К первым относятся, например, гипс, вяжущие на водной основе, силикатный кирпич, большинство разновидностей бетона; ко вторым — битумы, смолы, минераловатные изделия на основе не; смачиваемых вяжущих, асбест и т. д.
Мерой полноты смачивания В является косинус краевого угла (см. рис. VI.5), т. е.
где σ3.2 — поверхностная энергия сухого материала; σ1.3 — поверхностная энергия материала под каплей воды; σ1.2 — поверхностное натяжение воды.
Гидрофильные материалы активно взаимодействуют с водой; в сухом состоянии их поверхностная энергия имеет наибольшее значение, а при смачивании уменьшается (т. е. σ3.2—σ1.3>0).
Ограниченно смачиваемые и несмачиваемые материалы менее активны во взаимодействии с водой.
Для большинства строительных материалов (например, бетонов, кирпича и т. д.) характерна капиллярно-пористая структура, особенности которой, наравне со степенью смачивания, определяют характер взаимодействия материала с влагой при пребывании его в воздушно-влажной среде или непосредственном контакте с водой. В результате такого взаимодействия изменяются физико-механические свойства материалов, изделий из них и отдельных конструкций зданий. Кроме того, для материалов гидрофильных, получаемых на основе структурирования водных растворов вяжущих или других материальных дисперсных частиц, сами свойства стабилизировавшейся структуры материала, т. е. строение и геометрические размеры пор и капилляров, зависят от начального влагосодержания и взаимодействия вещества с влагой, в процессе технологии производства строительных деталей или изделий.
Следовательно, особенности взаимодействия материалов с влагой важны при эксплуатации любых строительных конструкций, соприкасающихся с влажной средой, а для гидрофильных материалов эти особенности и начальное влагосодержание исходных растворов влияют на технологию производства и определяют уровень структурно-механических свойств материала и изделий из него.
Обоснованное подразделение форм связи влаги с материалами разработано академиком П. А. Ребиндером и его последователями.
По природе энергии связывания влаги с веществом или материалом и величине энергетического уровня этой связи различаются следующие виды влаги:
1. Влага, химически связываемая, необходимая для возникновения и завершения химических реакций, образования нового вещества и формирования физико-механических свойств материала в изделии или конструкции.
Эта влага входит в состав структурной решетки материала в виде вновь возникших химических соединений и кристаллогидратов и отличается высоким энергетическим уровнем ионной и молекулярной связи с веществом.
Естественные колебания температуры, происходящие в течение года на поверхности ограждающих конструкций, не в состоянии нарушить эту связь и выделить химически связанную влагу; из физических методов воздействий она частично может быть удалена только прокаливанием.
2. Влага физико-химической связи, адсорбированная на внутренней поверхности пор и капилляров сформировавшейся структурной решетки материала.
Адсорбированная влага может быть подразделена на влагу первичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энергетическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, постепенно переходящую в пленку объемной воды, удерживаемой капиллярными силами. Адсорбированная влага мономолекулярных и частично полимолекулярных слоев не может быть удалена путем естественной сушки материала ограждающих конструкций, поскольку для ее отрыва от гидрофильных поверхностей необходима высокая температура и малая относительная влажность окружающей воздушной среды, которые не могут быть достигнуты в условиях внешнего климата и микроклимата помещений с отсутствием больших выделений тепла.
При естественных колебаниях температуры и влагосодержания наружных ограждающих конструкций, выполненных из гидрофильных материалов, часть влаги физико-химической связи может переходить в химически связанную влагу, результатом чего является повышение прочности бетонов и других гидрофильных неорганических материалов в первые годы эксплуатации зданий.
Для древесины и других органических материалов растительного происхождения характерно, кроме адсорбированной, присутствие в растительных клетках осмотически связанной влаги, постепенно удаляемой в процессе естественной сушки строительных конструкций в воздушной среде с изменяющейся температурой и низкой относительной влажностью. Следствием этого является усушка и изменение геометрических размеров изделий и деталей, отмечаемые, например, в первые годы эксплуатации зданий для элементов деревянных конструкций, даже в том случае, если они выполнены из древесины, считающейся, в соответствии со строительными правилами, воздушно-сухой (18—20% по весу).
3. Влага физико-механической связи, удерживаемая в порах и капиллярах силами капиллярного давления и смачивания гидрофильных материалов.
Эта влага перемещается внутри материала при возникновении давлений, превышающих капиллярное и легко испаряется из поверхностных слоев изделия или конструкции, в процессе естественной сушки.
Относительно большей связью с материалом характеризуется влага, заполняющая микрокапилляры r<10—5 см и удерживаемая повышенными силами капиллярного давления.
Влага, содержащаяся в макрокапиллярах (за исключением микрослоя у стенок, связанного адсорбционно) приближается по своим физическим свойствам к свободной воде, отличается весьма слабой связью с материалом и наиболее легко испаряется из поверхностных слоев изделия.
При извлечении из водной среды крупнопористого изделия, или образца материала часть воды, заполняющей крупные поры и являющейся наиболее свободной, вытекает под влиянием силы тяжести; количество вытекающей воды возрастает с увеличением гидрофобности материала и числа сообщающихся крупных пор в нем.
Рассмотренные виды влаги обладают различной энергией связи с поверхностью пор и капилляров материала. Наибольшей величиной энергии связи отличается влага химически связываемая, наименьшей— влага, связь которой с поверхностью материала зависит главным образом от физико-механических параметров.
Работами академика П. А. Ребиндера показано, что средняя величина энергии Е связи влаги, не содержащей растворенных химических веществ:
где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура,°К; Е — парциальное давление насыщенного пара свободной воды над плоской поверхностью; е — парциальное давление равновесного водяного пара над материалом, рассматриваемой степени увлажнения (ω); φ — относительная влажность воздуха в долях единицы.
Перемещение влаги внутри капиллярно-пористого материала становится возможным только в том случае, если энергетический уровень внешних воздействий (иначе говоря, потенциал переноса влаги) будет равен средней абсолютной величине энергии связи, или превысит ее, т. е.
Энергия связи влаги с поверхностью пор и капилляров материала равна по своей абсолютной величине, но противоположна по знаку потенциалу переноса влаги внутри капиллярно-пористых материалов с влагосодержанием в пределах гигроскопического, находящихся в изотермических условиях.
Для удаления описанных выше видов влаги из капиллярно-пористых материалов необходима различная энергия процесса обезвоживания.