Исследована кинетика водопоглощения мелкозернистого бетона методом непрерывного гидростатического взвешивания. Установлено, что этот процесс не может быть описан одним уравнением. Предложенное усовершенствование методики позволяет более точно описать кинетику водопоглощения бетона.
Ключевые слова: бетон, кинетика водопоглощения, пористость, морозостойкость, прогнозирование.
Долговечность, в частности морозостойкость, цементного бетона во многом зависит от его поровой структуры. Кинетика водопоглощения бетона в реальных условиях переменного насыщения материала водой определяет степень заполнения пор жидкой фазой до начала замораживания и, наряду со скоростью замораживания, определяет интенсивность деструктивных процессов. Однако, несмотря на очевидную взаимосвязь между параметрами, описывающими кинетику водопоглощения и морозостойкостью, а также предпринимавшиеся попытки установить регрессионную зависимость между этими характеристиками [2], в настоящее время отсутствуют методы достоверного прогнозирования морозостойкости бетона по характеристикам его пористости, установленным по кинетике водопоглощения. Это можно объяснить недостатками методики определения показателей пористости по кинетике его поглощения.
Для определения кинетики водопоглощения используется методика ГОСТ [1], в соответствии с которой насыщение бетона водой описывается уравнением
, (1)
где Wt – водопоглощение образца за время t, % по массе;
Wm – водопоглощение образца, определенное по ГОСТ 12730.3, % по массе;
е – основание натурального логарифма, равное 2,718;
t – время водопоглощения, ч;
– показатель среднего размера открытых капиллярных пор, равный пределу отношений ускорения процесса водопоглощения к его скорости;
α – показатель однородности размеров открытых капиллярных пор.
Параметры пористости и α устанавливают по номограммам, приведенным в ГОСТ [1]. Для их нахождения необходимо определить 3 значения водопоглощения в различные моменты времени. При использовании дискретного метода взвешивания определяют водопоглощение через 15 и 60 минут, а также после полного насыщения образцов водой. А при использовании метода непрерывного гидростатического взвешивания вместо водопоглощения через 15 и 60 минут определяют время достижения значений водопоглощений Wt1 = 0,632·Wт и Wt2 = 0,5·Wт.
Недостатком этого метода является использование минимального объема данных о кинетике процесса, что свидетельствует о выборе упрощенной модели, описывающей водопоглощение. На практике кинетика водопоглощения зависит от процесса заполнения пор материала различного генезиса. Различают, по крайней мере, два вида пор — сообщающиеся капиллярные, образовавшиеся в результате испарения избыточной влаги с точки зрения полной гидратации цемента, и условно замкнутые, образовавшиеся за счет вовлечения в смесь воздуха при ее приготовлении. В связи с этим, для более достоверного описания кинетики водопоглощения необходимо увеличить объем данных.
На основе цифровых электронных весов, имеющих возможность передачи данных через интерфейс в компьютер, может быть собрана измерительная установка (рис. 1), позволяющая получить достаточное количество данных о кинетике водопоглощения. При отсутствии в весах возможности сопряжения с компьютером данные могут фиксироваться с помощью видеосъемки.
Рис. 1. Измерительная установка для непрерывного измерения и записи веса образца в процессе насыщения его водой. Обозначения: 1 — весы электронные; 2 — компьютер; 3 — подвес; 4 — емкость с водой; 5 — образец
Исследование кинетики водопоглощения мелкозернистого бетона (цементно-песчаного раствора) состава 1:3 при В/Ц=0,5 показало (рис. 2), что этот процесс только на начальном этапе может быть описан уравнением (1), коэффициенты которого получены по методике [1], а в более поздние сроки наблюдаются значительные отклонения фактических значений водопоглощения от расчетных.
Рис. 2. Кинетика водопоглощения мелкозернистого бетона (1) и расчетная кривая процесса (2)
Для нахождения уравнений, более точно описывающих кинетику процесса можно использовать линеаризацию данных за счет следующих преобразований:
у = ln(-ln(1-Wt/Wm)) и x = ln(t) (обозначения см. спецификацию формулы (1)). На графике, построенном по линеаризированным данным, экспериментальные значения могут быть описаны двумя линейными уравнениями, приведенными на рис. 3. После нахождения методом наименьших квадратов коэффициентов уравнения у = а + b·x можно вычислить характеристики пористости α и λ, которые находятся исходя из зависимостей λ = b и α = ехр(а/b). Для данных на графике получим:
- для первой части кривой λ1 = 0,245 и α2 = 0,673;
- для второй части кривой λ2 = 6,67 и α2 = 0,054.
Рис. 3. График кинетики водопоглощения после линеаризации
Изменение кинетики водопоглощения, которое наблюдается через 5,5 часа (рис. 2 и 3) отражается на смене коэффициентов уравнений и свидетельствует о качественном изменении процесса. На начальном этапе происходит насыщение сообщающихся мелких капиллярных пор, что подтверждается более низким показателем среднего размера открытых капиллярных пор (λ1 = 0,245) На втором этапе этот показатель многократно возрастает (λ2 = 6,67), что свидетельствует о том, что основной вклад в приращение водопоглощения вносят медленно заполняющиеся условно-замкнутые сферические поры, образовавшиеся за счет вовлечения воздуха при перемешивании бетонной смеси.
Выявленное несоответствие фактического водопоглощения принятым представлениям [1] может объяснить невозможность выявления аналитических зависимостей, позволяющих прогнозировать морозостойкость бетона по показателям кинетики его водопоглощения. Для решения этой задачи необходимо проведение совместных исследований морозостойкости и водопоглощения с учетом выявленных особенностей последнего.
Литература:
1. ГОСТ 12730.4–78. Бетоны. Методы определения показателей пористости.
2. Методические рекомендации по контролю качества поровой структуры дорожного бетона. М.: Минтрансстрой, 1978. 14 с.
