И.А.ПОДЛАСОВА, канд. техн. наук, А.М.ГУСАКОВ, А.А.ШАРПЕНКОВ,инженеры (Томский государственный архитектурно-строительный ун-т), Прогнозирование влажности свежеуложенного бетона конструкций, остывающих в зимних условиях
Изменение влажности по сечению остывающих в зимних условиях бетонных конструкций возможно при наличии температурного градиента по их сечению. Перемещаясь под его воздействием из теплых слоев, влага увеличивает водоцементное отношение охлажденных, как правило, поверхностных слоев конструкции. Если этот процесс произойдет до схватывания и затвердевания бетона, то внутреннее перераспределение первоначально равномерной влажности станет необратимым. В результате в охлажденных в ранний период выдерживания слоях формируется менее плотная структура, с которой впоследствии начинается разрушение бетонных конструкций. В работе [1] определено, что внутренняя миграция влаги является основной причиной снижения прочности бетона с противоморозными добавками при его раннем замораживании, увеличивающая в проведенных опытах до 33,3 % исходную влажность охлажденных слоев. В результате за счет увеличения пористости структуры бетона снижение его прочности составило 17 %. Переувлажнение поверхностных слоев остывающих бетонных ростверков на 18 % и пропорциональное снижение прочности, по сравнению с центром, зафиксировано в работе [2]. В экспериментах [3] одностороннее охлаждение свежеуложенного бетона в течение 4-х часов с последующим твердением в нормальных условиях привело к переувлажнению охлажденных слоев на 25 %, снижению плотности и повышению пористости на 20%.
Процесс внутренней миграции влаги особенно актуален в условиях применения безобогревных методов выдерживания бетона, контакта бетона с неотогретым основанием, рабочим швом или арматурой.
Основной причиной перемещения влаги в остывающем свежеуложенном бетоне считается перепад капиллярного потенциала, вызванный градиентом температуры, и рассматривается как аналог процесса фильтрации [1]. При появлении кристаллов льда в охлажденной зоне поток влаги дополняется пленочным течением, существенно увеличивающим интенсивность движения влаги [4]
Количество мифирующей влаги зависит от температурного градиента, связанного с ним наличия кристаллов льда и радиуса капилляра /, зависящего от тонкости помола цемента (марки) и водоцементного отношения. Даже незначительная прослойка (от 3 мм) кристаллов льда в охлажденной зоне увеличивает приток влаги на 15 % [4]. Пластифицирующие и противомо- розные добавки снижают, но не исключают скорости процесса. Их воздействие на влагоперенос проявляется в увеличении плотности жидкости с одновременным уменьшением влияния температурной зависимости G = /(/) при повышении концентрации добавок.
Целью нашего исследования был прогноз поля вла- госодержания в свежеуложенном бетоне остывающей конструкции на основании полученных экспериментально коэффициентов массопереноса.
Математическая модель взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса рассматривалась в виде системы уравнений
Коэффициенты массопереноса характеризуют изотермический и неизотермический потоки влаги. Изотермический поток вторичен, так как в свежеуложенном бетоне он возникает вследствие неизотермического потока, вызванного потоком тепла.
Так как рассматриваемый интервал времени (до схватывания цемента), по сравнению с полным временем твердения бетона, мал, открытая поверхность бетона, согласно технологии, укрывается влагозащитным материалом, процессы тепло- и массопереноса в условиях замкнутой системы рассматривались при следующих ограничениях:
1. Внешний массообмен отсутствует.
2. Теплофизические характеристики бетона в рассматриваемый период постоянны.
3. Внешнее давление окружающей среды постоянно и равно атмосферному.
Уравнения (1,2) решались при следующих начальных и граничных условиях (см. рис. 1):
По результатам экспериментов определено, что величина коэффициента изотермического массопереноса в рассматриваемый период времени меняется очень незначительно, поэтому для дальнейших расчетов Du был принят постоянной величиной (Du= 1,8-108, %см2/с).
Значения коэффициента неизотермического массопереноса устанавливались анализом результатов четырехфакторного эксперимента. Значимыми факторами установлены: водоцементное отношение, марка цемента, длина замерзшей зоны у охлаждаемой грани, концентрация добавки. Температурный градиент, для сокращения количества факторов, оценивали по связанной с ним длине промерзшей зоны у охлаждаемой грани образца, которую легко было определить и измерить. В качестве добавок в экспериментах использовались противоморозные добавки (NaCI, Са2С03, NaN02, KjCOg) и суперпластификатор С-3.
В результате обработки результатов эксперимента были получены зависимости для составов с суперпластификатором:
Зависимости (8-9) можно использовать для оценочных оперативных расчетов. Для более строгих расчетов они недостаточно точны, так как значения, получаемые в этих уравнениях, дают результат с ошибкой, близкой к максимальному значению F-критерия. Поэтому при реализации модели (2) коэффициенты неизотермического массопереноса определяли при помощи “кусочных” функций с фиксированными значениями по трем факторам и переменным водоцементным отношением. Зависимости Dj = f (В 1Ц) принимались линейными. В программе расчета сформирован блок из 16 сочетаний факторов с соответствующими зависимостями Dj (В1Ц) = к (В1Ц)+ь. Здесь к,Ь- коэффициенты уравнения, определяемые по экспериментальным значениям йти(В/Ц). Выбор соответствующего уравнения осуществлялся по сочетанию факторов из входных параметров расчета. В процессе разработки программы производили корректировку коэффициентов уравнений Dj (В1Ц) = к (В/Ц)+ ь по расчетному и экспериментально полученному полю влажности.
Дифференциальные уравнения (2) решались методом замены самих уравнений конечно-разностными аналогами с последующим решением системы линейных уравнений методом прогонки.
По причине различной сходимости уравнение массопереноса решалось с уменьшенным, по сравнению с уравнением теплопроводности, шагом. Требуемые значения температуры определялись путем квадратичной интерполяции соответствующих значений по крупной сетке. Подбор шагов осуществлялся путем проверки симметричности решений при симметричных граничных условиях, а также путем достижения минимальных расхождений с предыдущими решениями. Для вычисления функции экзотермии, в которой требовались табличные величины, искомые значения определялись линейной интерполяцией.
Область применения модели ограничена действием механизма перемещения влаги: по температуре- от эвтектической температуры до 80 °С; по влажности
- соответствующей водоцементным отношениям 0,32
- 0,7; по времени - периодом до схватывания цемента.
Адекватность расчетных значений влажности экспериментальным можно проследить по рис. 4. Для наглядности и с позиций степени влияния процесса массопереноса влажность, показанная по оси ординат, пересчитывалась с учетом водопоглощения заполнителя на значение водоцементного отношения.
Как видно из рис. 4, расхождения расчетных и экспериментальных значений в большинстве случаев не превышают 5%. Отличия указанных значений в меньшую сторону на теплом торце (до 8 % на рис. 4, в) связаны с ошибкой зависимости (4), не учитывающей влияние добавки на скорость гидратации. Сравнение расчетных и экспериментальных данных с результатами [6] показывает приемлемость предлагаемой методики расчета и позволяет считать достаточно достоверным механизм переноса влаги, положенный в основу проведенных экспериментов.
Выводы
Полученные значения коэффициентов внутреннего массопереноса в свежеуложенном бетоне и рассчитанные на их основе значения влажности в неоднородном температурном поле показали достаточную для практического применения точность оценки процесса внутренней миграции влаги в остывающих бетонных конструкциях на ранней стадии их выдерживания.
При проектировании и производстве бетонных работ в зимний период возможность возникновения процесса внутренней миграции влаги необходимо учитывать анализом условий выдерживания бетонируемых конструкций, состава смесей. Такой анализ рекомендуется выполнять с применением зависимостей (8-9) или с использованием программы расчета температурных и влажностных полей в свежеуложенном бетоне.
В случае получения значительного расчетного перераспределения влаги технологическими мероприятиями необходимо предусмотреть уменьшение или исключение факторов, вызывающих этот процесс: замена метода выдерживания бетона в ранний период выдерживания, корректировка состава бетонной смеси, повышение температуры отогрева основания и т.д.
Бетон и железобетон, 2007 №3