Термодинамика процессов растрескивания покрытий от действия влаги

Приведены сведения о вероятности разрушения защитно-декоративных покрытий от действия влаги. Рассмотрен механизм разрушения покрытий от действия давления воздуха в порах материала при конденсации влаги. Предложено процессы, происходящие в покрытиях в течение календарного года, описывать с помощью термодинамической функции — изменение энтропии.

Ключевые слова: защитно-декоративное покрытие, растрескивание, давление воздуха, термодинамика процесса.

Thermodynamics ofcracking coating against moisture

V. I. Loganina

Penza State University of Architecture and Construction

The information about the probability of failure of protective and decorative coatings against moisture. The mechanism of degradation of coatings from the action of air pressure in the pores of the material in the condensation. Proposed processes occurring in the coatings during the calendar year, described by thermodynamic functions — the change in entropy

Keywords: protective and decorative coating, cracking, air pressure, thermodynamics process

В процессе эксплуатации защитно-декоративных покрытия наружных ограждающих конструкций зданий подвергаются увлажнению за счет действия дождей, высокой относительной влажности воздуха, а также за счет диффузии водяного пара через ограждающую конструкцию от внутренней поверхности к наружной в холодный период года, что приводит к растрескиванию или отслаиванию покрытий [1,2].

В работе рассмотрена вероятность растрескивания покрытия от действия влаги в зоне контакта. В зоне контакта «покрытие-подложка» имеются поры, не наполненные красочным составом, причем при увеличении поверхностной пористости число таких пор возрастает. При конденсации влаги, находящейся в таких порах, воздух сжимается и оказывает давление на слой краски, способствуя его разрушению.

Был проведен расчет давления воздуха в порах материала при условии, что влажность материала стены не превышает предела сорбционного, т. е. когда в ограждающей конструкции наблюдается диффузия только водяного пара и отсутствует движение влаги в жидкой фазе

Давление воздуха в порах рассчитывалось в соответствии с законом Менделеева-Клапейрона:

    (1)

Принято, что параметры пор и масса газа остаются постоянными. Пусть влажность материала для 1 состояния составляет  (по объему), тогда коэффициент насыщения пор  равен:

      (2)

где -пористость материала.

Для 2 состояния, когда влажность материала , причем :

      (3)

Коэффициент характеризует объем воды в порах, а - объем воздуха в порах. С учетом этого в соответствии с уравнением (1) давление воздуха в порах для 1 состояния будет равно:

                 (4)

Для 2 состояния:

                                      (5)

Изменения давления составляет:

                        (6)

Рассмотрим в качестве примера расчет дополнительного давления воздуха в порах при нестационарных условиях диффузии водяного пара в наружной стене, выполненной из керамзитобетона плотностью  =1000 кг/м3 для условий г. Москвы. Относительная влажность воздуха с внутренней стороны составляет 60 % при температуре 18 ° С. Толщина стены составляет 35 см. Расчет влажностного состояния стены выполнен с учетом паропроницаемости покрытий [3](табл.1).

Таблица 1

Изменение давления воздуха в порах подложки в зависимости от влажности материала

Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл.1, свидетельствует, что величина давления воздуха в порах материала при условии, что влажность материала стены не превышает предела сорбционного, т. е. когда в ограждающей конструкции наблюдается диффузия только водяного пара и отсутствует движение влаги в жидкой фазе, не представляет опасности для целостности большинства покрытий. Величина давления воздуха не превышает 0,12 МПа. Однако диффузия только водяного пара наблюдается у высохших стеновых панелей. Однако влажность бетона стеновых панелей нередко достигает до 20 % и высыхание до нормативной влажности составляет 4–5 лет. Расчеты показывают, что при влажности бетона 8 % давление воздуха в порах в июне месяце достигает до 0,214 МПа, при влажности 12 % — 0,244 МПа, что сопоставимо с длительной когезионной прочностью некоторых защитно-декоративных покрытий (известковых, полимеризвестковых, ХСПЭ и др.).

При отделке наружных стеновых панелей красочным составом на основе органических растворителей (толуол, ксилол и др.) в порах образуется насыщенная парогазовая смесь. Наличие в объеме пор наряду с водяным паром другого газа способствует уменьшению скорости поверхностной конденсации. Из этого следует, что разрушение (отслаивание, растрескивание) покрытий от действия давления воздуха в порах подложки начинается позже по сравнению с покрытиями на основе водных красочных составов.

Предложено описать процессы, происходящие в покрытиях в течение календарного года, с помощью термодинамической функции — изменение энтропии S. Учитывая сложность структуры и свойств композиционного материала «покрытие — бетон наружных стен зданий», будем считать его как систему, состоящую из макроскопических объектов (собственно покрытия, материал подложки и поровое пространство). Рассмотрим изменение энтропии системы, состоящей из воздуха, находящегося в порах подложки.

Начальное состояние системы характеризуется температурой T₁ и объемом V₁, конечное состояние — Т₂ и V₂. Систему можно перевести из начального состояния в конечное в две стадии. Первая стадия состоит в изотермическом расширении от объема V₁ до объема V₂, за ней следует нагревание от температуры T₁ до температуры Т₂ при постоянном объеме. Изменение энтропии на первой стадии можно определить по формуле

                               (7)

Изменение энтропии при изохорическом процессе составляет

                                           (8)

где - число степеней свободы, для данной системы, .

Полное изменение энтропии будет составлять

      (9)

Результаты расчета изменения энтропии приведены в табл.2. Анализ расчетных данных свидетельствует, что максимальное изменение энтропии характерно для апреля месяца и составляет =23,45 Дж/К. По Больцману энтропия может рассматриваться как мера беспорядка системы, поэтому, чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше энтропия. Увеличение изменения энтропии в ноябре месяце, равное 18,16 Дж/К, очевидно, связано с переходом через -4°С и возникновением при этом трещин.

Таблица 2

Термодинамические параметры воздуха в порах цементной подложки в процессе увлажнения

Проведенные дальнейшие расчеты показывают, что в случае образования трещин и появления дополнительного объема воздуха, который могут заполнить молекулы воздуха, находившегося в порах, давление воздуха в порах уменьшается, поэтому уменьшается и изменение энтропии. Таким образом, каждый новый годовой цикл повторяет динамику изменения энтропии, но на уровне системы со все меньшим порядком (т. е. с большим числом трещин) и так до полного разрушения покрытия. Полученные результаты расчетов согласуются с ранее полученными данными о вероятности разрушения покрытий от действия давления воздуха в порах цементной подложки в апреле месяце. По полученным расчетам изменения энтропии в течение календарного года можно сделать следующие выводы. С увеличением температуры системы, которое наблюдается с февраля месяца, увеличивается давление системы, на что указывает увеличение изменения энтропии. С апреля месяца за счет дополнительного объема пор, образовавшегося в результате появления трещины, давление воздуха в порах уменьшается, а, следовательно, уменьшение изменения энтропии. Таким образом, применение термодинамического метода позволяет более детально рассмотреть процессы, происходящие в покрытиях в процессе старения, и предсказать их разрушение по изменению энтропии в течение календарного года.

Литература:

1.         Логанина, В. И. Изменение физико-механических свойств покрытий на основе полимерцементных связующих в процессе старения/В. И. Логанина, О. В. Карпова, Н. В. Божьев//Пластические массы.-1999.- № 5. — С.11.

2.         Орентлихер, Л. П. Защитно-декоративные покрытия бетонных и каменных стен зданий/Л. П. Орентлихер, В. И. Логанина.-Справочное пособие. — М.:Стройиздат,1993.- 136с.

3.         Скачков, Ю.П.Вертикальные ограждающие конструкции зданий с пеностеклокерамикой/ Ю. П. Скачков, В. И. Логанина В. И., О. В. Карпова // Региональная архитектура и строительство.- 2011.- № 1.- С. 23–26.

References:

1.         Loganina, V. I. Changes in the physical and mechanical properties of coatings based on polymer-binder aging / V. I. Loganina, O. V. Karpova, N. V. Bozhev / / Plastic massy.-1999. — № 5. — Р.11.

2.         Orentliher, L. P. Protective and decorative coatings of concrete and stone walls / L. P. Orentliher, V. I. Loganina.-Handbook. — M. Stroyizdat, 1993. — 136р.

3.         Skachkov, Y. P. Vertikalnye building envelope with penosteklokeramikoy / Yu.P.Skachkov, V. I. Loganina VI, O. V. Karpova / / Regional architecture and engineering. — 2011. — № 1. — Р. 23–26.