Связь влаги со строительными материалами

По характеру своего взаимодействия с водой твердые тела делятся на смачиваемые (гидрофильные) и несмачиваемые (гидрофобные). К гидрофильным строительным материалам относятся бетоны, гипс, вяжущие на водной основе. К гидрофобным - битумы, смолы, минеральные ваты на несмачиваемых вяжущих. Гидрофильные материалы активно взаимодействуют с водой, а ограниченно смачиваемые и несмачиваемые - менее активно.

Фактором значительно влияющим на характер взаимодействия материала с влагой, находящейся в воздухе, или при непосредственном контакте с водой является капиллярно-пористая структура большинства строительных материалов. При взаимодействии с влагой могут изменяться физико-механические и теплотехнические свойства строительных материалов.

Для правильного понимания путей движения влаги в ограждающих конструкциях и методов предотвращения неблагоприятных процессов или их последствий необходимо знать формы связи влаги со строительными материалами.

Обоснованная система энергетической классификации связи влаги с материалом разработана академиком П.А. Ребиндером [24]. По природе энергии связывания влаги с веществом и величине энергетического уровня различаются три вида этой связи.

Химическая форма связи влаги с материалом самая прочная, потому что влага в этом случае необходима для химических реакций. Такая влага входит в состав структурной решетки материалов типа кристаллогидратов и не участвует во влагообменных процессах. Поэтому при рассмотрении процессов влагопередачи через ограждение ее можно не учитывать.

Физико-химическая связь влаги со строительными материалами проявляется в адсорбировании на внутренней поверхности пор и капилляров материала. Адсорбированная влага подразделяется на влагу первичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энергетическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, составляющих пленку воды, удерживаемой капиллярными силами. Для удаления мономолекулярной и частично полимолекулярной влаги не достаточно сил естественной сушки в обычных природных условиях и условиях помещений. К физико-химической форме связи относят также осмотически (структурно) связанную влагу в растительных клетках органических материалов растительного происхождения. Эта влага может быть удалена путем естественной сушки.

Физико-механическая связь определяет удержание влаги в порах и капиллярах силами капиллярного давления и смачивания гидрофильных материалов. Эта влага перемещается внутри материала при возникновении давлений, превышающих капиллярное и испаряется из поверхностных слоев конструкций в процессе естественной сушки. Наибольшей физико-механической прочностью обладает связь воды с микрокапиллярами.

 

Влажный воздух

Атмосферный воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и небольшого количества инертных газов всегда содержит некоторое количество влаги в виде водяного пара. Смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется всем законам смеси идеальных газов. Каждый газ, в том числе и пар, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь.

Пар находится под своим парциальным давлением, которое определяют по уравнению Менделеева-Клайперона:

, (2.33)

 

где M_i - масса i-го газа, в данном случае водяного пара, кг;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8 314,41 Дж/ (кмоль^. К);

Т - температура смеси в абсолютной шкале, К;

V - объем, занимаемый смесью газов, м³;

μ _i - молекулярный вес газа, кг/моль. Для водяного пара μ_п= 18,01528 кг/кмоль.

По закону Дальтона сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси равна полному давлению смеси. Влажный воздух принято рассматривать как бинарную смесь, состоящую из водяного пара и сухой части атмосферного воздуха, эффективный молекулярный вес которого равен μ_{в ≈} 29 кг/моль. Барометрическое давление влажного воздуха Р_б, Па, складывается из парциального давления сухого воздуха е_св, Па, и парциального давления пара е_п, Па:

 

. (2.34)

 

Парциальное давление водяных паров называют также упругостью водяного пара.

Для характеристики меры увлажнения воздуха пользуются понятием относительной влажности воздуха φ_в, которая показывает степень насыщенности воздуха водяным паром в% или долях единицы полного насыщения при одинаковых температуре и давлении.

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяным паром и называется насыщенным. Парциальное давление насыщенного водяного пара называют также давлением насыщения воздуха водяным паром или максимальной упругостью водяных паров и обозначают Е. Величина относительной влажности φ_в равна отношению парциального давления водяного пара е_п во влажном воздухе при определенных атмосферном давлении и температуре к давлению насыщения Е при тех же условиях:

 

, (2.35)

или φ,% . (2.36)

 

Парциальное давление насыщенного водяного пара - максимальная упругость водяных паров - при заданном барометрическом давлении является функцией только температуры t:

 

. (2.37)

 

Его значения определяют экспериментальным путем и приводят в специальных таблицах [1]. Кроме того, имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Е от температуры. Например, формулы, приводимые в [1]:

над поверхностью льда при температуре от - 60 ^оС до 0 ^оС

 

, (2.38)

 

над поверхностью чистой воды при температуре от 0 ^оС до 83 ^оС

 

, (2.39)

 

Нормальным для пребывания человека гигиенистами считается диапазон относительной влажности от 30% до 60%. При относительной влажности воздуха выше 60% испарение влаги с кожи человека затруднено и его самочувствие ухудшается. При более низкой относительной влажности воздуха, чем 30% испарение с поверхности кожи и слизистых оболочек человека усиливается, что вызывает сухость кожи, першение в горле, способствующие простудным заболеваниям.

При повышении температуры воздуха заданной абсолютной влажности его относительная влажность понижается, так как в соответствии с формулой (2.36) величина парциального давления водяного пара останется без изменения, а давление насыщения возрастет из-за увеличения температуры. Наоборот, при охлаждении воздуха относительная влажность возрастет вследствие снижения величины давления насыщения Е. По мере остывания воздуха при некоторой его температуре, когда е_п станет равно Е, относительная влажность воздуха станет равной 100%, то есть воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Температура t_р, ^оС, при которой воздух с определенной абсолютной влажностью находится в состоянии полного насыщения, называется точкой росы. Если воздух будет охлаждаться ниже точки росы, то, часть влаги начнет конденсироваться из воздуха. Воздух при этом будет оставаться насыщенным водяным паром, а давление насыщения воздуха Е соответственно достигнутой температуре будет снижаться. Причем температура воздуха в каждый момент времени будет точкой росы для сформировавшейся абсолютной влажности воздуха.

При соприкосновении влажного воздуха с внутренней поверхностью наружного ограждения, имеющей температуру τ_в ниже точки росы воздуха t_р, на этой поверхности будет конденсироваться водяной пар. Таким образом, условиями отсутствия выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения и в его толще является поддержание температуры выше точки росы, а это означает, что парциальное давление водяных паров в каждой точке сечения ограждения должно быть меньше давления насыщения.

Влажность материала

В капиллярно-пористых материалах в естественной воздушной среде всегда находится некоторое количество химически несвязанной влаги. Если образец материала, находящегося в естественных условиях, подвергнуть сушке, то его масса уменьшится. Весовая влажность материала ω_в,%, определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце, к массе образца в сухом состоянии:

 

, (2.40)

 

где М₁ - масса влажного образца, кг,

М₂ - масса сухого образца, кг.

Объемная влажность ω_о,%, определяется отношением объема влаги, содержащейся в образце, к объему образца:

 

, (2.41)

 

где V₁ - объем влаги в образце, м^3, V₂ - объем самого образца, м³.

Между весовой ω_в и объемной влажностью ω_о материала существует соотношение:

 

, (2.42)

 

где ρ - плотность материала в сухом состоянии, кг/м³.

В расчетах чаще используется весовая влажность.

Сорбция и десорбция

При длительном нахождении образца материала во влажном воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью, масса влаги, содержащейся в образце станет неизменной - равновесной. При повышении относительной влажности воздуха масса влаги в материале увеличивается, а при увеличении температуры - уменьшается. Это равновесное влагосодержание материала, соответствующее тепловлажностному состоянию воздушной среды, в зависимости от химического состава, пористости и некоторых других свойств материала может быть больше или меньше. Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в среду влажного воздуха, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания избыточно влажного материала в среде влажного воздуха - десорбцией.

Закономерность изменения равновесного влагосодержания материала в воздушной среде с постоянной температурой и возрастающей относительной влажностью выражается изотермой сорбции.

Для подавляющего числа строительных материалов изотермы сорбции и десорбции не совпадают. Разность весовых влажностей строительного материала при одной и той же относительной влажности воздуха φ называется сорбционным гистерезисом. На рис.8 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара для пеносиликата. по [38]. Из рис.8 видно, что, например, для φ = 40% при сорбции пеносиликат имеет весовую влажность ω_в=1,75%, а при десорбции ω_в=4%, следовательно, сорбционный гистерезис равен 4-1,75=3,25%.

Рис.8. Весовая влажность пеносиликата при сорбции (1) и десорбции (2)

 

Значения сорбционных влажностей строительных материалов приведены в различных литературных источниках, например, в [9].