Разработка метода определения коэффициента влагопереноса

58

	РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
направление «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

КАФЕДРА МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ









ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА:
«Разработка метода определения коэффициента влагопереноса»









	

Выполнили:
студенты 4 курса гр. 39 ТФ 133
Власов Е.Ю. и Марещенков П.В.					                                                             

                                                                                                       _______________

         (Подпись)

Проверил: канд. физ.-мат. наук
Михайлов П.Ю.								  _______________

         (Подпись)









Тюмень 2017




МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»



ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ 





ДОПУЩЕНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК 

И ПРОВЕРЕНО НА ОБЪЕМ 

ЗАИМСТВОВАНИЯ

Заведующий кафедрой

д.т.н., профессор

____________А.Б. Шабаров

____________________2017 г. 







ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
 КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПЕРЕНОСА

16.03.01 Техническая физика



Выполнили работу

Студенты 4 курса

очной 

формы обучения







(Подпись)

Марещенков 

Павел 

Викторович





















Руководитель работы

к.ф.-м.н., доцент





(Подпись)

Михайлов

Павел

Юрьевич







Тюмень 2017




МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»



ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ 





ДОПУЩЕНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК 

И ПРОВЕРЕНО НА ОБЪЕМ 

ЗАИМСТВОВАНИЯ

Заведующий кафедрой

д.т.н., профессор

____________А.Б. Шабаров

____________________2017 г. 







ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
 КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПЕРЕНОСА

16.03.01 Техническая физика



Выполнили работу

Студенты 4 курса

очной 

формы обучения

Марещенков

Павел

Викторович



Власов

Евгений

Юрьевич











(Подпись)

(Подпись)







Руководитель работы

к.ф.-м.н., доцент





(Подпись)

Михайлов

Павел

Юрьевич







Тюмень 2017



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	6

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА	7

1.1. Прямые и косвенные методы измерения влажности	7

	1.1.1 Прямые методы	7

	1.1.2 Косвенные методы	11

1.2. Метод определения коэффициента и мгновенной скорости капиллярного всасывания воды строительными материалами	15

	1.2.1 Средства испытаний	15

	1.2.2 Подготовка образцов	15

	1.2.3 Проведение испытаний	15

	1.2.4 Обработка результатов испытаний	16

1.3. Метод определения коэффициента статической влагопроводности строительных материалов	17

	1.3.1 Средства испытаний	17

	1.3.2 Подготовка образцов	17

	1.3.3 Проведение испытаний	17

	1.3.4 Обработка результатов испытаний	18

1.4. Метод определения коэффициента динамической влагопроводности строительных материалов	18

	1.4.1 Средства испытаний	18

	1.4.2 Подготовка образцов	19

	1.4.3 Проведение испытаний	19

	1.4.4 Обработка результатов испытаний	19

1.5. Исследование процессов влагопереноса в пористых материалах гамма – методом	21

	1.5.1 Условные обозначения	21

	1.5.2 Метод исследования и экспериментальная установка	22

	1.5.3 Результаты экспериментов	24

	1.5.4 Обработка результатов экспериментов	26

1.6. Определения коэффициента влагопроводности почв в почвенных колоннах и лизиметрах	31

1.7. Определение коэффициента влагопроводности грунтов на приборе ПКВГ-Ф	41

1.8. Использование коэффициента влагопроводности для определения величины морозного пучения и толщины теплоизолирующего слоя	49

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1	55

Глава 2. ПРИНЦИП МЕТОДА	56

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ	62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ	67

Личный вклад	68

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ	69






ВВЕДЕНИЕ

Процессы влагопереноса играют огромное значение в ряде практических задач. Для изучения этих процессов и определения коэффициентов, характеризующих способность различных пористых сред перемещать влагу, создано огромное количество способов и методик. 

Существующие методы определения коэффициента влагопереноса основаны либо на определении распределения влаги в материале путем разрушения образца, либо являются достаточно сложными и требующими дорогостоящего оборудования. 

Целью данной работы является разработка метода определения коэффициента влагопереноса, основными преимуществами которого являются сохранение целостности образца, а также простота измерительной установки и применения метода.

Для выполнения данной работы поставлены следующие задачи:

Изучение имеющихся методов определения коэффициентов влагопереноса.

Разработка метода и написание требуемого программного обеспечения.

Создание измерительной установки и проведение измерений.

Апробация разрабатываемого метода путем сравнивания результатов с другим методом.

 

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА

1.1. Прямые и косвенные методы измерения влажности

Методы измерения влажности принято делить на прямые и косвенные. В косвенных методах измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной.

1.1.1 Прямые методы

Прямым методом называется тот, в котором производят непосредственное разделение материала на влагу и сухое вещество.  Одним из самых часто встречаемых прямых методов является метод высушивания (термогравиметрический), который заключается в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; такое равновесие условно считают равнозначным полному удалению влаги. На практике применяют просушивание образца до неизменного веса, но чаще всего используют так называемые ускоренные методы сушки. В первом случае сушку прекращают, если два последующих взвешивания изучаемого образца дают одинаковые либо весьма похожие результаты. Это обусловлено тем, что при постепенном уменьшении скорости сушки удаляется почти вся влага, которая находится в образце. Продолжительность определения влажности данным методом составляет в основном от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при + 130°С в течение 40 мин). Для ускоренной сушки ряда материалов применяют инфракрасные лучи, а в отдельных случаях — диэлектрический нагрев (токи высокой частоты).

Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

а) при высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря летучих; одновременно при сушке в воздухе имеет место поглощение кислорода вследствие окисления вещества, а иногда и термическое разложение пробы;

б) прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесию между давлением -водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе;

в) удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидной частицы и не достигается при высушивании;

г) в некоторых веществах в ходе сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая дальнейшему удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно-тепловой.

При наиболее распространенном методе сушки (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т. д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца. С другой стороны, возможно поглощение влаги из окружающей среды в промежутках времени между окончанием сушки и взвешиванием образца. Изменения влажности образца до или после сушки вследствие сорбции или десорбции имеют место и у других материалов с высокой гигроскопичностью, например, тонких листовых (бумаги).

В итоге высушивание представляет собой чисто эмпирический метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Значительно более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при давлении 25 мм рт. ст. и ниже до постоянного веса.

В дистилляционных методах исследуемый образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензин, бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.). Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости подвергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды. Дистилляционные методы в различных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких (например, стандартный метод Дина и Старка для нефти и нефтепродуктов). Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки и источники погрешностей, в том числе и систематических, как показали исследования метода Дина и Старка на нефтях. [Л, 1-8]

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания — плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т. п.

Основой химических методов является обработка образца твердого материала реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный (газометрический) метод и применение реактива Фишера (метод К. Фишера).

В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве, причем имеет место реакция:



Количество выделенного газа определяют измерением его объема (волюмометрический способ), давления в закрытом сосуде (манометрический способ) или путем взвешивания (гравиметрический способ).

Иногда применяют и другие методы, основанные на гидролизе, например, на реакции гидрида кальция с определением количества выделившегося водорода:



Газометрические приборы обычно градуируют эмпирически, так как практически не вся вода участвует в реакции.

Реактив Фишера, представляющий собой раствор возогнанного металлического йода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в абсолютном метаноле, нашел применение для определения влажности многочисленных материалов (твердых, жидких и газообразных) в лабораторных условиях. В основу метода положена известная в аналитической химии реакция:



Метод отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью, применим в широком диапазоне влагосодержаний (включая малые и микровлагосодержания); по данному методу имеется обширная литература (Л. 1-9 и 1-10]. Обычно конец титрования определяют визуально или электрометрическим способом; в последнее время применяются и автоматические титраторы.

Менее распространен химический метод определения влажности по повышению температуры вследствие химической реакции реагента с влагой вещества; чаше всего в качестве реагента используется серная кислота. Повышение температуры смеси карбида кальция с материалом можно использовать также в карбидном методе, так как реакция воды с СаС2 протекает с выделением тепла.

1.1.2 Косвенные методы

В этих методах оценка влажности материала производится по изменению различных его свойств.

В пикнометрическом методе используются водные пикнометры для определения плотности твердых материалов.

Недостатком этого метода является необходимость в дополнительной информации о плотности материала; кроме того, на результат измерения влияет содержание в материале воздуха и водорастворимых компонентов (соли и т. п.).

Механические методы основаны на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик твердых материалов: сопротивления раздавливанию (зерна); сопротивления вдавливанию металлической иглы, конуса или ножа; сопротивления деформирующему усилию; давления, необходимого для уплотнения образца (хлопка) постоянной массы в фиксированном объеме; усадки материала (почвы) под давлением поршня в цилиндре и др. Этим методам, отличающимся своей простотой, свойственна низкая точность.

Из косвенных методов важнейшими и получившими наибольшее -распространение являются те физические методы, которые рассматриваются в настоящей книге.

Все физические методы основаны на преобразовании влажности в другую физическую или физико-химическую величину, более удобную для измерения и дальнейших преобразований. Характер измеряемого свойства может служить основным признаком для классификации физических методов измерения влажности.

Целесообразно выделить в отдельную группу электрические методы, в основу которых положено прямое измерение электрических параметров материала.

Вторую группу образуют методы, у которых измеряемая физическая величина не является электрической. Этим методам присвоено наименование «не электрических». 

Комбинирование методов обеих групп осуществляется в «многопараметрически» методах, основанных на совокупном измерении двух или большего числа параметров материала; каждый из них может быть электрическим или неэлектрическим.

М. В. Венедиктов (Л. 1-11] предложил разделить все методы определения влагосодержания на две группы:

1.	Методы, основанные на измерении одного или нескольких свойств влажного материала без предварительного разделения воды и исследуемого материала.

2.	Методы «массопереносные», основанные на предварительном переносе влаги во вспомогательную среду. Эти последние методы реализуются системами: «твердое тело — твердое тело», «твердое тело — жидкость», «твердое тело — газ» или «жидкость — твердое тело», «жидкость — газ». В данных системах на первом месте указан объект измерения, а на втором — среда, в которую переносится влага. К массопереносным относятся рассмотренные выше прямые методы, а также некоторые косвенные.

Мы будем рассматривать те «массопереносные» методы, в которых влага переносится во вспомогательную среду того же или другого агрегатного состояния, что и анализируемая среда, причем влагосодержание вспомогательной среды определяется тем или иным физическим методом. Массопереносные методы применимы при различных агрегатных состояниях исследуемого вещества.

Рассмотрим теперь подробнее электрические и неэлектрические методы.

Измерение электрической проводимости материала на постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты осуществляется в кондуктометрических влагомерах.

Для диэлькометрических методов характерно измерение диэлектрических свойств (комплексной диэлектрической проницаемости и ее составляющих) материала в широком диапазоне частот — от звуковых до сверхвысоких; измерения на СВЧ имеют ряд особенностей, ввиду чего они выделены в самостоятельную подгруппу. Наконец, методы измерения, основанные па использовании иных электрических свойств влагосодержащих материалов (э. д. с. гальванической пары, электростатического заряда и т. д.), ввиду их малой распространенности целесообразно объединить в одну группу «прочих электрических методов».

К важнейшим неэлектрическим относятся методы, основанные на использовании: а) теплофизических характеристик материала; б) акустических свойств материала; в) гамма-лучей и нейтронов (радиометрические методы); родственным является метод, основанный на использовании рентгеновского излучения; г) ядерного магнитного резонанса; д) видимого света и инфракрасного излучения.

Последние подгруппы иногда именуют «спектральными методами».

На рис. 1.1 приведена предлагаемая схема классификации физических методов измерения влажности твердых и жидких материалов.



Рисунок 1.1 – Схема классификации физических методов измерения влажности твердых материалов и жидкостей [1, с.31]

Физические методы измерения влажности материалов по сравнению с другими методами имеют большие преимущества. Они являются наиболее быстродействующими из всех существующих методов определения влажности. Определение влажности методом высушивания длится от многих часов (высушивание до постоянного веса) до 1 ч (ускоренные методы высушивания) или в лучшем случае до десятков или нескольких минут (сушка инфракрасными лучами или токами высокой частоты). В то же время длительность определения влажности электрическим неавтоматическим влагомером равна от одной до нескольких минут, а при применении некоторых типов автоматических влагомеров непрерывного действия измерение можно считать практически безынерционным.

Физические методы позволяют автоматизировать измерения влажности и находят применение в системах информационно-измерительных и управления для многих технологических процессов. Большинство влагомеров позволяет проводить измерения без разрушения образца, чем достигается экономия материала, а также возможность повторения измерения на одном и том же образце при проверке результата измерения. Это приводит к дополнительному сокращению длительности измерении.

1.2. Метод определения коэффициента и мгновенной скорости капиллярного всасывания воды строительными материалами

1.2.1 Средства испытаний

В данном методе представлены следующие средства испытания: Лабораторные весы, соответствующие ГОСТ 24104; Линейка, выполненная по ГОСТ 427; контейнер для воды и часы.

1.2.2 Подготовка образцов

Для определения коэффициента капиллярного всасывания воды строительным материалом изготовляют образцы материала в виде призм высотой от 100 до 250 мм, размерами поперечного сечения 50x50 мм. Боковые грани образцов влагоизолируют (например, парафином или силиконовым герметиком). Образцы взвешивают с точностью до 0,01 г, определяют площадь поперечного сечения. Число образцов должно быть не менее трех.

1.2.3 Проведение испытаний

Образцы устанавливают вертикально в контейнер с водой так, чтобы нижняя (невлагоизолированная) грань соприкасалась с поверхностью воды. Не допускается касание нижней грани образца дна контейнера.

Образцы взвешивают через следующие интервалы времени: 5 мин от момента соприкосновения образца с водой, далее через 10 мин; 15 мин; 30 мин; 1 ч; 1,5 ч; 3 ч; 6 ч; 24 ч; 48 ч.

Определяют массу воды, поглощенной поверхностью образца площадью 1 м2  кг/м2, по формуле:





где  – масса влажного образца в момент времени , кг;

 – масса образца перед испытанием, кг;

 – площадь поперечного сечения образца.

1.2.4 Обработка результатов испытаний

По результатам взвешиваний образца строят график зависимости массы образца М от  (квадратный корень от времени).

Для определения коэффициента капиллярного всасывания испытуемого материала К и уточнения "закона квадратного корня из времени" для него уравнение, описывающее процесс капиллярного всасывания, записывают в виде





Для определения значений K и n уравнение (2) логарифмируют:





Строят график в координатах  и  

Коэффициент капиллярного всасывания К определяют, исходя из равенства  при z = 1. Для определения показателя степени n в уравнении капиллярного всасывания экспериментальные точки на графике в логарифмических координатах аппроксимируют прямой линией. Угловой коэффициент функции линейной аппроксимации является значением показателя степени n.

Мгновенную скорость капиллярного всасывания воды строительным материалом , кг/(м2·с), определяют по формуле





За результат испытания принимают среднеарифметические значения результатов испытаний всех образцов.

1.3. Метод определения коэффициента статической влагопроводности строительных материалов

1.3.1 Средства испытаний

В данном методе представлены следующие средства испытания: Лабораторные весы, соответствующие ГОСТ 24104; Линейка, выполненная по ГОСТ 427; штангенциркуль по ГОСТ 166; контейнер для воды, часы, пила и сушильный электрошкаф.

1.3.2 Подготовка образцов

Для определения коэффициента статической влагопроводности строительных материалов изготовляют образцы материала в виде призмы высотой от 100 до 250 мм, размерами поперечного сечения 50x50 мм или цилиндра диаметром 50 мм, высотой от 100 до 250 мм. Боковые грани образцов влагоизолируют (например, парафином или силиконовым герметиком). Число образцов должно быть не менее трех.

1.3.3 Проведение испытаний

Образцы устанавливают вертикально в контейнер с водой так, чтобы нижняя невлагоизолированная грань соприкасалась с поверхностью воды. Не допускается касание нижней грани образца дна контейнера. Зазор между стенками сосуда и боковой поверхностью образца герметизируют (например, парафином или силиконовым герметиком).

При проведении испытаний контейнер с образцом периодически взвешивают с точностью до 0,01 г и определяют плотность потока влаги через образец по формуле





где  и  - массы образца при двух последовательных взвешиваниях, кг;

 – площадь поперечного сечения образца, м2;

 – интервал времени между взвешиваниями, с.

После установления стационарного потока влаги образцы материала разрезают на несколько частей по высоте. Толщина каждой части должна быть не менее 20 мм. Каждую часть образца взвешивают с точностью до 0,01 г, затем высушивают до постоянной массы, взвешивают и определяют влажность каждой части. Массу каждой части образца считают постоянной, если разность между результатами двух последовательных взвешиваний не превышает 0,01 г.

1.3.4 Обработка результатов испытаний

По результатам взвешиваний частей образцов до и после высушивания строят кривую распределения влажности по высоте образца, определяют градиенты влажности, а затем рассчитывают значения коэффициента статической влагопроводности ?стат, кг/(м?с), по формуле





где g - плотность потока влаги через образец, кг/(м2?с);

 - градиент влажности по длине образца, (кг/кг)/м = 1/м.

Для определения градиента влажности рассматривают участок кривой распределения влажности по высоте образца, где наблюдается изменение влажности. Экспериментальные точки на данном участке аппроксимируют многочленом необходимого порядка, являющимся функцией зависимости влажности w от координаты х. Производная данной функции при каждом значении х является значением градиента влажности в данной точке.

За результат испытания принимают среднеарифметическое значение результатов испытания трех образцов. [2, с. 11-12]

1.4. Метод определения коэффициента динамической влагопроводности строительных материалов

1.4.1 Средства испытаний

Необходимыми средствами испытаний для данного метода являются: лабораторные весы, соответствующие ГОСТ 24104, штангенциркуль по ГОСТ 166, линейка, выполненная по ГОСТ 427, контейнер для воды, часы, пила и сушильный электрошкаф.

1.4.2 Подготовка образцов

Для определения коэффициента динамической влагопроводности строительных материалов изготовляют образцы материала в виде призм высотой от 100 до 250 мм, размерами поперечного сечения 50x50 мм. Боковые грани образцов влагоизолируют (например, парафином или силиконовым герметиком). Образцы взвешивают с точностью до 0,01 г, определяют площадь их поперечного сечения. Число образцов должно быть не менее трех.

1.4.3 Проведение испытаний

Образцы помещают в контейнер с водой так, чтобы нижняя невлагоизолированная грань соприкасалась с поверхностью воды. Не допускается касание нижней грани образца дна контейнера. Через время z образцы разрезают на части по высоте. Толщина каждой части должна быть не менее 20 мм. Момент времени z устанавливают по результатам анализа кривой капиллярного всасывания до момента первого перелома на ней (при отсутствии перелома - произвольно). Каждую часть образца взвешивают с точностью до 0,01 г, затем высушивают до постоянной массы, взвешивают и определяют влажность каждой части. Массу каждой части образца считают постоянной, если разность между результатами двух последовательных взвешиваний не превышает 0,01 г.

По результатам испытания строят график распределения влажности по высоте образцов.

1.4.4 Обработка результатов испытаний

По полученному распределению влажности по высоте образца рассчитывают параметры перемещения жидкой влаги в материале , , , а, по которым вычисляют значение коэффициента динамической влагопроводности.

Влажность материала при максимальном капиллярном увлажнении  определяют по графику распределения влажности. Рекомендуется при обработке результатов испытания пользоваться влажностью w, измеряемой в кг/кг или в процентах к массе сухого материала.

Для расчета параметра  рассматривают начальный участок графика распределения влажности по высоте образца. Выбирают точку с наибольшей координатой, в которой влажность материала отличается от влажности при максимальном увлажнении образца  не более чем на 5 %. Координату указанной точки обозначают . Параметр  рассчитывают по формуле





Для расчета параметра  рассматривают конечный участок кривой распределения влажности. Кривая на этом участке линейно экстраполируется по двум последним точкам, влажность в которых отличается от начальной, до пересечения с осью координат. Координата этой точки обозначается . Параметр  рассчитывают по формуле





Параметр  определяют, исходя из уравнения





Экспериментальные точки наносят на плоскость в координатах ,  и аппроксимируют прямой, проходящей через начало координат. Угловой коэффициент указанной прямой является значением параметра .

Значение коэффициента динамической влагопроводности вычисляют с учетом всех параметров перемещения жидкой влаги в материале по формуле





За результат испытания принимают среднеарифметическое значение результатов испытания трех образцов. [2, с. 12-14]



1.5. Исследование процессов влагопереноса в пористых материалах гамма – методом

1.5.1 Условные обозначения

	 – коэффициент диффузии влаги, м2/c;  и  – интенсивности излучения после прохождения сухого и влажного образца; c-1; S – переменная Больцмана; м/c0.5;  – относительная весовая влажность; c – концентрация влаги, кг/м3; d – толщина образца, м; t – время, с; х – координата, м; ?w – массовый коэффициент ослабления гамма излучения для воды, м2/кг;  – плотность абсолютно сухого материала, кг/м3. 

	В настоящее время пористые материалы активно применяются во многих областях техники. Процессы тепло - и массопереноса в пористых материалах лежат в основе самых различных промышленных технологий. В качестве примера можно привести применение в строительстве пористых строительных материалов с высокими теплоизоляционными свойствами. Эксплуатационные качества этих материалов в значительной степени зависят от содержания в них влаги. Однако, для проведения расчетов влажностного режима материалов, необходимо знать их характеристики, определяющие процессы влагопереноса. Одной из таких характеристик является коэффициент диффузии влаги. Он характеризует интенсивность процесса влагопереноса в материале. Для его определения стандартными методами [1-4] требуется проведение длительных и трудоемких измерений. Избежать этого позволяют методы с использованием ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и методы нейтронного просвечивания материалов [5-8]. При применении этих методов распределение влаги в материале можно определить в короткие сроки и без его разрушения, тем самым, исключив погрешности, вызванные нарушением структуры материала. Однако, ЯМР - метод имеет и ряд недостатков, к которым можно отнести сложность и высокую стоимость аппаратуры, относительно небольшие размеры исследуемых образцов, слабую чувствительность метода к связанной влаге. Поэтому, наряду с ЯМР - методом для исследования влагопереноса в пористых материалах используют методы нейтронного и гамма сканирования. 

1.5.2 Метод исследования и экспериментальная установка

	В настоящей работе представлены результаты экспериментального определения коэффициента диффузии влаги пористых материалов гамма – методом. Метод основан на изучении с использованием гамма – плотномера изменения распределения влаги в образце с течением времени, по которому определяют коэффициент диффузии влаги в материале. Принцип действия гамма – плотномера заключается в определении плотности материала по ослаблению интенсивности гамма – излучения. Ослабление интенсивности гамма – излучения во влажном материале зависит от его плотности в сухом состоянии и содержания влаги в материале [9].





	Где  [9, c. 4] Таким образом, зная ослабление излучения в сухом и влажном образце, можно определить его относительную весовую влажность:

	



	Схема экспериментального стенда для определения коэффициента диффузии влаги в материале показана на рис.1.2. Экспериментальный стенд представлял собой металлический корпус, внутри которого помещался исследуемый образец. При этом верхняя и нижняя части образца находились в герметичных камерах. Образец просвечивался узким пучком гамма – излучения, интенсивность которого на выходе регистрировалась сцинтилляционным детектором гамма - квантов. В качестве источника гамма-излучения использовался изотоп цезия-137. Возможность вертикального перемещения образца относительно гамма – пучка позволяла получать распределение влажности по его высоте. 

	В качестве исследуемого пористого материала использовался автоклавный газобетон плотностью 600 кг/м3 и пористостью 72 %. Образцы из газобетона имели форму параллелепипеда с поперечным сечением 100 на 100 мм и высотой 80-100 мм. Перед экспериментом образец помещался в вакуумный сушильный шкаф и высушивался до постоянной массы при 105 °С. Затем, боковые поверхности образца гидроизолировались, для достижения в эксперименте одномерности процесса влагопереноса. После этого образец помещался в экспериментальный стенд.

	Исследования процессов влагопереноса проводились при двух различных режимах влагонасыщения: капиллярной пропитке и сорбционном увлажнении. Эксперименты проводились в изотермических условиях при постоянной температуре окружающего воздуха 20 °С. В режиме капиллярной пропитки, нижняя поверхность образца соприкасалась с водой. 

	

	Рисунок 1.2 – Схема экспериментального стенда

	1 – источник гамма-излучения, 2 – пучок гамма – лучей, 3 – сцинтилляционный детектор гамма – квантов, 4 – образец материала, 5 – координатное устройство, 6 – сорбент, 7 – вода, 8 – верхняя камера, 9 – нижняя камера

	К верхней границе образца был открыт свободный доступ окружающего воздуха, который во время проведения экспериментов имел постоянную относительную влажность 30 % и температуру 20 °С. При сорбционном увлажнении, нижняя часть образца находилась в герметичной камере над свободной поверхностью воды, то есть в условиях 100 % относительной влажности воздуха. Верхняя часть образца находилась в другой герметичной камере, внутри которой размещалась емкость с сорбентом. В результате, верхняя поверхность образца находилась в сухом воздухе.

	Таким образом, во всех экспериментах, направление влагопереноса в образце было от его нижней поверхности к верхней. Началом эксперимента считался момент создания на нижней границе образца постоянной концентрации влаги. Во время проведения экспериментов через определенные промежутки времени снимались профили распределения влажности по высоте образца. 

1.5.3 Результаты экспериментов

	В результате проведения экспериментов профили относительной массовой влажности по высоте образца в различные моменты времени с начала процесса влагопереноса, некоторые из которых приведены на рис. 1.3.

	Из представленных данных видно, что, как при капиллярной пропитке (рис. 1.3а), так и при сорбционном увлажнении (рис. 1.3б) с течением времени происходило формы профиля влаги в образце, что проявлялось в постепенном увлажнении образца снизу-вверх. Характер изменения профиля влажности с течением времени при различных режимах влагонасыщения подобен, однако, профили влажности отличаются количественно. Если при капиллярной пропитке к концу вторых суток (45 часов) влажность материала по всей высоте образца была близка к своему предельному значению (50 %), то при сорбционном увлажнении спустя две недели (430 часов) влажность на нижней границе образца составляла всего 5 % и уменьшалась до 4 % на верхней. При этом предел сорбционного увлажнения для данного материала, полученный эксикаторным методом, превышал 18 %. Таким образом, при различных режимах влагонасыщения существенно отличалась скорость увлажнения материала.

	

	Рисунок 1.3 – Распределения влажности по высоте образца а) при капиллярной пропитке; б) при сорбционном увлажнении [8, c. 4]

	Наряду с «пространственными» профилями влажности, когда измерения проводились в различных сечениях по высоте, были получены так называемые «временные» профили влажности. Для этого выполнялись измерения влажности материала при фиксированной координате в различные моменты времени. Результаты таких измерений представлены на рис. 1.4. Из сравнения данных на этих рисунках также можно отметить, что при капиллярной пропитке процесс влагопереноса происходит гораздо интенсивнее, чем при сорбционном увлажнении. Так, на высоте 40 мм от нижнего края при капиллярной пропитке влажность материала начинает изменяться менее чем через час и еще через час достигает 20 %, а при сорбционном увлажнении влажность материала на данной высоте начинает изменяться лишь спустя трое суток и за 10 часов достигает значения 1 %.

	

	Рисунок 1.4 – Изменение влажности образца с течением времени 
а) при капиллярной пропитке: 1 - в сечении h = 40 мм; 2 – h = 60 мм, б) при сорбционном увлажнении: 1 - в сечении h = 20 мм; 2 – 40 мм

	Ра.......................