Pohyb vody v porézních stavebních materiálech - IX. Absorpce vody a sorptivita betonu

Transkript

1 Building and Environment, Svazek. 22, č. 1, strany , Vytištěno ve Velké Británii /87 $ Pergamon Journals Ltd. Pohyb vody v porézních stavebních materiálech - IX. Absorpce vody a sorptivita betonu CHRISTOPHER HALL1f M. H. RAYMOND YAUf Je aplikována teorie toku v nenasyceném prostředí na absorpci vody na portlandský cementový beton. Opětovně se analyzují data publikovaná v literatuře Maclnnisem a Nathwadem a jsou prezentována nová laboratorní data, z nichž se odvozují hodnoty sorptivity. Diskutují se odchylky v sorptivitě při míšení a zhutňování. Sorptivita je ve relativně intenzivní k poměru voda: cement, avšak strmě klesá při prodlužovaném pěchování. 1. ÚVOD TENTO DOKUMENT popisuje vlastnosti absorpce kapilární vody v betonu z pohledu teorie toku v nenasyceném prostředí a sorptivity. Nepokoušeli jsme se vyčerpávajícím způsobem prozkoumat bezpochyby komplikované vztahy mezi schopností betonu absorbovat vodu, jeho složením a historií míšení a vytvrzování. Naším cílem je ilustrovat použití testovacích postupů a metod analýzy dat, což může mít cenný přínos při dalším studiu těchto aspektů technologie betonu. Aplikace teorie toku v nenasyceném prostředí na porézní stavební materiály byla ve vyčerpávající míře diskutována v dřívějších článcích této řady [1-3] a také jinde [4, 5]. Především jsme zdůraznili [2, 12, 13] význam sorptivity jako veličiny důsledně definované v teorii, které je snadno měřitelné a jeho fyzikální význam je snadno uchopitelný. Údaje o sorptivitě cihel, stavebního kamene a malty byly publikovány dříve [2, 6, 7], avšak nejsou k dispozici žádná systematická data o sorptivitě betonu. V teorii toku v nenasyceném prostředí protéká voda (nebo kterákoliv jiná smáčivá tekutina) v porézním materiálu za působení kapilární síly. Intenzita kapilární síly je určena porézní strukturou materiálu, avšak je ovlivněna obsahem přítomné vody. Kapilární síla je tedy nejintenzivnější v suchém materiálu a při kompletní saturaci pak mizivě malá. Také průtoková rychlost vznikající v důsledku kapilární síly závisí na porézní struktuře (která určuje propustnost), avšak průtoková rychlost vytvořená působením určité kapilární sily závisí i na obsahu přítomné vody. Propustnost (známá striktně jako nenasycená hydraulická vodivost) je sama o sobě výraznou funkcí obsahu vody, kdy je mizivě malá v naprosto suchých materiálech a dosahuje svého maxima v úplně nasycených materiálech (kde jde o konvenční nasycenou Darcyho propustnost). Fyzikální vlastnosti toku vyjadřuje rozšířená Darcyho rovnice (1) kde q je vektor rychlosti toku, K je propustnost a F c je kapilární síla. Veličiny K i F c jsou závislé na obsahu vody 6. Dále je kapilární síla označena gradientem kapilárního potenciálu (neboli sání) "P: a proto v jednorozměrném případě s izotropní propustností K(0) dostaneme známou formu rozšířené Darcyho rovnice, která je pilířem teorie nenasyceného toku Existují tři hlavní hlediska, v nichž teorie toku v nenasyceném prostředí vykazuje výrazný pokrok v analýze pohybu vody ve stavebních materiálech. Za prvé, teorie (jak ukazují rovnice (1)-(3)) pevně spojuje koncepty sání a propustnosti, s nimiž se až dosud všeobecně pracovalo odděleně. Za druhé, závislost propustnosti a sání (čili hydraulický potenciál) na obsahu vody 0 je takto vyjádřena explicitně. Za třetí, teorie má plně rozvinutou matematickou strukturu založenou na obecné teorii nelineárních difúzních procesů. Tato třetí vlastnost teorie toku v nenasyceném prostředí znamená, že je možné pracovat s procesy pohybu vody v materiálech a co je ještě důležitější ve stavebních konstrukcích, a to se stejnou analytickou a číselnou přesností jako v případě tepelného přenosu. Nebo to alespoň bude možné, až bude databáze požadovaných vlastností materiálů (2) (3) 1 Současná adresa: Department of Rock and Fluid Physics, Schlumberger Cambridge Research, PO Box 153, Cambridge CB3 0HG, Velká Británie t Department of Building Engineering, UMIST, PO Box 88, Manchester M60 1QD, U.K. 77

2 8(1 C\ Hall and M. H. R. Yau vytvořena. Hydraulická sorptivita S je nejsnáze měritelnou veličinou v rámci těchto vlastností materiálu. Teorie toku v nenasyceném prostředí ukazuje, že v jednosměrné absorpci kapilární vody se kumulativní absorpce i zvyšuje s druhou odmocninou uplynulého času t, tudíž i, objem kapaliny absorbované jednotkou plochy povrchu má rozměr [délka]. (Jak uvádíme v příloze, proměnná S je určitým způsobem analogická množství (Kpc)'' 2, které se objevuje v teorii tepelného přenosu.) Údaje v tomto dokumentu poskytují první náznaky, jaké rozmezí sorptivity je možné u betonu očekávat. Upozorňujeme, že sorptivita S používaná v tomto dokumentu úzce souvisí s veličinou A definovanou CIB a známou jako koeficient absorpce vody [7]. Podrobnější analýza procesů přenosu vody ve stavebních materiálech vyžaduje znalosti hydraulického potenciálu a hydraulické vodivosti K(0) nebo hydraulické difuzivity D (0). 2. ABSORPCE VODY BETONEM Beton je kompozitním materiálem a v rámci celkové poréznosti existují alespoň tři přiměřeně rozdílné komponenty: interní poréznost směsi, poréznost cementové gelové matrice a dutiny způsobené geometrií pěchování základních částic (cement, písek a štěrk). U některých typů betonů přispívají k další poréznosti vzduchové bubliny vytvořené v mokré směsi přítomností smáčedla. Absorpce vody a následný pohyb vody uvnitř betonového materiálu v důsledku kapilárních sil závisí primárně na geometrii poréznosti. V předpovídání propustnosti v nasyceném prostředí bylo dosaženo určitých úspěchů na základě mikrostrukturálních údajů u některých tříd porézních materiálů (obzvláště jednoduché kulovité shluky a některé horniny a zeminy), avšak zdá se, že nezbytné podrobné studie o betonu ještě nebyly publikovány. Nejdříve alespoň upřednostňujeme makroskopický přístup [1], v němž jsou řádně definované objemové vlastnosti, jako je sorptivita, vztaženy přímo na objemové složení. V technologii betonu se nízké propustnosti obecně dosahuje použitím bohatých směsí (relativně vysoké poměry cementu/písku a cementu/štěrku), dobrou kontrolou poměru voda/cement a používáním hustého, nepropustného štěrku. Typy betonu, u nichž byly všechny tyto faktory optimalizovány, mohou opravdu vykazovat velmi nízkou propustnost hlavně proto, že všechny kanály propustnosti procházejí hydratovanou cementovou matricí, která má extrémně jemnozrnnou poréznost, jež vykazuje velmi vysokou rezistenci k průtoku. Vysoká propustnost v betonu se obecně přisuzuje špatnému upěchování nebo přítomnosti prasklin. Kromě toho může mít vysoký poměr voda/cement za následek slabou a propustnou matrici a lehký štěrk může svou vlastní propustností přispívat k propustnosti kompozitnímu materiálu. Většina vědeckých studií přenosu vody v betonu (například důležitá raná studie provedena Glanvillem [9]) se zabývala propustností v nasyceném prostředí (hydraulická vodivost při nasycení). Avšak nasycený (4) Tabulka 1. Vzorky betonu: označení, směsi a příprava A1 A2 A3 A4 A5 A6 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 Směs podle hmotnosti Vzorek C:S:A W:C Pěchování 1:2:4 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1:2:4 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1:3:4 0,6 0,8 normální prodlužované normální stav je ve stavebních strukturách neobvyklý a pokud se zajímáte o pohyb vody v budovách, neřekne vám propustnost v nasyceném prostředí vše. Ve skutečnosti zde neexistují kapilární síly a tok vzniká pouze působením externích tlakových gradientů nebo gravitace. Naproti tomu ve stavebních materiálech, které mají obsah vody menší než kompletní nasycení, je kapilární působení (v důsledku sacího gradientu) za běžných okolností dominantní příčinou toku. Z tohoto důvodu je nutné mít řádně rozvinutou teorii toku v nenasyceném prostředí a příslušná data hydraulických vlastností materiálů, jež teorie využívá. 3. EXPERIMENTÁLNÍ Nová, zde dokumentovaná data, popisují sorptivitu třech sad betonu. Dvě z těchto sad (A a B) byly v poměru 1:2:4 (podle hmotnosti) kombinované směsi OPC/písek/štěrku, a lišící se pouze ve stupni pěchování, jemuž byly vystaveny. Třetí sada sestávala ze dvou vzorků ve směsném poměru 1 : 3 : 4. V rámci každé sady se poměr voda : cement systematicky měnil. Písek byl v pásmu 3 : hrubý štěrk byl jemný texturovaný štěrk, maximální velikost 20 ram. Vzorky byly v rámci laboratorních podmínek vytvořeny jako krychle o hraně 6 palců (15,24 cm). Mokrá směs byla nanášena do krychlové formy ve čtyřech vrstvách přičemž každá vrstva byla pěchována 24 rázy ocelovým nabijákem. U některých vzorků (označených P) bylo aplikováno 100 rázů nabijákem u každé vrstvy za účelem dosažení většího zhutnění. Některé podrobnosti jsou uvedeny v tabulce 1. Vzorky byly smáčeny po dobu 10 dnů a sušeny při 40 C s ochlazením na 20 C před samotným testováním. Sorptivita byla měřena podle standardních postupů používaných v laboratoři autorů a je popsána na jiném místě [7]. Všechna měření probíhala při 20 C v termostatické skříni. Poréznost objemové frakce byla určena vážkově z hmotnosti nasycení ve vakuu. 4. SORPTIVITA BETONU Opětovná analýta publikovaných dat Provedli jsme opětovnou analýzu dat, která byla dříve publikována o kinetice vody Maclnnisem a Nathawadem [10]

3 Water Movement in Porous Building MaterialsIX 79 Obr. 2. Variace normalizované sorptivity S/S 0 s koncentrací chloridu sodného (vypočítáno na základě údajů Maclnnise a Nathawada [10]). Údaje S pro různé materiály byly normalizovány na hodnotu S 0 měřenou s čistou vodou. Chybové sloupce jsou ±a.,, standardní odchylka. Plná čára ukazuje změnu při 20 C (c/f) 1 ' 2 - Obr. 1. Údaje o absorpci roztoku vody se solí podle Maclnnise a Nathawada [10] překreslené podle (t" 2ˇ). Čísla odkazují na typ betonu, viz tabulka 2. Procenta udávají koncentraci solného roztoku (hmotnost podle procentního nasycení vody chloridem sodným). absorpce v betonových dlažebních deskách. Použili jednostranný test absorpce vody, avšak uveřejnili své výsledky ve formě grafů udávajících míru absorpce vody v průběhu času. Z těchto údajů jsme vypočítali kumulativní absorpci vody i jako funkci času. Ve všech případech se podle předpokladu mění i lineárně s t l;1 a proto je možné sorptivitu odvodit přímo rovnicí (5). A zde umožňuje častý výskyt malých přerušení, která jsou důsledkem rychlého zaplnění povrchových pórů. Obr. 1 ukazuje některé údaje těchto autorů zobrazené tímto způsobem. Vypočítané hodnoty sorptivity jsou uvedeny v tabulce 2. Hodnoty leží v rozmezí 0,22-0,08 mm/min l/2. (5) Hlavním záměrem Maclnnise a Nathawada bylo zkoumat vliv chloridu sodného (nemrznoucí činitel) na absorpci vody. Za předpokladu, že nedochází ke specifickým elektrochemickým či chemickým procesům, bychom předpokládali, že rozpuštěná sůl v absorbované vodě ovlivní míru absorpce pouze změnou viskozity rj a povrchové tenze a. U chloridu sodného je předpovídaný efekt malý. Jak jsme již ukázali jinde [2], sorptivita je proporční vzhledem ke (<r/>?) 1/2. U 10% roztoku chloridu sodného (podle hmotnosti) je toto množství pouze o přibližně 5% nižší než u čisté vody při stejné teplotě. Přesnost, s níž Maclnnis a Nathawad data pořídili, stěží dovoluje toto detekovat, avšak obr. 2 ukazuje, že data jsou s touto interpretací vcelku konzistentní. Nicméně přesnější studie absorpční kinetiky vodných roztoků elektrolytu v cementitových materiálech by byla velmi zajímavá. Odchylky od jednoduché závislosti na (<t/»j) 1/2 by mohly odhalit výskyt elektrokinetického fenoménu, který doprovází absorpci vody. Takovýmto účinkům bylo věnováno málo systematických studií prováděných na zdivu a dalších stavebních materiálech (avšak viz Hall[11]). Tabulka 2, sorptivita betonových materiálů, vypočítaná podle údajů Maclnnise a Nathawada [10] absorpce vody a solných roztoků betonovými dlažebními deskami Sorptivita S/mm/min 12 Roztoky chloridu sodného Typ betonu W: C (viz [10]) poměr Voda 2% 4% 10% Vyrobené desky (lisované za mokra) 1 0,10 0,11 2 0,10 0,09 3 0,08 0,08 0,08 0,07 Desky vyrobené v laboratoři 5 0,54 0,15 0,13 6 0,43 0,14 0,15 0,13 0,13 7 0,63 0,22 0,16 8 0,43* 0,15 0,14 9 0,63* 0,19 0,17 * Obsah vzduchu 8%. Nové údaje Typické grafy sorptivity studovaných typů betonu jsou uvedeny na obr. 3 a 4. Je zřejmé, že v některých případech (obr. 3) je zde vyznačena odchylka od linearity a data tedy nejsou dobře popsána jednoduchým zákonem sorptivity, rovnice (5). Podobné chování bylo zveřejněno v předchozím dokumentu této série [7] u některých typů cementové malty. V takovém případě jsme nastínili, že odchylka od striktní linearity, která najdeme v některých příkladech, byla způsobena zpožďovacím účinkem gravitace na vertikální kapilární vzlínání. Ukázalo se, že údaje byly dobře popsány teoretickou rovnicí: i = A+St'!2 - Ct. (6) V případě cementové malty byla odchylka od linearity výraznější v případě suchých, relativně špatně upěchovaných směsí. Z těchto směsí byly vytvořeny vzorky, které měly relativně velké propojené dutiny, jež působily pouze slabým sáním. Voda, která vstoupí do těchto pórů, není nasáta do žádné výraznější výšky. Typy betonu, jež popisuje tato studie, vykazují do značné míry podobné

4 8(1 C\ Hall and M. H. R. Yau Obr. 3. Kumulativní absorpce vody i ve srovnání /" 2 u vzorků Al, A2 a A3. Body: experimentální data, plné čáry: přizpůsobení metodou nejmenších čtverců podle rovnice (6). Obr. 5. Variace hustoty suchého bloku (níže) p a částečné poréznosti objemu (níže) /s poměrem vody/cementu (podle hmotnosti) v řadě vzorků A, B a C (C, pouze p). Obr. 6. Sorptivita vzorků betonu zobrazená v porovnání s poměrem voda / cement: nová data pro řady A, B a C a opětovně analyzované údaje Maclnnise a Nathawada [10] označené jako M & N. Obr. 4. Kumulativní absorpce vody i ve srovnání s /' 2 u vzorků Bl, B2, B3 a B5. Body: experimentální data, plné čáry: přizpůsobení metodou nejmenších čtverců podle rovnice (6). Obr. 7. Diagram s klastry: sorptivita a hustota suchého bloku u sérií vzorků A, B a C. Jsou zobrazeny dvojice opakovaných měření na jednotlivých vzorcích.

5 Water Movement in Porous Building MaterialsIX 81 Tabulka 3. Absorpce vody ve vzorcích betonu. Analýza sorptivity: parametry rovnice (5), spolu s porézností objemové frakce / a hustotou suchého bloku p. Většina dat uveřejněných zde jsou průměry dvou hodnot každého vzorku směsi Poréznos t Hustota suchého bloku Parametry sorptivity, rovnice (5) Vzorek f p/kg/m S/mm/min" 2 C/mm/min S/ C /min" 2 Aj mm A A A A A A B B B B B B B CI C chování. Směsi 1:2:4 byly normálně upěchovány a všechny vykazují odchylky od jednoduché závislosti i na t' 12 (obr. 3). Na druhou stranu, vzorky vytvořené ze stejných směsí s prodlužovaným pěchováním vykazují malou nebo žádnou odchylku (obr. 4). Experimentální údaje jsou uvedeny v tabulce DISKUZE Prodlužované pěchování, kterému byla vystavena druhá sada, dosáhlo zvýšení v hustotě bloku o přibližně 2% a snížení v poréznosti objemové frakce o přibližně 0,01 (tj. snížení o 8-10%). Tyto účinky byly přiměřeně systematické, jak ukazuje obr. 5. Věříme, že k těmto změnám v hustotě a poréznosti dochází eliminací či snížením největšího z pórů, těch pórů, které primárně vytváří zakřivení v grafech sorptivity. Měřítko významnosti nelinearity v grafech i(t" 2 ) je dáno množstvím S/ C. Případy, v nichž je S/ C větší než asi 50 jsou dobře vyjádřeny rovnicí (4); hodnoty pod 30 vykazují označené zakřivení. Sorptivita S zobrazuje pouze slabou závislost na poměru voda/cement ve třech sadách (obr. 6). Mírný vzestupný trend v S je zřejmý ve všech sadách se zvyšujícím se poměrem voda/cement. Výjimkou je nejsušší směs v řadě 1:2:4 s normálním pěchováním. Zde je zřejmá vysoká sorptivita, která je pravděpodobně důsledkem špatného upěchování, které je způsobeno nízkou zpracovatelností. Hodnoty S leží v rozmezí 0,48-0,09 mm/min 1/2 a jsou podobné hodnotám, které nacházíme u typů malty ve složení cement/písek bez vápna [7]. Ukázalo se, že stavební cihly a kameny mají sorptivitu v rozmezí 0,1-3 mm/min 1/2 a tyto typy betonu je tedy možné srovnat s cihlami a kameny, které mají relativně nízkou sorptivitu. Výsledky jsou konsolidovány v klastrovém diagramu, obr. 7. Poděkování C.H, děkujeme SERC za finanční podporu. Popsaná práce byla součástí vysokoškolského projektu v oblasti stavební technologie.

6 8(1 C\ Hall and M. H. R. Yau PŘÍLOHA Analogie mezi přenosem tepla a přenosem vlhkosti Nejsou-li přítomny gravitační efekty, rovnice nenasyceného toku se redukuje na rovnici nelineární difúze roztok při míře absorpce q (A2) (A1) Řešení souvisejícího teplotního problému je (A3) Aplikováno na velmi jednoduchý případ absorpce vody do původně suchého semiinfinitního jednorozměrného pevného bloku, dostaneme následující kde q, h je tepelný tok, K je termická vodivost, K je termická difuzivita (= Kjpc) a V je teplota povrchu v x = 0. Z toho vyplývá, že množství (4^/jc/tc)" 2 je termickým protikladem hydraulické sorptivity S.