! сухого цемента, располагаемого между укладываемой бетонной смвсыо и мёрзлым грунтом. Проведённые измерения величины выхода вдави из бетона в грунт при наличии буферного слоя цемента показали онижение величины массы влаги, прошедшей в грунт, при увеличении толщины защитного слоя. На рис. За приведены графические зависимости величины максимальной массы раствора противоморозной добавки , вышедшей из бетона в грунт, от толщины защитного слоя оухого цемента И * ( кривая "а" ). Здесь же приведены зависимости (йтМА]С+К(Г), где (7* - среденквадратичное отклонение А171 ,а К = 1,2,3 < соответствуют кривые "в","с" и "с(" ). По этим зависимостям рассчитывается надёжность защиты мёрзлого грунта от выхода в него раствора противоморозной добавки в зависимости от толщины _защитного слоя цемента ( рис. Зв ). Эксперименты и рсчётн показывают, что для надёжности защиты грунта Р >0,99 толщина слоя сухого цемента Ь ~ 3 мм, а цри Ь = 11,8 мм надёжность защиты составит Р = 0,9985.

В третьей главе рассмотрены имеющиеся в литературе данные о виде функции интегрального тепловыделения О (Г).Проведённый анализ показал, что для пользования этой зависимостью, а так же зависимостью ) = О. СТ ) необходимо использование многих табличных яначений для коэффициентов, входящих в эти выражения. Поэтому на основе гвдратационной модели взаимодействия цемента с водой в предположении, что процесс твердения бетона представляет собой последовательную реакцию первого порядка получено дифференциальное уравнение для количества цемента.

- 19 -

прореагировавшего к моменту времени Т :

г + (в +д) г +йВ2 =явм (4)

где А и В - постоянные, определяющие соответственно скорость вступления цемента в реакцию взаимодейитвия с водой и скорость вывода продуктов гидратации из раствора, причём А В , М -масса цемента, содержащегося вначале в бетонной смеси. Общее решение уравнения { 4 ) имеет вид:

2(т) = М +С1-ехр(-йт) +Сгехр(~вт) с 5)

Поскольку интегральное количество тепяа, выделившееся в процессе гидратации цемента пропорционально массе прореагировавшего цемента, то интегральное количество выделившегося тепла экзотермии:

СНтЬХ-гкЬЩ! - (с±ехрПт)+с2 еоср(-зт)) (6)

где ¿С - термохимическая постоянная цемента.

Мощность тепловыделения получим дифференцированием ( 6 ) по времени:

=Щ =ХМ[Я-СГехр(-/!т) ~ЗС2 ехр/-вт)] ( 7 )

Используя начальное и предельное условия ~0 и

у/Т^^^-^О получим окончательно:

0/7)=ао[1- (й-ехрШ-Ь тр(~/1т!/(й-В)] ( в ) где Оо-ЫМ • Дяя первого приближения в оценке величины В из имеющихся в литературе экспериментальных дяндтгу можно воспользоваться соотношением, полученным из ( 8 ) в предположении, что О.о - » т.е. количеству тепла, выделившемуся за нормативный срок твердения бетона 28 суток:

1/в = (тл - ъ)/(£п(с10 /Сп(0о -Ц (э)

где 0.1 и 0% - количества теплоты, выделившиеся по истечении времени и Т^ ,

После определения постоянной В параметр А находится из решения нелинейного уравнения:

¿А = Вехр(-Щ/д ( ю )

раствора протгаоморозной добавки ДГПМдд (Ь), вышедшей из бетона

в грунт,от толщины защитного слоя Ь . . . - эксперимент, - расчёт. I -ЛГПШХ (И) 2 -лтмиьУ^

3 4 -АГПмАгОд+ЗГ

ММ

Рис. Зв. Влияние толщины защитного слоя цемента И на надёжность защиты мёрзлого грунта от раствора цротивоморозной добавки

- 21 -

Расчёт QCO по ф - ле ( 8 ) при значениях коэффициентов А и В »определённых расчётом по ф - лам ( 9 ) и ( 10 ) показывает различие с экспериментальными значениями, на оснЬве которых определялись коэффициенты А и В . Это различие объясняется следующими причинами. Во-первых, вокруг зёрен цемента при взаимодействии с водой образуется слой продуктов , гидратации цемента, затрудняющих диффузию активной воды к непрореагировав-шему объёму цементных зёрен. Во-вторых, уменьшение этого объёма, приводящее к уменьшению поверхности, на которой происходит это взаимодействие. Дополнительно уменьшает скорость реакции гидратации недостаток активной влаги, т.к. затворение бетонной смеси осуществляют не из условий протекания реакции гидратации цемента до конца, а из технологических требований, предъявляемых к бетонной смеси. Поэтому возникает недостаток активной влаги, дополнительно приводящий к уменьшенш скорости реакции гидратад ции цемента. Это уменьшение учтём введением дополнительного множителя у коэффициентов А и В :

aftha/fl+sT) ; B(x)-6/(i+sT) ( и )

где постоянная S определяется из условий максимального приближения к экспериментальным данным. С учётом ( II ) интегральное тепловыделение ( экзотермия ) цемента будем записывать в виде: QS=Q([)/Qa =l-(a-ejcpfer/{i+sr))-бехр(-ат/(1^у(Ц (к ) Коэффициенты А и В зависят только от химичеокого и фракционного состава цемента, определяют скорооти обеих стадий реакции гидратации цемента при твердении. Поэтому принято допущение, что А / В = К = const и нормированное тепловыделение в этом случае будем записывать в виде:

OS- (к-ехр(-Вт/({+5Т)~ехр(-кб7/(^вт)У(к-1) ( 13 )

Определение коэффициентов О. , 6 и 5 по экспериментальным данным проводилось на ЭВМ с помощью разработанной программы "EKZ-P "»выполняющей расчёт коэффициентов К , б и 5

путём минимизации суммы модулей относительных отклонений расчёта: ( по ф-ле (13)) и экспериментальных значений функции тепловыделения методом покоординатного: спуска. Эти значения К , в и Б использовались в дальнейшее расчётах.

Для учёта неизотермичнооти твердения и тепловыделения ( экзотермш ) бетона предполагалось, что коэффициенты "А и В одинаково зависят от температуры и характер химических реакций в бетоне в диапазоне рабочих температур, для которых рао-считывантся концентрация вводимых добавок, изменяется монотонно. В литературе имеются таблицы для переходных коэффициентов, учитывавших изменение в зависимости от температуры в диапазоне -10 ... +80°С скорости реакции гидратации для бетонов, содержащих противоморозные добавки. В интересующем нас диапазоне температур ( -10 ... +30°С ) эта зависимость с достаточной точностью может быть аппроксимирована функцией:

-0,5)) =

=ехр(19б £п(х/ло +о,5))~ехр(£п(х/4о->-а5)2)=(х/ао ( 14 ).

С учётом температурной зависимости коэффициентов Ли 6 нормированная функция тепловыделения 0.5 имеет вид:

=/- (а ехр(~6-]-т/(1+вт))-в-елр(-а1т/({+&)))/(а -В) = = {-(кшр[-в+т/и+в?)Уехр(~/<6]-т/(1^ ( 15 )

Если обозначить величину В}- '[/({+30=9 или в более общей случае Т » .

и- 4 а+эт)

то всё многобразие кривых интегрального тепловыделения можно свести в одно семейство кривых:

Д5 ^ 05(0)={-¡аехр(-й) -6 е1р(-кЩ/(ег-А) =___

= У - (к-ехр(~в}-ехр(-к9))/(к-{) ( 16 )

Функция мощности тепловыделения ( экзотермии ) твердеющего бетона, необходимая при интегрировании уравнения теплопроводности, в нашем приближении примет вид:

Для расчёта набора тепла твердеющего бетона, содержащего противоморозные добавки, при заданном законе изменения температура была разработана программа "ЕК2 -Я", использующая зависимость ( 17 ) для расчёта 05 . На рис. 4а приведены результаты расчёта по программе п£Н2 -4" зависимости (Т) для соответствующих законов изменения температуры бетона от времени, приведённых на рис. 4в.

Для расчёта доли набранной бетоном прочности ^ЯЮ/Яцв использовалась идея о её связи о долей выделившегося тепла при твердении. Была найдена корреляционная зависимость между

и № : _

0,4^0,5-Я ) < 18 ) Функция / (2*) найдена для бетона, содержащего противоморозные добавки и имеющего 6 = 0,2 сут"1. Поскольку функция ^¡(1?) должна учитывать изменения температуры и состава бетона, поэтому при расчёте на ЗБМ набранной бетоном доли прочности эта функция использовадась в виде: д(Г) Т)~1+2,65ехр(-1,5 - ¡¡¿дл/6-/-т/{<12. -({^т) - 0,5) *

* ]/ /б-/- г-/(ал-(¿^т)-0,5)I' ( 19).

На рис. 5 приведены временные расчётные зависимости ДЗ/^ =/(Т) для разных значений параметра 6-^0,2

Полученные зависимости дли (2") и / ( Г) использованы для построения алгоритма и программы расчёта теплового взаимодействия бетона буронабивной сваи с веяномёрзлнм грунтом, динамики набора прочности бетоном, определения ареала оттаивания контактирующего с бетоном вечномёрзлого грунта и времени смерзания грунта ж сваи, определения динамики засоления грунта про-тивоморозными добавками, вышедаими из бетона.

- 24 -

m/Qsa lo ав 0,6

0,4 ф

О 2 4 6 & 10 ч:тсут

Рис.4а. Нормированные зависимости тепловыделения цемента при

твердении в изотермических и неизотермических условиях I. Т * -3°С = cansí ; 2. Т = О'С = con sí ; З.Т = +I5°G =const 4. T = ; 5. Т = Та (2Г)

Рис. 4в. Изменение температуры цемента при неизотерминеском твердении

Таблица I

Нормированные временные зависимости прочности бетона и „ интегрального тепловыделения <35 и сравнение отношения о эмпирической зависимостью 7(Г)

'¿.сут 0,5 1.0 2,0 3,0 5,0 7,0 14 28

/?5 0,20 0,27 0,42 0,52 0,68 0,78 0,92 1,0

ав 0,055 0,139 0,29 0,422 - 0,74 0,935 1,0

КЗ/ОБ 3,65 1,94 1,43 1,23 - 1,04._ 1,008 1,0

3,65 1,93 1,42 1,25 1,11 1,06 1,01 1,0

Рис. 5. Функция у (Т) для определения доли прочности, набранной бетоном, по величине его интегрального тепловыделения

- 26 -

Четвёртая глава посвящена теплробмену бетона, содержащего противоморозные добавки, с вечномёрзлым грунтом.После заполнения скважины бетоном в нём начинают происходить процессы тепловыделения, обусловленные экз отершей реакции гидратации цемента. Начавшийся теплообмен будет сопровождаться влагообменом, на начальном этапе приводящим к выносу потоком влаги из бетона солей в растаявщую область контактирующего с бетоном мёрзлого грунта. После окончания процессов гидратации цемента в бетоне, окончания. тепловыделения и смерзания грунта с бетоном сваи начнут проявляться медленные процеосы диффузии солей, попавших в грунт • из бетона.

Для определения величины области размораживания грунта за счёт теплового взаимодействия с бетоном сваи, заполняющем подготовленную скважину, сроков смерзания грунта со сваей и времени восстановления равновесной температуры была сформулирована математическая задача, при постановке которой были приняты следующие допущения. Ось цилиндрической полости, заполняемой бетоном, содержащим противоморозные добавки, совпадает с вертикальной осью цилиндрической системы координат, связанной с грунтом. Рассматривается взаимодействие бетона только с грунтом, лежащим ниже уровня годовых колебаний температур с тем, чтобы не сказывалось влияние вертикальных потоков тепла. Грунт считаем однородным и изотропным, а его температуру до взаимодействия и после установления равновесия считаем постоянной. Фазовые переходы в мёрзлом грунте считаем происходящими при одной температуре. Ввиду малости пренебрегаем конвективным переносом тепла и изменением теплофизических свойств скелета грунта при протаива-нии. С учётом сказанного рассматриваемая задача свелась к решению следующей системы уравнений:

ит = ал (а^г - 1/г-и„) + Ч(г} т) ( 20 )

- 27-при начальных условиях

и (Г, Г) = Т± для О^Г^Е и Т2 для Г=О ( 22 )

ШУ-Ъв-Э =¿7 -(23)

• {

и граничных условиях

- -¿ (и^д-ще,!)) ( 24 )

(к/Сф-игг -¿з/Сз/з изг)\гЧ = ОД С 25 )

где и = (Лг,Т) - температура, К - радиальная координата,?" -время, индекс I относится к области, заполненной бетоном, содержащим протившорозине добавки, индексы I =2, 3 - соответственно к протаивающей (контактирующей с бетоном) и мёрзлой области грунта, £ (£) - радиальная координата фронта фазовых превращений в грунте,

Поставленная задача относится в классу сопряжённых нелинейных задач с граничными условиями третьего рода. Коэффициенты теплоёмкости и теплопроводности в нашем олучае являются кусочно-постоянными функциями и, кроме того, при О = 0 теплоёмкость имеет бесконечно большое значение. Эта задача относится к известной проблеме И.Стефана, посвященной исследованию процесса распространения тепла в средах о изменяющимися фазовыми состояниями и других процессов, имеющих сходное математическое описание.

Вначале получено решение более простой задачи - расчёт теплового поля сваи при изотермическом выдерживании бетона. Из литературы и проведённых предварительных оденок и экспериментов найдено, что при диаметре сваи до I м и умеренных температурах бетона ( < 20°С) размер зоны размораживания будет меньше диаметра сваи. Поэтому для упрощения решения рассмотрен од-

номерный случай:

~ а£ ( 26 )

Я^х ~ о ( 27 )

(28)

к^^-о^М^о в № ( 29 >

Що.о) =6а (30)

■1Г(~>,о") =-Ц~о (31)

где 1/(х,Т) - температура, Л/ - коэффициент теплопроводности, си Сс - удельная теплоёмкость,^- - плотность. Реше-

ние задачи получено в два этапа. Сначала найден профиль температура для То , где Т0 - время термосного выдерживания сваи, а затем решена задача об остывании среды о кусочно-непрерывными значениями коэффициентов М , из которой получено нелинейное трансцендентное уравнение для нахождения закона движения фронта фазовых превращений при остывании сваи и окружающей области размороженного грунта при термосном выдерживании сваи. Для получения решения необходимо дважды пользоваться численными методами: сначала для нахождения постоянной в законе движения фронта размораживания грунта во время термосного выдерживания сват и затем для нахождения закона движения этого фронта при. остнвании. При этом не удаётся определить ни прочность бетона сваи, набранная, к моменту смерзания, ни закон её распределения по сечению сваи. Поэтому для решения задачи (20) ... (25) был разработан алгоритм и составлена программа позволяющая получить ответы на

поставленные вопросы и использующая модели описанные в третьей главе.

Программа "ЗИФО " реализует консервативную явную разност-нуё схему расчёта' температурных полей сваи и контактирующего с ней мёрзлого грунта с учётом фазовых превращений в грунте, зависящей от времени теплоты экзотермии твердения бетона, раочёт на-

-бораг-црочноста~бетоном в разных слоях сваи и определение времени смерзания грунта оо сваей. С помощью этой программы определено влияние начальной температуры укладываемого бетона на величину ареала оттаивания вечномёрзлого грунта и скорости набора прочности бетоном сваи. Снижение начальной температуры уклады-

- 29 -

ваемого бетона приводит к монотонному снижению величины ареала оттаивания вечномёрзлото грунта, уменьшению времени смерзания, но уменьшению скорости набора прочности бетоном.

Был проведён учёт конвективного теплопереноса и его влияния на динамику теплообмена. Сложность программы и время раочё-тав при этом заметно увеличивается, а вклад оказался пренебре-жимым, поэтому в дальнейшем раочёт теплообмена производился ^ ••■ только с учётом кондуктивного механизма теплопередачи.

Пятая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию миграции противоморозных добавок, выходящих из бетона, содержащего противоморсзные добавки, в окружающий вечномёр-злнй грунт и экспериментальному определению влияния этой миграции на несущую способность контактирующего мёрзлого грунта.

Использованная в работе модель взаимодействия бетона, содержащего противоморозные добавки и заполняющего подготовленную скважину в вечномёрзлом грунте, предполагает рассмотрение взаимодействия без учёта влияния деятельного слоя., После укладки бетона в скважину он начинает твердеть,его температура повышается вследствие экзотермии реакции гидратации цемента и за счёт теплообмена размораживаются прилегающие слои вечномёрзлого грунта. Процесс теплообмена сопровождается влагообменом. При размораживании грунта вследствие таяния порового льда в нём образуются пустоты, в которые будет проникать высачивающаяся из ^бетона влага. Поток влахи привносит в грунт не только тепло из бетона, но растворённые соли. Увеличение концентрации солей в поровом растворе грунта приводит к дальнейшему увеличению растаявшей массы льда за очёт понижения температуры начала замерзания воды и понижению концентрации порового раствора. С течением времени направление потока влаги изменяется,., твердеющий

бетон начинает всасывать влагу из грунта, что приводит к умень-

\

шению содержания солей в прилегающих к бетону областях грунта.

При больших временах контактирования начинает проявляться диффузионный.механизм распространения солей, вынесенных из бетона в грунт. В протаявшей области грунта основную роль- играет нормальная ели объёмная диффузия, подчиняющаяся закону §ика. При промерзании пограничных слоёв грунта вследствие зарождения ■ в порах льда начинает уменьшаться сечение капилляров, заполненное жидкостью, ж будет становиться всё более существенным вклад переходной ( кнудсеновской ) диффузии. После замерзания грунта в плёнках незамёрзшей воды имеет место активированная (вследствие существования энергии активации) диффузия и поверхностная диффузия, обусловленная адсорбцией компонентов растворов на поверхности капилляров .Конвективная диффузия продолжается от начала взаимодействия бетона с вечномёрзлым грунтом до момента замерзания последнего. Этот период может быть достаточно длительным, но конечным во времени. Диффузия, обусловленная существованием энергии активации и сорбцией начинается с момента контакта бетона с грунтом и продолжается и после их смерзания, приводя в выравниванию распределения вынесенных из бетона солей по всему объёму грунта. Таким образом, конвективная составляющая массообмена на начальном этапе контактирования приводит к засолению размороженного объёма грунта, после смены знака потока влагообмена - приводит к некоторому онижению засоления в приконтактном слое грунта и прекращается с замерзанием грунта. Диффузия существует с момента начала контакта, но поскольку её величина меньше конвективной составляющей,она проявляется после смерзания грунта.

Существование процесса выноса солей из бетона, содержащего протнвоморозные добавки, в грунт приводит к его засолению и, как следствие этого, снижению несущей способности грунта. Однако вследствие диффузии солей,- продолжающейся и после

омерзания грунта и приводящей к выравниванию концентрации солей в большем, по сравнению о первоначально засоленным, объёме будет иметь место процесс обессоливания яриконтактных слр-ёв грунта и повышение ( релаксация ) его несущей способности. Однако при расчётах несущей способности грунта, засолвнного до первоначального значения, следует исходить из несущей способности грунта, засоленного антифризами, и повышение несущей способности грунта в последующие моменты времени ( релаксацию ) относить в запас прочности.

Рассматривая процесс засоления талой приконтактной области грунта потоком жидкости, выходящей из бетона в грунт, предполагаем, что величина этого потока определяется величиной объёма, освобождённого в грунта за счёт таяния льда. Этот объём будет заполнен за счёт выхода влаги из ближайшего слоя, который в свою очередь был заполнен ранее аналогично раствором солей, разбавленных в поровой жидкости грунта. Это разбавление тем больше, чем дальше фронт протаивания продвинулся от границы контакта о бетоном. Для нахождения зависимости концентрации солей в грунте от расстояния до границы контакта грунта о бетоном и (ЗГ,Т) было получено уравнение:

1/т+5-$с-Цх.-*(Г-и-5):Х-(/~0 ( 32 )

где ¿Г = 0,09-7 , 2 - содержание льда в порах, ^ - положение фронта размораживания-замерзания, СГ - размерный коэффициент Граничные и начальные условия имеют вид: и(х,0) = 0 , 0<ОС<оо ( 33 )

и(о,т)^5-с0, о<т<?1 ( 34)

где Са - концентрация порового раствора солей в бетоне, -время, когда прекращается движение фронта размораживания от граница контакта двух сред..

Решение задачи ( 32 )... ( 34 ) получено нами в следующем

виде:

и(х,т)=$Са . ф) с 35 )

Средняя равновеоная концентрация солей протизоморозных добавок, достижимая в тал см слое к моменту поворота фронта фазовых переходов:

1)--1/$ £и(х,г)сЬ: =

= ' (35)

После момента поворота направления движения фронта размораживания Т<р начнётся остывание грунта, засоление мёрзлой ( непротаявшей ) области грунта за счёт диффузии,обусловленной наличием незамёрзшей воды, количество которой ври засолении будет увеличиваться, т.е. равновесие будет сдвигаться в сторону меньшей льдистости. Математически задача о диффузии солей в приконтактной области грунта в одномерном случае сформулирована в следующем виде:

и? = агихх (37)

и(ос, о) = Со для и =0 для (38)

(39)

где £ - максимальный размер протаявшей области грунта, который полагаем равным размеру области грунта, засоленной за счёт выхода растворов солей из бетона при его протаивают» Со ~ средняя равновесная концентрация солей в протаявшей области грунта.

Решение задачи ( 37 )...( 39 ) имеет вид: 2 я

о

Раочёт распределения солей в мёрзлой области производим в предположении, что диффузия происходит в плёнках незамёрзшей воды, в отсутствии конвективного переноса солей. Величину коэффициента. диффузии оцениваем ио, ода из справочных дантгау ■, -

-35. -.г...... полагая, что температурная

завиоимооть коэффициента диффузии:

D =K6J/200 = к0(т)-ехр[кг о)* -Ky(On)-6j/zoo • ( « )

справедлива • в "ближней", отрицательной области температур ( -10 ... ОС ) с теми же значениями коэффициентов tto С Т),

Кг/jf^ - - ......*".

Анализ решения ( 40 ) позволяет оценить время релаксации Тр заоолённости протаявшей области грунта. За Тр принимается промежуток времени с момента поворота направления движения фронта фазовых превращений до момента времени, когда концентрация оолей на границе грунта с бетоном уменьшится вдвое по сравнению о начальной. Для рассматриваемых случаев ( К = 0,5 м , Tj^ = 0°С, Т2р — -3°С, £ - 0,15 м ) указанные оценки дают Г = 20 сут.

Расчёт предельных значений концентрации солей в прикон-тактной области песчаного грунта в рамках решения ( 40 ) для бетонов, содержащих 10$ противоморозных добавок, лвдосодержа-ння в порах грунта Z = 0,3 , р^ - 1,7-Ю3 кг/м3 дают значения С mir 0>25^ .Это значение соответствует нижней границе заоолённости, начиная с которой песчаный грунт считается засо ." ленным. Для суглинков и глин, в которых содержание льда в порах будет значительно меньше, чем у песчаного грунта при тех же значениях влажности и температуры, степень засоления будет ниже. Для таких грунтов нижнее значение концентрации порового раствора, начиная о которого грунт считается засоленным, выше чем для песчаных грунтов.Следовательно, влияние засоления про-тивоморозными добавками на их несущую способность будет меньше, чем у песчаных грунтов.

л Экспериментальные исследования миграции противоморозных добавок из бетона в контактирующий с ним мёрзлый грунт, про-

водились о использованием кондуктоыетрических измерений. Это позволило не только получить необходимый массив сравнимых и воспроизводимых данных, но существенно снизить число исследуемых образцов.

В качестве модельных грунтов использовались: однофрак-ционный песок о = 0,6 мм ( "Грунт I" ), "красная" глина из подмосковного карьера ( "Грунт 2" ) и их смесь в пропорции I : I ( "Грунт 3" ).

Цементный раствор для исследований готовили следующего состава: цемнтно-песчаное отношение Ц : П = 0,25 , водоцемен-тное отношение В : Ц = 0,45 . Тип и концентрация противомороз-ной добавки назначались в соответствии с целью исследования в каждом опыте.

Первым этапом исследований миграции противоморозных добавок из бетона в мёрзлый грунт было определения факта существования такой миграции и определение добавки, наиболее интенсивно мигрирующей в контактирующий о бетоном мёрзлый грунт. Исследовалось шесть типов добавок, применяемых на практике. Для сравнения использовали бетон без противоморозных добавок. По результатам измерений установлено, что наибольшее количество вышедших из бетонной снеси добавок, при прочих равных условиях, обеспечивает нитрит натрия. Все остальные исследован:: ные добавки дают выход ( миграцию ) веществ меньше и поэтому дальнейшие исследования проводились с нитритом натрия, являющимся наиболее~"агрессивной"~добаБной~с~точки зреншг~её~ми^-

грации из бетона в мёрзлый грунт и определяющим верхнюю границу миграции всех рассматриваемых добавок.

Следующим шагом в изучении взаимодействия бетона с мёрзлым грунтом было выявление влияния возраста бетона на вели-

чину и скорость солеойлена с контактирующем мёрзлым грунтом. Образцы бетона с 10$ нитрита натрия до начала контактирования выдерживались 3 и 10 суток, после чего приводились в соприкос7 новение о мёрзлым "Грунтом I".Результата эксперимента показали, что при прочих равных условиях величина и снорость солеоб-мена уменьшается с увеличением возраста бетона перед началом контакта.

Результаты исследования влияния температуры укладываемого бетона на величину и скорость миграции оолей-антифризов показывают резкое ( в 20 ... 100 раз ) снижение выхода солей в грунт при понижении температуры.

В заключение проводились исследования взаимодействия бетонной смеси, содержащей 10% нитрита натрия, уладагаемой поверх разных грунтов с начальной температурой бетонной смеси Т = 20 С. В качестве контрольного эксперимента проводилось измерение удельного электросопротивления грунта, контактирующего с водным растворил, содержащим 7,5$ нитрита натрия,применяемым для затворения бетона и заливаемым в форму поверх грунта при температуре -3°С, равной температуре мёрзлого грунта.

Полученные экспериментальные результаты хорошо объясняют- " ся на основе модели взаимодействия бетона с мёрзлым грунтом, изложенной выше. Из контрольного эксперимента ( по взаимодействию мёрзлого грунта с водным раствором противдаорозной добавки ) в котором устранено влияние всех факторов, кроме градиента концентрации, вытекает существование диффузионной миграции : солей-антифризов в мёрзлый грунт. К исходу 13 суток фронт миграции продвигается примерно на 3 см. Диффузия в данном опыте исключительно за очёг механизма активированной и плёночной миграции и направлена против градиента концентрации. При наличии бетона (.вместо водного раствора ) картина взаимодействия до-

полняется тепловым взаимодействием о бетоном за счёт привнесённого хм тепла и его тепла экзоте рыии. Это приводит к протаивают приконтактной области грунта и его засолению растворами против оморозных добавок, вышедших из бетона.Процесс конвективного засоления грунта будет продолжаться до момента остановки фронта дротанванкя ( в условиях лаборатории - I ... 1,5 суток ) , после чего начнётся промерзание протаявшей области, выравнивание заселённости в ней и диффузия солей в непротаявшую область грунта. Промерзание протаявшей области будет сопровождаться отжатием части водного порового раствора в бетон, который к этому времени уже поглощает влагу из контактирующего с ним грунта. При этом следует отметить, что в начале взаимодействия с грунтом бетон отдаёт относительно концентрированный раствор противоморозной добавки, а при промерзании протаявшей области грунта - будет поглощать раствор, разбавленный в порах грунта протаявшим лвдоы. Процесс отжатия влаги из промерзающей области грунта будет приводить к улучшению смерзания бетона с грунтом. Сила сцепления ( смерзания ) в ряде случаев оказывается больше, чем прочность грунта.

При контакте бетона зрелого возраста конвективный механизм засоления практически не проявляется из-за малости остаточного тепла экзотермии твердения бетона. В этом случае сказываемся только диффузионный механизм засоления грунта Величина этого засоления тем меньше, чем «сарше возраст бетона.Это обусловлено тем, что противсморозные добавки связываются в процессе твердения бетона, переходя в водонерастворимые соединения.

Описанные экспериментальные результаты приводят к выводу, что понижение темпнратури укладываемого бетона, приводящее к уменьшению величины привнесённого количества тепла и

уменьшению мощности экзотерлта твердеющего бетона, должно резко снижать величину конвективного засоления грунта, приближаясь к уровню чисто диффузионного засоления. Исследования миграции" противоморозвых добавок из бетонов, уложенных на мёрзлый грунт' с температурой Тгр = -3°С, показывают, что снижение температуры * бетона о +20°С до -3°С эквивалентно, с точки зрения достижимого уровня засоления грунта, прдваритёльному выдерживанию бетона перед началом его контакта с грунтом в тевениё 10 суток.

Исследования засоления различных грунтов за счёт контак- '" та с бетоном, содержащим противоморозныё добавки, показали незначительное заооление глинистых грунтов за счёт конвективного механизма заооления.Заооление таких грунтов определяется, в основном, диффузионным механизмом и величина засоления таких грунтов поэтому оказывается ниже, чем песчаных.

Общий вывод из рассмотренных результатов исследований засоления различных грунтов за очёт взаимодействия с бетоном, содержащим противоморозныё добавки, состоит в том, что в песчаных грунтах определяющим является механизм конвективного засоления, в то время как в глинистых грунтах засоление' определяется диффузией в плёнках незамёрзшей вода и влагопереносом при промерзвнии-протаивании грунтов. Величина конвективного заооления оказывается преобладающей по сравнению с диффузионным засолением. Оценка величины засоления грунта из кондуктометричес-ких измерений совпадает с теоретическими оценками,приведёнными выше, а так же о результатами химического количественного анализа.

Проведены исследования влияния засоленности грунта проти-воморозными добавками в' пределах концентраций, создаваемых за очёт конвективного механизма засоления.Испытывались на1 одноосное сжатие образцы модельного грунта трёх типов размером

2 х 2 х 2 см, засоленных противоморозными добавками необходимой концентрации ( до 0,8 % ). Количество образцов на одну экспериментальную точку равнялось деняти. Исследования проводились при засолении нитритом натрия и поташом. Испытания образцов велись при отрицательной температуре путём быстрого гагружения с одновременной регистрацией интенсивности сигналов акустической эмиссии. Для каждого образца снималась своя акустограмма, из которой определялась величина нагрузки, соответствующая началу разрушения образца. Ввиду достаточно высокой скорости нагружения определялся предел кратковременной прочности. Результаты измерений показывают, что наиболее заметно влияние засоления на несущую способность проявляется у песчаных грунтов и менее всего - у глины. Наиболее агрессивная с точки зрения миграции добавка -нитрит натрия - сильнее всего снижает несущую способность грунта - до 40 % от несущей способности незаселённого грунта при засолении до 0,5 ... I %. Влияние поташа и органической добавки в указанных пределах примерно одинаково - снижение составляет до 60 % от исходного значения при тех же значениях засоления.

Шестая глава посвящена обоснованию технологической схемы бетонирования буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах с применением бетонов, содержащих противоморозные добавки, а так же подбору комплекса противоморозных добавок, обеспечивающих минимальное воздействие бетона на мёрзлый грунт основания. Исходя из результатов исследований предыдущей главы в качестве основы такого комплекса использован поташ. Однако его добавление приводит к сильному сокращению времени удобоукладываемости бетонной смеси. Для увеличения этого времени в состав противомо-розного комплекса вводился модификатор-замедлитель. По резуль-

- 39 -

татам исследований влияния различных модификаторов на время сохранения подвижности бетонной смеси в качестве такого -модификатора предложено использовать добавку IGT, используемую в ' практике транспортного строительства в качестве пластифицирующей добавки. Содержание ЛОТ, обеспечивающее необходимое время сохранения подвижности бетонной смеси ( ~45 мин ), определял лось экспериментальным путём на основе лабораторных испытаний. Предложенные методика определения состава противоморозного комплекса ( поташ + ЛСТ ) и технологическая схема приготовления бетонной смеси обеспечивают удовлетворение технологическим требованиям к бетону при выполнении работ по устройству бурона-бивных свай при условии минимизации воздействия противомороз-ных добавок на мёрзлый грунт основания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана физическая модель взаимодействия бетона, содержащего противоморозные добавки, с окружающим вечномёрзлым грунтом на начальном этапе взаимодействия, определяющем условия технологического и последующего эксплуатационного нагруже-ния свайных конструкций фундаментов, устраиваемых в условиях вечномёрзлых грунтов.

2.Разработана модель влагообмена бетона, содержащего про-тивоморозные добавки, со свободным приёмником влаги и проведено экспериментальное исследование характеристик влагообмена.

Установлено, что: - процесс влагообмена бетона, содержащего противоморозные добавки, с окружающим грунтом, можно представить в виде суперпозиции двух процессов: высачжвания влаги из бетона в грунт, преобладающего на начальном этапе взаимодействия, и всасывания

влаги бетоном из окружающего грунта после начала процессов схватывания,

- понижение температуры приводит к снижению как величины массы влаги, выходящей из бетона, так и величины массы влаги, всасываемой бетоном из окружающей среды. Одновременно при этом понижается скорость процессов высачивания и всасывания влаги бетоном,

- уменьшение концентрации противоморозной добавки снижает величины масс всасываемой и отдаваемой бетоном влаги,

- введение противоморознкх добавок сказывается при отрицательных температура, приводя к увеличению времени, в течение которого может происходить высачивание гравитационной влага,

- при взаимодействии с сухим приёмником влаги, воспринимающим всю отданную бетоном влагу и не отдающим её бетону даже после начала схватывания, прирост массы приёмника влаги во времени носит насыщающийся характер и величина насыщения увеличивается при увеличении массы бетона.

3. Предложен способ защиты вечномёрзлого грунта под пятой основания от выхода в него противоиорозных добавок путём введения между ними буферного слоя сухого цемента. Проведены экспериментальные исследования величины влагообмена при наличии буферного слоя и определена надёжность защиты грунта от засоления про-тивоморозными добавками в зависимости от толщины защитно-буферного слоя.

4.Для гидратационной модели тепловыделения ( экзотермии ) твердеющего бетона предложено учитывать физические процессы, приводящие к изменению скорости реакции гидратации цемента со временем. Это изменение обусловлено как затруднением доступа водного раствора к активной поверхности цемента, так и умень-

шением этой поверхности со временем. Учёт этих явлений позволил избежать привлечения дополнительных эмпирических коэффициентов в функции тепловыделения. Построена математическая модель , для расчёта величины интегрального тепловыделения твердеющего бетона, получено дифференциальное уравнение, разработан алгоритм и программа ( "£К2 -Р" ) определения параметров функции экзотершш по экспериментальным-результатам, приводимым в нормативной литературе.

5.Предложена простая температурная функция, учитывающая влияние температуры на скорость тепловыделения ( экзотершш) бетонов, содержащих противоморозные добавки, для диапазона температур -10 ... +30 °С, при которых реально твердеет бетон, содержащий противоморозные добавки, уложенный в скважину в вечномёрзлом грунте. Задание этой функции позволило отказаться от использования таблично заданных переходных коэффициентов.

6.Найдена корреляционная зависимость, позволяющая по рассчитанной величине интегрального тепловыделения бетона.определить ( рассчитать ) долю набранной бетоном прочности к интересующему сроку. Эта зависимость так же позволяет отказаться

от использования различных таблиц коэффициентов для определения набранной бетоном доли прочности и нескольких формул для этих же целей, применяемых в литературе для разных сроков твердения бетона.

7. На основе предложенной модели влагообмена бетона с окружающим грунтом, проведённых исследований влагообмена бетона, содержащего противоморозные добавки, с окружающим грунтом, предложенной модели тепловыделения, температурной функции и корреляционной формулы, связывающей интегральное тепловыделе-

ние и долю набранной бетоном прочности построен алгоритм и программа расчёта ( "вКАб" ), позволяющая рассчитать временную зависимость температуры разннх слоёв бетона, содержащего противо-морозные добавки, уложенного в скважину в вечномёрзлом грунте , тепловыделение ( экзотермию ) бетона и его влияние на окружающий вечномёрзлый грунт, определить ареал оттаивания Г^ , время поворота направления движения фронта фазовых превращений в грунте 1<р , время смЕрзания грунта с бетоном сваи Тем > время установлении температурного равновесия Тр , динамику набора бетоном прочности в разных слоях сваи.

8. Составлена физическая модель засоления протаявшей области грунта противоморозными добавками за счёт конвективного механизма, предполагающая знание и (см. п.7) .составлена математическая модель ( получено дифференциальное уравнение и его решение ), определена средняя равновесная концентрация противоморозных добавок, достижимая в талом слое к моменту поворота фронта фазовых переходов. Эта концентрация определяется концентрацией порового раствора солей в бетоне, величиной протаявшей области и начальным льдосодержанием грунта.

9. Проведены расчёты распределения засолённости грунта в зависимости от времени для моментов времени после смерзания грунта о бетон см сваи. В грунте при этом будет происходить диффузия солей, приводящая к увеличению области грунта,в которую мигрируют противоморозные добавки, при одновременном снижении

в ней концентрации солей - виледииши отсутствия-дополнительного— поступления из бетона в грунт. Расчётами установлено, что в наихудшем случае степень засоления первоначально незасолённого грунта соответствует нижней границе засолённости для песчаных грунтов ( — 0,25 % ) и не достигает этого порога для глины и

глинистых грунтов. Со временем степень засоления снижается за

счёт активированной и плёночной диффузии солей, уменьшаясь при*

мерно в пять раз по истечении 2-Ю3 суток.

10. Проведёнными экспериментальными исследованиями кратковременной прочности образцов засолённого грунта ( на моделях ) установлено, что при одноосном, сжатии наиболее сильно несущая способность грунтов снижается вследствие засолениия нитритом

натрия (до 0,4 от исходного значения при заселённости 0,8 % ). Наиболее чувствителен к засолению песчаный грунт.

II.Обоснована технологическая схема бетонирования буро-набивных свай в вечномёрзлом грунте с применением бетонов, содержащих противоморознне добавки. Предложен противоморозный комплекс добавок, обеспечивающий минимальное засоление мёрзлого грунта основания.

На основе проведённых исследований можно дать следующие рекомендации для проектировщиков и строителей:

- При сооружении свайных оснований, передающих нагрузку на грунт через пяту для ускорения набора прочности бетоном можно пользоваться противоморозными добавками. Для сохранения несу щей способности грунта под пятой от засоления следует применять буферный слой сухого цемента, толщина которого определяется исходя из заданной надёжности защиты грунта от засоления. Для устранения размораживания грунта под пятой необходимо укладывать бетон с наименьшей начальной температурой ( даже при температуре меньшей температуры вечномёрзлого грунта ) и использовать цементы с наименьшей теплотой экзотермии.

-При сооружении свай, передающих нагрузку через боковую

поверхность за счёт сил смерзания ( сцепления ) при использовании бетонов, содержащих противоморозные добавки, учитывать снижение несущей способности вечномёрзлого грунта вследствие кон -Ьективного засоления. Учёт вести путём расчёта несущей способности еваи-в,засоленном грунте, относя последующую релаксацию засоленности и связанное с этим повышение несущей способности грунта в запас прочности.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и опубликованы в печатных трудах:

1. Устройство для измерения пиковой мощности электромагнитного излучения. Авт. свид. Описание изобретения к авт. свид.

» 414538 от 14.06.1974, в соавт.

2. Курушин А.Д.,Дьячков АЛ. Особенности использования плёнок с полосовыми доменами в устройсива* оптической обработки информации. Труда МИИТ,» 552, 1977, стр.'47 ... 52

3. Костяев П.С.,Курушин А.Д..Афанасьев С.Г..Харитонов Ю.Н. Возможность применения бетонов с противоморозными добавками нитрита натрия в железобетонных конструкциях зданий и сооружений на железнодорожном транспорте.Труда МИИТ ( Межвузовский оборник), № 600 с. 49 .,.53 , 1978 г.

4. Костяев П.С.,Курушин А.Д..Афанасьев С.Г. Вынужденная поляризация бетонов' с противоморозными добавками в постоянном электрическом поле. Труда ШИТ ( Межвузовский сборник ), 1980,

ТГ662, с.52 ... 58^

5. Костяев П.О. ,Курушин А.Д. .Курбатова И.Й. .Сигачёва Т.А. Оприменении бетонов с противоморозными добавками. Транспортное строительство, 1980, № 4, о. 44 ... 46.

6. Курушш А.Д. ,Лепёшшя В.А.»Харитонов Ю.Н.,Филиппов' Д.В. Разработка методики и аппаратуры.для записи, хранения и исследования характеристик сигналов акустической эмиссии с использованием видеомагнитофона. Труды ШИТ, 1981 6В7, с.35 ... 39.

7. Денисов Ф.П.,крушин А.Д.,Серебряков В.Н. Метод акустической эмиссии.' Электрическая и тепловозная тяга, 1981,Л 7,с.25.

8. Костяев П.С.,Курбатова И.И.,Курушин А.Д. .Скгачёва Т.А. Исследование миграции расворов антифризов из бетонов с проти-воморозными добавками в мёрзлый грунт. Доклад и тезисы докладов и сообщений Всесоюзного совещания "Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномёрзлнх грунтах",г.Воркута, 13 ... 16 октября, 1981, с. 207 ... 209.

9. Денисов Ф,П.,Курушн А.Д.,Лепёшкин В.А. и др. Разработка методики и аппаратуры для записи, хранения и использования характеристик сигналов акустической эмиссии с использованием видеомагнитофона. IX Всесозная научно-техническая конференция "Неразрушающие метода и средства контроля", 26...28 мая, 1981,

г. Минск. Доклад и тезисы докладов (акустические методы,часть II), с. 144...146. :

10. Денисов Ф.П.,Ильин С.И. Дурушин А.Д. и др. Об акустическом методе градуировки приёмников ахстической эмиссии. Там же, стр. 147...148.

11. Курушн А.Д.,Серейряков В.Н.,Жарков В.В. и др. Разработка методики неразрушавдего контроля валов тяговых электродвигателей; с использованием акустической эмиссии. Там же, стр. 166...167.

12. Денисов Ф.П., Курушн А.Д.,МартыненкоА.А. и др. О воз-мозрюсти использования акустической эмиссии для выявления дефектов в тележках электровозов. Там же, стр. 167...169.

13* Магдеев УД. .Курушин А.Д.,Кобиашзили Г.Г.,Яяпушкин H.H. Оценка состояния железобетонных конструкций методой акустической эмиссии. Прмышленностъ строительных материалов Москвы,1985, № 6, стр. 9...10.

14. Курушин А.Д. .Иванов C.B. .Алексеева Н.Н.,Ляпушсин H.H. Установка для дефектоскопии подшипников. Механизация и автоматизация производства, 1986, Ji 5, стр. 5...6.

15. Курушин А.Д. .Иванов C.B.,Дяпушкин H.H. ,Бавленкова Г.А. Автоматизация диагностики состояния подшипников качения. Вестник машиностроения, 1986,№9 , стр.47...49.

, 16. Коотяев П.С. ,Курушн А.Д. .Афанасьев С.Г.,Аммосов П.В. Кондузстометрические исследования миграции растворов антифризов из бетона о протиэоморозшши добавками в контактирующий с ним мёрзлый грунт. Труда МИИТ (Межвуз. сб.),1982,№ 714, стр.62...66.

17. Костяев П.С. .Курушин А.Д., Афанасьев С.Г. К вопросу о вынужденной электрической поляризации бетонов с противомороз-ными добавками. Труда ШИТ,1984, № 751, отр. 13...17.

18. Курушин А.Д.,Иванов С.В.,Ляпушаш H.H. Диагностика состояния низкооборотных подшипников. Доклад и "Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы технологии машиностроения", Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, 29...31 января, стр. 180.

19. Иванов С.Б. .Курушин А.Д.,Ляцушотн H.H. Тестер экспресс-диагностики состояния подшипников. Там же, стр. 181.

20. Курушин А.Д. и др. Устройство для контроля состояния поверхностей качения подшипников. Авт. свид., » 379279/27/118216.

21. Курушин А.Д. и др. Способ контроля состояния подшипников качения. Авт.сввд. » 3793280/27/118217.

22. Курушин А.Д..Костяев U.C.,Воронов П.В. Влияние температура укладываемого в фундаменты "холодного" бетона на изменение температуры контактирующего с ним вечномёрзлого грунта.

Проектирование и строительство зданий на железнодорожном транспорте, (межвуз. сб.) Под редЛепурного И.Н..Гомель, 1991,с.14...19

23. Курушин А.Д.,Костяев П.С.,Воронов П.В.Исследование миграции солей из бетона с противоморозннми добавками в контактирующий с ним мёрзлый грунт.Доклад и тезисы доклада Научно-технической конференции "Современные композоционные материалы и интенсивные технологии их производства".Саранск,1991,с.38...42.

24. Курушин А.Д.»Костяев П.С..Воронов П.В. Тепло- и массоб-мен с вечномёрзлыми грунтами бетонов, содержащих противомороз-ные добавки.Доклад и тезисы докладов II Минского международного форума по тепломассообмену, 18...22 мая 1992г.Теплообмен ММФ-92. Том УН.Теплообмен в капиллярно-пористых телах. Минск, 1992, стр. 47 ... 49.

25. Костяев П.С.,Курушин А.Д..Воронов П.В. Железобетонные сваи-столбы под опоры мостов на вечномёрзлнх грунтах Доклад и Тезисы докладов I Международной научно-технической конференции. Ташкент,30...31 октября 1992 гг,"Снижение материалоёмкости продукции строительной индустрии".Ташкент,1992,стр. 38...39.

26. Костяев П.С..Курушин А.Д..Воронов П.В. Математическое моделирование функции тепловыделения и функции набора прочности бетона, содержащего противоморозные добавки.-Межвуз.сб. науч. тр. МИИТД993, вып. 880,с.13 .... 17.

27.Курушин А.Д.,Костяев П.С..Воронов П.В.,Марченко В.И. Влагообмен бетонов, содержащих противоморозные добавки, с окружающим грунтом.Межвуз.сб.науч.тр. МШТ, 1993,вып.880,с. 18...22.

28. Курушин А.Д..Костяев П.С. .Воронов П.В. Гидратационная модель изотермического тепловыделения твердеющего бетона. Проектирование и строительство зданий на транспорте.(Межвуз.сб.) Бел. Гос. ун-т транспорта,1994,с.41 ... 46.