Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Внутренний влагоперенос в остывающих конструкциях как проблема зимнего бетонирования 9
1.1 Существующие представления о процессе миграции влаги в свеже-уложенном бетоне 9
1.2 Анализ методов зимнего бетонирования с позиции возможности появления процесса внутреннего массопереноса 17
1.3 Обзор методик экспериментального исследования процесса внутреннего массопереноса в бетонах и влажных грунтах 21
1.4 Вода и её свойства в свежеуложенном бетоне 29
1.5 Влияние добавок на свойства бетона 36
1.6 Условия миграции влаги во влажных капиллярно-пористых телах. Механизмы переноса влаги 42
1.7 Постановка цели и задач работы 53
Глава 2 Материалы и экспериментальные методики исследования 54
2.1 Установка регулируемых температурных градиентов 54
2.2 Характеристика материалов 58
2.3 Методика экспериментального исследования массопереноса в свежеуложенном бетоне в неизотермических условиях 61
2.4 Определение коэффициента внутреннего изотермического массопереноса в свежеуложенной бетонной смеси 65
2.5 Динамика процесса влагопереноса 67
2.6 Методики определения относительной прочности, плотности и капиллярной пористости бетона образцов, выдержанных на раннем этапе в изотермических условиях 69
2.6.1 Методика определения относительной прочности 69
2.6.2 Методика определения плотности 70
2.6.3 Определение капиллярной пористости бетона 72
2.7 Выводы и результаты 76
Глава 3 Исследование процесса внутреннего массопереноса и прогнозирование полей влажности в бетонных конструкциях, остывающих на морозе 77
3.1 Влияние замораживания охлажденных слоев 77
3.2 Влияние марки цемента и водоцементного отношения 88
3.3 Влияние заполнителя 93
3.4 Влияние противоморозной добавки 98
3.5 Влияние пластифицирующей добавки 107
3.6 Динамика процесса внутреннего массопереноса 114
3.7 Влияние внутреннего массопереноса на структуру бетона 115
3.8 Выбор факторов для модели 118
3.9 Матрица эксперимента. Математический анализ результатов 119
3.10 Расчет коэффициентов внутреннего массопереноса 124
3.10.1 Расчет коэффициента внутреннего изотермического массопереноса 124
3.10.2 Расчет коэффициентов внутреннего неизотермического массопереноса 125
3.11 Расчет поля влагосодержания в остывающих бетонных конструкциях 134
3.12 Выводы и результаты 143
Глава 4 Применение модели процесса внутреннего массопереноса в технологическом проектировании способов зимнего бетонирования 145
4.1 Рекомендации по технологическому проектированию безобогревных способов зимнего бетонирования 145
4.2 Реализация алгоритма проектирования технологических параметров зимнего бетонирования с учетом процесса внутренней миграции влаги 146
4.3 Выводы и результаты 166
Основные выводы и результаты 167
Список использованной литературы 169
Приложения 180
- Анализ методов зимнего бетонирования с позиции возможности появления процесса внутреннего массопереноса
- Методика экспериментального исследования массопереноса в свежеуложенном бетоне в неизотермических условиях
- Расчет коэффициентов внутреннего неизотермического массопереноса
- Реализация алгоритма проектирования технологических параметров зимнего бетонирования с учетом процесса внутренней миграции влаги
Введение к работе
Актуальность работы. Для получения бетонных конструкций требуемого качества в зимних условиях применяют специальные методы бетонирования, основанные на сохранении или внесении тепла в бетон, понижении температуры его замерзания применением противоморозных добавок. При этом ни один из методов не исключает градиентов температуры по сечению выдерживаемых конструкций. Так как в построечных условиях зимой период предварительного выдерживания отсутствует, возникающие после укладки смеси градиенты температуры вызывают процесс миграции влаги из более нагретых в охлажденные зоны конструкции. В результате это приводит к их переувлажнению и последующему ухудшению свойств. Хотя величина температурного градиента в большинстве случаев невелика (около 1,2-1,8 С/см), вызванный им процесс массопереноса способен впоследствии снизить прочность и плотность охлажденных слоев на 20-30 %. Процесс наиболее опасен в ранний период выдерживания бетона, когда связи между цементными частицами слабы.
Нормативные документы технологии зимнего бетонирования эти процессы в полной мере не учитывают. Проектирование технологических параметров производят по температурному фактору, считая влажность равномерной.
Экспериментальные методики исследования условий и параметров процесса внутренней миграции влаги в условиях остывания бетона требуют дальнейшего развития.
Объект исследований - технология приготовления, укладки и уход за бетоном в зимнее время.
Предмет исследований - процесс внутренней миграции влаги в све-жеуложенном бетоне, оказывающий влияние на качество монолитных конструкций, возводимых в зимних условиях.
Цель диссертационной работы: исследование условий и параметров процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне конструкций, остывающих в зимних условиях, разработка и реализация математической модели для прогнозирования параметров технологии зимнего бетонирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать влияние процесса миграции влаги в свежеуложенном бетоне на прочность и плотность бетона, выдержанного на раннем периоде в неизотермических условиях;
разработать методику определения параметров процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне;
определить зависимости скорости и коэффициентов процесса внутренней миграции влаги от технологических факторов; разработать и реализовать математическую модель для расчета полей влажности в свежеуложенном бетоне;
разработать рекомендации для технологического проектирования бетонных работ в зимних условиях.
Методы исследования: В работе, кроме стандартных методик, применялись методы математической статистики, компьютерного моделирования, растровой электронной микроскопии. Научная новизна работы:
разработана совокупность математических соотношений, позволяющих с достаточной адекватностью прогнозировать параметры технологии зимнего бетонирования с учетом влияния внутреннего массопереноса на ранней стадии выдерживания;
определены новые факторы протекания процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне: вид и концентрация добавки, размер частиц заполнителя;
7 расчетно-экспериментальным путем установлено, что в зоне с температурой бетона до + О С возникает дополнительный к жидкостному поток пленочной жидкости, вызванный разностью давлений. Практическая значимость работы:
алгоритм и компьютерная программа его реализации для прогнозирования технологических параметров зимнего бетонирования; разработана методика определения параметров процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне;
получены зависимости скорости и коэффициентов внутренней миграции влаги от технологических факторов;
разработан алгоритм расчета технологических параметров зимнего бетонирования с учетом влияния процесса внутренней миграции влаги; результаты исследования использованы при возведении монолитных перекрытий жилых и общественных зданий и сооружений в г. Томске. Результаты диссертационной работы использовались: при возведении монолитных конструкций в зимних условиях в г. Томске;
при чтении лекций и подготовке дипломных работ бакалавров и инженеров по курсу дисциплин «Технология строительных процессов» для студентов строительного факультета ТГАСУ. На защиту выносятся:
математическая модель процесса внутреннего массопереноса и ее программное обеспечение;
методика определения параметров процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне;
результаты исследования скорости и коэффициентов процесса внутренней миграции влаги в свежеуложенном бетоне от технологических факторов и факторов окружающей среды;
алгоритм расчета технологических параметров зимнего бетонирования с учетом влияния процесса внутренней миграции влаги.
8 Личный вклад автора состоит в разработке установки регулируемых температурных градиентов, непосредственном участии при проведении экспериментальных исследований, их анализа и обобщения, разработке математической модели, обработке результатов и разработке практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Третьей Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.); Десятой Сибирской (Международной) конференции по железобетону (г. Новосибирск, 2004 г.); Второй Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития» (г. Москва, 2005 г.); на научных семинарах кафедры технологии строительного производства Томского государственного архитектурно-строительного университета (три доклада 2003-2005 годы).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 4 статьях, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 120 источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 189 страниц, включая 97 рисунков, 18 таблиц.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением методов математической обработки результатов экспериментов, апробированных методик исследования, численных методов решения дифференциальных уравнений, прошедших метрологическую поверку измерительных приборов.
Анализ методов зимнего бетонирования с позиции возможности появления процесса внутреннего массопереноса
Причиной появления температурного градиента в свежеуложенном бетоне может быть контакт с промороженным основанием, неотогретой арматурой и опалубкой.
Согласно [29, 30, 31], после укладки бетонной смеси необходимо исключить замерзание бетона в контакте с основанием и деформацию основания до приобретения требуемой прочности. Для выполнения данного требования мерзлые основания должны быть отогреты до положительной температуры на глубину 300-500 мм.
Однако, для выполнения в реальных условиях этих требований необходимо выполнять дополнительные расчеты, затрачивать энергию и трудовые ресурсы. Поэтому нарушение требований [29, 30, 31] в этой части - довольно частое явление в практике современного строительства нашего региона. Это связано также с отсутствием оперативных методов расчета температуры этой зоны и технических средств контроля температуры внутри конструкции. Поэтому повышение уровня контроля качества при подготовке основания, арматуры и опалубки является актуальным на всех этапах бетонных работ.
При производстве бетонных работ в зимних условиях происходит замерзание жидкой фазы и прекращается твердение цементных композиций. При температурах -10 С, -20 С гидратация цемента практически прекращается. При указанных температурах не наблюдается набора прочности бетона, а также прекращается процесс тепловыделения цемента в нем [32]. При замерзании значительной части воды затворения, не успевшей связаться химически, происходят деструктивные процессы, приводящие к резкому увеличению пористости цементного камня и разрушению материала. Таким образом, запрещается производство бетонных работ без специальных методов выдерживания при среднесуточной температуре наружного воздуха ниже +5 С, а минимальной ниже О С. Рекомендуемые нормативными документами методы должны включать совокупность технических решений, обеспечивающих защиту твердеющего бетона от негативных последствий влияния отрицательных температур.
Однако, нормативной литературой не предусмотрены меры, предупреждающие возникновение процесса внутренней миграции влаги в ранний период выдерживания. Ниже приводится анализ методов зимнего бетонирования с точки зрения возможности присутствия указанного процесса.
Метод термоса рекомендуется при модуле поверхности конструкций Мп от 3 до 8. Метод термоса в сочетании с электроотогревом может применяться в конструкциях с Мп до 12 [33].
При утеплении бетонируемых поверхностей теплоизоляционными материалами тепло, внесенное на стадии приготовления бетонной смеси, сохраняется длительное время. Возникновение температурного градиента на раннем этапе выдерживания возможно в результате теплообмена с окружающей средой и неотогретыми основанием и арматурой в случае нарушения технологии.
Расчет времени набора прочности производится по средней температуре выдерживания, однако при ее положительных значениях возможно возникновение неравномерного температурного поля по сечению конструкции, особенно в углах и выступах, что неизбежно приведет к возникновению температурного градиента, и вызванного им процесса массопереноса. Метод бетонирования с применением противоморозных добавок.
Метод рекомендуется применять при модуле поверхности конструкций Мп 3. Сущность метода заключается во внесении противоморозных добавок в воду затворения, благодаря которым вода при отрицательной температуре находится в жидкой фазе и способна взаимодействовать с цементом. При этом бетон к моменту охлаждения до эвтектической температуры должен приобрести критическую прочность.
Согласно [31], подбор оптимального количества добавки должен быть таким, чтобы льдистость бетона с добавкой в период остывания составляла 45-60 %. Это связано с замедлением процесса гидратации и снижением показателей бетона с большей концентрацией добавки. Так как конструкция остывает с поверхности, это не исключает возможности существования температурного градиента и образования ледяных включений.
К прогревным методам относят электродный прогрев, контактный электрообогрев, индукционный прогрев, обогрев нагревателями инфракрасного излучения, обогрев горячим воздухом и т.д.
При прогревных методах искусственно создается положительная температура, благодаря которой бетон твердеет как в обычных условиях или при повышенных температурах. Группа методов применяется при любых температурах наружного воздуха и в любых конструкциях.
При электропрогреве от обеспечения равномерного электрического поля зависит равномерное температурное поле, что само по себе исключает перепад температур центральных и поверхностных слоев.
При контактном электрообогреве применяют низкотемпературные электронагреватели (греющие провода и кабели), вмонтированных в опалубку или в виде покрывал и греющих щитов. Глубина эффективного прогрева составляет до 200 мм, а при одностороннем подводе теплоты может снизиться до 150 мм. Метод наиболее эффективен при прогреве конструкций небольшой толщины. Обогрев бетона нагревателями инфракрасного излучения заключается в преобразовании инфракрасного излучения в тепловую энергию в поверхностных слоях бетона. Основная ее часть с поверхностных слоев передается в центральные и глубинные слои путем теплопроводности. В связи с этим возникновение температурного градиента, вызывающего процесс внутренней миграции влаги, представляется маловероятным при соблюдении технологии предварительного отогрева основания и последующем прогреве бетона.
При паропрогреве конструкции накрываются теплоизоляционными материалами, создавая пространство между бетоном и покрытием высотой до 400 мм. В пространство подается пар после схватывания цемента. Однако, при низких температурах в местах парения и местах выхода конденсата возможно образование наледи.
Таким образом, прогревные методы выдерживания бетонных конструкций при условии отсутствия ледяных включений на контакте бетонной смеси и основания (опалубки, арматуры и т.д.) в ранний период выдерживания, соблюдение рекомендуемых значений скорости подъема температуры снижают процесс внутренней миграции влаги, вызванного градиентом температуры. В работе Гендина В.Я. и Толкынбаева Т.А. [34] показано, что возникновение процесса внутреннего массопереноса возможно при скорости подъема Vn = 20 С/ час и выше.
Методика экспериментального исследования массопереноса в свежеуложенном бетоне в неизотермических условиях
Тестирование термопар производилось в следующей последовательности: 1 Тарировка термопар: термопары помещали в тающий лёд и кипящую воду для того, чтобы настроить на нужную температуру. Одновременно проводили контроль двумя независимыми термометрами. 2 Калибровка режима нагрева и охлаждения: проводили тестирование нагревателей и теплообменника и определяли время выхода на нужный температурный режим в пределах от минус 1,5 С до плюс 35 С. Тестовые эксперименты проводили на влажном песке.
Приготовленная смесь мелкозернистого бетона помещалась в формы, уплотнялась и сразу подвергалась температурному воздействию. Таким способом имитировалось остывание бетонных конструкций через опалубку в зимних условиях. Температура «горячего» торца поддерживалась при температурах 20...45 С. Температура «холодного» торца поддерживалась на задаваемом уровне в пределах значений 0 — минус 6,5 С. Выбор верхнего значения обусловлен целью уменьшения или исключения механизма перемещения влаги за счет расширения пара, значимого при температурах около 80 С.
Выбор нижнего значения — создание максимально возможного градиента температуры на холодном торце, отсутствие или наоборот, присутствие льда в охлажденной зоне. Время стабилизации температурного градиента по длине образцов — 1 час (рис. 2.3.1)
Общее время эксперимента 4 часа - не превышало срока схватывания цемента при 20 С и В/Ц=0,43...0,7. Влажность бетона, сложившаяся по направлению температурного градиента, определялась термостатно-весовым способом, то есть высушиванием проб, отобранных по длине образцов из центра их сечений (рис. 2.3.2, 2.3.3). Пробы отбирались по 10... 12 г в 5 параллельных бюксы с последующим высушиванием до постоянной массы в предварительно нагретом до 105 С сушильном шкафу. Масса и количество проб определялась степенью заполнения бюкс для максимально быстрого их высушивания и ошибкой определения массы (± 0,00125г). Влажность определялась отношением массы влаги к массе сухой пробы. Доля связанной воды определялась последующим прокаливанием проб при температуре 750 С. Применять менее трудоемкие неразрушающие методы определения влажности, основанные на электропроводности или радиоактивные методы, было неприемлемо из-за нестабильного изменения характеристик промерзающей зоны и изменения электропроводных свойств цементной пасты во времени.
При изготовлении песчаных образцов увлажненный песок укладывался в формы и одинаково уплотнялся. Формы согласно конструкции установки расположены горизонтально, так что влияние гравитации по длине образцов было постоянным. Влажность определялась с точностью 1,5...2 %. Опыты повторяли 3 раза.
Для выявления степени влияния льда на внутренний массоперенос за основной критерий была принята длина замерзшей зоны. Длину замерзшей зоны определяли с помощью ультразвукового контроля бетона по изменению плотности по сечению образца с помощью прибора «БЕТОН - 32». Плотность образца по сечению определяли изменением скорости прохождения поверхностных ультразвуковых волн. где V - скорость прохождения поверхностных ультразвуковых волн, км/с; S - длина пути распространения ультразвука (база измерения), мм; / - время распространения ультразвука, мкс; t0 - постоянная поправка ультразвукового прибора, определяемая при сомкнутых щупах. Из рис. 2.3.6 видно, что скорость прохождения ультразвуковых волн по сечению образцов резко снижается на расстоянии от 11 до 13 мм и от 20 до 22 мм, что соответствует измерению замерзшей зоны визуально. Каждая кривая на рис. 2.3.6 строилась по результатам 5-6 измерений. Отсюда можно сделать вывод, что замерзшую зону с допустимой погрешностью можно определять визуальным способом. Длина замерзшей зоны определялась по ее затвердеванию, изменению цвета (матовый). Эксперимент проводился с использованием пластиковой формы размером 100x100x150 мм (рис. 2.4.1). Для определения коэффициента внутреннего изотермического массопереноса приготавливались смеси мелкозернистого бетона с различным водоцементным отношением. Приготовленная смесь с малым водоцементным отношением В/Ц=0,3 помещалась на половину формы и по мере ее укладки равномерно уплотнялась. Загрузка смеси в форму производилась со стороны короткого торца при вертикальном положении формы. Это позволило привести в соприкосновение без мембраны вторую порцию смеси с водоцементным отношением В/Ц=0.6, помещаемую в форму аналогично. Форма с уложенными смесями сразу же помещалась в холодильник с температурой 4 С на 24 часа для замедления схватывания бетонных смесей. Для определения влажности из центральной части образца по обе стороны от границы раздела смесей отбирались пробы с шагом 5 мм. Методику определение влажности см. в п. 2.3. Для изучения исследования скорости перемещения влаги по сечению бетонной смеси была использована установка (см. п. 2.1).
В образцы укладывалась бетонная смесь, предварительно провибриро-ванная на вибростоле в течение 1 -2 минут. Для повышения площади контакта образцов с охладителем на металлические торцы наносился литол. В течение 2,4,6 часов образцы подвергались температурному воздействию: с одной стороны - охлаждались, с другой - нагревались. Температура измерялась с помощью термопар, установленных в центре образцов, в трех точках по длине образца. Через 2, 4, 6 часов температурного воздействия из каждого образца отбирались пробы (по 3-5 параллельных из 1 точки) и помещались в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 105 С и высушиванием до постоянной массы. Распределение температуры и влажности по сечению образца показаны на рис. 2.5.1, 2.5.2. Для определения количества связанной воды высушенные пробы помещались в муфельную печь и прокаливались при температуре 750 С в течении 3 часов.
Расчет коэффициентов внутреннего неизотермического массопереноса
Такая же зависимость наблюдается и при водоцементном отношении равном 0,43. Несколько иная картина наблюдается на составах при водоцементном отношении равном 0,5. При повышенном водоцементном отношении независимо от марки цемента остается много «свободной» воды и тем самым затрудняется движение влаги в охлажденные слои. Однако, на составах на высокомарочных цементах внутренний массоперенос при таком водоцементном отношении проявляется в несколько большем значении, чем цементы низких марок. В этом случае оказывает влияние степень тонкости помола (гранулометрический состав) цементов. При низком водоцементном отношении (В/Ц=0,43) количество переместившейся жидкости, на холодном торце образцов, по отношению к исходной влажности при различных марках цемента незначительное.
На рис. 3.2.2 показано распределение влажности по сечению цементно-песчаных образцов в зависимости от водоцементного отношения. Из графиков на рис. 3.2.2 а, б можно сделать вывод, что при цементах разных заводов (Топкинского и Искитимского соответственно) характер распределения влажности через 4 часа температурного воздействия идентичный. С повышением водоцементного отношения массоперенос на обоих составах снижается.
О влиянии вяжущего на процесс внутреннего массопереноса можно проследить на рис. 3.2.3, на котором показано распределение влажности в зависимости от марки цемента. Существенный массоперенос (перераспределение влаги 52 %) наблюдается на составах на шлакопортландцементе М400 Топкинского цементного завода. Известно, что сроки схватывания шлако-портландцементов несколько большие, чем у обычных цементов. Это связано с введением в гранулометрический состав цемента тонкомолотого шлака, который замедляет сроки схватывания и увеличивает время гидратации. При этом время миграции жидкости немного увеличивается.
Из рис. 3.2.5 следует, что количество мигрирующей влаги при различных водоцементных отношениях различно для цементов разных марок, что служит подтверждением того, что на процесс миграции влаги оказывает влияние гранулометрический состав цемента.
Таким образом установлено, что с увеличением водоцементного отношения количество мигрирующей влаги уменьшается на всех исследуемых цементах, так на ПЦ500 Топкинского завода при В/Ц=0,43; 0,5; 0,7 количество переместившейся влаги составляет соответственно 34%, 34% и 25%.
Цементы с пониженным водоцементным отношением создают условия для перемещения влажности в охлажденную зону, а при большом водоце-ментном отношении количество переместившейся влаги различно для цементов разных марок, наибольшее значение наблюдается на шлакопортландцементе (52 %), наименьшее на Искитимском цементе ПЦ400-Д20 (13%).
В предыдущем параграфе мы установили, что заполнитель при наличии льда оказывает влияние на протекание процесса внутреннего массопере-носа. Исследования проводились на фракционированном и нефракционированном песке (Мк=2,56). Наиболее интенсивное перераспределение происходит на нефракционированном песке и песке размером частиц 0,63-0,315, где преобладают капиллярный и комбинированный механизмы миграции влаги соответственно.
В качестве испытуемого материала выбран именно мелкозернистый бетон, так как ставилась задача выявления термокапиллярного механизма течения влаги, в большей степени актуального для мелкого заполнителя и водно-цементной пасты; во-вторых, как отмечалось ранее, определение влажности тяжелого бетона связано с отбором проб значительно большей массы, что увеличивает время их высушивания. Рис. 3.3.4 Влияние фракций песка мелкозернистого бетона с Ц:П=1:2 на увеличение влажности замороженной зоны образца длиной 1,5 см от холодного торца. Номера 1-4 соответствуют фракциям 0,315-0,14 (1); 0,63-0,315 (2); 1,25-0,63 (3); песок с Мк=2,56 (4).
Как видно из рис. 3.3.2, основной причиной движения влаги в охлажденную зону в песчаных образцах является не градиент температуры, а образование льда. Реакция на его появление в увлажненных песчаных фракциях различная: чем тоньше фракция, тем количество переместившейся влаги меньше от 14,9 % (фракция 0,14-0,315) до 34 % (фракция 0,63-1,25). Исходная влажность принималась различной с целью достижения одинакового количества свободной воды из предположения, что часть ее адсорбируется на частицах песка. Различие в степени переувлажнения охлажденной зоны в различных фракциях песка связано с механизмом переноса влаги. В песчаных образцах капиллярно-менисковое течение воды под действием градиента температуры гораздо слабее из-за значительных размеров капилляров и наличия воздушных пор. Термокапиллярно-пленочное течение в таких пористых средах играет более значимую роль [40]. Последняя зависит от размера частиц: при равном количестве свободной воды сопротивление потоку жидкости увеличивается с уменьшением размера песчинок из-за образования на них более толстой адсорбированной пленки.
На два-три порядка меньшие, чем в песке, капилляры образуются в це-ментно-водной смеси (пасте). Благодаря индукционному периоду цементная паста некоторое время (2-12 часов в зависимости от температуры и водоце ментного отношения) подобна влажному грунту. Так же, как и в песке, мас-соперенос в охлажденной зоне свежеуложенного мелкозернистого бетона наблюдали только в присутствии льда (см. рис. 3.3.4). Реакция на его появление разных составов различна. На рис. 3.3.4 (а-в) показано переувлажнение замороженной зоны по сравнению с исходной влажностью образцов после 4 часов неизотермического выдерживания при условии образования льда на холодном торце образца на длине 1-1,5 см.
В цементно-песчаных образцах преобладает капиллярно-менисковое течение влаги под действием температурного градиента и образования льда. Его скорость зависит от размеров капилляров (исходной влажности) и величины температурного градиента. Это видно из рис. 3.3.4: с понижением во-доцементного отношения уменьшаются размеры капилляров, заполненные жидкостью, следовательно, увеличивается капиллярное давление, вызванное разностью температур и обратно зависящее от квадрата радиуса капилляров. С этих же позиций объясняется роль более тонко - (ПЦ 500) или грубодис-персного (ПЦ400-Д20) цемента, формирующего капилляры меньшего или большего размера. Присутствие льда создает дополнительный фактор для перемещения влаги не только из-за химического сродства с водой (увеличение пленочного потока в замороженной области), но и возможно, из-за создания суховоздушной зоны за счет изменения агрегатного состояния воды.
Реализация алгоритма проектирования технологических параметров зимнего бетонирования с учетом процесса внутренней миграции влаги
Как видно, учет влияния внутренней миграции влаги привел к удорожанию за счет ремонта нарушенных процессом слоев конструкции одного из самых недорогих методов зимнего бетонирования.
Разработан алгоритм расчета технологических параметров на этапе проектирования технологии зимнего бетонирования, основанного на расчете температурных и влажностных полей бетонных конструкций на раннем этапе выдерживания. В отличие от существующей методики расчета, он учитывает влияние процесса внутренней миграции влаги на прочность бетона.
Установлено, что переувлажнение процессом миграции влаги охлажденных в ранний период выдерживания структуры бетона конструкции стены на приводит к снижению прочности на 15 % и удорожанию конструкции на 63 %.
Разработан ряд дополнительных к существующим технологических мероприятий при производстве бетонных работ в зимних условиях, позволяющих снизить или исключить появление процесса миграции влаги в свежеуложенном бетоне.
Эффективность применения предложенного алгоритма подтверждена расчетом технико-экономических показателей рассмотренных вариантов бетонирования железобетонной стены в зимних условиях и внедрением на объекте «Строительства здания Аптечного склада» ООО «Ев-ростройинвест» расчетом однородности структуры монолитного перекрытия по программе расчета тепловлажностных полей. 1 Установлено, что замерзшие слои бетона в ранний период выдерживания толщиной от 0,3 до 2,5 см, соответствующие температуре выдерживания от 0 С до минус 5 С имеют снижение прочности по отношению к центральным слоям, соответствующим температуре выдерживания от плюс 5 С до 18 С на 20 % и 10 %, соответственно изготовленных на цементах Топкинского и Искитимского заводов. 2 Установлено, что интенсивность процесса внутреннего массопереноса определяет в основном капиллярно-пленочный механизм движения влаги, в соответствии с которым движущей силой процесса массопереноса являются градиенты химического потенциала, давления и температуры. 3 Экспериментально доказано, что льдообразование в исследуемых бетонных образцах происходит при температуре замерзания поверхностных слоев в интервале от минус 1,0 С до минус 2,5 С и от минус 3,5 С до минус 5 С. При дальнейшем понижении температуры замораживания жидкость прекращает двигаться в охлажденную зону по причине выравнивания температурных градиентов. 4 Установлено, что с увеличением размера частиц мелкого заполнителя с 0,315-0,14 до 1,25-0,63 растет переувлажнение поверхностных слоев (от 14,9 % до 34 %) при температурах замерзания от 0 С до минус 5 С. Оптимальная интенсивность массопереноса соответствует оптимальной микрогранулометрии цементно-песчаных и бетонных смесей. Скорость массопереноса определяется кинетическими и технологическими факторами (а V Ь, где a, b - коэффициенты, характеризующие микрогранулометрию). 5 Противоморозные и пластифицирующие добавки, повышая плотность жидкой фазы, снижают интенсивность процесса миграции влаги до 20 % в зависимости от концентрации. 6 Разработаны экспериментальные методики исследования процесса массопереноса, определения скорости и коэффициентов миграции влаги при охлаждении свежеуложенного бетона в условиях, подобных остывающим через опалубку бетонным поверхностям зимой. 7 Экспериментальным путем определены значения скорости и коэффициентов влагопереноса, получены уравнения регрессии, связывающие количество переместившейся влаги, скорость и коэффициенты массопереноса от исследуемых факторов: водоцементного отношения, концентрации химической добавки, марки цемента и длины замерзшей зоны. 8 На основании полученных значений скорости и коэффициентов массопереноса разработана совокупность математических соотношений, позволяющих с достаточной надежностью прогнозировать параметры технологии зимнего бетонирования с учетом влияния внутреннего массопереноса на ранней стадии выдерживания. 9 На основании прогнозирования температурных и влажностных полей в свежеуложенных бетонах и цементно-песчаных растворах разработан алгоритм расчета технологических параметров зимнего бетонирования, позволяющий повысить качество бетонируемых конструкций за счет уменьшения или исключения процесса внутренней миграции влаги. 10 Предложены технологические рекомендации строительной организации для проектирования технологических параметров зимнего бетонирования.
