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

Процесс капиллярной конденсации характерен для смачиваемых (гидрофильных) материалов, внутри которых имеется существен­ ное количество мелких пор и очень тонких капилляров с радиусом, равным или меньшим 10~ 5 см. В более крупных капиллярах пони­ жение давления насыщенного пара над мениском ничтожно, а пото­ му при преобладании внутри материала таких капилляров явления капиллярной конденсации менее выражены и возникновение их сме­ щено на изотерме сорбции в направлении верхнего предела сорб­ ционного увлажнения. Чем тоньше капилляры материала и чем большей смачиваемостью обладает их поверхность, тем меньше мо­ жет быть относительная влажность воздуха, при которой возникает капиллярная конденсация.

Так, например, можно приближенно считать, что для плотного мелкопористого гипса, не подвергнутого обработке несмачивающи­ ми добавками, капиллярная конденсация начинается при 70—75% относительной влажности; для плотного шлакобетона, не содержа­ щего значительной примеси золы или несгоревшего угля, — при 80%, а для хорошо обожженного кирпича — при 80—85%.

Французские исследователи считают, что в обычных бетонах имеется около 30% пор диаметром 50 ммк и при влажности, превы­ шающей 70%, эти поры заполняются водой. Капиллярная конден­ сация в кирпиче хорошего качества считается малозаметной, по­ скольку в таком материале тонких пор содержится не более 1 0 %. Периодические и много раз повторяющиеся явления капиллярной конденсации связаны с постепенным разрушением поверхности тон­ ких пор и капилляров; исследования структуры строительных ма­ териалов, прослуживших долгие десятки лет, в наружных стенах зданий показывают, что их пористость возрастает, а размеры пор укрупняются за счет разрушения наиболее тонких и мелких [80].

Для материалов, плохо смачиваемых влагой (гидрофобных), S-образная форма изотерм сорбции не характерна, так как силы притяжения между поверхностью материала и молекулами водя­ ного пара Ес приближаются по своему энергетическому уровню к силам притяжения между самими молекулами Еу.

По этой причине материалы с гидрофобной поверхностью ха­ рактеризуются прямолинейными или даже вогнутыми участками изотерм Г в области малой относительной влажности воздуха (изо­ терма III на рис. VI.6 ). В завершающей части процесса увлажне­ ния, при повышенной влажности воздуха, характер таких изотерм может быть различным в зависимости от степени смачивания ма­ териала влагой, а также от размеров, формы и распределения пор

икапилляров внутри материала.

Вкрупнопористых материалах с однородной гидрофобной по­ верхностью пор процесс капиллярной конденсации практически отсутствует, в связи с чем правый участок К изотермы III может не иметь вогнутого характера.

Таковы, например, изотермы сорбции пористого битума и неко­ торых видов пористых гидрофобных утеплителей. Для минерало­ ватных изделий и других распространенных трудно смачиваемых

230

материалов подобная форма изотерм сорбции нехарактерна, но она свидетельствует о том, что при применении для наружных ограж­ дающих конструкций гидрофобных материалов с крупными замкну­ тыми порами может быть достигнуто существенное ограничение или полное устранение капиллярной конденсации, влияющей на изме­ нения влажностного состояния и сокращение сроков службы кон­ струкций из пористых материалов.

Для материалов с промежуточными свойствами смачиваемости характерны изотермы сорбции II на рис. ѴІ.б (например, для ячеи­ стых материалов с ограниченно смачиваемой поверхностью пор).

При рассмотрении увлажнения конструкций важное значение имеет отношение разности предельного и начального значений сорб­ ционной влажности материала к>шо— шНач к разности соответствую­ щих значений относительной влажности воздуха ф ю о — ф Н а ч , назы­ ваемое относительной влагоемкостыо в пределах сорбционного увлажнения (относительной пароемкостью).

Так, например, относительная влагоемкость материала при его увлажнении от 60% до 100% по изотерме сорбции (рис. ѴІ.б) будет:

При таком увлажнении смачиваемого материала до верхнего предела сорбционной влажности значительное количество влаги яв­ ляется жидкой, поскольку внутри большинства материалов при влажности более 80% происходит капиллярная конденсация. '

Если в проектируемой конструкции желательно исключить этот процесс, влияющий на сокращение сроков службы конструкции, следует при расчетах влажностного состояния, описанных ниже, учитывать допустимое накопление влаги только в пределах до 80%, характеризуемое «относительной пароемкостью», т. е.:

Свойство пароемкости важно для оценки влажностного состоя­ ния ограждений, не подвергающихся непосредственному увлажне­ нию жидкой влагой.

Величина пароемкости зависит от сорбционных свойств мате­ риала.

Кроме того, относительная пароемкость сильно изменяется для различных стадий увлажнения, протекающих в пределах гигроско­ пической влажности; эти изменения коренным образом связаны с физическими закономерностями увлажнения капиллярно-пористых тел и зависят от рассматриваемых значений влагосодержания ма­ териала и соответствующих им величин относительных парциаль­ ных давлений. Относительная пароемкость, являющаяся первой производной от влагосодержания по относительному парциальному

du>

давлению — , может быть представлена как касательная к изо-

d<?

231

терме сорбции в точке, соответствующей данному значению со (рис. VI.7а). Такая касательная отсекает на вертикали, проходящей через точку ф= 1 0 0 %, влагосодержание сов и пересекает ось абсцисс

в точке фоВеличина | 0, соответствующая рассматриваемому влагосодер-

жанию, может быть вычислена по формуле:

100 — То

а}

одно из существенных отличий процессов переноса влаги от процес­ сов переноса тепла; в последних теплоемкость является неизмен­ ной константой материала, а теплосодержание — линейной функци­ ей потенциала (температуры).

Исследования показывают, что сорбционная влажность мате­ риала при увлажнении меньше, а при высыхании больше. На рис. VI.8 кривая 1 представляет влажностное состояние мате­

232

риала при увлажнении (сорбция), а кривая 2 — при высыхании (десорбция). При высыхании некоторая часть влаги удерживается внутри материала и удаляется лишь при более высокой температу­ ре и низкой влажности окружающего воздуха.

Из предыдущего изложения видно, что форма и количественная характери­ стика изотермы сорбции, а также отображаемые ею значения равновесной влаж­ ности материала зависят от физико-химических свойств последнего, его смачи­ ваемости и структуры.

В зависимости от этих факторов изменяется энергетический уровень межмо­ лекулярных сил, связывающих влагу с поверхностью материала. Различный энергетический уровень Е сорбционных сил в первом и последующих слоях молекул влаги, притягиваемых к поверхности материала, может быть определен

взависимости от различной плотности этих слоев.

Всмачиваемых материалах первый слой обладает предельно высокой энер­ гией связи и наиболее плотен, энергия и плотность последующих слоев умень­ шается, постепенно приближаясь к энергии и плотности свободной влаги в соот­ ветствующей фазе (парообразной или жидкой).

Можно полагать [70], что

где Ес — средняя энергия связи молекул в поле сорбционных сил; Е <р— средняя энергия связи молекул в равновесном водяном паре; а — коэффициент сорбцион­ ной активности, показывающий, во сколько раз увеличится энергия связи при пе­ реходе молекулы воды из равновесного пара в адсорбированное состояние.

Считая, что в равновесной системе молекул с различной плотностью укладки последние в зависимости от плотности имеют внутреннюю энергию связи, равную, но обратную по знаку внешней потенциальной энергии, можно на основе уравне­ ния Больцмана записать;

где со, о)юо — текущее и максимальное сорбционные влагосодержания капиллярно­ пористого материала; ß — универсальная газовая постоянная; Т — температура, °К.

Выражение (V I.И ) является уравнением изотермы сорбции, связывающим влагосодержание капиллярно-пористого материала с энергией связи молекул адсорбированной влаги.

Подставляя (VI. 10) в (VI.11), получим уравнение сорбции, устанавливающее зависимость между влагосодержанием и энергией связи молекул в равновесном водяном паре

характеристикой сорбционной активности или емкостью поля сорбционных сил; эта величина характеризует и поверхностную энергию материала и- межмолеку­ лярное взаимодействие сорбируемых частиц влаги. Для конкретных капиллярно­ пористых материалов величина Ь определяет их сорбционную активность и вели­

233

чину удельного влагосодержания. Если физико-химические и структурные свой­ ства материала не нарушаются происходящими колебаниями влагосодержания и связанными с ними процессами структурообразования, закономерности изме­ нений энергетического уровня адсорбированной влаги остаются постоянными и при многократных циклах сорбционного увлажнения, чередующихся с высыха­

обожженного кирпича для пяти различных температур, отвечающие единой ли­ нейной зависимости lg b от ф.

Рис. VI.9. Зависимость сорбционной активности (емкости поля сорбционных сил Ь) глиняного обожженного кирпича (у=1600 кг/м3)-от относи­ тельной влажности ф„

Условные обозначения:

• — значения Ь при 213° К (+40° С)

Имея в виду такую линейную зависимость, можно написать уравнение, свя­

зывающее величину Ь с относительным давлением пара воды в материале ф в виде:

234

равенство (VI.13) может быть записано в виде:

Ь

температуры равновесное влагосодержание материала понижается, что объяс­ няется уменьшением взаимодействия молекул влаги с поверхностью материала (в результате уменьшения сил Ван-дер-Ваальса).

Для максимального сорбционного влагосодержания эта зависимость может

где а>о — максимальное сорбционное влагосодержание при 7=273 °К; сст — тем­ пературный коэффициент, имеющий постоянную величину для рассматриваемого материала (при неизменности его структурных свойств).

Подставив (V I.16) в (V I.15), получим уравнение гигротермического влаж­ ностного состояния капиллярно-пористых материалов

В этом уравнении энергия связи молекул в равновесном водяном паре — Е может быть заменена потенциалом переноса влаги Ѳ, поскольку в изотермических

условиях Ѳ = Ео і Тогда

В таком виде уравнение гигротермического влажностного состояния может быть использовано в практических целях, в частности, для обобщения эксперименталь­ ных данных о сорбции материалов.

Достаточно, например, иметь экспериментальные данные о сорбции конкрет­ ного материала при 0 °С, для того чтобы получить его вероятные сорбционные ха­ рактеристики при любых значениях температуры.

Такие сорбционные характеристики в виде весовой влажности материалов, выраженной в процентах, приведены в таблице приложения для температур —20, 0, +20’ С.

§5, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВЛАГИ

ВКАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ

Вобщем виде возникновение и особенности перемещений влаги

вкапиллярах зависят от связи частиц влаги друг с другом и с твер-

235

дой поверхностью, особенностей структуры материала и характера внешних воздействий окружающей среды.

При высоком влагосодержании капиллярно-пористого материа­ ла, превышающем то влажностное состояние, при котором в тонких капиллярах образуется свободная вода (т. е. происходит капилляр­ ная конденсация), перемещения влаги, не обладающей прочной связью с материалом, происходят преимущественно в жидкой фазе. Такие перемещения свободной или связанной только капиллярны­ ми силами воды отличаются наибольшим количественным эффек­ том; они характерны или для первого периода естественной сушки вновь выполненных конструкций, высокое влагосодержание кото­ рых объясняется присутствием технологической влаги, или для про­ цессов увлажнения, вызванных контактом конструкции с каким-ли­ бо видом внешней свободной воды (грунтовой, атмосферной, кон­ денсирующейся на поверхности конструкции и т. д.).

Основной причиной перемещений влаги в жидкой фазе являет­ ся капиллярное впитывание воды сухим материалом или ее капил­ лярное перемещение от более увлажненных участков материала к зоне с меньшим влагосодержанием, с поверхности которой происхо­ дит испарение влаги в воздушную среду. При этом количественный эффект G перемещений влаги зависит при увлажнении конструкции от потенциальной энергии сухого материала, могущей обеспечить впитывание влаги*, а при высыхании — от интенсивности испаре­ ния с поверхности конструкции.

Для установившихся условий перемещений влаги можно при­

Для конструкций, находящихся в изотермических условиях, из­ менение влагосодержания во времени может быть выражено урав­ нением влагопроводности (1—9), записанным в виде [3]:

где со —влагосодержание материала, %; т — время, ч\ 1 0 — коли­ чество влаги, необходимое для повышения влагосодержания 1 кг материала на 1 %, г/кг-%; у — объемный вес материала, кг/л3; х — координата одномерных перемещений влаги, м.

Величина коэффициента влагопроводности зависит от связи вла­ ги с материалом, его структуры, влагосодержания и температуры.

При экспериментальном определении величин коэффициентов влагопроводности используют зависимость

* Некоторые авторы называют эту потенциальную энергию капиллярным потенциалом [67].

236

Экспериментальных исследований по определению коэффициен­ тов влагопроводности было произведено ограниченное количество; кроме того, методика их определения не была достаточно совер­ шенной (например, коэффициенты влагопроводности исследовались на вертикальных, увлажняемых снизу образцах материала, переме­ щения влаги в которых искажались влиянием силы тяжести).

В таблице приложения даны значения коэффициентов влагопро­ водности для некоторых строительных материалов, установленные при температуре 15°, в зависимости от влагосодержания.

Иногда считают, что увеличение значений коэффициентов вла­ гопроводности с повышением температуры происходит обратно про­ порционально изменению вязкости воды, т. е.

где ßo — коэффициент влагопроводности при 0 °; о — поверхностное натяжение, кг]м\ ц — вязкость, кг-сек/м2.

Следуя этой зависимости, можно было бы считать, что при 30° коэффициент влагопроводности возрастает примерно в 1,4 раза по сравнению с его величиной при 15°. Однако такая зависимость не учитывает более интенсивного роста испарения влаги при повыше­ нии температуры, которое может влиять на интенсивность переме­ щений влаги в зоне материала, смежной с испаряющей поверхно­ стью, и поэтому может быть справедливой только при процессах впитывания влаги или для участков конструкции, значительно уда­ ленных от испаряющей поверхности.

Для ограждающих конструкций, находящихся в весьма длитель­ ном контакте с воздушной средой и не увлажняемых жидкой влагой (атмосферной, грунтовой, конденсационной и т. д.), характерно ма­ лое влагосодержание. При этом влагосодержание поверхностных слоев, непосредственно соприкасающихся с воздушной средой, всег­ да находится в пределах сорбционного, при котором преобладаю­ щая часть влаги прочно связана с поверхностью пор и капилляров, почему ей свойственно состояние, близкое к термодинамическому равновесию с воздействиями окружающей среды.

В глубинных слоях конструкции (удаленных от поверхности ис­ парения) влагосодержание материала часто несколько выше сорб­ ционного, но перемещения жидкой влаги'в них ограничивается со­

увлажнение конструкции, разделяющей две воздушных среды с раз­ личной температурой и парциальным давлением водяного пара, является процесс диффузии парообразной влаги сквозь коиструк-

237

дню, направленный из более теплой и обладающей большим влагосодержапием среды — в более холодную *.

Диффузионный процесс увлажнения наружной конструкции, разделяющей воздушные среды с различными температурами, за­ висит от проницания молекул водяного пара внутрь материала, протекающего в плотных и сухих материалах достаточно медленно.

Если материал, входящий в состав ограждающей конструкции, защищен от диффузии водяного пара со стороны более теплой воз­ душной среды мало проницаемыми отделочными слоями или обли­ цовками, процесс увлажнения еще более замедляется.

Процесс диффузии может происходить только при наличии до­ статочной величины разности парциальных давлений водяного пара в воздушной среде (помещения) и порах материала конструктив­ ных слоев, граничащих с этой средой**. Если внешние конструк­ тивные слон ограждающей конструкции достаточно сухи, плотны и непроницаемы, требуется существенная величина разности парци­ альных давлений, для того чтобы диффузия водяного пара могла бы возникнуть, а ее результаты стали бы практически заметными.

Значительное влияние на замедление процессов увлажнения оказывает ощутимое сопротивление диффузии на поверхности су­ хой конструкции и существенное уменьшенйе коэффициентов пере­ носа водяного пара (коэффициентов паропроницаемости) внутри сухих материалов; в связи с этим возрастает сопротивление диффу­ зии, оказываемое более сухой внутренней частью конструкции.

Диффузионный поток водяного пара, проходящий через поверх­ ность внутрь конструкции, и коэффициент влагообмена на поверх­

влагообмена на поверхности, г/м2-ч-мм рт. ст. (величина, обратная сопротивлению диффузии); ев— ев.п — соответственно парциальные

* В строительной теплофизике обычно принимается, что пленочная влага, перемещающаяся под влиянием разности парциальных давлений в пористом, близком к пределу сорбционного увлажнения материале, учитывается величиной коэффициента паропроннцаемости рассматриваемого материала.

**' При постоянном общем давлении паровоздушной смеси, эту разность пар­ циальных давлений водяного пара можно считать потенциалом диффузии в ограждающих конструкциях зданий, аналогично тому, как в процессах пере­ дачи тепла потенциалом переноса является разность температур. Такой потен­ циал диффузии является приближенным, но применение его практически допу­ стимо при ограниченных перепадах температур и малых влагосодержаниях

материала, характерных для процессов переноса водяного пара в ограждениях зданий.

238

только от условии движения воздуха у поверхности, но и от влаж­ ностного состояния материалами может быть, в соответствии с тер­ модинамическими условиями на поверхности, определена из выра­ жения:

еa j3 .

равновесному давлению при рассматриваемой влажности материа­

ла; а я = ———%3,72ак= 18,60 міч— коэффициент теплообмена на

0,92 с~і

поверхности, пропорциональный отношению коэффициента тепловосприятия за счет конвекции и кондукции ак^5,0 (ккал/м2-чХ Хград), к теплоемкости смеси воздуха с паром (с, ккал/кг-град) гь объемному весу этой смеси (у, кг/м3).

Вычисленные из выражения (VI.21) для i“B.n=180 величины со­ противления влагообмену на поверхности конструкции с различной

Как видно из приведенных в таблице результатов, величины со­ противлений влагообмену могут изменяться, примерно, в десять раз для влажностного состояния поверхности конструкций от 25 до

* В той зарубежной литературе, которая не учитывает работ П . А. Ребинде­

ра, часто принимают, что Rti.n~-RT — — , опуская величину In Я/е, в связи с чем

(2 р

величина сопротивления влагообмену не зависит от влажностного состояния материала, что является ошибочным (см., например, Cammerer, Gesund­ heitsingenieur № 7/8, 1952).

239