Главная » Книги и журналы

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 25

госодержания, помещали между термостатами с разной температурой. Под влиянием перепада температуры в колонке происходило перераспределение влаги. Со временем сначала температура, а затем и влагосодержание стабилизировались. Результаты трех опытов в виде установившихся кривых распределения влажности и темпе-р>атуры по длине колонки х приведены на рис. П.6. Ха-

и,кг/кг

о/ю 0,08 OJ37 006	©\
0,05				/-50-
0Р2 0,01
	Jfe-

о 100 200 300 ШхММО 100 20V ЗООШммО 100 200 300 шх.т

Рис. П.б. Распределение влагосодержания V и температуры / по длине колонки X. в опытах неизотермического влажностного равновесия колонок из фильтровальной бумаги с различным начальным влагосодержанием f/o, но при постоянном 6 около 40° В

а 8=38,2° В; f/oi=0,0609 кг/кг; б -то же, 40,5 и 0,269; в - то же, 42 и 0,0615

рактер распределения влаги, как видно из рисунка, противоположен характеру распределения температуры: в торце колонки с более низкой температурой влажность бумаги повышается. Распределение влаги, соответствующее неизотермическому влажностному равновесию в колонке, определяли взвешиванием отдельных пачек бумаги. Потенциал влажности в установившихся условиях влажностного равновесия по длине колонки одинаковый: 6х=01=const, так как перемещение влаги отсутствует и потоки влаги во всех сечениях равны нулю.. Oi соответствует влагосодержанию бумаги C/i в сечении колонки, где температура эталонная (20°С):

Bi-- 100, (11.39)

г /МГ .

t20°

где V20C0 - максимальная гигроскопическая влажность фильтровальной бумаги при =20° С.

В других сечениях колонки этой же величине ©i соответствуют иные значения температуры и влажности бумаги.

Один опыт дает множество сочетаний равновесной влажности и температуры, соответствующих одному значению потенциала влажности. Изменяя начальную влажность бумаги или температуры на торцах колонки, можно получить равновесные распределения влажности при разных температурах, соответствующие разным значениям потенциала влажности. В результате серии опытов установлена связь между равновесной влажностью фильтровальной бумаги {/ф.б и потенциалом влажности при разных температурах {/ф.б (в; t) (см. рис. II.4). С помощью шкалы потенциала влажности можно найти значения последнего, соответствующие любому влагосодер-жанию и температуре произвольного тела. Для этого необходимо определить равновесную с ним влажность фильтровальной бумаги и температуру.

Относительный потенциал влажности

Из-за сложности зависимости t/ф.б (в, t) применение шкалы потенциала влажности затруднено. Чтобы выявить возможность упростить эту связь, воспользуемся аналогией между потенциалом влажности и упругостью водяных паров. В теории диффузии пара в сорбирующей среде [43] в качестве эталонного тела используется воздух, равновесная упругость водяных паров которого принята за потенциал состояния влаги. Зависимость между влагосодержанием материала, упругостью водяных паров и температурой U{e; t) столь же сложна, как и зависимость {/(0; t). Значительно упрощается она при использовании показателя относительной влажности воздуха фв. Кривые сорбции-десорбции, которые обычно строят относительно фв, для многих строительных материалов незначительно зависят от температуры, что позволяет пользоваться в расчетах одной кривой.

По аналогии с использованием для упрощения зависимости и {е\ t) относительной влажности воздуха фв в теорию потенциала влажности введено понятие - относительный потенциал влажности ф@. Для выбора числен-

ных значений шкалы ф^так же, как и шкалы фв, физических ограничений нет, поэтому необходимо учесть только требования удобства ее практического использования. Прежде всего примем, что между ф^ и влажностью фильтровальной бумаги, как эталонного материала, должна быть однозначная зависимость /ф.бСф©), не связанная с температурой и другими параметрами. Она не обязательно должна иметь простое аналитическое выражение, а может быть определена графически.

Показатель фв широко применяется в практике для характеристики влажности наружного и внутреннего воздуха, гигроскопической влажности материалов (с помощью изотерм сорбции-десорбции) и др. Поэтому условимся, что обобщающий показатель ф^в диапазоне сорб-ционной влажности материалов равен фв. В пределах Фе=фв<1 для построения ф.б (Фе) примем изотерму сорбции фильтровальной бумаги при эталонной температуре. Вне этого предела примем, что ф^от f/ф.б изменяется по прямой, верхний предел которой - максимальное насыщение фильтровальной бумаги водой (около 2,53 кг/кг) соответствует ф^ =3.

Построенная таким образом зависимость между влажностью фильтровальной бумаги (Уф.б и относительным потенциалом влажности ф^, Фе(/ф.б) графически изображена на рис. П.7. Она может быть определена общей математической записью

которая качественно отражает физический смысл ф^ - относительного потенциала влажности (вм.с - потенциал, соответствующий максимальной сорбционной влажности). Одно из предложений по количественной расшифровке этого выражения дано в статье [8]. Исходя ш сделанного в этой статье анализа приняты значения ре-перных точек ф^ определяющих кривую зависимости Фб (Фе) показанную на рис. П.7.

Шкала ф^ позволяет распространить зависимость, подобную изотерме сорбции, на сверхгигроскопическую влажность материалов. На рис. П.8 как пример приведена зависимость для виброгазосиликата (7вг(в, t). Как показывают опыты, равновесные влажности различных

2,55

Рис. II.7. Кривая зависимости равновесной влажности фильтровальной бумаги f/ф.б от относительного потенциала влажности ф0 (шкала относительного потенциала влажности)

1 2 Зд>,

Рис. II.8. Изотермы равновесных влажностей виброгазоси-ликата f/в.г (относительно потенциала влажности)

Т

о 100 200 500 т 500 600 700 дОО 6,Q

материалов, в том числе влажности, равновесные с влажностью фильтровальной бумаги, практически не зависят от температуры. На рис. II.9 показаны данные, что и на рис. П.8, но в виде зависимости {/((/ф.б). Это обстоятельство значительно облегчает получение необходимых экспериментальных данных, так как для каждого материала нужно определить только одну кривую равновес-

ных влажностей с влажностью фильтровальной бумаги и{иф,б) независимо от температуры. При наличии (7((7ф.б), а также £/ф.б(в; t) и /ф.б(ф@) этих сведений достаточно для определения потенциала и относительного потенциала влажности, соответствующих различным влажностям и температурам материала.

Относительный потенциал влажности удобен для оценки тепловлажно-стного состояния материалов и окружающих их сред. Подобно тому как относительная влажность Фвхарактеризует только влажностное состояние материала (пс изотермам сорбции-десорбции) и воздуха, а диффузию влаги

Us2, кг/кг

	1 □	г п - о
к & р

-5 С; у-~20°С; -5Х; -неизотврмицеские условия

Uip5,KZ/KZ

Рис. II.9. Равновесные влажности виброгазосиликата Ub.v относительно влажности фильтровальной бумаги f/ф.б при разных температурах

В сорбирующей среде определяет градиент парциального давления водяных паров, так и ф^ определяет только влажностное состояние материала и среды, а влагопро-водность связана с градиентом потенциала влажности.

Характеристики состояния и переноса влаги в строительных материалах

Для расчета нестационарной влагопередачи необходимо иметь характеристики состояния и переноса влаги материалов. Эти данные должны быть получены лабораторными испытаниями.

Проведение опытов на различных образцах разными методами снижает достоверность результатов. Разброс опытных значений влажностных характеристик материалов по сравнению с другими физическими показателями, как известно, оказывается особенно большим. В МИСИ был разработан комплексный метод определения влаж-

tO S)

	4-.,

50 i60x,Mi

50 1GQx,M

56 10вх,ММ

Un, к г/к г

е) 0,5

0,7д

			. г А А

о 100 200 300 8 В

) J кг 7.5

т-10С;А-15°С; е~20С;а-25°С; m-J0°C; -5C

t--10°C

п -1012/кг

О 100 200 300 в;в

1,5 2cPq

о 0,5 1 1,5 2я>а

ностных характеристик строительных материалов, названный методом разрезной колонки. Позднее он был усовершенствован [51] и распространен на испытания при неизотермических условиях. Методом разрезной неизотермической колонки могут быть достаточно быстро и точно получены все необходимые для расчета нестационарной влагопередачи зависимости из одной серии опытов на одном образце.

Эксперимент состоит в следующем. Испытуемый материал разрезают на пластинки и собирают в виде цилиндра или призмы. Между пластинками прокладывают пачки листов фильтровальной бумаги. Разрезную колонку, собранную из пластин материала и фильтровальной бумаги, помещают в тепло- и влагоизолированную обойму и устанавливают между термостатами с разными температурами. Между термостатами одновременно ставят несколько разрезных колонок. Они могут быть из одного материала при разных начальных влажностях или из разных материалов. В процессе опыта обоймы периодически вынимают, колонки разбирают, пластины материала и пачки фильтровальной бумаги взвешивают. Полу-

Рис. 11.10. Изменения во времени Z распределения влажности пенобетона б^пб {сС), влажности фильтровальной бумаги (Уф.б (б) и потенилала влажности 0 (в) по длине колонки х в опыте с разрезной неизотермической колонкой время отсчета, ч:

/ - 0; 2 - 6; 5-30; -#-48; 5 - 72; 6- 120; 7 -2- сю. Характеристики состояния и переноса влаги, полученные в опытах (а, б, в) с разрезной неизотермической колонкой из пенобетона; г - зависимость влажности пенобетона пб потенциала влажности ©, температуры^, L (0, {)\ 5 - зависимость удельной влагоемкости Т] пенобетона от потенциала влажности 0 и температуры i, 11, (6, t)\ в - зависимость /д(5 от относительного потенциала влажности C/jjQ (ф^ ); -зависимость влагоемкости т] пенобетона от ф^,

0 S

0 3 - зависимость коэффициента влагопроводности х пенобетона от потенциала влажности 0 и температуры i, к(0, i)

кг мм!в

ш			15 С
		э
			® э

200 300 в;в

чают промежуточные распределения влажности по длине колонки, а в конце опыта, когда перераспределение влаги прекращается, устанавливают состояние влажностного равновесия в колонке. Этих данных достаточно для определения всех зависимостей влажностных характеристик состояния и переноса влаги в материале. По стационарному равновесному распределению влажности, так же как и при построении шкалы 0, определяют зависимость (/((/ф.б) и (/(9, t) или (/(фе). Дифференцированием изотерм (/(9, t) определяют удельную изотермическую влагоемкость материала ц, дифференцированием ((Фе) зависимость влагоемкости т]фз от ф^ .

Результаты в виде U (9, /) и т] (9, t) необходимы также для дальнейшего определения влагопроводности материала - нахождения зависимости коэффициента влагопроводности X от 9 и Для этого используют промежуточные распределения влажности в колонке до установления равновесия. Примененный в эксперименте прием разрезной колонки позволяет воспользоваться для обработки промежуточных данных конечно-разностными методами. Для каждого расчетного интервала времени между измерениями может быть записано уравнение баланса влаги в отдельной пластине колонки. Из опыта известно изменение во времени потенциала влажности каждой пластины и по установившемуся состоянию определены (/(9, t) и ri(9, О- В уравнении баланса влаги пластины за расчетный интервал времени в результате остается одно неизвестное - коэффициент влагопроводности х(9,). Его численное значение при данной влажности и температуре пластины можно получить из уравнения баланса влаги, считая к в пределах данного пространственно-временного интервала неизменным. Пластины колонки в течение опыта изменяют влажность, температуру, имеют разные значения потенциала влажности и в результате в течение одного опыта на одной колонке материала перекрывается широкий диапазон этих параметров. Анализом переходного процесса изменения тепловлажностного состояния пластин материала одного образца в виде разрезной колонки удается получить практически полную картину зависимости х(9, t). Анализировать данные для получения х(9, t) удобно с помощью гидроинтегратора или ЭВМ.

Результаты опыта с образцом пенобетона приведены на рис. П.10. Зависимости (/пб(9, t)\ (/пб(фе); (9); 102

г)ф^((р^) определены из серии опытов по установившимся

распределениям влажности в колонке. Кривые распределения потенциала влажности в(х, z) на различные моменты времени (рис. 11.10, в) получены путем пересчета кривых распределения влажности фильтровальной бумаги иф,в{х, z) (рис. 11.10,6) с помощью шкалы 6ф.б(8, t). Зависимость влагопроводности пенобетона к(9, t) рис. 11.10,3 найдена по данным в (л:, г) решением обратной задачи с помощью гидроинтегратора. Аналогичные данные для ряда ячеистых бетонов, кирпича, пеносиликата и других материалов получены в МИСИ, НИИ-стройфизики и в других институтах.

11.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПОТЕНЦИАЛА ВЛАЖНОСТИ

Обоснование потенциала влажности как основной характеристики состояния влаги в материале в процессе влагопередачи, полученное термодинамическим методом, недостаточно. Нужна экспериментальная проверка этого положения.

Одним из доказательств правильности основной концепции о перемещении влаги только под действием градиента потенциала влажности может быть экспериментальное подтверждение отсутствия движения жидкой и парообразной влаги в состоянии неизотермического влажностного равновесия. Потребность в таком доказательстве вызвана еще и тем обстоятельством, что распространено представление о независимом движении пара и жидкости, особенно в неизотермических условиях. Принято считать, что жидкая фаза влаги движется под влиянием градиента влажности и диффузия пара происходит под влиянием градиента парциального давления и что в условиях неизотермического влажностного равновесия эти потоки равны и направлены в противоположные стороны.

В МИСИ Е. И. Тартичником были выполнены специальные опыты с меткой радиоактивного изотопа, вводимой в жидкую влагу материала. Метки закладывали в колонки из фильтровальной бумаги. Одна полностью влаго-и теплоизолированная колонка (основная) находилась между термостатами в состоянии неизотермического влажного равновесия (колонку выдерживали до закладки метки около 7,5 мес). Сечение, в котором был помещен

лист бумаги с радиоактивной меткой, имело следующие характеристики: влагосодержание около 1,9 кг/кг, температура 20° С, градиент влажности 9,6 кг/(кг-м), градиент температуры 135° С/м. Вторая колонка находилась в изотермических (/=20° C=const) условиях установившейся влагопередачи. Во второй колонке метка была расположена в сечении с влагосодержанием бумаги также около 1,9 кг/кг. Постоянный поток влаги в этом сечении обуславливался градиентом влажности в 5 кг/ /(кг-м). Влажности в сечениях с метками в обоих образцах были одинаковы, а градиент влажности в основной колонке был почти в два раза больше, чем во второй. Температуры в сечениях тоже были одинаковы, поэтому в основном образце можно было ожидать в два раза большую скорость перемещения метки, чем во втором. Фактически этого не произошло. Спустя две недели в первом образце метка оставалась практически неподвижной, а во втором она была вынесена на торец колонки, т. е. прошла расстояние около 70 мм.

Радиоактивную метку вносили в материал с солью, перемещение которой в образце могло произойти только с влагой в жидкой фазе влаги. В равновесной неизотермической колонке (первый образец) метка не сдвинулась, и поэтому можно утверждать, что жидкая фаза влаги оставалась в нем неподвижной. При неизменном влагосодержании отдельных пачек бумаги в колонке это обстоятельство определяет также отсутствие парообразного переноса влаги и массообмена между фазами влаги. Отсюда следует, что потенциалы фаз влаги в колонке в условиях неизотермического влажностного равновесия равны между собой (9ш = вп=в) и их градиенты по длине равны нулю. Отсутствие общего потока влаги свидетельствует о постоянстве потенциала влажности О по длине колонки.

Результаты опыта подтвердили основное положение теории потенциала влажности о том, что в условиях неизотермического влажностного равновесия при наличии больших градиентов влажности и температуры потока влаги ни в жидком, ни в парообразном ее состоянии нет, так как градиент потенциала влажности в этих условиях равен нулю, а потенциалы фаз влаги равны между собой. Важным положением этой теории являются однозначность определения потенциала влажности 9 влагосодержанием материала при заданной температуре и незави-

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 25