2.2. Теплофизические характеристики строительных материалов

Строительные материалы являются в своем большинстве сложными капиллярно-пористыми телами, поры которых могут быть заполнены влажным воздухом, жидкой влагой и льдом. Особенности строения определяют большую изменчивость теплофизических характеристик строительных материалов.

Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м ^оС), характеризует свойство материалов проводить теплоту.

В толще влажного материала передача теплоты происходит несколькими путями. Через твердый скелет, а также пленки жидкой влаги и лед теплота передается посредством теплопроводности. В порах, заполненных влажным воздухом, помимо теплопроводности, теплообмен происходит конвекцией и излучением. Определенное количество теплоты переносится фильтрующимся через материал воздухом. Свойство теплопроводности зависит при прочих равных условиях от крупности пор. В сообщающихся порах могут возникать конвективные токи воздуха, которые повышают проводимость теплоты.

Всю совокупность сложных явлений, участвующих в передаче теплоты в толще материалов, обычно приводят к теплопроводности, выражающуюся через коэффициент теплопроводности, который является собирательным эквивалентным коэффициентом, учитывающим все физические явления, происходящие в материале и связанные с передачей теплоты.

Важной для строительных материалов является зависимость l от влажности. С увеличением влажности материалов коэффициент теплопроводности возрастает. Увеличение коэффициента связано с замещением воздуха в порах жидкой влагой, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности.

Влажность материала в ограждениях изменяется во времени. В начальный момент это связано с внесением в конструкцию "строительной влаги". В процессе эксплуатации (после того как часть влаги испарится) материалы стен и перекрытий входят в некоторый установившийся квазистационарный влажностный режим. Значения коэффициента l для расчета теплового режима зданий принято устанавливать по так называемой "нормальной влажности" в период эксплуатации. В нормах даются три градации влажностного состояния конструкций, которые связаны с влажностными характеристиками внутреннего и наружного климата.

2.3. Основы термодинамики влажного материала

Влага воздуха помещения. Количество влаги в воздухе определяется его влагосодержанием d в г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Кроме того, его влажностное состояние характеризуют упругостью или парциальным давлением водяных паров е, мм рт.ст. или относительной влажностью j, %.

Воздух обладает определенной влагоудерживающей способностью. Например, при 20^оС каждый 1 кг сухого воздуха удерживает при полном насыщении 17,2 г водяных паров. При низкой температуре способность воздуха удерживать влагу становится незначительной (2 г при - 12^оС), с повышением температуры она возрастает (51 г при 40^оС).

Упругость водяного пара е качественно отражает свободную энергию влаги в воздухе. Величина е возрастает от нуля до максимальной упругости Е, соответствующей полному насыщению. Упругость е в этой связи можно рассматривать как измеритель энергетического потенциала водяных паров в воздухе. Диффузия влаги происходит в воздухе от мест с большей упругостью водяных паров к местам с меньшей упругостью.

Основы термодинамики влажного материала. Наиболее полная методика энергетической оценки форм влаги и система энергетической классификации связи влаги с материалом была предложена П.А. Ребиндером, согласно которой все формы связи влаги в зависимости от прочности делятся на три вида. Наиболее прочной является химическая форма связи. При рассмотрении влагопередачи в ограждениях ее можно не учитывать.

Вода, расположенная непосредственно на поверхности зерен и связанная силами молекулярного взаимодействия, называется адсорбционной. Адсорбционную влагу относят к физико-химической форме связи.

Основной объем жидкой влаги находится в порах и капиллярах материала вне сферы действия сил физико-химической формы связи и удерживается силами поверхностного натяжения воды и силами смачивания материала. Эту форму связи называют физико-механической. К ней относится влага макро- и частично микрокапилляров, стыковая и пленочная.

В расчете влажностного режима конструкций желательно воспользоваться наиболее общим методом, который позволил бы без анализа частных закономерностей и микроявлений получить общую картину влагообмена и его закономерности. Таким методом является термодинамический.

Фазы влаги в материале находятся в контакте между собой и между ними может происходить тепло- и массообмен. Компоненты и фазы имеют определенную энергию, энтальпию, энтропию, температуру и т.д. Определение этих термодинамических функций состояния возможно с помощью независимых переменных: массы n_i, геометрического параметра (например, объема) u_i и энтропии s_i или температуры Т_i каждой части. Все остальные свойства части могут быть найдены с помощью этих трех независимых переменных.

Состояние влажного материала удобно оценивать изменением свободной энергии F_i фазы i равно:

dF_i = dТ_i + du_i + dn_i (2.11)

В этом уравнении отношение ¶F_{i /} ¶Т_i = - s_i - энтропия фазы; ¶F_{i /} ¶u_i = - р_i - давление, действующее со стороны фазы; ¶F_{i /} ¶n_i = m_i - химический потенциал фаз. С учетом принятых обозначений уравнение (2.11) для dF_i можно переписать в виде зависимости

dF_i = - s_i dТ_i - р_i du_i + m_i dn_i, (2.12)

которая является формой записи основного термодинамического уравнения Гиббса для открытой системы при принятых независимых переменных.

Для каждой фазы влаги уравнение (2.12) будет иметь свое написание. Для жидкой фазы, в которой могут быть растворенные примеси, значение dF_ж равно

dF_ж = - s_ж dТ_ж - р_ж du_ж + Sm_жj dn_ж (2.13)

Величина m_жj есть химический потенциал жидкой влаги, вызванный наличием в ней растворимого вещества j.

Также необходимо учитывать действие на жидкую влагу гравитационного поля с потенциалом q_г и вводить в равенство (2.13) дополнительное слагаемое:

dF_ж = - s_ж dТ - р_ж du_ж + Sm_жj dn_ж + q_г dn_ж (2.14)

Плотность жидкой влаги r_ж можно считать практически неизменной, поэтому второй член правой части уравнения (2.14) можно преобразовать, умножив и разделив на r_ж, и привести его к виду

dF_ж = - s_ж dТ +(- + Sm_ж + q_г) dn_ж (2.15)

Из уравнения (2.15) следует, что перенос жидкой фазы происходит под влиянием величины, обозначенной скобками во втором слагаемом правой части уравнения. Эта величина по физическому смыслу является полным термодинамическим потенциалом q_ж жидкой влаги:

q_ж = - + Sm_жj + q_г (2.16)

Из уравнения (2.15) следует, что перенос массы жидкой фазы будет происходить от области с более высоким потенциалом к области с более низким потенциалом (dq_ж < 0), поэтому разность потенциалов влажности q определяет возможность, направление и интенсивность переноса влаги (независимо от ее фазового состояния) и возможный предел влажностного равновесия в переходном процессе влагообмена.

Для измерения потенциала q необходимо введение специальной шкалы потенциала влажности. Потенциал влажности в процессе переноса влаги играет такую же роль, как температура, которая является потенциалом в процессе переноса теплоты. Введем постулат. Два влажных тела, находящиеся во влажностном равновесии с третьим, находятся во влажностном равновесии и друг с другом.

Потенциал влажности можно измерить, определяя равновесную влажность определенного материала. Наиболее удобно измерять величину q влажного тела равновесной влажностью фильтровальной бумаги, находящейся с ним в состоянии влажностного равновесия.

Потенциал влажности измеряют в градусах влажности (град В). Равновесную массовую влажность фильтровальной бумаги, соответствующую максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре 20^оС, принимают за 100^оВ; сухой бумаге соответствует 0^оВ. Изменение равновесной влажности фильтровальной бумаги на 1/100 величины ее максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре равно 1^оВ. На рис. 2.2 приведен график зависимости между потенциалом влажности q и влажностью фильтровальной бумаги при различных температурах.

Рис. 2.2. Зависимость между потенциалом влажности и влажностью фильтровальной бумаги при различных температурах

Все положения о потенциале влажности остаются справедливыми и в области отрицательных температур.

Постановка задачи о нестационарной влагопередаче, основанная на потенциале влажности, обладает рядом достоинств. Однако в расчетной практике она применяется редко в связи с отсутствием данных о влажностных характеристиках в шкале потенциала влажности большинства строительных материалов.