Дослідження взаємодії водяного пару з грунтом полотна і шарами дорожнього одягу

Внаслідок повітряно- і паропроникливості в земляному полотні й у дорожньому одязі завжди в тій або іншій кількості є повітря з різноманітною пругкістю водяного пари, мм. Ступінь пругкості пару можна виразити відносною вологістю порового повітря φ, %:

(4.1)

де р_t -максимальна пругкість пару,мм рт. ст. при даній температурі t, приймається по таблицях.

При охолодженні дорожньої конструкції температура, а отже, і величина максимальної пругкості пару порового повітря знижуються. При температурі точки роси t_р, коли р стане рівним р_t, повітря в порах досягне повного насичення, тобто φ = 100%. З подальшим зниженням температури t < t_р пругкість пара зменшується відповідно значенням р_t для даної температури і пароподібної вологи конденсується в дорожній конструкції пропорційно розміру р_t - р.

При зіткненні водяного пари з матеріалами відбувається явище сорбції. На основі експериментів по дослідженню сорбції водяного пари різноманітними дорожньобудівельними матеріалами і грунтами були отримані ізотерми сорбції водяного пари (рис. 3.2), які показують загальний характер наростання вологості матеріалу зі збільшенням відносної вологості порового повітря. Водяні пари порового повітря з даною пругкістю р обумовлюють у дорожній конструкції визначену вологість матеріалу, і навпаки, вологість матеріалу визначає конкретну пругкість пару порового повітря. З зміною температури приземного повітря відносна вологість повітря в порах збільшується або зменшується і відповідно до ізотермою сорбції змінюється вологість матеріалу (або грунту).

Різноманітні дорожньо-будівельні матеріали і грунти мають якісно подібні ізотерми сорбції. Процес наростання вологості матеріалу дорожнього одягу або грунту земляної полотнини має три характерні стадії. На першій стадії сорбції (φ до 20%) у порах абсолютного сухого матеріалу утвориться мономолекулярний шар сорбованої вологи. Поверхневе поглинання молекул води відбувається за рахунок дії електростатичних сил між іонами часток матеріалу і диполями молекул води. Ці сили, очевидно, дуже великі, на що вказує крутий вид кривої сорбції на першій стадії. На другій стадії сорбції (φ від 20 до 60%) відбувається утворення полімолекулярного шару вологи. Процес сорбції відбувається в основному за рахунок сил Ван-дер-Ваальса, що виходять від часток матеріалу, і електростатичних сил тяжіння, що виходять від зовнішніх діполей молекул води.

Рисунок 4.2 - Ізотерми сорбції водяного пари матеріалами дорожніх одягів:

1 - щебенеміз піщанику; 2 - грунтом, укріпленим дьогтем і вапном; 3 - дьогтегрунтом; 4 - цементобетоном: 5 - асфальтобетоном

На третій стадії сорбції відбувається подальше збільшення товщини водяної плівки, у результаті чого в окремих порах з'являються сили поверхневого натягу. На цій стадії поряд із сорбцією починає відбуватися капілярна конденсація. Починаючи з вологості φ біля 95% відбувається інтенсивна капілярна конденсація.

Агрегати грунту і матеріалу дорожнього одягу в точках контактів утворюють клиновидні пори. У результаті сорбції молекул пару на протилежних змочуваних площинах клиновидних пір утвориться увігнутий меніск, над яким відбувається конденсація пару, оскільки пругкість пару над увігнутою поверхнею менше, ніж над плоскою. Це явище відкрито Кельвіном:

, (4.2)

де р, р_r - пругкість насиченого пару відповідно над плоскою поверхнею й увігнутим меніском із кривизною радіуса r при абсолютній температуріТ;

σ - коефіцієнт поверхневого натягу;

М, ρ - молекулярна вага і щільність рідини;

R - універсальна газова постійна.

У процесі капілярної конденсації кривизна увігнутих менісків зменшується і при радіусі меніска капілярних судин або пір, що наближається до 10^-5 см, пругкість пару над увігнутим меніском стає рівної пругкості пару над плоскою поверхнею. У вузьких капілярних судинах утворяться плівки води. Насичений водяний пар сорбірується водяними плівками і переноситься по ним під дією поверхневого натягу до осередків росту вологи. Тут відбувається утворення об'ємної рідкої фази у виді капель різноманітних радіусів.

Рисунок 4.3 - Криві наростання вологості матеріалів дорожніх одягів у залежності від тривалості сорбції пару:

1 - грунт, укріплений дьогтем і вапном, МГ == 12.5%; 2 - щебінь із пухкої горілої породи; МГ = 9,2%; 3 - цементобетон МГ = 6.9%; 4 – дьогтегрунт, F грунту - 35%, МГ = 5,1%; 5 – грунтощебінь укріплений бітумом МГ = 3.9%; 6 - дьогтегрунт, F грунту =32%, МГ = 3,3%; 7 - щебінь із щільної горілої породи, МГ = 2.1%: 8 - щебінь із щільного доменного шлаку, МГ = 0.9%; 9 - асфальтобетон, МГ = 0,7%; 10 - гранітний щебінь, МГ - 0,3%.

Над дрібними краплями тиск водяного пари більше, ніж над значними, і тому пар пересувається від дрібних крапель до значних, на яких конденсується. У результаті цього процесу з дрібних крапель утворяться водяні агрегати. На цій стадії капілярної конденсації рух води відбувається за рахунок сил, характерних для рідкої фази води. Теоретично процес капілярної конденсації може відбуватися до повного насичення пір водою. Це явище підтверджується польовими спостереженнями. При пароподібному зволоженні до кінця періоду вологонакопичення спостерігалася вологість грунту, близька до F, що не було ще межею, оскільки в грунті повітряємкість не була рівна нулю.

Зростання вологості в процесі взаємодії матеріалу з паром обмежується величиною МГ (рис. 3.3). Максимальна гігроскопічність характеризує сорбційну спроможність грунтів і матеріалів дорожніх одягів при пругкості водяного пари, близької до насичення, коли, крім утворення полімолекулярних сорбційних шарів, відбувається капілярна конденсація. При вологості матеріалу (грунту) W<МГ рух вологи відбувається тільки у виді пару. Якщо W >МГ, то в порах відбувається вологонакопичення головним чином за рахунок капілярної конденсації. При цьому, як показали експерименти, загальний потік вологи в грунті складається приблизно з 75% водяного пари і 25% плівкової вологи.

Рисунок 4.4 - Залежність МГ від температури сорбції пару для деяких дорожньо - будівельних матеріалів: 1 - щебінь із піщанику; 2 - грунт, укріплений дьогтем і вапном: 3 - бітумогрунт, 4 - цементобетон; 5 – дьогтегрунт; 6 – асфальтобетон.

Величина МГ характеризує вологість матеріалу, вище якої водяні пари завжди знаходяться у стані, що насичує порове повітря, і φ=100%. Вона є критерієм стану пару в дорожній конструкції. Тому отримані значення МГ (див. рис. 3.3) являють теоретичний і практичний інтерес.

Величина МГ для грунтів істотно залежить від ступеня дисперсності. З зростанням верхньої межі пластичності грунту площа поверхні, що сорбірує, збільшується і МГ зростає: для пісків від 0,2 до 2,0%; для супісків від 2,0 до 4,0%; для суглинків від 4,0 до 12,0% і для глин вище 12,0- 13,0%.

Зі зниженням температури поверхневий натяг водяної плівки агрегатів матеріалу збільшується, а кінетична енергія молекул пару падає. Ті молекули, що попали на водяну плівку, не можуть десорбіруваться (випаровуватися). При цьому вологість матеріалу зростає (рис. 3.4). Охолодження дорожньої конструкції сприяє підвищенню МГ, унаслідок чого процес капілярної конденсації зимою починається при більшій вологості, ніж улітку. Тому в холодний період року шари одягу і грунти полотна сорбірують пару більше, ніж у теплий період.

Дата добавления: 2014-01-07