книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов.

Рис. 15. Характерные зависимости а типичных капиллярно-пористых материалов от я|г. 1 — а0>1 (цементный камень); 2 — а0= \ (цементно-песчаный раствор); 3 — ао<1 (глиняный кирпич).

Рис. 16. Характерные изотермы u/uMr= F(ф) типичных капиллярно-пористых ма­ териалов: 1 — ао>1 (цементный камень); 2 — aQ—\ (цементно-песчаный раст­ вор); 3 — а0<1 (глиняный кирпич).

лярно-пористых материалов тем выше, чем ниже значения при которых завершается заполнение влагой монослоя в поле сил оводнения.

Капиллярно-пористые коллоидные материалы (как и типичные капиллярно-пористые) могут иметь область Генри, в пределах ко­ торой активность оводнения а = 1 (рис. 17). При значенияхф=фо для этих материалов также справедливо уравнение изотермы (3.26). При ф>фо изотерма капиллярно-пористых коллоидных ма­ териалов, как установлено, также описывается уравнением (2.26).. Некоторые из рассматриваемых материалов области Генри не имеют; их изотермы во всем интервале изменения (рис. 18) опи­ сываются тем же уравнением (2.26).

Рис. 17. Характерные зависимости а от ф капиллярно-пористых коллоидных ма­ териалов: 1 — фильтровальная бумага; 2 — древесина и торф.

Рис. 18. Характерные изотермы и/ымг^/Чф) капиллярно-пористых коллоидных: материалов: 1 — фильтровальная бумага; 2 — древесина и торф.

3.2. Гидротермическая область

3.2.1. Равновесие капиллярно -пористого тела с водяны м пар о м

Гидротермической называют область, в которой P w ^ 0;

0 ^ 0 ; и ^ и ш. Переход из гигротермического состояния в гидротер­ мическое происходит без фазовых изменений влаги, содержащейся

вкапиллярно-пористом теле. Как следует из рис. 20, он соверша­ ется при различном влагосодержании и зависит от температуры. Материал при постоянном влагосодержании при 313 К находится

вгидротермическом, а при 273 К — в гигротермическом состоянии. Поэтому сам переход из первого состояния во второе в некоторой

ном внешнем барометрическом давлении и Pw= 0; в гидротер­ мической области такое равновесие возможно только при внеш­ нем избыточном давлении Pw> 0 . Если Pw = 0 , то в изотерми­ ческих условиях материал, постепенно теряя влагу, переходит в гигротермическое состояние. В процессе установления гигротер­ мического равновесия при нормальном фиксированном баромет­ рическом давлении и Pw= 0 влагой заполняются только микро­

с жидкостью [114] или же (как будет показано ниже) при кон­ такте с водяным паром, если P w > 0.

U,

Рис. 20. Изотермы равновесного состояния1

при 293 К; 9 — то же при 313 К.

ЗАВИСИМОСТЬ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

материалов приведены в табл. 5. На основе этих данных из урав­ нения (2.37) вычисляли значения активности оводнения а иссле­ дованных материалов и строили зависимости lg а от г|э. Как свиде­ тельствует рис. 22, все материалы, за исключением силикатного кирпича, являются типичными капиллярно-пористыми телами. По* значениям а для силикатного кирпича из уравнения (3.24) вычис­ ляли d. Полученная линейная зависимость \gd от г|э (рис. 23) свидетельствует о том, что силикатный кирпич является капил­ лярно-пористым коллоидным телом.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 у

Рис. 22. Зависимость а от ф некоторых капиллярно-пористых материалов: 1 — цементный камень (В/Ц = 0,25); 2 — то же (В/Ц = 0,35); 3 — цементный раст­ вор (Ц:П = 1:1); 4 — то же (Ц:П = 1:3); 5 — силикатный кирпич.

Рис. 23. Зависимость d от ф для силикатного кирпича.

ЗАВИСИМОСТЬ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ (и-102, кг/кг) НЕКОТОРЫХ КАПИЛЛЯРНО­ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ОБЩЕГО ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА (7’=299 К)

Цементный камень из шлакопортландцемента,

в/ц

В табл. 6 приведены значения равновесного влагосодержания при различных \р в гигротермической области (по данным тензиметрических исследований), в табл. 7 и 8 — характеристики рав­ новесного состояния исследуемых материалов. Как видно из срав­ нения значений установившегося равновесного влагосодержания ип (при ^ > 1 ) и приведенных в табл. 6 значений иш (г|)=1) для тех же материалов, по данным тензиметрических исследований, ^Mr<Ww = const, т. е. увлажнение исследуемых материалов в со- суде-гильзе приводит в такому влагосодержанию, которое при

внешнем фиксированном барометрическом давлении на плоскую поверхность жидкости и Pw = 0 может быть достигнуто только при соприкосновении капиллярно-пористого тела с жидкостью.

На графиках зависимости 1g а= Т 7(яр) при переходе из гигро термической области в гидротермическую переломы отсутствуют (рис. 22). Плавный переход свидетельствует о том, что зависи­

ливы и для гидротермической области.

Таким образом, установление влажностного гидротермического равновесия капиллярно-пористых материалов с водяным паром воз­ можно при внешнем давлении на плоскую поверхность воды, пре­ вышающем барометрическое. При этом равновесное гидротермиче­ ское состояние подчиняется тем же закономерностям, что и гигротермическое. Оно может быть описано уравнениями, полученными в разделе 3.1. Характеристики влажностного состояния типичных капиллярно-пористых (а0, k ) и капиллярно-пористых коллоидных материалов (амг, d0, та) не зависят от влагосодержания во всем интервале возможного увлажнения (от абсолютно сухого состоя­ ния до максимального намокания).

При ф > 1 потенциал оводнения 0 становится положительным. На рис. 24 приведена зависимость и/имг для различных материа­ лов от 0 при 298 К, на рис. 25 — изотерма зависимости и от ф для цементного камня во всем интервале увлажнения. Как видно из этих рисунков, изотермы равновесного состояния в гидротерми­ ческой области являются продолжением изотерм гигротермической области. При «м„, соответствующем максимальному насы­ щению капиллярно-пористого тела влагой, точка изотермы 1 ле­

0,20

0,16

исследованным нами, асимптотически приближается к значению я|э= 1,12. Отсюда можно предположить, что при внешнем давле­ нии Pw на плоскую поверхность воды, при котором ф->-1,12, на­ ступает максимальное насыщение капиллярно-пористых тел в про­ цессе установления равновесного гидротермического состояния.

3.2.2. Равновесие капиллярно-пористы х тел в закры той системе

Если два увлажненных капиллярно-пористых тела привести в контактное соприкосновение и заключить в термодинамически закрытую систему, не обменивающуюся массой с окружающей средой, то через определенный момент времени массоперенос между этими телами завершится, т. е. установится их термодина­ мическое равновесие [30, 31]. Следовательно, тела будут иметь одни и те же значения ф и 0.

Чтобы определить, какие значения ф и 0 соответствуют различ­ ным капиллярно-пористым телам в условиях их равновесного со­ стояния в закрытой системе, был поставлен специальный опыт с контактным увлажнением [264, 279]*

Пластинки исследуемых материалов (10X10X5 мм) собирали в призмы. Между пластинками устанавливали пакеты фильтровальной бумаги (ЮХЮХ

*Идея и методика проведения эксперимента подсказаны опытами В. Н. Бого­ словского с разрезной колонкой [30, 31].

Хб мм), б определялась толщиной эталонного пакета и толщиной обложки, изготовленной из той же фильтровальной бумаги и предназначенной для предо­ хранения эталонного тела от возможного загрязнения в контакте с образцами материала, а также для получения различных значений влагосодержания в каж­ дой из призм посредством увлажнения до максимального насыщения в дистил­ лированной воде эталонных пакетиков и обложек в различных комбинациях. При этом большее количество обложек позволяет осуществить большее число комбинаций и тем самым создает различные степени увлажнения исследуемых материалов.

Собранные таким образом призмы упаковывали во влагоизолирующую пленку. Содержимое призмы должно плотно прилегать к влагоизолирующему материалу. Для этой цели призму во влагонепроницаемой упаковке (в нашем случае полиэтиленовая пленка) туго забинтовывали изоляционной лентой (рис. 26). В двух пакетиках фильтровальной бумаги при сборке призмы уста­

зволявшие следить за изменением электросопротивления фильтровальной бумаги. Призмы помещали в термостаты и выдерживали при 298 К до прекращения из­ менения электросопротивления фильтровальной бумаги. Сопротивление изме­ ряли мостами переменного тока. Постоянство электросопротивления свиде­ тельствовало о неизменном влагосодержании фильтровальной бумаги, т. е. о том, что массоперенос между бумагой и исследуемыми материалами заверша­ ется и в призме наступает влажностное равновесие.

из шести исследуемых материалов. После установления влажностного равно­ весия призмы раскрывали и определяли влагосодержание материалов и пакетов фильтровальной бумаги. Одинаковые значения влагосодержания фильтровальной бумаги в разных пакетах одной призмы являлись дополнительным свидетельст­ вом того, что в призмах наступило влажностное равновесие контактирующих материалов. В табл. 9 приведены результаты определения влагосодержания исследуемых материалов и фильтровальной бумаги в призмах после установ­ ления в них равновесия.