Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты проблемы нестационарного тепломассопереноса в ограждающихконструкциях 15
1.1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета процессов тепломассопереноса в ограждающих конструкциях. 15
1.2. Физические основы теории тепломассопереноса в капилляр-нопористых телах 20
1.3. Тепло- и массообменные характеристики капиллярнопори-стых тел 27
1.3.1. Теплообменные характеристики 27
1.3.2. Массообменные характеристики 28
1.4. Перенос тепла и вещества в среде с переменными по тенциалами 29
1.4.1. Нестационарные поля потенциалов тепло- и массопереноса в среде с переменной температурой 30
1.4.2. Нестационарные поля потенциалов тепло- и массопереноса при переменных значениях коэффициентов обмена и потенциалов внешней среды 32
1.4.3. Тепло-и массообмен в слое 33
1.5. Постановка задач при фазовых превращениях влаги в толще конструкции 35
1.5.1. Физико-математическая постановка задачи нестационарной теплопроводности при изменении фазового состояния влаги в материале 35
1.5.2. Физико-математическая постановка задачи тепло- и массопереноса при переменном критерии фазового или химического превращения 36
1.6. Физико-математическая постановка задач для расчета неста ционарного температурно-влажностного режима в много слойной ограждающей конструкции 38
1.6.1. Физико-математическая постановка задачи для расчета нестационарного температурно-влажностного режима ограждающих конструкций по градиентам парциальных давлений водяного пара, влагосодержания и температуры 38
1.6.2. Физико-математическая постановка задачи для расчета нестационарного температурно-влажностного режима ограждающих конструкций по градиентам потенциала влагопереноса и температуры 42
Глава 2. Нестационарный процесс теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции 46
2.1. Теоретические основы теплопередачи через плоскую многослойную ограждающую конструкцию при неустановившемся режиме 46
2.2. Физико-математическая постановка задачи о теплопередаче через многослойное ограждение при неустановившемся режиме 47
2.3. Математическая модель нестационарного процесса теплопере-носа в многослойной ограждающей конструкции 51
Глава 3. Нестационарный процесс теплопереноса в многослойном ограждении с учетом фазовых превращений влаги в материале 69
3.1. Общие положения 69
3.2. Промерзание однослойной ограждающей конструкции с учетом фазовых превращений влаги в материале конструкции по В.Н.Богословскому 72
3.3. Промерзание неограниченной пластины с учетом фазовых превращений влаги в материале конструкции по А.В. Лыкову 75
3.4. Предлагаемая математическая модель комбинированного метода расчета нестационарного процесса теплопереноса во 76 влажных слоистых средах
Глава 4. Нестационарный процесс теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции при ее тепловлажностной обработке 97
4.1. Общие положения 97
4.2. Особенности процесса гидратации цемента при тепловлажно-стной обработке 98
4.3. Режимы тепловлажностной обработки 101
4.4. Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла в ограждающей конструкции при различных режимах тепловлажностной обработки 108
4.5. Математическая модель теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции при тепловлажностной обработке с учетом гидратации цемента 113
4.6. Алгоритм расчета процесса 126
Глава 5. Методология расчета нестационарного процесса тепло-и массопереноса в многослой ной ограждающей конструкции 128
5.1 Общие положения 128
5.2. Физико-математическая постановка задачи о взаимосвязанном тепло- и массопереносе в многослойной ограждающей конструкции 131
5.3. Математическая модель расчета температурных и массовых пол ей в многослойной ограждающей конструкции 135
5.4. Алгоритм расчета многослойной конструкции при нестацио нарном процессе тепломассопереноса 191
Общие выводы по части 1 195
Глава 6. Методики проведения экспериментов 200
6.1. Методика определения сопротивления теплопередаче многослойных конструкций на примере кирпичных кладок 200
6.2. Методика определения сопротивления теплопередаче утеплителей 209
6.2.1. Общие положения 209
6.2.2. Изготовление образцов 209
6.2.3. Аппаратура и оборудование 209
6.2.4. Подготовка к испытанию 210
6.2.5. Проведение испытаний 210
6.2.6. Обработка результатов 210
6.3. Методика определения температурных полей во влажных об
разцах при их промерзании 214
6.3.1. Общие положения 214
6.3.2. Изготовление образцов 214
6.3.3. Аппаратура и оборудование 214
6.3.4. Подготовка к испытанию 215
6.3.5. Проведение испытаний 215
6.3.6. Обработка результатов 216
6.4. Методика экспериментального определения коэффициента D...
6.4.1. Общие положения 219
6.4.2. Изготовление образцов 219
6.4.3. Аппаратура и оборудование 220
6.4.4. Подготовка к испытанию 220
6.4.5. Проведение испытаний 220
6.4.6. Обработка результатов 221
Глава 7. Решение и анализ некоторых прикладных задач с помощью предлагаемых математических моделей и методов расчета 222
7.1. Оптимальное проектирование слоистых ограждающих конструкций с точки зрения теплопереноса 222
7.2. Расчет многослойного ограждения на промерзание 228
7.3. Расчет температурных полей многослойных влажных конструкций 233
7.4. Пример решения комплексной задачи проектирования ограждающих конструкций жилого помещения, фундамента и осно
вания 237
7.5. Моделирование процесса теплопереноса в увлажненной железобетонной трехслойной панели ограждения 252
7.6. Моделирование нестационарных процессов в железобетонной трехслойной панели при тепловлажностной обработке 254
7.7. Примеры расчета полей тепла и массы в трехслойной конструкции 277
7.8. Экономический анализ разработок 286
Общие выводы по части ii 288
Заключение 289
Библиографический список использованной литературы
- Физические основы теории тепломассопереноса в капилляр-нопористых телах
- Физико-математическая постановка задачи о теплопередаче через многослойное ограждение при неустановившемся режиме
- Промерзание неограниченной пластины с учетом фазовых превращений влаги в материале конструкции по А.В. Лыкову
- Особенности процесса гидратации цемента при тепловлажно-стной обработке
Введение к работе
В начале семидесятых годов двадцатого столетия разразился мировой энергетический кризис. В последние тридцать лет практически все высокоразвитые страны периодически пересматривают в сторону увеличения требования нормативных документов, декларирующих уровень теплозащиты зданий и сооружений. Во главу проблемы энергосбережения поставлена экономическая оценка теплозащитной способности ограждающих конструкций. В СССР одним из основных нормативных документов при проектировании ограждающих конструкций являлся СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника". Хотя основы методики оптимизации теплозащиты ограждающих конструкций по минимуму приведенных затрат были разработаны в 1933 г. [4], только в 1986 г. была утверждена новая редакция СНиП, в которой для нового строительства был введен критерий минимума приведенных затрат. Требования к теплозащите зданий в СССР стали адекватны аналогичным требованиям западных стран. Нормы в западных странах непрерывно ужесточались, а в СССР оставались неизменными вплоть до 1994 г. Согласно анализу, проведенному в 1992 г. в России было установлено, что на энергопотребление зданий уходит до 43% всей тепловой энергии страны. Из них: 90% составляют эксплуатационные расходы энергии, 8% идет на производство строительных материалов и изделий и 2% расходуется в процессе строительства [5]. Последовательные постановления Госстроя (Минстроя) России от 21.01.94 г. №18-3; от 21.01.94 г. №18-4; от 04.04.95 г. №18-27; от 11.08.95 г. №18-81; от 11.07.96 г. №18-46; от 19.01.98 г. №18-8, а также Указ Президента России "Основные направления энергетической политики России на период до 2010 г." от 07.05.95 г. и Постановление Межведомственного Совета по вопросам строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства от мая 1995 г. [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13] создали законодательную и утвердили нормативную базу, направленную на снижение эксплуатационных расходов по содержанию здании и экономию энергоресурсов. При назначении новых нормативов были использованы теоретические разработки проф. О.Фангера [14] и В.Н.Богословского [15], в которых заложен принцип комфорта помещений здания, а также разработки проф. Ю.А.Табунщикова в части рассмотрения здания как единой энергетической системы, были учтены и обобщены отечественный и зарубежный опыт в области эксплуатации зданий, а также в области стандартизации теплозащиты зданий с учетом требований стандартов ISO, ASHRAE, BOCA и модели энергетического стандарта США [16]. Впервые требования нормы распространяются не только на новое строительство, но и на реконструируемые здания. "Рубиконом" введения новых норм явился 2000 г. Оценка конструктивных решений ограждающих конструкций предопределила переход от однослойных конструкций к многослойным, содержащим эффективный утепляющий слой, экономические критерии проектирования стали играть определяющую роль.
До энергетического кризиса во всех странах при теплотехническом проектировании ограждающих конструкций в основу был положен принцип санитарно-гигиенической пригодности к эксплуатации, суть которого заключа- ется в том, что во избежание выпадения конденсата температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции не должна опускаться ниже температуры, соответствующей точке росы [17], и нормами практически никак не учитывалось термовлажностное состояние всей ограждающей конструкции. Изменения №№ 3 и 4 к СНиП И-3-79 предъявляют повышенные требования к теплозащите зданий. Нормы с изменениями базируются на двух принципах: энергосбережения и санитарно-гигиенической пригодности к эксплуатации. Смысл проектирования ограждающих конструкций заключается в назначении необходимого сопротивления теплопередаче конструкции (R). Конструктивное расположение слоев должно обеспечивать нормальный режим эксплуатации, при котором влажность материалов конструкции не должна превышать определенного уровня, и обеспечивался бы отвод конденсационной влаги, которая образуется в результате диффузии водяного пара через толщу конструкции из помещения наружу. Однако, нормами практически не учитывается процесс диффузии капиллярной влаги в толщу конструкции вследствие атмосферных воздействий, грунтовых вод, субъективных факторов, возникающих при эксплуатации зданий (аварии тепло- и водо-снабжающих сетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли, неисправности вентиляции, снижение, против нормативной, температуры теплоносителя в отопительных приборах, старение и деструктивное разложение вертикальной и горизонтальной гидроизоляции стен, нестационарность процессов тешіомассопереноса и т.д.). Таким образом, проектирование ограждающих конструкций по существующим нормам не является безусловной гарантией их эксплуатационной надежности.
Нашим предкам хорошо были известны "узкие" места конструкции сруба - верхние и нижние (закладные) венцы, именно эти венцы работают в худших термовлажностных условиях, именно для них при рубке сруба выбирались бревна большего диаметра. Подобные "узкие" места имеют ограждающие конструкции стен. Повышенное содержание влаги в стенах можно с полной уверенностью отнести к дефектному состоянию, так как влага существенно снижает физико-механические и теплофизические характеристики материалов стен. Отсутствие на стадии проектирования моделирования процессов, протекающих в конструкциях, и прогнозирования поведения конструкций при работе их в реальных условиях приводит к увеличению теплопо-терь и к преждевременному старению конструкций. Отсутствие стандарта в области теплозащиты зданий, который включал бы в себя в качестве составных частей - СНиП "Строительная теплотехника", стандарт по параметрам внутреннего воздуха, стандарт по освещенности помещения и т.п., а также отсутствие единой политики в области стандартизации и сертификации строительной индустрии будет и дальше приводить к большим экономическим потерям.
Монография профессора А.В. Лыкова [1] является научным трудом, в котором впервые были систематизированы знания в области строительной теплофизики, а также рассмотрены процессы взаимосвязанного тешіомассопереноса в строительных материалах и ограждающих конструкциях. К сожалению, идеи и подходы изложенные в [1] и последующих монографиях [2, 3] не получили широкого распространения в строительной науке, однако, фундаментальность теоретических исследований предопределила развитие теплофизики вообще. В настоящее время можно с уверенностью говорить о целых направлениях в области, например: химических технологий, промышленной энергетики, где с успехом используются и получают развитие разработки А.В.Лыкова, его учеников и последователей его школы.
По мнению автора, настало время, использовав наработки в других областях теплофизической науки, вернуться к разработкам А.В. Лыкова на новой качественной ступени и как бы "вернуть долг" строительной теплофизике в части расчета и последующей разработки рациональных ограждающих конструкций, отвечающих требованиям нормативных документов с учетом реально протекающих физических процессов в толще конструкции. Методика теплотехнического расчета СНиП П-3-79 с учетом изменений №№ 3 и 4 предполагает стационарное линейное распределение температуры в каждом из слоев многослойной конструкции. Расчет ограждающей конструкции ведется в предположении, что помещение отапливается регулярно, а зимние температуры достаточно стабильны. В реальных условиях температура отопительных приборов очень часто меняется из-за различного рода объективных и субъективных факторов (аварии теплоцентралей, плановых и внеплановых понижений и повышений температуры теплоносителей и т.п.), а температура наружного воздуха редко остается постоянной даже в течение суток, таким образом, все процессы (теплоперенос, паро-, воздухо-, влагопро-ницание, промерзание, оттаивание, сушка, конденсация) носят нестационарный характер. Анализ современных публикаций позволяет сделать вывод о разобщенности исследований в области математического моделирования и расчета термовлажностных процессов, протекающих в реальных многослойных ограждающих конструкциях, состоящих из различных строительных материалов и имеющих различные физические свойства.
В связи с изложенным, в работе была поставлена цель: исходя из паспорта специальности 05.23.01., п.З - создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействия на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности.
Для реализации этой цели были решены следующие основные задачи:
На основе существующих и новых решений задач внутреннего тепло-массопереноса при краевых условиях максимально приближенных к реальным, разработаны математические модели процессов, происходящих в различных строительных материалах, которые составляют тело многослойных конструкций.
На базе полученных решений созданы инженерные методы расчета для оптимального проектирования многослойных ограждающих конструкций.
Разработаны новые методики натурных испытаний строительных материалов и конструкций на тепло- и влагопроводность.
Научная новизна диссертации:
Впервые для процессов теплопереноса; теплопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепло- и массопереноса, разработано их обобщенное математическое описание в приложении к строительным материалам, конструкциям зданий и сооружений.
На основе математического описания предложен комбинированный метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Метод базируется на решении ряда краевых задач: теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями (крайний слой конструкции); теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями (средние слои конструкции); теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями (крайний слой конструкции); теплоперенос в пластине с фиксированными границами и условиями I рода на этих границах при неравномерном начальном распределении температур и внутреннего источника теплоты по толщине пластины; теплоперенос в пластине с неравномерным начальным распределением температур и источника теплоты по толщине пластины с комбинированными граничными условиями I и II рода; теплоперенос в пластине с неравномерным начальным распределением температур и источника теплоты, который изменяет свою мощность по толщине пластины и во времени при комбинированных граничных условиях I и II рода; тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями (крайний слой конструкции); тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями (средние слои конструкции); тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями (крайний слой конструкции).
Разработанный метод реализован в широком классе прикладных задач и позволяет смоделировать реальные ситуации, возникающие в многослойных ограждающих конструкциях, связанные с промерзанием, оттаиванием, сушкой и охлаждением до температуры точки росы любого слоя строительного материала, из которого состоят эти конструкции.
Получены новые данные о кинетике процессов, протекающих в теле многослойной конструкции, в зависимости от исходных условий.
5. Осуществлена разработка трех новых методик теплотехнических испытаний строительных материалов и конструкций без использования климатической камеры. Применение этих методик позволяет определить физические характеристики строительных материалов и строительных конструкций в любой период их изготовления или эксплуатации и рассчитать их фактическое сопротивление теплопередаче.
В диссертации автор защищает: обобщенное математическое описание процессов теплопереноса; теп-лопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепло- и массопереноса в приложении к строительным материалам и конструкциям; аналитические решения краевых задач теплопереноса при различных начальных условиях; аналитические решения краевых задач тепло- и массопереноса при произвольных начальных распределениях потенциалов переноса и при наличии источников теплоты и массы на поверхности (или в объеме) строительного материала конструкции; аналитические решения краевых задач взаимосвязанного тепло- и массопереноса при задании плотности теплового и массового потока в виде постоянной величины или функции; математические модели и инженерные методы расчета многослойных ограждающих конструкций; результаты экспериментальных исследований по определению температурных и влажностных характеристик строительных материалов; предложения по проектированию ограждающих конструкций.
Работа выполнялась по тематике программы "Жилище", а также программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (подпрограммы 211.02 - "Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные технологии их производства" и 211.03 - "Строительные конструкции и совершенствование методов их расчета").
Практическое значение работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на ОАО "Ивановская домостроительная компания" при проектировании и производстве трехслойных железобетонных панелей, при строительстве комбината детского питания, жилого дома по Педагогическому переулку, обследовании перекрытия клиники «Миленарис», фасадов здания ОАО «Текстиль-Профи-Иваново, чердачного перекрытия главного корпуса ИГАСУ в г. Иваново, и трех корпусов Тейковского ХБК, а также могут быть использованы при составлении проектов, дополнений и новых редакций разделов нормативных документов, касающихся прочностных и теплотехнических характеристик ограждающих строительных конструкций. Результаты исследований переданы в ведущие проектные институты города Иваново: ОАО «Промстройпроект», ОАО институт «Ивановопроект», ЗАО «Ивановопроект ГПИ-6», ОАО институт «Гидроагротехпром», проектный институт ОАО «Ивановская домостроительная компания»; ОГУ «Ивгосэкспертиза»; в НИИ строительной физики (г. Москва), а также внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по строительным специальностям в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии. Вместе с тем, полученные результаты носят общий характер и, кроме строительства, могут быть использованы в различных отраслях промышленности. Благодаря предложенным математическим моделям и методам расчета у проектировщиков и исследователей появилась возможность отказаться от длительных по времени, достаточно громоздких (в отношении приборного обеспечения) испытаний строительных материалов, многослойных конструкций и аппроксимировать данные нестационарного процесса на состояние конструкции при стационарном процессе.
Апробапия работы.
Результаты работы доложены на: на 1-ой Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажност-ная обработка материалов)". - Москва, 2002 г. (пленарный доклад); на четырех Российско-Польских семинарах «Теоретические основы строительства» (Россия - 2002 г. /Москва/, Польша - 2003 г. /Варшава/, Россия - 2004 г. /Н.Новгород/, Польша - 2005 г. /Варшава/ Ольштейн/; на Соломатовских чтениях «Проблемы строительного материаловедения» г. Саранск, 2002 г. (пленарный доклад) и 2004 г.; на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» - Волгоград, 2003 г. (пленарный доклад); на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященном 150-летию В.Г. Шухова - Белгород, 2003 г. (пленарный доклад); на Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" X Бенардосовские чтения (ИГЭУ, 2001 г.); на VI академических чтениях РААСН "Современные проблемы материаловедения". - Иваново (2000 г.); на восьмых академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения". - Самара (2004 г.); на трех апрельских конференциях (академических чтениях), состоявшихся в НИИСФ "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях".- Москва (1999,2000,2003гг.); девяти Международных научно-технических конференциях, состоявшихся в ИГАСА «Информационная среда ВУЗа» (1996,1997,1999...2005гг.); четырех технических совещаниях в администрации г. Иванова с приглашением директоров и главных инженеров кирпичных заводов и проектных институтов г. Иванова; на заседании архитектурно-строительной секции Ивановского отделения Петровской академии наук и искусств (1999,2003 гг.); опубликованы в 40 статьях и одной монографии.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения с основными выводами. Она содержит 341 страницу машинописного текста, включая: 14 таблиц, 96 рисунков и 4 блок-схемы, библиографический список из 238 наименований и 5 приложений.
Введение предваряет работу, здесь приведены предпосылки, которые побудили автора провести исследования, а также отображены научная новизна диссертации, ее практическое значение, апробация и объем работ.
Теоретическая часть диссертации содержит пять глав.
Первая глава посвящена теоретическим аспектам проблемы нестационарного тепломассопереноса в ограждающих конструкциях, в ней анализируется современное состояние проблемы моделирования и расчета процессов тепломассопереноса, а также проводится анализ достоинств и недостатков существующих методов расчета. Производится постановка задачи.
Во второй главе рассматривается нестационарный процесс теплоперено-са в многослойной ограждающей конструкции, приводятся теоретические основы и постановка задачи о теплопередаче через плоскую многослойную ограждающую конструкцию, предлагается математическая модель рассматриваемого процесса.
Третья глава по структуре схожа со второй главой, в ней рассматривается нестационарный процесс теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции с учетом фазовых превращений влаги в материале.
В четвертой главе рассматривается нестационарный теплоперенос в железобетонной многослойной ограждающей конструкции при тепловлажност-ной обработке с учетом наличия в слоях бетона объемного источника тепла (гидратация цемента), изменяющегося по толщине конструкции и во времени.
В пятой главе приведена методика расчета нестационарного процесса тепло- и массопереноса в многослойной ограждающей конструкции.
Итак, вторая, третья, четвертая и пятая главы посвящены решению краевых задач для неограниченных пластин при несимметричных граничных и неравномерных начальных условиях для случаев нестационарного теплопереноса; теплопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепломассопереноса. Предложен комбинированный метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками.
Расчетно-экспериментальная часть диссертации содержит две главы.
Шестая глава посвящена разработке методик проведения теплотехнических испытаний строительных материалов и конструкций.
В седьмой главе приводятся решения ряда прикладных задач с помощью разработанных методов.
В заключении приведены основные выводы по диссертации.
В приложениях содержатся блок-схемы теплотехнических расчетов, примеры результатов и графиков машинного счета прикладных задач, а также копии документов, подтверждающих использование результатов исследований в промышленности.
ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Физические основы теории тепломассопереноса в капилляр-нопористых телах
Практически все строительные материалы, изделия и конструкции содержат влагу и их можно классифицировать как капиллярно-пористые тела. При положительных температурах влага в таких телах содержится в виде жидкости и пара, а при отрицательных температурах - в виде льда. В строительных конструкциях имеет место перенос неконденсирующихся газов и жидкости, перенос газообразного вещества (пар, инертные газы) осуществляется молекулярным (диффузия и эффузия) и молярным путем (фильтрация в результате перепада общего давления), перенос жидкости осуществляется в результате диффузии, капиллярного впитывания и фильтрации, вызванной градиентом гидростатического давления.
Согласно учению П.А. Ребиндера [107] при положительных температурах влага в материале может находиться в пяти видах: химически связанная вода, адсорбционно связанная вода, капиллярно связанная вода, осмотически связанная вода и свободная вода, удерживаемая в дисперсной структуре, захваченная телом механически. Только химическое связывание воды (химическая гидратация) приводит к получению прочного материала, например, при твердении вяжущих, четыре остальных связи влаги с материалом приводят к изменению его структурномеханических свойств и снижению прочности. Для большинства строительных материалов основными видами влаги являются адсорбционная и капиллярная. Изотермы сорбции и десорбции большинства строительных материалов имеют S-образный вид. Равновесное содержание влаги в материале при десорбции больше, чем при сорбции, уменьшается с увеличением температуры и зависит от влажности воздуха, поэтому равновесное влагосодержание не может служить характеристикой удерживания влаги телом. Влагосодержание тела аналогично по своей сути энтальпии (теплосодержанию), которая равняется произведению теплоемкости тела на температуру. В процессах теплопереноса именно теплоемкость характеризует аккумулирующую способность тела удерживать тепло, а способность тела удерживать влагу характеризует массоемкость (влагоемкость) тела.
«Влага в конструкции - это таинственная незнакомка...» - эти слова сказанные В.Н. Богословским при дискуссии на защите докторской диссертации Гагарина В.Г. в 2000г. в НИИСФ, как нельзя точно, отражают современное состояние вопроса о температурновлажностном расчете и проектировании строительных материалов и конструкций.
Влага в материале - не всегда плохо. Попробуйте вытереть досуха влажную поверхность обеденного стола сухой тряпкой. Любая хозяйка из своего опыта знает, что тряпку перед этим надо увлажнить, а затем отжать, причем, фланелевую или льняную с разным усилием, только тогда будет достигнут желаемый результат. Морозная свежесть чистого белья хорошо знакома каждому из нас, а пересушенное белье отутюжить проблематично. Каменщик - дока при возведении кладки из керамического кирпича, если кирпич звенит, т.е. пересушен, обязательно окунет его в ведро с водой, иначе кирпич очень быстро заберет влагу из раствора (весь цемент просто не успеет прогидратировать), и прочность кладки будет снижена. Вода - самый распространенный на Земле строительный материал, который в буквальном смысле является «живительным», т.е. дающим жизнь практически всем строительным материалам.
В процессе изготовления и эксплуатации материал конструкции периодически увлажняется и высыхает («сухие» и «мокрые» технологии, воздействия окружающей среды, деятельность человека и т.д.). Важнейшими показателями материала, с точки зрения строительного материаловедения, являются морозостойкость и влагопроницаемость. Практически все строительные материалы содержат свободную влагу, как поведет себя эта влага в тот или иной момент, как отразится это на состоянии материала и конструкции, как спрогнозировать и адекватно смоделировать процессы фазового превращения влаги в материале, с какой скоростью продвигаются в тело материала фронт сушки, увлажнения, промерзания, где в толще конструкции находится температура, соответствующая температуре точки росы - все это актуальные вопросы проектирования, изготовления материалов, изделий и конструкций, строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Фазовые превращения влаги в материале сопровождаются поглощением и выделением тепла. Это влияет на теплофизическое состояние материала. Учет фазовых превращений влаги позволяет более точно описать физическую картину протекания нестационарных процессов тепло- и массопереноса в теле материала и на его поверхности, оптимизировать состав и технологию изготовления, спрогнозировать физико-механические характеристики будущего материала или «поставить диагноз» существующему материалу при его техническом освидетельствовании.
Капиллярно-пористые тела имеют поры различных размеров, поэтому перенос тепла и вещества в таких телах рассматривают с учетом величины радиуса капилляров. Капилляры подразделяют на микро- и макро капилляры. Критерием разделения служит величина радиуса капилляра равная 10"5 см. Ю.Л. Казаков экспериментально доказал, что при радиусе больше, чем 10 5см капиллярно-пористые тела отдают влагу в атмосферу, насыщенную водяными парами, а при радиусе меньше, чем 10"5 см сорбируют влагу из влажного воздуха. В [1] подробно описан механизм переноса газообразного вещества в таких капиллярах. Были получены теоретически и экспериментально доказаны такие явления, как: перетекание газа в микрокапиллярах пористого тела к местам с более высокой температурой при наличии в теле участков с разными температурами, но одинаковом давлении; в макрокапиллярах водяной пар (легкий газ Цп=18) стремится диффундировать против потока тепла, а воздух (тяжелый газ цп =29) диффундирует по направлению потока тепла, эта тер модиффузия усиливается циркуляцией смеси газа в макрокапилляре и, таким образом, более нагретые концы капилляра обогащаются водяным паром, а менее нагретые - воздухом. В капиллярно-пористых телах перенос влаги происходит в направлении от высшего потенциала к низшему. Плотность потока влаги прямо пропорциональна градиенту потенциала массопереноса.
В частном случае, когда влияние эффектов термодиффузии и внутренних фазовых превращений пренебрежимо мало и основной перенос массы осуществляется посредством массопроводности, в уравнениях (1.2) и (1.3) исчезают последние слагаемые правой части. Система уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса распадается на две самостоятельных задачи переноса теплоты и массы, которые описываются параболическими уравнениями теплопроводности.
Физико-математическая постановка задачи о теплопередаче через многослойное ограждение при неустановившемся режиме
Отметим еще раз, что методика СНиП П-3-79 с учетом изменений №3 и №4 СНиП предполагает стационарное линейное распределение температуры в каждом из слоев ограждающей конструкции, так как считается, что помещение отапливается регулярно, а зимние температуры достаточно стабильны. В реальных условиях температура отопительных приборов очень часто меняется из-за различного рода объективных и субъективных факторов - аварий теплоцентралей, плановых и внеплановых снижений и повышений температуры теплоносителя и т.п., а температура наружного воздуха редко остается постоянной даже в течение суток, таким образом, нестационарный теплоперенос присутствует практически всегда. Постоянное изменение граничных условий обусловливает перманентный процесс перераспределения температур в толще ограждающей конструкции. Различают два варианта условий нагрева или охлаждения: изменение температуры и изменение теплового потока на поверхности конструкции [15]. В реальных условиях теплопередачи через ограждение изменяется температура, тепловой поток, поступающий на поверхность стены, меняется в случае ступенчатого изменения теплоотдачи нагревательных приборов системы отопления. Для однослойных стен задачи на односторонний нагрев или охлаждение решены. В данной главе ставится общая задача - расчет нестационарного процесса теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции, создание его математической модели, которая позволила бы ответить на ряд вопросов проектирования таких конструкций, например: - в какой мере методика определения сопротивления теплопердаче (R) по СНиП П-3-79 отвечает реальным условиям эксплуатации; как рационально с теплотехнической точки зрения запроектировать конструкцию с учетом прочностных и экономических факторов; как меняется температура в конструкции при различных режимах эксплуатации; как распределяется температурное поле в сложном в конструктивном исполнении стеновом ограждении; каково реальное сопротивление теплопередаче эксплуатируемой конструкции и т.д. -f Рис.2.1
Имеем трехслойную панель (см. рис. 2.1). На левую плоскость слоя 1 подается тепловой поток q. Правая плоскость слоя 3 граничит с наружной (н) средой. Задача состоит в определении изменения температуры t(x,x) и тепловых потоков q(x,x) во времени (т) и в пространстве по толщине ограждения (х). Точность теплотехнического расчета для строительных конструкций зависит от правильности выбранных значений их теплофизических характеристик. При расчетах обычно используют два основных показателя - коэффициенты: теплопроводности (А,) и объемной теплоемкости (ср). Для линейного уравнения теплопроводности при X и ср = const вводят коэффициент температуропроводности (а). a = VM (2.1)
Для решения задачи необходимо, чтобы были заданы: - начальные условия, определяющие распределение температуры в толще и на границах ограждения в начальный момент времени; - уравнения теплопроводности, описывающие процесс передачи тепла через толщу конструкции; - граничные условия, определяющие условия теплообмена на всех характерных плоскостях. Начальные условия могут быть заданы в виде уравнения, таблицы, графика распределения температуры в момент начала процесса (при т =0). В общем случае уравнение начальных условий имеет вид: где значения коэффициента теплоемкости [с(х,т)-р(х,т)] и коэффициента теплопроводности Х(х,т) изменяются от слоя к слою, завися от времени и температуры.
Для нашего случая удобно записать систему линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Каждое уравнение записываем для отдельного слоя с дополнительными граничными условиями на стыках слоев, полагая, что в пределах каждого отдельного слоя Х\ и СІРІ = const (і - номер слоя):
Запишем граничные условия теплообмена на границах I и IV, т.е. на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции, которые соприкасаются с внутренним и наружным воздухом, а также окружены другими поверхностями. Внутренний воздух имеет температуру tB, наружный H, поверхность теплоизолирующего кожуха - tR. Если учитывать конвекцию (конвективный обмен), то в расчет вводим коэффициент ак, если лучистый обмен, то коэффициент ал. Если имеется источник тепла, тогда количество поглощенного поверхностью I лучистого тепла определяем по формуле: qn = p-q, (2.7) где р - коэффициент поглощения поверхности ограждения для данного излучения (принимается по таблицам), q - интенсивность падающего на ограждение излучения от источника.
Если рассматривать самый общий случай, то на поверхности ограждений происходит сложный теплообмен, который определяется условиями второго рода (заданная интенсивность теплового потока) и условиями третьего рода (заданные условия теплообмена с окружающей средой). С учетом вышеизложенного граничные условия на границе I имеют вид:
Промерзание неограниченной пластины с учетом фазовых превращений влаги в материале конструкции по А.В. Лыкову
Постановки задач о промерзании влажного ограждения у В.Н. Богословского и у А.В. Лыкова весьма похожи.
В [3] А.В. Лыков с ссылкой на второй метод Л.С. Лейбензона приводит решение о затвердевании (замораживании) неограниченной пластины, отмечая при этом, что решение является приближенным. Условие сопряжения на фронте промерзания заменяется интегральным условием затвердевания, которое вытекает из условия теплового баланса и имеет вид: _X2uM = pw3, (3.14) ох ох ах где р - теплота фазового перехода, W - влажность материала пластины (масса влаги в единице массы абсолютно сухого материала (кг/кг), у2 - плотность материала пластины (кг/м3), - текущая координата, т - время, X - коэффициент теплопроводности, Т - температура, индекс "1" относится к мерзлой зоне, индекс "2" - к талой.
Формула для времени тт - полного замерзания неограниченной пластины толщиной 2R, противоположные поверхности которой охлаждаются и поддерживаются при температуре Тс, меньшей, чем температура замерзания, имеет вид: R2(pY2+n) m 2 (Т3-ТС) где Ц = (4/9)с2Г2(То-Тз) + (1/2)с1Г1(Т3-Тс), (3.16) где Т0 - первоначальная температура материала пластины, Т3 - температура замерзания влаги в материале.
Если конструкция многослойная, то решение задачи рассмотренными методами значительно усложняется. Для решения задачи теплопроводности в многослойной конструкции с учетом фазовых превращений влаги в материале воспользуемся методикой изложенной выше в п.2.3. настоящей работы. 1
Физико-математическую поста- t новку задачи проследим на примере промерзания многослойной кирпичной кладки. Три остальных случая (оттаивание, испарение, конденсация) аналогичны по физической картине рассматриваемому примеру.
Физическая картина процесса может быть представлена следующим образом (Рис. 3.2а): многослойная (для простоты рассматривается трехслойная) стенка находится в стационарном (талом) состоянии, вся влага в конструкции находится в виде пара и жидкости, распределение температур по слоям имеет вид:
Слева от конструкции располагается помещение, поверхность I омывается воздухом внутренней (в) среды, справа от конструкции располагается наружная (н) среда. Теплообмен на поверхности I и IV происходит по закону Ньютона. В момент времени т=0 температура наружной среды внезапно понижается ниже температуры замерзания влаги в материале. В слое 3 начинает образовываться зона промерзания, правая граница которой совпадает с плоскостью IV, а левой является изотермическая плоскость фронт промерзания с температурой Ц =0С, т.е. равной температуре замерзания влаги на открытом воздухе. При этом второй и первый слои остаются с температурой to (см. Рис. 3.26). С течением времени /І а б в А = Ц Ч13В — фронт начинает продвигаться в глубь слоя 3. Температура справа начинает понижаться и в определенный момент времени достигает температуры tn3B равной температуре полного замерза ния влаги в материале, которая опре деляется опытным путем для каждого конкретного материала. Как указыва лось выше - согласно учению П.А. Ребиндера [107] влага в материа ле может находиться в пяти видах: химически связанная вода, адсорбци онно связанная вода, капиллярно свя занная вода, осмотически связанная Рис. 3.2в вода и свободная вода, удерживаемая в дисперсной структуре, захваченная телом механически. Температура Ц соответствует температуре замерзания свободной воды, а температура tn3B может быть принята равной температуре замерзания осмотически связанной или капиллярно связанной воды, так как для большинства строительных материалов именно эти два вида влаги - адсорбционная и капиллярная являются основными. Таким образом, в слое 3 образуется три зоны (см. Рис. 3.2в):
(а) - талая зона, левая плоскость ее ограничена плоскостью III (плос кость физического контакта слоев 2 и 3), а правая фронтом промерзания изотермической плоскостью с температурой равной Ц;
(б) - зона промерзания, левая, ограничивающая ее плоскость, совпадает с изотермической плоскостью фронта промерзания Ц, а правая плоскость зо ны ограничена изотермической плоскостью с температурой равной tn3B;
(в) - мерзлая зона, левая плоскость зоны имеет температуру tn3B, а пра вая совпадает с плоскостью IV, разграничивающую физическую поверхность конструкции (слой 3) с наружной средой.
В каждой зоне (а), (б) и (в) будет свой коэффициент теплопроводности: А.аз; бз; вз соответственно. Индекс (3) номер слоя.
При достижении фронтом промерзания физической границы III сопряжения слоев в процесс промерзания начнет вовлекаться слой 2 и в расчете необходимо будет учитывать Х&; Х&2- И так далее. Всего возможны двадцать четыре характерных случая взаимного расположения физических границ I...IV и изотермических плоскостей с температурами Ц и tn3B(PHc. 3.3...3.26).
Интерес представляют случаи, изображенные на рисунках 3.25 и 3.26, так как с выходом фронта промерзания на границу I физического раздела слоя 1 и внутренней среды (Рис. 3.25) вся конструкция оказывается в промерзшем состоянии, а в случае, представленном на рисунке 3.26, в мерзлом состоянии.
Особенности процесса гидратации цемента при тепловлажно-стной обработке
Исследования [140... 164] посвящены изучению структуры и состава новообразований, возникающих при твердении цементов. Однако многие физико-химические процессы, обусловливающие схватывание и твердение цемента, еще недостаточно изучены. Это объясняется тем, что при твердении цемента возникает сложная система новообразований.
Существует несколько основных теорий о механизме гидратации и фазового состава новообразований, которые могут меняться в процессе взаимодействия цемента с водой. Современные представления о механизме образования и твердения цементного камня возникли на основе общей теории твердения вяжущих веществ, предложенной А.А. Байковым, который объединил кристаллизационную теорию Ле-Шателье и коллоидную теорию И. Миха-элиса, а также исследования в этой области [165... 170]. Продукты гидратации, по А.А. Байкову, должны выделяться в виде очень раздробленной системы в результате прямого присоединения воды к зернам вяжущего. Эти представления о механизме твердения получили название топохимических [171,172].
Кандо и Даймон [172] приводят данные, свидетельствующие о появлении при гидратации трехкальциевого силиката двух видов гидросиликатов: «внешнего», образующегося через раствор, и «внутреннего», возникающего топохимически. При наблюдении в сканирующем электронном микроскопе эти гидросиликаты имеют разную структуру: «внешнюю» - вид рыхлой фольги и волокон, «внутреннюю» - более тонкокристаллическую структуру.
Процесс гидратации вяжущего и развития структуры твердения сводится к растворению в воде первичной твердой дисперсной фазы твердого вещества с образованием раствора, пересыщенного по отношению к кристаллам гидратного новообразования и к выкристаллизовыванию из этого раствора новой фазы кристаллического гидрата с образованием пространственной структуры твердения, то есть искусственного камня [173]. При этом сначала возникает каркас, а затем он обрастает частицами гидрата.
Н. Штейн и X. Стевенс [174] установили, что сразу после затворения водой на поверхности минерала образуется пленка высокоосновного гидросиликата кальция (Сз8Нх), который не виден даже в электронный микроскоп. Такой гидросиликат последовательно превращается сначала в CSH(B), а затем в C2SH2. Это подтвердили С. Брунауэр и Д. Кантро [175], а также Дж. Калоузек [176], придя к выводу о наличии трех стадий гидратации.
Первичным продуктом гидратации основного минерала клинкера - алита является гидрат, богатый известью - Сз8Нх, который затем переходит в менее основный гидросиликат C-S-H. Предложен следующий механизм гидратации этого минерала: C3S + Н- Сз8Нх - первичный гидрат; C3SHx- CH + от 0,8 до 1,5 CSH - вторичный гидрат; от 0,8 до 1,5 CSH + СН - 1,5 - 2 CSH - третичный гидрат. Первичный гидрат образует непроницаемый для воды в течение 2 - 6 ч пограничный слой. Это время соответствует индукционному периоду гидратации.
Вышеперечисленные исследователи установили, что в зависимости от В/Ц меняется основность гидросиликата кальция.
Большой вклад в решение вопроса о составе продуктов и степени гидратации цемента, твердеющего при повышенных температурах 50-100С ТВО внесли Ю.М. Бутт, П.П. Будников, Т.М. Беркович, И.В. Кравченко, М.М. Ма-янц, Ю.С. Малинин, С.А. Миронов, В.Н. Тимашев, X. Тейлор, Дж. Калоузек, Р. Нерс и многие другие. Им не удалось обнаружить существенной разницы между составом продуктов гидратации, образующихся при нормальном твердении и пропаривании. Было установлено, что скорость химической реакции ускоряется лишь по мере повышения температуры, при температуре до 80С в 6 раз и при 100С в 10 раз по сравнению со скоростью гидратации при 20С.
Обстоятельно изучали гидратацию при пропаривании П. П. Будников, СМ. Рояк, Ю.С. Малинин и М.М. Маянц. Ими было показано, что при различных режимах ТВО в интервале 50 - 90С образуются гидросиликатные фазы с основностью 1,7-2. Причем, при 50С была обнаружена нестабильная фаза с повышенным отношением C/S, прочность которой меньше, чем других гидросиликатных фаз. В целом же, с повышением температуры твердения основность гидросиликатов кальция уменьшается.
В этих исследованиях при гидратации при температурах 50 - 100С не были обнаружены низкоосновные гидросиликаты кальция группы CSH(B), о которых писали А. Грудемо и X. Тейлор [177, 178]. По мнению Г. Идорна [179], гели гидросиликата кальция, образовавшиеся при 50 - 100С, характеризуются более высоким отношением C/S и содержат больше ионов алюминия, железа и серы.
Ю.М. Бутт, В.В. Колбасов и В.Н. Тимашев в [180] утверждают, что, хотя образование того или иного гидросиликата кальция при гидратации C3S и C2S зависит от температуры, определяющей растворимость вяжущего, степень пересыщения жидкой фазы, характер твердофазных процессов и т. д., изменение фазового состава гидросиликатов кальция в интервале 20 - 100С (выражающееся в изменении основности гидросиликатов кальция) незначительно и само по себе не может быть причиной существенного изменения их структуры. По мнению И. Одлера [181], на основность гидросиликатов кальция влияет лишь степень гидратации элита, она не зависит от температуры твердения (в интервале от 5 до 50С).
По данным О.М. Астреевой [143] процесс гидратации и возникновения структуры может быть построен по следующей схеме. При контакте с водой вяжущее вещество растворяется и образуется пересыщенный (по отношению
к гидрату) раствор. В пересыщенном растворе выделяются зародыши гидрата. Растущие кристаллики гидрата сближаются и соединяются, образуя кам-невидную структуру. Учитывая это, процесс твердения разделяют на элементарные стадии: растворение исходного вещества, образование зародышей новой фазы (гидрата), рост кристаллов гидрата, образование коллоидной и кристаллизационной структур.
По данным И.Н. Ахвердова [147], конечные физико-технические свойства цементного камня обуславливаются коагуляционным структурообразо-ванием. Первая стадия процесса связана с уменьшением количества свободной воды, увеличением концентрации раствора электролита до начала схватывания с последующим уменьшением ее по экспоненте. Одновременно происходит интенсивный процесс перераспределения воды и связывания ее твердой фазой до тех пор, пока она полностью не вступит в адсорбционную связь. Перечисленные процессы обуславливают конец формирования коагу-ляционной структуры цементного теста.
Как раз с этого момента времени начинается процесс кристаллизационного структурообразования цементного камня. Происходит интенсивное уменьшение количества свободных молекул в пересыщенном растворе (геле) из-за возникновения центров кристаллизации, обуславливающих формирование субмикрокристаллической структуры вокруг непрогидратированных зерен цемента. Одновременно с этим возникают связи между кристаллическими новообразованиями, что ведет к росту их интегральной прочности с течением времени.
Таким образом, по мнению вышеупомянутых исследователей, влияние тепловой обработки на физико-химические процессы сводится в основном к ускорению гидратации цемента. Однако, при этом минералогический состав цемента оказывает влияние на выбор режима тепловой обработки.
Прочность искусственного камня определяется не столько прочностью отдельных кристалликов образующихся новообразований, сколько прочностью и характером формирующегося из них сростка, а также капиллярно-пористой структурой камня в целом.
