Как найти степень влажности

Вычисление удельного веса грунта

Удельным весом грунта γ называется вес единицы объема грунта, измеряется в кН/м³.

Удельный вес грунта вычисляется через его плотность:

γ = g × ρ ,

где ρ — плотность грунта, т/м³; g — ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с².

Определение плотности сухого (скелета) грунта

Плотность сухого (скелета) грунта ρ_d — природная плотность за вычитанием массы воды в порах, г/см³ или т/м³.

Устанавливается расчетом:

ρ
ρ_d = ,
1+0,01W

где W — природная (естественная) весовая влажность грунта, %; ρ — природная (естественная) весовая плотность грунта, г/см³ (т/м³)

Определение коэффициента пористости грунта

Коэффициент пористости e — это отношение объема пустот к объему твердых частиц в долях единицы. Устанавливается расчётом:

ρ_s — ρ_d
e = ,
ρ_d

где ρ_s и ρ_d — соответственно плотность частиц и плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ (т/м³).

Плотность частиц ρ_s принимается равной для песчаных грунтов 2,66 г/см³, супесей — 2,7 г/см³, суглинков — 2,71 г/см³, глин — 2,74 г/см³

Таблица 6

Песчаные грунты по плотности сложения

Пе­сок	Ко­эф­фи­ци­ент по­ри­сто­сти е, (в до­лях еди­ни­цы)
Гра­ве­ли­стый, круп­ный и сред­ней круп­но­сти	Мел­кий	Пы­ле­ва­тый
Плот­ный	e ≤ 0,55	е ≤ 0,6	е ≤ 0,6
Сред­ней плот­но­сти	0,55 < е ≤ 0,7	0,6 < е ≤ 0,75	0,6 < е ≤ 0,8
Рых­лый	е > 0,7	е > 0,75	е > 0,8

Определение показателя текучести глинистых грунтов

Показать текучести I _L выражается в долях единицы и используется для оценки состояния (консистенции) пылевато-глинистых грунтов.

Определяется расчетом из формулы:

W — W_p
I _L = ,
I _р

где W — природная (естественная) влажность грунта; W_p — влажность на границе пластичности, в долях единицы; I _p — число пластичности.

В зависимости от показателя текучести пылевато-глинистые грунты могут иметь плотность сложения согласно таблице 7.

Таблица 7

Глинистые грунты по плотности сложения

Грунт	По­ка­за­тель те­ку­че­сти I L
Су­песь	твер­дая	I L ≤ 0
пла­стич­ная	0 ≤ I L ≤1
те­ку­чая	I L >1
Су­гли­нок и гли­на	твер­дые	I L ≤ 0
по­лутвер­дые	0 ≤ I L ≤0,25
ту­го­пла­стич­ные	0,25 < I L ≤0,5
мяг­ко­пла­стич­ные	0,5 < I L ≤0,75
те­ку­че­пла­стич­ные	0,75 < I L ≤1
те­ку­чие	I L >1

Определение степени влажности грунта

Степень влажности грунта S_r — отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха):

W·ρ_s
S_r = ,
e·ρ_w

где ρ_s — плотность частиц грунта (плотность скелета грунта), г/см³ (т/м³); е — коэффициент пористости грунта; ρ_w — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³ (т/м³); W – природная влажность грунта, выраженная в долях единицы.

Таблица 8

Грунты по степени влажности

Грунт	Сте­пень влаж­но­сти
Ма­ло­влаж­ный	0 < Sr ≤ 0,5
Влаж­ный	0,5 < Sr ≤ 0,8
На­сы­щен­ный во­дой	0,8 < Sr ≤ 1

1. Определение влажности грунта.

Различают
естественную влажность грунта, полную
влагоемкость и степень влажности.

Естественная влажность – это
количество воды, которая содержится в
порах грунта в его природном состоянии
и характеризуется отношением массы
воды к массе сухого грунта. Измеряется
в долях единицы.

(9)

W –
естественная влажность;

m_в
– масса воды, г;

m_d
– масса сухого грунта, г.

Полная влагоемкость – это
влажность, при которой все поры заполнены
водой.

(10)

W_n
– полная влагоемкость в долях
единицы;

е –
коэффициент пористости грунта;

ρ_s
– плотность частиц грунта, г/см³.

Степень влажности – это степень
заполнения пор водой или относительная
влажность

(11)

S_r
– степень влажности в долях единицы;

W –
естественная влажность, доли единицы;

ρ_s
– плотность частиц грунта, г/см³;

е –
коэффициент пористости, доли единицы;

ρ_в
– плотность воды, г/см³ (условно
принимаем ρ_в = 1 г/см³).

Классификация
грунтов по степени влажности S_r

Таблица 2

Влажностная характеристика	Степень влажности
Маловлажные	0 –0,50
Средневодонасыщенные (влажные)	0,50 – 0,80
Водонасыщенные	> 0,8

1. Определение пластичности грунтов

Пластичность
– классификационный признак глинистых
грунтов.

Пластичность
– это способность глинистых грунтов в
присутствии влаги под действием внешних
усилий менять свою форму без разрыва
сплошности. Пластичность проявляется
в пределах влажности, характеризующейся
верхним и нижним пределом пластичности.

Верхний
предел пластичности W_L –
это влажность, при которой глинистый
грунт переходит из пластичного состояния
в текучее.

Нижний
предел пластичности W_p –
это влажность, при которой глинистый
грунт переходит из пластичного состояния
в полутвердое или твердое.

Чем больше
глинистых частиц в грунте, тем больше
разница между верхним и нижним пределом
пластичности, т.е. число пластичности
I_p.

(12)

I_p
– число пластичности, доли единицы;

W_L
– верхний предел пластичности, доли
единицы;

W_p
– нижний предел пластичности, доли
единицы.

Эта особенность положена в основу
классификации глинистых грунтов по
числу пластичности I_p:

Супеси – 0,01 – 0,07

Суглинки — 0,07 – 0,17

Глины — >0,17

Текучесть
грунта (консистенция) – это степень
пластичности или текучести грунта,
зависящий от глинистости грунта и его
природной влажности.

или
(13)

I_L
– показатель текучести (консистенция),
доли единицы;

I_p
– число пластичности, доли единицы;

W_L
– верхний предел пластичности, доли
единицы;

W_p
– нижний предел пластичности, доли
единицы;

W –
естественная влажность, доли единицы.

Классификация
грунтов по показателю текучести I_L
(консистенция).

Таблица 3

Супеси	Суглинки и глины
Твердая	< 0	Твердая	< 0
Полутвердая	0 – 0,25
Пластичная	1 – 1,0	Тугопластичная	0,25 – 0,50
Мягкопластичная	0,50 – 0,75
Текучая	> 1,0	Текучепластичная	0,75 – 1,0
Текучая	> 1

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Влажность грунта

Влажность – это количество воды, находящееся в порах грунта. Она определяется в процентах, долях единицы или абсолютных цифрах. В этой статье речь пойдет о естественной влажности. Мы также рассмотрим некоторые другие показатели, которые используются на практике.

Что такое естественная влажность

Естественная влажность – это характеристика грунта в его природных условиях. Она определяется для заданного объема образца по соотношению массы воды к массе высушенного грунта.

В верхних горизонтах грунтового массива влажность меняется в зависимости от времени года и погоды. В большинстве случаев воды здесь меньше, чем в нижних слоях. Но влажность может увеличиваться весной или после интенсивных осадков.

В нижних горизонтах влажность довольно стабильная. Она зависит от уровня водоносного горизонта, плотности и пористости самого грунта. На показатель мерзлых грунтов также влияет температура.

Установлена зависимость влажности от ряда особенностей грунта. Песок и крупнообломочный грунт хорошо пропускают воду. Она не задерживается, проходит весь массив вплоть до грунтовых вод. Это снижает показатель.

В глинистых и пылеватых грунтах много закрытых пор, из которых влага не испаряется. Мелкие частицы связывают воду. Поэтому жидкость в таких грунтах задерживается, что способствует набуханию и морозному пучению.

Гумус и органические останки также способны впитывать и связывать воду. Для почвы это положительное качество. В воде растворяются питательные элементы, после чего они становятся доступными для растений.

Ниже перечислены некоторые характеристики грунтов, зависящие от влажности:

• Несущая способность
  При повышении влажности несущая способность грунтов падает. В дисперсных грунтах уменьшается сила трения между частицами, они смещаются. Глина переходит в пластичное или текучее состояние, становится более чувствительной к давлению и нагрузкам, в ней возникают необратимые деформации. Влажность почти не влияет на несущую способность скальных грунтов, так как связи между их элементами прочные, не ослабевают под воздействием воды.
• Плотность
  При увеличении влажности плотность грунта сначала повышается, а затем падает. Глинистые, пылеватые и мелкие песчаные грунты становятся текучими. В скальных грунтах жидкость заполняет мелкие поры и трещины, что также способствует повышению плотности.
• Просадочность и сжимаемость
  Наиболее выраженное проседание под влиянием влаги у лёссовидных грунтов и пылеватых песков. Глина, наоборот, увеличивается в объеме при переувлажнении, но сжимается в сухом состоянии. Все это следует учитывать во время строительства зданий на глинистых и лёссовидных грунтах. Чтобы они не деформировались, необходимо делать гидроизоляцию под фундаментом или укреплять основание другим типом грунта (крупнозернистым песчаным, гравелистым, скальным).
• Прочность
  У большинства увлажненных грунтов прочность падает. В первую очередь это касается глины, лёсса, пылеватых песков. Под влиянием воды разрушаются коллоиды, грунт утрачивает связность, становится пластичным или текучим. Также падает прочность грунтов с высоким содержанием растворимых солей. Влажность практически не влияет на прочностные характеристики скалы из магматических или метаморфических пород.
• Набухаемость и морозное пучение
  Эти характеристики напрямую зависят от влажности. Набухаемостью обладают глины. При попадании воды в массив она связывается с глинистыми минералами, между зернами образуется толстая пленка, мешающая их сближению. В результате объем грунта увеличивается.
  Морозное пучение присуще любому грунту. При замерзании вода расширяется, что ведет к увеличению объема. У глины, лёсса, мелкого и пылеватого песка это явление более выражено из-за высокой влажности, чем у крупнообломочных и гравелистых грунтов.
• Плодородие
  Влажность – одна из основных характеристик, обеспечивающих плодородие. Вода является средой для роста и размножения микроорганизмов, в ней растворяются все питательные элементы. При низкой влажности они становятся недоступными для растений. Высокая влажность затрудняет доступ кислорода в грунт, способствует развитию гнилостных бактерий и грибков, может привести к гибели корней. Для каждого вида растений существует своя оптимальная влажность – одни могут расти на болотах, другие в условиях пустыни.

Дальше вы узнаете, какие показатели влажности наиболее важны при определении качеств грунта.

Типы влажности

При изучении характеристик грунта важно знать не только его естественную влажность. Ведь этот показатель не полностью отображает характеристики грунта.

Для практических целей определяются еще несколько типов влажности:

• Весовую
• Объемную
• Относительную
• Гигроскопическую
• Оптимальную
• Допустимую
• На границе раскатывания
• На границе текучести
• Влажность набухания
• Влажность на пределе усадки

Детальную информацию об этих показателях вы найдете в следующей части текста.

Весовая влажность

Весовая влажность – это соотношение массы воды в грунте к массе сухого вещества. В отличие от естественной влажности показатель может определяться в дополнительно увлажненных или подсушенных грунтах. Он не всегда отвечает характеристикам в природных условиях.

Расчеты весовой влажности проводят по формуле:

Результат выражается в процентах (тогда его умножают на 100) или долях единицы.

Весовая влажность изменяется от 0 (абсолютно сухой грунт) до бесконечности. В некоторых грунтах (например, торфяных) вода может весить значительно больше, чем сухой грунт в пробе определенного объема. Поэтому показатель в них иногда достигает 1 000-3 000% и больше (10-30 единиц).

Весовая влажность демонстрирует, сколько воды находится в грунте, как это количество соотносится с твердой частью материала. Но по весовой влажности невозможно узнать, насколько поры заполнены водой. Показатель используется для расчетов относительной влажности.

Объемная влажность

Объемная влажность – это соотношение между объемом воды и объемом всех трех фаз грунта (твердой, жидкой и газообразной).

Вычисляется она по формуле:

Выражается объемная влажность, как и весовая, в долях единицы или процентах. Минимальное значение у абсолютно сухого грунта – 0, максимальное не превышает 100% (у полностью водонасыщенного грунта).

Объемная и весовая влажность согласуются между собой формулой, учитывающей плотность грунта:

Объемная влажность, как и весовая, используется для расчета относительной влажности.

Относительная влажность

Этот показатель также называют степенью водонасыщенности или коэффициентом влажности. Он демонстрирует, насколько грунтовые поры заполнены жидкостью.

Определяют относительную влажность по формуле:

По этому показателю грунты разделяются на несколько типов:

• Маловлажные (Sr от 0 до 0,5) – водой заполнены меньше 50% пор
• Влажные (Sr от 0,5 до 0,8) – водой заполнены от 50% до 80% пор
• Водонасыщенные (Sr больше 0,8) – водой заполнены больше 80% пор

Такая классификация относится в основном к пескам и крупнообломочным грунтам. В глинах и лёссах много связанной воды и мелких капилляров, поэтому относительная влажность не полностью отображает степень заполнения пор жидкостью.

Относительная влажность демонстрирует насыщенность грунта жидкостью. По этому показателю можно судить о других свойствах материала – сжимаемости, прочности, склонности к усадке, набухаемости, несущей способности. Зная относительную влажность, легче планировать дальнейшие действия по усовершенствованию качеств грунта – стоит ли дополнительно увлажнять его или, наоборот, просушивать с помощью рыхления, уплотнения, дренирования.

Гигроскопическая влажность

Гигроскопической называют влажность высушенной при 105-107°С пробы. На частицах конденсируется вода из атмосферы. Показатель зависит от влажности воздуха. На него также влияет дисперсность грунта. Поверхность конденсации у мелких зерен больше, чем у крупных. Они улавливают больше парообразной воды, что повышает гигроскопическую влажность.

Гигроскопическая влажность дает представление о поглотительной способности и влагоемкости грунта, его гранулометрическом составе. Показатель также дает представление о количестве связанной воды в грунте, так как большая часть влаги из воздуха вступает в прочный контакт с твердыми частицами.

Оптимальная влажность

Грунт с оптимальной влажностью максимально уплотняется при заданной внешней нагрузке. Определяется показатель в лабораторных условиях. Сухой образец постепенно увлажняют и утрамбовывают прибором стандартного веса.

В процессе опыта составляют график. У связных грунтов он имеет форму дуги. При увеличении влажности плотность сначала возрастает, а затем начинает снижаться. Числовое значение параметра в верхней точке и называется оптимальной влажностью.

У несвязных грунтов (песчаных, гравелистых) подобная закономерность не всегда выражена. Их трамбуют и увлажняют до тех пор, пока на поверхности не начнет появляться жидкость. Такой момент называется точкой отжатия воды. Оптимальной считается влажность на 1-1,5% ниже этой точки.

Для вашего удобства мы привели стандартные значения оптимальной влажности для разных типов грунтов:

• Крупнообломочный щебенистый – 3-5%
• Дресва – 5-7%
• Песок гравелистый – 4-6%
• Песок крупный – 6-8%
• Песок средний – 8-10%
• Песок мелкий и пылеватый – 10-14%
• Супесь – 9-15%
• Суглинок легкий – 12-16%
• Суглинок тяжелый – 16-22%
• Глина – 18-26%

Не у всех грунтов оптимальной является естественная влажность. При перевозке большинство материалов пересыхает, поэтому перед трамбовкой их приходится увлажнять. Если влажность грунта выше, его разрыхляют и оставляют просохнуть.

Допустимая влажность

При такой влажности грунт уплотняется до определенной допустимой величины, которая регламентируется коэффициентом уплотнения. Определяют ее долями от оптимальной влажности.

В таблице даны цифры допустимой влажности для основных типов грунтов при разных коэффициентах уплотнения.

Влажность на границе раскатывания

Показатель актуален для пластичных грунтов (глинистых, суглинистых, реже супесчаных). После впитывания определенного количества жидкости они обретают пластичные свойства – меняют форму под давлением и сохраняют ее после снятия нагрузки.

При увлажнении между глинистыми частицами, молекулами воды и растворенных в ней солей возникают коллоидные связи. В это же время расстояние между отдельными элементами грунта увеличивается. Он становится более чувствительным к необратимым деформациям. Когда влажность снижается, связи разрушаются. Грунт твердеет и при нагрузке распадается на куски.

Влажность на границе текучести

При увеличении влажности глины и суглинки становятся полужидкими (текучими). Частицы взвешены в большом объеме воды. Грунт превращается в массу, не способную поддерживать определенную форму. Минимальное количество воды, при котором грунт обретает такие свойства, называется влажностью на границе текучести.

Влажность на границе раскатывания и текучести определяют при изучении пластических свойств глинистых грунтов. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье Пластичность грунта.

Влажность набухания

Глинистые грунты способны набухать (увеличиваться в объеме) при увлажнении. Количество жидкости, которое нужно добавить для максимального расширения грунта в замкнутом с боков сосуде, называется влажностью набухания.

Для максимального приближения эксперимента к естественным условиям образец нагружают сверху. Это имитирует давление фундамента. В ходе такого исследования определяется влажность набухания для разных по силе нагрузок.

Показатель демонстрирует, насколько грунт склонен к набуханию и при какой влажности происходит это негативное явление. Определяют характеристику при планировании строительства зданий или прокладке дорог на глинистых грунтах. В зависимости от влажности набухания проектируют дренаж и гидроизоляцию. В некоторых случаях необходимо проводить частичную замену грунта или вообще переносить строительство на другой участок.

Влажность на пределе усадки

Влажность влияет на усадку глинистых грунтов. Под давлением сначала удаляется вода из крупных пор, и усадка идет медленно. На следующем этапе процесс ускоряется, так как из средних и мелких пор вытесняется больший объем воды. После этого процесс резко замедляется или вовсе прекращается. Остаток воды в грунте на этот момент называется влажностью на пределе усадки.

Определив влажность основания под фундаментом, можно узнать, будет ли он еще давать усадку. Но перед этим следует исследовать грунт с конкретного участка в лаборатории.

О способах определения влажности вы прочитаете в следующей части статьи.

Методы определения влажности

Выбор метода зависит от технических возможностей, разновидности грунта и типа влажности.

На практике чаще всего применяются:

• Высушивание проб до постоянной массы
• Определение гигроскопической влажности
• Определение влажности мерзлых грунтов
• Определение влажности с помощью влагометра
• Определение влажности на границе раската
• Определение влажности на границе текучести

Детальнее об этих методах мы расскажем в продолжении текста.

Метод высушивания проб до постоянной массы

Для исследования понадобятся:

• Образец грунта 15-20 г
• Высушенный чистый стакан
• Шкаф для сушки
• Аналитические весы

Сначала на весы ставят пустой стакан с крышкой. Потом его заполняют землей, снимают крышку и вместе с ней ставят в сушильный шкаф. Просушивают образец при 105-107°С. Загипсованные грунты можно сушить при 80°С.

Время сушки зависит от типа грунта:

• Песчаные – 3 часа
• Загипсованные – 8 часа
• Остальные – 5 часа

После завершения процедуры грунт опять взвешивают, затем просушивают еще 2 часа (песчаный 1 час). Действие повторяют, пока разница между весом после просушки не будет составлять меньше 0,02 г. Масса органических почв иногда увеличивается после просушки. Тогда для исследования берут минимальное значение.

Дальше влажность вычисляют по формуле:

Влажность выражена в процентах. Если не умножать показатель на сто, мы получим результат в долях единицы.

Метод используется, прежде всего, для определения весовой влажности. Но его можно применить и для других показателей, которые были описаны выше.

После завершения испытания определяют объемную и относительную влажность. Предварительно исследуют плотность грунта и его твердых частиц, вычисляют коэффициент пористости. Детальнее об этих показателях вы можете прочитать в соответствующих статьях на нашем сайте.

Определение гигроскопической влажности

При исследовании пользуются той же аппаратурой, что и в предыдущем случае. Берут 10-20 г грунта и доводят до абсолютно сухого состояния. Затем образец растирают и пропускают сквозь сито с сеткой № 1 (диаметр ячеек 1 мм). Затем его оставляют на 1-2 часа на открытом воздухе.

Когда проба впитает влагу из воздуха, ее засыпают в сухой стакан, закрывают крышкой и взвешивают. После этого образец еще раз высушивают и ставят на весы. Гигроскопическую влажность определяют по формуле, описанной в предыдущей части статьи.

Определение влажности мерзлого грунта

Вода в мерзлых грунтах может иметь жидкую либо твердую форму. Их естественная влажность всегда большая, часто на уровне полного водонасыщения.

Существует несколько разновидностей влажности мерзлого грунта:

• Суммарная (за счет льда и воды)
• Между включениями льда
• За счет мерзлой воды
• За счет ледяных включений
• За счет льда в порах

Экспериментальным путем определяется суммарная влажность. Остальные виды вычисляют в редких случаях по специальным формулам (еще реже – выявляют экспериментально).

Для определения суммарной влажности берут образец грунта массой 3 кг. Его помещают в сухую тару определенной массы. Мерзлый образец взвешивают вместе с емкостью, затем ждут, пока он оттает. При оттаивании глинистый грунт переходит в текучее состояние, песчаный обретает полное насыщение водой.

Грунтовую жижу хорошо перемешивают и отбирают образец для определения влажности методом высушивания образца до постоянной массы.

Суммарную влажность вычисляют по формуле:

Определение влажности влагометром

В полевых условиях показатель можно определить влагометром. Это электронное устройство с датчиком-щупом, который опускается в грунтовый массив на различную глубину. Длина датчика – 20 см. Прибор измеряет влажность в точке соприкосновения щупа с грунтом. Данные показываются на экране.

Прибор определяет абсолютную и относительную влажность. Но его показания не всегда точные. Чаще всего его используют в сельском хозяйстве – в теплицах, на полях и огородах. На строительном участке влагометром также можно воспользоваться, если необходимости получать предельно точные показатели нет.

Определение влажности на границе раската

Для определения показателя берут грунт с естественной влажность весом 300 г. Его измельчают и протирают сквозь сито №1 и оставляют в закрытом сосуде на 2 часа. Затем образец просушивают и растирают в порошок, после чего опять просеивают через сито.

К полученному порошку примешивают дистиллированную воду, чтобы получить однородную пасту. Ее раскатывают на стекле или пластмассовой пластине в жгут (шнур) толщиной 3 мм. Длина шнура не должна быть больше ширины ладони.

Готовый жгут сминают в комок и опять раскатывают. Проводят процедуру до тех пор, пока образец не начнет распадаться на короткие сантиметровые кусочки. Затем их собирают в сухой стакан. Когда соберется 15-20 г, определяют влажность.

Определение влажности на границе текучести

В этом случае проводят такую же предварительную подготовку образца, как в предыдущем. Из высушенного грунта готовят мягкую пасту, тщательно перемешивая ее шпателем с дистиллированной водой. Затем пробу перекладывают в цилиндр и подносят к балансирному конусу (металлическому предмету, подвешенному на нитках к штативу). Острый конец должен касаться поверхности грунтовой пасты. Затем его опускают так, чтобы он погружался в пробу под действием собственного веса. Когда конус опустится в грунт на 10 мм за 5 секунд, влажность достигла границы текучести.

Если время опускания больше 5 секунд, пасту вынимают из цилиндра и повторно смешивают с дистиллированной водой, после чего повторяют опыт. Если конус опускается слишком быстро, грунт подсушивают на открытом воздухе. Влажность по завершении испытания определяют методом высушивания образца.

Определение влажности – важный этап геодезических исследований. Чтобы изучить состояние всего массива, пробы берут в нескольких местах и на разной глубине. Затем их отправляют в лабораторию. Для самостоятельного определения показателя можно воспользоваться влагометром. Он будет полезен в первую очередь на дачном участке при изучении свойств плодородной почвы. Но прибор может пригодиться и во время проектировки фундамента небольшого здания. Ведь геодезия стоит дорого, и не всегда имеет смысл ее заказывать.

Измеряемые характеристики грунтов

     Статья подготовлена ведущим инженером-проектировщиком ООО «Легенда» Шубиным В.С.
+7 (812) 309-32-30, info@legenda-spb.com

1. Общие сведения о воздухе

     Воздух (атмосферный воздух) – это смесь газов, основными компонентами которого являются азот и кислород, которые в сумме составляют 98-99%. Воздух необходим для существования и жизнедеятельности всех живых организмов.
      Федеральный закон N 96-ФЗ от 04.05.1999 «Об охране атмосферного воздуха» трактует понятие «воздуха» следующим образом – «Атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».
      Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы).
      В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не простое вещество.
      Смесь газов, содержащихся в атмосферном воздухе, без водяного пара и аэрозолей называется сухим воздухом.
      Химический состав сухого воздуха представлен в таблице 1:
Таблица 1

      Газовый состав сухого воздуха относительно стабилен, однако от погоды, времени года, географического положения, высоты местности, природных (газообмен атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) и антропогенных факторов (загрязнение от транспорта, объектов энергетики и промышленных предприятий и т.п.) возможны небольшие изменения количества некоторых компонентов.
      При расчетах инженерных систем зданий и сооружений атмосферный воздух рассматривается как смесь сухого воздуха и водяных паров. В технической термодинамике смесь сухого и водяного пара называется влажным воздухом.
      Основными физическими параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха являются:

• Температура;
• Барометрическое давление;
• Парциальное давление сухого воздуха и водяного пара;
• Влагосодержание;
• Относительная влажность;
• Плотность;
• Удельная энтальпия.

      Температура воздуха – это физическое свойство воздуха, характеризующее его степень нагрева или охлаждения, определяемая с помощью термометров.
      Барометрическое давление определяется высотой над уровнем моря. Значения барометрического давления для различных населенных пунктов приведены в таблице 3.1 СП 131.13330.2018 «Строительная климатология». Для зданий высотой до 100 метров, расположенных на относительно небольшой высоте на уровнем моря, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно принять барометрическое давление Рб равным 101325 Па.
Величина барометрического давления равна сумме парциального давления сухого воздуха (Рс) и парциального давления водяного пара (Рп).
Рб = Рс + Рп
      Парциальное давление Р (Па) – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.
      Парциальное давление сухого воздуха зависит от температуры воздуха, а парциальное давление водяного пара – от температуры воздуха и содержания влаги в нем.
      Влагосодержание d (кг) – это величина, характеризующая отношение массы водяного пара во влажном воздухе Мп к массе сухого воздуха Мс в определенном объеме V.
d= Мп / Мc
       Плотность влажного воздуха ρ (кг/м³) — это величина, характеризующая отношение суммы массы сухого воздуха Мс и массы водяного пара во влажном воздухе Мп к объему V.
ρ = (Мс + Мп) / V
      Плотность влажного воздуха ρп, в диапазоне наиболее часто используемом для систем вентиляции и кондиционирования — от минус 40⁰С до плюс 50⁰С, отличается от плотности сухого воздуха ρс незначительно, на величину не более 5 %. Поэтому, с достаточной для инженерных расчетов степенью точности, можно принять ρ примерно равным ρс.
ρ ≈ ρс
      Удельная энтальпия влажного воздуха I (Дж/кг) – это количество теплоты, содержащейся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Удельная энтальпия влажного воздуха вычисляется по формуле:
I= cct+ (r+cпt)d
      где:
      t – Температура воздуха (С⁰);
      d – Влагосодержание воздуха (кг / кг);
      сс – Теплоемкость сухого воздуха;
      сп – Теплоемкость водяного пара;
      r – Удельная теплота парообразования воды.

2. Физические свойства влажного воздуха

2.1. Влажность воздуха

      Влажность воздуха — это мера содержания влаги (водяного пара) в воздухе. Чем больше водяного пара в объеме воздуха, тем больше его влажность. При низкой влажности, мера водяного пара в воздухе снижена, и воздух становится сухим. Влажность воздуха на улице и в помещении меняется в зависимости от погодных условий, процессов жизнедеятельности людей, работы технического оборудования, системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
      Степень сухости и влажности воздуха, находятся в прямой зависимости от того, насколько водяной пар близок к насыщению, иными словами к 100-процентной влажности (т.е. такое состояние воздуха, при котором он полностью насыщен влагой). Если охладить влажный воздух, можно довести находящуюся в нем влагу до такого состояния, что она начинает конденсироваться, т.е. превращаться в воду. Данное явление можно наблюдать при охлаждении воздуха в обычном кондиционере, при охлаждении комнатного воздуха, в кондиционере начинает образовываться конденсат. В природе данное явление наблюдается при возникновении росы ранним утром, после конденсации охладившегося ночного воздуха.
      Сам процесс конденсации охлаждаемого воздуха проявляется в появлении капель сконденсировавшейся жидкости – росы. Температура, при которой происходит перенасыщение водяного пара, находящегося в воздухе, т.е. возникновение конденсата, называется точкой росы.

2.2. Виды влажности, абсолютная и относительная влажность

      Для того чтобы охарактеризовать влажность, употребляют такие термины, как абсолютная и относительная влажность воздуха.
      Абсолютнаявлажность воздуха — это весовое количество водяных паров, содержащихся в 1м³ воздуха. В состоянии насыщения (при максимально возможном содержании влаги) абсолютную влажность воздуха называют влагоёмкостью.
     Несмотря на то, что абсолютную влажность можно представить, тем не менее это не дает полного понятия о влажности или сухости воздуха. Для того, чтобы определить степень сухости или влажности воздуха, введено такое понятие, как относительная влажность.
      Относительная влажность дает другое абстрактное понятие содержания влаги в воздухе. Данная величина показывает долю в процентном отношении, на сколько насыщен воздух водяным паром.
      Другими словами, относительная влажность – это отношение массы влаги, находящейся в воздухе в данный момент, к максимальной массе влаге, которая вообще может находиться в этом объеме воздуха при данной температуре.
      Когда говорят о влажности воздуха, например, в сводках метеопрогноза, всегда имеют в виду именно относительную влажность воздуха, выраженную в процентах.

2.3. Давление водяного пара.

      Основной характеристикой влажности является парциальное давление водяного пара (давление водяного пара) и относительная влажность.
      Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью, иными словами давлением. Давление водяного пара зависит от его плотности (массе в единице объема, кг/м³) и его абсолютной температуре. Оно выражается в тех же единицах, что и давление воздуха и всех его составных частей. В настоящее время в научной литературе обязательным является употребление Международной системы единиц (СИ), в которой основной единицей давления служит паскаль (1 Па = 1 Н/м²; 1 гПа= 102 Па).
      Давление водяного пара в состоянии насыщения (т.е. при 100% относительной влажности, когда воздух при определенной температуре, полностью насыщен водяным паром) называют давлением насыщенного водяного пара. В данном состоянии водяной пар имеет максимальное давление, которое возможно при данной температуре. Например, при температуре 0°С давление насыщенного пара составляет 6,1 гПа. Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре (т.е. достижения его максимального содержания влаги), можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения.
      Таким образом, имея два основных параметра:
e – фактическое давление водяного пара, находящегося в воздухе;
Е — давление насыщенного пара (с максимально возможным содержанием влаги) при данной температуре воздуха,
можно определить относительную влажность воздуха, выраженную в %, по следующей формуле:
     
      Для примера, при температуре 20°С, давление пара, при его полном насыщении воздуха составляет 23,4 гПа. Если, в данный момент времени, фактическое давление водяного пара в воздухе будет составлять, например, 11,7 гПа, то относительная влажность воздуха составит:

      Следует также заметить, что чем теплее воздух, тем больше водяного пара может он содержать в состоянии насыщения и, стало быть, тем больше может быть в нем давление водяного пара.

2.4. Влагосодержание

      Влагосодержание (d) – это масса водяного пара (выраженная в граммах), приходящаяся на один килограмм сухого воздуха. Единица измеряется — г/кг.

      где, mв.п. – масса водяного пара, растворенного в воздухе, г
              mc.в. – масса сухого воздуха, кг.

2.5. I-d диаграмма влажного воздуха

      I-d диаграмма влажного воздуха – это основной инструмент для отражения различных процессов изменения состояния воздуха – его нагрева, охлаждения, осушения и увлажнения.
      Данная диаграмма значительно упрощает понимание различных процессов, происходящих с воздухом в системах вентиляции и кондиционирования, и позволяет легко снять данные о состоянии воздуха при любых его параметрах.
     Данная диаграмма графически показывает полную взаимосвязь между основных параметрами состояния воздуха:

• температурой
• относительной влажностью
• влагосодержанием
• энтальпией
• парциальным давлением паров воды.

      Следует отметить, что все значения указаны при определенном значении состояния воздуха при атмосферном давлении – 101,3 кПа.
      На I-d диаграмме (рисунок 1) представлены следующие линии:

• криволинейные – линии относительной влажности (от 5 до 100%).
• прямые — постоянной энтальпии, температуры, парциального давления и влагосодержания.

      Определить состояние воздуха в любой точке диаграммы возможно, зная любые два его параметра.

Рисунок 1
      Графическое изображение любого процесса изменения состояния воздуха значительно облегчается с помощью дополнительно нанесенной круговой диаграммы. На данной диаграмме под разными углами показаны значения тепло-влажностного отношения ε.
      Данная величина определяется наклоном луча процесса и рассчитывается как:
ε = Q / W
где, Q – подведенное (отведенное) тепло или теплопоступления, кДж/ч;
       W — влага, поглощаемая или выделяемая из воздуха, (кг/ч).
Значение тепло-влажностного отношения ε делит всю диаграмму на четыре основных зоны, по которым можно определить процесс изменения состояния воздуха:

• ε = +∞ … 0 (нагрев + увлажнение).
• ε = 0 … -∞ (охлаждение + увлажнение).
• ε = -∞ … 0 (охлаждение + осушение).
• ε = 0 … +∞ (нагрев + осушение).

 

      Ниже приведены основные процессы увлажнения воздуха – адиабатический (рисунок 2) и изотермический (рисунок 3)

 

                     Рисунок 2                                                                              Рисунок 3

2.6. Изменение влажности в зависимости от температуры

      Относительная влажность воздуха зависит от его температуры. В процессе изменения температуры воздуха (при его нагреве или охлаждении) относительная влажность воздуха также изменяется. Данный процесс обусловлен изменением парциального давления водяных паров, содержащихся в воздухе.
      Например, в процессе нагрева воздуха парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения ими воздуха начинает увеличиваться, это обусловлено расширением газа (воздуха) при его нагреве. Учитывая данный факт, при увеличении температуры воздуха его относительная влажность начинает снижаться.
      В процессе охлаждения воздуха происходит обратный процесс. Парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения снижается, при охлаждении воздух сжимается, что вызывает увеличение его относительной влажности.
      Следует отметить, что в процессе нагрева воздуха его влагосодержание остается неизменным, так как масса водяного пара в единице сухого воздуха не изменяется (процесс нагрева проходит без подвода или отвода влаги).
      Процесс охлаждения воздуха проходит несколько сложнее. Здесь ключевым фактором является возможность конденсации водяных паров, растворенных во влажном воздухе. Например, при охлаждении воздуха без конденсации водяных паров, его влагосодержание остается неизменным (так как процесс проходит без подвода или отвода влаги — как и процесс нагрева воздуха). В случае охлаждения воздуха с конденсацией водяных паров, падает как его температура, так и влагосодержание (часть влаги конденсируется из воздуха), воздуха осушается, при этом, как было сказано выше, его относительная влажность увеличивается.
      Ниже на рисунке 4, на I-d диаграммах состояния влажного воздуха, для отображения сути процесса изменения относительной влажности и влагосодержания воздуха при изменении его воздуха, представлены следующие процессы:

• нагрев воздуха
• охлаждение воздуха без конденсации водяных паров
• охлаждение воздуха с конденсацией водяных паров.

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

26 мая 2020, 09:40
  
ЛЕГЕНДА


Статьи


0
  
0





0