книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

сушки. Одновременное рассмотрение термодинамических и струк­ турно-механических характеристик строительной керамики пока­ зывает, что такой подход может привести к качественно новым; результатам анализа экспериментальных данных. Это, в свою оче­ редь, расширяет возможности совершенствования технологических процессов изготовления изделий из грубой строительной керамики.

7.2.5. С хем а структурны х состояний системы глина— вода в процессе твердения

Схема структурных состояний системы глина—вода в процессе твердения в целом аналогична схеме структурных состояний си­ стемы цемент—вода. Основным сингулярным точкам А', А, В', Сг и С на кривых активности оводнения (см. рис. 77 и 47) соответст­ вует одна и та же энергия связи влаги с материалом (одинако­ вые значения потенциала оводнения 0 и общего относительного'

давления равновесного пара воды ф) при одной и той же темпе­ ратуре. Только на кривой коллоидной актийцосТи (см. рис. 78) для системы глина—вода можно выделить ещё;&ве сингулярные точки С" и D' Интервал С'С" характеризуется значительным раз­ бросом значений коллоидной активности, что свидетельствует о неустойчивости состояния. Интервал CD' характерен тем, что мо­ жет быть выражен соотношениями (3.25) — для типичных капил­ лярно-пористых систем и (3.34) и (3.35) — для коллоидных ка­ пиллярно-пористых.

Схема структурных состояний системы глина—вода в процессе твердения (обезвоживания) приведена в табл. 15.

7.2.6. Принцип стационарности процесса структурооб разования

Система глина—вода является вяжущей системой высыхания. Поскольку твердение ее обусловлено только процессом структуро-

Т А Б Л И Ц А 15

В ПРОЦЕССЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

образования, вариацией скорости обезвоживания, т. е. мощности стока влаги, можно поддерживать любую заданную скорость ее структурообразования. Обычно при сушке различных материалов приходится варьировать внешние воздействия, чтобы скорость сушки поддерживать постоянной:

Для структурообразующих систем, у которых одна стадия струк­ турного состояния сменяется другой, данное условие может быть удовлетворено только для каждой отдельной стадии структурного состояния. Исходя из представления, что процесс сушки — это только осуществление внешними воздействиями процесса тверде­ ния (структурообразования) системы, условие стационарности массообмена с окружающей средой (7.39) должно быть заменено условием стационарности структурообразования:

Исходя из условия стационарности структурообразования (7.40), построим теоретически оптимальный режим обезвоживания си­ стемы глина—вода при дополнительном условии, что структурообразование идет равномерно по всему сечению изделия, т. е.

dy\/dx=0. (7.41)

Необходимо учитывать, что при твердении вяжущих систем вы­ сыхания при соблюдении условия (7.41) степень завершенности структурообразования не зависит от температуры и смена одной стадии структурного состояния другой совершается при постоян­ ном влагосодержании, независимо от температуры.

В качестве примера построим стационарный режим структурообразования для дренажных труб (завода «Лоде»). В интервале коллоидной коагуляционной

О К О Н Ч А Н И Е Т А Б Л И Ц Ы 15

АТлфВ' _

*dT/dxAB, = 15 мин.

Определив таким образом координаты точки В \ наносим ее на кривую на рис. 83, а. Точку Ф наносим на ось ц при т=0. Соединив Ф и В' прямой, про­ водим ее до пересечения с горизонталью т]с = 1 и получаем точку С. Далее на ри­ сунке обозначаем точки В, С', С" аналогично рис. 79 или табл. 15. Так как для дренажных труб при 293 К иМг= 0,088 кг/кг, то по приведенным в табл. 15 U/UMг находим значения и для точек В В , С', С", С и наносим их на рис. 83, б. Для точки Ф Ыф = 0,176 кг/кг. Соединяя найденные точки, получаем график из­ менения влагосодержания (рис. 83, б), соответствующий условиям стационар­ ности структурообразования. Согласно графику, условие стационарности про­ цесса структурообразования системы глина — вода выполняется при возрастаю­ щей во времени скорости обезвоживания.

Повышение скорости обезвоживания может быть достигнуто путем подъема температуры системы и приложения внешних воз­ действий, приводящих к механическому удалению влаги. Механи­ ческое удаление влаги при поддержании dr\/dx= 0 в процессе обез­ воживания может быть осуществлено импульсно-вакуумным спо­ собом сушки, теоретическое обоснование которого дано в [271].

Температурный режим нагрева изделия выбирается с учетом особенностей структурного состояния, структурно-механических характеристик, усадочных явлений и должен быть различным для разных структурных состояний системы глина—вода в процессе твердения.

На основании результатов анализа структурно-механических характеристик находим 7V =313—323 К. Согласно рис. 79, наи­ большая интенсивность и основной этап усадки приходятся на ин­ тервал переходной коагуляционной структуры В'В. Следовательно, в этом структурном интервале желательна изотермическая вы­ держка или нагрев до температуры Тв^ 323 К, если последняя

12 - 797

Рис. 84. Изменение технологических режимных параметров (температуры Т, импульсов раз­ режения АР) и основных характеристик си­ стемы глина—вода (влагосодержания и, по­ тенциала оводнения 0, степени завершенности структурообразования т|, структурного срод­ ства Z, производства энтропии структурообра­ зования diSnldT) в процессе сушки дренажных труб диаметром 50 мм в камерной опытно­

терными являются кривые изменения структурного сродства Z и производ­ ства энтропии структурообразования в системе diSn/dx, достигающие макси­ мума в точке С\ т. е. при достижении структурно-критического влагосодер­ жания Usk, и затем падающие до 0 в точке С при достижении изделием типичного капиллярно-пористого сос­ тояния и завершения процесса струк­ турообразования.

Изложенные теоретические пред­ ставления, а также систематические технологические исследования, про­ веденные работниками УралНИИстромпроекта, РПИ, Оргтехстром Минстройматериалов ЛатвССР, позволили уточнить технологическое значение найденных интервалов структурного состояния системы глина—вода и ус­ тановить оптимальные внешние техно­ логические воздействия на изделия грубой строительной керамики в про­ цессе обезвоживания (сушки) (см. табл. 15). Разработанная схема ха­

рактерных структурных состояний системы глина—вода с техно­ логической характеристикой этих состояний по существу состав­ ляет основу оптимизации и интенсификации процессов сушки гру­ бой строительной керамики. На основе этой схемы и с учетом характера кривой относительного влагосодержания приходим к выводу о возможности и целесообразности создания универсаль­ ных многозонных туннельных сушилок со следующими основными характеристиками:

количество зон равно количеству структурных состояний, про­ ходимых грубой строительной керамикой в процессе сушки;

12*

отношение между длинами зон определяется как отношение скоростей сушки эталонного изделия в отдельных структурных со­ стояниях;

вкаждой отдельной зоне температура меняется в соответствии

срекомендациями таблицы структурных состояний;

распределение и отбор теплоносителя, а также аэродинами­ ческий режим каждой зоны должны обеспечивать заданную ско­ рость сушки;

скорость сушки изделия в универсальной сушилке определяется в зависимости от его влажностных характеристик (максимальное гигроскопическое влагосодержание и его температурный коэффи­ циент) и формы изделия.

На рис. 85 приведена принципиальная конструктивная схема универсальной 5-зонной сушилки для эффективного и полнотелого глиняного кирпича, разработанной в ЛатНИИстроительства В. К. Свешниковым, автором и Е. Л. Высочанским. Температур­ ный и влажностный режимы сушки в разработанном устройстве являются результатом растяжения во времени аналогичных кри­ вых для эталонных изделий (дренажных труб) (см. рис. 84). Изменение скорости и направления воздушных струй достигается посредством боковых перфорированных распределителей теплоно-

Рис. 85. Принципиальная схема и основные характеристики многозонной тун­ нельной сушилки для грубой строительной керамики: а — схема позиций по длине сушилки; б — схема продольных потоков теплоносителя; в — схема поперечных струй теплоносителя; г — изменение влагосодержания и и темпера­ туры материала Тм, температуры теплоносителя Т1П, структурные состояния

и зоны сушки.

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В СТРУКТУРООБРАЗУЮ Щ ИХ СИСТЕМАХ

8.1. Возрастание энтропии

На основании постулата о применимости фундаментальногоуравнения Гиббса к необратимым процессам, протекающим вблизи термодинамического равновесия [6 , 90, 91, 211 и др.], для системы, имеющей постоянный объем и обменивающейся массой и энер­ гией с окружающей средой, можем записать:

Если в данной системе происходят гидратообразование и структурообразование, то в фундаментальное уравнение (8 .1 ) необхо­ димо ввести значение работы гидратообразования согласно (5.13) и структурообразования — согласно (6.14). Тогда уравнение (8 .1 ) примет вид

TdS=dE-\-PdV-\i*dm-\-Ad%-\-Zdy\. (8.2)

Из (8.2) получаем выражение для скорости возрастания энтро­ пии [90, 91, 211]:

(8.7),