Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технические принципы проектирования и эксплуатации ограждающих конструкций гражданских зданий. Часть 1. Наружные стены. Учебное пособие.pdf
но-песчаного раствора, не даёт в период сушки полностью уйти из ограждения влаге, накопленной в нём зимой. Поэтому между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки происходит накопление большого количество влаги. Зимой при отрицательных температурах эта влага замерзает и в результате создаются большие напряжения, разрушающие штукатурку и по
верхностный слой кладки.
Такие процессы разрушения особенно ярко проявляются при облицовках цокольных участков стен старых кирпичных зданий плотными большого размера каменными, керамическими и другими плитами,
закрепляемыми на стене на цементно-песчаном растворах. Как сказано
ранее, в старых зданиях отсутствует горизонтальная гидроизоляция
между фундаментами и стенами. В результате этого ни
жняя часть стен
увлажняется капиллярной влагой, поступающей в тело фундаментов из
грунта. Удаление капиллярной влаги из стен происходит в летний период во время естественной сушки стен. Большинство влаги в этом
случае должно уходить из стен через наружную поверхность. В случае
устройства плотной облицовки большая часть влаги вынуждена уходить через внутр
еннюю поверхность стены. Такое движение влаги
приводит к повышению влажности внутренней поверхности стен и к
росту влажности внутреннего воздуха. На поверхностях стен образуются грибки и плесень, ухудшается санитарное состояние помещений.
Другая, оставшаяся часть влаги накапливается у поверхности облицовки и, замерзая при низких температурах, разрушает кладку и раствор кр
епления плит. Таким образом, устройство плотных облицовок
приводит к быстрому разрушению нижней части кирпичных стен старой постройки, не имеющих горизонтальной гидроизоляции. Подобные процессы разрушения цокольной части стен наблюдаются в исторических зданиях Тамбова. Обследование стен показывает, что на цокольных участках стен, облицованных большеразмерными плитами
пять и более лет назад, кла
дка сильно увлажнена, прочность её снижена, повсеместно имеются повреждения тела кладки. Дальнейшая эксплуатация кладки при таких условиях приводит к полному разрушению нижней части стен.
Плотные цементно-песчаные штукатурки и облицовки имеют
большие линейные температурные расширения, чем кладка. Для цементно-песчаной штукатурки эти расширения в два раза бо
льше по
сравнению с кладкой из глиняного кирпича. Разность линейных деформаций создаёт напряжения на границе кладки и раствора и приводит к появлению трещин между ними. Трещины из-за линейных расширений появляются также и в штукатурке. Появление трещин способствует дополнительному увлажнению поверхностных слоев кладки
91
стен. В этой связи для наружной штукатурки кирпичных стен следует
подбирать штукатурные растворы с коэффициентами линейного расширения, близкими к коэффициентам для кладки. Так как штукатурка
из известкового раствора имеет коэффициент линейного температурного расширения, примерно равный коэффициенту расширения для
кладки из глиняного кирпича, сложенной на известковом растворе, она
достаточно устойчива пр
и действии знакопеременных температур.
Следует также отметить ещё одно её положительное качество: известковая штукатурка и кладка из глиняного кирпича также имеют почти
равные коэффициенты паропроницаемости: μ =14 – 16 г/(м·ч·Па) для
кладки и μ =16 – 18 г/(м·ч·Па) для известкового раствора. Такое соответствие создаёт благоприятные условия для перемещения влаги из
кладки стен нар
ужу.
Рассмотренные выше в основном физические процессы разрушения кладки кирпичных стен в основном связаны с её увлажнением. В то
же время материалы кладки могут подвергаться химической коррозии.
Химическая коррозия материалов кладки зависит от большого
количества факторов. К основным из них можно отнести минералогический и химический соста
вы материалов, вид их пористости (открытые или закрытые поры), структуру материалов (аморфная или кристаллическая), характер и концентрацию агрессивной среды.
На скорость химической коррозии материалов кладки влияние
пористости определяется скоростью подвода агрессивной среды к месту её контакта с материалом. В пористых материалах при наличии открытых сообщающихся пор разрушение п
роисходит не только на поверхностях материала, но и внутри его. В не сообщающихся друг с
другом, замкнутых порах влияние агрессивных сред проявляется менее
активно, чем при наличии открытых пор. Разрушения подобного вида
менее выражены в глиняных кирпичах пластического формования, чем
в кирпичах сухого прессования.
На скорость разрушения кирпичной кладки оказы
вает влияние
химический состав воды и способы её попадания на конструкции стен.
Чистая дождевая вода, попадающая на стены при интенсивном дожде,
смывает осевшие на поверхности стен агрессивные вещества. В свою
очередь, выпадающая на наружных стенах в виде конденсата, влага
вступает с агрессивными веществами во взаимодействие и образует
растворы кислот и щелочей, разру
шающие материалы кладки. Такой
конденсат на наружных поверхностях образуется при резких изменениях температур воздуха от низких значений до более высоких. При
понижении температур воздуха наружные поверхности стен из-за
большой тепловой инерции кладки оказываются в определенный про-
92
межуток времени более холодными по сравнению с окружающим воздухом. При соприкосновении с холодными стенами тёплый воздух
начинает отдавать поверхности стен влагу, которая оседает на них в
виде конденсата. Описанное явление наиболее часто происходит в
осенне-весенние периоды года.
Для исключения разрушения стен растворами солей и кислот ре-
комендуется наружные неоштукатуренные по
верхности стен зданийпамятников периодически очищают от агрессивных веществ, оседающих на них в виде пыли, копоти и др. Удаление веществ с поверхности
следует производить путем их смывания водой без добавки в нее каких-либо моющих средств. При очистке неоштукатуренных стен нельзя применять жесткие щетки и пескоструйные аппараты. При механ
ической очистке происходит разрушение поверхностного слоя кирпичей. В кирпичах старой кладки поверхностный слой является защитной коркой, предохраняющей кладку от интенсивного разрушения.
После удаления корки рассмотренные выше процессы разрушения
материалов кладки под воздействием влаги значительно ускоряются.
Атмосферная влага городов, и особенно в промышленных зонах
содержит растворённые агрессивные вещества, к пример
у, диоксид
серы. Данный газ под воздействием кислорода может окисляться в
триоксид серы и образовывать с водой серную кислоту, которая активно разрушает материал силикатных кирпичей. Агрессивность атмосферных осадков повышается также за счёт других, растворяемых в
воде газов, например, сероводорода, диоксида углерода, аммиака и др.
Вода при наличии, например, ди
оксида углерода в 30 раз больше растворяет карбонат кальция, чем чистая вода. Поэтому при проектировании кирпичных зданий в городских поселениях с большим выбросом
вредных веществ в атмосферу необходимо предусматривать надёжные
меры защиты от атмосферного увлажнения и подбирать соответствующие материалы для кладки наружных стен. Например, коррозионная стойкость силикатных кир
пичей зависит в основном от свойств
входящей в состав их материала извести. Известь имеет невысокую
стойкость к кислым агрессивным средам. В растворах соли силикатные кирпичи в основном разрушаются за счёт образования в порах
материала кристаллов. Образовавшиеся кристаллы, разрастаясь, создают давления, достаточные для разрушения материала кирпичей.
В свою очередь, глиняные кир
пичи могут разрушаться под воздействием растворов органических и минеральных кислот, а также различных солей. Глиняный кирпич достаточно устойчив к слабым воздействиям кислот и кислых газов. Из всех сортов глиняного кирпича к агрессивным средам наиболее устойчивы пережжённые кирпичи. К ним
93
в старых зданиях относятся кирпичи сорта «железняк», а в современных конструкциях стен плотные клинкерные кирпичи. Шлаковые кирпичи неустойчивы к действию агрессивных сред. Они малоустойчивы
к воздействию влажной среды и растворов щелочей. Слабоустойчивы
эти кирпичи также и к процессам переменного увлажнения и замораживания. Поэтому при их применении необходимо предусматривать
очен
ь надёжные меры защиты от проникновения влаги, и особенно,
содержащей в своём составе агрессивные вещества.
2.4.6. Общие конструктивные принципы защиты
При защите стен от увлажнения используются в основном две
группы способов. К первой из них относятся конструктивные способы.
Они включают в себя правильный выбор материалов кладки для разных участков стен, правильное устройство различных выступов, козырьков, карнизов, водоотвода с крыши и др. Ко второй группе относятся способы, связанные с у
онных защитных покрытий и преград. Все эти способы могут быть
применены как на стадии проектирования кирпичных стен зданий, так
и при их эксплуатации.
На стадии проектирования кирпичных зданий производится соответствующий выбор вида кирпичей и раствора для кладки. Выбор их
выполняется в зависимости от температурно-влажностного реж
помещений, параметров климата местности, а также степени агрессивности среды. Например, в случае воздействия на стены влаги с невысокой концентрацией кислот предпочтительным является применение
глиняных кирпичей вместо силикатных. Кирпичи из шлака следует
использовать для эксплуатации только в сухих средах.
При проектировании стен, эксплуатация которых будет происходить во влажных усло
исходя из их соответствия между собой по пористости. Например, для
кладки из пористых кирпичей необходимо применять менее плотные
кладочные растворы. Это позволит, как показано ранее, уменьшить
скорость разрушения растворных швов и наружных поверхностей
кирпичей.
Участки стен, подвергающиеся повышенному воздействию атмосферной влаги, например, цокольные и кар
ступающие за плоскость стены элементы, должны быть выполнены из
кирпичей повышенной морозостойкости. Поверхности выступающих
элементов следует защищать от влаги путём устройства защитных покрытий и сливов из оцинкованной стали или покрытий из гранитных
94
кирпичных стен от влаги
стройством гидро-, паро- и теплоизоляци-
има
виях, необходимо подбирать кирпичи и растворы
низные участки стен и вы-
плиток. Защиту стен от воздействия влаги, стекающей с крыши при таянии снега и дождевой влаги, следует предохранять устройством карнизов
крыш, имеющих достаточно большие выносы. Отдельные конструктивные решения по защите стен от увлажнения приведены на рис. 2.22.
При проектировании стен помещений с влажным и мокрым режимами эксплуатации следует применять конструкции кир
пичных
стен с пустотами, засыпками, внутренними невентилируемыми воздушными прослойками. В пустотах, прослойках и засыпках будет накапливаться большое количество конденсационной влаги, которую
очень трудно затем удалить из такой конструкции при сушке стен.
В этих случаях наиболее приемлемы решения стен со сплошной кладкой из плотного глиняного кирпича, покрытого изнутри паронепроницаемым слое
м, например, зажелезнённой цементной штукатуркой,
покрашенной затем масляной краской по сплошной шпаклёвке.
б)
а)
в)
г)
Рис. 2.22. Конструктивные элементы защиты стен от увлажнения:
разрез по стене (а); конструктивные решения карнизов (б – г);
1 – свес кровли; 2 – гидроизоляция пояска; 3 – подоконный слив;
4 – гидроизоляция выступающего цоколя; 5 – цоколь; 6 – отмостка;
7 – горизонтальная гидроизоляция; 8 – слив и желоб; 9 – ограждение кровли
95
При проектировании наружных стен всегда необходимо исходить
из принципа размещения со стороны помещения слоёв из более плотных материалов, а с наружной стороны – слоёв с большей паропроницаемостью. При таких решениях кирпичные стены с внутренней стороны следует штукатурить цементно-песчаными растворами с небольшим добавлением извести для придания раствору пластичности, а
с н
аружной стороны известковыми растворами с добавлением определённого количества цемента для обеспечения требуемой прочности
штукатурки. В настоящее время в качестве наружных штукатурок используются специальные прочные фасадные штукатурки, имеющие
достаточное количество микропор для удаления влаги из ограждения.
Так как паропроницаемость наружных слоёв стен всегда должна быть
выше паропроницаемости внутренних слоёв, со
прикасающихся с воздухом помещения. Рекомендуется теплоизоляционные слои, состоящие из пористых материалов, размещать с наружной стороны стен.
При необходимости их размещения с внутренней стороны они должны
быть надёжно изолированы от диффундирующей из помещения влаги
пароизоляционными слоями.
Состав штукатурки для наружных поверхностей стен необходимо
подбирать исходя из обеспечения условия, пр
и котором линейные
температурные расширения штукатурки и кладки будут примерно
одинаковыми. В этом случае зимой в штукатурке не будет происходить образование трещин, а при летних температурах её отрыв от
кладки. При конструктивных таких решениях попадание атмосферной
влаги в конструкцию стен будет ограничено.
На стадиях реконструкции или капитального ремонта кирпичных
зданий для защиты от п
роникновения в стены капиллярной влаги, поступающей при отсутствии гидроизоляции из тела фундаментов, необходимо устраивать надёжные горизонтальные гидроизоляционные
слои. Для этого можно устраивать рулонную гидроизоляцию путём
последовательной пробивки в стенах горизонтальных штраб и укладки
в них рулонных гидроизоляционных материалов на битумной мастике.
Оставшееся пространство штраб должно заполнять
ся раствором на
расширяющемся цементе. Эффективным и при этом менее трудоёмким
способом является устройство горизонтальных гидроизоляционных
слоёв путём прорезания фрезой в кладке щели, выдувания из неё разрушенного материала и последующего заполнения щели цементным
водонепроницаемым раствором на расширяющемся цементе с использованием добавок, улучшающих гидроизоляционные свойства раствора. В старых кирпичных зданиях для у
стройства горизонтальной гид-
роизоляции широко применяются методы инъецирования в кладку
96
стен различных растворов, создающих водонепроницаемые слои. Количество и места размещения инъекторов зависит от толщины стены,
материалов кладки и вида инъецируемого в неё раствора.
Для защиты неоштукатуренных наружных поверхностей стен от
действия атмосферной влаги можно производить гидрофобизацию
поверхностей путём нанесения тонких водоотталкивающих покрытий.
При гидрофобизации не происходит смачивания поверхностей атмосферной влаг
ой и исключается ее проникновение вглубь конструкции
даже при наличии ветрового давления на стену.
2.4.7. Принципы осушения кирпичных стен от влаги
При реконструкции и капитальном ремонте зданий для восстановления нормального влажностного режима ограждений применяются различные методы удаления влаги из кладки стен. При этом могут
использоваться способы удаления влаги из толщи кладки испарением,
разложением воды, адсорбцией, электроосмосом и др. Следует отметить, что при любом способе процесс удаления влаги достаточно трудоёмок и продо
При способе удаления влаги испарением применяют конвективную, контактную и радиационную виды сушки. При конвективной
сушке происходит теплообмен между поверхностью стены и воздухом
в результате непосредственного соприкосновения воздуха с материалом стены, а также за счёт конвекции. Конвективная сушка может
быть естественной, происходящей при естественном гравитационном
движении воз
нии воздуха. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от
толщины ламинарного слоя воздуха у поверхности стены. Так как его
толщина обратно пропорциональна скорости движения воздуха, для
увеличения теплообмена при вынужденной сушке, поверхность обдувается дутьевыми вентиляционными установками. Радиационная суш-
ка происходит при облучении поверхностей инфракрасными об
телями. Излучаемая обогревателем тепловая энергия, распространяясь
в пространстве в виде электромагнитных волн, падает на стены. Инфракрасные лучи поглощаются материалом кладки, и их энергия из
электромагнитной снова переходит в тепловую. Количество получаемого стеной тепла зависит от температуры нагревателя и материала
стены, а также степени черноты нагреваемой конструкции. При кон-
так
тной сушке теплообмен происходит при непосредственном кон-
такте нагретого и холодного осушаемого тела. Количество переходящего тепла зависит от разности температур нагревателя и стены.
лжителен во времени.
духа, и вынужденной – при механическом перемешива-
огрева-
97
Как видно, процессы сушки различаются способами подвода теп-
ϕ
ла. Однако независимо от способа при нагревании стены парциальное
давление паров влаги, содержащейся в конструкции, возрастает и, когда оно превысит парциальное давление в воздухе е
> ев, начнётся
м
процесс сушки. Сушка продолжается до тех пор, пока давление паров
влаги в конструкции не сравняется с давлением паров влаги в воздухе.
Это условие соответствует состоянию равновесной влажности материала стены.
Равновесная влажность определяется характером связи влаги с
материалом. Согласно теории П. А. Ребиндера вода с материалом может иметь любую из тр
ех форм связи: химическую, физико-хими-
ческую и физико-механическую.
Химическая связь влаги с материалом обуславливается строго определенным молекулярным соотношением, и такая влага в процессе
сушки испарением не может быть удалена. Однако, ее количество в
кладке очень незначительно и она не влияет в целом на влажностный
режим ограждения. Адсо
рбционная влага имеет менее прочную физико-химическую связь с материалом и при сушке испарением может
быть частично удалена. Капиллярная вода и вода от смачивания имеют
с материалом физико-химическую связь и довольно легко удаляются
из конструкции. Наиболее свободно удаляется из конструкции структурно-свободная вода, попадающая в кладку при строительстве. Поэтому сушк
а испарением наиболее эффективна в начале эксплуатации стен.
Равновесная влажность материала во многом определяется влажностью окружающего воздуха и для каждого материала она имеет
свою зависимость (см. рис. 2.23). С использованием кривой равновесной влажности можно определять конечную влажность высушиваемого материала при конкретной относительной влажности воздушной
среды.
ω,%
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 20 40 60 80
Рис. 2.23. Зависимость равновесного влагосодержания материала
от относительной влажности воздуха помещения
98
в
, %
Как видно из рис. 2.23, для удаления влаги из материала кладки
осушением следует понижать относительную влажность воздуха помещения. Для этой цели может быть использован метод сорбции, заключающийся в снижении влажности воздуха помещения твердыми
или жидкими сорбентами. При использовании сорбентов в осушенном
воздухе понижается давление водяных паров и в результате этого пр
оисходит сушка стен. В качестве сорбентов могут быть использованы
гранулированные твёрдые вещества с капиллярно-пористой структурой, обладающие весьма развитой внутренней поверхностью капилляров (силикагель, алюмогель, активированный уголь, активные бокситы
и др.) и жидкости (хлорид кальция, хлорид лития и др.). В качестве
сорбентов применяются также волокнистые материалы, пропитанные
гигроскопическими солями, одн
ако они являются горючими, т.е. пожаровзрывоопасными. Для сорбционного осушения используются
специальные установки, размещаемые в помещениях с осушиваемыми
стенами. Наибольший эффект достигается при комплексном использовании методов испарения и сорбции при активном обдувании осушиваемых поверхностей.
Для нижней части стен, в которой идёт большой подсос капил-
лярной влаги, при о
сушении конструкций можно использовать метод
электроосмоса. Суть метода заключается в создании электрического
поля в нижней части стен, способствующего при разности потенциалов в разных точках стен перемещению влаги по порам кладки от положительного потенциала (в стене) к отрицательному (в грунте).
В практике имеется много схем размещения электродов и создания
разности по
тенциалов [26]. Метод электроосмоса может эффективно
применяться в качестве профилактической меры по защите от капиллярной влаги в стенах с ненадёжной горизонтальной гидроизоляцией.
2.5. ПРИНЦИПЫ РАСЧЁТА ВОЗДУШНОГО РЕЖИМА
КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ
И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИХ ПО УСЛОВИЯМ
При эксплуатации зданий на внутренней и наружной поверхностях их стен почти всегда имеется разность давлений. При наличии
разности давлений через стены идёт поток воздуха в направлении от
большего давления к меньшему. Этот процесс носит название фильтрации воздуха. Фильтрация воздуха в наружных стенах приводит к
существенному изменению их теплозащитных и вл
теристик. Поэтому при проектировании и эксплуатации наружных стен
необходимо учитывать явления фильтрации и обеспечивать меры по
ограничению чрезмерного прохождения воздуха через конструкции.
ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТИ
ажностных харак-
99
2.5.1. Воздухопроницаемость кирпичных стен
Через стены воздух может проходить с наружной стороны ограждения или, наоборот, со стороны помещения. Если фильтрация воздуха
происходит в сторону помещения, то она называется инфильтрацией.
При обратном направлении воздуха явление фильтрации называется
эксфильтрацией.
Свойство ограждения или его материала пропускать через себя
воздух называется воздухопроницаемостью. С гигиенической точки
зрения воздухопроницаемость стен являе
тся их положительным свойством. Она способствует естественной вентиляции помещения. С позиций теплотехники это явление вредно. При инфильтрации в помещение попадает холодный воздух и понижается температура внутренней поверхности ограждения, а при эксфильтрации ухудшается влажностный режим конструкции и повышается вероятность конденсации
внутри неё влаги.
Воздухопроницаемость возникает из-за наличия сообщающи
хся
пор. Поэтому воздухопроницаемость зависит от структуры материалов
и их влажности. Влажные материалы, содержащие в порах капиллярную влагу, имеют меньшую воздухопроницаемость.
Воздухопроницаемость ограждения кроме воздухопроницаемости
материалов обуславливается также проникновением воздуха через
швы конструкции, трещины, щели и т.д. По этой причине воздухопроницаемость ограждения всегда выше воздухопроницаемости материалов, из которых он
о выполнено.
Процесс воздухопроницания в стенах возникает при появлении
разности давлений воздуха на внутренней и наружной поверхностях
стены за счёт теплового и ветрового напоров (см. рис. 2.24).
а) tв > tн, Vн = 0 б) tв = tн, Vн > 0
в) t
> tн, Vн > 0
в
V
м
нейтральная
зона
Рис. 2.24. Эпюры давлений воздуха на ограждение
при тепловом (а) и ветровом (б) напорах и их суммарном воздействии (в)
100
V
н
нейтральная
зона