CC BY
20
На рис. 1 видно, что адсорбционная активность активированных минеральных порошков увеличилась примерно в 2 раза по сравнению с исходными (неактивированными) минеральными порошками.
Зависимости предела прочности при сжатии асфальтобетона указывают на то, что использование механоактивированных порошков кварцита и перлита способствует росту прочности в большей степени, чем использование неактивированных порошков этих же пород. Одновременно с этим отмечено снижение потребности в органическом связующем. Это можно объяснить тем, что в процессе совместного помола минерального компонента с известью в вибрационном истирателе происходит модификация поверхности зёрен кварцита и перлита, которая приводит к активизации их взаимодействия с битумом. При этом улучшается сцепление битума к поверхности минерального материала и увеличивается структурирующая способность системы.
Таким образом, механическая активация кремнеземсодержащих пород, усиленная воздействием извести, позволяет применять эти породы в производстве дорожного асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гезенцвей, Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов / Л.Б. Гезенцвей. - М. : Стройиздат, 1971. - 255 с.
2. Прокопец, В.С. Повышение эффективности дорожно-строительных материалов механо-активационным модифицированием исходного сырья: дис. ... докт. техн. наук. - Омск. 2005. - 341 с.
A.V. BITUEV, K.A. BOSKHOLOV
EARTH SILICON-CONTAINING MINERAL-POWDERS FOR ASPHALT-CONCRETE
The results of laboratory researches of properties of the activated mineral powders on the basis of earth silicon -containing raw material (quartzite, perlite) are presented in the paper.
УДК 666.972.17:620.18
A. И. ГНЫРЯ, докт. техн. наук, профессор,
С. В. КОРОБКОВ, канд. техн. наук, доцент,
B. А. ЕСАУЛОВ, канд. техн. наук , доцент,
Х.В. КУКЛИНА, ассистент,
ТГАСУ, Томск
ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ В БЕТОНЕ
В статье представлены исследования причин движения влаги в бетоне. Рассмотрены вопросы влияния потенциала воды, эффекта температуры, эффекта давления и эффекта
© А.И. Гныря, С.В. Коробков, В. А. Есаулов, Х.В. Куклина, 2007
ионной концентрации. Приведены остаточные структурные изменения при движении
На перемещение влаги в бетоне влияет множество факторов, особенно важно физическое состояние воды, которое уже достаточно исследовано, однако свойства бетона, размер, форма и химический состав его частиц менее известны. В то же время свойства бетона зависят от состава применяемых материалов, а на формирование структуры оказывает влияние вид цемента, химические добавки, В/Ц, температура бетонной смеси, влажность среды, эффект внутрипорового давления и др. [14]. Силы, содействующие движению влаги, сложно предопределить, особенно потому, что движение влаги может разделиться на множество фаз. Ситуация часто осложняется тем, что помимо твердой и жидкой фаз в системе присутствует и газообразная фаза. В данном случае движение влаги описать довольно трудно и еще сложнее проанализировать количественно. Поэтому знание потенциалов воды, вызывающих ее движение, сил и форм перехода и остаточного эффекта в бетоне из-за ее миграции, является обязательным для определения и обобщения моделей поведения и уточнения сферы окружения, для которой определенная идеализация является приемлемой.
При анализе прохождения воды через ненасыщенные почвы (которые являются трехфазовыми системами, состоящими из твердого минерального вещества, воды и воздуха, как и в случае с бетоном) предполагается, что вода обладает определенными потенциалами, которые, в свою очередь, стимулируют ее движение. Олсон и Лангфельдер [1] определили полный потенциал (или напор) математически при постоянной температуре
где ¥ - полный напор при постоянной температуре; и - давление в воде; г -гидростатический напор; V - скорость течения воды; g - гравитационное ускорение; ю - осмотический скоростной напор; а - адсорбционный поток; -
плотность воды.
Полный потенциал может быть представлен в следующем виде:
где 0 - температурный напор.
Полный напор рассматривается как эквивалентный потенциал. Он может быть выражен количественно в показателях свободной энергии воды в почве относительно энергии свободной чистой воды (А/), которую можно измерить установленными методами [2].
Абсолютная свободная энергия / определяется следующим образом:
влаги.
Потенциал воды
(1)
У * 2£
(2)
/ = и + Ру - 75,
(3)
где и - внутренняя энергия; Р - давление; V - удельный вес (объем); S - энтропия.
Если полная работа dW находится
ёШ=Pdv - dWm, (4)
где ёШт - механическая работа.
Тогда из первого закона термодинамики
ё/ = vdP - 8ёТ + dWm, (5)
где vdP - приращение давления; SdT - энтропия, приращение энергии за счет температуры.
Давление в воде включает в себя действия внешне приложенной нагрузки и степень влагонасыщения пор [3]. Поэтому силовые и деформационные характеристики бетона тесно связаны с его внутренней структурой.
Гидростатический напор играет большую роль в крупноразмерных бетонных конструкциях, где разности в высотных отметках могут дать громадный напор. Для мелких же элементов, как в случае с лабораторными экспериментами, этим напором можно пренебречь.
Напор при осмотическом давлении возникает из-за концентрации катионов, которая понижается от максимума вблизи пористой поверхности до минимума на определенном расстоянии внутри от поверхности, а также из-за присутствия растворимых солей в бетоне.
Адсорбирующий напор возникает из-за формирования водородных связей, в которых молекулы воды подвержены электронным силам близкого порядка. Это, в свою очередь, ведет к адсорбции. Напор также включает напряжение поверхности и изгиб границы раздела жидкости и воздуха.
Температурный напор возникает от присутствия температурных градиентов в бетонной среде. Этот напор самый сложный не только из-за трудности проведения температурных измерений, но также из-за трудности выражения энтропии.
Силы, вызывающие движение влаги
Механизм перемещения влаги через бетон до конца не исследован. Он полностью зависит от типа, величины и продолжительности потенциальных градиентов, которым подвержен определенный состав бетона. Некоторые из этих градиентов еще не определены, хотя их влияние наблюдалось. Сложность установления истинного типа подобных градиентов состоит в том, что движение влаги может осуществляться через все три фазы: жидкую, газообразную и адсорбированную.
К сожалению, различные аспекты проблемы так тесно переплетены, что почти все экспериментальные попытки дают информацию более чем об одной фазе одновременно. Подход в изучении проблемы движения влаги тесно связан с понятием равновесия баланса в теле бетона, особенно когда какая-либо сила прилагается к фрагменту бетона. В этом случае смещается существующее состояние равновесия и вызывает движение влаги в бетоне. Это движение продолжается до тех пор, пока не достигается состояние равновесия. Пробле-
ма миграции воды в бетоне является реакцией на градиент в полном напоре, а не в каком-либо специфичном.
Таким образом, к основным естественным силам, являющимся причиной движения воды в бетоне, можно отнести: давление, температуру, концентрацию ионов, притяжение молекул, электродвижущую силу и др. [11].
Чтобы понять их роль в движении влаги, следует рассмотреть отношения между этими силами и самые простые компоненты общего напора.
Эффект давления
Каждая частица элемента бетона подвержена нагрузке со стороны окружающего бетона и опосредованно - от внешне приложенных нагрузок. Потенциальный градиент, заставляющий влагу перемещаться из одной точки в другую, может быть градиентом гидростатического давления, порового давления или их комбинацией [4, 13]. Локальное изменение в содержании влаги
незамедлительно вызывает ее перераспределение в бетоне. Подобно этому
создание местного давления может установить градиент гидростатического давления, ведя к перераспределению влаги.
Принимая во внимание только давление и считая свободную энергию способом оценки общего напора (путем измерения определенных величин), можно вывести следующие отношения:
ё/ = уёР, (6)
где 4/- приращение свободной энергии; уёР - приращение давления.
1. Для воды v = ут постоянные:
!"Р Р
А/ = Ут \РоёР = Ру* = ~ , (7)
У
где А/- приращение свободной энергии.
и
и, у = — , (8)
У *
где у - общий напор при постоянной температуре; и - давление в воде; у* -удельный вес воды.
2. Для воды, допускающей испарение:
ЯТ
а) идеальный газ V = ,
ЛР Р
ЗРо Р Р
1 1 0
ЯТ Р
^ е^ у =------1ове —, (10)
Уv Р0
где Р0 - насыщенное паровое давление; Р - давление пара; Я - постоянная Р
идеального газа; — - отношение влажности; уу - плотность единицы пара Р0
воды.
б) различный газ
Р + _а_(- ь) = ЯТ (уравнение Ван-дер-Ваальса)
уравнение состояния реального газа, учитывающее конечность объема молекул и наличия межмолекулярных сил притяжения,
где а, Ь - постоянные - определены экспериментом; V - мольный объем.
Решая уравнение, выражая V через Р, можно получить значение А/.
Поэтому энергетическое состояние воды может быть выражено потенциальной величиной, в то время как отношение между давлением и влагой может быть представлено простой математической формулой.
Эффект температуры
В целом повышение температуры увеличивает мобильность воды. Однако в малонасыщенной и ненасыщенной среде объем защемленных пузырьков воздуха увеличивается, препятствуя таким образом миграции влаги для части среды бетона, наполненной водой.
При постоянных температурных условиях различия давления газа и вла-госодержания среды незначительны в насыщенной среде. В то же время в сухой среде градиенты давления пара ощутимы [4]. С увеличением температуры скорость передвижения молекул диффузной воды возрастает; она не замерзает при 274,5 К. Если в диффузной воде содержатся соли, они могут перемещаться независимо от направления движения молекул диффузной воды [12].
Передача влаги при наличии градиентов температуры очень мала в чрезмерно сухих и очень влажных средах, но достигает максимума при среднем влагосодержании, что зависит от полного напора и от пространства пор, заполненного газом [5]. Распределение температуры в подобных системах будет зависеть от относительной температурной проводимости трех составляющих: газа, воды и твердого вещества, а также от геометрии элемента [6].
Изменение полного напора от наличия градиента температуры пока еще экспериментально не подтверждено. Исследования же пористых твердых тел показывают, что связи между относительной влажностью и влагосодержани-ем не зависят от температуры в области, где преобладает адсорбция (ЯН < 0,6) [7], где Я - постоянная идеального газа, Н - постоянная Планка, ЯН - относительная влажность.
Полный напор при данном влагосодержании пропорционален напряжению поверхности с некоторым запасом, где преобладает капиллярная конденсация. Рассматриваем эффект температуры при свободной энергии
ё/ = -БёТ, (11)
где Б - энтропия; ёТ - приращение энергии за счет температуры; ё/ - приращение свободной энергии.
= -ёБ, (12)
ё (АТ)
где ёБ - указывает увеличение в энтропии воды. Это увеличение происходит взаимодействием окружающей (ёеБ) и находящейся внутри воды (ёБ). Символически
dS = deS + diS, (13)
если dQ означает испарение окружающей воды
de = T. (14)
Отсюда энергетическое состояние воды при определенном градиенте температуры может быть оценено изменением энтропии воды.
Эффект ионной концентрации
Присутствие растворимых солей или градиента концентрации катионов делает картину энергетики воды в бетоне более сложной. Они могут как способствовать, так и противостоять движению воды в бетоне. Градиенты концентрации раствора, как можно ожидать, оказывают более важное влияние на переход пара, а не на переход жидкости. Поэтому скопленные в определенном месте газы могут зависеть от объема газа, переходящего в жидкость. Рассмотрим эффект растворимых солей:
P = r • j (закон Рауля) - относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором пропорционально концентрации растворенного вещества, (15)
где r - постоянная величина в законе Рауля и j - мольная доля.
P
А/ = RT log —, (16)
Po
где А/- приращение свободной энергии; Р - давление пара; Р0 - насыщенное давление газа; R - постоянная идеального газа; Т - температура.
Аналогично может быть рассмотрен эффект концентрации иона
П = А1 • R • T, (17)
где п - осмотическое давление; А1 - разность концентрации ионов.
Отсюда энергетическое состояние воды при наличии растворимых солей эквивалентно осмотическому давлению.
Эффект силовых полей
Наиболее распространенные силы - гравитационные и адсорбционные. При наличии подобных полей работа, произведенная водой, изменит ее свободную энергию
d/ = gdZ = — , (18)
Р w
где pw - плотность воды; g - гравитационное ускорение; Z - центр тяжести в зависимости от размеров бетонного изделия; и - давление в воде.
Отсюда энергетическое состояние воды может быть оценено характеристиками известных силовых полей.
Форма перехода влаги
Проводящая система в бетоне состоит из капиллярных впадин, взаимо-соединенных сетью гелиевых пор. Она представляет среду непрерывных каналов для движения влаги. В присутствии потенциального градиента гелиевая вода рассеивается по капиллярным порам в результате изменения в термодинамическом равновесии среды. С повышением уровня свободной энергии капиллярной воды разница потенциалов приводит к рассеиванию гелиевой воды по капиллярным впадинам и уменьшает толщину пленки адсорбированной воды. Уменьшение толщины, в свою очередь, понижает ее свободную энергию и приводит к рассеиванию большего количества гелиевой воды, приводя, таким образом, к постоянному движению влаги.
С понижением влагосодержания полный напор в этих порах достигает определенных величин, при которых начинается дренаж и поступает воздух к бетонной среде. Движение происходит как последовательно-параллельный процесс течения через области газа и жидкости. Испарение и конденсация отвечают за движение газа, которое практически не испытывает сопротивления. Таким образом, те же самые силы, порождающие конденсацию, в основном ответственны за энергию связи полимолекулярной адсорбции [8]. При дальнейшем положении влагосодержания преобладает движение влаги в форме пара. В действительности существует постоянный переход от одной преобладающей фазы движения влаги к следующей. Механизм движения пара в присутствии градиентов температуры очень сложно описать. Движения жидкости и газа могут происходить в разных направлениях [7], возникая от гидростатического давления, созданного течением пара из-за градиентов температуры, которые могут быть в несколько раз выше величины градиента температуры в области среды, находящейся на удаленном расстоянии [6].
Остаточные структурные изменения при движении влаги
Движение влаги в бетоне сопровождается изменением объема, которое может быть обратимым или необратимым по своей природе в зависимости от того, произошло ли какое-либо структурное изменение.
При рассмотрении обратимого аспекта существования величины взаимозависимости между объемами меняется и приводит к неизбежному полному напору. Вероятно, что отношение между влагосодержанием и полным напором зависит от характеристик гелиевых частиц, то есть сжимающиеся они или свободные в естественном состоянии.
Возможность необратимых изменений приписывается изменению в распределении капиллярных размеров, что, в свою очередь, вызывает изменения в полном напоре. Отношение между влагосодержанием и полным напором вероятно зависит от вышеуказанных изменений. Отсюда можно прийти к выводу, что влагосодержание в различных местах в объеме бетонных изделий или конструкций может быть разным, хотя в целом объем бетона подвергается одним и тем же условиям. Это означает, что влагосодержание не представляет градиент, ответственный за миграцию влаги. Это объясняется десорбционно-адсорбционным запаздыванием, проявляемым бетоном, и возникает оттого, что поры могут быть опустошены при полном напоре, отличном от того, который
они заполняют. Следовательно, это приводит к более низкому уровню воды по сравнению с тем, который был опустошен ранее [9]. Разница между адсорбцией и десорбцией уменьшается с повышением температуры [10]. Поэтому изменение полного напора от изменений в структуре бетона перед принятием конкретного решения должно быть учтено при разработке уравнений для описания движения влаги.
Библиографический список
1. Olson, E. R. Pore Water Pressure In Unsaturated Soils / E. R. Olson, , L.J. Langfelder // Journal of soil mechanics Foundation Division, American Society of Civil Engineers. - Vol. 91. -No. SM4. - 1965. - Р 56.
2. Review Panel, Engineering Concepts of Moisture Equilibria and Mois Changes in Soils, Moisture Equilibria and Moisture Changes in Soils Beneath Covered Areas // A Symposium in Prints Butterworth, Sydeney. - 1965. - P 7.
3. Aitchison, C.D. Relationship - of Moisture Stress and Effective Stress Functions in Unsaturated Soils / C.D. Aitchison // Conference on Pore Pressure and Suction in Soils, Butter-vorths. - London. 1961. - P 47.
4. Croney, D. Movement and Distribution of Water in Soil in Relation to Highway Design and Performance / D. Croney, J.D. Coleman, P.M. Black // Water and its Conduction in Soils, Special Report 40, Highway Research Board. - 1958. - P 226.
5. Philip, J.R. Moisture Movement in Porous Materials Under Temperature Gradients / J.R. Philip, D.A. de Vrles // Transactions. Vol. 38. No. 2 American Geophysical Union, April 1957. - P 222.
6. Woodslde, W. Effect of Temperature Distribution on Moisture Flow in Porous Materials / W. Woodslde, J.M Kuzmak // Transactions, Vol. 39. No. 4 American Geophysical Union, August 1958. - P 676.
7. Philip, J.R. Physics of Water Movement in Porous Solids / J.R. Philip // Water and its Conduction in Soils, Special Report 40, Highway Research Board. - 1958. - P 147.
8. Brunauer, S. Adsorption of Gases in Multi molecular Layers / S. Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller // Journal of the American Chemical Society, 1938. - P 309.
9. Powers, Т.С Studies of the Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste / Т.С Powers, T.L. Brownyard // Bulletin 22. PC A Research and Development Laboratories, March 1948.
10. Yuan, R.L. Effect of Temperature on the Drying of Concrete / R.L. Yuan, H.K. Hllsdorf, С.Е. Kesler // Theoretical and Applied Mechanics Report N 316 University of Illinois, September 1968.
11. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 500 с.
12. Ахвердов, И.Н. Основы физики бетона / И.Н. Ахвердов. - М. : Стройиздат, 1981. - 464 с.
13. Лыков, А.В. Тепломассообмен (Справочник). / А.В. Лыков 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Энергия, 1978. - 480 с.
14. Комар, А.Г. Строительные материалы и изделия / А.Г. Комар. 5-е изд., перераб. и доп. -М. : Высш. шк., 1988. - 527 с.
A.1. GNYRYA, S.V. KOROBKOV, V.A. YESAULOV, H.V. KUKL1NA
REASONS FOR THE WATER MOVEMENT THROUGH THE CONCRETE
The investigation of the reasons for the water movements through the concrete is presented in the paper. This research covers the effects of the water potential, temperature, pressure as well as ions concentration. Examples of the final structure change, while water moving, were given.
