И.А.ПОДЛАСОВА, А.М.ГУСАКОВ, С.А.ТОМРАЧЕВ (Томский ГАСУ), Внутренний массоперенос в бетоне конструкций, возводимых в зимних условиях
Для бетонных конструкций, возводимых в зимних условиях, проблема внутреннего массопереноса под действием температурного градиента актуальна, так как в построечных условиях исключить перепад температуры по сечению остывающих конструкций сложно. Хотя величина температурного градиента в большинстве случаев невелика (около 1,2-1,8 °С), вызванный им массоперенос способен существенно ухудшить характеристики структуры [1, 2]. Этот процесс наиболее опасен в ранний период выдерживания бетона. Когда связи между цементными частицами слабы, перераспределение поступающей из нагретых слоев конструкции влаги изменяет в сторону увеличения исходно равномерное водоцементное отношение охлажденных, как правило, поверхностных слоев. Последующее твердение при положительных температурах в изотермических условиях не создает обратного потока влаги. В результате структура охлажденных в ранний период слоев бетонной конструкции формируется с тем водоцементным отношением, которое сложилось в результате внутреннего массопереноса к моменту схватывания.
О снижении в результате внутренней миграции влаги плотности, пористости и прочности охлажденных слоев при раннем замораживании бетона говорится в работах [1-3]. В них же указывается на то, что существуют условия, которые влияют на интенсивность этого процесса. Так, например, известно, что тощие, с высоким водоцементным отношением (около В/Ц=0,7), смеси меньше реагируют на появление градиента температуры, чем жирные, с меньшими водоцементными отношениями, бетонные смеси. Согласно [3], механизм переноса влаги в бетоне - термокапиллярный, поэтому на него оказывает влияние марка цемента, от которой зависит размер капилляров свежеуложенной смеси. Вместе с тем остается неясным, возможен ли массоперенос при положительных температурах 0- 60 °С. так как в работе [1] эксперименты производились с замораживанием, а в [3] - при температуре охлажденной зоны, близкой к 0 °С, и положительной температуре центральной части образца. Отсутствуют также данные о скорости перемещения влаги, в том числе в составах с добавками.
Задачами нашего исследования было установление экспериментальным путем количества и скорости мигрирующей влаги под действием градиента температуры в свежеизготовленных бетонных образцах при наличии и отсутствии льда в охлаждаемой зоне, в смесях с противоморозными и пластифицирующими добавками, составах на разных марках цемента и водоцементных отношениях.
Экспериментальные данные об изменении влажности по сечению реальных конструкций получали с помощью установки регулируемых температурных градиентов (рис. 1). Она позволяла через 40-60 мин после укладки смеси в стеклопластиковые (толщиной 10 мм) формы-призмы с внутренним размером 300x100x100 мм с металлическими торцами получать одномерное стационарное температурное поле по длине образца (рис. 2). Создавалось оно в горизонтальном направлении с целью достижения равных условий влияния гравитации вдоль образцов. Спустя 4 ч неизотермического выдерживания (до схватывания цемента) из центральной части трех одновременно выдерживаемых образцов отбирали по 4-6 параллельных проб, влажность которых определяли высушиванием.
Полимеры С-3 повышают -потенциал на поверхности цементных частиц, что увеличивает силы отталкивания их друг от друга. С ростом -потенциала увеличивается толщина адсорбционных пленок, состоящих главным образом из анионов. Поэтому при прочих равных условиях свободной воды в системе цемент - вода - пластификатор меньше, и расстояние между цементными частицами, определяющими радиус капилляров, также меньше. Для характера протекания процесса массопереноса в смесях с пластификатором важны оба указанных фактора: увеличение толщины адсорбированной жидкости на поверхности частиц, повышающей сопротивление стенок капилляров, и уменьшение их радиуса за счет ослабления взаимодействия цементных частиц в результате более плотной их упаковки и снижения количества свободной жидкости. На уменьшение радиуса капилляра влияет диспергирующее действие пластификатора, что также способствует образованию более мелких капилляров. Видимо, влияние второго фактора (уменьшение радиусов капилляров) оказывается сильнее, поэтому скорость течения, количество переместившейся в охлажденную сторону влаги в составе смеси с С-3 выше, чем в составе с солью.
После 4 ч температурного воздействия скорость перемещения влаги заметно снижается на обоих составах. В условиях отсутствия внутреннего и внешнего стока жидкости это означает переход распределения влажности системы в стационарную стадию и окончание процесса льдообразования на охлажденном торце образцов. В бетонной смеси с добавлением соли скорость движения влаги после 6 ч практически равна нулю. Это говорит о том, что в данных температурных условиях опасным, с точки зрения структурообразования поверхностных слоев бетона, является интервал от 0 до 4 ч выдерживания.
Выдержанные в неизотермических условиях в течение 4 ч образцы затем помещали в нормальные условия твердения и хранили 28 сут. После этого из центральных и поверхностных зон отбирались пробы для определения плотности и капиллярной пористости образцов.
Последнюю оценивали по изображениям структуры, полученным методом растровой микроскопии при увеличении в 1000 раз. Анализ капиллярных пор одного образца производился по пяти изображениям скола образцов общей площадью 2,16105 мкм2. Количество снимков определяли опытным путем до повторяемости кривых распределения пор. Качество изображений определяет удовлетворительное количество пор (около 400) рассматриваемого диапазона на одном снимке. Минуя этапы обычной технологии фотографии, изображения из микроскопа при помощи устройства и программы передавались в оцифрованном виде непосредственно в компьютер. Расшифровку снимков поровой структуры производили при помощи программы обработки изображений цементного камня. Идентификация пор ею происходила по отношению к среднему (пороговому) уровню яркости темных замкнутых пятен.
Оказалось, что охлажденные в ранний период выдерживания слои мелкозернистого бетона имеют меньшую плотность и большую капиллярную пористость по сравнению с центральными слоями, которые перераспределились пропорционально влажности, сложившейся на период схватывания.
Выводы
1. Выполненные эксперименты на различных цементно-песчаных и составах тяжелого бетона показали, что независимо от состава необходимым условием перемещения влаги является образование льда в охлажденной зоне, сопровождающееся созданием температурного градиента.
2. Установлено, что химические добавки влияют, но не исключают перемещение влаги в охлажденную зону.
3. Изменение скорости массопереноса в течение 2-6 ч неизотермического выдерживания связано с достижением стационарного распределения влаги, соответствующего температурному полю, и окончанием процесса пьдообразования на охлаждаемом торце образцов.
4. Определено, что массоперенос в свежеуложенном бетоне необратимо уменьшает плотность и пористость охлажденных в ранний период слоев.
Бетон и железобетон, 2005 №4