Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

крытой грани бетонного образца. Микротензиометры имели внутренний и внешний диаметры соответственно 0,2 – 0,6 мкм и 0,1 мм, длину 4 – 5 см.

Опыты проводили при конвективно-кондуктивном подводе тепла. Бетонная смесь состояла из компонентов: портландцемент, песок, щебень, вода соответственно 400, 750, 1110, 180 кг/м3. Она укладывалась в жесткую форму (кювету) и уплотнялась на вибрационной установке. Свежесформованные образцы кубической формы помещали в камеру и подвергали термообработке. Боковые стенки образца были теплоизолированы. Снизу от нагревателя подводили тело, а сверху с открытой грани куба происходило испарение влаги в атмосферу с относительной влажностью воздуха 0,45. Режим тепловой обработки был следующим: подъем температуры от комнатной до 353 К (у нагревателя) – 3 ч; изотермическая выдержка при Т=353 К – 4 ч и охлаждение до комнатной температуры – 2 ч. Распределение влагосодержания по высоте образца в этом опыте и последующих определяли по поглощению гамма-излучения.

положительное давление. Оно было вызвано парообразованием и положительным давлением пузырьков воздуха в макропорах. По мере обезвоживания и повышения температуры поверхностных слоев материала тензиометры показывали отрицательное давление.

О наличии зоны интенсивного парообразования свидетельствуют распределения капиллярных давлений на разных расстояниях от нагревателя. Зона интенсивного обезвоживания преимущественно крупных пор и парообразования по мере прогрева материала возрастала от нуля до 4 мм (рис. 5.9б). В слоях 4 – 10мм возникали отрицательные давления. В более

145

После термовлажностной обработки в пропарочных камерах прочность бетонных изделий ниже, чем при твердении в обычных (комнатных) условиях. Как показывают проведенные эксперименты, причиной снижения прочности является обезвоживание поверхностных слоев изделий. Это ухудшает процесс растворения цемента и соответственно уменьшает число фазовых контактов между частицами.

Защемленные пузырьки воздуха стремятся раздвинуть частицы малопрочной в начальной стадии твердения коагуляционной структуры, а отрицательные капиллярные давления, наоборот, уплотнить их. Так как их распределение вблизи нагревателя неравнозначно (см. рис. 5.8, 5.9), то возникает неравномерная усадка периферийных слоев, приводящая к нарушению сплошности материала. Образуются первичные поверхностные трещины в местах, в которых число фазовых контактов между отдельными частицами наименьшее. Последующее увеличение перепадов капиллярных давлений и температуры приводит к дальнейшему развитию трещин. По этой причине прочность бетонного изделия, прошедшего термообработку, ниже, чем при обычном твердении.

Трещинообразование при термообработке или высокой температуре и низкой относительной влажности окружающего воздуха можно уменьшить путем увлажнения поверхности изделия или увеличения относительной влажности воздуха над ним в начальном периоде твердения. Это способствует интенсивному растворению частиц цемента и росту числа фазовых контактов. В результате наблюдается увеличение прочности образующейся кристаллизационной структуры цементного камня. После набора прочности поверхностными слоями целесообразно удалить избыток влаги из бетона.

Для подтверждения явления расширения пузырьков газа (воздуха) при нагреве бетонной смеси были проведены специальные эксперименты. Бетонную смесь помещали в кювету с основанием 10 ×10 см и высотой 20 см и уплотняли на виброустановке. Две боковые стенки кюветы были изготовлены из нержавеющей стали. К ним подводили переменный ток для электронагрева бетонной смеси. На стальных стенках были установлены индикаторы перемещения для фиксации изменений объема смеси в процессе нагрева. Расширение бетона происходило по высоте образца. На внешней открытой его поверхности была установлена жесткая площадка, связанная с индикатором перемещения. Температуру бетонной смеси контролировали термопарами.

Измеряли приращение объема смеси при термообработке V относительно начального V0. Затем рассчитывали изменение относительных средних размеров пузырьков воздуха от начального R0 до конечного Rк по формуле Rк/R0 =(1 + V/V0)1/3. Дифференцируя зависимость (Rк −R0)/R0 = = R/R0, можно было определить относительную скорость расширения пузырьков газа v(τ) = R/(R0Δτ).

147

В верхней части образца плотность минимальна из-за накопления пузырьков воздуха. Они «защемляются» в процессе формирования образца и практически не удаляются при вибрации. Об этом свидетельствует средняя по объему плотность (рис. 5.11, кривая 5). Она незначительно уменьшается при разогреве смеси.

Если температура была ниже 333 К, то из-за уменьшения избыточного давления в пузырьках воздуха в стадии разогрева смеси диапазон изменений плотности был меньше, чем при температуре 353 К.

При введении добавок ПАЩ-1 до 0,2% от массы бетона после термообработки и последующей вибрации наблюдается уменьшение плотности поверхностного 3-сантиметрового слоя за счет перемещения пузырьков газа из нижележащих слоев. При введении в бетон добавок ПАЩ-1 0,4

– 0,6% и температуре 333 К средняя объемная масса незначительно увеличивается, а при Т=353 К снижается.

Из приведенных результатов экспериментов следует:

1)наибольшая скорость расширения пузырьков газа происходит при температурах 323 – 333 К в начальный период нагрева бетонной смеси;

2)скорость расширения пузырьков возрастает с уменьшением их диаметров;

3)избыточное давление в пузырьках газа приводит к упругопластическим деформациям бетонной смеси на всех этапах термообработки;

4)вибрация смеси после кондуктивного нагрева образца бетона снизу вызывает передвижение пузырьков газа и их накопление в его верхней части; это служит причиной снижения прочности поверхностных слоев бетона.

5.3.Влагоперенос в бетоне при конвективном способе подвода тепла

Односторонний конвективный прогрев торцевых поверхностей образцов тяжелого бетона проводили нагретым воздухом при температуре 353 К и относительной влажности воздуха ϕ=0,6; 0,8; 1. Время предварительной выдержки образца после формования, подъема температуры до 353 К, изотермического нагрева и остывания соответственно было равно 1 +2 +3 +2 ч. Конвективный подвод тепла близок к условиям термообработки бетонных изделий нагретым паром. Подобные условия имеют место при строительстве различных сооружений из бетона в регионах с жарким, засушливым климатом.

149

Опыты проводили с бетонной смесью, составленной из портландцемента марки 500, песка фракции 0,2 – 0,3 мм, щебня и воды соответственно в количестве 525, 605, 1080, 190 кг/м3. Для распределения влагосодержаний в свежесформованных образцах бетона применялся метод гаммаскопии. Источником излучения γ-квантов был цезий-137 с активностью 4,8 мг-экв радия.

Механизм влагопереноса в образцах бетона высотой 5, 7, 10 см и одинакового сечения 15 ×15 см аналогичен. В них устанавливается волнообразное и изменяющееся по мере нагрева и охлаждения распределение влаги. Максимальное снижение влагосодержания в конце термообработки наблюдается вблизи открытой поверхности бетонного образца. Чем меньше высота образца и относительная влажность воздуха, тем быстрее иссушаются его верхние слои.

При ϕ=1 перенос влаги из образца в окружающую парогазовую среду отсутствует. В начальный период термообработки наблюдается кон-

период изотермического нагрева материала. Температурные кривые имеют экстремумы. Они возникают в процессе массопереноса в определенных слоях образца, где более интенсивно происходят процессы испарения влаги с поглощением тепла, а также гидратации цемента с его выделением.

При ϕ≥0,8 (рис. 5.13а) в конце изотермической выдержки температура образца была выше температуры внешней парогазовой среды (кривые 4, 5) вследствие выделения тепла при гидратации. Для меньших значений

150

ϕ=0,6 (рис. 5.14а) из-за интенсивного испарения влаги внутри образца его температура не превышает 353 К.

В течение первых двух часов от начала эксперимента при ϕ=1 (см. рис. 5.12а) температура верхнего и нижнего слоев образца выше, чем центральных. Через три часа и до конца изотермической выдержки температура во всех слоях образца постоянная. Перераспределение влажности в это время происходит за счет градиентов влагосодержания (см. уравнение (3.7.2)), возникающих из-за неравномерного распределения влаги в начальной стадии термообработки образца (см. рис. 5.12б).

Подобное распределение влагосодержания наблюдается при ϕ=0,8 (рис. 5.13б). Увеличение влажности верхнего слоя в начале эксперимента вызвано конденсацией паров воды на открытой поверхности, так как образец к этому времени еще не прогрелся.

Затем по мере прогрева образца происходит снижение влагосодержания верхнего слоя и повышение его в нижележащих слоях за счет термовлагопроводности, направленной во внутрь образца. По мере снижения градиентов температуры термоперенос влаги уменьшается. После четырех часов от начала эксперимента происходит перенос влаги к торцам образца.

Аналогичная картина влагопереноса имеет место при относительной влажности воздуха ϕ=0,6 (рис. 5.14б). Вначале происходит понижение влагосодержания поверхностного слоя образца, а затем вследствие конденсации паров из окружающей парогазовой среды и внутреннего капил- лярно-осмотического переноса – увеличение на 0,02 – 0,04.

151

пиллярно-осмотического переноса (отсасывания) влаги в зону испарения к открытому торцу образца.

Вначале процесса при подъеме температуры, как и у тяжелых бетонов, наблюдается незначительная конденсация пара на открытой поверх-

поверхностных слоев образца, и термоперенос ее в более глубокие слои материала.

На участке BC вследствие значительного обезвоживания поверхностных слоев возникает капиллярно-осмотический влагоперенос из внутренних слоев в зону испарения. Удаление влаги из крупных пор приводит к образованию связанной системы свободных поровых каналов, по которым происходит перенос влаги в паровой фазе из коагуляционно-кристал- лизационной структуры бетона. Это существенно снижает интенсивность удаления влаги из образца (участок CD). Все эти механизмы действуют одновременно, но по мере обезвоживания материала последовательно ка-

*Ц, П, В – соответственно цемент, песок, вода; **с добавкой СДБ 0,2%.

Взатвердевших образцах мелкопористого цементно-песчаного бетона нормального (без нагрева) твердения методом фильтрации меченой

жидкости были определены радиусы r >0,1 мкм водопроводящих пор при

153