CC BY
38
Экспериментальное исследование зависимости
строительные науки равновесной сорбционной влажности
строительные материалы строительных материалов от температуры
и конструкции И.Я. Киселев
НИИСФ РААСН
Равновесная сорбционная влажность (далее «сорбционная влажность») строительных материалов в значительной мере определяет ход процессов тепло- и влагопереноса через ограждающие конструкции зданий и их долговечность. Поэтому при расчете процессов тепло- и влагопереноса через ограждающие конструкции, а также при расчете их теплотехнических показателей необходимо иметь информацию о сорбционной влажности строительных материалов, из которых изготовлены эти конструкции. Особо важным является получение достоверной информации о сорбционной влажности материалов в том диапазоне температур, в котором эти материалы эксплуатируются в ограждающих конструкциях.
Ниже описан порядок экспериментального определения сорбционной влажности строительных материалов при температурах, отличных от +20°С, и в качестве примера приведены результаты определения сорбционной влажности ряда строительных материалов в диапазоне температур от -10,4 до +35оС.
Сорбционная влажность материалов была определена эксикаторным методом[1] при температурах -10,4, +1,2, +20 и +35оС. Паровоздушные среды с различными заданными значениями отно-
сительнои влажности воздуха создавались в эксикаторах при помощи водных растворов серноИ кислоты различноИ концентрации, наливаемых в эксикаторы. При определении сорбционноИ влажности при этих температурах —10,4 и +1,2°С эксикаторы с растворами кислоты и образцами материалов были помещены в холодильные камеры, при определении этоИ характеристики при температурах +20оС и +35оС — в термостатированныИ шкаф.
В пособии А.У. Франчука [1] приведены значения концентрациИ водных растворов серноИ кислоты, относительная влажность воздуха над которыми при температуре +20оС равняется соответственно 10, 20, 40, 60, 80 и 97%. В монографии А.В. Лыкова [2] и справочниках [3, 4, 5] указано, что парциальное давление паров воды над растворами серноИ кислоты зависит не только от концентрации растворов, но и от их температуры, и приведены результаты исследования этих зависи-мостеИ при положительных температурах, но нет данных об этих зависимостях при отрицательных температурах.
В монографии М.Х. Карапетяна [6] приведена эмпирическая формула, связывающая парциальное давление паров воды над водными растворами сер-ноИ кислоты с температуроИ:
Концентрация, % Температура, °С Концентрация, % Температура, °С Концентрация, % Температура, °С
0,54 +0,5 23,22 -19 35,25 -88
1,78 +4,5 25,39 -26,5 40,50 -65
5,16 +2,5 26,63 -34 47,57 -50
6,77 0 28,00 -40 57,65 -40
9,82 -3,5 29,52 -45 73,08 -70
17,88 -6,5 31,21 -55 84,48 +3
21,40 -17 33,11 -75 100,00 + 10
Таблица 1. Температура замерзания водных растворов серной кислоты (по Ж. Пиктету [9]).
Концентрация, % Температура, °С Концентрация, % Температура, °С Концентрация, % Температура, °С
1,23 -0,6 > 28,18 < -40 88,2 "7,2
3,68 "1,7 < 74,73 < -40 89,43 -16,2
6,13 -2,7 74,73 -40 90,65 -25
8,58 -4,4 75,95 -20 91,88 -34
11,03 -6,0 77,18 -11,5 93,1 -32
13,48 -7,2 78,4 "4,8 94,33 -28,2
15,33 -8,2 79,63 "4,2 95,55 -16,5
18,38 "9,3 80,9 + 1,2 96,8 "5,2
23,28 -15,2 83,3 +8,0 100 +10
25,73 -22,5 85,75 +4,0
28,18 -40,1 86,98 "1,0
Таблица 2. Температура замерзания водных растворов серной кислоты (по Б. Кничу [10]).
492 5 2009
строительные материалы и конструкции
!др = А* — В*Г-1,
(1)
где р — парциальное давление паров воды, мм рт.ст.;
А* константа;
В* — константа, К;
Т — температура, К.
Численные значения констант А* и В* зависят от концентрации раствора. В справочнике [4] приведены значения констант А* и В* для водных растворов серной кислоты в диапазоне изменения концентрации от 0 до 100% с интервалом в 1%. В монографии М.Х. Карапетяна [6] и работе А. Даудта (А. йаиН+) [7] показано, что формула (1) верна до температуры замерзания раствора кислоты. В таблицах 1 и 2 приведены значения температуры замерзания растворов серной кислоты различных концентраций. Приведенные в таблицах 1 и 2 данные заимствованы из работ Ж. Пиктета (О. Р1с+е+) и Б. Книча (В. Кп1е+зЬ), ссылки на которые приведены в справочнике [8].
В таблице 3 приведены значения парциального давления паров воды над водными растворами серной кислоты тех концентраций, которые, согласно пособию А.У. Франчука [1], должны использоваться при определении сорбци-онной влажности для создания паровоздушных сред с относительной влажностью 10, 20, 40, 60, 80, 90 и 97% при температуре +20 °С.
Значения парциального давления паров воды для тех значений температуры, при которых в данной работе определялась сорбционная влажность: -10,4, +1,2, +20 и + 35 оС вычислены по формуле (1). Необходимые для расчетов значения констант А* и В* были заимствованы из справочника [4]. В таблице 3 также приведены значения относительной влажности воздуха над этими растворами при вышеперечисленных температурах. Необходимые для вычисления относительной влажности воздуха значения парциального давления насыщающих паров воды при температурах +1,2, +20 и +35оС, равные соответственно 4,999, 17,533 и 42,175 мм рт.ст., заимствованы из справочника [11]. При вычислении относительной влажности воздуха при температуре -10,4оС полученные по формуле (1) значения парциального давления паров воды над растворами кислоты были разделены на парциальное давление насыщающих паров воды над водой при температуре — 10,4оС, равное 2,077 мм рт.ст. и надо льдом при температуре льда — 10,4оС, равное 1,877 мм рт.ст. [11].
Прочерки в таблице 3 означают, что при
ь воздуха, %, ре, °С * О ? 0|00 ■Ч1-Ч 00|РЧ >о|оо •—100 оо|о-. I 1
-10,4* ■410 •О|00 го!^ 40|Г0 |го 00|04 I 1
Относительная влажност при температу| ГЧ + 00 1П IV Оч ГО ■ч «о СО ГЧ о. Оч 04
+20,0 IV чГ 00 Оч ГО го «о 00 IV Оч 00 <о Оч
+35,0 «о 1ч" 04 О ■ч го чо 00 IV 00 00 ■ч Оч
Парциальное давление паров воды, мм рт.ст., при температуре, °С 0 пц 1 0,04722 0,1499 0,3763 0,6371 0,7581 I 1
-10,4 0,1119 0,3379 0,8196 1,365 1,744 I 1
ГМ + 0,2880 0,8363 1,952 3,195 4,045 4,607 4,977
+20,0 1,183 3,112 6,885 10,98 13,73 15,60 16,79
+35,0 3,190 7,949 16,86 26,40 32,69 37,11 39,82
СС == 2595 2446 2342 2294 2270 2266 2259
* 8,925 8,838 8,827 8,866 8,881 8,923 8,931
Относительная влажность воздуха при температуре +20 °С, %, П1 о о Гч| о ■ч о о 00 о Оч IV 04
Концен трация раствора, % IV <о 04 ш ■ч 00 го IV гч 00 04
о х о.
а о
5 о
*
& о
ч! I-
(Л о.
2 ®
т х
к Ч
и О
¡г >5
£ о
с * ¡3 О
м
о *
¡3 £
8 I
. >х
Ю о
з г-
X Т С
\о ч
„ £
строительные материалы и конструкции
данной температуре раствор серной кислоты указанной концентрации замерзает и, следовательно, вычисление парциального давления паров над раствором не может быть проведено по формуле (4), а значит, не может быть вычислено и значение относительной влажности воздуха над этим раствором.
При экспериментальном определении равновесной сорбционной влажности строительных материалов при температурах —10,4, +1,2, +20 и +35°С значения концентрации растворов серной кислоты в эксикаторах с образцами материалов равнялись тем значениям концентрации растворов, относительная влажность воздуха над которыми, согласно пособию А.У. Франчука [1], равняется 10, 20, 40, 60, 80 и 97%. Истинные значения относительной влажности воздуха над этими растворами при указанных температурах приведены в таблице 3.
Значения парциального давления насыщающих паров воды рн, мм рт.ст., при положительных и отрицательных температурах 0,°С могут быть определены не только по справочнику [11], но и вычислены по следующим эмпирическим формулам, представленным в стандарте ISO 13788:2000 [12]:
— при положительных температурах
pH = 4,576 exp
pH = 4,576 exp
17,2690
237,3 + Q
— при отрицательных температурах (надо льдом)
21,8750 265,5 + 0
(2)
(2)
Результаты экспериментального исследования зависимости сорбционной влажности керамзитоперли-тобетона (плотность у = 850 кг/м3 ), арболита на стеблях хлопчатника ( уо = 650 кг/м3 ), шунгизито-бетона (у = 1100 кг/м3 ), пенобетона (у = 750 кг/м3) с гидрофобизацией, керамзитобетона (уо = 1200 кг/м3 ), газобетона (уо = 400 и 700 кг/м3) и фильтровальной бумаги от температуры в диапазоне от -10,4 до +35°С были представлены графически. Определение сорбционной влажности фильтровальной бумаги, не являющейся строительным материалом, выполнено потому, что фильтровальная бумага традиционно используется в качестве модельного тела при исследовании сорбционных явлений.
При определении равновесной сорбционной влажности упомянутых материалов при температуре -10,4°С значения относительной влажности воздуха вычислялись путем деления парциального давления паров воды в эксикаторах на давление насыщающих паров воды при этих температурах надо льдом.
Графическое представление зависимостей равновесной сорбционной влажности исследованных строительных материалов wp от температуры 0 в диапазоне от -10,4 до +35°С показало, что влажность линейно убывает с увеличением температуры. Поэтому эти зависимости могут быть представлены в виде линейной функции wp(0):
Материал Плотность Y<? кг/м Относительная влажность воздуха ф, % Коэффициент регрессии Коэффициент корреляции г
угловой aw, %/°С постоянный bw, %
Керамзитоперли-тобетон 850 40 - 0,00640 2,42 - 0,996
80 - 0,0660 6,81 - 0,985
Арболит 650 40 - 0,0275 5,31 - 0,985
80 - 0,128 15,5 - 0,996
Шунгизитобетон 1100 40 - 0,00640 1,72 - 0,993
80 - 0,0181 3,61 - 0,996
Пенобетон 750 40 - 0,0238 2,85 - 0,999
80 - 0,0696 7,00 - 0,999
Керамзитобетон 1200 40 - 0,0100 1,40 - 0,999
80 - 0,0321 3,17 - 0,997
Газобетон 400 40 - 0,0580 3,29 - 0,993
80 - 0,0574 5,38 - 0,999
Газобетон 700 40 - 0,0264 3,43 - 0,999
80 - 0,164 11,2 - 0,999
Фильтровальная бумага — 40 - 0,0857 6,73 - 0,997
80 - 0,126 13,5 - 0,996
Таблица 4. Угловой коэффициент а^ постоянный коэффициент формул линейной регрессии, описывающих зависимость равновесной сорбционной влажности w строительных материалов от температуры 0 в диапазоне от -10,4 до + 35°С, и коэффициент корреляции г.
494
2009
5
строительные материалы и конструкции
w (0)=а Q+b ,
p ' w w
(4)
где wp — равновесная сорбционная влажность материала, %;
а —угловоИ коэффициент регрессии, %/°С; b — постоянныИ коэффициент регрессии, %; 0 — температура, °С.
В таблице 4 приведены полученные методом регрессивного анализа значения угловых и постоянных коэффициентов формул линеИноИ регрессии, описывающих зависимость сорбционноИ влажности исследованных строительных материалов от температуры.
В обзорноИ части монографии А.В. Лыкова [13] представлены экспериментально полученные зависимости от температуры равновесноИ сорбционноИ влажности древесины и глины при относительноИ влажности воздуха, равноИ 60%, а также торфа при относительноИ влажности воздуха 60 и 80%. Упомянутые зависимости исследованы в диапазоне температур от 0 до +100оС. Согласно этим зависимостям равновесная сорбционная влажность древесины, глины и торфа, так же как и исследованных в данноИ работе строительных материалов, линеИно уменьшается с увеличением температуры.
Список литературы
1. Франчук А.У., Фокин К.Ф. Методика определения влажностных характеристик строительных материалов. — Киев, 1970. — 47 с.
2. Лыков A.B. Теория сушки. — М., 1968. — 472 с.
3. Справочник химика. — М.-Л., 1965. — Т. 3. —
487 с.
4. D'Ans J., Lax E. Tashenbuch für Chemiker und Physiker. — Berlin, 1949. — 888 p.
5 International Critical Tables. — N.-Y. — London., 1928, — vol. 3 — 302 p.
6. Карапетян М.Х. Химическая термодинамика. —
М., 1953. — 212 с.
7. Daudt A. Control of relative air humidity by means
of aqueous sulphuric acid solutions./ / J. Phys. Chem. — 1923. — Vol. 106 — P. 225-232.
8. Thorpe's dictionary of applied chemistry. Fourth
edition. — London-New-York-Toronto, 1954. — 293 р.
9. Pictet G., Comp. rend. — 1894. — Vol. 119. — P.
642-647.
10. Knietsh. Berl. K. Akad. — 1901. — Vol. 34. — S. 4069-4075.
11. Ривкин С.Л., Александров A.A., Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М., 1984. — 125 с.
12 ISO 13788:2000 Hydrothermal performance of building component and building elements. Internal surface temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation. Calculation method. 13. Лыков A.B. Явления переноса в капилярно-по-ристых телах. — М., 1954. — 296 с.
