книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

Рис. 95. Зависимость \ g a от -ф: а — гипс;

б— гипсобетон; в — трепел. 1 — поверх­ ностные слои; 2 — центральные.

а)

Если допустить, что V tt= 0 , то из (8.125) получим уравнение для потока массы, вызываемого неравномерным структурообразованием в сечении изделий:

Следовательно, неравномерное структурообразование капил­ лярно-пористых материалов вызывает дополнительный поток массы, пропорциональный градиентам активности оводнения и максимального гигроскопического влагосодержания при постоян­ ных влагосодержании и температуре в сечении изделия. По­ скольку при постоянной температуре поток массы может быть вызван только градиентом потенциала оводнения, то можно запи­ сать:

где (V0)«, т — градиент потенциала оводнения при постоянных влагосодержании материала и температуре, обусловленный нали­ чием градиентов V a n V «Mг в сечении изделия при его неравно­ мерном структурообразовании. Подставляя (8.127) в (8.126), по­ лучаем

Попытаемся определить |V 0 )U, T д л я исследованных гипсовых и гипсобетонных пластин. На основании зависимостей, которые отражает рис. 92, можем установить, что

Связь (|Д0) и, т и и, установленную для пластин из гипса и гип­

где 6* — расстояние между поверхностным и центральным слоями

Таким образом, до образования типичной капиллярно-пористой структуры неравномерное структурообразование гипса и гипсобе­ тона в процессе сушки пластин из этих материалов при и > и с вы­ зывает дополнительный приток влаги от центральных слоев к по­ верхностным, а при и<.ис — от поверхностных к центральным. Принимая во внимание (6.58), приходим к заключению, что опи­ санные результаты являются прямым экспериментальным под­ тверждением системы феноменологических уравнений (8.27), (8.2§) и (8.29). Проведенные исследования показали, что в структурооб­ разующих системах процессы переноса зависят от степени завер­ шенности структурообразованищ

Согласно (8.132),

8.8. Феноменологические уравнения переноса при существенном отклонении системы

от термодинамического равновесия

При твердении вяжущих систем Jn<&h, а химическая реакция, как правило* описывается линейными феноменологическими уравнениями [211], т. е. а3,= 1.. Поэтому в первую очередь рассмотрим процессы переноса при существенном отклонении системы от термодинамического равновесия. Тогда

т. е. приходим к линейному соотношению между обобщенными потоком и си­ лой вдали от термодинамического равновесия, причем коэффициентом пропорциональности является феноменологический коэффициент, определен­ ный для системы, находящейся вблизи термодинамического равновесия. Поэтому к рассматриваемому состоянию системы вдали от термодинамического равно­ весия применимо соотношение Онзагера:

фициенты и количества переноса, определенные в условиях, когда система на­ ходится вблизи термодинамического равновесия (см. 8.2—8.6).

С учетом (8.144) запишем феноменологические уравнения процессов пере­

на базе полученных в 8.4 уравнений переноса вблизи термодинамического рав­ новесия. На основе (8.99) и (8.100):

ISJV= Gae\$G=Д *е( — Se*XmQV 0 — k aV T ) .

Аналогичным образом могут быть представлены все приведенные феноме­ нологические уравнения для системы вблизи термодинамического равновесия^ Таким образом, для описания процессов переноса вдали от термодинамиче­ ского равновесия мы сохранили структуру феноменологических уравнений ли­ нейной термодинамики необратимых процессов и ввели при этом другие силы,, которые помимо независимых переменных, характеризующих состояние системы в условиях термодинамического равновесия, определяются новыми переменными, проявляющимися в необратимых процессах при существенном отклонении си­

них из известных для равновесного состояния соотношений). Для их нахожде­ ния необходимы специальные экспериментальные исследования, методика кото­ рых диктуется конкретными задачами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанный аппарат термодинамического анализа дает возможность рассматривать с единых теоретических позиций влажностное состояние, твердение и сушку строительных материа­ лов и изделий как проявление межмолекулярных связей в единице объема, для изменения энергии которых необходимо затратить оп­ ределенную работу. Он позволяет устанавливать наиболее общие связи между известными фактами, явлениями и свойствами мате­ риалов, выражая их в строго математической количественной фор­ мулировке, предсказывать существование ряда ранее не известных фактов и явлений, разрабатывать методы их экспериментального обнаружения, выводить из установленных закономерностей техно­ логические следствия и создавать на их основе новые технические решения технологических процессов изготовления строительных ма­ териалов и изделий.

Важнейшими термодинамическими параметрами и характерис­ тиками, необходимыми и достаточными для разработки аналити­ ческого аппарата и экспериментального исследования влажност­ ного состояния строительных материалов и процессов их тверде­ ния, впервые введенными и обоснованными в работе, являются потенциал оводнения, энергия распределения, активность оводнения, степень завершенности структурообразования, структурное сродство.

В основе созданного аппарата термодинамического анализа влажностного состояния неметаллических неорганических материа­ лов и твердения вяжущих систем лежит разработанная универ­ сальная термодинамическая идеальная модель распределения мо­ лекул воды. Данная модель и введенные представления об энер­ гии распределения, активности и потенциале оводнения позволили вывести основное соотношение между влагосодержанием материа­ лов и потенциалом оводнения, в котором свойства материала ха­ рактеризуются его активностью оводнения. Характер роста послед­

ней в зависимости от общего относительного давления равновес­ ного водяного пара дает возможность классифицировать мате­ риалы на капиллярно-пористые типичные и капиллярно-пористые коллоидные.

На основании тождества между потеницалом оводнения и энер­ гией связи влаги с материалом найдено соотношение между влагосодержанием и энергией связи влаги с материалом. Полученное основное соотношение влажностного состояния позволило теорети­ чески предсказать и впоследствии экспериментально обнаружить явление гидротермического увлажнения материалов водяным па­ ром и распространить все полученные соотношения на гидротерми­ ческую область влажностного состояния, в которой протекают ос­ новные этапы изготовления, тепловлажностной обработки и сушки ■строительных материалов и изделий.

Процесс твердения вяжущих систем с химическими реакциями обусловлен двумя взаимодействующими и одновременно протека­ ющими сопряженными процессами: гидрато- и структурообразованием, каждый из которых характеризуется своей элементарной работой, степенью завершенности, сродством, скоростью, возник­ новением энтропии в системе. Твердение вяжущих систем высы­ хания (без химических реакций) обусловлено только структурообразованием.

Для термодинамического описания твердения вяжущих систем в фундаментальное уравнение Гиббса введены элементарные ра­ боты гидрато- и структурообразования. Представление возникно­ вения энтропии в системе в виде суммы энтропий, возникающих вследствие указанных процессов, привело к выводу феноменоло­ гических уравнений скоростей гидрато- и структурообразования, анализ которых позволил теоретически предсказать и эксперимен­ тально установить перекрестный эффект взаимодействия этих процессов при твердении вяжущих систем. Проявление этого эф­ фекта сказывается в тормозящем воздействии данных процессов друг на друга. После завершения формирования пространственной коллоидной коагуляционной структуры вяжущих систем в про­ цессе твердения приращение прочности прямо пропорционально приращению степени завершенности структурообразования. Ско­ рость роста прочности при твердении вяжущих систем зависит от собственной скорости структурообразования и скорости, являю­ щейся следствием перекрестного эффекта с гидратообразованием.

По характеру изменения активности оводнения, скорости струк- *гурообразования, возникновения энтропии, обусловленной структурообразованием, энергии связи влаги с материалом установлены ■отдельные стадии развития структуры твердеющих вяжущих •систем, различающиеся по структурно-механическим свойст­ вам и требующие различных внешних силовых и тепловых воз­ действий во время технологического процесса. В различных сис­ темах твердеющих вяжущих веществ одни и те же интервалы структурных состояний при одинаковой температуре характеризу­

ляется основой разработки универсальной технологической схемы сушки строительной керамики.

С учетом схемы структурных состояний системы глина—вода, универсального характера кривой относительного влагосодержания и результатов анализа процессов переноса в структурообразующих системах предпринята попытка разработать принципы конструиро­ вания универсальных многозонных туннельных сушилок для стро­ ительной керамики.