книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

Т А Б Л И Ц А 13

ИССЛЕДОВАННЫХ ГЛИН

ствующих изотерме для типичной капиллярно-пористой структуры. Изотермы 1 и 2 не являются равновесными, но и они свидетельст­ вуют о том, что до определенного момента времени в процессе увлажнения испытуемые образцы обладают свойствами типичного капиллярно-пористого тела. В дальнейшем интермицеллярное про­ никновение влаги увеличивает значение влагосодержания, и изо­ терма принимает вид, характерный для капиллярно-пористых кол­ лоидных тел.

Поскольку по мере удаления влаги образцы постепенно приоб­ ретают типичную капиллярно-пористую структуру, то для анализа процесса сушки особое значение имело определение равновесных характеристик по неравновесной изотерме 2. Последняя может совпадать с равновесной изотермой какого-либо типичного капил­ лярно-пористого тела с неизменной в процессах увлажнения и сушки структурой (соответствующей типичной капиллярно-порис­ той). Для исследуемых образцов получены следующие характе­

влажностного состояния особый интерес представляет их получе­ ние для грубой строительной керамики в процессе сушки. При этом целесообразно выбрать такие образцы, в которых процесс структурообразования протекает равномерно по сечению тела,т. е. зависит от координаты.

Примером такой системы может служить тонкостенная строительная кера­ мика (дренажные трубы) в процессе импульсно-вакуумной сушки. Эксперимен­ тальные исследования, проведенные на пластинах из глины, позволили устано­ вить, что величины влагосодержания, потенциала оводнения и температуры, •отнесенные к одному циклу сушки, состоящему из периодов нагрева и им­ пульсного разрежения (вакуумирования), равны во всех точках сечения изде­ лия при толщинах пластин, не превышающих 0,025 м. Экспериментальные

изотермы влажностного состояния в процессе импульсно-вакуумной сушки сни­ мали при следующих предварительно найденных режимных параметрах: коли­ чество циклов — 8, продолжительность цикла — 8 мин, продолжительность импульса нагрева 6 мин, продолжительность импульса вакуумирования с послевакуумной выдержкой 2 мин, глубина разрежения по циклам:

и трещин — 64 мин. Определение равновесного влагосодержания для образцов дренажных труб после импульсно-вакуумной сушки проводили потенциаломет­ рическим методом с учетом следующих методических особенностей. Из свежеотформованных труб вырезали 8 колец длиной 50 мм, в каждом из которых на глубине 5 мм от поверхности устанавливали предварительно увлажненный датчик потенциала оводнения из фильтровальной бумаги длиной 8 и диамет­ ром 3 мм с предохранительной оболочкой из той же бумаги. Образцы влагоизолировали полиэтиленовой пленкой и выдерживали при 293 К до установле­ ния термодинамического равновесия между глиной и телом датчика. Затем влагоизоляцию снимали и образцы помещали в лабораторную сушильную уста­ новку.

После каждого из 8 циклов сушки образцы извлекали из установки, взве­ шивали, влагоизолировали, помещали в термостат при 293 К и выдерживали в течение суток. По истечении этого срока из образцов извлекали потенциалометры, снимали с них защитную оболочку и определяли влагосодержание эта­ лонного тела весовым методом.

С помощью графиков изотерм u=f(Q) для фильтровальной бумаги, построенных по табличным данным (см. приложение 3), определяли значения потенциала оводнения и относительного дав­ ления пара. В результате была получена изотерма равновесных влагосодержаний для дренажной трубы после импульсно-вакуум­ ной сушки (рис. 75). Оказалось, что равновесное влагосодержание глины, подвергнутой импульсно-вакуумной сушке, ниже соответ­ ствующего равновесного сорбционного влагосодержания плас­ тинок, полученных для предварительно высушенных путем сорб­ ции водяного пара пластинок при их насыщении (изотерма 3 на рис. 75). Однако при одних и тех же значениях ф величина и/имг

Рис. 75. Изотерма влажностного состояния гренажных труб при импульсно-вакуумной

сушке.

(см. 3.7) были получены изотермы равновесного состояния образ­ цов* изделий, изготовленных из грубой строительной керамики заводами, территориально весьма удаленными друг от друга. По полученным изотермам вычислены значения и/и мг для всех ис­ следованных образцов и построена их зависимость от ф (рис. 76), которая является универсальной для изделий различных заводов (табл. 14).

Рис. 76. Зависимость и/имг от if при 293 К для образцов изделий: а — дре­ нажные трубы (завода «Лоде») (1), Новгородского КСМ (2), Фокинского за­ вода (3); б — кирпич Брянского завода (4), Калнциемского КСМ (5), Рязан­ ского завода (6), Афонинского завода (7), Щебекинского завода (8), Челябин­ ского» завода № 1 (9) и Новокузнецкого завода (10).

*Применялись образцы размером 20X20X3, вырезанные из свежеотформованных изделий.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ АКТИВНОСТИ ОВОДНЕНИЯ И КОЛЛОИДНОЙ АКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ГЛИНА—ВОДА

7.2.3. Активность оводнения

Установленная универсальность зависимости и/имг от т|э позво­ ляет получить одни и те же значения активности оводнения а и коллоидной активности d для' любых систем глина—вода. Ука­

от tp. Эти зависимости, как следует из вышеизложенного, явля­ ются универсальными для рассматриваемых систем. Ряд точек А', А, В', Bj С', С характеризует различные участки изменения ак­ тивности оводнения и коллоидной активности d. Интервал между

Рис. 77. Универсальная зависимость In а от \f> для систем глина—вода при 293 К.

точками С и D соответствует типичному капиллярно-пористому со­

тое состояние), а характер изменения In а от ф между точками А кВ свидетельствует о тохМ, что исследуемая система находится в кол­ лоидном состоянии. Между этими тремя основными структурными состояниями имеются области переходных состояний. В процессе обезвоживания система глина—вода переходит от одного состоя­ ния к другому непрерывно, поэтому одновременно могут сосущест­ вовать те или иные макросостояния твердой и жидкой фаз. Срав­ нивая рис. 77 и 47, видим, что изменение активности оводнения системы глина—вода (система высыхания) идентично изменению активности оводнения в процессе твердения вяжущих систем с хи­ мическими реакциями. Основным результатом является то, что в обеих системах в процессе твердения одни и те же структурные

Рис. 78. Универсальная зависимость In d от ф для систем глина—вода при 293 К.

стадии имеют одинаковые интервалы общего относительного дав­ ления равновесного водяного пара. Следовательно, в различных вяжущих системах (независимо от наличия или отсутствия хими­ ческих реакций) в процессе твердения при одной и той же темпе­ ратуре смена однотипных структурных состояний совершается при одной и той же энергии связи влаги с материалом. Это, в свою очередь, приводит к заключению, что приведенная схема харак­ терных состояний системы цемент—вода (см. табл. 1 2 ) универ­ сальна для всех твердеющих вяжущих систем. На рис. 78 четко фиксируется точка С' перехода от первичной коллоидной капил­ лярно-пористой структуры к переходной коллоидной капиллярно­ пористой. В самом начале развития последней (интервал С' С") возможен значительный разброс точек, что свидетельствует о не­ устойчивости данного состояния. Точка С' и характеризуемый ею переход для строительной керамики имеют принципиальное значе­ ние, ибо при достижении этой точки в процессе сушки заверша­ ются усадки. Поэтому соответствующее данной точке влагосодержание названо нами структурно-критическим (uSk)- Наиболее

структурно-критического влагосодержания для грубой строитель­ ной керамики [273].

7.2.4. Степень заверш енности структурооб разования

Универсальная зависимость степени завершенности структуро­ образования т] системы глина—вода от ф получена на основании экспериментального исследования 6 различных глин [22]. На рис. 79 четко обозначены характерные точки А, В', В, С' процесса структурообразования данной системы, точно соответствующие значениям ф для тех же точек, обозначенных на рис. 77 и 78. Точки В', В и С' (рис. 79) на кривой усадки дренажных труб за­ вода «Лоде» в процессе сушки (по данным Г. И. Болдырева) сви­ детельствуют об изменении характера усадки. В точке С' при структурно-критическом влагосодержании (чему для всех иссле­ дованных изделий на основе системы глина—вода соответствует «^=1,005) усадка изделий прекращается. Рис. 80 отражает зави­ симость разрушающей нагрузки на дренажную трубу от степени завершенности структурообразования.

В процессе эксперимента дренажные трубы высушивали при 298 К в воз­ душной среде (\р= 0,35). В 45 трубах были установлены датчики потенциала оводнения, после чего трубы влагоизолировали (полиэтиленовой пленкой) и вы­ держивали при 298 К в течение 24 ч с целью установления влажностного

Рис. 79. Универсальная зависимость степени завершенности структурообразова­ ния глины от ф (по [22]) и зависимость относительной усадки от ф в процессе сушки дренажных труб (завода «Лоде») (по Г. И. Болдыреву).

Рис. 80. Зависимость разрушающей нагрузки Р на дренажную трубу диамет­ ром 50 мм (завода «Лоде») от степени завершенности структурообразования.

равновесия между датчиками й исследуемыми изделиями. Затем полиэтиле­ новую оболочку снимали, а дренажные трубы в- процессе высыхания подверга­ ли испытаниям на предельную нагрузку (по методике ГОСТ 8411—74). После разрушения труб при механическом испытании отбирали пробы на влагосодержание, извлекали датчики потенциала оводнения, затем определяли влаго-

где т]ф — степень завершенности структурообразования изделия сразу же после формования (для исследованных т1 ф= 0,815). Вы­ ражение (7.36) показывает, что при твердении как вяжущих си­ стем высыхания, так и систем с химическими реакциями прочность является функцией степени завершенности структурообразования. Степень завершенности структурообразования rj связана однознач­ ной зависимостью (6.58) с активностью оводнения а.

Согласно (2.33) и (2.37), активность оводнения является функ­ цией параметров состояния системы 0 и Г (ф и Г) и свойств си­ стемы, характеризуемых величиной и/имг. Так как для всех ис­ следованных материалов на основе системы глина—вода получена

ских свойств твердеющей керамики от относительного влагосодержания и/имг. Рис. 81 отражает зависимость основных структурно­ механических характеристик дренажных труб от и/и^г*. Заметим, что опыты, проведенные при различных температурах, дают одну и ту же зависимость модуля упругой деформации сдвига Е\, мо­ дуля медленной эластической деформации £ 2, условного стати­ ческого предела текучести Р ,' наибольшей пластической (шведовской) вязкости х\ от К(Т)и/имг, где К(Т) — температурный коэффициент, который для исследуемых дренажных труб линейно увеличивается с ростом температуры.

Для дренажных труб Фокинского завода К(Т) = c o n st= 1, а для кирпича Калнциемского КСМ нелинейно возрастает с ростом

ванная точка Ф является точкой пластического формования изде­ лий грубой строительной керамики [1, 139, 195—198, 227] и ле­

коагуляционной структуре. Указанная структурная стадия явля­ ется наиболее изученной в технологии керамики [195—198, 252].

С ростом энергии связи влаги с материалом, т. е. с понижением потенциала оводнения, все структурно-механические характерис­ тики возрастают, причем зависимость эта линейная, аналогичная зависимости (7.12), связывающей прочность вяжущих систем с химическими реакциями с потенциалом оводнения. На рис. 82

б)

Е2 ,кПа

\ \is i

К(Т) ©, ! ДжЛюль|

в)

д)