Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ. 9
ВВЕДЕНИЕ 12
ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И ПЕРЕНОСА 17
ВЛАГИ В МАТЕРИАЛАХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТ
РУКЦИЙ.
1.1. Развитие методов расчета влажностного режима ограждающих конструкций.
1.1.1. Начало исследований влажностного режима. 17
1.1.2. Стационарный метод расчета. 18
1.1.3. Нестационарные методы расчета. 19
1.1.4. Условия влагообмена ограждающих конструкций с окружающей средой.
1.1.5. Развитие методов расчета влажностного режима ограждающих конструкций за рубежом.
1.2. Исследования характеристик влагопереноса строительных материалов.
1.2.1. Формы связи влаги со скелетом материалов. 30
1.2.2. Основные механизмы влагопереноса. 31
1.2.3. Паропроницаемость. 33
1.2.4. Капиллярное всасывание воды. 34
1.2.5. Влагопроводность. 37
1.2.6. Влияние температуры и температурного градиента 40 на влагоперенос.
1.3. Исследования состояния влаги в строительных материалах. 41
1.3.1. Сорбционное увлажнение строительных материалов.
1.3.1.1. Первые исследования. 41
1.3.1.2. Адсорбция водяного пара. 42
1.3.1.3. Капиллярная конденсация. 47
1.3.1.4. Гистерезис сорбции. 48
1.3.1.5. Теория растворимости. 51
1.3.1.6. Экспериментальные исследования сорбционного увлажнения строительных материалов и влияния на него температуры.
1.3.2. Незамерзшая влага в строительных материалах и ее 53 перемещение в ограждающих конструкциях.
1.3.3. Распределение влаги на стыке двух материалов. 58
1.3.4. Развитие теории потенциала влажности.
1.4. Влияние влажности на теплопроводность материалов и теплозащиту ограждающих конструкций.
1.4.1. Теплопроводность строительных материалов в сухом состоянии.
1.4.2. Теплопроводность строительных материалов как композиционных.
1.4.3. Зависимость теплопроводности строительных материалов от влажности.
1.4.4. Влияние влажности на теплозащитные свойства ограждающих конструкций.
1.5. Выводы по главе 1. 73
ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАГИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ.
2.1. Экспериментальные исследования изотерм сорбции и де сорбции водяного пара строительными материалами.
2.2. Общее уравнение адсорбции водяного пара строительными материалами.
2.2.1 Вывод общего уравнения. 79
2.2.2. Определение стандартной изотермы адсорбции водяного пара.
2.2.3. Аппроксимация Я-кривой водяного пара. 82
2.3. Методы расчета площади удельной поверхности строительных материалов по изотермам сорбции водяного пара.
2.3.1 ЛГ-метод. 84
2.3.2. Приближенный метод расчета емкости монослоя по одной точке изотермы сорбции.
2.4. Развитие теории капиллярной конденсации водяного пара строительными материалами.
2.4.1. Вывод уточненного уравнения капиллярной конденсации водяного пара.
2.4.2. Границы применимости уравнения Кельвина. 89
2.5. Теория гистерезиса сорбции водяного пара строительными материалами.
2.5.1. Классификация гистерезиса сорбции водяного пара 91 строительными материалами.
2.5.2. Математическая модель изотерм сорбции типа 0. 91
2.5.3. Модель сорбционного гистерезиса типа I.
2.5.3.1. Модель пористой структуры. 93
2.5.3.2. Уравнение сорбции и десорбции. 95
2.5.3.3. Расчет функций V(r) иА(г) по изотерме 96 сорбции. Стр
2.5.3.4. Расчет изотермы десорбции по функциям V(r),A(r).
2.5 А. Модель сорбционного гистерезиса типа П. 97
2.5.5. Модель сорбционного гистерезиса типа III. 99
2.5.5.1. Вид экспериментальной петли гистерезиса 99 для портландцементных бетонов и ее физическая интерпретация.
2.5.5.2. Уравнение сорбции и десорбции водяного пара портландцементными бетонами.
2.5.5.3. Определение значения 11ц и зависимости ип( р)/иц.
2.5.5.4. Расчет изотерм десорбции. 106
2.5.5.5. Уточнение площади удельной поверхности портландцементных бетонов, определенной методом БЭТ.
2.6. Расчет изотерм сорбции и десорбции водяного пара при различных температурах.
2.7. Аппроксимация изотерм сорбции и десорбции водяного пара строительных материалов.
2.8. Расчетные изотермы равновесного влагосодержания строительных материалов.
2.9. Экспериментальные исследования содержания не замерзшей воды в цементно-песчаных растворахпри отрицательных температурах.
2.9.1. Экспериментальные исследования содержания не замерзшей воды калориметрическим методом.
2.9.2. Усовершенствование методики определения содержания не замерзшей воды диэлькометрическим методом.
2.9.3. Экспериментальные исследования содержания не замерзшей воды диэлькометрическим методом.
2.10. Выводы по главе 2. 143
ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ.
3.1. Капиллярное всасывание воды строительными материалами.
3.1.1. Вывод уравнения капиллярного всасывания. 145
3.1.2. Методика экспериментального исследования капиллярного всасывания воды строительными материалами. Стр.
3.1.3. Влияние температуры на капиллярное всасывание 148 воды.
3.2. Теория нестационарной влагопроводности. 150
3.2.1. Вывод уравнения нестационарной влагопроводноста в капиллярно-пористых материалах.
3.2.2. Уравнение движения профиля влажности в калиллярно-пористом материале и его аналитическое решение.
3.2.3. Уравнения для расчета коэффициента влагопроводности капиллярно-пористых материалов
3.2.4. Методика экспериментального определения пара метров перемещения жидкой влаги в строительных материалах.
3.2.5. Результаты экспериментального определения влагопроводности строительных материалов.
3.3. Обобщенная теория нестационарной влагопроводности. 176
3.3.1. Обобщенный закон капиллярного всасывания воды. 176
3.3.2. Вывод обобщенного уравнения нестационарной влагопроводности в капиллярно-пористых материалах.
3.3.3. Уравнение движения профиля влажности в капиллярно-пористом материале и его аналитическое решение.
3.3.4. Уравнения обобщенных коэффициентов влагопроводности капиллярно-пористых материалов.
3.3.5. Результаты экспериментального определения обобщенных коэффициентов влагопроводности строительных материалов.
3.4. Зависимость коэффициента влагопроводности строительных материалов от температуры.
3.5. Расчетные значения влагопроводности и паропроницаемо- 192 ста строительных материалов.
3.5.1. Расчетные значения влагопроводности строительных материалов.
3.5.2. Расчетные значения паропроницаемости строительных материалов.
3.6. Выводы по главе 3. 207
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ВЛАЖНОСТ- 209
НОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ.
4.1. Потенциал поля влажности в материалах ограждающих 209
конструкций и его связь с частными потенциалами. Стр.
4.1.1. Определение потенциала поля влажности в мате- 209 риалах ограждающих конструкций.
4.1.2. Существование общего потенциала влажности. 209
4.1.3. Соотношение между потенциалами различных материалов.
4.2. Равновесная влажность двух соприкасающихся материалов.
4.2.1. Уравнение капиллярного потенциала при сверхгигроскопической влажности капиллярно-пористого материала.
4.2.2. Уравнение равновесного влагосодержания в сорбционной и сверхсорбционной областях влажности материалов.
4.3. Математическая модель влагопереноса в ограждающей 220
конструкции при раздельном учете переноса жидкой и парообразной влаги.
4.3.1. Уравнение переноса влаги в материалах ограждающей конструкции.
4.3.2. Уравнения граничных условий влагообмена ограждающей конструкции и ее слоев.
4.3.3. Методика расчета плотности потока жидкой влаги при увлажнении наружной поверхности ограждения косыми дождями.
4.3.4. Уравнения температурного режима ограждающей конструкции, используемые для расчета влажност ного режима.
4.4. Математическая модель влагопереноса в ограждающей конструкции, основанная на потенциале влажности.
4.4.1. Вывод уравнения плотности потока влаги с принятым потенциалом влажности.
4.4.2. Вывод уравнения влагопроводности с принятым потенциалом влажности.
4.4.3. Вывод уравнений граничных условий с принятым потенциалом влажности.
4.5. Реализация расчетных методов влагопереноса в ограждающих конструкциях на ЭВМ.
4.5.1. Алгоритмы и программы для ЭВМ. 226
4.5.2. Сопоставление результатов расчетов и натурных изменений влажностного состояния трехслойных стеновых панелей с теплоизоляцией из крупнопористого керамзитобетона.
4.6. Выводы по главе 4. 233
Стр. ГЛАВА 5. УЧЕТ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОЕКТИ- 235 РОВАНИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ.
5.1. Коэффициенты теплотехнического качества (КТК) строительных материалов.
5.1.1. Определение коэффициентов теплотехнического качества.
5.1.2. Физический смысл коэффициентов теплотехнического качества.
5.1.3. Анализ значений КТКі теплоизоляционных материалов.
5.1.4. Анализ значений КТК21 строительных материалов. 240
5.1.5. Изменения КТК22 материала при эксплуатации ограждающей конструкции вследствие изменения влажности.
5.2. Учет влажностного режима ограждений при расчете удельного расхода тепловой энергии на отопление жилого здания из газобетонных панелей.
5.2.1. Постановка задачи. 250
5.2.2. Теплотехнические показатели и значения КТК газобетона.
5.2.3. Расчеты влияния влажности на удельное теплопотребление зданий серии 600.11 с наружными стенами из газобетонных панелей.
5.3. Учет влажности при расчете коррозионного износа гибких 257
связей трехслойных стеновых панелей с эффективными теплоизоляционными материалами.
5.3.1. Постановка задачи. 257
5.3.2. Прогнозирование коррозионного износа гибких связей на основе расчета нестационарного влажностного режима панелей.
5.3.3. Инженерный метод расчета коррозионного износа гибких связей.
5.4. Влияние эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов на экономические показатели повышения теп лозащиты ограждающих конструкций зданий.
5.4.1. Постановка задачи. 261
5.4.2. Математическая модель условий окупаемости затрат на повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Стр.
5.4.3. Сравнение предельных значений удельных единовременных затрат на повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий для России и других стран.
5.4.3.1. Сравнение значений градусо суток отопительного периода.
5.4.3.2. Сравнение цен на тепловую энергию. 267
5.4.3.3. Сравнение процентных ставок по кредитам банков.
5.4.3.4. Сравнение значений со и .
2 5.4.4. Сравнительный расчет сроков окупаемости дополнительного утепления стен жилых зданий.
5.4.5. Физико-экономическая оценка теплоизоляционных материалов для дополнительного утепления ограждений.
5.4.6. Влияние эксплуатационной влажности материалов на экономические показатели теплозащиты ограждений.
5.5. Выводы по главе 5. 279
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. 281
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 282
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 286
ПРИЛОЖЕНИЯ. 3
Введение к работе
Состояние и перенос влаги в строительных материалах интенсивно исследуется, начиная с 20-х годов нашего века. Обусловлено это было тем, что возникла необходимость прогнозирования влажностного режима в связи с применением многослойных ограждений. Влажностный режим определяет эксплуатационные свойства ограждающих конструкций здания. Он непосредственно влияет на теплозащитные свойства, коррозию металлических деталей, прочностные свойства, напряженно-деформированное состояние, долговечность и эстетику конструкций.
Полученные результаты по состоянию и переносу влаги в строительных материалах используются также при исследованиях морозостойкости и долговечности конструкций, технологии производства строительных материалов и изделий. Выявленные закономерности влагопереноса учитываются при проектировании и производстве ограждающих конструкций зданий различного назначения, что позволяет повысить их эксплуатационные свойства.
Первые научные исследования были выполнены В.Д. Мачинским [205] и заключались в выявлении той роли, которую играет диффузия и последующая конденсация водяного пара в конструкции. К.Ф. Фокиным был разработан первый метод прогнозирования влажностного состояния ограждающих конструкций [322], который потребовал исследования характеристик переноса влаги в материалах. По мере развития методов расчета влажностного режима ограждений расширялся диапазон исследуемых влажностных характеристик строительных материалов. Создание метода расчета нестационарного влажностного режима конструкций [324], основанного на теории диффузии влаги в сорбирующей среде, потребовало проведения систематических исследований паропроницаемости и сорбци-онных свойств, а позднее влагопроводности строительных материалов [320,323,55,336].
Накопленный экспериментальный материал и потребность совершенствования методик исследования обусловили необходимость теоретических обобщений разнообразных аспектов состояния и переноса влаги в строительных материалах. Соответствующие работы были выполнены О.Е. Власовым [76], А.У. Франчуком [336], А.В. Лыковым [191]. При этом в строительную теплофизику были введены понятия и методы теории сушки, теории движения влаги в почвах и других прикладных дисциплин. Важным достижением в развитии направления было введение В.Н. Богословским [43] и А.В. Лыковым [191] понятия потенциала влажности, которое позволяет разрабатывать методы расчета, обладающие большими возможностями.
В 60-е - 90-е годы выполнялись работы, направленные на практическое использование методов прогнозирования влажностного состояния материалов при проектировании ограждений. Были созданы программы расчета влажностного режима ограждающих конструкций на ЭВМ, проведены многочисленные исследования, уточняющие разработанные положения. При расчетах влажностного режима использовались математические модели, разработанные К.Ф. Фокиным, В.Н. Богословским, А.В. Лыковым, А.Г. Перехоженцевым. Теоретические основы определения характеристик состояния и переноса влаги в строительных материалах практически не претерпели изменений с 50-х годов.
Особую проблему составляют вопросы переноса и состояния влаги при ее внутренних гидратационных (химических) стоках, интенсивность которых зависит от температуры процесса. Такой процесс характерен, например, для твердеющего бетона молодого возраста. Эти вопросы выходят за рамки настоящей работы. Прикладная теория влагопроводности, учитывающая гидратационные стоки влаги, развита СВ. Александровским [17].
В современном строительстве гораздо шире, чем ранее, используются многослойные ограждающие конструкции с эффективными теплоизоляционными материалами, отвечающие недавно принятому нормативному уровню теплозащиты. Такие конструкции увеличивают стоимость строительства и повышают требования к качеству их проектирования, поскольку разнородность применяемых материалов усугубляет возможные ошибки проектирования и приводит к снижению теплозащитных свойств и долговечности конструкций, что связано с резким изменением их влажностного режима. Для производителей строительной продукции характерно стремление понизить ее стоимость, максимально сократить технологическое перевооружение производства (например, избежать замены парка форм) при одновременном соблюдении нормативных требований по теплозащите и обеспечении потребительского качества. Эти условия определяют требования повышения надежности при прогнозировании влажностного режима и уровня теплозащиты ограждающих конструкций. Кроме того, необходим комплексный учет влияния влажности на теплозащиту ограждающих конструкций и здания в целом, позволяющий выявлять все резервы для удовлетворения современных требований по теплозащите зданий.
Основной целью диссертационной работы является: Разработка теории состояния и переноса влаги в строительных материалах и прогнозирование влияния влажности на теплозащитные свойства ограждающих конструкций современных зданий.
Настоящая диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. В первой главе представлен анализ научных работ, посвященных исследованиям влажностного режима ограждающих конструкций, влажностных характеристик строительных материалов и влиянию влажности на теплопроводность строительных материалов и теплозащитные свойства ограждающих конструкций. Вторая глава посвящена исследованию состояния влаги, в первую очередь, теории сорбционного увлажнения строительных материалов. Третья глава посвящена исследованиям перемещения влаги в строительных материалах, в частности, в ней разработана теория нестационарной влагопроводности. Четвертая глава посвящена теоретическим вопросам расчета влажностного состояния материалов ограждающих конструкций. В ней рассмотрены вопросы построения шкалы потенциала влажности и приведены математические модели влагопере-носа в ограждающих конструкциях. Пятая глава посвящена разработке методик комплексного учета влажности материалов при проектировании ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты. В приложении к диссертации приведены таблицы с экспериментальными значениями характеристик состояния и переноса влаги в строительных материалах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- введена характеристика адсорбции - «jV-кривая», на основе которой получено уравнение адсорбции, позволившее разработать новый метод расчета удельной поверхности строительных материалов по изотермам сорбции, имеющий большую область применения по сравнению с существующими;
- усовершенствован метод определения структурных характеристик строительных материалов по изотермам сорбции и десорбции водяного пара на основе уточнения расчетных уравнений;
- проведено обобщение классификации гистерезиса сорбции - десорбции водяного пара строительных материалов, предложены математические модели сорбции - десорбции для каждого типа гистерезиса;
- экспериментально исследовано количество незамерзшей влаги и предложена методика его оценки в строительных материалах;
- на основании экспериментальных и теоретических исследований разработана теория нестационарной влагопроводности, которая описывает движение профиля влажности в строительном материале в неустановившемся режиме;
- выполнено обобщение теории нестационарной влагопроводности на случай, когда не выполняется «закон корня квадратного» для капиллярного всасывания воды материалом, при этом получено, что коэффициент влагопроводности зависит от влажности и градиента влажности материала;
- получено уравнение равновесной влажности строительных материалов, выведенное методами нестационарной теории влагопроводности;
- предложена система коэффициентов теплотехнического качества (КТК) для анализа теплозащитных свойств и влияния на них влажности строительных материалов,
- разработана методика экономической оценки повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и применения теплоизоляционных материалов с учетом их эксплуатационной влажности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработаны таблицы расчетных значений характеристик состояния и переноса влаги в строительных материалах, в частности, изотерм сорбции и десорбции строительных материалов, коэффициентов паропроницаемости, коэффициентов влагопроводности и капиллярного всасывания;
- разработаны методики расчета изотерм десорбции водяного пара строительных материалов по экспериментально полученным изотермам сорбции и методика расчета изотерм сорбции - десорбции для различных температур;
- усовершенствована методика определения количества незамерзшей воды в строительных материалах диэлькометрическим методом;
- разработаны методики определения характеристик капиллярного всасывания и нестационарной влагопроводности строительных материалов;
- разработаны программы расчета нестационарного влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий;
- разработана методика учета влияния влажности материалов конструкций на теплопотребление здания и установочную мощность системы отопления;
- разработана методика расчета коррозионных потерь металлических гибких связей трехслойных стеновых бетонных панелей с эффективными теплоизоляционными материалами;
- введено понятие «предельного значения удельных единовременных затрат» на повышение теплозащиты ограждающих конструкций здания, на основании которого выявлены условия окупаемости затрат и проведена экономическая оценка влияния влажности на повышение теплозащиты ограждающих конструкций.
Основные результаты диссертации доложены на нескольких симпозиумах и конференциях в том числе:
- международном симпозиуме «Heat and Mass Transfer in Building Materials and Structures», Дубровник, 1989 г.;
- седьмом международном симпозиуме «Heating Refrigerating and Air-Conditioning INTERCLIMA-91 "Energy, Ecology and Economy"», Загреб, 1991;
- конференции «Изучение действительной работы конструкций с учетом условий и сроков эксплуатации», Пенза, 1992;
- втором съезде АВОК, Москва, 1992;
- четвертом съезде АВОК, Москва, 1995;
- международной конференции «Инженерные проблемы современного железобетона», Иваново, 1995;
- четвертой конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.А. Гвоздева, Межрегиональной ассоциации "Железобетон", Москва, 1997;
- третьей научно-практической конференции «Проблемы строительной теплофизики систем микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, 1998; - международной конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии. Строительство и реконструкция», Москва, 1999;
- пятой научно-практической конференции (академические чтения) «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, 2000.
Основное содержание диссертации опубликовано в монографиях, статьях, авторских свидетельствах, докладах, всего в 48 печатных работах.
Автор выражает благодарность коллективу НИИ строительной физики за поддержание творческой атмосферы, которая была необходима для выполнения теоретических и экспериментальных исследований, составивших основу диссертации.
