Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
2.3 Mб
Скачать

Во всех способах тепловой обработки скорость испарения влаги возрастает с повышением температуры и снижением относительной влажности внешней парогазовой среды. При наличии неравномерных распределений влагосодержания по высоте образца имеет место неравнозначная растворимость цемента и возникают напряжения, вызывающие трещинообразование.

 

 

Процесс структурообразования и проч-

 

 

ность зависят от водоцементного отношения

 

 

бетонной смеси (рис. 5.25). В опыте при темпе-

 

 

ратуре 353 К с наличием поверхностного слоя

 

 

воды и без него прочность на сжатие σ через 12 ч

 

 

после нагрева при В/Ц= 0,4 составила 25 и

 

 

20,5 МПа, после 28 суток – 40 и 32, при нор-

 

 

мальном твердении – 37.

 

 

При конвективно-кондуктивном способе

 

 

подвода тепла (ϕ=1) с одной открытой поверх-

 

 

ностью бетонного образца после 12 ч и 28 су-

 

 

ток прочность соответственно была равной

 

 

20,2; 30,7 МПа; при нормальном твердении в

Рис. 5.25.

Зависимость

течение 28 суток – 30,5 МПа. При комбиниро-

прочности бетона σ (МПа)

ванном режиме соответственно после 0,5 и

от водоцементного отноше-

28 суток твердения прочность была равна 19,4;

ния после термообработки и

29,1 МПа, без термообработки – 30.

последующего 28-суточного

При выборе способа термообработки бе-

нормального

твердения (1,

2) и через 12 ч после окон-

тона предпочтение следует отдать комбиниро-

чания прогрева (1, 2): кон-

ванному способу подвода тепла. В процессе та-

дуктивный прогрев с покры-

кой термообработки при низких значениях от-

вающим водным бассейном

носительной влажности воздуха удаляется из-

(1, 1); то же без водного

быточная влага, а затем при ϕ≈1 и постоянной

бассейна (2, 2); без термо-

температуре происходят интенсивные процес-

обработки (3) (жесткость сме-

си 20 – 30 с)

 

сы структурообразования без убыли влаги из

бетона. Дальнейшее увеличение прочности бетона происходит без тепловой обработки в обычных условиях.

5.5.Тепломассоперенос в бетонах при добавках пластификаторов

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) с разной интенсивностью адсорбируются на поверхности твердых тел. Они имеют различный химический состав. ПАВ неоднозначно воздействуют на компоненты бетонной

165

смеси и образующиеся в ней структуры [22]. Это подтверждают реологические опыты. Процесс перехода растворенных частиц в гель происходит в течение 6 мин, а нитеобразные фазовые контакты внутри геля возникают по мере их образования.

При внешнем воздействии в реологическом сдвиговом приборе усилие передается на зерна цемента и наполнителя через слои геля. Модуль сдвига G0 цементной пасты без внесения ПАВ возрастает экспоненциально по мере увеличения времени растворения и образования новой структуры. При сдвиге цементной пасты зерна цемента перемещаются относительно друг друга.

Вода и гелевый слой между ними являются «смазкой». От числа контактов и энергии межмолекулярных взаимодействий в воде и гелевом слое зависит модуль сдвига цементной пасты G0. Гелевые структуры, образующиеся без добавок ПАВ и электролитов, подвижны и тиксотропны. При добавках этих веществ изменяется число контактов и соответственно модуль сдвига G.

Добавка 0,01% додецилсульфата натрия к массе цемента вызывает существенное снижение модуля сдвига G (рис. 5.26, кривая 2). Большие по размеру молекулы додецилсульфата при адсорбции на поверхности клинкерных частиц препятствуют их растворению. Это вызывает снижение интенсивности гелеобразования и соответственно количества коагуляционных контактов. Аналогичные процессы имеют место при добавлении в

цементную пасту 0,1% щавелевой кислоты (кривая 3). Пластификация цемента (бетона) ПАВ влечет снижение прочности материала.

После введения в цементное тесто электролитов CuSO4, FeCl3 вначале наблюдается уменьшение модуля сдвига G по отношению к G0. В растворах меньше свободных молекул воды, которые участвуют в растворении цемента, поэтому происходит снижение интенсивности образования гелевых структур. В электролитах соединения

CuSO4 и FeCl3 находятся в диспергированном Рис. 5.26. Зависимость лога- состоянии. Катионы меди и железа встраива-

рифма отношения модуля сдви-

га цементной пасты с добавками ются в структуру новообразований и в пер- ПАВ G и без них G0 от времени вичной стадии структурообразования способ-

опыта τ (ч): без добавки (1); с ствуют росту коагуляционных, а затем фазо- добавкой 0,01% додецилсульфа- вых контактов между частицами образующе-

та натрия (2); 0,1% щавелевой гося геля. В связи с этим увеличиваются зна- кислоты (3); 0,1% CuSO4 (4); чения G. Однако снижение интенсивности

0,1% FeCl3 (5) (портландцемент

марки 400, В/Ц=0,4) растворения зерен цемента в начальный период вызывает уменьшение количества фазовых

166

контактов по истечении одного часа твердения цементной пасты по отношению к обычному процессу структурообразования без добавок электролитов и ПАВ.

Воздействие различных ПАВ на механизм твердения бетона при его термообработке неоднозначно. Опыты с образцами бетона размерами 7 ×7 ×7 см с добавками ПАВ и без них (табл. 5.3) проводили при конвективном теплоподводе при температуре 353 К и относительной влажности воздуха 0,2 в режиме: предварительная выдержка – 2 ч, нагрев – 3, изотермическая выдержка – 6 и остывание – 2 ч. Распределение влагосодержания по высоте образца без добавок ПАВ приведено на рис. 5.27а.

Таблица 5.3. Характеристики бетонной смеси с добавками ПАВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В/Ц

Расход материалов на 1 м3 смеси, кг*

Добавки ПАВ, %

образца

Ц

П

Щ

В

СДБ

ВРП-1

СНВ

1

0,4

450

680

1090

180

2

0,4

400

690

1154

150

0,2

0,015

0,015

3

0,4

320

760

1189

131

0,8

0,015

0,015

4

0,62

300

764

1150

186

5

0,62

275

785

1170

170

0,2

6

0,62

240

805

1206

149

0,8

* Цемент марки 400 Белгородского завода; плотность бетонной смеси во всех образцах 2400 кг/м3; Ц, П, Щ, В – соответственно цемент, песок, щебень, вода.

Рис. 5.27. Распределение влагосодержания по высоте образца h (см) в процессе термовлажной обработки бетона при В/Ц=0,4 без добавки (а) и с добавкой ВРП-1: 0,015 (б); 0,05 (в) % (цифры обозначают время от начала опыта)

167

Кривые распределения температуры (рис. 5.28) для 2-сантиметрового верхнего слоя бетона близки к линейным. Из-за перепада температуры по высоте образца возникала термовлагопроводность к холодному торцу, в обратном направлении – перемещение в зону испарения в виде сплошного ка- пиллярно-осмотического потока воды. Это приводило к обезвоживанию поверхностных слоев бетона у нагреваемого и холодного торцов.

В опытах с добавкой ВРП-1 (сополимер салициловой кислоты с формальдегидом) вместе с потоком влаги в жидкой фазе переносились и растворенные в ней ПАВ (см. рис. 5.27б, в). Влага испарялась в поверхностном 2-сантиметровом слое, где наблюдалась максимальная концентрация ПАВ. Из-за переноса ПАВ в эту зону снижалась реальная поверхность и соответственно интенсивность испарения. В верхних слоях и у основания образца из-за разных влагосодержаний и концентраций ПАВ процессы структурообразования проходили с разной интенсивностью.

Суменьшением температуры внешней парогазовой среды до 313 К и

ϕ=0,2 наблюдалось значительное обезвоживание бетона. Образец без добавки ПАВ имел среднее влагосодержание 0,081, а в конце термообработки 0,055. С добавкой 0,2% сульфидно-дрожжевой бражки (СДБ) среднее влагосодержание уменьшилось от 0,068 до конечного 0,035.

Влияние концентрации добавок ПАВ на величину убыли влаги при отсутствии и наличии ПАВ можно оценить, сравнивая графики изменения параметра В во времени (рис. 5.29). Величина В – отношение оставшейся в материале влаги к начальному ее значению (воды затворения), выраженное в процентах.

 

Рис. 5.29. Зависимость изменения

 

отношения среднего влагосодер-

 

жания к начальному (воды затво-

Рис. 5.28. Распределение темпе-

рения) В (%) от продолжительно-

ратуры Т (К) в образце без доба-

сти опыта τ (ч) при В/Ц=0,4: без

вок ПАВ во времени: 2 (1); 5 (2);

добавок (1); с добавками ВПР-1

11 (3); 22 (4) ч охлаждения

0,015% (2) и 0,05% (3)

С увеличением добавки ПАВ при В/Ц=0,4 наибольшее обезвоживание имеет место при добавке 0,05% ВРП-1. Кривые изменений В для других добавок ПАВ и водоцементного отношения подобны, но величина

168

обезвоживания различна. Так, в бетоне с В/Ц=0,62 с добавками 0,2 и 0,8% СДБ после 6 ч термообработки убыль влаги составила соответственно 53 и 77%, при В/Ц=0,4 – 35 и 56%, без добавок – 78. Все это является следстви-

ем изменения процессов структурообразования в цементе.

 

 

 

 

Из-за различия механизмов влагопе-

 

реноса и структурообразования конечная

 

прочность бетонных изделий с добавками

 

различных ПАВ неоднозначна. При введе-

 

нии

добавок различной

концентрации

 

(рис. 5.30) – ВПР-1 и нейтрализованная

 

смола (СНВ) – конечная прочность бетона

 

после 28 суток твердения незначительно

 

снижается. С увеличением концентрации

 

добавок СДБ конечная прочность умень-

 

шается. Добавка СДБ вносилась в бетон

 

большей концентрации, чем ВПР-1 и СНВ

 

(см. табл. 5.3), что приводило к уменьше-

 

нию скорости растворения клинкера, фазо-

 

вых контактов и соответственно прочности

 

бетона.

 

 

 

 

В экспериментах в процессе кондук-

 

тивного и конвективного способов подвода

Рис. 5.30. Изменение прочности

тепла изменения средних по объему влаго-

при сжатии σ (МПа) пропарен-

содержаний образцов (рис. 5.31) были по-

ного бетона при температуре

добны. Опыты проводили с образцами тех

353 К (режим 2 +3 +6 +2 ч) в за-

же размеров 7 ×7 ×7 см. Состав бетонной

висимости от концентрации С

смеси – цемент марки 500, песок, гранит-

(%) добавок ВПР-1 (а), СДБ (б),

ный щебень, вода соответственно 334, 716,

СНВ (в) после 12 ч (1), 28 суток

1176,

3

 

смеси

(2) и без добавок через 28 суток

174 кг/м ; плотность

твердения (3)

2400 кг и В/Ц=0,52. Температура при кон-

 

вективном прогреве была

353 К,

относи-

тельная влажность воздуха 0,2. При конвективно-кондуктивном способе термообработки температура была 353 К, а температура воздуха над открытой поверхностью четвертого и пятого образцов – 313 К, шестого – 293 К.

Кривые обезвоживания бетонной смеси при добавках СДБ и битумной эмульсии (эмульбита) имеют различия (рис. 5.31, кривые 2, 3 и 5, 6). При добавке СДБ происходит изменение структуры бетона: уменьшаются размеры микропор и возрастает количество крупных пор. В результате этого увеличивается интенсивность внутреннего влагопереноса.

Добавки эмульбита способствуют в начале термообработки ускорению удаления влаги из бетона, а затем интенсивность испарения влаги изза уменьшения жидкостного переноса вследствие гидрофобизации поровых каналов значительно снижается. При добавке 2% битума к массе це-

169

Рис. 5.31. Изменение среднего влагосодержания образца u от времени термообработки бетона с В/Ц=0,52: а – при конвективном (1 – 3); б – кон- вективно-кондуктивном подводе тепла: без добавок (1, 4); с добавкой СДБ 0,15% (2, 5); эмульбита
1 (3) и 2% (6)
Рис. 5.32. Распределение влагосодержания u по высоте образца в различное время опыта (указано на графиках цифрами) τ (ч) для образцов 1 (а), 3 (б), 4 (в), 6 (г) (u0 – начальное влагосодержание);
концентрации добавок – см. подписи на рис. 5.31

мента и без него средний размер пор и величина пористости близки. Но бетон при добавке эмульбита имеет большую неоднородность в размерах пор. Влага по крупным порам в первые часы опыта переносится к поверхности испарения. Интенсивность обезвоживания велика. Об этом свидетельствуют кривые распределения влагосодержания по высоте образца h при конвективнокондуктивном теплоподводе

(рис. 5.32а, б).

При добавках эмульбита в первые часы термообработки нижние слои бетона обезвоживаются в большей степени, чем без добавок. Особенно это имеет место для образца с добавкой эмульбита при конвективнокондуктивном способе подвода тепла (рис. 5.32в, г). После удаления воды из крупных пор резко умень-шается убыль влаги, так как происходит обезвоживание коагуляционной и кристаллизационной структуры цемента. Влага в этом случае

испаряется внутри нее и затем по открытым макропорам пар переносится во внешнюю парогазовую среду.

При наличии ПАВ в растворе частицы битума устойчивы. Они не могут коагулировать, так как стабилизированы сорбированными на их поверхности поверхностно-активным веществом СДБ. Десорбция молекул ПАВ приводит к потере устойчивости битумных частиц, которые коагулируют. Укрупненные частицы битума остаются внутри пор бетона и кольматируют их. Поэтому они не переносятся потоками жидкости внутри пор в зону испарения.

170

Из-за неравномерного распределения конечного влагосодержания внутри структуры бетона создается соответствующее различие в его структуре, что приводит к снижению общей прочности бетона на 8% при добавке 2% эмульбита по отношению к бетону без добавки. Вследствие соосаждения внутри пор частиц битума его газопроницаемость снижается в 8 – 10 раз. Бетон с добавкой эмульбита является малопроницаемым для газов и воды.

Для уменьшения испарения с открытых поверхностей бетонных образцов были применены гидрофобные масляные смазки, которые наносили тонким слоем на эти поверхности. Нижние слои кондуктивно нагревали до температуры 353 К. Опыты проводили в режиме 2 +3 +6 +2 ч. При температуре парогазовой среды не выше 298 К и высокой относительной влажности воздуха ϕ=0,65 из-за масляных защитных слоев существенно уменьшается интенсивность испарения, а среднее влагосодержание от начального снижается на 0,02 – 0,03.

При более высоких температурах и низких значениях относительной влажности воздуха происходит испарение части смазки, а также эмульгирование другой ее части, что вызывает увеличение интенсивности испарения и снижение конечного влагосодержания на 0,03 – 0,04 от начального. С ростом температуры парогазовой среды и внесения в бетонную смесь ПАВ (особенно ВПР-1) интенсивность процесса эмульгирования масляных покрытий увеличивается. Поэтому их применение становится нецелесообразным.

171

6. ТЕРМОПЕРЕНОС ВЛАГИ

6.1. Механизм термовлагопроводности

Термовлагопроводность – передвижение влаги под воздействием градиентов температуры (см. уравнение (3.7.2)) – играет существенную роль в процессах термообработки, сушки различных материалов, миграции влаги в почвах, грунтах, строительных конструкциях и других телах. В набухающих реальных материалах механизм термовлагопроводности более сложный, чем в модельных средах.

Исследования термовлагопроводности проводили при радиационном и кондуктивном методах подвода тепла [32]. В первой установке исследуемый материал (торф) помещали в разъемный вдоль его оси пластмассовый цилиндр. Предварительно в торф вводили радиоактивную метку Na2S*O4. Один торец образца нагревался инфракрасным излучателем. Температуру измеряли полупроводниковыми термосопротивлениями. В конце опыта послойно по длине образца определяли влагосодержание и удельную радиоактивность.

Вторая установка имела две прямоугольные камеры, соединенные резиновыми шлангами с термостатами. Вода в камерах поддерживалась при заданной температуре с точностью ±0,1 К. Между камерами устанавливались цилиндрические колонки, в них находились меченные радиоактивным индикатором образцы исследуемого материала.

Колонка (рис. 6.1) состояла из набора капроновых колец 1. Наружный диаметр колец 10 cм, внутренний 4 cм, толщина кольца 9 мм. Между кольцами закладывались миллиметровые резиновые прокладки 2, покрытые вакуумной смазкой. Длина колонок 5 и 7 см. Тепловой поток от термостатирующих камер к образцу, находящемуся в колонке, поступал (или отводился) через латунные тепло-

Рис. 6.1. Схема колонки проводы 3. Кольца в колонке скре-

для изучения термовлагопроводности

172

(кривые 1 – 5). Прямым линиям соответствуют начальные значения u и N/N0

плялись двумя анкерными винтами 4. Опыты одновременно проводились с шестью образцами. Применение колонок из капроновых колец с прокладками обеспечивало надежную тепло- и влагоизоляцию образцов и точную привязку к определенному сечению образца при разборке колонки. После окончания опыта колонки извлекали из установки и послойно разбирали.

В результате опытов на первой установке с торфом получены кривые распределения влагосодержания и относительной активности по длине образца (рис. 6.2). При радиационном нагреве левого торца образца в зависимости от влагосодержания возникали различные средние температуры Тср и градиенты температуры Т (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Начальные условия проведения эксперимента (рис. 6.2)

u0

Тср,

Т,

 

 

К

К/м

1

0,62

328

0,058

2

2,5

320

0,045

3

3,64

328

0,035

4

4,22

327

0,033

5

5,01

333

0,023

Кривые распределения относительной радиоактивности N/N0 (N, N0 – радиоактивности в конце и начале опыта) и влагосодержания u по длине образца приведены на рис. 6.2. При малом влагосодержании торфа и пористости δ=0,77 (кривая 1) наблюдается преимущественный перенос влаги в виде пара в холодную сторону. В на-

чальной стадии опыта при прогреве Рис. 6.2. Распределения по длине ко- образца наблюдался интенсивный пе- лонки l, см влагосодержания u и отно- ренос и испарение влаги вблизи горя- сительной радиоактивности N/N0 чего торца. Об этом свидетельствует

увеличение концентрации метки у нагреваемого торца.

По мере накопления влаги вызванного конденсацией пара в холодной части образца, происходило частичное или полное заполнение свободных пор водой. Создавалась система водопроводящих каналов конденсированной влаги. Часть ее осмотически поглощалась набухающими частицами торфа. По этой системе возникал поток жидкости, обратный потоку тепла, который переносил радиоактивную метку из правой в левую часть образца.

173

 

Кривые радиоактивности 3 и 5

 

при больших влагосодержаниях имеют

 

S-образный вид. Это свидетельствует о

 

наличии внутренних циркуляционных

 

потоков влаги внутри замкнутого об-

 

разца.

 

О наличии двух потоков влаги к

 

холодному и нагреваемому торцам об-

 

разца свидетельствуют специальные

 

опыты с сетками, которые пропитывали

 

радиоактивным индикатором (рис. 6.3).

 

Они находились на расстоянии 3 мм от

 

торцов образца. В первом образце сетка

 

была у левого, нагреваемого, во втором

Рис. 6.3. Результаты опытов с сетками

– у холодного торца. Опыты проводили

в строго идентичных условиях. Влага

с радиоактивным индикатором

смывала индикатор с сетки и переноси-

 

ла в направлении жидкостного потока.

Кривые 1 и 2 существенно отличаются. Перенос влаги от горячего к холодному торцу (1) значительно меньше, чем в обратном направлении (2). Влага по направлению потока тепла переносится в виде пара, а в обратном направлении в жидкой фазе. Незначительное изменение концентрации метки по длине образца (1) вызвано диффузией самой метки и ее переносом осмотическим потоком.

Набухшие гидрофильные материалы имеют различную свободную пористость, вычисляемую по формуле (4.3.2). При наличии свободных, не занятых водой пор, влага в паровой фазе перемещается по всей длине образца от горячего к холодному торцу. При отсутствии сплошных каналов термовлагопроводность следует рассматривать как последовательный ряд испарений влаги с поверхности одной набухшей частицы, перенос пара в свободной от жидкой влаги поре в направлении потока тепла и конденсации на поверхности соседней более холодной частицы. Внутри частиц перенос влаги происходит путем перескоков молекул воды в том же направлении.

В последующих опытах градиенты температуры в колонках были постоянными. Объектами исследования были верховой торф степени разложения 35% и торфяно-болотная почва. В таких материалах отсутствовали сплошные по всей длине образца паропроводящие каналы. Вся серия опытов проводилась при средней температуре 310,5 К и градиенте температурыТ=5 К/см в течение 36 ч. Температура в колонках достигала установившегося линейного распределения в течение 2-х ч для образцов большой влажности и 3-х ч для образцов малого влагосодержания. Она оставалась неизменной в течение всего последующего времени опыта.

174