книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

молекулами воды и тела (у Льюиса — между молекулами раство­ ренного вещества и растворителя).

На основании изложенного можем заключить, что разрабаты­ ваемая теория влажностного состояния является развитием и мо­ дификацией (применительно к влажному телу) термодинамиче­ ской теории активности реального газа Льюиса. В обеих теориях активность является характеристикой межмолекулярного взаимо­ действия. Однако наряду с физической общностью эти теории имеют и некоторые существенные различия. Льюис вводит коэф­ фициент активности как отношение летучести (исправленного дав­ ления) и летучести в некотором стандартном состоянии согласно соотношению (1.77).

Во влажных телах активность оводнения представляет собой отношение изменения энергии распределения молекул воды в поле межмолекулярных сил оводнения к изменению энергии распреде­ ления (потенциалу оводнения) равновесного пара. Если равновес­ ный пар не считать идеальной системой и определять потенциал

Следовательно, связь между обеими активностями осуществляется только через изменение энергии распределения.

Основным отличием разрабатываемой теории от теории актив­ ности реального газа Льюиса является то, что активность оводне­ ния вычисляется непосредственно по опытным данным измерения массы (влагосодержания). С учетом рассмотренных элементов теории влажностного состояния и ее основных соотношений можем заключить, что

1) активностью поля межмолекулярных сил оводнения является отношение энергии распределения в конденсированной фазе к энергии распределения в равновесной ей парообразной фазе:

частицами является соотношение изменения энергии распределе­ ния и соответствующей активности

Это следствие и соотношение (2.55) вытекают непосредственно из (2.31);

3) потенциал оводнения связан с потенциалом влажности ["34— 36] соотношением

или

(Цмг ФБ )293

(2.57)

(^мг ФБ ) Т

полученным подстановкой в (2.33) уравнения В. Н. Богословского

0э можно рассчитать по влагосодержанию эталонного тела иэ и максимальному гигроскопическому влагосодержанию данного тела.

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

3.1. Гигротермическая область

3.1.1. Зависимость равновесного влагосодерж ания строительных материалов от тем пературы

ление равновесного пара воды и соответствующее ему значение активности оводнения) необходимо установить имг при этой же температуре. Изучение экспериментальных изотерм различных •строительных материалов [191] показывает, что при постоянном ф значение равновесного влагосодержания, в том числе и имг, уменьшается с увеличением температуры. Это явление можно объяснить тем, что с повышением температуры происходит умень­ шение электростатических сил {32]*.

Из рис. 3, 4 видно, что при постоянном ф равновесное влаго­ содержание с увеличением температуры уменьшается по линейной

где (и)ф — равновесное влагосодержание при постоянном ф и температуре Т\ (и0)ч> — то же при 273 К; (аг)ч> — температур­ ный коэффициент равновесного влагосодержания при постоянном ф.

Для максимального гигроскопического влагосодержания на ос­ нове (3.1) запишем

происходящей под воздействием температуры активированной сорбцией, при­ водящей к изменению свойств материалов.

-** В [261] построено 109 аналогичных графиков по 4260 экспериментальным значениям влагосодержания в интервале от 233 до 313 К.

U,кг/кг

Рис. 3. Изобары гигротермического равновесия шлакобетона (уо= 1400 кг/м3).

где и0 — максимальное гигроскопическое влагосодержание при 273 К; ат — температурный коэффициент максимального гигро­ скопического влагосодержания.

Полученные значения и0 и ат для типичных капиллярно-порис­ тых материалов приведены в табл. 1.

Т А Б Л И Ц А Т

ХАРАКТЕРИСТИКА ВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ НЕКОТОРЫХ НОРМАЛЬНО УВЛАЖНЯЮЩИХСЯ ТИПИЧНЫХ КАПИЛЛЯРНО­ ПОРИСТЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ГАЗОБЕТОН

П Р О Д О Л Ж Е Н ИЕ Т А Б Л И Ц Ы 1

Установив, что равновесное влагосодержание при i|)= const с увеличением температуры уменьшается по линейному закону, вы­ ясним, при какой температуре оно станет равным нулю, т. е. необ­ ходимо определить критическую температуру оводнения. Очевидно, что оводнение невозможно при температуре, при которой пар нельзя сжижить, какое бы давление к нему ни прикладывалось, и когда невозможен фазовый переход от пара к жидкости. Такой является температура, превышающая Гкрэ для данного вещества; для воды Гкр = 647 К. Следовательно, когда 7,> 7 ,КР = 647 К, может происходить только адсорбция водяного газа и само поня­ тие относительного давления ф теряет смысл. Ввиду этого можно предположить, что изобары u = f(T ) при if = const должны пересе­ каться на оси абсцисс в точке, которой соответствует 71кр = 647 К.

На рис. 5, 6 представлены опытные значения равновесного влагосодержания для цементного камня и цементного раствора, экстра­ поляция полученных линейных зависимостей дает точку пересече­ ния на оси абсцисс при 647 К.

В процессе исследований эксикаторы с образцами термостатировали при заданной температуре и выдерживали до установле­ ния влажностного равновесия. Затем температуру поднимали на

275 293 3(3 333 Т.К

Рис. 7. Изобары гигротермического равновесия вспученного вермикулита Потанинского месторождения (фр. 5—10 мм) при ф= 0,6 (1)\ 0,7 (2); 0,9 (3);

ступень выше. Для получения o|) = const при повышении темпера­ туры изменяли концентрацию серной кислоты (см. приложение 2).

Установленную закономерность подтверждают материалы экс­ перимента [191], однако для некоторых материалов экстраполя­

бара которой линейна в интервале температур от 293 до 333 К,. 7крэ= 420 К. То же значение Гкрэ для фильтровальной бумаги получено по опытным данным [191]. Наблюдаемому явлению, при котором 7,Крэ=Ткр, пока затруднительно дать обоснованное* объяснение. Можно лишь предположить, что это явление связано» со структурными особенностями исследуемых материалов, претер­ певающих изменения при нагреве выше значений температуры, после достижения которых зависимость и от Т становится нели­ нейной. Как видно из рис 8, для фильтровальной бумаги зави­ симость и от Т становится нелинейной при температурах, превы­ шающих 333 К.

Таким образом, для исследованных материалов в определен­

Соотношение (3.3) доказывает независимость активности оводнения (см. 2.3) и положение А. В. Лыкова о независимости экспери­ ментального потенциала массопереноса от температуры [162,. 164].

Затвердевший цементный камень, строительные растворы и бетоны в материаловедении принято называть капиллярно-порис­ тыми телами [81, 178]. Соприкасаясь с водой, эти материалы впи­ тывают влагу [81]. Такими же свойствами обладают обожженная •строительная керамика, гипсовые изделия, искусственные и при­ родные пористые каменные материалы (термин «капиллярно-по­ ристое тело» принадлежит А. В. Лыкову [162, 168]). Все влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств А. В. Лыков подразделяет на три вида [166].

1. Типичные коллоидные тела (эластичные гели), которые при потере влаги значительно изменяют свои размеры (сжимаются), но сохраняют при этом эластичные свойства (желатин, агар—агар, прессованное мучное тесто и т. д.).

2.Капиллярно-пористые тела (хрупкие гели), которые при по­ тере влаги становятся хрупкими, мало сжимаются и могут быть превращены в порошок (обожженные керамические массы, квар­ цевый песок, древесный уголь и т. д.).

3.Капиллярно-пористые коллоидные тела, обладающие свойст­ вами первых двух видов. Стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги набухают. К этому виду относится большинство материалов, подвергаемых сушке (торф, древесина, картон, ткань, уголь, зерно, кожа, глина, грунт и т. д.).

к тому или иному из указанных видов тела. Тем не менее в этой классификации имеется рациональное зерно, заключающееся в том, что коллоидно-физические свойства материалов проявляются при их взаимодействии с водой и что именно по этому взаимодей­ ствию следует классифицировать материалы.

*Если известны температура и относительное давление водяного пара внутри помещения и в окружающей среде, то, применяя (3.4), (3.5), можно про­

извести приближенное вычисление влагосодержання наружной стеновой конст­ рукции. Такой расчет зимнего эксплуатационного влагосодержання стеновых панелей из шлакопемзобетона [68, 70] показал удовлетворительную сходи­ мость с результатами натурных наблюдений [69].