Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влажностное состояние наружных стен в эксплуатационных условиях 11
1.1 Влияние влажности на эксплуатационные свойства наружных стен 11
1.2 Методы оценки и исследование влажности наружных стен 12
1.2.1 Основные причины увлажнения ограждающих конструкций 12
1.2.2 Механизмы переноса влаги в материалах как теоретическая основа методов оценки влажностного состояния ограждающих конструкций 16
1.2.3 Расчетные методы оценки влажностного состояния ограждающих конструкций 20
1.3 Нормативные методы по защите от переувлажнения наружных стен и их недостатки 28
1.4 Паропроницаемость стеновых материалов и конструкций как фактор формирования влажностного состояния наружных стен 34
1.4.1 Понятие «паропроницаемость» материалов 34
1.4.2 Влияние эксплуатационных факторов на процесс и величину паропроницаемости материалов 34
1.4.3 Стандартные методы определения паропроницаемости строительных материалов, их достоинства и недостатки 44
1.4.4 Методы определения паропроницаемости из других отраслей техники 48
1.5 Анализ исследований по оценке паропроницаемости материалов и влажностного состояния наружных стен. Выявление неопределенностей и нерешенных задач. Формулирование цели и задачи работы 52
ГЛАВА 2. Исследование температурно-влажностного режима эксплуатации различных конструктивных типов наружных стен 55
2.1 Натурные исследования температурно-влажностного режима многослойных конструкций наружных стен 55
2.1.1 Характеристики исследуемых конструкций и материалов
2.1.2 Приборы, оборудование и метод исследования 56
2.1.3 Оценка температурно-влажностного режима материалов в натурных условиях в годовом цикле эксплуатации 59
2.2 Лабораторные испытания температурно-влажностного режима многослойных конструкций наружных стен 66
2.2.1 Характеристики многослойных ограждающих конструкций, исследуемых в лабораторных условиях 66
2.2.2 Приборы, оборудование и метод исследования 69
2.2.3 Оценка температурно-влажностного режима эксплуатации материалов многослойных конструкций наружных стен 72
2.3 Выводы по главе 2 76
ГЛАВА 3. Исследование паропроницаемости стеновых материалов при эксплуатационных воздействиях 77
3.1 Разработка лабораторной установки и метода испытаний паропроницаемости материалов при различных эксплуатационных воздействиях 77
3.2 Исследование паропроницаемости материалов при их различной влажности
3.2.1 Испытание паропроницаемости материалов при различной относительной влажности воздуха в образце 81
3.2.2 Испытание сорбционной влажности исследуемых материалов 84
3.2.3 Анализ результатов испытания 87
3.3 Испытание паропроницаемости материалов в неизотермических условиях 90
3.4 Испытание паропроницаемости материалов при воздействии ветровых
потоков 92
3.5 Испытание паропроницаемости многослойных образцов стеновых
конструкций с различным расположением материальных слоев 95
3.6 Выводы по главе 3 98
ГЛАВА 4. Разработка метода определения паропроницаемости материальных слоев ограждающих конструкций при эксплуатационных воздействиях 99
4.1 Определение стационарной паропроницаемости материальных слоев ограждающей конструкции от относительной влажности воздуха 99
4.1.1 Сходимость итерационного процесса на примере расчета коэффициента паропроницаемости материала однослойной ограждающей конструкции из ячеистого бетона 102
4.2 Алгоритм метода расчета коэффициента паропроницаемости материальных слоев конструкции 109
4.3 Исследование сопротивления паропроницанию основных типов ограждающих конструкций в годовом цикле эксплуатации на примере климатических условий города Казани (IIВ) 112
4.4 Выводы по главе 4 120
ГЛАВА 5. Оценка влажностного состояния многослойных ограждающих конструкций с учетом переменных значений коэффициентов паропроницаемости 121
5.1 Метод оценки влажностного состояния конструкций наружных стен с учетом переменного значения паропроницаемости ее материальных слоев 121
5.1.1 Пример расчета характеристик влажностного состояния двуслойной конструкции наружной стены с учетом переменного значения паропроницаемости ее материальных слоев 123
5.2 Анализ влажностного состояния конструкций наружных стен с учетом переменного значения паропроницаемости их материальных слоев 130
Выводы по главе 5 136
Заключение 137
Литература 139
- Механизмы переноса влаги в материалах как теоретическая основа методов оценки влажностного состояния ограждающих конструкций
- Лабораторные испытания температурно-влажностного режима многослойных конструкций наружных стен
- Испытание сорбционной влажности исследуемых материалов
- Пример расчета характеристик влажностного состояния двуслойной конструкции наружной стены с учетом переменного значения паропроницаемости ее материальных слоев
Механизмы переноса влаги в материалах как теоретическая основа методов оценки влажностного состояния ограждающих конструкций
Влажностное состояние ограждающих конструкций определяет их теплозащитные и санитарно-гигиенические качества, имеет существенное влияние на процессы коррозии, замораживания-оттаивания и долговечность в целом. Снижение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при их увлажнении исследовано достаточно широко [6, 40, 93, 104] и связано с повышением теплопроводности увлажненных материалов, то есть снижением сопротивления теплопередаче всей конструкции. Повышение теплопроводности материалов происходит за счет замещения воздуха в поровом пространстве водой, теплопроводность которой значительно выше теплопроводности воздуха [99].
Переход на повышенный уровень теплозащиты в начале 90-х годов XX века привел к внедрению малоизученных новых строительных материалов и широкому распространению неоднородных многослойных наружных стен. Влияние влажности на эксплуатационные свойства таких конструкций значительно сложнее чем в однослойных. Так авторами [1, 2, 60, 87] было выявлено влияние влажностного режима многослойных ограждающих конструкций на снижение морозостойкости и долговечности его наружных облицовочных слоев. А. А. Ананьевым [1] было установлено, что наличие среднего теплоизоляционного слоя в подобных конструкциях приводит к существенному снижению температуры внутренней поверхности облицовочного слоя. Понижение температуры увеличивает количество замерзающей влаги в лицевых материалах, что ускоряет процессы их разрушения в условиях эксплуатации. Ф. В. Ушков детально исследовал влияние температурно-влажностных условий на разнообразные ограждения [87] и дал оценку теплотехническим свойствам исследованных конструкций. Им экспериментально установлено, что увеличение замерзшей влаги на границе двух материалов приводит к возникновению высокого гидростатического давления, которое приводит к расслоению двух материалов. Данный эффект приводит к дефектам фасадов в виде растрескивания или обрушения облицовочных слоев наружных стен.
Недостаточная влагостойкость некоторых материалов как гипс и клееная фанера при их повышенной влажности приводит к потере их механической прочности, изменению объема и формы [93].
В контакте с увлажненным утеплителем стальные связи и металлические покрытия подвержены коррозионному износу. Согласно [16] по натурным обследованиям гальваническое цинковое покрытие толщиной 15 мкм на гибкой связи в месте контакта с минеральной ватой прокорродировало до стали за два года.
При повышенной влажности материалов возникают условия для образования болезнетворных бактерий, плесени и грибов, что негативно влияет на микроклимат помещения. Так по натурным обследованиям эксплуатируемых жилых зданий [37] подобные дефекты были выявлены в местах теплотехнических неоднородностей (углах и стыках конструкций), где происходит существенное снижение температуры поверхностей и как следствие образование конденсата. Также повышенная влажность конструкций приводит и к повышению относительной влажности воздуха в помещении, что по данным гигиенистов может являться причиной целого ряда заболеваний.
Неблагоприятные последствия влияния влажности на ограждающие конструкции указывают на необходимость установления причин их увлажнения и применения надежных методов оценки их влажностного состояния на этапе проектирования.
Согласно существующей классификации [93] к основным причинам появления влаги в ограждающей конструкции относятся: строительная влага, грунтовая влага, атмосферная влага, эксплуатационная влага, гигроскопическая влага, конденсация влаги из воздуха. Строительная влага – влага, вносимая в ограждение при возведении здания или изготовления сборных ограждающих конструкций. Содержание влаги в этом случае зависит от типа конструкции и способа ее возведения. Так, наименее предпочтительны в этом отношении мелкие каменные изделия как кирпичная кладка по сравнению с крупными блоками. Крупные по объему изделия требуют меньшего количества раствора вместе с которым в конструкцию вносится меньшее количество влаги. Начальная влажность материалов в реальных условиях влияет на установление равновесного влажностного режима в ограждающих конструкциях, который может достигаться в течение нескольких лет. По различным источникам [9, 10, 40] в процессе эксплуатации строительная влажность конструкции изменяется. Так температурно-влажностное воздействие окружающей среды может способствовать либо ее высыханию, либо ее увеличению. Согласно исследованию В. М. Ильинского изменение влагосодержания ограждений в общем случае соответствует кривой на рисунке 1.1 [40].
Грунтовая влага – влага, проникающая в конструкцию из грунта механизмом капиллярного всасывания. При использовании гигроскопичных материалов как кирпич, плотный бетон и других высота капиллярного подъема влаги может достигать нескольких метров от уровня земли. Здесь нужно отметить, что при устройстве гидроизоляционных слоев, препятствующих доступу влаги из грунта можно исключить ее влияние на влажностный режим конструкции
Лабораторные испытания температурно-влажностного режима многослойных конструкций наружных стен
Исследованием влияния эксплуатационных воздействий на величину паропроницаемости материалов занимались В. С. Вайцекаускас, В. М. Ильинский, Х. А. Крутоб, Э. Э. Монствилас, В. Плонский, А. М. Хелемский, А. У. Франчук, А. С. Эпштейн, а также ряд зарубежных исследователей как Ц. Г. Иогансон и Х. Г. Эденхольм, G. H. Galbraith, J. S. Guo, R C. McLean, Chi Feng и другие.
Проводя опыты с керамическими материалами, Я. М. Минович обнаружил, что скорость влагопереноса увеличивается с ростом сорбционной влажности материала [61]. Позднее в 50-х годах А. С. Эпштейн экспериментально установил, что паропроницаемость зависит от влажности древесины и не зависит от температуры.
Зарубежные исследователи Ц. Г. Иогансон и Х. Г. Эденхольм экспериментально установили степень увеличения коэффициента паропроницаемости некоторых строительных материалов от их сорбционного влагосодержания [129], рисунок 1.4. 1. известковый раствор 2. цементный раствор 3. плотный бетон 4. минеральная вата Рисунок 1.4 – Экспериментальные зависимости коэффициента паропроницаемости материалов от относительной влажности воздуха в образце % по данным Ц. Г. Иогансона и Х. Г. Эденхольма Видно, что данная зависимость была представлена от относительной влажности воздуха, которая по изотерме сорбции соответствует определенной равновесной влажности материала. В. М. Ильинский основываясь на экспериментальных исследованиях Ц. Г. Иогансона и Х. Г. Эденхольма предложил математическую связь в виде линейной закономерности паропроницаемости материалов от их сорбционной влажности [38]: Мх=М0.З -з (1.15) где Мх – коэффициент паропроницаемости при средней равновесной влажности материала о)х; 0– коэффициент паропроницаемости при средней равновесной влажности материала со0 , то есть влажности, которая по изотерме сорбции соответствует относительной влажности воздуха ср = 80 %. Из данного выражения следует, что зависимость паропроницаемости материалов от их равновесной влажности будут различными для групп материалов с отличными видами изотерм сорбции. Для гидрофильных материалов изменения паропроницаемости будут наиболее выражены, в то время как для гидрофобных -малозначимы. В. М. Ильинский установил, что в диапазоне относительной влажности 45-80 % значение паропроницаемости материалов может изменяться до трех раз. Также в [39] автор приходит к выводу, что учет зависимости (1.15) существенно влияет на расчет длительности периода, необходимого для достижения равновесного влажностного состояния конструкции. Таким образом им был поставлен вопрос об уточнении используемых коэффициентов паропроницаемости в инженерных методах теплотехнического расчета. Однако, проведенные им исследования не получили своего дальнейшего развития.
Hugo Hens анализируя зависимость паропроницаемости пробкового материала от относительной влажности воздуха [122], указал на отсутствие какой либо корреляции между паропроницаемостью и ее сорбционной влажностью. Изотерма сорбции пробкового материала указывала на образование в ее порах подвижных пленок жидкости с увеличением относительной влажности воздуха, однако значение паропроницаемости оказалась неизменной во всем диапазоне сорбционных влажностей.
Испытание сорбционной влажности исследуемых материалов
Для измерения температуры и относительной влажности наружного воздуха используется датчик 11, который закреплен у поверхности наружного ограждения в солнцезащитном коробе. Датчик 10 и 12 регистрируют температуру и относительную влажность внутреннего штукатурного слоя и внутреннего воздуха соответственно.
В слой ячеистого бетона датчики закладывались через отверстия, высверленные с торца фрагмента с целью исключения совпадения канала отверстия с направлением потоков тепла и парообразной влаги, что обеспечивает достоверность измерений. Датчики в толще облицовочных слоев закладывались непосредственно при нанесении штукатурного слоя. Монтаж датчиков в теплоизоляционных слоях из минеральной ваты и пенополистирола выполнялся между плитами изделий толщиной по 50 мм.
Все используемые датчики соединены с единым модулем Терем 3.2 который ведет запись показаний в непрерывном режиме с установленной периодичностью в 15 минут. За несколько лет испытаний сформирована база данных которая позволила оценить степень влажности каждого слоя конструкций, а также кинетику процессов изменения температуры и относительной влажности воздуха в годовом цикле эксплуатации.
По полученным данным в ходе натурного исследования были определены среднемесячные значения температуры и относительной влажности воздуха в каждом сечении исследуемых фрагментов конструкции. Среднемесячное значение вычислялось как среднеарифметическое значение среднесуточных значений для каждого месяца в период с 2013–2014 г.
На рисунках 2.3–2.5 представлены экспериментальные и расчетные графики хода среднемесячных значений температуры воздуха в исследуемых сечениях фрагментов конструкций. Рисунок 2.3 – Среднемесячные значения температуры воздуха по сечениям конструкции с использованием мин. ваты
Среднемесячные значения температуры воздуха по сечениям конструкции с использованием ячеистого бетона Рисунок 2.5 – Среднемесячные значения температуры воздуха по сечениям конструкции с использованием ППС Расчетные распределения температуры воздуха по сечениям ограждений получены по формуле: (2.1) где t и t - температуры внутреннего и наружного воздуха, соответственно, С (по натурным среднемесячным значениям); R – сопротивление теплопередаче части конструкции от внутренней поверхности до плоскости сечения на расстоянии х, м2С/Вт; R – общее сопротивление теплопередаче однородной конструкции, м2С/Вт. При этом в расчете использовались табличные данные коэффициента теплопроводности исследуемых материалов АБ из СП 50.13330.2012. В качестве расчетных климатических значений температуры и влажности воздуха использовались среднемесячные значения по натурным данным. Можно видеть, что распределение температур в толще исследуемых конструкций отличаются, особенно в сечении между теплоизоляционным и конструкционным слоем из кирпича (сечение 2-3). Объясняется это тем, что коэффициент теплопроводности ячеистого бетона значительно выше чем у минеральной ваты и пенополистирола. Однако данная разница по экспериментальным данным не столь значительна как по расчетным данным. Можно видеть, что средняя температура воздуха между слоем ячеистого бетона и кирпичной кладкой равна 5 С для января и февраля месяца, рисунок 2.4. По натурным данным среднее значение температуры в этом сечении значительно выше и равно 10 С.
Температуры в сечении 2-3 конструкций из минеральной ваты и пенополистирола напротив оказались ниже расчетных для января и февраля месяца, и разница составляет в среднем 3 С, рисунок 2.3 и 2.5.
Разница между экспериментальными данными и расчетными объясняется использованием в расчетах табличных значений коэффициентов теплопроводности, которые по-видимому отличаются от фактических. Таким образом можно видеть, что использование в расчетах натурных среднемесячных значений температуры наружного и внутреннего воздуха не обеспечивает необходимой точности результатов расчета температуры по сечению ограждений и зависят от используемых показателей теплотехнических характеристик материалов.
Анализ диапазона эксплуатируемых температур в каждом фрагменте позволил установить величину температурного градиента по сечению теплоизоляционных материалов, то есть между сечениями 1 и 2-3 соответственно. Так для самого холодного месяца года г. Казани (IIВ) среднее значение градиента температуры для слоя из минеральной ваты и пенополистирола равно 25 С, а для слоя из ячеистого бетона 20 С.
На рисунках 2.6 и 2.7 представлены экспериментальные и расчетные графики хода среднемесячных значений относительной влажности воздуха в исследуемых сечениях фрагментов конструкций. Расчетные распределения относительной влажности воздуха по сечениям ограждений получены по известной формуле = (e / E) 100 %.
Пример расчета характеристик влажностного состояния двуслойной конструкции наружной стены с учетом переменного значения паропроницаемости ее материальных слоев
В предыдущих главах были установлены закономерности изменения паропроницаемости материалов от различных эксплуатационных воздействий. При этом установлено, что наибольшее влияние на паропроницаемость материалов оказывает изменение их влажности. Зависимость коэффициента паропроницаемости материалов от их влажности определяется экспериментально и может быть выражена математическим уравнением зависимости коэффициента паропроницаемости от относительной влажности воздуха в порах материала. В качестве примера в таблице 4.1 приведены уравнения экспериментальной зависимости паропроницаемости исследованных материалов от относительной влажности воздуха.
Экспериментально полученная зависимость коэффициента паропроницаемости от относительной влажности воздуха в порах материала Материал Плотность, , кг/м3 Уравнение Ячеистый бетон 500 ju = 0,00098 р + 0,12806, мг/(мчПа) Силикатный кирпич 1500 ju = 0,00025 р + 0,01057, мг/(мчПа) Керамический кирпич 1400 ju = 0,00038 р + 0,00504, мг/(мчПа) Минеральная вата 90 ju = 0,00415 р + 0,19149, мг/(мчПа) Пенополистирол 8,6 ju = 0,00043 р + 0,03825, мг/(мчПа) Цементно-песчаный раствор 1800 ju = 0,001167 р - 0,00333, мг/(мчПа) Уравнение получено по экспериментальным данным Eigil V. Srensen [116] Можно видеть, что экспериментально установленная зависимость описывается линейным уравнением вида: ц = к р + Ъ, (4Л) где к и Ъ - экспериментальные коэффициенты; (р - относительная влажность воздуха в порах материала в диапазоне 0-100 %. Здесь стоит отметить, что линейная зависимость паропроницаемости от относительной влажности воздуха существует не для всех материалов, очевидно, что в данном случае потребуется иная математическая интерпретация.
Видно, что для решения уравнения (4.1) требуется определение относительной влажности воздуха ср в материальном слое ограждающей конструкции. В годовом цикле эксплуатации ограждающей конструкции значения относительной влажности воздуха ср по ее сечению изменяются, как было показано в ходе натурного исследования во второй главе данной работы. Следовательно, можно ожидать, что значения паропроницаемости ju материальных слоев конструкции также будут изменятся в годовом цикле эксплуатации. Вместе с тем, скорость изменения коэффициента паропроницаемости ju материального слоя вслед за изменением относительной влажности воздуха ср не определена в виду не стационарности процессов влагопереноса и требует дополнительного научного исследования. Однако в первом приближении данную задачу можно решить на базе существующих методов расчета стационарного или квазистационарного влажностного состояния, то есть, исходя из допущения, что изменение значений паропроницаемости материальных слоев конструкции происходит с той же скоростью, что и изменение значений относительной влажности воздуха . Для этого можно воспользоваться методом К. Ф. Фокина для определения стационарного влажностного режима ограждений, которая основана на теории влагопереноса в пористых телах механизмом диффузии водяного пара. При этом достаточно определить распределение температуры t и парциальных давлений E и e по сечению ограждения по заданным климатическим параметрам места строительства. Рассмотрим однослойное наружное ограждение в условиях перепада температур по ее сечению, рисунок 4.1. Рисунок 4.1 - Схема стационарного влажностного режима однослойного наружного ограждения при перепаде температур. Стрелками указана последовательность этапов вычислений. При перепаде температур tH te, по сечению конструкции толщиной 3 возникает градиент давлений насыщенного водяного пара Ен Ев, рисунок 4.1, а.
Допустим, что известны значения парциальных давлений ен и ев наружного и внутреннего воздуха соответственно, при этом ен ев, рисунок 4.1, а . Отношение значений парциального давления е к давлению насыщения Е в каждой точке сечения конструкции позволит определить распределение относительной влажности воздуха ср по сечению конструкции, рисунок 4.1, б. По значениям относительной влажности воздуха ср для каждой точки сечения конструкции можно определить значение паропроницаемости ju, используя выражение (4.1), рисунок 4.1, в. Если найденное значение паропроницаемости ju отличается от принятого изначально, выполняется перерасчет градиента парциальных давлений е и относительной влажности воздуха ср по сечению конструкции, с использованием найденного значения паропроницаемости.
Таким образом решение задачи сводится к определению паропроницаемости ju материального слоя конструкции математическим методом простых итераций. Использование численного метода итераций возможно только в случае обнаружения сходимости последовательно вычисленных корней системы уравнений. Факт сходимости итерационного процесса показан на примере однослойной ограждающей конструкции из ячеистого бетона.
В качестве исходных данных для расчета использовались среднемесячные значения температуры и относительной влажности наружного воздуха января г. Казани (IIВ). Температурно-влажностные условия внутреннего воздуха соответствуют условиям жилого помещения по ГОСТ 30494-2011 [23]. Используемые характеристики климата и материала конструкции сведены в таблицу 4.2. При этом в расчете используется экспериментальная зависимость jufcp) для исследуемого материала ячеистого бетона, указанная в таблице 4.1.