|
Курс лекций
по
"Строительное материаловедение"
Механизм разрушения
структуры пористых тел при замораживании
Существует несколько гипотез,
объясняющих причины разрушения структуры материала при
замораживании:
- вода, находящаяся в крупных
порах материала при температуре ниже 0,01оС,
превращается в лед с увеличением в объеме около 9%. Если при
этом коэффициент насыщения приближается к 1, то в стенках пор
могут возникнуть растягивающие напряжения, являющиеся основной
причиной разрушения структуры;
- давление расширения воды при
замерзании заставляет мигрировать еще не замерзшую воду,
создавая большое гидростатическое давление, которое усиливает
напряжения на стенки сообщающихся пор;
- перемещение незамерзшей воды в
направлении поверхности из тонких пор в крупные в момент
образования в них льда и понижение при этом давления пара
(эффект вспучивания грунта при замерзании).
Анализируя вышеперечисленные
гипотезы, отметим, что, несмотря на некоторые противоречия
(например, между двумя последними причинами в плане направления
миграции воды), главным фактором разрушения следует признать
изменение фазового состояния воды при изменении температуры или
давления.
С точки зрения термодинамики,
процесс замораживания сопоставим с процессом сушки пористых
материалов по двум основным положениям:
- изменение агрегатного состояния
воды или установление равновесного состояния «вода —лед» при
замораживании и «вода — пар» при сушке (рис. 4.31);
- возникновение массообменных
процессов внутри материала в результате высоких
градиентов давлений над водой при замораживании и
высоких градиентов влажности при сушке.
Известно, что процесс диффузии
влаги внутри материала при сушке зависит от характеристики
структуры материала и свойств воды, а также градиентов
температуры, влажности и давления.
Проводя аналогию между процессами
диффузии влаги при сушке и замораживании материалов, отметим
следующие основные моменты:
- если при сушке основной движущей
силой влагопроводности является градиент влажности, который во
многом зависит от интенсивности испарения воды, то при
замораживании — градиент давления, который зависит от изменения
температур и скорости кристаллизации воды;
- направление движения влаги в
обоих случаях одинаковое — в сторону расположения критической
точки превращения воды: в первом случае — в пар, во втором — в
лед, т. е. к поверхности;
- роль воздуха в пористой
структуре материала в двух этих процессах неодинаковая, но
положительная: при сушке, особенно во время интенсивного
нагрева, влага в порах испаряется и за счет избыточного давления
пара увеличивает диффузию, а при замораживании наличие
свободного воздушного пространства уменьшает гидростатическое
давление и снижает напряжение в материале.
|
