Факторы и технологические переделы, влияющие на движение влаги в бетоне* Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

УДК 691.32+666.9.022.7:532.5

КУКЛИНА ХРИСТИНА ВАЛЕРЬЕВНА, аспирант, kuklina_hv@mail.ru

ГНЫРЯ АЛЕКСЕЙ ИГНАТЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kuklina_hv@mail.ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ФАКТОРЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРЕДЕЛЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В БЕТОНЕ*

В статье рассматриваются факторы, влияющие на движение влаги в бетоне, как то: гелиевая и пористая структура, адсорбция, вязкость, пористость и водонепроницаемость.

Ключевые слова: бетон, движение влаги, гелиевая и пористая структура, адсорбция, вязкость, пористость, водонепроницаемость.

KUKLINA, KRISTINA VALERJEVNA, P.G., kuklina_hv@mail.ru

GNYRYA, ALEKSEY IGNATEYEVICH, Dr. of tech. sc, prof., kuklina_hv@mail.ru

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

FACTORS AND TECHNOLOGICAL STAGES AFFECTING THE MOTION ОЕ MOISTURE IN CONCRETE

The article considers some of the factors influencing the motion of moisture in concrete: helium and porous structure, adsorption, viscosity, porosity and watertightness.

Keywords: concrete, motion of moisture, helium and porous structure, adsorption, viscosity, porosity, water tightness.

Движение влаги в бетоне в большей степени зависит от правильного подбора состава бетонной смеси и ее технологических свойств (консистенция

* Данная работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений»).

© А.И. Гныря, Х.В. Куклина, 2009

и подвижность). Соблюдение технологии укладки бетонной смеси (способы подачи, распределения и уплотнения, толщина и последовательность укладки слоев, допустимая продолжительность перекрытия слоев, необходимая интенсивность подачи бетонной смеси, заметное выступание цементного молока на горизонтальной плоскости забетонированной конструкции) является показателем хорошего качества в плане влагоустойчивости [1].

В конечном итоге влагоустойчивость зависит от цементного теста и наличия пор заполнителя. В первой стадии набора прочности бетона фракции заполнителя окружены цементным тестом, оставшиеся свободные полости также оказывают воздействие на миграцию влаги [2]. По мере того как бетонная смесь изменяется от влажного состояния до состояния полной гидратации, его внутренняя влагоустойчивость зависит от размеров, формы и концентрации исходного цементного зерна в начале гидратации. На концентрацию гелиевых частиц влияют также размеры и форма цементного зерна. Стали ли капилляры полностью сегментированными в конце гидратации? Это также влияет на миграцию влаги.

Массопотери бетонной смеси

Наибольшие массопотери при производстве бетонных работ наблюдаются при транспортировании, перегрузке и укладке бетонной смеси в основном за счет термодинамического взаимодействия бетона с внешней средой. Особый интерес представляет закономерность испарения влаги с поверхности бетонной смеси в процессе разогрева.

Как показали эксперименты, в процессе разогрева происходят большие потери влаги, что может привести к обезвоживанию и снижению прочности бетона. Однако в нормативных документах по производству бетонных работ в зимних условиях отсутствуют какие-либо данные по массопотерям бетонной смеси. Вместе с тем эти данные крайне необходимы для сохранения технологических свойств и водоцементного отношения бетона к началу тепловой обработки. Следовательно, контроль качества испарения воды имеет большое значение для повышения качества бетона. К сожалению, сведения о характере испарения влаги из бетонной смеси весьма ограничены и противоречивы [1, 3, 4, 5].

На основании экспериментов установлена прямая связь между В/Ц и количеством испарившейся влаги во времени [3].

При В/Ц = 0,8 величина массопотерь приближается к величине массо-потерь вынужденной конвекции с открытой поверхности воды. С уменьшением В/Ц испарение влаги из бетонной смеси уменьшается. Это объясняется, в первую очередь, тем, что концентрация раствора повышается с уменьшением воды затворения в бетоне при прежнем расходе цемента, а также в результате интенсивного испарения влаги с верхних слоев бетонной смеси и замедленного поступления воды из внутренних слоев бетона. Здесь имеет место несоответствие интенсивности испарения влаги с верхних слоев бетонной смеси и миграции из внутренних.

В работе [3] исследовалось влияние температурного фактора на интенсивность испарения влаги при электроразогреве бетонной смеси. С повыше-

нием температуры бетонной смеси от 20 до 70 °С массообмен резко возрастает, но его величина значительно меньше, чем при испарении со свободной поверхности воды. Испарение влаги из бетонной смеси до t = 50-55 °С происходит ближе к линейной зависимости. Затем с повышением температуры до 60-70 °С массообмен увеличивается в 8-9 раз (чем при t = 20 °С).

Аналогичная зависимость испарения влаги из бетонной смеси оказалась и от воздействия ветра. При этом сохранились те же закономерности, как при испарении влаги со свободной поверхности воды. Известно, что линейная зависимость испарения влаги от скорости ветра в ранней стадии сушки наблюдается и в капиллярно-пористых телах. Следует отметить, что полученные данные справедливы лишь для бетонной смеси до начала ее схватывания. С развитием процессов структурообразования увеличивается химическое связывание воды и уменьшается свободная вода, поэтому влагопотери в процессе гидратации снижаются.

Установлено, что с увеличением скорости ветра от 2 до 10 м/с при температуре бетонной смеси 70 °С, температуре окружающей среды 18 °С, относительной влажности ф = 50 % испарение влаги увеличивается с 5 до 14 кг/(м2-ч). Отсюда можно сделать вывод, что с увеличением скорости ветра в 5 раз интенсивность массопотерь увеличивается приблизительно в 3 раза. Экспериментально установлено влияние относительной влажности воздуха на испарение воды из бетонной смеси. Увеличение влажности воздуха с 30 до 80 % приводит к снижению массопотерь на 8-10 %. Это необходимо учитывать при производстве бетонных работ в летний период, когда имеют место значительные перепады влажности окружающей среды [3].

Результаты научных исследований, которыми мы располагаем на сегодняшний день, не имеют обоснованных данных о потере влаги при транспортировании, электроразогреве и укладке бетонной смеси. Имеются сведения о внутреннем и внешнем массопереносе капиллярно-пористых тел, в том числе и бетона, однако характер массопотерь в бетонной смеси иной. Необходимо также отметить, что данные по количеству испаряемой воды из бетонной смеси весьма противоречивые, поскольку эксперименты ставились в разных условиях и не были учтены все факторы, влияющие на этот процесс.

Чем выше температура, тем интенсивнее происходит процесс испарения. Для определения массопотерь с открытой поверхности бетонной смеси использовалось уравнение Дальтона

К = Р'(( -Рп 2 Р ,

Рб

где Р' - коэффициент массообмена, м/с; Рп1 - парциальное давление водяных паров на поверхности раствора при полном насыщении, Н/м2; Рп2 - парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе, Н/м2; 101,3-103 - нормальное барометрическое давление, Н/м2; Р - площадь испаряемой поверхности, м .

Коэффициент массообмена в' вычисляется на основе критериального уравнения Нуссельта

где В - коэффициент диффузии, м2/ч (м2/с); Ь - определяющий размер, м;

Ыи - диффузионный критерий Нуссельта, определяется из уравнения для условий вынужденной конвекции с плоской поверхности с использованием коэффициента Л.В. Петрова [6].

Для получения коэффициента диффузии в зависимости от температуры и давления можно пользоваться формулой

где Т - абсолютная температура, °С.

Общие влагопотери при соблюдении технологии бетонирования (отсутствие кипения в процессе разогрева, укрытия при транспортировании, интенсивная укладка смеси, своевременное укрытие уложенного бетона) не превышают 9-17 %. Это легко компенсируется добавлением воды в процессе приготовления смеси без увеличения расхода цемента.

Затвердевшее тесто представляет собой капиллярно-пористую структуру, а не скопление отдельных частиц продукта новообразования. Тем не менее эта структура состоит из частиц, зафиксированных в случайном положении, неспособных к перемещению. Эти частицы соединены между собой малой долей всей поверхности каждой частицы. Они очень малы, но малый размер не уменьшает их значения в прикладной теории до тех пор, пока они имеют большой размер относительно молекулы воды.

В работе Пауэрса и др. [7] приведены сообщения о следующих размерах

и формах частиц: фактор сферичности 0,36; диаметр объема 264 А ; диаметр поверхности 440 А ; диаметр стока 205 А ; диаметр специфической поверхности 95 А . Эти данные обозначают, что частицы имеют вид листов или волокон (или и тех, и других), что подтверждается данными электронных микрофотографий.

Объем, занимаемый гелиевыми частицами, больше объема цементных частиц, но меньше суммы исходного объема воды и цемента. Объем гелиевых частиц состоит из объемов: исходного гидратированного цемента, химически комбинированной воды и гелиевой воды.

Это математическое выражение представлено в следующем виде:

Ыи = 0,0398 [1 + 0,18(1 + ¿,5)¿0’25 ] ДГ • (Д/)1/3; Ыи = 0,1386[1 + 0,5(¿0)-0,5Ъ • Р')1/3.

Гелиевая и пористая структура

V = тСV + 0,24тСу + 0,18тСу ,

g С ’ п ’ М ’

где V - объем геля, м3; vc- удельный вес цемента (в пределах от 0,318 до 0,333), м3/кг; vn - удельный вес гелиевой воды, м3/кг; vw - удельный вес химически связанной воды, м3/кг; т - водоцементное отношение; С - вес цемента, кг.

Объем геля увеличивается с увеличением гидратации и становится приблизительно в 2,13 раза больше исходного объема цемента. Поэтому пористость геля составляет около 26 %, размер поры геля варьируется в пределах от

14 до 28 А [8].

Изначально объем капиллярных пор равен нулю, и гелиевая гидратация невозможна при В/Ц ниже 0,36. Существует максимальное В/Ц (около 0,7), выше которого полная гидратация не производит достаточного количества геля для закрытия всех капилляров. Между этими крайними значениями объем капиллярных пор может быть оценен в зависимости от разницы между исходным объемом воды и цемента и объемом гелиевых и цементных частиц.

В математическом выражении это принимает вид:

Пр = СV„ ^К _ 0,36т^ ,

где Уср - объем капиллярных пор, м3; Ж0 - содержание воды в процессе перемешивания бетонной смеси, кг.

Диаметр этих полостей варьируется от 5-10-4 до 5-10-5 дюймов, а капиллярная пористость варьируется от 30 до 40 %.

Движение воды через бетон наталкивается на сопротивление отдельных гелиевых частиц, хотя бетон и содержит значительное количество капиллярного пространства. Фактически течение происходит по извилистым путям, оно часто чередуется и является бурным при рассмотрении с микроскопического уровня.

Адсорбция и вязкость

Уникальные свойства коллоидов характеризуются их большой площадью специфической поверхности и большой энергией, заключенной в ней. Хотя эти частицы имеют различные объемы и формы, далекие от сферических, малый размер межчастичного пространства создает основную трудность, так как наибольшее количество воды находится в силовом поле гелиевых частиц, то есть преобладает адсорбция. Суммарным эффектом является то, что вязкость воды не может рассматриваться как постоянная при заданной температуре. Скорее она является функцией размеров межчастичного пространства, то есть вязкостное сопротивление зависит от специфической области частиц вне зависимости от размера и формы, а также типа и количества растворенных материалов.

Адсорбция определяется как удерживание инородных молекул на поверхности субстанции вне зависимости от ее химической природы. Эта адсорбция является физической, и силы, действующие на связывающем уровне, являются преимущественно силами Ван-дер-Ваальса. Тем не менее сила притяжения все же в определенной степени зависит от химических факторов, таких как атомная или ионная структура вещества и химическая природа моле-

кул вблизи поверхности. Твердый субстрат, на котором происходит адсорбция, состоит из слоев кристаллов, плотно прилегающих друг к другу, в промежутках между которыми находятся упорядоченные слои молекул воды. Влагоустойчивость зависит от отдельных слоев воды, как определено непосредственными условиями, такими как толщина адсорбированных водных слоев, статистическое распределение размеров частиц и толщин слоев, изменения в непрерывности адсорбирующей поверхности субстрата и изменения кристаллов. Молекулярное расположение в каждом добавленном уровне адсорбированных молекул менее стабильно, чем в предшествующем ему, поскольку стабилизирующий эффект субстрата уменьшается с расстоянием от поверхности адсорбирующего вещества. Таким образом, сопротивление текучести уменьшается с увеличением толщины водных слоев.

Водяной пар также может быть представлен в адсорбированном состоянии, которое зависит от размера площади поверхности, энергии взаимодействия между самими молекулами пара и размерами поры.

Вязкость является тем свойством материала, посредством которого он осуществляет влагоустойчивость. Это противодействие зависит от силы сцепления и от передачи молекулярного количества движения. Сцепление преобладает в жидкости в связи с тем, что ее молекулы расположены ближе друг к другу, чем в газе, в котором преобладает передача количества движения. Таким образом, вязкость газа увеличивается с повышением температуры, но для жидкости верно обратное. При обычном нормальном давлении вязкость от него не зависит и является функцией температуры, в то время как при очень высоких давлениях и водяной пар, и жидкость показывают непостоянные изменения [9]. В результате плотность и даже структура жидкости вблизи твердого тела могут отличаться от данных параметров на большом расстоянии, и давление пара адсорбированной водной пленки меняется с ее толщиной. Вязкость выражается математически как функция энергии, энтропии и абсолютной температуры [9]:

hN. { E - TAS ^

Ц=-----ехР ---- ----

где ц - вязкость, кг-с/м2; h - постоянная Планка (/ = 6,626-10-34 Дж/с); ^ -число Авогадро (^ = 6,022-1023 моль1); Е - энергия активации, Дж; AS -энтропия активации, кг-м/К; RГ - универсальная газовая постоянная № = 8,314 Дж/(моль-К)).

Адсорбция и вязкость в бетоне - функция не только жидкости, но и среды. Вода в различных фазах накапливает потенциальную энергию и обладает пороговым давлением. Все это должно появиться до того, как станет возможным движение влаги. Следовательно, вязкость адсорбированной воды выше, чем вязкость свободной воды.

Пористость и водопроницаемость

Феномен движения влаги через бетон изучается с многих точек зрения. Прямой подход призван установить соотношения между различными свойст-

вами бетона. Пористость и водопроницаемость, кажется, имеют очевидную связь, но простое теоретическое рассмотрение практически устраняет их использование. Пористость среды не может дать точного определения ее водопроницаемости, так как в природе среды могут иметь одинаковую пористость, но разную водопроницаемость. Этот недостаток пропорциональности сам по себе является достаточным для того, чтобы устранить любую возможность извлечения важных, но необъективных взаимоотношений. Впрочем, оба параметра изменяются одинаковым образом, как будет представлено ниже.

Пористость - это мера пространства пор и, следовательно, вместимости водной среды. Для более четкого представления обратимся к рис. 1, на котором графически представлено отношение между удельным весом бетона конвективной тепловой обработки и количеством воды, необходимой для его пропитки.

а

ю

а

о

0

1

3

4 о « <и « и

<и

I?

о

ч

и

О

С

961.1 1 1 1 1 1

V 400 —

800.9 — —

\ 200

640.7 -

\ 100

480.6 — \ 60 &ес°*о$ 40 :

320.4 - X- 30

20

10

160.2 —■ 5

0 1 1 1 1 1

1.0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

320.4 640.7 961.1 1281.5 1601.8 1922.2 2242.6 2563

Плотность бетона, подвергнутого тепловой обработке, кг/м3

<и

ю

о

и

и

<и

I?

8

и

о

а

<и

«

И

<и

13

о

и

н

о

«

ч

«

д"

н

о

о

н

о

«

а

о

С

Рис. 1. Среднее поглощение бетоном воды в зависимости от его удельного веса Полная пористость в цементном тесте выражается как

— - 0,18га

П = —-----------,

-0

— + т\

С с

где —0 - содержание воды в процессе перемешивания бетонной смеси, кг; С -вес цемента, кг; т - водоцементное отношение; \с- удельный вес цемента (в пределах от 0,318 до 0,333), кг/м3.

Это отношение четко обозначает, что пористость зависит от водоцементного соотношения, а также от степени гидратации цемента. Для данного В/Ц пористость выше при более высоком В/Ц для определенного уровня гидратации и ниже при более высоком уровне зрелости. Кроме того, пористость

зависит от внешне приложенного давления и от водного и парового давлений, содержащихся в бетоне.

Понятие пористости во многом зависит от плотности материала, в котором жидкости могут проходить под воздействием движущих сил. Термин водопроницаемости был введен с развитием хорошо известного закона Дарси, который дал следующее описание анизотропной среды:

U, = ~K,,j V,,j при и j = 1 2 3

где U, - скорость течения (перемещения) жидкого компонента в ,-м направлении, м/с; K, j - водопроницаемость тензора; w . = — - сила главного потен-

,j dxj

циального градиента в j-м направлении, м/м.

Доказано, что тензор водопроницаемости K,,,j симметричен и, следовательно, шесть независимых величин достаточны для его определения в такой системе, если только смена направления напорного градиента не вызывает другого воздействия на скорость. Использование водопроницаемости в качестве тензора очень хорошо оправдано тем, что проход влаги в бетоне не зависит от любой системы координат.

Закон Дарси изучается различными исследователями. Было разработано множество моделей для представления разных материалов. Движение влаги через данные модели оказалось в соответствии с версиями закона Дарси, которые были выведены при тех же допущениях, что и разработанные модели. Водопроницаемость, обычно используемая в данных моделях, приобретает свои качества от характеристик жидкостей, а также геометрии среды. Это обычно выражается [11]:

Ksat =^K, ц

где Ksat - насыщенная водопроницаемость, м/с; yw - плотность воды, кг/м3; Ks - граничная среда водопроницаемости, м2.

Экспериментальные исследования, проведенные Г.Т. Орлабом [12], показывают, что прохождение более одной фазы через среду указывает на то, что присутствие второй фазы не только делает водопроницаемость намного ниже, но и в значительной мере понижает водопроницаемость смеси. Это очень хорошо выражено в эмпирическом отношении В.Р. Гарднера [13], где воздух и вода составляют фазы протекания. Это отношение верно для целого ряда почв и математически выражается:

k = a ,

^х+ b

где K - проходимость влаги, м/с; a, b, т - постоянные, определены экспериментально.

Соотношение a представляет насыщенную проницаемость, у (общий

b

напор в окружающей среде) повышается с понижением влагосодержания. Несколько других выражений было предложено для насыщенного и ненасыщенного течения, но самое последнее, разработанное для цементного теста [7],

дает большие перспективы не только потому, что оно основано на чисто рациональном анализе (т. е. на вязкостном сопротивлении жидкости на частицах, принимая во внимание эффект адсорбции на вязкости), но также благодаря простоте получения задействованных в нем постоянных. Тем не менее, несмотря на его применимость ко всем видам бетона, оно определяется насыщенным случаем.

Для затвердевшего бетона это выражается следующим образом:

где К1 - насыщенная водопроницаемость бетона, м/с; с - концентрация час-

Бетон проходит через три стадии формирования. Первая - стадия раствора, вторая - стадия коллоидации и третья - кристаллизации. Его водопроницаемость, как показано на рис. 2, зависит от В/Ц и от степени гидратации химической реакции. Водопроницаемость выше при более высоком В/Ц для определенной степени гидратации и ниже при более высокой степени зрелости. А.М. Невиль [2] обнаружил, что водопроницаемость ниже у более грубого цемента и что тепловая обработка конвекцией повышает водопроницаемость, так как она разрывает некоторые сети геля между капиллярными впадинами.

тиц, м3/м3; А, В, О - постоянные, определяются испытанием.

12

11

Отношение веса воды к весу цемента в свежей пасте (Б/Ц)

1,0 0,8 0,5 0,4 0,3 0,25

10

I М I I I

о

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

с

1-с

Рис. 2. Функции водопроницаемости для свежей, твердеющей и затвердевшей пасты: Ш0/С - водоцементное отношение; с - концентрация частиц; К1 - коэффициент водопроницаемости, см/с; Ш0 - содержание воды во время перемешивания, кг

На основе вышеизложенного следует определить, что общее соотношение между пористостью и водопроницаемостью не может существовать, хотя они изменяются одинаковым образом. Понятие водопроницаемости является очень полезным при исследовании движения воды в бетоне.

Библиографический список

1. Гныря, А.И. Технология бетонных работ в зимних условиях / А.И. Гныря. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1984. - 280 с.

2. Neville, A.M. Properties of Concrete / A.M. Neville. - New York : John Wiley and Sons, Inc., 1963.

3. Гныря, А.И. Теплозащита монолитных конструкций в зимнее время : автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 1993. - 65 с.

4. Гныря, А.И. Внешний тепло- и массообмен при бетонировании с электроразогревом смеси / А.И. Гныря. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1977. - 177 с.

5. Арбеньев, А.С. Массообмен разогретой бетонной смеси с внешней средой / А.С. Арбень-ев, А.И. Гныря // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1976. - № 3. - С. 106-110.

6. Петров, Л.В. Испарение воды в условиях свободной конвекции и вынужденного движения воздуха / Л.В. Петров // Межотраслевые вопросы строительства / ЦИНИС. - М., 1970. - Вып. 8. - С. 92-97.

7. Powers, Т.С. The Flow of Water in Hardened Portland Cement Paste: International Symposium on Water and its Condition in Soils / Т.С. Powers, Н.М. Mann, L.E. Copeland. - Committee on Physico-chemical Phenomena in Soils, Department of Soils Investigations, Highway Research Board, National Research Council, 1959. - 308 p.

8. Hilsdorf, H. The Water Content of Hardened Concrete. Report № 4. Nuclear Radiation Shielding Studies / H. Hilsdorf. - University of Illinois, Urbana, Illinois, February 1967.

9. Dorsey, N.E. Properties of Ordinary Water-Substance / N.E. Dorsey // American Chemical Society Mono. Series, Reinhold, 1954.

10. Glasstone, S. Theory of Rate Processes / S. Glasstone, K.J. Laidler, H. Eyring. - New York : McGraw-Hill, 1941. - 611 p.

11. Scott, R.F. Principles of Soil Mechanics / R.F. Scott. - Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1963.

12. Orlab, G.T. The Effects of Entrapped Gasese on the Hydraulic Characteristics of Porous Media / G.T. Orlab, G.N. Radhakrishna // Transactions, American Geophysical Union -Vol. 39. - № 4. - August 1958. -648 p.

13. Gardner, W.R. Soil Suction and Water Movement / W.R. Gardner // Conference on Pore Pressure and Suction in Sells. - Buttervorths, London, 1961. -137 p.