Учебное пособие 800523

Рис. 3. Развитие усадочного напряжения F ( ) при удалении влаги из материала (по А.С. Аведикову, М.С. Острикову, Г.Д. Диброву 36 )

Рис. 4. Типовая кривая влажностной усадки цементного камня в условиях квазистатической сушки (по А.Е. Шейкину 37 )

31

Рис. 5. Типичные кривые усадки строительных материалов при обезвоживании (по Е.М.Чернышову 38 ):

Тип I характерен для материалов со структурой, определяющей максимальные значения величины усадки на всех этапах обезвоживания; Тип II характерен для материалов с промежуточными характеристиками структуры;

Тип III характерен для материалов со структурой, определяющей минимальные значения величины усадки на всех этапах обезвоживания.

32

где А – коэффициент пропорциональности для конкретного материала; Vц.в.-

объем цементирующего вещества; Vпор – объем пор; Vзап – объем зерен заполнителя;Sтв.ф - площадь поверхности частиц твердой фазы; qтв.ф - удельная поверхностная энергия твердой фазы; rэ – средний эквивалентный радиус пор; a, b, c, d – коэффициенты меры соответствующих параметров структуры материала на его влажностную усадку.

Существо влияния влажностного состояния материала на его теп-

лофизические характеристики, в частности на коэффициент теплопровод-

ности, объясняется согласно положениям строительной теплофизики 39-42 ,

опирающимся в данном вопросе на принцип Максвелла. Влажный строительный материал рассматривается как дисперсная система, состоящая из трех компонентов – частиц твердого тела, воды и воздуха между ними, вносящих свой соответствующий определенный вклад в механизмы процессов теплопереноса в увлажненном материале. В такой системе передача тепла через твердую и жидкую фазу материала происходит посредством тепло-

проводности, а в порах, заполненных влажным воздухом, теплопередача дополнительно осуществляется конвекцией и излучением.

Коэффициент теплопроводности строительного материала в сухом состоянии определяется объемом и структурой пористости, химикоминералогическим составом твердой фазы. При увлажнении материала влага,

вытесняя воздух, сначала покрывает поверхность пор, а затем заполняет их частично или полностью. Поскольку теплопроводность воды выше, чем воз-

духа, то теплопроводность материала закономерно повышается по мере его увлажнения. Одновременно существенный вклад вносят процессы термогра-

диентного влагопереноса в увлажненном материале, когда дополнительные порции тепла переносятся потоками жидкости и пара. Зависимость тепло-

проводности от влажности материала является нелинейной, и решающее влияние на величину коэффициента теплопроводности во влажном состоя-

нии оказывает форма связи воды со структурой (рис. 6). В области гигроскопического состояния, когда в структуре уже присутствует вода в жидком со-

стоянии, а вклад влагопереноса в передачу тепла еще невелик, температуропроводность материала резко повышается, так как вода является одним из наиболее теплоинерционных веществ. Коэффициент теплопроводности увеличивается наиболее сильно, когда объем жидкости в порах становится больше объема водяного пара, то есть при наличии в структуре капиллярносвязанной воды. Дополнительный вклад капиллярной воды в микропорах в

33

Рис. 6. Общий характер зависимости коэффициента температуропроводности а и теплопроводности э от влажностного состояния материала

механизм переноса тепла обусловлен ее молекулярным течением. Если объем жидкости в материале становится меньше по сравнению с объемом в виде па-

ра, теплопроводность резко падает. Когда же влагосодержание определяется лишь адсорбционно-связанной водой, теплопроводность принимает наи-

меньшие значения и близка к теплопроводности сухого вещества и подчиняется закону Фурье для молекулярного переноса тепла, то есть определяется градиентом температуры и теплопроводностью твердой фазы. Дополнительной причиной снижения теплопроводности материала при наличии в нем только адсорбционной воды является снижение температуропроводности данного вида воды по сравнению со значениями, характерными для свобод-

ной воды.

Таким образом, для величины теплопроводности тела во влажном со-

стоянии определяющая роль принадлежит количественному соотношению различных видов воды, что зависит от распределения объема пор по разме-

рам в материале, состава и структуры его твердой фазы.

Во всех процессах морозной деструкции главное место принадлежит гигрометрическим характеристикам материала, которые и определяют ин-

тенсивность и меру развития гигромеханических процессов при заморажи-

вании, а тем самым меру дилатометрических эффектов и скорость морозного

34

разрушения. Морозное разрушение и морозостойкость строительных мате-

риалов по их механизму трактуется, соответственно, как процесс и как след-

ствие процесса накопления повреждений в увлажненном материале при воз-

действии на него среды с циклически меняющейся отрицательной и положи-

тельной температурой. Накопление повреждений в микрообъеме материала представляется результатом кристаллизационных и одновременно совокуп-

ности гигромеханических явлений (кристаллизационного давления льдообра-

зования, гидростатического и гидравлического давления воды), связанных с преобразованием жидкой фазы в криофазу (льдофазу) 38,39 . При этом кри-

териальными для развития морозной деструкции считаются два основных фактора:

1)критическая степень насыщения объема пор водой (91,7%),

2)температура замерзания воды в материале.

Однако и при докритических значениях степени насыщения пор водой не исключается возможность интенсивного морозного разрушения от дейст-

вия кристаллизационного льдообразования. Дело в том, что морозная дест-

рукция в макрообъеме, то есть в конструкции, в условиях одностороннего ее охлаждения оказывается результатом развития гигромеханических процессов массопереноса, миграции жидкой фазы в направлении к охлаждаемой по-

верхности, накопления вблизи нее с льдообразованием. В зоне односторон-

него охлаждения содержание жидкой фазы может достигать и превышать критическое значение, при котором льдообразование способно привести ма-

териал к быстрому слоистому разрушению 43 .

Критериальный для развития морозной деструкции фактор (температура замерзания воды в материале) зависит от силы связи воды со структурой ма-

териала, предопределяемой адсорбционной активностью поверхности твер-

дой фазы (характеризуется теплотой смачивания qтв.ф), сродством жидкой фазы к твердой фазе (характеризуется краевым углом смачивания ), рас-

пределением объема порового пространства по радиусу пор drпор/dVпор (ха-

рактеризуется средним эквивалентным радиусом пор rэ). В зависимости от структуры материала значение температуры замерзания воды в нем может,

как известно, находиться в интервале 0 0С -70 0С (табл. 7), а мера деформи-

рования материала при замораживании (рис. 7), являющаяся следствием и

«тестом» возможного проявления кристаллизационного давления при льдо-

35

онное слоистое льдообразование будет исключаться.

Рассмотренные условия влияния гигрометрических особенностей на морозную деструкцию строительных материалов относятся к направлению повышения морозостойкости за счет формирования микропористых плотных их структур. Другое направление соотносится, как известно, с созданием ре-

зервного (свободного от жидкости) объема макропористого пространства в материалах, в который может гидравлически отжиматься жидкая фаза при льдо-

образовании в заполненных водой капиллярных порах. И это другое направление по сути своей также подразумевает регулирование гигрометрических ха-

рактеристик строительных материалов, а на этой основе возможность управления развитием и проявлением гигромеханических процессов при заморажива-

нии-оттаивании и в итоге интенсивностью морозной деструкции материала. Таким образом, влияние влажностного состояния строительных мате-

риалов на конструкционные свойства закономерно определяется силой связи воды с твердой фазой и поровым пространством материала, а вернее, балан-

сом сил, который может складываться в структуре материала при изменении его влагосодержания. В результате показатели конструкционных свойств ма-

териалов при эксплуатации оказываются функцией их влажностного состояния.

На основе структурного подхода обоснованы принципы и условия управления конструкционными свойствами строительных материалов, реали-

зуемые посредством варьирования параметров состава и структуры материала, ответственных за интенсивность взаимодействия материала с водяным паром и водой эксплуатационной среды и, следовательно, за баланс сил в его структуре при изменении влажностного состояния.

Регулирование баланса сил и соответствующее управление мерой изменения основных конструкционных свойств материала достигается по-

средством следующей системы структурных факторов:

1) соотношением объемов структурных составляющих Vтв.ф, Vn, Vж.ф. в ма-

териале;

2)удельной площадью поверхности твердой фазы,

3)видом связей между структурными элементами твердой фазы, их количеством в единице объема; размером структурных элементов и однородно-

стью их размещения в объеме материала;

37

4) удельной поверхностной энергией твердой фазы, связанной с ее химико-

минералогическим составом и структурой (экспериментально характеризуется удельной теплотой смачивания),

5)распределением пор материала по размерам,

6)краевым углом смачивания жидкостью поверхности твердой фазы.

Соответственно этому определена совокупность рецептурнотехнологических факторов, позволяющих осуществлять такое регулирование применительно к цементным поризованным бетонам, а именно: вид, дозировки цемента и химических добавок, В/Ц-отношение, вид, гранулометрия,

объемная доли микронаполнителя и заполнителя, условий гидратации и твердения.

Рассмотренные положения явились основой научных исследований вопросов регулирования конструкционных свойств цементных поризованных бетонов (показателей сопротивления разрушению, деформативности, теплопроводности, морозостойкости) при изменении влажностного состояния.

2.3. Закономерности изменения влажностного состояния

цементных поризованных бетонов как функции их структуры

В исследованиях цементные поризованные бетоны были представлены образцами типичных мелкозернистых и микрозернистых структур, получен-

ных на различных видах заполнителя и наполнителя.

Вэкспериментах использовались образцы с постоянным значением Ц:Н

=1:1,75 для всех видов бетона. В/Т- отношение назначалось исходя из условия обеспечения поризации бетонной смеси. Требуемая средняя плотность бетонной смеси и бетона достигалось изменением дозировки воздухововлекающей добавки «Пеностром» в пределах 0,2 - 0,25 % от массы твердой фа-

зы. В опытах использовались цемент портландский ПЦ-500ДО; в качестве наполнителей применялись материалы, отличающиеся по дисперсности и ак-

тивности по отношению к воде (табл. 8,9).

При изучении процессов взаимодействия с водяным паром и водой мо-

делировались влажностные режимы, в которых может оказаться эксплуатируемый поризованный бетон в конструкции.

С этой целью в гигростатах в изотермических условиях (20 5)0С созда-

вали модельные среды с относительным парциальным давлением водяного пара р/р0=0,32;0,5;0,75;1,0. Параметры гигрометрического состояния

38

материала определялись:

1)после выдерживания высушенных образцов в указанных средах;

2)после водонасыщения;

3)после обезвоживания (десорбции) водонасыщенных образцов в аналогичных средах.

Таблица 8

Гигрометрические характеристики мелкозернистого плотного и поризованного бетона

39

Таблица 9 Гигрометрические характеристики поризованных бетонов

на основе различных видов наполнителей

40