В капиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бетоне, природном камне), находящихся в естественной воздушной среде, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец материала до постоянного веса.
Постоянный вес абсолютно-сухого материала Рс окажется меньшим, чем у воздушно-сухого Рв. Разность этих весов равна- весу влаги, содержащейся в образце материала; отношение такой разности к весу сухого образца (или, что то же самое, массы влаги к массе сухого образца) представляет удельное влагосодержание ? материала
где Мв и Мс — соответственно масса влаги и масса сухого материала.
В строительной теплофизике влагосодержание часто выражается в процентах; в этом случае оно называется весовой влажностью (относительным влагосодержанием) и определяется из выражения:
При длительном пребывании образца материала или строительного изделия в воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью, количество влаги, содержащееся в материале, становится неизменным (равновесным). Это равновесное влагосодержание соответствует гигротермическому состоянию внешней воздушно-влажной среды и в зависимости от свойств материала (химического состава, пористости и т. д.) может быть большим или меньшим.
Если температура или влажность окружающего воздуха изменились, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащееся в материале. При этом можно полагать, что приближенная продолжительность времени, необходимого для установления равновесного гигротермического состояния материала, прямо пропорциональна интенсивности диффузионных перемещений влаги и обратно пропорциональна квадрату максимального расстояния этих перемещений внутри материала (т. е. квадрату характерного размера образца)1.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в воздушную среду с постоянной относительной влажностью, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания — избыточновлажного материала в воздушной среде — десорбцией.
Закономерность изменений равновесного влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но последовательно возрастающей относительной влажностью, выражается изотермой сорбции.
Последовательные значения равновесной влажности материала, возрастающие при увеличении относительной влажности среды и располагающиеся на кривой изотермы сорбции, а также форма этой кривой зависят от природы и структуры материала.
Выпуклая часть изотерм Г указывает на присутствие внутри материала только адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя простых или сложных молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров адсорбционными силами (мономолекулярная адсорбция).
Средняя часть изотерм П, близкая к прямой линии, соответствует образованию на внутренней поверхости капиллярно-пористого материала пленок адсорбированной влаги, состоящих из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция).
При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких капилляров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.
В соответствии с законом Лапласа, образование таких менисков приводит к понижению над ними насыщающей величины парциального давления водяного пара ре на величину, пропорциональную капиллярному давлению. Это вызывает конденсацию влаги в незаполненных частях тонких капилляров, происходящую при относительной влажности окружающей воздушной среды, не достигающей полного насыщения. Такое явление называется капиллярной конденсацией. Процесс капиллярной конденсации выражается правым участком К изотерм сорбции, вогнутость которого свидетельствует о более быстром росте количества влаги, поглощаемой материалом из окружающего воздуха, по сравнению с увеличением влажности самого воздуха.
Максимальное сорбционное влагосодержание ?100 материалов с 5-образными изотермами может быть различным, в соответствии с их природой и особенностями пористой структуры. Наибольшее сорбционное влагосодержание характерно для древесины, фибролита, изделий из торфа и других органических материалов растительного происхождения, для которых характерно присутствие осмотически связанной влаги, ?100?30?35%. У ячеистых бетонов ?100?10?15%; для неорганических материалов, в которых отсутствуют гигроскопические примеси, это наиболее высокие величины сорбционного влагосодержания. Конкретные их значения зависят от структуры и состава ячеистого бетона.
Для легких бетонов (шлакобетон, керамзитобетон и т. д.) максимальное сорбционное влагосодержание изменяется в зависимости от свойств заполнителей и вяжущего, но обычно не превышает 5—6%. Из искусственных пористых камневидных материалов наименее выраженными сорбционными свойствами обладают хорошо обожженные кирпич и керамика, ?100?0,7%.
Процесс капиллярной конденсации характерен для смачиваемых (гидрофильных) материалов, внутри которых имеется существенное количество мелких пор и очень тонких капилляров с радиусом, равным или меньшим 10—5 см. В более крупных капиллярах понижение давления насыщенного пара над мениском ничтожно, а потому при преобладании внутри материала таких капилляров явления капиллярной конденсации менее выражены и возникновение их смещено на изотерме сорбции в направлении верхнего предела сорбционного увлажнения. Чем тоньше капилляры материала и чем большей смачиваемостью обладает их поверхность, тем меньше может быть относительная влажность воздуха, при которой возникает капиллярная конденсация.
Так, например, можно приближенно считать, что для плотного мелкопористого гипса, не подвергнутого обработке несмачивающими добавками, капиллярная конденсация начинается при 70—75% относительной влажности; для плотного шлакобетона, не содержащего 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, превышающей 70%, эти поры заполняются водой. Капиллярная конденсация в кирпиче хорошего качества считается малозаметной, поскольку в таком материале тонких пор содержится не более 10%. Периодические и много раз повторяющиеся явления капиллярной конденсации связаны с постепенным разрушением поверхности тонких пор и капилляров; исследования структуры строительных материалов, 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 водяного пара Ес приближаются по своему энергетическому уровню к силам притяжения между самими молекулами Е?.
По этой причине материалы с гидрофобной поверхностью характеризуются прямолинейными или даже вогнутыми участками изотерм Г в области малой относительной влажности воздуха (изотерма III на рис. VI.6). В завершающей части процесса увлажнения, при повышенной влажности воздуха, характер таких изотерм может быть различным в зависимости от степени смачивания материала влагой, а также от размеров, формы и распределения пор и капилляров внутри материала.
В крупнопористых материалах с однородной гидрофобной поверхностью 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 некоторых видов пористых гидрофобных утеплителей. Для минераловатных изделий и других распространенных трудно смачиваемых материалов подобная форма изотерм сорбции нехарактерна, но она свидетельствует о том, что при применении для наружных ограждающих конструкций гидрофобных материалов с крупными замкнутыми порами может быть достигнуто существенное ограничение или полное устранение капиллярной конденсации, влияющей на изменения влажностного состояния и сокращение сроков службы конструкций из пористых материалов.
Для материалов с промежуточными свойствами смачиваемости характерны изотермы сорбции II на рис. VI.6 (например,, для ячеистых материалов с ограниченно смачиваемой поверхностью пор).
При рассмотрении увлажнения конструкций важное значение имеет отношение разности предельного и начального значений сорбционной влажности материала ?100—?нач к разности соответствующих значений относительной влажности воздуха ?100—?нач, называемое относительной влагоемкостью в пределах сорбционного увлажнения (относительной пароемкостью).
Так, например, относительная влагоемкость материала при его увлажнении от 60% до 100% по изотерме сорбции (рис. VI.6) будет:
При таком увлажнении смачиваемого материала до верхнего предела сорбционной влажности значительное количество влаги является 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 состояния ограждений, не подвергающихся непосредственному увлажнению жидкой влагой.
Величина пароемкости зависит от сорбционных свойств материала.
Величина ?0, соответствующая рассматриваемому влагосодержанию, может быть вычислена по формуле:
По полученным для различных значений со величинам go строит ся график нелинейной зависимости ?0 от ? (рис. VI.7 б), которьп пользуются при более точных расчетах.
В нелинейности изменений влагоемкости и влагосодержания материала от относительных парциальных давлений заключается одно из существенных отличий процессов переноса влаги от процессов переноса тепла; в последних теплоемкость является неизменной константой материала, а теплосодержание — линейной функцией потенциала (температуры).
Из предыдущего изложения видно, что форма и количественная характеристика изотермы сорбции, а также отображаемые ею значения равновесной влажности материала зависят от физико-химических свойств последнего, его смачиваемости и структуры.
В зависимости от этих факторов изменяется энергетический уровень межмолекулярных 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 в зависимости от различной плотности этих слоев.
В смачиваемых материалах первый слой обладает предельно высокой энергией связи и наиболее плотен, энергия и плотность последующих слоев уменьшается, постепенно приближаясь к энергии и плотности свободной влаги в соответствующей фазе (парообразной или жидкой).
Можно полагать [70], что
где Ес — средняя энергия связи молекул в поле сорбционных сил; Е? — средняя энергия связи молекул в равновесном водяном паре; а — коэффициент сорбционной активности, показывающий, во сколько раз увеличится энергия связи при переходе 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 уравнения Больцмана записать:
где ?, ?100 — текущее и максимальное сорбционные влагосодержания капиллярнопористого материала; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура,°К.
Выражение (VI.11) 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
Величина a/RT=b по своей размерности (моль/кг·м) может быть названа характеристикой сорбционной активности или емкостью поля сорбционных сил; эта величина характеризует и поверхностную энергию материала и межмолекулярное взаимодействие сорбируемых частиц влаги. Для конкретных капиллярно-пористых материалов величина b определяет их сорбционную активность и величину удельного влагосодержания. Если физико-химические и структурные свойства материала не нарушаются происходящими колебаниями влагосодержания и связанными с ними процессами структурообразования, закономерности изменений энергетического уровня адсорбированной влаги остаются постоянными и при многократных циклах сорбционного увлажнения, чередующихся с высыханием материала (десорбцией).
Зависимость lg Ь от ? не изменяется от температуры и является линейной. На рис. VI.9 приведены, в виде примера, сорбционные характеристики глиняного обожженного кирпича для пяти различных температур, отвечающие единой линейной зависимости lg b от ?.
Имея в виду такую линейную зависимость, можно написать уравнение, связывающее величину b с относительным давлением пара воды в материале ? в виде:
где lg c=c1, т. е. отрезку, отсекаемому прямой линейной зависимости на оси значений lg b; lg k=k1, т. е. тангенсу угла наклона ? этой прямой к оси значений ?.
Величины, входящие в (VI.13), могут быть названы: с — структурной характеристикой капиллярно-пористого материала; к — коэффициентом приращения сорбционной активности.
Поскольку из выражения (VI.8) для потенциала переноса влаги следует, что
равенство (VI.13) может быть записано в виде:
Подставляя (VI.14) в (VI.13), получим следующее уравнение изотермы сорбции:
Величины с и к являются постоянными для рассматриваемого материала.
При изменениях температуры влажного материала (при ?=const) его равновесное влагосодержание линейно зависит от температуры. При повышении температуры равновесное влагосодержание материала понижается, что объясняется уменьшением взаимодействия молекул влаги с поверхностью материала (в результате уменьшения сил Ван-дер-Ваальса).
Для максимального сорбционного влагосодержания эта зависимость может быть выражена уравнением
где ?0 — максимальное сорбционное влагосодержание при T=273°К; ?т — температурный коэффициент, имеющий постоянную величину для рассматриваемого материала (при неизменности его структурных свойств).
Подставив (VI.16) в (VI.15), получим уравнение гигротермического влажностного состояния капиллярно-пористых материалов
В этом уравнении энергия связи молекул в равновесном водяном паре — Е? может быть заменена потенциалом переноса влаги ?, поскольку в изотермических условиях ?=Е?.
Тогда
В таком виде уравнение гигротермического влажностного состояния может быть использовано в практических целях, в частности, для обобщения экспериментальных данных о сорбции материалов.
Достаточно, например, иметь экспериментальные данные о сорбции конкретного материала при 0°С, для того чтобы получить его вероятные сорбционные характеристики 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.
Примечания
1. Коэффициент диффузии D, длительность процессов влагообмена ? и квадрат характерного размера b входят в состав безразмерного гигрометрического критерия Фурье
При сопоставимых величинах этого критерия сопоставимы и условия влагообмена.