CC BY
13УДК 536.2:69.022
И.Я. КИСЕЛЕВ, д-р техн. наук (ikiselyov@bk.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Москва, Локомотивный пр., 21)
Метод ускоренного определения равновесной сорбционнои влажности легких и ячеистых бетонов
Разработан метод экспериментального определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов. Комнатный воздух барботируют через слой воды и таким образом увлажняют его до относительной влажности примерно 95%. Путем охлаждения полученного воздуха его относительную влажность доводят до 100%. Затем воздух нагревают до той температуры, при которой необходимо определить равновесную сорбционную влажность материала. Подготовленный таким образом воздух, имеющий заданную температуру и относительную влажность, непрерывно прокачивают через образец материала до достижения им равновесной влажности. Экспериментально доказано, что метод позволяет определить равновесную сорбционную влажность легких и ячеистых бетонов: за 6-8 ч, т. е. в 300-400 раз быстрее, чем эксикаторным методом; в диапазоне температуры 10-30оС и при относительной влажности воздуха 40-97%; с относительной погрешностью, не превышающей 10%.
Ключевые слова: строительные материалы, равновесная сорбционная влажность, метод ускоренного определения, ячеистый бетон, легкий бетон.
I.Ya. KISELEV, Doctor of Sciences (Engineering) (ikiselyov@bk.ru)
Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation)
Method for Accelerated Determination of Equilibrium Sorption Humidity of Light and Cellular Concretes
The method for experimental determination of the equilibrium humidity of building materials has been developed. Room air is bubbled through the water layer and humidifies it up to the relative humidity of about 95%. By cooling the obtained air, its relative humidity is brought up to 100%. Than the air is heated to the temperature at which it is necessary to determine the equilibrium humidity of the material. Thus prepared air, having a predetermined temperature and relative humidity, is continuously pumped through the material sample till reaching its equilibrium humidity. It is experimentally shown that this method makes it possible to determine the equilibrium humidity of light and cellular concretes during 6-8 hours, that is 300-400 times faster than by the desiccator method, in the temperature range of 10-30°C and the air relative humidity of 40-97%, with a relative error not exceeding ±10%.
Keywords: building materials, equilibrium sorption humidity, method for accelerated determination, cellular concrete, light concrete.
Равновесная сорбционная влажность строительных материалов в значительной мере определяет ход процессов тепло- и влагопереноса через наружные ограждающие конструкции зданий, а следовательно, и сопротивление теплопередаче этих конструкций в реальных условиях эксплуатации [1—3]. Поэтому при расчете сопротивления теплопередаче конструкций необходима информация о сорбционной влажности материалов, из которых изготовлена конструкция [4—6].
Эксперименты по определению равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом длительны и трудоемки. Как правило, длительность эксперимента по определению равновесной сорбционной влажности одного строительного материала при положительной температуре эксикаторным методом составляет 3—4 месяца. Для материалов со сложной поровой структурой, например ячеистых бетонов, длительность эксперимента может достигать шести месяцев. Очевидно, что традиционный эксикаторный метод неприменим в тех случаях, когда значения равновесной сорбционной влажности строительного материала необходимо определить быстро, например при исследовании влияния технологии производства или состава исходного сырья и добавок на сорбционную влажность исследуемого материала. Из вышеизложенного следует, что необходимо разработать метод ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов.
На первом этапе разработки этого метода был проведен патентно-информационный поиск, предметом которого были приборы и методы исследования процессов адсорбции. В патенте С.Б. Лоуэлла (S.B. Lowell) [7] для ускорения процесса сорбции предложено непрерыв-
но прокачивать газообразный адсорбат через образец адсорбента.
Сущность метода ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов, реализованного в созданной экспериментальной установке, заключается в следующем. Комнатный воздух барботируют через слой воды и этим увлажняют его до относительной влажности, равной примерно 95%. Путем охлаждения полученной паровоздушной смеси ее доводят до насыщения, таким образом, относительная влажность воздуха становится равной 100%. Затем его нагревают до той температуры, при которой необходимо определить равновесную сорбционную влажность испытываемого материала. Подготовленный воздух непрерывно прокачивают через размещенный в бюксе образец испытываемого материала до достижения им равновесной влажности.
Температура, до которой следует охладить воздух после его барботирования, зависит от температуры и относительной влажности воздуха, при которых необходимо определить равновесную сорбционную влажность материала. В табл. 1 приведены значения температуры, до которых следует охладить воздух при определении равновесной сорбционной влажности материалов при температуре +10, +20 и +30оС.
Первые эксперименты по определению равновесной сорбционной влажности ускоренным методом на одно-канальной установке были проведены на образцах газобетона плотностью 300 и 700 кг/м3, керамзитоперлито-бетона плотностью 850 кг/м3, а также на образцах растворной части керамзитобетона, плотность которого равнялась 1200 кг/м3. Эти эксперименты были проведены при температуре +20оС.
12
научно-технический и производственный журнал
июнь 2016
Ш^улг&иш
Reports of the VII Academic reading «Technical regulation in construction. _Actual issues of building physics»
Таблица 2
Таблица 1
Относительная влажность воздуха, прокачиваемого через бюксу, % 40 60 80 90 95
Требуемое значение температуры охлажденного воздуха, °С, при температуре воздуха, °С, в бюксе + 10 -3 +2,6 +6,7 +8,4 +9,2
+20 +6 + 12 + 16,4 + 18,3 + 19,2
+30 + 14,7 +21,1 +25,9 +27,9 +28,8
Относительная влажность воздуха, % 40 60 80 90 95
Равновесная сорбционная влажность газобетона, %, при температуре, oC + 10 — 5,5 9,2 13,1 16,4
+30 2,3 3,5 5,1 8,3 11,5
Таблица 3
Материал Плотность, Уо, кг/м3 Равновесная сорбционная влажность, %, при относительной влажности воздуха, %
40 60 80 90 97
Керамзитобетон 1100 1/0,7 -/1,4 2,3/2,3 3,1/3,2 4,2/4,5
Керамзитоперлитобетон 850 2,3/2,3 3,5/3,4 5,6/5,3 7,6/7 8,8/9/5
Шунгизитобетон 1200 -/0,8 1,2/1,2 2 ,3/2 , 2 3,1/3,2 5,4/4/3
Шунгизитобетон 1300 1,8/- 2/1,8 3 , 5/3 , 2 4,9/- 6,9/7,3
Газобетон 650 1,8/2 2,3/2,6 3,2/3,5 5,2/5,6 16/18
Пенобетон 700 19/2 2,6/2,8 5,1/5,4 7 ,1/7 ,4 9,8/11
Примечание. Над чертой — значения, полученные методом ускоренного определения; под чертой — значения, полученные эксикаторным методом.
При проведении экспериментов образцы газобетонов, керамзитоперлитобетона и растворной части ке-рамзитобетона помещались в бюксу в виде кусочков размером 2—4 или 6—8 мм. Эксперименты показали, что время, необходимое для того, чтобы образцы материалов размерами 2—4 мм достигли равновесного влаж-ностного состояния с прокачиваемым воздухом, составляет 6—8 ч. Это время практически не зависит от относительной влажности прокачиваемого воздуха. Для образцов указанных материалов в виде кусочков размерами 6—8 мм это время составляет 9—10 ч. Следовательно, для бетонов оптимальными размерами кусочков являются 2—4 мм. Дальнейшее уменьшение их размеров нецелесообразно, так как поток прокачиваемого воздуха может начать перемешивать кусочки материала в бюксе.
Эксперименты показали, что:
— оптимальная скорость прокачки воздуха через бюксу составляет 1 л/мин, так как при уменьшении скорости увеличивается время достижения образцом равновесного влажностного состояния, а при увеличении скорости возможен вынос кусочков материала из бюк-сы потоком воздуха;
— абсолютное изменение фактической относительной влажности прокачиваемого воздуха за 8 ч работы установки не превышает ±1%.
Длительность эксперимента по определению равновесной сорбционной влажности бетонов эксикаторным методом составляет не менее 3—4 мес. Из изложенного следует, что длительность эксперимента по определению равновесной сорбционной влажности бетонов ускоренным методом в 300—400 раз меньше, чем длительность эксперимента по определению этого показателя эксикаторным методом.
На следующем этапе отработки метода ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов была экспериментально подтверждена возможность определения равновесной сорбционной влажности материалов при температуре, большей или меньшей +20оС, а именно при +10 и +30оС. В качестве испытываемого материала был взят газобетон с плотностью 700 кг/м3.
Эксперименты показали, что время, необходимое для того, чтобы образец материала достиг равновесного влажного состояния с прокачиваемым воздухом при температурах +10 и +30оС, также составляет 6—8 ч. Результаты экспериментов, подтверждающих возможность определения равновесной сорбционной влажности материалов методом ускоренного определения при температуре +10 и +30 оС, представлены в табл. 2.
При проведении экспериментов, результаты которых представлены в табл. 2, температура воздуха в бюксе поддерживалась равной +10 и +30оС соответственно. Значения температуры воздуха, до которых было необходимо охлаждать воздух после барботирования для получения потока с различной относительной влажностью, приведены в табл. 1.
Отработка метода ускоренного определения равновесной сорбционной влажности при температуре +20оС была проведена:
—для легких бетонов на примере керамзитобетона плотностью 1100 кг/м3; керамзитоперлитобетона плотностью 850 кг/м3, шунгизитобетона плотностью 1200 и 1300 кг/м3;
— для ячеистых бетонов на примере газобетона плотностью 650 кг/м3 и пенобетона плотностью 700 кг/м3.
При проведении экспериментов образцы этих материалов помещались в бюксу в виде кусочков размерами 2—4 мм. Эксперименты подтвердили возможность получения равновесной сорбционной влажности всех вышеперечисленных материалов методом ускоренного определения. Для всех материалов время, необходимое для достижения образцом равновесного влажностного состояния с прокачиваемым воздухом, также составляет 6—8 ч, не зависит от относительной влажности прокачиваемого воздуха. Результаты этих экспериментов даны в табл. 3. Для сопоставления в табл. 3 представлены результаты определения равновесной сорбционной влажности этих материалов эксикаторным методом. Если считать эксикаторный метод эталонным, то относительная погрешность определения равновесной сорбционной влажности всех материалов методом ускоренного определения не превышает 10%. Такое различие может быть объяснено погрешностями, которые имеют место при определении относительной влажности воздуха при проведении экс-
fj научно-технический и производственный журнал
июнь 2016
периментов обоими методами, и различиями в поровой структуре образцов-близнецов, использованных при проведении экспериментов этими двумя методами.
Из вышеизложенного следует, что разработанный метод позволяет определить равновесную сорбционную влажность легких и ячеистых бетонов:
Список литературы
1. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Количественная оценка энергоэффективности энергосберегающих мероприятий // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 7-9.
2. Пастушков П.П., Павленко Н.В., Коркина Е.В. Использование расчетного определения эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов // Строительство и реконструкция. 2015. № 4. С. 168-172.
3. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-21.
4. Гагарин В.Г., Пастушков П.П., Реутова Н.А. К вопросу о назначении расчетной влажности строительных материалов по изотерме сорбции // Строительство и реконструкция. 2015. № 4. С. 152-155.
5. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г., Матвеева О.И. Совершенствование теплотехнического проектирования зданий в климатических условиях Республики Саха (Якутия) // Жилищное строительство. 2015. № 7. С. 12-17.
6. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Определение расчетной влажности строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 28-33.
7. Patent USA № 3.555.912. Incremental method for surface area and pore size determination. Lowell S.B. Declared 19.01.1991.
— за 6—8 ч, т. е. в 300—400 раз быстрее, чем эксика-торным методом;
— в диапазоне температуры +10—+30оС и относительной влажности воздуха 40—97%;
— с относительной погрешностью, не превышающей 10%.
References
1. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. Quantitative Assessment of Energy Efficiency of Energy Saving Measures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 7—9. (In Russian).
2. Pastushkov P.P., Pavlenko N.V., Korkina E.V. Using the calculated determination of the operational humidity of thermal insulation materials. Stroitel'stvo i rekonstruktsi-ya. 2015. No. 4, pp. 168-172. (In Russian).
3. Umnyakova N.P., Butovsky I.N., Chebotarev A.G. Development of the Regulation Methods of Heat Shield of Energy Efficient Buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No 7, pp. 19-21. (In Russian).
4. Gagarin V.G., Pastushkov P.P., Reutova N.A. On the question of the appointment of the estimated moisture content of building materials for sorption isotherm. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2015. No. 4, pp. 152-155. (In Russian).
5. Umnyakova N.P., Butovsky I.N., Chebotarev A.G., Matveeva O.I. Improvement of Thermotechnical Design of Buildings Under Climatic Conditions of the Sakha Republic (Yakutia). Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No 7, pp. 12-17. (In Russian).
6. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. Determination ofthe estimated moisture content of building materials. Promyshlennoe i grazh-danskoestroitel'stvo. 2015. No. 8, pp. 28-33. (In Russian).
7. Patent USA № 3.555.912. Incremental method for surface area and pore size determination. Lowell S.B. Declared 19.01.1991.
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) Университета Bauhaus-Universität г. Веймар (Германия)
организует III Веймарскую гипасовую конференцию
F I B
, и не только
Гипсовая конференция проводится в Веймаре в третий раз и за это время стала площадкой для широкого научного обмена идеями в области вяжущих на основе сульфата кальция и их применения учеными и инженерами стран востока и запада
г. Веймар (Германия)
14-15 марта 2017 г.
Основные темы конференции:
1 Вяжущие вещества на основе сульфата кальция 1 Вяжущие вещества, содержащие сульфат кальция 1 Гидратация и переработка 1 Добавки и их эффект
1 Стройматериалы и изделия на основе сульфата кальция
■ Другие виды применения сульфата кальция
■ Сульфаты кальция и сохранение исторического наследия
■ Изделия на основе сульфата кальция и их безотказное длительное использование
В рамках конференции будет проходить специализированная выставка. Заявки компаний на участие в выставке принимаются до 14 октября 2016 г.
Заявки на участие в конференции с докладами принимаются до 25 октября 2016 г. Планируется синхронный перевод: немецкий, английский, русский.
ibausil@uni-weimar.de ibausil@uni-weimar.de ibausil@uni-weimar.de
научно-технический и производственный журнал
июнь 2016 ЩЦДШ^*
12722180
