Сушка. Формы связи влаги с материалом. Статика и кинетика сушки
Влажное состояние материала, подвергаемого тепловой обработке
Все материалы, подвергаемые тепловой обработке в производстве строительных изделий, представляют собой неоднородные (гетерогенные) системы, в которых совмещаются три фазы агрегатного состояния. Твердую фазу представляет скелет материала, жидкую – влага и газообразную – воздух и пары воды.
Все влажные материалы в зависимости от их свойств делятся на три вида. Первый вид называют коллоидными телами. Они характеризуются эластичными свойствами, сохраняющимися даже при удалении влаги. Эти тела типа желатины практически в строительной индустрии не применяются.
Второй вид представлен капиллярно-пористыми телами, при удалении из них влаги они приобретают хрупкость и могут быть превращены в порошок. Представителями таких тел являются кварцевый песок и древесный уголь. При высушивании они практически не подвержены усадке.
Третий вид называют капиллярно-пористыми коллоидными телами. При увлажнении они увеличиваются в размерах (набухают), а при высыхании имеют значительную усадку (практически все материалы, применяемые в производстве строительных изделий).
Сушка – это целый комплекс явлений, связанных с тепло- и массообменом между материалом и окружающей средой, в результате чего происходит перемещение влаги из внутренней части изделия на поверхность и ее испарение. В процессе сушки керамических и ряда теплоизоляционных материалов не только уменьшается влагосодержание материала, но и происходят процессы структурообразования.
Сушка – весьма ответственный, например, этап технологии строительной керамики, так как трещины обычно возникают именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются.
Характер изменения физико-механических свойств материалов в процессе сушки определяется количеством влаги, содержащимся в материале, формами её связи с материалом, режимами сушки.
По предложению академика П.А. Ребиндера, в настоящее время общепринятой является энергетическая классификация форм связи влаги с материалом. По этой классификации все формы связи делятся на три группы. К первой группе относят химическую связь влаги с материалом, вторая представляется физико-химической связью и к третьей относится физико-механическая связь.
Химически связанная влага входит в состав молекул в точных количественных соотношениях. Эта влага является кристаллизационной и входит в состав кристаллических решёток материалов. Она удаляется из материала только вместе с разрушением кристаллической решётки при высоких температурах и требует наибольшего количества энергии для разрушения связи с материалом по сравнению с другими видами связи.
Влагу, связанную с материалом физико-химическим способом подразделяют на адсорбционно-связанную и осмотически-связанную. Эту влагу можно удалять при температуре, не превышающей 100ºС.
Физико-механическая связь с материалом присуща влаге, заполняющей макро- (с радиусом более 10-5 см) и микро- (с радиусом менее 10-5 см) капилляры, а также влаге смачивания и влаге, механически захваченной (структурной) при гелеобразовании. Эта влага удерживается в материале за счёт непрочных сил поверхностного натяжения и капиллярного давления. Эта связь нарушается даже при воздушном хранении материала из-за разности парциального давления водяного пара на поверхности материала и в окружающей среде.
Влагу, связанную с материалом физико-механическими силами, называют также свободной, а две другие связанной. Иногда из понятия свободной влаги исключают микрокапиллярную влагу, относящуюся также к физико-механической форме связи.
В капиллярно-пористых материалах преобладает микро- и макрокапиллярная влага, которая легко удаляется при сушке без существенного изменения объема материала. В коллоидно-капиллярно-пористых материалах содержится осмотическая и капиллярная влага, поэтому материал имеет значительную усадку при сушке и набухает при увлажнении.
Таким образом, при сушке из материала удаляется физико-химическая и физико-механи-ческая влага. Химически связанная влага в процессе сушки не удаляется.