Определение степени влажности конструкций

Введение

 

Установление  обоснованных нормативных требований к ограждениям, необходимых для  оптимального выбора конструктивных решений, а также определение области  целесообразного применения новых  видов ограждающих конструкций  с учетом различных климатических условий требуют всесторонних экспериментальных исследований теплофизических свойств этих конструкций. В связи с этим важное значение приобретают вопросы совершенствования методов экспериментальных исследований с использованием достижений современной науки и техники.

Основными видами экспериментальных исследований ограждающих  конструкций являются испытания  в климатических камерах при  различных температурно-влажностных  режимах и проверка теплозащитных  качеств ограждений в натурных условиях. В этих исследованиях важное место занимает определение влажности материала по слоям конструкции. Традиционная методика послойного определения влажности, регламентируемая ОСТ 20-2-74, предусматривает периодический отбор проб, влажность которых определяется методом высушивания до постоянного веса при температуре 105 °С с периодическим взвешиванием. Вследствие того что повторная проба материала не может быть отобрана в том же месте, где и первоначальная, их отбирают в разных местах конструкции. При этом исходят из допущения о том, что при установившемся температурно-влажностном режиме влажность материала конструкции в пределах данного слоя одинакова. Многолетняя практика теплофизических испытаний ограждающих конструкций в климатических камерах и натурных условиях показывает, однако, что значения влажности отдельных проб, отобранных одновременно из одного и того же слоя в разных местах конструкции, могут значительно отличаться друг от друга. В зависимости от типа и структуры материала, различной глубины погружения шлямбура и других причин эти расхождения составляют от 0,1 - 0,2 до 1 - 2 %, в то время как влажность каждой отдельной пробы определяют методом высушивания с точностью до сотых долей процента.

Практически исследователям приходится оперировать ограниченным количеством экспериментальных данных, характеризующих влажностное состояние испытуемой конструкции, что понижает надежность доверительных оценок получаемых результатов. Повысить ее в определенной степени (при неизменной точности измерений) возможно путем увеличения количества отобранных проб. Задавшись требуемой точностью и надежностью доверительных оценок и зная порядок средней квадратической ошибки измерений, можно определить минимально необходимое количество измерений (проб) в каждой точке. Например, чтобы гарантировать получение доверительной оценки с надежностью 0,95 при точности порядка 1 % влажности, необходимо произвести не менее 7 измерений в одной точке, т.е. отобрать из одного и того же места конструкции одновременно 7 проб, что практически невозможно.

В НИИ строительной физики на протяжении последних лет проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой и усовершенствованием современных методов и средств измерения влажности материалов в ограждающих конструкциях без отбора проб. Эти работы и накопленный опыт эксплуатации макетных и опытных образцов приборов в лабораторных и производственных условиях послужили основанием для разработки нового ГОСТ 21718-76 «Бетоны легкие и ячеистые. Диэлькометрический метод измерения влажности», введенного в действие с 1977 г.

На основе диэлькометрического  метода в институте также создана  методика послойного определения влажности  при теплотехнических испытаниях с  помощью закладных малогабаритных емкостных датчиков. Эта методика в течение последних лет успешно используется при теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций в НИИСФ и ряде других организаций.

Рекомендуемая область применения закладных датчиков - легкие и ячеистые бетоны с объемным весом 600-1600 кг/м3 при температурах от минус 40 до плюс 80 °С и влажностном состоянии от сорбционной влажности до полного влагонасыщения.

Настоящее Руководство разработано кандидат технических наук В. С. Ройфе (НИИСФ) и содержит конкретные рекомендации и указания по использованию методики и аппаратуры, призванные помочь специалистам в области строительной теплофизики освоить прогрессивный метод экспериментальных исследований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Физико-технические  основы диэлькометрического метода  измерения влажности

 

В основе электрических  методов измерения влажности различных материалов лежит использование зависимости электрофизических характеристик материала от его влажности.

Основными электрофизическими характеристиками любого вещества являются удельная проводимость (s) и относительная  диэлектрическая проницаемость (e). У капиллярно-пористых тел, к которым относится подавляющее большинство конструктивных строительных материалов, s и e зависят в общем случае от многих физико-химических свойств. Современная физика диэлектриков увязывает эти зависимости с основными процессами, происходящими в любом реальном диэлектрике под воздействием электрического поля, - поляризацией молекул и молекулярных групп, а также с диэлектрическими потерями. При этом в силу различной физической природы s и e, соотношение между влиянием отдельных свойств материала на каждую из этих электрофизических характеристик также различно.

Электрические методы измерения влажности, в которых  влажность материала определяется по изменению удельной проводимости, называются кондуктометрическими. Методы, в которых определяющей характеристикой является относительная диэлектрическая проницаемость материала, называются диэлькометрическими.

Удельная проводимость (или обратная величина - удельное сопротивление) в интересующих нас материалах имеет в основном ионную природу, т.е. обусловлена процессом переноса зарядов свободными ионами растворов, находящихся в порах материала. Отсюда следует, что проводимость влажного строительного материала зависит в первую очередь от концентрации и химического состава электролитов в пороговой влаге и в несколько меньшей степени от влажности как таковой, а также от плотности и температуры. Этим и объясняется тот факт, что все многочисленные попытки использования изменения удельного сопротивления бетона для измерения его влажности с удовлетворительной точностью окончились неудачей.

Диэлектрическая проницаемость этих материалов по физической природе существенно отличается от удельной проводимости и обусловлена  процессами поляризации вещества, происходящими  при помещении последнего в электрическое поле. В связи с тем что дипольный момент полярных молекул воды, находящейся в свободном состоянии, на несколько порядков выше дипольного момента неполярных молекул минералов и окислов, составляющих скелет строительных материалов, обобщенная диэлектрическая проницаемость влажного материала, в основном, является функцией его влажности, точнее объемного содержания свободной воды. При этом некоторое влияние оказывает минералогический состав скелета материала. Вместе с тем диэлектрическая проницаемость материала практически не зависит от концентрации и химического состава электролитов в поровой влаге. Это последнее свойство диэлектрической проницаемости и составляет ее основное преимущество перед удельной проводимостью как параметра для измерения влажности строительных материалов, в которых минерализация пороговой влаги может меняться в довольно широких пределах.

Удельная проводимость s и диэлектрическая проницаемость e входят коэффициентами пропорциональности в известные уравнения теории поля.

Под действием  внешнего переменного электрического моля в материале происходит одновременно как упорядоченное движение зарядов (ток проводимости), так и ограниченное в пространстве смещение зарядов (токи смещения). В этом случае плотность  полного электрического тока, проходящего в материале, выражается как  или, в случае изменения напряженности поля по гармоническому закону с частотой w.

Выражение, стоящее  в скобках, характеризует полную (комплексную) проводимость материала  на частоте w.

Преобразователем влажности в электрическую величину в диэлькометрическом методе служит емкостный датчик-конденсатор той или иной конструкции, в электрическом поле которого находится определенный объем исследуемого материала. Для анализа связей между входной и выходной величинами такого преобразователя переходят от понятий теории поля к понятиям теории цепей, которая исходит из аппроксимации реального физического объекта его электрической моделью - схемой замещения этого объекта идеализированными элементами электрической цепи (сопротивлениями, конденсаторами и др.). Схемой замещения емкостного датчика с влагосодержащим материалом, получившей до настоящего времени наибольшее распространение, является параллельное соединение емкости Сx с сопротивлением Rx.

При подключении такой цепи к источнику переменного напряжения  с частотой w полный ток в цепи выражается так:

Выражение в  скобках характеризует полную (комплексную) проводимость емкостного датчика с  материалом на частоте w. Идентичность выражений для полного тока через реальный конденсатор и его электрическую модель дает формальное основание для подобной аппроксимации. Переход от удельных электрофизических свойств материала s и e к измеряемым характеристикам емкостного датчика Rx и Сx осуществляется с помощью постоянной k:

Величина k характеризуется  только геометрическими размерами  и формой конденсатора и для конкретного  датчика является константой, имеющей  размерность единицы длины.

Таким образом, технически задача измерения влажности  диэлькометрическим методом сводится к измерению емкости датчика. Следует обратить особое внимание на то, что для реализации преимуществ диэлькометрического метода на результат измерения емкости Сx не должна оказывать влияния величина Rx, т.е. способ измерения должен обеспечить получение величины «истинной» емкости. Неучет этого обстоятельства наряду с произвольным выбором частоты поля w приводит к почти полной потере преимуществ диэлькометрического метода измерения влажности по сравнению с кондуктометрическим и к ошибочным представлениям о метрологических характеристиках диэлькометрического метода.

Наиболее эффективно задачу измерения истинной емкости  удается решить с помощью измерительных  схем с параметрической модуляцией, в которых существенную роль играют цепи с закономерно изменяющимися параметрами в результате внешнего воздействия, непосредственно не связанного с проходящим через эту цепь сигналом. Большей частью это внешнее воздействие имеет электрический характер, т.е. имеется некоторый управляющий сигнал. Таким образом, цепь оказывается под воздействием двух сигналов одновременно. Если один из них связан с конденсатором, являющимся датчиком влажности, а второй изменяет параметры цепи и определяет в конечном счете коэффициент передачи первого, то сигналы неравнозначны. Один из них - рабочий - несет как полезную, так и избыточную информацию, а второй - управляющий - только меняет условия прохождения первого через схему. Изменение условий прохождения рабочего сигнала означает, что в функцию цепи вводится дополнительный параметр, значение которого можно менять произвольно независимо от значения искомой переменной, при этом получается совокупность разделяемых сигналов. Задавая параметру разделения различные значения, получают систему уравнений, решая которую, находят искомую величину.

Сущность способа измерения емкости с помощью схем с параметрической модуляцией заключается в сравнении по модулю напряжений на измерительном двухполюснике при периодическом изменении его проводимости.

Измерительный двухполюсник содержит индуктивность L, распределенную емкость С0, дополнительную емкость Сд, включенную последовательно с контактом K, и электроды емкостного датчика влажности, представленного параллельной схемой замещения СхRх. Двухполюсник питается от высокочастотного генератора, частоту которого можно плавно менять.

Модуляция параметров двухполюсника производится попеременным замыканием и размыканием контакта K, т.е. периодическим подключением и  отключением емкости Сд.

Модули полных проводимостей непрерывно сравниваются, и изменением частоты генератора схема приводится в состояние равенства модулей.

Таким образом, изменяя частоту генератора до выполнения условия , можно измерить истинную емкость  датчика при наличии переменных активных потерь. Мерой влажности  при этом служит частота генератора, соответствующая равенству модулей полной проводимости измерительного двухполюсника.

Наряду с  выбором способа измерения емкости  датчика одним из важных методических вопросов применительно к определению  послойной влажности в ограждающих  конструкциях является выбор формы и геометрических размеров датчиков. Специфические требования, предъявляемые к емкостным датчикам, закладываемым в отдельные точки испытуемой конструкции, в известной мере противоречивы. Действительно, одно из таких требований, заключающееся в том, что датчик не должен нарушать нормальный процесс влагопереноса в материале конструкции, диктует необходимость максимально возможного уменьшения размеров датчика. В то же время требование, заключающееся в необходимости получения информации о влажности материала в целом, а не отдельных компонент, диктует необходимость увеличения размеров датчиков с учетом неоднородности материала.

Требованию  представлять наименьшее препятствие  для тепломассообмена в зоне размещения датчика наилучшим образом отвечает конденсатор с копланарными (расположенными в одной плоскости) электроламп. При расположении плоскости конденсатора параллельно направлению градиента массопереноса датчик практически не представляет препятствия и не искажает температурно-влажностное поле материала. Для расчета объема электрического поля закладного емкостного датчика, определяемого его площадью и глубиной проникновения поля, используется методика исследования распределения мощности электрической энергии в поле копланарных электродов. В основе этой методики лежит положение о том, что при удалении от поверхности электродов перпендикулярно их плоскости напряженность электрического поля монотонно убывает по зависимости: