CC BY
124
строительные материалы и конструкции
Ошибки измерения равновесной сорбционной влажности материалов ограждающих конструкций эксикаторным методом
И.Я. Киселев
Сущность эксикаторного метода заключается в выдерживании образцов исследуемого материала в закрытых эксикаторах с заданными значениями относительной влажности воздуха до достижения ими равновесного состояния с окружающим влажным воздухом. Как правило, измерения равновесной сорбционной влажности (далее — сорбционная влажность) проводят при пяти значениях относительной влажности воздуха: 40, 60, 80. 90 и 97%. Заданные значения относительной влажности воздуха в эксикаторах можно создавать при помощи водных растворов серной кислоты или глицерина [1—7], а также насыщенных растворов ряда солей [8, 9].
По сравнению с другими веществами, которые могут быть использованы для поддержания в эксикаторах заданной относительной влажности воздуха, серная кислота обладает рядом преимуществ:
— она не относится к дорогостоящим веществам;
— равновесие между водным раствором серной кислоты и воздухом в эксикаторе наступает быстро;
— зависимости парциального давления водяных паров над водными растворами серной кислоты от их концентрации и температуры исследованы значительно подробнее, чем над водными растворами какого-либо другого вещества.
По таблице 1 определяют, какова должна быть концентрация и плотность водного раствора серной кислоты в эксикаторе в зависимости от требуемой относительной влажности воздуха ф.
Представленные в этой таблице требуемые значения концентрации с и плотности у растворов вычислены на основе наиболее достоверных зависимостей ф(с) и у(с), которые приведены в последнем издании отечественного «Справочника химика»
[10].Приведенные в таблице 1 значения концентрации водных растворов серной кислоты отличаются от значений, определенных по графику, который дан в пособии [4].
В таблице 2 представлены следующие данные:
— концентрации водных растворов серной кислоты, относительная влажность воздуха над которыми, согласно пособию [4], равняется 40, 60, 80, 90 и 97%;
— фактические значения относительной влажности воздуха над растворами этих концентраций при температуре +20°С;
— относительная ошибка задания относительной влажности воздуха при помощи растворов этих концентраций;
— относительные ошибки измерения сорбционной влажности, имеющие место при применении растворов этих концентраций (на примере газобетона с плотностью 600 кг/м3).
При составлении таблицы 2 концентрации растворов были определены по графику зависимости ф(с) относительной влажности от концентрации раствора, представленного в пособии [4]. Затем по этим значениям концентрации при помощи приведенных в справочнике [10] таблиц зависимости ф(с) при температуре +20°С были вычислены методом линейной интерполяции фактические значения относительной влажности воздуха над растворами этих концентраций. В таблице 2 также даны значения сорбционной влажности газобетона с плотностью 600 кг/м3, которые получены не эксикаторным методом, а на вакуумной сорбционной установке. По этим значениям сорбционной влажности была построена изотерма сорбции газобетона, по которой, в свою
Концентрация раствора с, % Плотность раствора у, кг/м3 Относительная влажность воздуха над раствором ф, %
47,13 1368 40
36,88 1276 60
25,23 1180 80
16,53 1113 90
5,93 1038 97
Таблица 1. Зависимость плотности водных растворов серной кислоты и относительной влажности воздуха над ними от их концентрации при температуре +20°С
3 2010 623
строительные материалы и конструкции
Наименование показателя Требуемая относительная влажность воздуха, %
40 60 80 90 97
Сорбционная влажность газобетона, % 3,2 3,6 4,7 7,1 14
Концентрация раствора, % 49 38 27 18 9
Фактическая относительная влажность воздуха, % 36 58 77 89 95
Относительная ошибка задания относительной влажности воздуха, % 10 3,3 3,8 1,1 2,1
Относительная ошибка измерения сорбционной влажности газобетона, % 6,3 2,7 11 8,5 21
Таблица 2. Ошибки задания относительной влажности воздуха и измерения сорбционной влажности (на примере газобетона уо = 600 кг/м3)
очередь, были определены значения сорбционной влажности этого материала при относительной влажности воздуха, фактически имеющей место над растворами.
Из данных таблицы 2 следует:
— фактическая относительная влажность воздуха над растворами меньше требуемых значений этого показателя;
— ошибка задания относительной влажности воздуха уменьшается с увеличением значения этого показателя ;
— измеренные значения сорбционной влажности газобетона меньше истинных значений этого показателя.
Как отмечено выше, заданные значения относительной влажности воздуха в эксикаторах можно создавать не только при помощи водных растворов серной кислоты, но также при помощи растворов глицерина или насыщенных растворов солей. Сопоставим те технические показатели этих растворов, которые определяют точность задания относительной влажности воздуха над растворами, а следовательно, и точность определения сорбционной влажности испытываемого материала.
На основании таблиц зависимостей:
— плотности водных растворов серной кислоты от их концентрации при температуре +20°С;
— давления паров воды над водными растворами серной кислоты от концентрации при температуре +20°С;
— относительной влажности воздуха над водными растворами серной кислоты различной концентрации (от 0 до 80%) от температуры растворов, представленных в справочнике [10] и в статье Р.Е. Вильсона [11], были построены следующие зависимости;
— скорости увеличения плотности раствора серной кислоты при увеличении его концентрации при температуре +20°С;
— скорости уменьшения относительной влажности воздуха над раствором серной кислоты при увеличении его концентрации;
— скорости увеличения относительной влажности воздуха над растворами серной кислоты при увеличении его температуры при температурах, близких к +20°С.
По этим трем графикам были определены представленные в таблице 3 значения:
Технический показатель раствора Требуемая относительная влажность воздуха, %, при температуре +20°С
40 60 80 90 97
Концентрация, % 47,13 36,88 25,23 16,53 5,93
Плотность, кг/м3 1368 1276 1180 1113 1038
Скорость увеличения плотности раствора при увеличении его концентрации, кг/(м •%) 9,7 8,7 7,9 7,3 6,7
Скорость уменьшения относительной влажности воздуха при увеличении концентрации раствора, %/% 1,9 1,9 1,6 1,1 0,5
Скорость увеличения относительной влажности воздуха при увеличении температуры раствора, %/°С 0,13 0,09 0,05 0,02 0,005
Таблица 3. Технические показатели растворов серной кислоты при температуре + 20С 624 3 2010
строительные материалы и конструкции
— скорости увеличения плотности раствора серной кислоты при увеличении его концентрации;
— скорости уменьшения относительной влажности воздуха над раствором серной кислоты при увеличении его концентрации;
— скорости увеличения относительной влажности воздуха над раствором серной кислоты при увеличении его температуры.
Согласно расчетам, проведенным на основании представленных в пособии [4] и в справочнике [10] зависимости плотности водного раствора глицерина от его концентрации и зависимости относительной влажности воздуха над этим раствором от его концентрации:
— скорость увеличения плотности раствора при увеличении его концентрации от 0 до 100% составляет 2,6 кг/(м3%);
— абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над раствором при абсолютной ошибки определения его плотности, равной 1 кг/м3, составляет 0,5% при относительной влажности воздуха над раствором 0—90% и 0,15% при относительной влажности воздуха 90—97%.
Сопоставление с данными, приведенными в таблице 3, показывает, что скорость увеличения плотности водного раствора глицерина при увеличении его концентрации в три-четыре раза меньше, чем скорость увеличения плотности водного раствора серной кислоты при увеличении его концентрации.
Это различие объясняется тем, что плотность глицерина, равная 1260 кг/м3, значительно меньше отличается от плотности воды, чем плотность серной кислоты, равная 1860 кг/м3.
Следствием этого различия в скоростях увеличения плотности является различие в ошибках заданиях относительной влажности воздуха над этими растворами, которые возникают по причине ошибок, имеющих место при определении плотности растворов в процессе их приготовления. Абсолютная ошибка задания влажности воздуха над водными растворами глицерина при абсолютной ошибке определения его плотности в процессе приготовления, равной цене деления ареометра 1 кг/м3, в 2—2,5 раза больше, чем абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над водными растворами серной кислоты при той же ошибке определения их плотности.
В таблице 4 представлены значения относительной влажности воздуха при температуре +20°С над насыщенными водными растворами ряда солей. В международном стандарте [9] растворы именно этих солей рекомендованы использовать при определении сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом для создания в эксикаторах паровоздушных смесей с заданными значениями относительной влажности. В таблице 4 также представлены значения скорости уменьшения относительной влажности воздуха над растворами
Соль Относительная влажность воздуха над раствором, % Скорость уменьшения относительной влажности воздуха над раствором при увеличении его температуры, %/°С
Йодистый натрий Ыа1 39,7 0,30
Двууглекислый калий К2С03 44,0 0,24
Азотнокислый магний Мд(М03)2 54,4 0,30
Бромистый натрий ЫаВг 59,1 0,40
Йодистый калий К.1 69,9 0,21
Хлористый стронций 5гС12 72,5 0,33
Азотнокислый натрий ЫаЫ03 75,4 0,22
Хлористый натрий ЫаС1 75,5 0,04
Хлористый аммоний ЫН4С1 79,2 0,13
Сернокислый аммоний (МН4)2504 81,3 0,07
Бромистый калий КВг 81,7 0,16
Хлористый калий КС1 85,1 0,15
Азотнокислый стронций 5г(Ы03)2 86,9 0,37
Азотнокислый калий КЫ03 94,6 0,21
Сернокислый калий К2Б04 97,6 0,06
Таблица 4. Показатели насыщенных растворов солей при температуре +20°С
3 2010 625
строительные материалы и конструкции
солей при увеличении их температуры. Эти значения скоростей вычислены по данным об относительной влажности воздуха над этими растворами при различных температурах, которые представлены в стандартах [8, 9] и в статье О'Брайена [12].
Сопоставление данных, приведенных в таблицах 3 и 4, показывает, что скорость изменения относительной влажности воздуха над насыщенными водными растворами солей при изменении температуры больше, чем над водными растворами серной кислоты. Это различие увеличивается с увеличением относительной влажности воздуха, а точнее — с уменьшением концентрации раствора серной кислоты. При относительной влажности воздуха 40—80% скорость изменения относительной влажности воздуха над растворами солей в 2—4 раза больше, чем над растворами серной кислоты, а при относительной влажности воздуха 90—97% это различие достигает 10—20 раз. Поэтому абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами солей, возникающая как следствие колебаний температуры растворов, в 2—20 раз больше, чем абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами серной кислоты, возникающая по той же причине.
При определении сорбционной влажности материалов ошибки задания относительной влажности воздуха в эксикаторах, а следовательно, и ошибки определения сорбционной влажности имеют место вследствие ошибок определения плотности растворов при их приготовлении и колебаний температуры растворов в процессе испытания.
Цена деления ареометров, применяемых для
определения плотности водных растворов серной кислоты при их приготовлении, равняется 1 кг/м3 [13]. Поэтому абсолютная ошибка определения плотности растворов при их приготовлении принята равной 1 кг/м3. Исходя из этого значения абсолютной ошибки определения плотности растворов и основываясь на представленных в таблице 3 значениях концентрации растворов, плотности растворов, скорости увеличения плотности растворов при увеличении их концентрации, скорости уменьшения относительной влажности воздуха над растворами при увеличении их концентрации, были вычислены значения следующих ошибок, являющихся следствием ошибок измерения плотностей (±1 кг/м3) растворов при их приготовлении [14]:
— относительной ошибки определения плотности растворов;
— абсолютной и относительной ошибок определения концентрации растворов;
— абсолютной и относительной ошибок определения относительной влажности воздуха над растворами.
Результаты расчетов представлены в таблице 5. Из данных этой таблицы следует, что абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами, являющаяся следствием ошибки измерения плотности растворов, составляет 0,075—0,19%. Опыт экспериментального определения сорбционной влажности строительных материалов показывает, что если абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха в эксикаторе составляет 0,075—0,19%, то возникающей вследствие этого ошибкой определения сорбционной влажности можно пренебречь.
Вид ошибки определения технического показателя раствора Требуемая относительная влажность воздуха, %, при температуре +20°С
40 60 80 90 97
Абсолютная ошибка измерения плотности раствора, кг/м3 1 1 1 1 1
Относительная ошибка измерения плотности раствора, % 0,073 0,078 0,085 0,090 0,096
Абсолютная ошибка определения концентрации раствора, % 0,10 0,11 0,13 0,14 0,15
Относительная ошибка определения концентрации раствора, % 0,21 0,30 0,52 0,85 2,5
Абсолютная ошибка определения относительной влажности воздуха, % 0,19 0,21 0,21 0,15 0,075
Относительная ошибка определения относительной влажности воздуха, % 0,48 0,35 0,26 0,17 0,077
Таблица 5. Ошибки определения концентрации водных растворов серной кислоты и относительной влажности воздуха над ними, являющиеся следствием ошибок измерения их плотности
626 3 2010
строительные материалы и конструкции
В качестве примера рассмотрим ошибки определения сорбционной влажности газобетона с плотностью 600 кг/м3, являющиеся следствием ошибки измерения плотности растворов при их приготовлении. Если при относительной влажности воздуха 40, 60, 80, 90 и 97% абсолютная ошибка ее определения составляет соответственно 0,19, 0,21, 0,21, 0,15 и 0,075%, то относительная ошибка определения сорбционной влажности газобетона составляет соответственно 0,2, 0,2, 0,8, 1 и 2%. Очевидно, что столь малыми ошибками определения сорбционной влажности можно пренебречь.
Колебания температуры воздуха в течение года в помещении, предназначенном для экспериментального определения сорбционной влажности материалов составляет ±2°С [14]. Поэтому абсолютная ошибка задания температуры водных растворов серной кислоты в процессе определения сорбционной влажности строительных материалов принята равной 2°С. Исходя из этого значения абсолютной ошибки задания температуры растворов серной кислоты и основываясь на данных, представленных в таблице 3, были вычислены значения ошибок, являющихся следствием колебаний температуры (±2°С) в процессе измерения: абсолютной ошибки определения относительной влажности воздуха и относительной ошибки определения относительной влажности воздуха.
Результаты расчетов представлены в таблице
6. Из данных этой таблицы следует, что абсолютная ошибка определения относительной влажности воздуха над растворами, являющаяся следствием колебаний температуры (±2°С) растворов в процессе измерения, составляет 0,01—0,26%. Если абсолютная ошибка определения относительной влажности воздуха в эксикаторе составляет 0,01—0,26%, то возникающей вследствие этого ошибкой определения сорбционной влажности можно пренебречь.
В качестве примера рассмотрим ошибки определения сорбционной влажности газобетона с плотностью 600 кг/м3, являющиеся следствием колеба-
ний температуры (±2°С) растворов серной кислоты в процессе измерения. Если при относительной влажности воздуха 40, 60, 80, 90 и 97% абсолютная ошибка ее определения составляет 0,26, 0,18, 0,10, 0,04 и 0,01%, то относительная ошибка определения сорбционной влажности газобетона составляет соответственно 0,3, 0,2, 0,3, 0,2 и 0,3%. Очевидно, что столь малыми ошибками определения сорбционной влажности можно пренебречь.
Выводы. При определении равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом для поддержания в эксикаторах заданных значений относительной влажности воздуха целесообразно использовать водные растворы серной кислоты, а не глицерина и не насыщенные водные растворы солей, так как абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами серной кислоты:
— в 2,0—2,5 раза меньше, чем абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами глицерина;
— в 10 раз меньше, чем абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над насыщенными растворами солей.
Литература
1. Карапетян М.Х. Химическая термодинамика. М., 1953. 212 с.
2. Лыков А.В. Теория сушки. М., 1968. 472 с.
3. Ривкин С.Л., Александров А.А., Термодинамические свойства воды и водяного пара. М., 1984. 125 с.
4. Франчук А.У., Фокин К.Ф. Методика определения влажностных характеристик строительных материалов. Киев, 1970. 47 с.
5. Daudt A. Control of relative air humidity by means of aqueous sulphuric acid solutions // J. Phys. Chem. 1923. Vol. 106. P. 225-232.
6. Knietsh. Berl. K. Akad. 1901. Vol. 34. S. 4069-4075.
7. Pictet G. Comp. rend. 1894. Vol. 119. P. 642-647.
Вид ошибки определения технического показателя раствора Требуемая относительная влажность воздуха, %, при температуре +20°С
40 60 80 90 97
Абсолютная ошибка определения относительной влажности воздуха, % 0,26 0,18 0,10 0,04 0,01
Относительная ошибка определения относительной влажности воздуха, % 0,65 0,30 0,13 0,04 0,01
Таблица 6. Ошибки определения относительной влажности воздуха над водным раствором серной кислоты, являющиеся следствием колебаний температуры растворов на ±2°С
3 2G1G б27
строительные материалы и конструкции
8. ASTM E 107-85. Standard practice for maintaining constant relative humidity by means of aqueous solutions.
9. ISO 12571:2000. Hydrothermal performance of building materials and products. Determination of hygroscopic sorption curves.
10. Справочник химика. М.;Л., 1965. Т. 3. 487 с.
11. Wilson R.E. Humidity control by means of sulfuric acid solutions // J. Indust. Engin. Chem. 1921. Vol. 13, № 10. P. 326-331.
12. O'Brien F.E.M. The control of humidity by saturated salt solutions // J. Scient. Instrum. 1948. Vol. 25. P. 7376.
13. ГОСТ 1300-94. Ареометры общего назначения стеклянные для измерения плотности жидкостей в пределах 700-2000 кг/м3.
14. ГОСТ 24816-81. Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности.
Ошибки измерения равновесной сорбционной влажности материалов ограждающих конструкций эксикаторным методом
Анализ ошибок измерения равновесной сор-
бционной влажности материалов ограждающих конструкций эксикаторным методом показал преимущества водных растворов серной кислоты по сравнению с насыщенными водными растворами солей.
Measurement errors of equilibrium sorption moisture content of construction materials by exiccator method
by I.Y. Kiselyov
Analysis of measurement errors of equilibrium sorption moisture content of construction materials by exiccator method demonstrated the advantages of sulphuric acid aqueous solutions compared with saturated aqueous salt solutions.
Ключевые слова. Строительные материалы, строительные конструкции, равновесная сорбционная влажность, измерение, ошибки.
Key words. Building materials, structural components, equilibrium sorption moisture content, measurement, errors.
б28 З 2G1G
