CC BY
76
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 66.021.3: 666.97.035.55
К.В. Аксенчик, Н.И. Шестаков, М.Ю. Белозор
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ БЕТОНА В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
В статье представлены методика и результаты экспериментального исследования динамики среднего влаго-содержания в бетоне на шлаковом щебне, подвергаемом тепловлажностной обработке. Разработана математическая модель для расчета полей влагосодержания в бетоне на шлаковом щебне. С помощью модели исследованы режимы тепловлажностной обработки.
Бетон на шлаковом щебне, влагосодержание, математическая модель, тепловлажностная обработка бетона, режим тепловлажностной обработки, усадка бетона, набухание бетона.
The article presents the technique and results of experimental research of average moisture dynamics in blust furnace slag concrete subjected to heat- and moist curing. The mathematical model is developed for calculation of fields moisture in blust furnace slag concrete. Regimes of heat- and moist curing are investigated by means of model.
Blust furnace slag concrete, moisture, mathematical model, heat- and moist curing of concrete, regime of heat- and moist curing, concrete shrinkage, concrete swelling.
Бетон, твердеющий в условиях тепловлажностной обработки (ТВО), подвергается воздействию температуры и влаги. Это обусловливает протекание в нем процессов тепломассообмена. Гидратация цемента, температурные воздействия и движение влаги влияют на структурообразование бетона. Температурные и влажностные градиенты в бетоне, в котором происходит нарастание прочности, вызывают термо- и влагонапряженное состояние. Для исследования влажностных напряжений в бетоне необходимо предварительное определение полей влагосодержа-ний.
В настоящей работе экспериментально исследована динамика влагосодержания в бетоне на шлаковом щебне, подвергаемом ТВО, и разработана математическая модель, адекватно описывающая данный процесс.
Исследование полей влагосодержаний в твердых телах вызывает большие трудности, связанные с использованием сложного и дорогостоящего оборудования (радиометрический метод), поэтому нами использован весовой метод, позволяющий изучить динамику среднего влагосодержания.
Исследование изменения влагосодержания бетона в процессе пропаривания проводили на лабораторной экспериментальной установке, которая представляет собой камеру пропаривания, снабженную нагревательным и измерительным приборами. Измерение температуры в камере пропаривания осуществляли с помощью термопар К-типа модели ТР-01А, которые соединялись с мультиметром типа М838. Установка включает в себя секундомер для отсчета времени тепловлажностной обработки.
Образцы-кубы размерами 0,1x0,1x0,1 м изготовляли из жесткой бетонной смеси в деревянной форме. В экспериментах использовались следующие материалы: шлаковый щебень двух фракций из домен-
ного шлака ОАО «Северсталь», песок, топкинский портландцемент ПЦ 400-Д20, вода и добавка для ускорения твердения «Реламикс Т-2». Состав исследуемых образцов представлен в табл. 1.
Таблица 1
Состав и характеристики бетонной смеси
Состав Портландцемент, кг/м3 jS it и о с е П Щебень фракции 5-10, кг/м3 Щебень фракции 10-20, кг/м3 3м ,а д о и с к3 S 2 л ,2 е- Рч Н Плотность бетонной смеси, кг/м3
1 350 685 623 522 170 6,5 2350
2 320 626 572 475 155 5,5 2148
Использовали ударное уплотнение и штыкование. Бетон оставляли твердеть в течение 20-22 ч под влажной тканью для набора распалубочной прочности. После распалубки образцы взвешивали и сразу помещали в пропарочную камеру. Все поверхности образцов были открытыми. В течение цикла пропа-ривания каждые 30 мин замеряли массу образцов путем их взвешивания с точностью до 1 г. После пропаривания образцы сушили до постоянной массы при температуре (105 ± 5) °С. Расчет среднего влаго-содержания образцов выполняли по формуле
_ т - т U = —-^ 100%,
где тв
т„.
- массы влажного и сухого образцов
соответственно, кг.
В табл. 2 указаны условия проведения экспериментов.
m
Таблица 2
Режимы тепловлажностной обработки экспериментальных образцов
Режим ТВО Номер эксперимента
1 2
Предварительная выдержка под влажной тканью Температура t, °С 25 25
Длительность х • 10-3, с 79,2 72
Предварительная выдержка в пропарочной камере Температура t, °С 23-25 25
Длительность х • 10-3, с 3,6 3,6
Подогрев Скорость нагрева W1T • 103, °С/с 6,56 16,39
Длительность х • 10-3, с 9 3,6
Изотермическая выдержка Температура t, °С - 82-83
Длительность х • 10-3, с - 5,4
Термосное охлаждение Температура разогрева tp, °С 84 -
Длительность х • 10-3, с 9 5,4
Скорость охлаждения W2T • 103, °С/с 4,22 7,04
Результаты исследований для состава 1 представлены на рис. 1.
U, % 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0
3,5
W у
ч*
; ю
Время х • 10-3, с а)
90 t, % U, % 6,5
15 20
74
58
42
26
10
6,0 5,5 5,0 4,5 4,0
-V
♦ ♦ \
♦ И / 2 \
W
♦
5 10 15 20 Время t • 10-3, с б)
90 74 58 42 26 10
t, %
Рис. 1. Динамика среднего влагосодержания и образца (1 - экспериментальные значения; 2 - расчетные значения) и температуры среды / (3) в процессе ТВО: а - эксперимент 1; б - эксперимент 2
Из рис. 1 видно, что рост температуры предварительной выдержки приводит к незначительному увеличению влагосодержания образцов (примерно на 0,05 %), а постоянная температура предварительной выдержки, наоборот, - к уменьшению влагосодержания образцов.
Стремительный рост влагосодержания образцов происходит только в период их подогрева, причем ближе к концу периода подогрева рост влагосодер-жания сменяется его уменьшением, которое происходит все оставшееся время цикла пропаривания вплоть до выгрузки образцов из камеры. В период изотермической выдержки влагосодержание образцов также уменьшается, но с несколько меньшей скоростью, что можно объяснить постоянством температуры изотермической выдержки.
Эксперименты по динамике влагосодержания позволили определить значение коэффициента диффузии жидкой влаги (воды) в бетоне на шлаковом щебне ат = 5,26 • 10- м/с и использовать далее это значение в расчетных исследованиях.
Для расчетных исследований полей влагосодер-жания в бетонных плитах, твердеющих в условиях ТВО, разработана математическая модель, включающая дифференциальное уравнение диффузии, записанное через влагосодержание:
Эи Э2и Im
-= a--и-Л-
Эх m Эх2 р
(1)
где и - удельное влагосодержание, кг/кг; т - время, с; ат - коэффициент диффузии влаги, м2/с; х - текущая координата, м; 1т - интенсивность стока влаги за счет реакций гидратации цемента, кг/(м • с); р -плотность, кг/м3.
Интенсивность стока влаги определяли по [2] как
Im =- ^Ц
Q (х)
где К - коэффициент пропорциональности, представляющий собой количество химически связанной
х
воды единицей массы цемента при ее частичной гидратации в бетоне, во время которой выделяется 1 Дж теплоты, (кг/кг)/( Дж/кг) ; Ц - содержание цемента в
бетоне, кг/м3; Q ( т) - тепловыделение цемента в момент времени t, Дж/кг.
В литературе имеется множество моделей для расчета тепловыделения цемента. По нашему мнению, наиболее подходящей (простота, хорошее совпадение с экспериментальными данными) для данного случая является модель А. А. Гвоздева [3]:
Q(т) = Qmax (l-^61Ь1<Г6Т-в ),
где Qmax - максимально возможное тепловыделение цемента, Дж/кг; хприв - приведенное время твердения, с.
Согласно [2], зачение Qmax для портландцемента марки М400 можно принять равным 420 кДж/кг.
Влагосодержание бетона в начальный момент времени принимали постоянным по всему объему образца:
U (x, 0) = U0 = const.
(2)
Начальное влагосодержание определяли по содержанию воды в бетоне в момент укладки:
U0 =
в/Ц
1 + П + Щ
где В/Ц - водоцементное отношение, кг/кг; П, Щ -массовые отношения части песка и щебня к цементу в бетонной смеси соответственно, кг/кг.
Так как бетон пропаривается в формах, закрытых с пяти сторон, то граничные условия несимметричны для открытой (х = 0) и закрытой поверхности (х = Н) бетонных плит:
dU (x, t) dx
a Фпвс 100
[рв.п (Tcp М)-РвЛ (T ( x, t)| x=0 )] ,
du ( x, t)
dx
= 0,
(3)
(4)
где рв - плотность влаги (воды), кг/м3; а' - коэффициент влагоотдачи, м/с; фПВС - относительная влажность ПВС, %; рвп - плотность насыщенного водяного пара, кг/м3; ТСР (т) - температура ПВС в зависимости от времени, К; Т (х, т) | - температура на открытой поверхности бетона.
Температурные поля в бетоне, твердеющем в условиях ТВО, исследованы ранее в [1].
Коэффициенты влагоотдачи находили по критериальным уравнениям из [4], [5].
На значение влагосодержания вводили ограничение, связанное с тем, что бетон представляет капиллярно-пористое тело, обладающее минимальной и максимальной степенью насыщения:
U . < U < U .
min max
(5)
В качестве минимального влагосодержания использовали равновесную влажность бетона, которую определяли по уравнению десорбции для тяжелых бетонов [2]:
Uр =( 20 + 1,5фпвс ) • 10-4.
Максимальное влагосодержание (водопоглоще-ние) определяли через пористость бетона и экспериментально по ГОСТ 12730.3-78. В результате обработки экспериментальных данных [6] получена зависимость пористости бетона от его средней плотности в сухом состоянии, % :
Р = 101,29 - 0,0403рсух ,
тогда максимальное влагосодержание можно выразить как
10Р
Рвл - 10Р
где рвл - средняя плотность влажного бетона, кг/м .
Математическую модель (1)-(5) решали методом конечных разностей по симметричной схеме Кран-ка - Николсона. Тестированием моделирующего алгоритма выбрана расчетная сетка с максимальным шагом по времени 180 с, и количеством узлов сетки по координате, равным 40. На такой сетке погрешность численного решения не превышает 1 %.
Для определения среднего расчетного влагосо-держания использовали формулу
- 1 H
U (t) = — { U (x, t) dx .
Проверка адекватности разработанной модели показала, что расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышает 7 % (рис. 1), что находится в пределах погрешности средств измерения.
Адекватную модель (1)-(5) использовали в расчетных исследованиях. На рис. 2 показан пример поля влагосодержаний для бетонных плит размерами 3,2 х 1,2 х 0,1 м, подвергаемых ТВО по режиму 2 + + 4 + 6 + 3 с температурой изотермической выдержки 85 °С и интенсивным охлаждением путем подачи в камеру холодного воздуха. Скорости подъема и спуска температуры в камере равны соответственно 4,17 • 10-3 и 3,12 • 10-3 °С/с. Исследуемый бетон соот-
ветствует составу 2 табл. 1.
x=0
0
x=H
Время t • 10 3, с
Рис. 2. Динамика влагосодержания в сечениях бетонной плиты на разных расстояниях х (м) от открытой поверхности: 1 - х = 0 (открытая поверхность); 2 - х = 0,01; 3 - х = 0,03; 4 - х = 0,05; 5 - х = = 0,07; 6 - х = 0,1 (закрытая поверхность)
Из рис. 2 и 3 видно, что в слоях, расположенных от открытой поверхности плиты до центральной плоскости, влагосодержание меняется значительно по толщине, а в нижележащих слоях наблюдается его слабое изменение. Период предварительной выдержки характеризуется практическим отсутствием испарения влаги с открытой поверхности и соответственно слабым изменением влагосодержания по толщине, период подогрева - интенсивной конденсацией пара на открытой поверхности и проникновением влаги в поры материала, периоды изотермической выдержки и охлаждения воздухом - интенсивным удалением влаги из материала. В эти периоды по толщине плиты возникают значительные градиенты влагосодержания. Закономерности динамики вла-госодержания, наблюдаемые в эксперименте (см. рис. 1), сохраняются и в расчетных исследованиях.
Текущая координата по толщине плиты, м
Рис. 3. Динамика влагосодержания по сечению бетонной плиты в разные моменты времени t • 10-3 (с) от начала цикла ТВО: 1 - 0; 2 - 14,4; 3 - 25,2; 4 - 28,8; 5 - 32,4; 6 - 36; 7 - 39,6; 8 - 43,2; 9 - 46,8; 10 - 50,4; 11 - 54: 12 - 57,6
Рост влагосодержания сопровождается набуханием материала, следовательно, возникновением напряжений набухания, которые после начала снижения влагосодержания, релаксируются до определенного уровня и могут перейти в напряжения усадки.
Усадка бетона начинается, когда его влагосодержание в данный момент времени U (x, т ) меньше критического влагосодержания икр. Оценка критического влагосодержания, сделанная по методике, предложенной в [2], показала, что для рассматриваемых условий икр = 2,1 % . Следовательно, условия,
способствующие развитию напряжений усадки, не наблюдаются. Аналогичные графики были получены для других режимов с изотермической и термосной выдержкой.
Установлено, что развитию усадки в режимах с изотермической выдержкой способствуют: снижение длительности предварительной выдержки, увеличение скорости подъема и спуска температуры среды в камере, длительности и температуры изотермической выдержки. Режимы с термосной выдержкой более благоприятны, так как практически полностью исключают появление усадки бетона.
Таким образом, экспериментальное исследование среднего влагосодержания бетона в процессе его ТВО позволило выявить общие закономерности процессов тепломассообмена, найти значение коэффициента диффузии жидкой влаги (воды) в бетоне на шлаковом щебне и доказать адекватность модели (1)-(5). Расчетные поля влагосодержаний в бетоне позволяют оценить возникновение усадки и дать рекомендации по назначению режимов ТВО.
Литература
1. Аксенчик, К.В. Исследование тепло- и массообмена в бетонных плитах, подвергаемых тепловой обработке / К.В. Аксенчик, Н.И. Шестаков // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2010. - № 4. - С. 63-67.
2. Александровский, С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учетом ползучести / С.В. Александровский. - М., 1966.
3. Васильев, П.И. Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений / П.И. Васильев, Ю.И. Кононов, Я.Н. Чирков. - Киев; Донецк, 1982.
4. Нестеренко, А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха / А.В. Не-стеренко. - М., 1971.
5. Рудобашта, С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой / С.П. Рудобашта. - М., 1980.
6. Франчук, А. У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов / А.У. Франчук. - М., 1969.
