Высота капиллярного поднятия воды в бетоне
Термин «плотность бетона» применяется в двух значениях:
- степень заполнения объема бетона твердым веществом, т. е. величина, обратная пористости (относительная плотность);
- масса единичного объема бетона (средняя плотность).
Пористость бетона уже была рассмотрена ранее. Она составляет обычно 10—15%, т. е. соответствующая относительная плотность бетона — 85-90%.Рассматривая среднюю плотность, следует различать плотность бетонной смеси и бетона.Расчетная плотность бетонной смеси (без учета содержащегося в ней воздуха) определяется как суммарная масса ее компонентов на 1 м3 смеси. Фактическая плотность смеси определяется экспериментально. Она на 1-3% меньше расчетной, что соответствует содержанию воздуха в бетонной смеси.Плотность бетона отличается от фактической плотности бетонной смеси. Бетон, твердевший и/или эксплуатирующийся в воде, имеет большую плотность, так как вода дополнительно подсасывается в контракционные пространства.При эксплуатации на воздухе значительная часть воды, не связанной химически, испаряется. Ее количество зависит от влажности окружающего воздуха (или диапазона колебаний влажности). Плотность бетона становится ниже, чем бетонной смеси.
Для бетонной смеси, фактическая плотность составила 2340 кг/м3. Для бетона, эксплуатирующегося в воде, приняв объем контракции 24 л/м3, получим плотность 2364 кг/м3. При его эксплуатации на воздухе, при количестве химически связанной воды 15% и равновесной влажности 3%. получим плотность 2255 кг/м3. Полностью высушенный бетон будет иметь плотность 2190 кг/м3.
Основная часть пор в бетоне — капиллярные и гелевые — образует открытую пористую систему, которая легко заполняется водой. Различают несколько видов влажности бетона в зависимости от условий его эксплуатации.Сорбционная влажность. Гелевые поры и микрокапилляры (до 0,1 мкм) конденсируют пары воды из воздуха, полностью заполняясь влагой. Приобретаемая бетоном влажность, зависящая от влажности окружающего воздуха, называется сорбционной. Но так как влажность воздуха меняется, бетон «стремится» следовать за ней, то конденсируя, то испаряя влагу.Часто дело ограничивается колебаниями влажности поверхностного слоя, тогда как внутренние слои бетона сохраняют усредненную равновесную влажность.Капиллярный подсос. Следующий уровень увлажнения бетона достигается в конструкциях, частично находящихся в воде. При этом бетон, остающийся на воздухе, всасывает ее капиллярными порами. Высота капиллярного поднятия увеличивается при росте пористости. Она может составлять примерно 0,5 м. На практике это происходит в фундаментах, гидротехнических и иных сооружениях, часть которых находится в контакте с водой. Бетон в зоне капиллярного подсоса более уязвим при действии мороза, чем подводный (подземный) бетон или более сухой бетон вышележащих слоев.Вода, достигшая верхнего уровня капиллярного подсоса, испаряется. Если она содержит соли, в зоне испарения концентрация солевого раствора повышается до пересыщения. Это приводит к кристаллизации солей, рост кристаллов может приводить к трещинам и разрушению бетона (солевая форма коррозии).Водопоглощение бетона — влажность, приобретаемая им при выдерживании в воде. Для тяжелого бетона это основная влажностная характеристика. Гелевые поры при этом полностью заполняются водой, а капиллярные — почти полностью (в них защемляется некоторое количество воздуха). Воздушные поры остаются заполненными воздухом.Водопоглощение бетона по массе составляет обычно 4-8%, а водопоглощение по объему — 9-18%. Последний показатель характеризует пористость бетона (если пренебречь защемлением воздуха в капиллярах и воздушными порами). Его часто рассматривают как открытую пористость бетона. Поры, доступные для воды, более негативно сказываются на ряде свойств бетона, чем условно-замкнутые поры.Водопоглощение увеличивается с ростом В/Ц и объема цементного камня в бетоне и уменьшается в процессе его твердения.Водопоглощение определяется при постепенном погружении образцов в воду. Водопоглощение позволяет уменьшить защемление воздуха в порах. По кинетике водопоглощения можно судить о размерах пор в бетоне (крупные поры быстрее поглощают воду).Прочность бетона при его увлажнении и насыщении водой несколько снижается. Коэффициент размягчения бетона (отношение прочностей в водонасыщенном и сухом состоянии) составляет 0,85-0,9.
Водопоглощение бетона просто определяется и поэтому иногда используется как критерий его плотности, а для некоторых бетонов и нормируется.
Водопоглощение бетона снижается до 2 % в сутки. Паропроницаемость и водообмен при этом сохраняются. [1]
Водопоглощение бетона обусловлено сорбционными и конденсационными процессами, связанными с изменением его температуры и относительной влажности воздуха, а также капиллярным подсосом воды. Водопоглощение плотных бетонов за счет сорбционных и конденсационных процессов очень мало, и его обычно не учитывают. [2]
Вели придавать наибольшее значение величине водопоглощения бетона, то оптимальным является состав с наименьшим водо-цеыентным отношением. С позиций минимизации стоимости выбирается состав с наибольшим содержанием дешевых компонентов бе — тонной смеси — воды и кварцевого песка. [3]
При непосредственном контакте с водой происходит водопоглощение бетона в результате капиллярного подсоса. При капиллярном подсосе в бетоне, не насыщенном водой, вода способна перемещаться по очень мелким капиллярам на относительно большие расстояния ( теоретически на высоту 4 15 м) в результате диффузионных процессов, способствующих смачиванию поверхности капилляров. Однако на практике в бетоне вода не поднимается на такую высоту. Это связано с тем, что в бетоне нет идеальных капилляров, их форма и размеры постоянно изменяются, а следовательно, изменяются и капиллярные силы, вызывающие впитывание и перемещение воды. Полного насыщения водой образцов бетона даже при длительном выдерживании их в воде не происходит из-за защемления воздуха в порах бетона, который создает противодавление капиллярным силам. [4]
По результатам испытаний были определены глубина карбонизации и водопоглощение бетона для 8 типов плит и, с учетом этого и новых условий эксплуатации, разработаны рекомендации по восстановлению эксплуатационных характеристик перекрытий. [5]
| Данные обследования объектов из шлакопемэобетона. [6] |
В лабораторных условиях были определены объемный вес и водопоглощение бетона всех объектов, влажность в различных точках стеновых панелей, показатель концентрации водородных ионов ( рН) водных вытяжек из шлакопемзобетона у арматуры. [7]
Проникновение в поры бетона воды ( в особенности минерализованных вод), попеременное увлажнение и высыхание, замораживание и оттаивание являются основной причиной разрушения бетонных конструкций, поэтому понижение водопоглощения бетона способствует увеличению его долговечности. [8]
Водонепроницаемость бетона марки 200 должна быть степени В-5 — В-8, а морозостойкость степени Мрз-150. Водопоглощение бетона должно составлять не более 8 % его постоянной массы. [9]
Технология ремонта цементобетонных покрытий, подвергнувшихся поверхностному шелушению, предполагает удаление ослабленного слоя фрезерованием ( рис. 13.1) с использованием передвижных малогабаритных фрез. Затем на обработанную таким образом поверхность бетона наносят различные пропиточные составы на основе кремнефтористых соединений, которые проникают в бетон на глубину до 10 мм, вступают в химическое взаимодействие с гидратом окиси и карбонатом кальция и создают высокопрочные нерастворимые соединения, которые увеличивают плотность поверхностного слоя, значительно уменьшают водопоглощение бетона, повышают его морозостойкость. Как показывает опыт, нанесение пропиточного состава целесообразно проводить один раз в три года. [10]
Эти добавки рекомендуется применять в тощих бетонах и растворах, отличающихся малым расходом цемента. В результате сильно уменьшается водопоглощение бетона, одновременно возрастает морозостойкость и сопротивляемость бетона коррозии. [11]
Установлен стабильный гидрофобный эффект после обработки. Имеет место значительное снижение водопоглощения бетона после гидрофобизирующей обработки. Водопоглощение при смачивании снижается в 20 раз, а при погружении — в 3 — 4 раза. Бетон, который разрушается уже при 100 циклах замораживания и оттаивания, приобретает морозостойкость до 300 — 400 циклов. Существенно повышается стойкость бетона в условиях применения антигололедных реагентов, обычно интенсивно разрушающих бетон. В 4 — 10 раз снижается адгезия льда к бетону. [12]
Достигается это введением в бетонную смесь возду-хововлекающих добавок. Необходимо создать 4 — 6 % очень мелких воздушных резервных пор, не заполняемых водой при обычном насыщении, но заполняемых под давлением замерзающей воды. Наиболее эффективны гидрофобные воздухововлекающие добавки ГКЖ-10, ГКН-11, которые уменьшают водопоглощение бетона. [13]
К основным свойствам тяжелого бетона, кроме прочности, относят пористость, деформативность (модуль упругости, ползучесть, Усадку), водопроницаемость, морозостойкость, теплофизические свойства и др.
Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруговязкопластичное тело. При небольших напряжениях (не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется как упругий материал. При этом его начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2…3,5) * 10 МПа (у сильнопористых ячеистых бетонов модуль упругости около 1 -10 МПа).
При больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микротрещин и пластических деформаций гелевой составляющей цементного камня.
Ползучесть — склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микротрещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер (рис. 12.14). Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.
Рис. 12.13. Кривая деформирования в координатах а — е
Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их твердении и дальнейшей работе при нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки — сжатие гелевой составляющей цементного камня при высыхании. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне (рис. 12.15). В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3…0,4 мм/м.
Рис. 12.14. Развитие деформаций бетона во времени: Е — начальная деформация бетона в момент нагружения; 6П — деформация ползучести
Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструкциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.
Пористость. Как это ни покажется странным, бетон — плотный на вид материал — имеет заметную пористость. Причина ее возникновения — в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки представляет собой плотное тело, состоящее из цемента, воды и заполнителей. При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландцемента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры.
Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит главным образом от характера пор. Водопоглощение тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4…8 % по массе (10…20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.
Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гидрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции бетонных конструкций.
Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемостью цементного камня и контактной зоны «цементный камень — заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.
Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также ис- , пользовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние используются для устройства бетонной гидроизоляции.
По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2. Марка обозначает давление воды (МПа), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.
Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2 ) °С и оттаивания в воде при (18 + 2 ) С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла— 5… 10 ч в зависимости от размера образцов.
За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания — оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100…F1000. Стандартом предусмотрены и ускоренные методы испытаний: в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5 ) С. Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость (рис. 12.16). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру.
Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше оД.,6 %).
Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, достигается путем использования: – жестких бетонных смесей, интенсивно уплотняемых при укладке; – пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладывае-мость бетонных смесей без добавления воды.
Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона — гид-рофобизация (объемная или поверхностная); в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.
Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.
Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика — около 1,2…1,5 Вт/(м * К), т. е. в 1,5…2 раза выше, чему кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны (см. п. 12.7), в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1…0,5 Вт/(м * К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.
Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75…0,92 Дж/(кг * К); в среднем — 0,84 Дж/(кг * К).
Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР тяжелого бетона (10…12) * 10 К1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° (например, от —20 до +30 °С) расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.
Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.
ЖелезобетонБетон для монолитных конструкцииПроизводственные факторы, определяющие качество бетонаОпределение состава бетонаСтруктура и свойства тяжелого бетонаДобавки к бетону и строительному растворВодаМелкий заполнительХарактеристика заполнителейБетон и железобетон
Плотность ячеистого бетона определяют испытанием образцов в состоянии естественной влажности или нормированном влажностном состоянии: сухом, воздушно-сухом, нормальном, водонасыщенном.
При определении плотности ячеистого бетона в состоянии естественной влажности образцы испытывают сразу же после их отбора или хранят в паронепроницаемой упаковке или герметичной таре, объем которой превышает объем уложенных в нее образцов не более чем в 2 раза.
При определении плотности ячеистого бетона в сухом состоянии образцы высушивают до постоянной массы в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.2.
При определении плотности ячеистого бетона в воздушно-сухом состоянии образцы перед испытанием выдерживают не менее 28 суток в помещении при температуре (25 ± 10) °С. и относительной влажности воздуха (50 ± 20) %.
При определении плотности ячеистого бетона в нормальных влажностных условиях образцы хранят 28 суток в камере нормального твердения, эксикаторе или другой герметичной емкости при относительной влажности воздуха не менее 95 % и температуре (20 ± 2) °С.
При определении плотности ячеистого бетона в водонасыщенном состоянии образцы насыщают водой в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.3.
Объем образцов правильной формы вычисляют по их геометрическим размерам. Размеры образцов определяют линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм по методике ГОСТ 10180.
Объем образцов неправильной формы определяют с помощью объемомера или гидростатическим взвешиванием по методике, приведенной в приложении.
Массу образцов определяют взвешиванием с погрешностью не более 0,1 %.
Плотность бетона образца rw вычисляют с погрешностью до 1 кг/м3 по формуле (1):
, [кг/м3] (1)
Плотность ячеистого бетона серии образцов вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытания всех образцов серии.
Плотность ячеистого бетона при нормированном влажностном состоянии rн вычисляют по формуле (2):
, [кг/м3] (2)
где rw – плотность бетона при влажности Wм, кг/м3;
Wн – нормированная влажность бетона, %;
Wм – влажность бетона в момент испытания, определенная по ГОСТ 12730.2, %.
Коэффициент теплопроводности ячеистого бетона приблизительно можно вычислить, зная среднюю плотность, по формуле (3):
где ρw – плотность ячеистого бетона, г/см3.
Водопоглощение ячеистого бетона определяют испытанием образцов. Размеры и количество образцов принимают по ГОСТ 12730.0.
Поверхность образцов очищают от пыли, грязи и следов смазки с помощью проволочной щетки или абразивного камня.
Испытание образцов проводят в состоянии естественной влажности или высушенных до постоянной массы.
Сушку образцов производят по ГОСТ 12730.2.
Образцы помещают в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм.
Образцы укладывают на прокладки так, чтобы высота образца была минимальной (призмы и цилиндры укладывают на бок).
Температура воды в емкости должна быть (20 ± 2) °С.
Образцы взвешивают через каждые 24 ч водопоглощения на обычных или гидростатических весах с погрешностью не более 0,1 %.
При взвешивании на обычных весах образцы, вынутые из воды, предварительно вытирают отжатой влажной тканью. Массу воды, вытекшую из пор образца на чашку весов, следует включать в массу насыщенного образца.
Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %.
Образцы, испытываемые в состоянии естественной влажности, после окончания процесса водонасыщения высушивают до постоянной массы по ГОСТ 12730.2.
Водопоглощение ячеистого бетона определяют также методом кипячения образцов в случае, когда это предусмотрено стандартами (техническими условиями) на сборные бетонные и железобетонные изделия или рабочими чертежами на монолитные бетонные и железобетонные конструкции по приложению к настоящему стандарту.
Водопоглощение ячеистого бетона отдельного образца по массе Wм в процентах определяют с погрешностью до 0,1 % по формуле (4):
, [%] (4)
где mc – масса высушенного образца, г;
mв – масса водонасыщенного образца, г.
Водопоглощение бетона отдельного образца по объему Wо в процентах определяют с погрешностью до 0,1 % по формуле (5):
, [%] (5)
где rо – плотность сухого бетона, кг/м3;
rв – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Водопоглощение ячеистого бетона серий образцов определяют как среднее арифметическое значение результатов испытаний отдельных образцов в серии.
источник
Термин «плотность бетона» применяется в двух значениях:
- степень заполнения объема бетона твердым веществом, т. е. величина, обратная пористости (относительная плотность);
- масса единичного объема бетона (средняя плотность).
Пористость бетона уже была рассмотрена ранее. Она составляет обычно 10—15%, т. е. соответствующая относительная плотность бетона — 85-90%.
Рассматривая среднюю плотность, следует различать плотность бетонной смеси и бетона.
Расчетная плотность бетонной смеси (без учета содержащегося в ней воздуха) определяется как суммарная масса ее компонентов на 1 м3 смеси. Фактическая плотность смеси определяется экспериментально. Она на 1-3% меньше расчетной, что соответствует содержанию воздуха в бетонной смеси.
Плотность бетона отличается от фактической плотности бетонной смеси. Бетон, твердевший и/или эксплуатирующийся в воде, имеет большую плотность, так как вода дополнительно подсасывается в контракционные пространства.
При эксплуатации на воздухе значительная часть воды, не связанной химически, испаряется. Ее количество зависит от влажности окружающего воздуха (или диапазона колебаний влажности). Плотность бетона становится ниже, чем бетонной смеси.
Для бетонной смеси, фактическая плотность составила 2340 кг/м 3 . Для бетона, эксплуатирующегося в воде, приняв объем контракции 24 л/м 3 , получим плотность 2364 кг/м 3 . При его эксплуатации на воздухе, при количестве химически связанной воды 15% и равновесной влажности 3%. получим плотность 2255 кг/м 3 . Полностью высушенный бетон будет иметь плотность 2190 кг/м 3 .
Основная часть пор в бетоне — капиллярные и гелевые — образует открытую пористую систему, которая легко заполняется водой. Различают несколько видов влажности бетона в зависимости от условий его эксплуатации.
Сорбционная влажность. Гелевые поры и микрокапилляры (до 0,1 мкм) конденсируют пары воды из воздуха, полностью заполняясь влагой. Приобретаемая бетоном влажность, зависящая от влажности окружающего воздуха, называется сорбционной. Но так как влажность воздуха меняется, бетон «стремится» следовать за ней, то конденсируя, то испаряя влагу.
Часто дело ограничивается колебаниями влажности поверхностного слоя, тогда как внутренние слои бетона сохраняют усредненную равновесную влажность.
Капиллярный подсос. Следующий уровень увлажнения бетона достигается в конструкциях, частично находящихся в воде. При этом бетон, остающийся на воздухе, всасывает ее капиллярными порами. Высота капиллярного поднятия увеличивается при росте пористости. Она может составлять примерно 0,5 м. На практике это происходит в фундаментах, гидротехнических и иных сооружениях, часть которых находится в контакте с водой. Бетон в зоне капиллярного подсоса более уязвим при действии мороза, чем подводный (подземный) бетон или более сухой бетон вышележащих слоев.
Вода, достигшая верхнего уровня капиллярного подсоса, испаряется. Если она содержит соли, в зоне испарения концентрация солевого раствора повышается до пересыщения. Это приводит к кристаллизации солей, рост кристаллов может приводить к трещинам и разрушению бетона (солевая форма коррозии).
Водопоглощение бетона — влажность, приобретаемая им при выдерживании в воде. Для тяжелого бетона это основная влажностная характеристика. Гелевые поры при этом полностью заполняются водой, а капиллярные — почти полностью (в них защемляется некоторое количество воздуха). Воздушные поры остаются заполненными воздухом.
Водопоглощение бетона по массе составляет обычно 4-8%, а водопоглощение по объему — 9-18%. Последний показатель характеризует пористость бетона (если пренебречь защемлением воздуха в капиллярах и воздушными порами). Его часто рассматривают как открытую пористость бетона. Поры, доступные для воды, более негативно сказываются на ряде свойств бетона, чем условно-замкнутые поры.
Водопоглощение увеличивается с ростом В/Ц и объема цементного камня в бетоне и уменьшается в процессе его твердения.
Водопоглощение определяется при постепенном погружении образцов в воду. Водопоглощение позволяет уменьшить защемление воздуха в порах. По кинетике водопоглощения можно судить о размерах пор в бетоне (крупные поры быстрее поглощают воду).
Прочность бетона при его увлажнении и насыщении водой несколько снижается. Коэффициент размягчения бетона (отношение прочностей в водонасыщенном и сухом состоянии) составляет 0,85-0,9.
Водопоглощение бетона просто определяется и поэтому иногда используется как критерий его плотности, а для некоторых бетонов и нормируется.
источник
Влагоперенос в бетоне является сложным и малоизученным процессом. Это обусловлено многими факторами, влияющими на функционирование транспортных механизмов в сочетании с различными типами пор, которые, как правило, пронизывают бетоны. Механизм капиллярного всасывания с большой уверенностью можно считать движущей силой в частично насыщенном объеме твердого тела сетью капиллярных пор.
В то же время не ясен механизм переноса влаги в порах геля. Ученые как в России, так и за рубежом считают, что размеры поргеля слишком малы чтобы капиллярные силы в них играли главную роль. В исследованиях [9–10] установлено, что главенствующую роль играет диффузный механизм переноса влаги.
Роль воздушных пустот в процессах массообмена в бетоне менее ясна. Размер воздушных пор намного больше, чем размеры капилляров, и механизм капиллярного всасывания в данном случае не применим. Он не работает. Воздушные поры играют остановочную роль в переносе влаги [11–12].
Транспортные механизмы определяются размерами пор, видом вяжущего, химическими добавками, пропитками, размерами поперечного сечения образцов.
Поэтому во время проведения исследований перед нами, стояла задача разработать модель для прогнозирования движения воды в бетоне при различных типах воздействия и создать механизм для снижения капиллярного насыщения материалов из бетона. Поэтому ограничиваемся рассмотрением потока жидкости за счет капиллярного всасывания.
Простейшая теоретическая модель, которая связывает высоту поднятия жидкости по капилляру с радиусом пор r в бетонах для двухкомпонентной системы может быть определена по формуле Жюрена (полученная из формулы Лапласа для определения подъемной силы мениска)
(1)
где α – поверхностное натяжение жидкости (для воды α = 72,8 дин/см при t = 20 °С); Θ – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра; g – ускорение силы тяжести; ρ – плотность воды.
При полном смачивании всех частиц материала капилляра (Θ = 0) и численных значениях α и g
Отсюда следует, что высота поднятия жидкости по капиллярам обратно пропорциональна радиусу капилляра. В то же время исследованиями было выявлено, что, на высоту подъёма жидкости в капиллярно пористом материале влияет время экспозиции и тогда зависимость высоты подъёма жидкости от времени определяется по формуле
(3)
где Ht – высота капиллярного поднятия воды в бетонах; μ – динамическая вязкость жидкости.
Уравнение (3) показывает: высота капиллярного поднятия воды в бетонах пропорциональна квадратному корню от времени экспонирования. Уравнение (3) описывает модель трубы (капилляра) из бетона, представляющей пористую среду, и является приближенной.
В общем случае, перенос жидкости происходит через поры, микротрещины и пустоты бетона. При нормальных условиях со средним содержанием влаги и умеренной температуры основной движущей силой транспортного процесса в пористой среде являются градиенты влаги и температуры. При низком содержании влаги основным механизмом переноса влаги осуществляется путем диффузии пара или капиллярного всасывания, когда поры находятся в контакте с жидкостью.
В течение последнего десятилетия все большая часть применяемого бетона обладает малой капиллярной пористостью. Это связано с переходом от традиционных бетонов к высокоэффективным реакционно порошковым с более низкой пористостью. В этих бетонах происходит трансформация реологической матрицы, обеспечивающая получение рациональной реологии [1, 2]. При этом составляющие реологическую матрицу микродисперсная каменная мука, тонкозернистые и мелкий пески выступают активными компонентами, влияющими на формирование порового пространства бетона [2].
Тем не менее, несмотря на снижение капиллярной пористости, при низких значениях W/В отношения, такие бетоны после предварительной сушки показывают картину водонасыщения типичную для традиционных бетонов, описываемую формулой (3) при одностороннем всасывании жидкости через капилляры. В результате исследований было установлено, что процесс водонасыщения бетона зависит от степени насыщения пор в начальный момент [3].
Экспериментальные данные [4, 8] свидетельствуют, что размер поперечного сечения образца существенно влияет на транспортный механизм водопоглощения. Формулы, описывающие теоретически процесс водонасыщения бетонного образца, не могут в точности описать происходящие явления, так как вступают в противоречие с нашими первоначальными допусками, которые предполагают последующее набухание геля. Отклонения также происходят и за счет изменения в капиллярной абсорбции [4].
Молекула воды является диполем, равным по величине, но разным по знаку электрических зарядов на противоположных ее концах, а частицы вяжущего заполнителя на своей поверхности имеют положительные и отрицательные электрические заряды, в зависимости от того, из каких материалов состоит частица.
Под действием зарядов частиц происходит ориентация диполей воды. Расположением молекул воды в капилляре можно иллюстрировать процесс между двумя параллельными плоскостями стекол, частично погруженных в воду. Вода в узкой щели капилляра находится в напряженном состоянии, вызванном взаимодействием зарядов системы капилляр – вода.
Согласно теории Лапласа [1] в напряженном состоянии находится поверхностная пленка жидкости, а остальная часть жидкости не связана со стенками капилляра. Помимо электрических сил на молекулы воды в капилляре действуют и силы гравитации. Из условия статического равновесия между электрическими силами и гравитационными следует, что высота подъема воды в капилляре равна
(4)
где h – высота столба жидкости в щели капилляра; qс – суммарный электрический заряд, приходящийся на 1 см2 стенки щели; qв – суммарный электрический заряд молекулы воды, расположенный на 1 см2 срединной плоскости; ε – диэлектрическая постоянная; r 2 – расстояние между плоскостями щели; ρв – плотность воды.
В бетонах капилляр представляется тонкой трубочкой, а не щелью. В результате чего притяжение к стенкам будет больше, чем в плоской щели.
(5)
Для экспериментов использовали цилиндрические образцы бетона диаметром 100 мм, изготовленные при В/Ц отношении 0,51 (рис. 1). Материалы: портландцемент Вольский ЦЕМ II/А-42,5 Н; песок Сурский с Мкр = 1,51; щебень гранитный фракции 3–8 мм; вода питьевая. Испытывали шлакощелочные бетоны (ШЩБ) на составах идентичных портландцементов. Высота цилиндрических образцов100 мм. На расстоянии 30 и 50 мм от основания образца делалась проточка алмазным диском на глубину 30 мм. Погружение образца в воду осуществлялось на глубину 10 мм. Время экспозиции: 3, 6, 9, 12, 15 мин, 1 ч, 2, 3, 4…48 ч. Испытания проводили на образцах в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях после сушки в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянного веса. Боковая поверхность образцов обрабатывалась кремнийорганическим составом на всю высоту с целью исключения бокового всасывания влаги.
Зависимость прироста массы образцов от времени экспозиции представлена на рис. 2.
Рис. 1. Бетонные образцы для испытания на водопоглощение: а – с проточкой на расстоянии 30 мм; б – с проточкой на расстоянии 50 мм; в – без проточки
Рис. 2. Зависимость водопоглощения бетонных образцов при В/Ц = 0,51 (образцы представлены на рис. 1)
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что форма, площадь поперечного сечения образца существенно влияют на кинетику водопоглощения, определяемую диффузией и капиллярным транспортным механизмом поднятия воды. Данная зависимость не является линейной и носит квадратичную зависимость. Полагаем, что капиллярные разрывы, состоящие из узких проходов или больших пустот вдоль пути движения водяного потока по системе капиллярных пор, могут создавать дополнительные препятствия. И тем самым вносятся граничные условия на процессы массопереноса в пористом теле. По существу, необходимо вносить в рассматриваемую модель условия, связанные с ветвистостью капилляров, выходом их на боковые поверхности и на возможные крупные поры.
В настоящей работе были проведены исследования возможности улучшения стойкости бетонов в условиях капиллярного водонасыщения бетонов путем введения технической «прививки» порового пространства. В качестве «прививочного» материала использовано отработанное машинное масло, вводимое на стадии приготовления шлакощелочного бетона (ШЩБ).
Традиционные исследования для получения материалов с повышенной стойкостью направлены на получение бетонов с низкой капиллярной пористостью и высокой плотностью конгломератов в зоне контакта заполнителя с вяжущим.
П.Н. Гончаров, А.А. Пащенко, и Б.А. Крылов исследовали ШЩБ в условиях капиллярного подсоса, армированных дисперсными материалами.
Было установлено, что ШЩБ обладают повышенной коррозионной стойкостью в углеводородных средах и кислых неорганических растворах, вследствие низкой капиллярной пористости, высокой плотности бетонов и адгезии к полиакриловым армирующим волокнам. Высокая стоимость армирующих материалов ограничивает широкое применение.
Однако предложенная нами технология формирования макро- и микроструктуры бетона способствует созданию механизма «избирательности» по отношению к агрессивным внешним воздействиям, т.е. происходит самоорганизация внутреннего пространства пор.
Все исследования проводились на гранулированных шлаках Новолипецкого, Челябинского и Череповецкого металлургических заводов, электротермофосфорном шлаке ПО «Фосфор» (г. Тольятти). В качестве активаторов твердения использованы растворы: NaOH, Na2SiO3·nH2O, содощелочной плав (СЩП) и их композиции.
Шлакощелочное вяжущее (ШЩВ) отличается от портландцемента отсутствием в продуктах гидратации высокоосновных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция.
В.Д. Глуховский и О.Н. Сикорский [4] установили, что ШЩВ взаимодействует практически со всеми силикатными и алюмосиликатными пылеватыми частицами, входящими в состав заполнителя, что способствует получению высокой плотности композита. А в продуктах гидратации доминируют гидрогранаты и низкоосновные гидросиликаты кальция.
Нами было установлено, что шлакощелочные бетоны, приготовленные на растворе NaOH, по сравнению с бетонами на портландцементе имеют в 1,1–1,5 раза больше крупных пор с эффективным диаметром более 0,1 см.
Использование в качестве активатора твердения раствора Na2SiO3•nH2O способствует снижению диаметра пор и капилляров в 1,5–2 раза.
При введении диспергированного машинного масла в ШЩВ происходит модификация внутренней поверхности пор, капилляров и зон контакта продуктов гидратации ШЩВ с заполнителями, доказательством которого служит явление капиллярного подсоса и угла смачивания.
Молекула воды является диполем, равным по величине, но разным по знаку электрических зарядов на противоположных ее концах, а частицы шлака, заполнителя на своей поверхности имеют положительные и отрицательные электрические заряды, в зависимости от того, из каких материалов состоит частица. Водный раствор солей в капилляре находится в напряженном состоянии, вызванном взаимодействием зарядов системы капилляр – вода. Исходя из равенств (4) и (5) можно предположить, что если стенки капилляров, пор и разрывов внутренней сплошности пористого тела не будут иметь электрического заряда за счет поверхностного слоя моторного масла, то никакого капиллярного всасывания за счет электрических зарядов не будет или будет ограничено. Это подтверждено нашими опытами. ШЩБ с модифицированной структурой дисперсным машинным маслом практически не впитывают масла, растворы солей и сахара. Это способствует повышению долговечности бетонных изделий на основании ШЩВ. На рис. 3 представлена кинетика водопоглощения ШЩБ при Р/Ш отношении 0,5.
Рис. 3. Зависимость водопоглощения ШЩБ образцов при В/Ц = 0,5 (образцы представлены на рис. 1)
Прослеживаются отклонения от правил, используемых для описания процесса водопоглощения пористым телом:
- мелкопористая структура бетонных образцов характеризуется наличием капилляров с диаметром порядка нескольких ангстрем.
Очень маленький расчетный размер пор, а также модифицирование поровой поверхности поверхностно-активными веществами свидетельствуют о том, что структура пор сильно препятствует проникновению воды. Это вызывает блокирование пор в бетоне и приводит к низкой проницаемости. Тогда механизмы капиллярного всасывания не могут самостоятельно объяснить процессы водопоглощения пористым телом.
- Полученные результаты по изучению капиллярного водопоглощения свидетельствуют, что процесс этот протекает длительное время. Они не совпадают с теоретически рассчитанными. Экспериментальные данные получены ниже расчетных [14, 20–21].
- Поглощение воды сухих образцов бетона зависит от поперечного сечения активной поверхности и траекторий линий всасывания. Таким образом, динамика, всасывания воды капиллярами неадекватно описывается уравнениями (1), (2), (3), (4). Транспортные свойства капилляров бетона были изучены при введении ряда граничных условий: бетон рассматривается как изотропный материал с однородной пористой структурой.
1. Результаты, полученные в экспериментальных исследованиях недостаточны для оценивания всех искомых параметров влагопереноса в бетонных образцах и поэтому поиск оптимальной модели не может завершиться на данном этапе.
2. Все компоненты композиционного материала – бетона обладают пористостью различного уровня. На перемещение влаги по капиллярам бетона накладываются условия, обусловленные параметрами капилляров и механизмами взаимодействия воды с продуктами гидратации клинкерного фонда вяжущего.
3. В рассматриваемых моделях не были учтены особенности высокоразвитой поверхности пор цементного камня и геля, а также выходы на боковую поверхность образцов.
4. В связи со сложностью создания приближенной модели переноса влаги в бетонных образцах были исследованы явления, связанные с поглощением и переносом влаги. При этом рассматривали движение по капиллярам большого диаметра и непосредственно за счет диффузии.
5. Установлено, что активное использование «прививочного» материала в качестве модификатора структуры бетона позволяет существенно влиять на процессы влагопереноса в бетонных изделиях и повысить эксплуатационные свойства.
источник
14 Июл 2019 admin 37