Анализ состава внутрипорового вещества засоленного стенового материала при изменении температуры

3/2011_МГСу ТНИК

АНАЛИЗ СОСТАВА ВНУТРИПОРОВОГО ВЕЩЕСТВА ЗАСОЛЕННОГО СТЕНОВОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF POROUS SUBSTANCE OF SALINE WALL MATERIAL UNDER THE TEMPERATURE CHANGE

Т.Ф. Ельчищева, M.M. Ельчищев T.F. Elchishcheva, M.M. Elchishchev

ГОУ ВПО «ТГТУ»

Выявлены особенности формирования фазового состава солей в поровом пространстве стенового материала при изменении температуры. Приведены результаты исследования для пеносиликата, содержащего хлорид и фосфат натрия.

The paper reveals the features of the formation of the phase composition of salts in the pore space of the wall material under the temperature change. The results of the research into foamed silicate containing chloride and sodium phosphate are presented.

Наружные стены зданий разделяют две воздушные среды, одна из которых испытывает воздействие атмосферных факторов, а другая - влияние микроклимата помещений. Часто к этим воздействиям добавляется влияние гигроскопических солей, широко распространенных в природе и использующихся в производстве. Накопление солей происходит в поровом пространстве трех основных групп зданий - производственных, памятников архитектуры, монолитных и каменных зданий из мелкоштучных материалов, возводимых с использованием технологических добавок [3].

При накоплении солей внутри пор стеновых материалов образуются разбавленные, а затем насыщенные солевые растворы, участвующие в процессах тепломассопе-реноса и фазовых превращениях [1, 3-5]. Известно, что при понижении температуры до отрицательных значений в материале, кроме кристаллической соли, могут образовываться кристаллы льда. Тогда материал можно рассматривать как систему «матрица материала - паровоздушная смесь - растворы солей - кристаллы солей - лед» с различными концентрациями компонентов. Количественное содержание одной из твердых фаз - криофазы (льда) при отрицательных температурах позволяет прогнозировать математическая модель C.B. Александровского [1].

Предположим, что в порах стенового материала находится насыщенный раствор соли. Тогда в осенне-зимний период при понижении температуры в ограждении и снижении температуры раствора уменьшается растворимость соли и происходит ее кристаллизация из раствора. В весенне-летний период, при сушке ограждения и уменьшении содержания в нем влаги, из насыщенного раствора выпадает твердая фаза соли. К примеру, возьмем соль хлорида натрия (NaCl). Согласно диаграмме растворимости, из насыщенного раствора NaCl, в зависимости от температуры исследования,

ВЕСТНИК 3/2011

могут выпадать как кристаллы безводного №С1, так и кристаллы кристаллогидрата -дигидрогалита (МаС1-2Н20). При температуре от -21,2 до +0,15 °С из насыщенного раствора кристаллизуется №С1-2Н20. В интервале от +0,15 до +108,7 °С из насыщенного раствора кристаллизуется безводный №С1. При выпадении из раствора безводной соли или кристаллогидрата объем осадка отличается ввиду различной плотности выпавших кристаллов (для №С1 плотность составляет 2,165, а для КаС1-2Н20 - 1,6 г/см3). При выпадении одной и той же твердой фазы количество осадка меняется вследствие изменения растворимости соли при различных температурах.

В данной работе приводятся результаты исследования на математической модели состава внутрипорового вещества в засоленном стеновом материале. Вычислительный эксперимент проводился на модельном материале - пеносиликате пористостью 75 % и плотностью 650 кг/м3, содержащем хлорид натрия и фосфат натрия (№3Р04). В стенах эксплуатируемых зданий достижения таких отрицательных температур, при которых происходит замерзание растворов солей, не наблюдается, поэтому принятый интервал исследования 0...20 °С. Фосфат натрия в таком интервале кристаллизуется из раствора в виде кристаллогидрата №3Р0412Н20. В работе была поставлена задача: установить величину заполнения порового пространства материала кристаллической солью в зависимости от температуры, количества вносимой соли, влагосодержания материала и вида соли, кристаллизующейся из раствора - безводная соль или кристаллогидрат.

При моделировании состава внутрипорового вещества (в.п.в.) пеносиликат, в по-ровом пространстве которого находились влага и соли, рассматривался как условно гетерогенная система с комбинированной структурой [2], включающая структуру с замкнутыми включениями (для систем: «скелет материала - кристаллы солей»; «воздух - водяной пар»; «водяной пар - жидкая влага или растворы солей») и взаимопроникающими компонентами (для систем: «условный 100%-й раствор соли - вода» и «матрица материала с кристаллами соли - внутрипоровое вещество») [4]. Для изучения поведения целевой функции в факторном пространстве использовался итерационный численный метод с циклическим алгоритмом решения задачи и конечным, заранее известным, числом повторения операций. Циклическими переменными являлись влаго- (ю) и солесодержание (с), на одном шаге вычислений изменялся один параметр - уровень ю с шагом Дю, или уровень с с шагом Ас.

Исходными данными для расчета состава внутрипорового вещества являлись: плотности стенового материала у0, соли ус, насыщенного раствора урн, кг/м3; пористость материала П, %; с, ю, и их предельные значения - спред, ©пред, % (масс.); уровень влагосодержания материала при 80%-й влажности воздуха ю80, % (масс.); значение влагосодержания, достаточное для образования раствора в поровом пространстве юр, % (масс.); концентрация сн, % (масс.) и гигроскопическая точка фг, % насыщенного раствора; коэффициент / для вычисления теплоты испарения воды из насыщенного раствора соли. Значение юпреД принималось с учетом Ди>а„, % (масс.) для условий эксплуатации «Б» (по СНиП 23-02-2003) и Юпред = Юб + где Юб - влагосодержание материала для условий эксплуатации «Б», % (масс.). Физико-химические свойства солей и их насыщенных растворов принимались для температур 0, 10 и 20 °С.

Были установлены 11 возможных вариантов состава в.п.в. [4], в которых поры были заполнены сухим или влажным воздухом, насыщенным или разбавленным раствором и (или) кристаллами соли. Алгоритм расчета состава в.п.в. состоял из двух частей и представлен в виде блок-схемы на рис. 1.

3/2011

ВЕСТНИК

_МГСУ

Рис. 1. Блок-схема расчета состава внутрипорового вещества

В первой части алгоритма по формулам аналитической химии вычислялись параметры модели: давление пара над насыщенным pпpн и разбавленным pпpp растворами солей, Па; гигроскопическая точка разбавленного раствора соли фгр, %; концентрация ср, % (масс.), и плотность ур, кг/м3, раствора соли; ^ - коэффициент для вычисления теплоты испарения воды из разбавленного раствора соли. Во второй части вычислялись объемные концентрации: скелета материала m2cк, внутрипорового вещества m2впв, кристаллической соли m2c, воды m2в0д, соли в растворе m2cp, раствора m2p.

Объемные концентрации компонентов в.п.в. рассчитывались из условия:

ВЕСТНИК МГСУ

3/2011

т21. = У./У;

т2впв = 0,01П - т2с .

Объемная концентрация кристаллической соли

т2с = 0,01г„

где с - содержание соли в растворе, % (масс.).

Алгоритм расчета был реализован в виде программы для персонального компьютера на языке С++. Результаты расчетов на модели представлены в виде отношения объемных концентраций кристаллической соли и внутрипорового вещества (т2с / т2впв) -100 , %, в виде изолиний уровней отклика как функция от двух аргументов - ю, % (масс.) и удельного солесодержания суд, г/дм3 (рис. 2).

Рис. 2. Изолинии отношения объёмных концентраций кристаллов солей и в.п.в., %, в зависимости от солесодержания суд, г/куб.дм и влагосодержания ю, % (масс.), пеносиликата: а - соли

ЫаС1 при температуре 10.20 0С; б - соли №С1-2Н20 при температуре 0 0С; в - соли Ыа3Р04-12Н20 при температуре 0.20 0С; г - увеличение заполнения порового пространства солью ЫаС1-2Н20 по сравнению с ЫаС1.

3/2011_МГСу ТНИК

Установлено, что при одинаковых уровнях влаго- и солесодержания степень заполнения кристаллами солей порового пространства различна и зависит от температуры и вида кристаллизующейся соли - безводная соль или кристаллогидрат.

Сравнение объема порового пространства, заполненного кристаллической солью, для различных уровней влагосодержания материала показало, что оно максимально для сухого материала и достигает 15,7 % - для дигидрогалита и 11,1 % - для хлорида натрия. Увеличение содержания влаги в материале приводит к снижению объема пор, заполненного кристаллами солей, вследствие перехода части кристаллической соли в раствор. Однако полного поглощения одного эффекта другим не наблюдалось. Объем пор, заполненный кристаллами соли, составил (см.рис. 2, а, б): для дигидрогалита - до 14,1, 12,5 и 10,9 %, а для хлорида натрия - до 10,1, 9,0 и 7,8 % при содержании влаги 6, 12 и 18 % (масс.) соответственно.

Установлено, что по сравнению с кристаллизацией из раствора в виде безводной соли, кристаллизация в виде дигидрогалита (см. рис.2, г) приводит к увеличению заполнения порового пространства на величину до 29, 28,7, 28,5 и 28,2 % (отн.) при содержании влаги 0, 6, 12 и 18 % (масс.) соответственно.

При кристаллизации соли из раствора фосфата натрия в виде кристаллогидрата №3Р0412Н20 (см. рис. 2, в) заполнение порового пространства составило: до 15,2 % -для сухого материала; до 15,0...14,5 % - при содержании влаги 6...18 % (масс.).

Сравнение объема порового пространства, заполненного дигидрогалитом и №3Р0412Н20, показало, что в случае сухого материала объем пор, заполненных №С1-2Н20 на 2,6.2,8 % (отн.) больше объема, заполненного №3Р0412Н20. При увеличении влагосодержания пеносиликата картина изменяется. Объем пор, заполненных №3Р0412Н20, по сравнению с объемом пор, заполненных №С1-2Н20, выше на 2,3.8,6 % (отн.), 2,1.6,3 % (отн.) и 3,3. 11,4 % (отн.) для уровней влагосодержания 6, 12 и 18 % (масс.) соответственно.

Полученные результаты исследования на математической модели состава внутрипорового вещества пеносиликата позволили сделать следующие выводы.

1. Количество соли, кристаллизующейся в поровом пространстве, зависит при прочих одинаковых условиях от ее физико-химических свойств, в частности, плотности, растворимости и гигроскопичности.

2. Увеличение объема пор, занимаемых кристаллической солью, вызывают: повышение солесодержания материала, понижение температуры раствора, низкие плотность и растворимость соли и кристаллизация ее в виде кристаллогидрата.

3. Уменьшение объема, занятого кристаллами соли, возможно вследствие увеличения влагосодержания материала, способствующего переходу части соли в раствор.

Необходимо проведение дальнейших исследований для установления влияния гигроскопических солей на долговечность наружных ограждающих конструкций.

Литература

1. Александровский C.B. Долговечность наружных ограждающих конструкций. - М., 2004. - 332 с.

2. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. - Л.: Энерго-атомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 248 с.

3. Езерский В.А. Физико-технические основы обеспечения эксплуатационной надежности ограждающих конструкций зданий при воздействии гигроскопических солей. - автореф. дис. ... д-ра техн. наук . - М.: МГСУ, 1994. - 38 с.

ВЕСТНИК 3/2011

4. Езерский В.А., Ельчищева Т.Ф. Исследование влияния солей на теплопроводность ячеистого бетона // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. - 2003. Т. 9. № 2. - С. 286-298.

5. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. - М.: Стройиздат, 1980. - 536 с.

References

1. Aleksandrovsky S.V. Durability of external protecting designs. - M., 2004. - 332 p.

2. Dulnev G. N, Novikov V.V. Transport processes in non-homogenous media. - L: Power atom publishing house. Leningrad, brunch, 1991. - 248 p.

3. Yezersky V. A. Maintenance of operational reliability protecting design building physico-technical bases under influence of hygroscopic salts. - Autoabstract dis. doc. tech. Sciences. - M: MU-SU, 1994. - 38 p.

4. Yezersky V. A, Elchishcheva T.F. Investigation of Salts Influence on Heat Conductivity of Cell Concrete // Transactions of the TSTU. - 2003. T. 9. № 2. - 286-298 p.

5. Moskvin V. M, Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Corrosion-damaged concrete and ferro-concrete, methods of their protection. - M: Stroyizdat, 1980. - 536 p.

Ключевые слова: взаимопроникающие компоненты; внутрипоровое вещество; гигроскопичность; долговечность; комбинированные системы; кристаллогидрат; ограждающие конструкции; производственная среда; растворимость; растворы солей; системы с включениями.

Keywords: interpenetrating components; interstitial substance; hygroscopic; durability; combined systems; crystalline hydrate; protecting designs; industrial environment; solubility; of salt solutions; systems with inclusions.

E-mail: elschevat@mail.ru.

Рецензент: доктор физико-математических наук, профессор, директор института математики, физики и информатики Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина Е. С. Жуковский.