- Перепад давления. В крупнопористых неметаллических материалах (более 60 103 нм) поток линейно возрастает с увеличением давления и может быть рассчитан при решении уравнения Дарси:

(17.16)

где к_ф- коэффициент фильтрации (водопроницаемости),

F- площадь поверхности фильтрации,

- градиент концентрации.

Влияние температуры на фазовую водопроницаемость через пористые материалы осуществляется в основном через вязкость и в меньшей степени через плотность. С повышением температуры вязкость уменьшается, что ведет к возрастанию водопроницаемости материала.

Рассмотрев состояние воды в крупных дефектах неметаллических материалах, можно заключить, что капиллярная влага также является связанной с материалом. Только в крупных порах существует свободная вода, которая переносится за счет вязкого течения.

Разнообразие процессов взаимодействия воды с неметаллическими материалами и форм существования ее в них создает затруднения в установлении контролирующих процессов и факторов. В общем случае различают четыре вида связи воды с неметаллическими материалами в порядке убывания энергии связи:

1. Химически связанная вода в виде гидроксильных ионов в гидратах, вода в кристаллогидратах и т.д.;

2. Адсорбционно-связанная вода в виде моно- и полимолекулярных слоев на внешней поверхности контакта или в объеме материала;

3. Капиллярно-связанная вода;

4. Свободная вода, заполняющая пористое пространство неметаллического материала.

Рис. 17.1. Изотермы сорбции воды неметаллическими материалами.

Химически связанную воду можно идентифицировать методами спектрального анализа. Наличие адсорбированной и капиллярной влаги, кластеров и ассоциатов устанавливаются с помощью изотерм сорбции воды неметаллами (рис. 17.1), которые выражают зависимость количества поглощенного вещества – воды (Q) от ее активности Р/Р₀(Р – парциальное давление паров над раствором, Р₀давление чистого пара) при постоянной температуре.

У большинства неметаллических материалов (силикатных, полимерных, композиционных) изотерма сорбции паров воды имеет S- образный вид (Iна рис 17.1). В области давления паров воды от 0 до 0,25 от равновесного значения Р₀ наблюдается образование мономолекулярного слоя адсорбированной воды. В области давлений от 0,25 до 0,70 от Р₀ идет формирование полимолекулярного адсорбционного слоя (скорость процесса уменьшается). Резкий подъем кривой в области от 0,70 до 1,00 Р₀ соответствует процессу конденсации влаги в капиллярах материала.

Линейная изотерма (III) характерна для гидрофобных полимеров, когда отсутствует любой вид локализации воды, и ее растворимость в материале подчиняется закону Генри.

Отклонение изотермы сорбции от линейной зависимости (кривая IIна рис. 17.1) свидетельствует о локализации гомогенно растворенной воды в гидрофобных полимерах.

При измерении количества воды, сорбируемой неметаллическим материалом, по достижению равновесного водопоглощения фиксируется вода, поглощенная материалом по любому механизму, начиная от гомогенно растворенной до свободной воды в макропорах.

Для полимерных материалов условно принято считать, что если равновесное водопоглощение не превышает 1%, то такие материалы относятся к классу гидрофобные. Полимеры, у которых равновесное водопоглощение более 10%, явно относятся к гидрофильным материалам.

2. .Водостойкость силикатных материалов.

Водостойкость – это способность неметаллических материалов сопротивляться физико-химическому и химическому воздействию воды, сохраняя свои эксплуатационные свойства при длительном увлажнении или контакте с водой.

В зависимости от пористости плавленные и керамические силикатные материалы могут взаимодействовать с водой, как с поверхности, так и в объеме материала. Основным процессом, способным привести к потери материалом эксплуатационных свойств, является процесс выщелачивания, в результате которого часть катионов щелочных и щелочноземельных металлов в группах

где R⁺- катион) замещается на катион водорода с образованием группы

Это замещение дополнительно разрыхляет структуру материала из-за расклинивающего воздействия адсорбируемой материалом воды.

В результате взаимодействия с водой в раствор переходят гидроксиды, в первую очередь NaОН, частично растворяется аморфный кремнезем, переходя в раствор в виде кремневой кислотыH₂SiO₃.

Процесс выщелачивания идет с замедлением по параболической зависимости, т.к. на поверхности материалов образуется плотная защитная пленка из продуктов взаимодействия.

В целом, указанные силикатные материалы характеризуются достаточно высокой водостойкостью при температурах, рекомендуемых для их применения.

Водостойкость бетонов зависит от состава воздействующих вод и от структуры бетонов. В зависимости от состава воды выделяют три основных вида разрушения (коррозии) бетонов.

К коррозии первого вида относят процессы разрушения бетонов под действием пресной воды с малой временной жесткостью, возникающие в результате растворения составных частей цементного камня. Наиболее растворимым компонентом является гидроксид кальция Са(ОН)₂. Этот вид коррозии особенно интенсивно протекает при воздействии проточной воды, фильтрующейся через бетон. Особенно сильное выщелачивание Са(ОН)₂происходит через трещины, швы и различные дефекты бетонной кладки. Интенсивность такого фильтрационного выщелачивания зависит от напора воды, формы и ширины раскрытия трещины. При проектировании конструкций из бетона следует учитывать ослабление бетона в зонах трещин в результате указанного процесса выщелачивания.

Коррозия второго вида происходит вследствие обменных реакций между составными частями цементного камня и химическими веществами, содержащимися в воде. Эти обменные реакции чаще всего протекают в бетоне под действием углекислоты, сернокислых и хлористых солей, содержащихся в значительном количестве в грунтовых и промышленных (сточных) водах, в морской воде. Продукты взаимодействия выделяются в виде аморфной массы, либо легко растворяются, – все это ведет к повышению пористости и снижению прочности цементного камня.

Под действием углекислоты природных вод возможно и уплотнение бетона за счет образования карбонизированного слоя по реакциям:

Са(ОН)₂. + Н₂СО₃→ СаСО₃+2Н₂О (17.17)

Са(ОН)₂. + Са(НСО₃)₂. → 2СаСО₃+ 2Н₂О (17.18)

Однако при большом содержании углекислоты (> 280 – 300 мг/л) происходит растворение карбоната кальция и разрушение цементного камня.

Третий вид коррозии бетона возникает при воздействии на него сильно минерализованной воды. В этом случае в порах и капиллярах материала накапливаются кристаллы солей и продукты взаимодействия воды с цементным камнем. Под действием этих новообразований возникают значительные усилия в стенках пор и капилляров, приводящих к разрушению бетона.

Эффективными методами борьбы с рассмотренными видами коррозии является уплотнение бетонов введением гидравлических добавок, связывающих Са(ОН)₂в малорастворимые соединения, введение в их состав высокомолекулярных соединений – смол (создание, так называемых полимербетонов), применение различных гидрофобизирующих или защитных покрытий: кремнийорганические жидкости, битумные, виниловые и другие покрытия.

2. Водостойкость полимерных и композиционных материалов.