Курс лекций: Строительные материалы

Газопроницаемость

Газопроницаемость - свойство пористой структуры пропускать газ при перепаде давлений. Газопроницаемость зависит от размеров и вида пор, поэтому этот показатель часто используют при оценке равномерности структуры.

Наибольшее значение газопроницаемости соответствует размеру пор порядка 20... 100 мкм. Однако проницаемость газов через бетоны может происходить и при более низких значениях размера пор (0,1 мкм и ниже), например, в тонких трещинах.

Газопроницаемость весьма чувствительна к изменению структуры изделий. Так, если при некотором изменении структуры открытая пористость изменилась в 2 раза, то газопроницаемость меняется более чем в 100 раз.

Поскольку материал, как правило, имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

Таблица 2.4. Сопротивление воздухопроницанию некоторых материалов и конструкций

Для вывода уравнения газопроницаемости пористость материала условно представляют в виде цилиндрических каналов одинакового сечения, идущих параллельно направлению движения газа.

Уравнение Пуазейля хорошо отражает процесс газопроницаемости, но очень сложно для практических расчетов. Поэтому часто для расчета газопроницаемости строительных изделий и конструкций используют упрощенную формулу Дарси, хотя она описывает лишь перенос газа через стенку:

V = K_r.А. ф.Др/д,

где V -- объемный или массовый поток газа в единицу времени, м³/c или кг/с;

K_r -- коэффициент газопроницаемости. Для объемной газопроницаемости -- м²/Па^.с; для массовой -- кг/м^.Па^.с;

А -- площадь сечения потока, м²;

ф -- время протекания процесса, с;

д -- глубина проникания газа, м.

Др - Разность давлений газа на входе и выходе из поры, Па^.с.

Коэффициент газопроницаемости фактически является той физической константой для каждой пористой структуры, которая оценивает ее способность, при определенных условиях, пропускать газ.

При расчете строительных конструкций учитывают газопроницаемость структуры материалов через сопротивление воздухопроницанию.

Паропроницаемость является разновидностью газопроницаемости с той лишь особенностью, что пар способен в зависимости от условий изменять свое агрегатное состояние, т.е. конденсироваться, вытесняя газовую фазу, и значительно изменять свойство структуры. В табл. 2.5. приведены данные о сопротивлении паропроницаемости некоторых материалов.

Паропроницаемость, как характеристику структуры рассматривают в двух аспектах:

- материаловедческом -- защита структуры и конструкции в целом от разрушительного действия конденсата;

- теплофизическом -- решение проблемы создания надлежащего телловлажностного режима помещения.

Таблица. 2.5. Сопротивление паропроницанию некоторых строительных материалов

В обоих случаях устраивают так называемую пароизоляцию с внутренней стороны ограждающих конструкций, в частности наружных стен и покрытий здания, из газопаронепроницаемых материалов. Качество таких материалов характеризуется сопротивлением паропроницанию R_n в м^2.ч^.Па^.с/мг.

Водопроницаемость

Водопроницаемость - способность пористой структуры пропускать воду (жидкие среды) под давлением. Как характеристика структуры водопроницаемость аналогична газопроницаемости и подчиняется тем же законам течения жидкости под давлением.

Методы определения водопроницаемости позволяют полнее судить о характере пористой структуры.

Определение водопроницаемости сухих и предварительно насыщенных образцов дает близкие по значению конечные результаты. Однако в первом случае по кинетике проницания воды, характеризуемой изменением электропроводности, можно судить об анизотропии пор, для чего водопроницаемость измеряют в трех взаимно перпендикулярных направлениях, тогда как во втором - такой вывод сделать невозможно.

Фактор анизотропии выражается среднеквадратичным отклонением а выборочной дисперсии коэффициентов водопроницаемости в трех направлениях (к_ь к₂, к₃), отнесенных к его среднему значению Кс_Р:

К_аниз = у/ Кс_Р

Чем ниже значение этого фактора, тем меньше степень анизотропии структуры. Для изотропной структуры он равен нулю.

Значение водопроницаемости одной и той же структуры значительно ниже, чем газопроницаемости. Это можно объяснить рядом причин:

значительным различием величин вязкости жидкостей и газа;

возможным образованием застойных зон жидкости вследствие отрыва вязкой жидкости в процессе обтекания твердого тела;

уменьшением фильтрации жидкости, связанным с действием электростатических сил между жидкостью и твердой фазой.

Свойство, обратное водопроницаемости, - водонепроницаемость. Характеризует структуру плотных материалов, работающих в условиях непосредственного контакта с водой (например, гидротехнический бетон). Такие материалы подразделяются на классы по водонепроницаемости (W2, W4, W6, W8, W12). Цифра показывает величину давления воды в кгс/см², при котором образец - цилиндр высотой 15 см не пропускает воду.

Теплофизические свойства. Теплоемкость

Основные понятия, термины определения

Теплоемкость является мерой энергии, необходимой для повышения температуры материала. Эта энергия затрачивается на:

- увеличение энергии колебательного движения атомов относительно их равновесного положения в узлах решетки;

- повышение энергетического состояния некоторых электронов в решетке;

- изменение положения атомов (при образовании дефектов структуры или при перестройке структуры).

Теплоемкость вещества С -- один из важнейших термодинамических параметров, значение которого используют для определения энтропии, энтальпии, энергии Гиббса и других величин. Например, согласно третьему началу термодинамики определение абсолютного значения энтропии S основано на измерении температурной зависимости теплоемкости в области низких температур и применении уравнения:

С = Т (dS/dТ),

где Т -- абсолютная температура.

В термодинамической системе теплоемкость схематически расположена на отрезке прямой между термодинамическими потенциалами Т и S.

Величина С характеризуется отношением количества теплоты сообщенного телу (системе) в каком-либо процессе, к соответствующему изменению его температуры dТ:

С = Q/dT.

Отношение теплоемкости к массе тела m называют удельной теплоемкостью с_m, а отношение теплоемкости к количеству вещества M в молях называют молярной теплоемкостью -- с_M:

с_m = С/m [Дж/кг^.К] или [ккал/кг^.оС] -- удельная теплоемкость;

с_м = С/М [Дж/моль^.К] или [ккал/моль^.оС] - молярная теплоемкость.

Теплоемкость зависит не только от начального и конечного состояний, но и от способа, которым был осуществлен переход между ними.

Обычно различают теплоемкость при постоянном давлении С_p (изобарический процесс) и при постоянном объеме С_v (изохорический процесс).

Различие двух процессов заключается в том, что при нагревании в первом случае (Р = соnst) часть теплоты идет на производство работы по расширению тела, а часть -- на увеличение внутренней энергии, тогда как при нагревании во втором случае (V = соnst) вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела.

С_p = (dQ/dТ)_p = (dH/dT)_p; С_V = (dQ/dT)_v = (dU/dТ)_v

где: Q - количество теплоты, Дж;

U - внутренняя энергия, Дж;

Т -- абсолютная температура, К;

Н -- энтальпия, Дж.

Разница между этими величинами у твердых тел невелика при низких температурах, однако, при высоких температурах она может быть значительной.

Теплоемкость зависит не только от способа сообщения телу тепла при нагревании, но и от макроструктуры, химического состава, агрегатного состояния тела.

Теплоемкость при нагревании и переходных процессах

Взаимосвязь тецлоемкость -- температура достаточно сложна. Она объясняется основными положениями квантовой теории и характеризуется “температурой Дебая”. При этом теплоемкость пропорциональна температуре лишь при низких значениях температуры.

Теплоемкость резко возрастает при наличии процесса, называемого “переход: порядок -- беспорядок”, т.е. при переходе тела из кристаллического состояния в аморфное. Следовательно, можно заключить, что теплоемкость расплава значительно превышает теплоемкость исходного кристаллического соединения. Наблюдения за процессами обжига и плавления керамических материалов наглядно показывают резкое уменьшение скорости подъема температуры в печи в период превращения, так как часть тепловой энергии затрачивается на переход кристаллической фазы в расплав.

При полиморфных превращениях изменение теплоемкости минералов также имеет место, хотя оно не так велико и носит скачкообразный характер.

Теплоемкость не зависит от строения кристаллической решетки, однако, увеличивается при ее разрушении.

Химический состав и теплоемкость

Наиболее отчетливо проявляет себя взаимосвязь «теплоемкость -химический состав» вещества.

Органические вещества имеют значительно большую удельную теплоемкость чем минеральные. Можно представить следующий условный ряд строительных материалов, различающихся химическим составом, по удельной теплоемкости кДж/кг°С при t = 25°С (в сторону увеличения):

железо - 045

сталь - 0,48

гранит - 0,65

стекло - 0, 74

бетон, цемент, известь - 0,84

строит. керамика - 0,88

известняк - 0,92

перлитофосфогелевые изделия - 1,05

пенопласты типа ПВХ - 1,26

пенополистирол - 1,34

пенополиуретан - 1,47

битумы, фенопласты - 1,68

древесина, древесное волокно - 2,30

вода - 4,18

Возникает вопрос: почему на нагрев единицы массы металла или бетона расходуется значительно меньше тепловой энергии, чем на нагрев полимеров или древесины? Видимо, за счет химической природы одни материалы способны передавать энергию, оставаясь устойчивыми, а другие -- накапливать ее до момента их разрушения. Другими словами, неорганические вещества, атомное строение которых имеет волновой характер, являются проводниками тепла, а органические вещества -- накопителями или изоляторами.

По этому критерию удельная теплоемкость «с» имёет взаимосвязь с теплопроводностью «л», температуропроводностью «а» и влияет на теплоусвоение материалов «b»:

с= л / а с ; b = ? л. с. с

Агрегатное состояние и теплоемкость

Агрегатное состояние тела влияет на его теплоемкость. Известно, что при переходе тела из твердого состояния в жидкое теплоемкость увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела:

С_р = (dН/dТ)

где Н -- энтальпия (внутренняя энергия тела при Р = соnst)

Если сравнивать удельные теплоемкости разных веществ с одинаковыми химическими соединениями в различных агрегатных состояниях, то их значения будут очень близки. Главным фактором является химический состав. Приведем некоторые результаты сравнительной оценки:

- газы (за исключением инертных), такие, как воздух, кислород, водород и азот, имеют равную удельную теплоемкость с ~ 0,92 кДж/кг°С, т.е. как у известняка;

- жидкости ряда от бензола (с = 1,35 кДж/кг^.оС -- минимальное значение) до этилового спирта (с = 2,42 кДж/кг^.оС -- максимальное значение) имеют примерно такую же удельную теплоемкость, как органические полимерные материалы ряда от пенопластов (с = 1,26 кДж/кг^.°С) до древесины (с = 2,30 кДж/кг^.оС). У металлов даже крайние значения «с» для жидкости (ртуть) и твердого тела (свинец) равны и составляют всего 0,13 кДж/кг^.°С.