Научная статья на тему 'Экспериментальное исследование зависимости равновесной сорбционной влажности строительных материалов от температуры'

Экспериментальное исследование зависимости равновесной сорбционной влажности строительных материалов от температуры Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
174
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование зависимости равновесной сорбционной влажности строительных материалов от температуры»

 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, %

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.