книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

Согласно (8.116), 0л,—QAi =0£, —0д2. Следовательно,

откуда приходим к выводу, что энтропия переноса se* не зависит от свойств капиллярно-пористого тела.

Для подтверждения этого вывода был поставлен следующий эксперимент

вермикулит, желтый трепел и смесь из вспученного вермикулита, опилок и жел­ того трепела), предварительно выдержанными до установления влажностного равновесия в одном и том же эксикаторе с ф = 0,7 при 293 К. Следовательно, в момент заполнения цилиндров исследуемые материалы имели одинаковый*- по­ тенциал оводнення 0 = —0,862-103 Дж/моль. После заполнения торцы цилинд­ ров изолировали резиновыми прокладками. Затем цилиндры помещали .в спе­ циальную установку между нагревательными и. охладительными элементами, в которых при помощи термостатов создавалась и поддерживалась постоянная температура. Пространство между кожухом установки заполнялось сухим вспу­ ченным вермикулитом (Хд = 0,058 Вт/м-град). Опыт продолжался в течение 15 сут, через 8 сут после начала опыта по высоте цилиндров устанавливалось постоянное влагосодержание, о чем свидетельствовало электросопротивление в

линдрики из фильтровальной бумаги), влагосодержание.-которых определяли весовым способом. По значению влагосодержания фильтровальной бумаги и температуры определяли потенциал оводнения в заданных сечениях. Исследо­ вания осуществлены при помощи фильтровальной бумаги № 1 '(см. табл. 3), для которой зависимость и от 0 приведена в приложении 3. Эксперимент по сути идентичен опыту на «неизотермической разрезной колонке» В. Н. Бого­ словского, собранной из пластин материала и пакетов фильтровальной бумаги.

На основании результатов опытов построен график зависи­ мости 0 от Г для исследованных материалов (рис. 88). Как видно

исследованных материалов имеют одно и то же значение. Таким образом, экспериментально подтвержден аналитический вывод о том, что 5е* не зависит от свойств капиллярно-пористых материа­ лов.

*При проведении подобных исследований, если в материале не содержатся жидкие электролиты, концентрация которых изменяется во времени, может быть использован потенциалометр сопротивления [272].

При определении зависимости Se* от 0 и Г применяли описан­ ные выше цилиндры (длина 130 мм). Для экспериментов исполь­ зовали желтый трепел, гипсовый камень, гипсобетон, вспученный вермикулит, опилки и др. На рис. 89 приведены характерные кри­ вые распределения температур и потенциалов оводнения по вы­

от свойств материалов, кривые, приведенные на рис. 90, являются универсальными для всех капиллярно-пористых тел. Как показано на рис. 90, с увеличением температуры SQ* уменьшается и обра­ щается в нуль при значениях потенциалов оводнения — 7,3*103 и 0,2-103 Дж/моль, достигая максимума при 0= —4,6-103 Дж/моль.

Для различных материалов одинаковым значениям потенциа­ лов оводнения соответствует различное влагосодержание. В дан­ ном случае SQ* обращается в нуль и может иметь отрицательные значения при весьма малом влагосодержании; se* также обраща­ ется в нуль, если влагосодержание близко к максимальному насы­ щению.

Значения se* впервые были приведены в работе [296]. По тра­ диции, сложившейся в теории массопереноса, энтропия переноса -?е* в [296] названа термоградиентным коэффициентом, отнесен­ ным к разности потенциалов.

Рис89. Зависимость 0 и 7 от х для различных начальных потенциалов овод­ нения: 1 — трепел; 2 — вспученный вермикулит (фр. 0,6 мм).

ЗНАЧЕНИЯ ЭНТРОПИИ ПЕРЕНОСА se*-10"2 (Дж/моль-град) ОТ ПОТЕНЦИАЛА ОВОДНЕНИЯ

Особое значение энтропии переноса для решения практических задач обусловило проведение дополнительных экспериментальных исследований с целью уточнения значений энтропии переноса и расширения их температурного интервала (табл. 16). Поскольку энтропия переноса не зависит от свойств материала, а является функцией 0 и Г, то (8.96) может быть переписано в виде

Уравнение (8.120) показывает, что может быть построена обоб­ щенная шкала такого потенциала 0*, одним лишь градиентом ко­ торого будет описываться неизотермический поток. Следовательно, получено аналитическое обоснование обобщенной эксперименталь­ ной шкалы потенциала влажности и одночленного уравнения для определения неизотермического потока, впервые предложенного В. Н. Богословским [30, 31]:

где х — влагопроводность по В. Н. Богословскому. Как отмеча­ лось, опыт, поставленный при определении s©*, и опыт, по резуль­ татам которого В. Н. Богословским построена шкала обобщенного потенциала влажности, идентичны. Поэтому полученный результат закономерен.

Одночленное уравнение для расчета влажностного режима име­ ет несомненные преимущества перед двучленным. Поэтому в слу­ чае расчетов влажностного режима по шкале потенциала оводне-

роскопическому влагосодержанию имг. При влагосодержании, пре­ вышающем максимальное гигроскопическое, б уменьшается, до­ стигая нулевого значения в области, приближающейся к макси­ мальному насыщению материала. (Подробное объяснение харак­ тера изменения термоградиентного коэффициента в зависимости от влагосодержания приведено в трудах А. В. Лыкова {162, 164].)

Т А Б Л И Ц А 17

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОИЗОЛЯЦИОННОГО ПЕНОБЕТОНА

В табл. 17 приведены значения термодинамических характерис­ тик влажного тела, определяющих значение термоградиентного коэффициента, и значения термоградиентного коэффициента, вычисленные из полученных соотношений по данным табл. I (значения s0* взяты из табл. 16). Из табл. 17 видим, что значения AS u и 8и соответственно более чем на порядок ниже значений s0* и cms0*, вследствие чего при определении термогра­ диентного коэффициента изменением энтропии оводнения можно пренебречь. Так как величина ст обратно пропорциональна тем­ пературе, a s0* с ростом температуры уменьшается, то и термо­ градиентный коэффициент б с ростом температуры уменьшается, что согласуется с данными экспериментальных исследований [162, 164]. Максимум б отмечается при и = и У1Т (6 = 0), что также под­ тверждается экспериментальными исследованиями Г162, 164].

Изложенное показывает, что термоградиентный коэффициент является функцией активности оводнения и может быть рассчитан по полученным соотношениям на основании табличных значений характеристик влажностного состояния строительных материалов.

Зависимость термоградиентного коэффициента от активности оводнения не дает возможности для структурообразующих систем вычислять значения б на основании табличных значений характе­ ристик влажностного состояния строительных материалов. В этом случае необходимо получить экспериментальные кривые изменения активности оводнения по координате и в зависимости от 0, и, Т На основании этих данных может быть вычислен термоградиент­ ный коэффициент, который, как и активность оводнения, будет функцией координаты.

8.6. Экспериментальное исследование массопереноса при неравномерном структурообразовании

При сушке изделий значительной толщины процесс структурообразования протекает таким образом, что активность оводнения и характеристики влажностного состояния зависят не только от времени, но и от координаты сечения изделия. В 'таком случае можно говорить о неравномерном структурообразовании (явление установлено при сушке гипсовых и гипсобетонных пластин [264, 277, 278]). Для сопоставления полученных закономерностей в ка­ честве материала, при сушке которого не происходит структурообразование, выбран трепел (синий).

Из полуводного гипса (CaSO4-0,5 Н20) приготавливали гипсовое тесто, из которого формовали пластины толщиной 80 мм. Такие же пластины формовали

жание гипса 0,56 кг/кг, трепела — 0,28 кг/кг. При изготовлении образцов устанавливали термопары и потенциалометры — цилиндрики из фильтровальной бумаги (№ 6; см. табл. 3) длиной 8 и диаметром 3 мм. Предварительно по­ тенциалометры заворачивали в фильтровальную бумагу для предохранения от прилипания к ним частиц исследуемых материалов. Потенциалометры и термо­ пары устанавливали в гипсовые и гипсобетонные пластины в центральном се­ чении на глубину 5 и 15 мм от поверхности изделия. В процессе конвективной сушки (через 1 ч после изготовления пластин) при температурах 298, 303, 313, 323 и 333 К непрерывно измеряли температуру изделий на указанной глубине. Через каждые 10—15 мин из пластин при помощи специального приспособле­ ния высверливали цилиндр диаметром 30 мм. Из него извлекали потенциалометры и отбирали пробы материала из сечений, в которых находились потенциало­ метры. С последних снимали защитные оболочки. В стеклянных бюксах весо­ вым способом определяли влагосодержан'ие потенциалометров и проб материа­ лов. Таким образом были получены значения влагосодержания исследуемых материалов в различных сечениях изделий и равновесного (изопотенциалмюго) влагосодержания фильтровальной бумаги.

На рис. 92 приведены значения влагосодержания для исследу­ емых материалов им и фильтровальной бумаги UQ в центральном сечении изделий (на глубине 40 мм) на глубине 5 мм от поверх­ ности. Как видно, соотношение между им и ив в указанных сече­ ниях не зависит от температуры.

Из гипса и гипсобетона с различными водотвердыми отношениями в за­ крытых формах были изготовлены образцы размером 20X20X20 и 10Х10Х Ю мм. В процессе изготовления в них были встроены потенциалометры. Образцы выдерживали в закрытой системе при различных температурах до установле­ ния влажностного равновесия между исследуемым материалом и потенциаломет-