Оценка гидрофизическая характеристика от Меркурия вторжений порометрии и ван Genuchten модели
Кривая удержания воды (ВКР) представляет собой гидравлический характеристика конкретных, необходимых для моделирования расширенный воды (и, следовательно, вещества) транспорта в переменно насыщенным, гетерогенных бетона. К сожалению, определение прямым экспериментальным методом (например, измерение уровня равновесной влажности больших образцов, хранящихся в постоянной влажности клеток) является длительным процессом, принимая в течение 2 лет при больших выборках. Суррогатной подход, в котором представлены ВКР удобно оценкам ртути вторжений порометрии (ПМС) и проверены изотерм сорбции воды.
Известный Барретт, Джойнер и Halenda (BJH) метод определения распределения пор по размерам (PSD) от изотермы сорбции воды показали в дополнение к PSD, полученных от обычных MIP. Это обеспечивает основу для прогнозирования полной ВКР по данным MIP в одиночку.
Уравнение Ван Genuchten используется для модели комбинированных сорбции воды и MIP результатов. Это удобный инструмент для описания характеристик воды сохранение в полном диапазоне влажности. Параметр ван Genuchten оценки основаны исключительно на MIP Показано, дать удовлетворительное приближение к WRC, с простым ограничением на один из параметров.
Ключевые слова: адсорбция; прочности, влажности; порометрии, площадь поверхности.
(ProQuest-CSA LLC: ... означает формулы опускается.)
ВВЕДЕНИЕ
Прочности бетона в ненасыщенных среды неразрывно связаны с его свойства переноса влаги. Кривая удержания воды (ВКР) является мерой способности конкретных удерживать влагу на различных влажности ч или WRC, или прямо его градиента C ( Знание как позволяет моделирования гетерогенных, ненасыщенные бетона при различных увлажнения и испарения граничных условий, в том числе влияния гравитации г по реализации численных уравнений. (1)
... (1)
с т быть время и другие переменные, определенные ранее. Вода миграции в сложных условиях, таких как сваи в приливных зонах или подводных стен туннеля (с или без значительного гидростатического давления) легко моделируется с помощью уравнения. (1) 1 Определение ВКР имеет важное значение для моделирования таких сложных ненасыщенных среды и облегчает определение других гидравлических функций. К сожалению, измерения полного смачивания ВКР экспериментально трудно. Вода сорбции isotherms2, 3 предоставить сухой конце WRC, но этот метод становится ненадежным при высоких humidities4 (см. рис. 1). Кроме того, изотерм сорбции займет около 2 лет, чтобы определить, с разумной конкретных образцов. Таким образом, прямые оценки непрактично для общего пользования и косвенной оценки не требуется.
Уравнение Ван Genuchten5 уравнение. (2), была предложена для моделирования WRC2, 3
... (2)
с ограничением
... (3)
S-образная форма уравнения ван Genuchten уравнение. (2), хорошо подходит для описания типа изотермы IV4 (см. рис. 2). Это позволяет точно описать как форму и величину ВКР. В уравнении. (2), Для процесса смачивания, Параметр интерполяции быть нечувствительным к точному значению.
Когда модель ван Genuchten на ВКР в сочетании с Mualem's7 проводимости модели оценки ненасыщенных водопроницаемость, ненасыщенные паропроницаемость и функций, воздухопроницаемость являются possible.1 Настоящий документ содержит методику оценки ван Genuchten параметров ртути вторжений порометрии (ПМС).
MIP меры поры между 2 нм и 4 мкм (в основном макропор) и смачивания изотермы сорбции отражает пор в диапазоне примерно от 1 до 10 нм (в основном мезопор). Макропор и мезопор каждого приходится значительная доля общей пористости воды. Основу для использования MIP оценить полную ВКР разрабатывается, показывая взаимодополняющий характер распределения пор по размерам (PSD), полученных из MIP и увлажнение изотерм сорбции с помощью хорошо установленных Барретт, Джойнер и Halenda (BJH) method.8
Важно отметить, что сильное химическое взаимодействие воды и CSH геля может исказить PSD, полученных из изотерм сорбции воды. MIP также неспособной определять истинные предположения PSD.9 поверхностного натяжения, краевого угла смачивания, сетевые эффекты и нерегулярные и чернильницу пор вносят свой вклад в искажение сообщили PSD и в конечном итоге ограничить эффективность метода.
Это в значительной степени важна для нашей цели, однако, целью является обеспечить быстрый метод оценки ВКР от ПМС, а не для определения истинного PSD. Многие источники ошибок, например, чернильница пор, некруговых поры, сетевые эффекты будут размножаться в обоих методах и, следовательно, не исключают возможности сравнения. Всюду в работе, любая ссылка на PSD или с радиусом следует понимать как условную поры, которая будет полезна для описания гидравлические свойства.
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Ухудшение пожилые бетона от проникновения ионов хлора является хорошо известная проблема. Оценка скорости попадания в ненасыщенных конкретные проблематично без понимания влаги транспортных характеристик бетона. Моделирование движения влаги в ненасыщенных гетерогенных конкретные требует различных гидравлических параметров, ВКР время один из них. Обеспечение быстрого, но приближенный метод для оценки ВКР позволит прогнозное моделирование водного и солевого движения в ненасыщенных бетона при различных смачивания и сушки режимов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Вода изотермы сорбции
изотерм сорбции воды были получены для трех различных бетонов, по своим свойствам, перечисленных в таблице 1. Все бетоны были сделаны с низким содержанием железа цемент портланд и щебнем Грейваке и были вылечены при 55% относительной влажности (RH) в 23 ° C контролируемой комнате. В возрасте около 1 месяца, образцы были сокращены на 25 мм кубиков, вакуумных насыщенным, а затем помещается в различных средах с постоянной относительной влажности воздуха, от 6 до 98%, чтобы получить сушки изотермы сорбции. Влага равновесия предполагается существование, когда масса изменений за 7 дней было меньше, чем 0,03% .3 Затем образцы высушивают при температуре 50 ° C и положил обратно в влажной среде, чтобы получить смачивания изотермы сорбции. 50 ° C сушки был быстрый способ сушки, в результате чего приближением к первичной кривой увлажнения, без крайней микроструктурных ущерб от 105 ° C drying.10
На рисунке 3 показана традиционный формат сорбции воды isotherm.11-13 Как изотерм сорбции цементные растворы, формы классического типа IV.14, 15 Тип IV изотерм обычно приводят из материалов с мезопор (от 2 до 50 нм ) с возможностью макропор (> 50 нм).
Вакуумные насыщения была использована для расчета общей пористости воды бетона и простое поглощение процедура увлажнения на кусочки были использованы для расчета динамических насыщения, то есть насыщение достигнуто нормального смачивания процессов.
Меркурий вторжений порометрии
Используя тот же бетон, небольшой 2 до 3 мм образцы раствора, с между конкретными крупного заполнителя, сушили в духовке 50 ° C вакууме. Распределения пор по размерам измерялась 414 МПа (60000 фунтов на квадратный дюйм) поромера способный измерять пор, как малые, как 2 нм. Некоторые повторяет были использованы и средний результаты.
Расчет размера пор от MIP относительно проста, используя формулу. (4)
... (4)
где Существует некоторая утверждение относительно истинного угла смачивания и вопросы в отношении его постоянство в небольших pores.16-18 для этой работы, краевой угол 117 degrees19 был использован.
В дополнение к пористости MIP, вакуумные испытания насыщенных водой пористости на малых образцах, аналогичных тем, которые используются для MIP, были проведены. Совокупный незначительной пористостью, поэтому можно масштабировать по результатам MIP ступке до эквивалента для бетона, предполагая, что поверхностное воздействие также included.20 Все, что требуется, это соотношение между содержанием влаги в образцах с малым что из бетона. Пористость результаты представлены в таблице 2. Отношения к воде MIP пористости не являются несовместимыми с найденным в день и Marsh.21 результате PSD показано на рис. 4.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
Вода изотерм сорбции: интерпретации изотерм
Различные функции на рис. 3 может быть физически interpreted.4 Начиная с нуля, начальный кривизны от начала изотерм при низкой относительной влажности воздуха считается первый слой молекул воды покрытие доступные поверхности образца. Как только это моно-слой полностью, последовательные слои молекул адсорбированного, почти линейной части кривой. Как относительное увеличение влажности, конденсации в капиллярах происходит, в результате чего некоторые искривления в заговоре в высших humidities.22
Гистерезис смачивания и сушки кривых объясняется целым рядом факторов, в том числе чернильницу формы поры и другие сети effects.4
Вода изотерм сорбции: теория и ограничения
Используя термодинамические модели или напряжения мембраны, 4,23, можно прийти к Кельвина-Лапласа, уравнение. (5)
... (5)
где Она является функцией температуры Т и относительной влажности ч. Другие переменные имеют обычный смысл, плотность жидкости Второе равенство справедливо только для капиллярной мениска существует. Определения (5) справедливо независимо от состояния свободной воды, и только опирается на локальном термодинамическом равновесии между водяного пара в капиллярной пространства и конденсата, либо адсорбируются или в капиллярной мениска. На рисунке 2 показана трансформация традиционных изотермы сорбции на рис. 3 формулой. (5).
При капиллярных менисков формы пор, можно представить средний радиус кривизны мениска ^ ^ г м к югу, в зависимости от относительной влажности и . При отсутствии капиллярной конденсации,
Расчет югу г ^ ^ м от относительной влажности воздуха ограничивается теоретическими и практическими соображениями. Практически, верхняя граница размера пор расчеты должны быть ограничены значения относительной влажности ниже 90% (то есть, к югу г ^ м ^
Любое гистерезис между сорбции и десорбции стремится исчезнуть влажности ниже 42%. Фигуры Baroghel-Bouny и Chaussadent25 и др. Hagymassy al.26 иллюстрируют это лучше, чем настоящая работа, и все противоречат цементного теста кривых Фельдман и Sereda.12 Одна из теорий предполагает, что растяжение способность воды не в состоянии провести мениска через очень мелкие поры и, следовательно, мениски краха, и только фильмы воды остаются адсорбированными на пор walls.4 Это устраняет чернильницу эффекты и эффекты сети, тем самым устранив основные причины гистерезиса. Это явление представляет собой нижнюю границу около 1,1 нм для г ^ ^ м к югу, рассчитанная по формуле. (5).
И Грегг и Sing4 и пой и др. al.15 предостеречь от использования десорбции отрасли изотермы. Пора блокировки, например, из чернильницу пор и других сетевых эффектов приведет к неточным PSD. С нашей изотерм сорбции, это очевидно, как объем мезопор предложенных десорбции отрасли значительно превышает общий объем mesopore как известно, существуют с MIP. Это подтверждает, что только смачивания изотермы сорбции следует сравнить с MIP и противоречит Baroghel-Bouny и подход Chaussadent в использовании сушки кривой.
Вода изотерм сорбции: расчет PSD
PSD производится путем применения BJH method8 на сорбцию отрасли. Подробное описание можно найти во многих sources.4, 14 Некоторые из ключевых соображений, описаны здесь.
Чтобы вычислить радиус поры, необходимо учитывать как толщина любого воды пленки на стенках пор и отношения между г ^ ^ м к югу от формулы. (5), а фактический радиус поры г ^ к югу р. Если мы обозначим г ^ ^ к югу в качестве основного радиус и T ^ F ^ к югу, как толщина пленки, то
г, к югу р = г ^ к югу ^ г ^ е ^ к югу (6)
Чтобы вычислить г, к югу от K ^ г ^ ^ м к югу, Daian27 предположить пор были длинные открытые цилиндров и, следовательно, г ^ к югу м ^ = 2r ^ ^ к югу. В данной работе мы предполагаем, что более вероятно, что поры закрыты в один конец и, следовательно, г ^ к югу м ^ = г ^ ^ к югу.
Расчет средней толщины пленки достигается при рассмотрении изотермы при низких значениях относительной влажности, между Н = 0,05 и Н = 0,4. Если предположить, что только адсорбции поверхности, без конденсации, происходит при низкой влажности, толщина пленки может быть вычислена, если площадь поверхности и плотности упаковки известны.
Мы решили использовать площадь поверхности BET28 происходит от изотермы сорбции воды, как это было предложено Baroghel-Bouny и Chaussadent.25 Эти и другие популярные методы приведены в таблице 3. Daian27 отметил, что очень важно, чтобы избежать простой формуле Halsey29. Только относительной влажности воздуха от 5 до 40% были использованы для расчета необходимых склонах. В соответствии с предложением Baroghel-Bouny и Chaussadent, 25 предполагается, что толщина пленки не может превышать шесть молекулярных слоев.
Полученное распределение размеров пор на рис. 4.
Сравнение прогнозов и экспериментальные результаты
Сравнение распределения пор размер
Из рис. 4, видно, что PSD из воды изотерм сорбции и MIP дополняют друг друга. Оба экспериментальных методов в их ошибочных крайностей, MIP не выявления меньше поры, что изотермы отражает и наоборот. Таким образом, все дальнейшие расчеты ДПП, поры меньше 10 нм измеряется MIP игнорируются, и результаты сорбции воды выше 90% RH также игнорируются.
При удалении вышеупомянутых ошибочных данных, распределения пор размер постоянен. Предположение краевого угла смачивания и масштабирование пористости имеют решающее значение для данного соглашения. Совместимость достаточного качества для оценки полной изотермы сорбции воды из данных MIP.
Как упоминалось ранее, с радиусом и PSD не должны рассматриваться как представляющие реальную картину материала. Для целей расчета ВКР от MIP, величина расчетного радиуса, не важно, лишь совпадение результатов с последовательной предположения, не требуется. Логично ожидать, что многие механизмы, которые искажают результаты MIP также будет влиять на гидравлические свойства.
Расчет параметров ван Genuchten для полного ВКР
Распределения пор по размерам от методов два матча с достаточной степенью точности. Для расчета На рисунке 1 показаны результаты этой процедуры три бетонов.
Определяя
Метод наименьших квадратов легко работу через такие программы, как RETC.30 Хотя м в идеале должны быть оставлена интерполированы переменной, необходимо исправить ее значение для приемлемого результата. Отчасти это связано с ограничением уравнения. (3), которая касается формы кривой на сухой конец, что на мокрой целью распространения и плотность экспериментальных данных, и предполагается, взвешивания в интерполяции.
Фиксация значения т сродни концепции постоянным показателем для ненасыщенных diffusivity.6 значение т форму параметра кривой, а в случае отсутствия дополнительных данных, слабая рекомендации т = 0,3 разумно.
Значение Малая величина Его значение интерполяции экспериментальных данных.
На рисунке 1 показано приближение ван Genuchten использованием фиксированном т и нелинейных наименьших квадратов по данным MIP. В таблице 4 приведены значения, используемые и полученные. Очевидно, что модель ван Genuchten производит удовлетворительное приближение к комбинированных данных. Прогнозирование
ВЫВОДЫ
Рассмотрение MIP и изотерм сорбции воды требуется для описания конкретных ВКР на всех влажности. ВКР является фундаментальным свойством, необходимые для моделирования движения влаги в бетоне. Предложен новый метод оценки быстро его из рассмотрения изотерм сорбции воды и MIP представлен.
Условная PSD с MIP и изотерм сорбции воды, используя метод BJH, дополняют друг друга с выбранным краевой угол 117 ° C и 50 ° C сушки. Признание Допустимый диапазон сорбции воды и MIP данных имеет важное значение для правильной интерпретации этих результатов.
Прогнозирование параметров соответствующих ван Genuchten для моделирования полных ВКР только из MIP возможно, если стоимость м устанавливается в соответствующее значение, примерно М = 0,3. Таким образом, полное смачивание ВКР быстро и легко определяется по данным MIP, в сочетании с некоторыми основными свойствами объеме.
Требуются дополнительные исследования, чтобы уточнить определение м для более широкого круга бетонов. Если конкретная могут снизить относительную влажность среды и поведения в этой области имеет важное значение, рекомендуется изотермы сорбции быть прямо определены.
Авторы
Авторы признают, финансовой поддержки со стороны Австралии исследовательский совет и Квинсленд Главные дороги Департамента. MIP Эксперименты проводились в университете Торонто, Торонто, Онтарио, Канада.
Ссылки
1. Лич, C., "Непредельные влаги движения в бетоне: теория, эксперимент, модели", кандидатская диссертация, Университет Квинсленда, Брисбен, Австралия, 2002.
2. Baroghel-Bouny, В. и др.., "Характеризация и идентификации равновесия и переноса влаги Свойства для обыкновенных и высокопроизводительных Цементные материалы", цемента и бетона исследований, V. 29, No 1999, с. 1225-1238.
3. Savage, Б.М., и Janssen, DJ, "Основы физики почв утвержденные для использования в Прогнозирование Ненасыщенные влаги Движение бетона на основе портландцемента", ACI журнал Материалы, В. 94, № 1, январь-февраль 1997, с. 63-70.
4. Грегг, SJ, и поют, KSW, Адсорбция, удельная поверхность, пористость, 2nd Edition, Лондоне, Нью-Йорк: Academic Press, 1982, 303 с.
5. ван Genuchten, М., "замкнутой форме уравнения для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенные почвы", общества почвоведов Америки Journal, V. 44, No 1980, с. 892-898.
6. Лич, C.; Локингтон, D.; и Dux П., "Непредельные диффузии функций для бетона, полученных из ЯМР-изображений", материалов и конструкций, В. 36, № 261, 2003, с. 448-452.
7. Муалем Ю., "Новые модели для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных пористых средах", Water Resources Research, V. 12, № 3, 1976, с. 513-522.
8. Барретт, EP; Джойнер, LG и Halenda, PP, "Определение пор объем и площадь распределения в пористых веществ: I. вычислений от азота Изотермы" Журнал Американского химического общества, В. 73, 1951, с. 373 -380.
9. Diamond, S., "Меркурий порометрии: несоответствующий метод измерения распределения пор размер в материалов на основе цемента", цемента и бетона исследований, В. 30, 2000, с. 1517-1525.
10. Парротт, LJ, "Кондиционирование влаги и транспортные свойства бетонных образцов испытаний", материалов и конструкций, V. 27, 1994, с. 460-468.
11. Fagerlund Г., Hedenblad Г., Расчет влажности-временных полей в бетоне, "Доклад исследований Нету TVBM-3052, Lund технологический институт, 1993.
12. Фельдман, РФ, Середа, PJ, "Модель для гидратной портландцемент Вставить как вывести из сорбционно-изменение длины и механические свойства", материалов и конструкций, том 1, № 6, 1968, с. 509-520.
13. Державами, TC, "Термодинамика Изменение громкости и ползучести", материалов и конструкций, том 1, № 6, 1968, с. 487-506.
14. Британский стандарт учреждение ", пористость и распределение пор по размерам материалов. Метод оценки по адсорбции газов", BS 7591, 1992, 16 с.
15. Пой, KSW и др.., "Репортаж Physiosorption Данные по газу / Твердое системы с особой ссылкой на Определение площади поверхности и пористости," чистой и прикладной химии, В. 57, № 4, 1985, с. 603-619.
16. Кук, RA, и Hover, KC ", эксперименты по угол контакта между Меркурием и закаленная цементного теста", цемента и бетона исследований, В. 21, № 6, 1991, с. 1165-1175.
17. Кук, RA, и Hover, KC ", вдавливания ртути из материалов на основе цемента и связанного с ней поправочные коэффициенты", ACI журнал Материалы, В. 90, № 2, 1993, с. 152-161.
18. Фельдман, РФ, обсуждение "угол контакта и повреждений во время Меркурий Вторжение в цементном тесте", Д. Ши и DN Уинслоу, "Цемент и бетон исследований, V. 16, № 3, 1986, с. 452-454.
19. Уинслоу Д., "пористой структуры Вставить в бетоне", цемента и бетона исследований, V. 20, № 2, 1990, с. 227-235.
20. Оливье, JP и MASSAT, М., "Влияние переходной зоны по передаче свойств бетона," Межфазные переходной зоны в бетоне, JC Мазо, под ред. RILEM доклад 11, E
21. День, RL, и Марш, BK, "Измерение пористости в смешанных цементного теста", цемента и бетона исследований, V. 18, № 1, 1988, с. 63-73.
22. Pihlajavaara, SE, "Некоторые результаты Влияние карбонизации от пористости и распределение пор по размерам цементного теста", материалов и конструкций, том 1, № 6, 1968, с. 521-526.
23. Дело, CM, физические принципы потока в ненасыщенных пористых средах, Нью-Йорк: Oxford University Press, 1994, 384 с.
24. Бажант, ZP, а Наджар, LJ, "Нелинейная диффузия воды в ненасыщенной Бетон", материалов и конструкций, т. 5, № 25, 1972, с. 3-20.
25. Baroghel-Bouny В., Chaussadent, T., "Texture и влага Характеристика затвердевших цементных тест и бетонов из водяного пара Сорбционные измерения," Моделирование микроструктуры и ее потенциал для изучения транспортные свойства и долговечность, НАТО Asi серии, серии E: прикладных наук, В. 304, Х. Дженнингс, под ред. Dordrecht: Kluwer Academic, 1996, с. 241-255.
26. Hagymassy, J. и др.., "Пора Анализ структуры воды в III пара адсорбции. Анализ гидратированные силикаты кальция и Портланд-цемент", журнал коллоидной химии и интерфейс науки, V. 38, № 1, 1972, с. 20-34 .
27. Daian, Ж.-Ф. ", окраски и изотермического переноса воды в цементном растворе, часть I-распределения величины пор, Равновесие конденсации воды и набухания," Транспорт в пористых средах, В. 3, 1988, с. 563-589.
28. Брунауэра, S.; Эмметт, PH и Теллера Е. "Адсорбция газов в полимолекулярных слоев", журнале Американского химического общества, В. 60, № 1938, с. 309-319.
29. Халси Г., физической адсорбции на неоднородных поверхностях, "Журнал химической физики РАН, V. 16, № 10, 1948, с. 931-937.
30. ван Genuchten, MT; Leij, FJ, и Йейтс, SR ", Retc Код для Количественная гидравлические функции ненасыщенные почвы", компьютерное программное обеспечение, Ver. 6,0, соленость Лаборатория, США, 1991.
Входящие в состав МСА Крейг Пиявка является руководитель проекта, Десаймон Consulting Engineers, Нью-Йорк. Он получил докторскую степень в Университете штата Квинсленд, Брисбен, Австралия.
Дэвид Локингтон является главой экологической инженерии в Университете Квинсленда. Его исследовательские интересы включают процессы переноса в пористых средах, в том числе строительных материалов.
Р. Дуг Хутон, ВВСКИ, профессор гражданского строительства в Университете Торонто, Торонто, Онтарио, Канада. Он является членом комитетов МСА 201, прочность бетона; 221, агрегаты; 225, гидравлические цементы; 232, зола и природных Pozzolans в бетоне; 233, землей шлака в бетоне; 234, микрокремнезема в бетоне; 308, отверждения бетона ; 318, Железобетона кодекса потенциала; 365, срок службы прогнозирования и E 801, студент деятельности. Его научные интересы включают дополнительных цементных материалов, пористой структуры, свойств жидкости транспорта и долговечность бетона.