Zbigniew PERK O W SK I*
Politechnika O polska
OSŁABIENIE W YTRZYM AŁOŚCI MATERIAŁÓW KAPILARNO- POROWATYCH W W YNIKU ZAW ILGOCENIA
S treszczen ie. W pracy przedstaw iono badania szacujące spadek w ytrzym ałości materiałów k ap ilam o -p o ro w aty ch w w yn ik u nasączania ich różnym i cieczam i - w porównaniu do stanu pow ietrzno suchego. Jako w ytłum aczenie sp adków w ytrzym ałości proponuje się uw zględnienie działan ia ciśnień rozklinow ujących n a p o w ierzchniach wewnętrznych m ateriału, w efekcie którego w ystępuje efekt R ebindera.
WEAKENING OF STRENGTH OF CAPILLARY-POROUS MATERIALS AS RESULT OF MOISTENING
S u m m a ry . In th e w o rk tests, w hich estim ate decrease o f stren g th o f capillary-porous materials saturated b y d ifferen t liquids in com parison to dry m aterial, are presented. D ecrease of strength is explained b y th e action o f disjoining pressure on the internal surface o f m aterial which causes the R eb in d er’s effect.
1. Wprowadzenie
Typow y dla k ap ilam o -p o ro w aty ch m ateriałów b u dow lanych duży udział pow ierzchni wewnętrznej m a istotny w pływ na ich w łasności. W ystępujące n a tej pow ierzchni niewysycone siły p o w ierzchniow e (napięcia pow ierzchniow e) s ą p rz y c z y n ą zachodzenia w tego typu m ateriałach różnego ty p u p rocesów natury fizykochem icznej. D uże znaczenie, z punktu w id zen ia trw ałości m ateriału, b ęd zie m ieć tu niew ątpliw ie efekt R eb in d era [4], który jest zw iązany z ad so rp cją cieczy na w ew nętrznej pow ierzchni m ateriału, pow odując jednocześnie jej rozrost. W skali m akroskopow ej proces ten o bserw ujem y p ośrednio poprzez spadek w ytrzym ałości m ateriału. W celu zb ad an ia w pływ u p o lam o ści cieczy n a przebieg procesu p rzeprow adzono tak że badania w łasne, szacujące spadki w y trzy m ało ści zapraw y cementowej w efekcie nasączan ia je j w o d ą i naftą.
' Opiekun naukowy: Prof, dr hab. inż. Jan Kubik.
2. Efekt Rebindera
E fek t R ebindera je s t zjaw iskiem natury fizycznej [4]. P o leg a on n a zmniejszeniu się gęstości energii pow ierzchniow ej i ty m sam ym sil napięcia pow ierzchniow ego na brzegu ciała w w yniku adsorpcji substancji pow ierzchniow o czynnej. W przypadku materiału k apilam o-porow atego b ędzie on polegał na tw orzeniu się p o lim olekulam ych w arstw cieczy n a ściankach kapilar, m ikroszczelin, granicach ziaren. Z m niejszenie się nadm iaru energii zgrom adzonej na pow ierzchni w ew nętrznej m ateriału k apilam o-porow atego pow oduje wzrost m ikrospękań, co prow adzi oczyw iście do zm niejszenia się jeg o w ytrzym ałości.
P ow staw anie d odatkow ych defektów w strukturze m ateriału i zm niejszenie się napięcia p ow ierzchniow ego m ożna w ytłum aczyć istnieniem tzw . ciśn ień rozklinowujących - pojęciem , które w prow adził je szcze w 1939 r. D ieriagin [2], C iśnienie rozklinowujące jest dodatkow ym n aprężeniem w ystępującym w cieczy w p o b liżu granicy fazow ej (rys.l).
Przeciw działa ono zm niejszaniu się grubości cienkich w arstw cieczy zaadsorbowanych na pow ierzchni fazy stałej pod w pływ em sił zew nętrznych. W stanie rów now agi ciśnienie rozklinow ujące TCy je s t rów ne różnicy ciśnień na granicy faz i w części objętościow ej cieczy
*(, = e r ° (1)
gdzie: cr° - naprężenie w film ie cieczy w p obliżu granicy z fa z ą s ta łą p - ciśnienie hydrostatyczne w części objętościow ej cieczy, <%- tensor jed n o stk o w y drugiego rzędu.
P ow stanie ciśnień rozklinow ujących w ynika z w łasności w arstw cieczy przy granicy fazow ej. W ogólnym przypadku na charakter tensora % w p ły w a ją siły powierzchniowe różnej natury. W yróżnić m ożem y tu składow e: elek tro staty czn ą (gdy w zaadsorbowanej w arstw ie cieczy w y stęp u ją jo n y , cząstki polarne), m o lek u larn ą (w ynikającą z sit dyspersyjnych oddziaływ ań p odłoża z film em cieczy), stru k tu raln ą (w y n ik ającą ze zmiany struktury zaadsorbow anych w arstw cieczy w raz ze z m ia n ą odległości od podłoża), ad so rp cy jn ą (w y n ik ającą ze zm iany stężenia substancji rozpuszczonych w zaadsorbowanych w arstw ach cieczy w raz ze z m ia n ą odległości od podłoża). E fekty zw iązane z ciśnieniem rozklinow ującym w y stąp ią w w odzie począw szy od odległości m niejszych n iż 1000 [°^].
C hoć je s t to odległość bardzo m ała, to z uw agi na bardzo ro zw in iętą powierzchnię w ew n ętrzn ą m ateriałów kapilam o-porow atych, efekty zw iązane z w ystępow aniem zjawisk pow ierzchniow ych nie m o g ą zostać zaniedbane.
E fekt R ebindera w m ateriałach k apilam o-porow atych m ożem y obserw ow ać pośrednio p oprzez porów nanie w ytrzym ałości m ateriału w różnych stanach nasycenia je g o porów
badaną cieczą. P rzykładow o, w tabeli 1 p o dano za P yszniakiem [7] stosunki średnich wytrzymałości na ściskanie betonu zw ykłego w stanie pełnego nasycenia w o d ą /cmc i w stanie powietrzno-suchym f cmf) w zależności od w artości stosunku w odno-cem entow ego.
Rys. 1. Schemat graficzny efektu Rebindera - działanie ciśnień rozklinowujących Fig. 1. Graphical scheme o f the Rebinder’s effect - an action o f disjoining pressure
T ab ela 1 W pływ p ełnego n asy cen ia w o d ą n a w ytrzym ałość b etonu n a ściskanie [7]
w/c 0.7 0.45 0.35 0.18
fc m .J fc m .Of~1 0.925 0.745 0.744 0.775
T abela 2 W pływ p ełnego n asy cen ia w o d ą i je j roztw oram i n a m aksym alne obciążenie
przenoszone przez próbki granitow e [8]
Roztwór K oncentracja jonów (M) Pl-l f c m j f c m .O [" ]
NaCl 0.01 2 0.56.8
0.01 7 0.270
0.01 9 0.568
0.01 12 0.432
1.0 9 0.595
3.0 9 0.595
CaCl2 0.01 2 0.676
0.01 7 0.243
0.01 9 0.541
0.01 12 0.649
1.0 9 0.324
3.0 9 0.568
W oda destyl. 7 0.243
W oda rzeczna 7.6 0.378
N ależy tu zauw ażyć, iż badania tego ty p u w stosunku do b etonu m a ją sens dopiero w w arunkach je g o eksploatacji, bow iem przed zakończeniem p rocesu dojrzew ania potrzeba zachow ania odpow iedniej w ilgotności betonu je s t bezdyskusyjna. Innym przykładem zm niejszenia się w ytrzym ałości m ateriału kapilam o-porow atego p od w pływ em wypełnienia jeg o p o ró w cieczą, d la którego dane zestaw iono w tabeli 2, m o g ą być porównania m aksym alnego obciążenia przenoszonego przez próbki granitow e suche, nasycone wodą destylow aną, rzeczn ą i roztw oram i o zróżnicow anym stężeniu i pH [8].
3. Badania własne
W celu porów nania w pływ u polam ości cieczy w ypełniającej pory m ateriału kapilamo- porow atego na je g o cechy w ytrzym ałościow e przeprow adzono badania własne w laboratorium K atedry F izyki M ateriałów W B PO na m aszynie w ytrzym ałościow ej Toni Technik.
Z ginanie
T ło k -
Próbka-
--- k J V W ’> ...
t i
O M O ic m l S f*
«— /= 16[cm] ^
Ściskanie
Tłok Przekładka r_^ = stalowa 6x4[cm]
Próbka K
I)vL(P)
T
| , /g8fcml .
□
ó=4[cm A=4[cm]
Rys. 2. Schemat badania Fig. 2. Scheme o f tests
Tabela 3 W pływ pełnego nasycenia w o d ą i n a ftą na m aksym alne obciążenie przenoszone przez
próbki z zapraw y cem entow ej Typ
badania
Ciecz W iek próbki fdnil
Liczba prób
Średnia koncentracja masowa cieczy w próbce
P J P o [-]
Zginanie W oda 62 3 0.081 0.465
316 3 0.063 0.705
Nafta 62 2 0.059 0.956
316 3 0.040 0.890
Ściskanie Woda 62 6 0.081 0.518
316 6 0.063 0.626
Nafta 62 4 0.059 0.948
316 6 0.040 0.950
T abela 4 W pływ p ełnego n asy cen ia w o d ą i n a ftą na przem ieszczenie p od
m aksy m aln y m o bciążeniem p róbek z zapraw y cem entow ej Typ badania Ciecz W iek próbki [dni] Liczba prób ujuo r-i
Zginanie W oda 62 3 0.632
316 3 0.705
Nafta 62 2 0.969
316 3 0.900
Ściskanie W oda 62 6 0.876
316 6 0.856
Nafta 62 4 0.968
316 6 1.010
P[kN ]
j t ]
—
• t *
i ■: H - ' / i
0 ,0 5 0,1 u [m m ]
0 ,1 5
„ Z niszczenie próbek suchych i nasączonych
naftą
_ Zniszczenie próbek nasączonych w odą
0,2
► Stan pow. suchy
■ Pełne nasycenie naftą Pełne nasycenie w odą
Rys. 3. Zależność obciążenie-przemieszczenie dla wybranej serii 316-dniowych próbek z zaprawy cementowej suchych i w pełni nasyconych naftą oraz wodą Fig. 3. Load-displacement dependence for chosen series o f cement mortar specimens in
316 day after forming in case o f dry materiał, fuli water and kerosene saturation
Testom zostały poddane beleczki z zapraw y cem entow ej o sto sunku w ody, cem entu i piasku w proporcji 1:2:6 (cem ent C EM II/B -V 32.5 R ), w y m iarach 4 0 x 40x160 m m odpowiednio w stanie p o w ietrzno-suchym , pełnego n asy cen ia p o ró w w o d ą (ciecz polarna) i pełnego nasycenia p o ró w n a ftą (ciecz n iepolam a). W szystkie próbki o d m o m en tu zarobienia były przechow yw ane w w odzie, w tem peraturze pokojow ej 20±4 [°C], a n astępnie po ustalonym czasie w y su szo n e do stałej m asy, po czym część zo stała p onow nie nasączona wodą lub n a ftą do stałej m asy. E ksperym ent p rzeprow adzono pod kątem zginania i ściskania dla próbek 6 2-dniow ych i 316-dniow ych. P róby ściskania prow adzono n a połów kach beleczek uzyskanych po ich złam aniu w p ró b ie zginania. M ierzono obciążenie próbki i towarzyszące m u przem ieszczenie tło k a w edług schem atu um ieszczonego n a ry su n k u 2.
Porów nania średnich o bciążeń niszczących P i średnich m aksym alnych przem ieszczeń tłoka u uzyskanych w ró żn y ch badaniach p ró b ek zestaw iono w tabelach 3 i 4. W tabelach tych sym bolam i P c, uc, Po, «o oznaczono odpow iednio obciążenie i przem ieszczenie tłoka zmierzone p rzy badaniu p ró b ek w pełni nasyconych cieczą, oraz w stanie p ow ietrzno suchym .
W w yn ik u p rzeprow adzonych p rób zauw ażono, iż nasączanie w o d ą m a istotny wpływ na spadek rzędu 50% w ytrzym ałości m ateriału, ja k i granicznego przem ieszczenia. Nie stw ierdzono natom iast zm ian w nachyleniu krzyw ych opisujących zależności obciążenie- p rzem ieszczenie (rys. 3). W pływ nasączenia n a ftą n a u tratę w ytrzym ałości i zmianę granicznego p rzem ieszczen ia był niew ielki i nie p rzekraczał średnio 5%. Oznacza to, iż p o lam o ść cieczy w ypełniającej pory m ateriału kapilam o-porow atego m a istotny wpływ na jeg o w ytrzym ałość.
4. Interpretacja wyników badań
W yniki p rzeprow adzonych testó w om ów ionych w poprzednim punkcie w skazują na duży w pływ zjaw isk p o w ierzchniow ych na w ytrzym ałość m ateriału. Z jaw iska te, utożsamiane tutaj głów nie z ad so rp cją cieczy na ściankach kapilar, pojaw ieniem się p o la samozrównoważonych ciśnień rozklinow ujących i rozrostem pow ierzchni w ew nętrznej, zw iązane s ą z przemianami energetycznym i. O szacow anie p rzem ian y energii w ew nętrznej w w y n ik u adsorbowania cieczy m ożliw e je s t dzięki zm odyfikow anej teorii fluktuacji cieplnych Eyringa-Żurkow a [3], w w yniku której m o żn a uzyskać w zó r na długow ieczność kontaktu i*, pom iędzy parą sąsiadujących cząstek
ił r = i 0 e x p [ t / / W ] , (2)
gdzie: U - bariera energetyczna (energia aktyw acji procesu zniszczenia kontaktu), k - stała B oltzm anna, T - tem peratura, t0 - stała.
W przypadku jed n o o sio w eg o działania stałych n aprężeń rozciągających bariera energetyczna u leg a obniżeniu [1], a w ów czas
t t r = t 0 e x p [ ( U - A U ) / k T ] , (3)
gdzie: A U - obniżenie bariery energetycznej w w yniku działania n aprężeń rozciągających.
O dnosząc ro zw ażania do je d n o stk i objętości m ateriału przy jed n o o sio w y m rozciąganiu otrzym ujem y, że
(4) R óżnice pom iędzy charakterem zniszczenia zapraw y cem entow ej w zależności od warunków eksperym entu należy upatryw ać w budow ie żelu cem entow ego. C ytując za pracą [6], stw ierdzam y, iż w żelu cem entow ym w y stęp u ją kontakty k rystaliczne o w ytrzym ałości rzędu 10‘7-10^[N/kontakt] oraz słabsze koagulacyjne o w ytrzym ałości rzędu 10'8-10 ^ [NIkontakt).
Oznacza to, iż o zn iszczen iu tego m ateriału b ę d ą decydow ać przed e w szystkim te drugie, gdzie oddziaływ anie p om iędzy cząstkam i fazy stałej odbyw a się za pośrednictw em cienkiego filmu cieczy. W y n ik a stąd, iż n a obniżenie bariery energetycznej decydującej o m ożliw ości zmiany położenia cząstek fazy stałej m ateriału kapilam o -p o ro w ateg o w w yniku fluktuacji cieplnych, oprócz naprężeń rozciągających, m a tak że w pływ ad so rp cja cieczy w chodzącej w budowę kontaktu koagulacyjnego. W w yniku takiego rozum ow ania p ierw otny w zór Eryngina-Żurkowa (3) u legnie kolejnej m odyfikacji [5]
gdzie: A U ’ - obniżenie bariery energetycznej w w yn ik u adsorpcji cieczy n a pow ierzchni wewnętrznej m ateriału.
Wówczas na p odstaw ie b adań natychm iastow ej w ytrzym ałości m ateriału nasączonego i suchego (tzn. k ied y tk r = 0 ) oszacow ać m o ż n a p rzez poró w n an ie w zo ró w (3) i (5) obniżenie bariery energetycznej zn iszczen ia kontaktu pom iędzy cząstkam i w w y n ik u adsorpcji cieczy na powierzchni w ew nętrznej m ateriału
gdzie: A U X, A U 2- obniżenie bariery energetycznej w w y n ik u działania naprężeń rozciągających przy tkr = 0 odpow iednio w m ateriale suchym i n asączo n y m cieczą.
Relacja (6) daje inform ację ja k o ś c io w ą o roli ciśn ień ro zklinow ujących w o słabianiu struktury materiału.
5. Podsumowanie
W pracy zaproponow ano m odel o słab ien ia struktury m ateriału kapilam o -p o ro w ateg o jak o wynik działania n aprężeń rozklinow ujących. W ynika stąd, iż procesy sorpcji w ilgoci w zasadniczy sposób z m ie n ia ją stany nap rężeń w p rzypow ierzchniow ych w arstw ach zaadsorbowanej cieczy oraz stykających się z nim i p ow ierzchniam i fazy stałej. Z m iany tych naprężeń w o kreślonych w arunkach p ro w a d z ą do m ikrouszkodzeń na p o w ierzchniach wewnętrznych fazy stałej m ateriału. A d so rp cja cząstek roztw oru na pow ierzchni je s t w ięc jedną z p rzyczyn u szkodzeń m ateriału kapilarno-porow atego, a w szczególnych stanach energetycznych, gdy je s t to zjaw isko dom inujące, m ów im y w tedy o efekcie R ebindera.
(5)
e x p [ ( U - A U l ) / k T ] = e x p [ ( u - A U 2 - A U ’ ) / k T \ - > A U ’ = A U t - A U 2 , (6)
N ależy także stw ierdzić, iż w przypadkach, kiedy elem ent konstrukcyjny wykonany z m ateriału kapilarno-porow atego m oże ulec d użem u zaw ilgoceniu, fak t ten powinien być uw zględniony w obliczeniach projektow ych p rzez odpow iednie zm niejszenie wytrzymałości m ateriału.
L IT E R A T U R A
1. B erstein W .A .: M echano-hydro-litićeskije procesy i pro ćn o st tverdych tel. Nauka, L eningrad 1987.
2. D ieriagin B .V.: A th eo ry o f interaction o f particles in p resence o f elastic double layers, A cta Phys.-C im . S SSR , vol. 10, 3, 1939, p. 333-346.
3. E yring H ., R ee J.: T heory o f non new tonian flow . J. A ppl. Phys., 26, 7, 1955, p. 793-809.
4. Jaw orski B .M ., P iński A .A .: E lem enty fizyki. T.I, PW N , W arszaw a 1979.
5. K u b ik J.: T rw ałość m ateriałów kapilam o-porow atych. P rocesy w ym iany ciepła i masy w przegrodach budow lanych, W rocław , 1991, s. 49-57.
6. K ubik J.: T rw ałość zaczynów cem entow ych, X X X V II K N K IL iW PA N i KN PZITB, Ł ódź-K rynica 1991, s. 25-29.
7. P yszniak I.: W pływ w ilgotności beto n u na jeg o w ytrzym ałość i prędkość fal ultradźw iękow ych. R o zpraw a doktorska, P olitechnika W rocław ska, 1963.
8. X ia-T ing F., Sili C., S haojun L.: Effects o f w ater chem istry on m icrocracking and com pressive strength o f granite. Int. J. R ock M ech. and M ining Sci, 3 8 ,2 0 0 1 , s. 557-568.
R ecenzent: Prof. d r hab.inż. Jerzy Białkiewicz
A b s tr a c t
In the w o rk decrease o f strength o f capillary-porous m aterials as result o f saturation by different liquids is discussed. Problem is illustrated b y experim ental tests o f strength for concrete, granite and cem ent m ortar. O w ing ow n tests it is also show n th at w ater saturation causes decrease about 50% o f com pression and tensile strength o f cem ent m ortar and kerosene saturation about 5% . A s an explanation o f phenom enon one proposes occurring of disjoining pressure on the boundaries o f solid and liquid phases in pores o f material. It develops the internal surface in m aterial causing its w eakening (the R eb in d ers’s effect).
