книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) учеб. пособие

в л а ж н о с т ь ю f в г/м3. Водяной пар, входящий в состав паровоз­ душной смеси занимает тот же объем ѵ, что и сама смесь; темпера­ тура Т пара и смеси одинакова.

Энергетический уровень молекул водяного пара, содержащихся во влажном воздухе, выражается парциальным давлением е *

кГ)м2 или мм pm. cm. (VI. 1)

где yVfe— масса водяного пара, кг\ рм — молекулярный вес, кг/моль-,

имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт. ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.

В строительной теплофизике для парциального давления водя­ ного пара обычно принимается размерность, выраженная в

мм рт. ст.

Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы исполь­ зуются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося

Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмо­ сферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.

Предельное значение парциального давления Е в мм рт. ст. соот­ ветствует полному насыщению воздуха водяным паром FMB„с в г/м3, и возникновению его конденсации, происходящей обычно на мате­ риальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешен­ ном состоянии.

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденса­ ция на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной

* Это давление иногда называют упругостью водяного пара.

220

промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные зна­ чения величин Е в мм рт. ст. и F в г/лт3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t= 16° С они равны друг другу.

С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха вели­ чины е й f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением тем­

цы трех фаз: льда, воды и пара.

Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного во­ дяного пара над переохлажденной водой.

Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выра­ жается относительным парциальным давлением или о т н о с и т е л ь ­ ной в л а ж н о с т ь ю .

Относительная влажность ср является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при дан­ ной температуре. В физическом отношении величина ф безразмерна и ее значения могут изменяться от 0 до 1; в строительной практике величину относительной влажности обычно выражают в процентах:

Относительная влажность имеет большое значение как в гигиени­ ческом, так и в техническом отношении. Величина ф связана с ин­

221

тенсивностью испарения влаги, в частности, с поверхности кожи че­ ловека. Нормальной для постоянного пребывания человека считает­ ся относительная влажность в пределах от 30 до 60%. Величина ф характеризует также процесс сорбции, т. е. поглощения влаги по­ ристыми гигроскопическими материалами, находящимися в контак­ те с воздушной влажной средой.

Наконец, величина ф определяет процесс конденсации влаги как на пылинках и других взвешенных частицах, содержащихся в воз­ душной среде, так и на поверхности ограждающих конструкций. Если воздух с определенным влагосодержанием подвергнуть нагре­ ванию, то относительная влажность нагретого воздуха понизится, поскольку величина парциального давления водяного пара е оста­ нется постоянной, а максимальное его значение Е увеличится с по­ вышением температуры, см. формулу (VI.3).

Наоборот, при охлаждении воздуха с неизменным влагосодер­ жанием, его относительная влажность будет увеличиваться из-за уменьшения величины Е.

При некоторой температуре максимальное значение парциаль­ ного давления Е окажется равным величине е, имеющейся в возду­ хе, а относительная влажность ф — равной 100%, что соответствует точке росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление остается постоянным (максимальным), а излишнее коли­ чество влаги конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние. Таким образом, процессы нагревания и охлаждения воздуха свя­ заны с изменениями его температуры, относительной влажности, а следовательно, и первоначального объема.

За основные величины при резких изменениях температуры влажного воздуха (например, при расчетах вентиляционных про­ цессов) часто принимают его влагосодержание и теплосодержание (энтальпию).

Влагосодержание влажного воздуха d представляет отношение массы водяного пара Мп к единице массы сухого воздуха Мв. Мас­ са газообразного вещества может быть выражена как произведе­

где 18 и 29 — молекулярные веса водяного пара и сухого воздуха; Р = ре+ рв — общее давление влажного воздуха.

При постоянном общем давлении влажного воздуха (например, Р= 1) его влагосодержание определяется только парциальным дав­

лением водяного uanaid — 0,622——— ) . Плотность влажного воз-

V 1— Р е )

духа уменьшается с увеличением парциального давления по линей­ ному закону.

Существенное различие молекулярных весов водяного пара и сухого воздуха приводит к повышению абсолютной влажности и

222

парциального давления в наиболее теплых зонах (обычно в верхней зоне) помещений, в соответствии с закономерностями, описанными в гл. III.

Теплосодержание I (энтальпия) влажного ненасыщенного воз­ духа равно:

+ 0,47d (0,24-—теплоемкость сухого воздуха; 0,47 —теплоемкость водяного пара); t — температура, °С; 595 — удельная теплота испа­

могут происходить процессы конденсации.

В нижней части диаграммы расположена построенная в обычной сетке координат по формуле (VI.4) линия pe = f(d) роста парциаль­ ных давлений водяного пара, выражаемых в мм рт. ст.

Диаграммы теплосодержания и влагосодержания широко ис­ пользуются в отопительно-вентиляционной практике при расчете процессов нагревания и охлаждения воздуха, а также в сушильной технике. С помощью I —d диаграмм можно установить все необхо-

223

димые параметры влажного воздуха (теплосодержание, влагосодержание, температуру, точку росы, относительную влажность, пар­ циальное давление), если известны только два из этих параметров.

§ 3. СВЯЗЬ ВЛАГИ СО СТРОИТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

По характеру своего взаимодействия с водой твердые материа­ лы могут быть разделены на смачиваемые (гидрофильные) и не­ смачиваемые (гидрофобные).

К первым относятся, например, гипс, вяжущие па водной осно­ ве, силикатный кирпич, большинство разновидностей бетона; ко вторым — битумы, смолы, минераловатные изделия на основе несмачиваемых вяжущих, асбест и т. д.

<п

Рис. Y1.5. Смачивание поверхности твердого материала каплей воды (по П. А. Ребиндеру):

Мерой полноты смачивания В является косинус краевого угла

Гидрофильные материалы активно взаимодействуют с водой; в сухом состоянии их поверхностная энергия имеет наибольшее зна­ чение, а при смачивании уменьшается (т. е. а3.2 — оі.3 > 0 ).

Ограниченно смачиваемые и несмачиваемые материалы менее активны во взаимодействии с водой.

Для большинства строительных материалов (например, бетонов, кирпича и т. д.) характерна капиллярно-пористая структура, осо­ бенности которой, наравне со степенью смачивания, определяют ха­ рактер взаимодействия материала с влагой при пребывании его в воздушно-влажной среде или непосредственном контакте с водой.

224

В результате такого взаимодействия изменяются физико-механиче­ ские свойства материалов, изделий из них и отдельных конструкций зданий. Кроме того, для материалов гидрофильных, получаемых на основе структурирования водных растворов вяжущих или других материальных дисперсных частиц, сами свойства стабилизировав­ шейся структуры материала, т. е. строение и геометрические разме­ ры пор и капилляров, зависят от начального влагосодержания и взаимодействия вещества с влагой, в процессе технологии произ­ водства строительных деталей или изделий.

Следовательно, особенности взаимодействия материалов с вла­ гой важны при эксплуатации любых строительных конструкций, соприкасающихся с влажной средой, а для гидрофильных материа­ лов эти особенности и начальное влагосодержание исходных ра­ створов влияют на технологию производства и определяют уровень структурно-механических свойств материала и изделий из него.

Обоснованное подразделение форм связи влаги с материалами разработано академиком П. А. Ребиндером и его последователями.

По природе энергии связывания влаги с веществом или материа­ лом и величине энергетического уровня этой связи различаются следующие виды влаги:

1. Влага, химически связываемая, необходимая для возникнове­ ния и завершения химических реакций, образования нового веще­ ства и формирования физико-механических свойств материала в из­ делии или конструкции.

Эта влага входит в состав структурной решетки материала в ви­ де вновь возникших химических соединений и кристаллогидратов и отличается высоким энергетическим уровнем ионной и молекуляр­ ной связи с веществом.

Естественные колебания температуры, происходящие в течение года на поверхности ограждающих конструкций, не в состоянии нарушить эту связь и выделить химически связанную влагу; из фи­ зических методов воздействий она частично может быть удалена

только прокаливанием.

2. Влага физико-химической связи, адсорбированная на внут­ ренней поверхности пор и капилляров сформировавшейся структур­ ной решетки материала.

Адсорбированная влага может быть подразделена на влагу пер­ вичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энерге­ тическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, постепенно пере­ ходящую в пленку объемной воды, удерживаемой капиллярными силами. Адсорбированная влага мономолекулярных и частично по­ лимолекулярных слоев не может быть удалена путем естественной сушки материала ограждающих конструкций, поскольку для ее от­ рыва от гидрофильных поверхностей необходима высокая темпера­ тура и малая относительная влажность окружающей воздушной среды, которые не могут быть достигнуты в условиях внешнего кли­ мата и микроклимата помещений с отсутствием больших выделе­ ний тепла.

При естественных колебаниях температуры и влагосодержання наружных ограждающих конструкций, выполненных из гидрофиль­ ных материалов, часть влаги физико-химической связи может пе­ реходить в химически связанную влагу, результатом чего является повышение прочности бетонов и других гидрофильных неорганиче­ ских материалов в первые годы эксплуатации зданий.

Для древесины и других органических материалов растительно­ го происхождения характерно, кроме адсорбированной, присутствие в растительных клетках осмотически связанной влаги, постепенно удаляемой в процессе естественной сушки строительных конструк­ ций в воздушной среде с изменяющейся температурой и низкой от­ носительной влажностью. Следствием этого является усушка и из­ менение геометрических размеров изделий и деталей, отмечаемые, например, в первые годы эксплуатации зданий для элементов дере­ вянных конструкций, даже в том случае, если они выполнены из древесины, считающейся, в соответствии со строительными прави­ лами, воздушно-сухой (18—20% повесу).

3. Влага физико-механической связи, удерживаемая в порах и капиллярах силами капиллярного, давления и смачивания гидро­ фильных материалов.

Эта влага перемещается внутри материала при возникновении давлений, превышающих капиллярное и легко испаряется из по­ верхностных слоев изделия пли конструкции, в процессе естествен­ ной сушки.

Относительно большей связью с материалом характеризуется влага, заполняющая микрокапилляры г< 1 0 ~ 5 см и удерживаемая повышенными силами капиллярного давления.

Влага, содержащаяся в макрокапиллярах (за исключением мик­ рослоя у стенок, связанного адсорбционно) приближается по своим физическим свойствам к свободной воде, отличается весьма слабой связью с материалом и наиболее легко испаряется из поверхност­ ных слоев изделия.

При извлечении из водной среды крупнопористого изделия, или образца материала часть воды, заполняющей крупные поры и яв­ ляющейся наиболее свободной, вытекает под влиянием силы тяже­ сти; количество вытекающей воды возрастает с увеличением гидро­ фобное™ материала и числа сообщающихся крупных пор в нем.

Рассмотренные виды влаги обладают различной энергией связи с поверхностью пор и капилляров материала. Наибольшей величи­ ной энергии связи отличается влага химически связываемая, наи­ меньшей— влага, связь которой с поверхностью материала зависит главным образом от физико-механических параметров.

Работами академика П. А. Ребиндера показано, что средняя величина энергии Е связи влаги, не содержащей растворенных хи­ мических веществ:

где R —'универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная темпе­

226

равновесного водяного пара над материалом, рассматриваемой сте­ пени увлажнения (ю); ср — относительная влажность воздуха в до­ лях единицы.

Перемещение влаги внутри капиллярно-пористого материала становится возможным только в том случае, если энергетический. уровень внешних воздействий (иначе говоря, потенциал переноса

Энергия связи влаги с поверхностью пор и капилляров материа­ ла равна по своей абсолютной величине, но противоположна по знаку потенциалу переноса влаги внутри капиллярно-пористых ма­ териалов с влагосодержанием в пределах гигроскопического, нахо­ дящихся в изотермических условиях.

Для удаления описанных выше видов влаги из капиллярно-по­ ристых материалов необходима различная энергия процесса обез­ воживания.

§4. СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Вкапиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бето­ не, природном камне), находящихся в естественной воздушной сре­ де, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец мате­ риала до постоянного веса.

Постоянный вес абсолютно-сухого материала Рс окажется мень­ шим, чем у воздушно-сухого Ръ. Разность этих весов равна весу влаги, содержащейся в образце материала; отношение такой раз­ ности к весу сухого образца (или, что то же самое, массы влаги к

массе сухого образца) представляет у д е л ь н о е в л а г о с о д е р ­ ж а н и е (о м а т е р и а л а

В строительной теплофизике влагосодержание часто выражает­

При длительном пребывании образца материала или строитель­ ного изделия в воздухе с постоянными температурой и относитель­ ной влажностью, количество влаги, содержащееся в материале, становится неизменным ( р а в н о в е с ным) . Это равновесное вла­

В соответствии с законом Лапласа, образование таких менисков приводит к понижению над ними насыщающей величины парциаль­ ного давления водяного пара р е на величину, пропорциональную капиллярному давлению. Это вызывает конденсацию влаги в неза­ полненных частях тонких капилляров, происходящую при относи­ тельной влажности окружающей воздушной среды, не достигающей

ся правым участком К изотерм сорбции, вогнутость которого сви­ детельствует о более быстром росте количества влаги, поглощаемой материалом из окружающего воздуха, по сравнению с увеличением влажности самого воздуха.

Относительная влажность воздуха уз, %

Рис. V I.6. Изотермы сорбции влаги для характер­ ных групп строительных материалов:

/ — материалы со смачиваемой поверхностью пор и ка­ пилляров и присутствием осмотически связанной влаги; // — с промежуточными свойствами; I — количество вла­ ги, характеризующее влагоемкость материала при его

Максимальное сорбционное влагосодержание ©юо материалов с 5-образными изотермами может быть различным, в соответствии с их природой и особенностями пористой структуры. Наибольшее сорбционное влагосодержание характерно для древесины, фиброли­ та, изделий из торфа и других органических материалов раститель­ ного происхождения, для которых характерно присутствие осмоти­ чески связанной влаги, ©юо-^ЗО-уЗБ0/,)1. У ячеистых бетонов ©юо->- -Д0-ѵ15%; для неорганических материалов, в которых отсутству­ ют гигроскопические примеси, это наиболее высокие величины сорб­ ционного влагосодержания. Конкретные их значения зависят от структуры и состава ячеистого бетона.

Для легких бетонов (шлакобетон, керамзитобетон и т. д.) максимальное сорбционное влагосодержание изменяется в зависи­ мости от свойств заполнителей и вяжущего, но обычно не превы­ шает 5—6%. Из искусственных пористых камневидных материалов наименее выраженными сорбционными свойствами обладают хоро­ шо обожженные кирпич и керамика, оэюо-^0,7%.

229