Метод определения кинетики водопоглощения

Метод определения кинетики водопоглощения применялся для оценки особенностей формирования пористой структуры бетона на различных сроках твердения и анализа её влияния на морозостойкость материала. Данный метод основан на исследовании характера поглощения воды бетонным образцом во времени и позволяет косвенно оценить параметры открытой капиллярной пористости, степень связности порового пространства, а также интенсивность капиллярного массопереноса.

Методика испытаний основана на положениях, предложенных А. Е. Шейкиным [1], согласно которым процесс насыщения бетона водой рассматривается как временная характеристика проникновения жидкости в капиллярно-пористую структуру цементного камня. Анализ кинетики водопоглощения позволяет определить не только предельное водонасыщение материала, но и установить закономерности изменения скорости заполнения порового пространства, отражающие особенности внутренней структуры бетона. Сущность метода заключается в последовательном измерении массы образца в процессе его насыщения водой через заданные интервалы времени. Изменение массы образца характеризует интенсивность водопоглощения и позволяет судить о развитии открытой пористости, доступной для проникновения воды.

Перед проведением испытаний образцы предварительно высушивали до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105 °С. После завершения сушки образцы охлаждали до комнатной температуры в условиях, исключающих дополнительное увлажнение. После чего определяли их начальную массу.

Испытания проводились путем полного погружения образцов в воду при постоянной температуре. Взвешивание осуществлялось через строго фиксированные интервалы времени: 0; 0,25; 1; 24 часа. Перед каждым взвешиванием поверхность образца освобождалась от поверхностной влаги.

Величина водопоглощения в каждый момент времени определялась по зависимости:

(1)

где W _t -водопоглощение в момент времени t, %; m _t -масса образца в момент времени t, г; m ₀ -масса сухого образца, г;

Для анализа кинетики водопоглощения строилась зависимость водопоглощения от времени насыщения.

Рис. 1. Диаграмма записи приращения массы образцов при водопоглощении

На основании полученных кривых оценивали начальную интенсивность водопоглощения, скорость насыщения, характер изменения поглощения во времени и момент достижения условного насыщения.

Согласно подходу А. Е. Шейкина, характер кинетической кривой отражает состояние капиллярно-поровой структуры материала. Высокая начальная скорость водопоглощения свидетельствует о наличии развитой системы сообщающихся капиллярных пор и высокой степени их связности. Замедление процесса насыщения указывает на постепенное заполнение мелких пор и ограничение дальнейшего движения влаги в структуре цементного камня. Особое значение данный метод приобретает при исследовании бетона на различных сроках твердения, поскольку позволяет проследить изменение капиллярной структуры во времени. На ранних сроках твердения, как правило, наблюдается более интенсивное водопоглощение вследствие развито системы открытых капиллярных каналов. По мере развития гидратационных процессов происходит уплотнение структуры цементного камня, снижение доли открытой пористости и уменьшение скорости насыщения.

В рамках настоящего исследования результаты определения кинетики водопоглощения использовались для количественной оценки изменения пористой структуры бетона на различных сроках твердения и последующего сопоставления с результатами испытаний на морозостойкость. Это позволило установить взаимосвязь между параметрами водонасыщения, особенностями порового пространства и устойчивостью материала к циклическому замораживанию и оттаиванию.

Результаты расчета по методу кинетики водопоглощения образцов

Согласно методике расчета, по результатам водопоглощения определяют следующие характеристики:

Водопоглощение по массе вычисляют по формуле:

(2)

где W _в водопоглощение по массе, %; m ₀ масса сухого образца, г; m ₂₄ масса водонасыщенного образца в воздухе, г.

Объемную плотность образцов вычисляют по формуле:

(3)

где p ₀ объемная плотность образцов, кг/м³; m ₀ масса сухого образца, г; m ₂₄ масса водонасыщенного образца в воздухе, г; m ₂₄ ^в масса водонасыщенного образца в воде, г; p _ж плотность жидкости, в которой происходило поглощение, кг/м³.

Объемное водопоглощение определяется по формуле:

(4)

где W ₀ объемное водопоглощение, %; m ₀ масса сухого образца, г; m ₂₄ масса водонасыщенного образца в воздухе, г; m ₂₄ ^в масса водонасыщенного образца в воде, г.

Равновесное водопоглощение определяется по формуле:

(5)

где W _p равновесное водопоглощение, %; m ₀ масса сухого образца, г; m ₂₄ масса водонасыщенного образца в воздухе, г.

Истинную пористость вычисляют по формуле:

(6)

где П _и истинная пористость, %; m ₀ масса сухого образца, г; p ₀ объемная пористость образцов, кг/м³; p плотность материала образцов, определяемая по методике ГОСТ 12730–67 [3], в данном случае принято усредненное нормативное значение 2,65 кг/м³.

Далее вычисляют вспомогательные величины по формулам:

(7)

где m ₀ масса сухого образца, г; m ₁ масса образца спустя час после начала водопоглощения, г; m ₂₄ ^в масса водонасыщенного образца в воде, г.

(8)

где m ₀ масса сухого образца, г; m _0,25 масса образца спустя 0,25 часа после начала водопоглощения, г; m ₂₄ ^в масса водонасыщенного образца в воде, г.

Зная величину W ₁ ^’ , по номограмме определяют вспомогательный показатель λ1, а по величине W _0,25 ^’ и λ1 — величину . По показателям λ1 и  устанавливают величину λ2. Для этого используют номограммы, представленные на рисунке 2, и рисунке 3.

Рис. 2. Номограмма для определения параметров поровой структуры материалов по кинетике поглощения ими смачивающей жидкости

Рис. 3. Номограммы для вычисления показателя λ1

Результаты расчета, приведенного выше для всех образцов оформлен в таблицах 1, 2, 3, 4.

Таблица 1

Расчет параметров необходимых для оценки кинетики водопоглощения для образцов на 5 сутки

Таблица 2

Расчет параметров необходимых для оценки кинетики водопоглощения на 10 сутки

Таблица 3

Расчет параметров необходимых для оценки кинетики водопоглощения на 14 сутки

Таблица 4

Расчет параметров необходимых для оценки кинетики водопоглощения на 28 сутки

Анализ изменения параметров пористой структуры во времени

Для оценки влияния возраста бетона на формирование его поровой структуры были проанализированы параметры, определенные методом кинетики водопоглащения. Полученные коэффициенты позволяют косвенно оценить характер распределения пор, степень их связности и потенциальное влияние структуры на эксплуатационные свойства материала.

Особый интерес представляют параметры λ1 и λ2 характеризующие особенности строения порового пространства цементного камня. Параметр λ1 отражает степень упорядоченности структуры и характер распределения пор по размерам, тогда как λ2 связан с совершенством поровой структуры и косвенно характеризует морозостойкость материала. Увеличение данных параметров в процессе твердения свидетельствует о развитии более плотной структуры цементного камня.

По результатам расчетов установлено, что в процессе твердения бетона наблюдается постепенное увеличение значений λ1 и λ2. Если в возрасте 5 суток среднее значение λ1 составляло 1,86, то к 28 суткам оно увеличилось до 2,23. Аналогичная тенденция наблюдается для параметра λ2, значения которого возросли с 3,23 до 4,60.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в процессе гидратации цемента происходит постепенное уменьшение доли крупных сообщающихся капиллярных пор и формировании более плотной структуры цементного камня. Наиболее интенсивные изменения наблюдаются после 14 суток твердения, когда процессы структурообразования продолжают активно развиваться. График зависимостей показателей λ1 и λ2 от возраста бетона представлен н рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость показателей λ1 и λ2 от возраста бетона

Анализ предоставленных зависимостей показывает, что оба параметра изменяются в одном направлении, что подтверждает закономерное совершенствование структуры порового пространства по мере твердения бетона. Особенно заметным является рост параметра λ2, что указывает на повышение устойчивости структуры к воздействию отрицательных температур и циклическому замораживанию.

Другим важным показателем является коэффициент . характеризующий неоднородность поровой структуры материала. Увеличение значения  соответствует более развитой системе крупных сообщающихся пор, тогда как снижение данного коэффициента свидетельствует об уплотнении структуры цементного камня и уменьшении доли неблагоприятных капиллярных пустот.

Параметр θ представляет собой относительное увеличение разности объемных деформаций и используется при оценке морозостойкости бетона дилатометрическим методом. Чем меньше значение θ, тем более благоприятной является структура материала с точки зрения сопротивления циклическому замораживанию и оттаиванию.

Результаты расчетов показывают устойчивое снижение обоих параметров в процессе твердения бетона. Среднее значение коэффициента  уменьшилось с 0,553 в возрасте 5 суток до 0,42 в возрасте 28 суток. Аналогично параметр θ снизился с 0,21 до 0,09.

Снижение указанных показателей свидетельствует о постепенном уплотнении цементного камня, уменьшении объема сообщающихся капиллярных пор и снижении вероятности возникновения внутренних напряжений при замерзании воды в поровом пространстве. График зависимостей показателей θ и  от возраста бетона представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Зависимость показателей θ и т возраста бетона

Представленные зависимости подтверждают, что формирование структуры бетона сопровождается снижением доли наиболее опасных для морозостойкости капиллярных пор. При этом уменьшение параметра θ согласуется с общей тенденцией повышения качества поровой структуры, установленной по результатам анализа коэффициентов λ1 и λ2.

Одним из важнейших эксплуатационных показателей бетона является морозостойкость. В настоящей работе оценка выполнялась дилатометрическим методом. Расчет морозостойкости осуществлялся на основании параметра θ, отражающего особенности деформационного поведения материала при замораживании водонасыщенного образца.

По результатам расчета установлено, что с увеличением возраста бетона наблюдается рост прогнозируемой морозостойкости. В возрасте 5 суток материал соответствовал диапазону морозостойкости F400, в возрасте 10 суток достигал F500, а начиная с 14 суток соответствовал классу морозостойкости F600.

Полученные результаты хорошо согласуются с ранее установленными закономерностями изменения параметров поровой структуры. По мере протекания процессов гидратации происходит уменьшение объема сообщающихся капиллярных пор снижению значений θ и , а также увеличению параметров λ1 и λ2, что в конечном итоге приводит к повышению морозостойкости.

Как видно исходя из графика, наиболее интенсивный рост морозостойкости наблюдается в первые две недели твердения, что соответствует периоду наиболее активного формирования структуры цементного камня. В дальнейшем рост морозостойкости замедляется, что связанно с постепенным завершением основных процессов гидратации.

Проведенный анализ показал, что в процессе твердения бетона происходит закономерное совершенствование его поровой структуры. Это подтверждается увеличение параметров λ1 и λ2, снижением коэффициента  и θ, а также ростом прогнозируемой морозостойкости от F400 до F600. Полученные результаты свидетельствуют о постепенном уменьшении доли сообщающихся капиллярных пор и формировании более плотной структуры цементного камня, что оказывает положительное влияние на долговечность и морозостойкость исследуемой бетонной смеси.

Заключение

Проведенное исследование показало возможность использования метода кинетики водопоглащения и графоаналитического подхода Шейкина для ранней косвенной оценки долговечности бетона. В отличие от традиционных методов определения морозостойкости, требующих значительных временных затрат, рассматриваемый подход позволяет уже на ранних сроках твердения получить информацию о формировании пористой структуры материала, и прогнозировать его дальнейшие эксплуатационные свойства.

Установлено, что достижение бетоном требуемой прочности не означает завершение процессов структурообразования. После набора распалубочной или проектной прочности, которая обычно достигается в возрасте 3–10 суток, продолжается изменение параметров порового пространства, оказывающих непосредственное влияние на долговечность и морозостойкость материала. В этот период происходит уплотнение структуры цементного камня, снижение объема сообщающихся капиллярных пор и повышение устойчивости бетона к воздействию внешней среды.

Полученные результаты показывают, что оценка параметров пористой структуры может быть использована для прогнозирования эксплуатационных характеристик бетона на ранних стадиях твердения и своевременного выявления потенциальных рисков развития деструктивных процессов в конструкции.

Наибольшую практическую ценность данный подход представляет для ответственных сооружений с повышенными требованиями к долговечности, включая мостовые конструкции, транспортные сооружения, гидротехнические объекты и цементобетонные дорожные покрытия. Для таких конструкций важно обеспечить не только требуемую прочность, но и формирование структуры, способной сохранять работоспособность в течение всего срока эксплуатации.

В связи с этим рекомендуется использовать методы косвенной оценки параметров пористой структуры в качестве дополнительного инструмента контроля качества бетона на ранних сроках твердения. Это позволит повысить достоверность прогнозирования долговечности конструкций и снизить вероятность возникновения эксплуатационных повреждений в дальнейшем.

Литература:

1. Шейкин, А. Е. Структура и свойства цементного камня / А. Е. Шейкин, М. И. Брюссер, Ю. В. Чеховский. — М.: Стройиздат, 1979. — 344 с. — Текст: непосредственный.
2. ГОСТ 12730–67. Бетоны. Методы определения плотности. — М.: Издательство стандартов, 1968. — 12 с.