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
проблемой, для решения которой требуются значительные затраты
материальных средств и времени. Разрабатываемые на стадии реконструкции и капитального ремонта зданий необходимые меры по исключению подъёма капиллярной влаги в стены, рассмотрены ниже.
Гигроскопическая влага образуется в кирпичных стенах из-за гиг-
роскопичности материалов кладки. Гигроскопичность – это свойство
материалов поглощать (сорбировать) влагу из во
здуха. Таким свойством в разной степени обладают все строительные материалы, в том
числе и материалы кладки. На повышение гигроскопичности кладки
влияет нахождение в кладке хлористых солей (хлористый магний,
хлористый кальций, хлористый натрий и др.). В кладке они появляются вместе с кладочным раствором. В растворе они выполняют роль
вещества, сни
жающего температуру замерзания раствора и, соответственно, удлиняющего им время набора прочности в условиях низких
температур воздуха. В стенах, имеющих в составе кладочного раствора
противоморозные добавки, в дальнейшем накапливается значительное
количество сорбционной влаги. На стенах помещений в этих случаях
(в туалетах, в ванных комнатах и др.) появляются сырые пятна, образуется налёт выщело
ченных солей. Устранение этого дефекта при эксплуатации оказывается весьма затруднительным. В этой связи необходимо при возведении кирпичных стен отказываться от применения
материалов, обладающих повышенной сорбцией, и не использовать в
стенах при их кладке противоморозные добавки, повышающие её гигроскопичность.
Конденсационная влага образуется в стенах в результате конден-
сации п
аров влаги из воздуха на внутренних поверхностях стен, а также в их толще. В большом количестве случаев конденсационная влага
является основной причиной изменения влажностного состояния стен
в процессе их эксплуатации.
Накопление и удаление конденсационной влаги − сложный физи-
ческий процесс. Связан он с явлениями тепло- и массопереноса в ст
енах. В этой связи разработка эффективных мер по ограничению накопления конденсационной влаги в стенах проектировщиками зависит от
их надёжного представления о механизмах накопления, переноса и
удаления влаги. Такие сведения позволяют проектировщикам и, в последующем, инженерам по эксплуатации зданий обеспечивать выбор
конструктивных решений и необходимых условий эксплуатации, исключающих увлажнение стен.
Требуемые м
ероприятия по ограничению сорбционного и кон-
денсационного увлажнения стен рассмотрены далее.
71
2.4.2. Расчёты конденсации влаги на стенах и меры по её ограничению
Воздух в своём составе всегда содержит влагу, количество которой в его составе характеризуется несколькими показателями: абсолютной влажностью воздуха, упругостью водяного пара, относительной влажностью воздуха.
Абсолютная влажность воздуха f, г/м
3
, даёт количественные све-
дения о влаге, содержащейся в воздухе. При расчётах влажности пользуются величиной давления, создаваемого водяным паром в воздухе,
называемой упругостью водяного пара e и измеряемой в Па. Следует
отметить, что упругость водяного пара и абсолютная влажность воздуха взаимосвязаны. Чем выше влажность воздуха, тем выше его упругость. По
этому величина упругости водяного пара, как и абсолютная
влажность является характеристикой влажности воздуха.
Упругость водяного пара при определённой температуре зависит
от температуры воздуха и не может превышать предельного значения.
Предельное значение пара называется максимальной упругостью
водяного пара Е, Па. Величина Е зависит от температуры воздуха. Чем
выше температура, тем больше значение Е, то есть тем боль
шее количество влаги может содержаться в воздухе. Значения величины Е
в зависимости от температуры воздуха приведены в приложении в
табл. П4 и табл. П5.
Действительная упругость водяного пара е не даёт представления
о степени насыщения воздуха влагой. Для этой цели её нужно сравнивать с максим
альной упругостью водяного пара Е, возможной при исследуемой температуре воздуха. Поэтому при оценке насыщения воздуха влагой применяется понятие относительной влажности воздуха
ϕ, выражающей в процентах отношение действительной упругости
водяного пара е к максимальной его упругости Е для конкретной температуры воздуха, определяемой по формуле
е
, %. (2.31)
100
=ϕ
Е
Как видно, если температура воздуха с данной влажностью повысится, то его относительная влажность понизится. Это связано с тем,
что величина упругости водяного пара е останется без изменения, а
значение максимальной упругости Е увеличится с повышением температуры. Наоборот, при охлаждении воздуха по мере понижения температуры относительная влажность его будет увеличиваться вследс
твие
уменьшения Е.
При температуре, когда е становится равной Е, относительная
влажность воздуха будет равной 100%, то есть воздух будет предельно
72
насыщенным водяным паром. При дальнейшем понижении его температуры начнется конденсация влаги. Температура предельного насыщения воздуха водяным паром называется температурой точки росы t
р
Так как внутренняя поверхность наружных ограждений зимой более холодная, чем воздух помещения, то при его соприкосновении с
поверхностью происходит охлаждение воздуха и, соответственно, повышение его относительной влажности ϕ. В тех случаях, если температура поверхностей окажется ниже температуры точки росы t
, на них
р
возможно образование конденсата. Поэтому при проектировании наружных стен следует выполнять проверку возможности выпадания на
них конденсата. Он появляется, если температура τ
температуры t
. Величина τв находится по формуле (2.26).
р
будет больше
в
Температура поверхностей стены на её различных участках неодинакова. На глади стен она всегда выше, чем в углах и на участках
теплопроводных включений. Следует также отметить, что температура
поверхностей из-за колебаний температур наружного воздуха не бывает постоянной во времени. По этим причинам условия для конденсации влаги на стенах могут быт
1. В случае, если τ
ь различными.
< tр выпадение конденсата возможно по всей
в
поверхности наружной стены с внутренней стороны.
2. При τ
> tр > tуг выпадение конденсата возможно только в на-
в
ружных углах.
3. При τ
> tр > τ
в
возможно периодическое выпадение конденса-
min
та, связанное с временными понижениями температур поверхности
стены из-за её недостаточной теплоустойчивости.
Таким образом, при оценке возможности появления на стенах
конденсата следует находить не только температуру глади стены, но и
температуры в местах стены, где может быть её локальное понижение.
Кроме того, необходимо определять изменения температур внутренних по
верхностей стен при колебаниях температур наружного воздуха,
а также при изменениях отдачи тепла отопительными приборами.
По минимальной температуре внутренней поверхности стен при
проверочных расчётах можно определять минимальную величину ϕ
воздуха, при которой может появиться конденсат на наружной стене.
Если найденная минимальная величина ϕ
окажется выше действи-
min
тельной относительной влажности, то на стене при её эксплуатации не
будет выпадать конденсат.
Пример 2.8. Требуется определить допустимую влажность воздуха в помещении дома с кирпичными стенами, при которой исключается выпадение конденсата на поверхности наружной стены. Температура наружного воздуха равна t
= −28 °C, температура воздуха в поме-
н
73
.
щении tв = +18 °C. При обследовании установлено, что при таких усло-
−
−
виях температура на глади поверхности стены равна τ
а в углу τ
= +8,0 °С.
уг
= +13,0 °С,
в
Решение. Согласно табл. П5, температуре внутреннего воздуха
t
= +18 °C соответствует величина Е = 2064 Па, температуре угла
в
= +8,0 °С – величина Е = 1072 Па, а температуре на глади стены
τ
уг
= +13,0 °С – величина Е = 1497 Па.
τ
в
Тогда предельная относительная влажность воздуха в помещении,
при которой ещё не будет выпадения конденсата в углу стены, равна
1072
уг
2064
%9,51100
=⋅=ϕ .
Предельная относительная влажность, при которой еще не будет
выпадения конденсата на глади стены, равна
1497
ст
2064
%5,72100
=⋅=ϕ .
Таким образом при повышении влажности воздуха в помещении
вначале произойдёт выпадение конденсата в углу стены, когда относительная влажность воздуха превысит 51,9%. На глади стены конденсат
выпадет при относительной влажности воздуха более 72,5%.
Пример 2.9. Оценить возможность выпадения конденсата на
внутренней поверхности кирпичной стены здания, сопротивление теплопередаче которой составляет R
реннего и наружного воздуха соответственно равны t
= –28 °C. Относительная влажность воздуха в помещении − ϕв = 55%.
t
н
= 0,90 м2⋅°С/Вт. Температуры внут-
0
= +18 °C и
в
Определить при этих условиях предельную относительную влажность,
при которой на стене может появиться конденсат.
Решение. По формуле (2.26), определяется температура внутрен-
ней поверхности стены
18
−=τ °С.
в
⋅
При расчёте в формуле (2.26) значение α
50.13330.2012 равным α
По табл. П5 для t
= 8,7 Вт/(м2⋅°С).
в
= +18 °C имеем
в
)28(18
90,07,8
1,12
+=
= 2064 Па.
E
t
в
принято согласно СП
в
По формуле (2.31) величина е будет равна е = 55⋅2064/100 =
= 1135 Па. Температуру точки росы t
, при которой е станет равным
р
значению максимальной упругости Е, находится по табл. П5. В этом
случае при Е = 1135 Па температура точки росы равна t
Так как τ
= +12,1 °С > tр = +8,8 °С, выпадения конденсата на по-
в
= +8,8 °С.
р
верхности наблюдаться не будет. Конденсация возможна, если дейст-
74
вительная упругость водяного пара е в воздухе помещения станет рав-
⋅
ной максимальной упругости
По табл. П5 находим
E
τ
в
=ϕ
t
р
E
для τв = +12,1 °С.
E
τ
в
= 1412 Па и вычисляем
E
τ
в
100
t
в
=
⋅
2064
1001412
=
%.4,68
Таким образом, выпадение конденсата на поверхности стены возможно только в случае повышения относительной влажности воздуха
более 68,4%.
Результаты решаемых выше задач показывают, что главная мера
против выпадения влаги на наружных стенах – это уменьшение влажности воздуха помещения. Снижение влажности может быть достигнуто за счёт увеличения интенсивности воздухообмена в помещении.
Для снижения вероятнос
ти конденсации следует также повышать
температуру поверхности стены путём повышения её теплоизоляции.
теплоизолирующие слои наиболее целесообразно размещать с наружной стороны стены. Если утепление невозможно выполнить снаружи,
его размещают с внутренней стороны ограждающей конструкции.
В этом случае необходима защита утеплителя от проникновения влаги
из помещения, например, путём устройства пло
тной паронепроницае-
мой штукатурки.
Пример 2.10. Оценить возможность появления конденсата на
внутренней поверхности стены здания при расчётной температуре
внутреннего воздуха t
Температура наружного воздуха t
= 22 °C и относительной влажности ϕв = 65%.
в
= –35 °C.
н
Наружная стена сложена из глиняного кирпича на цементнопесчаном растворе толщиной 0,51 м и оштукатурена изнутри цементно-песчаным раствором толщиной 0,03 м. Зона влажности района
строительства − сухая.
В случае возможного образования на стене конденсата необходимо дополнительно утеплить стену, подобрать утеплитель по условию
невыпадения конденсата.
Решение. При t
= +22 °C и ϕв = 65% влажностный режим поме-
в
щения согласно табл. 2.3 влажный, тогда при сухом климате местности
условия эксплуатации стены согласно табл. 2.4 − Б. При условии Б
расчётные коэффициенты теплопроводности по табл.П3 равны: для
кладки λ
циенты тепловосприятия и теплоотдачи стены равны: α
= 23 Вт/(м2⋅°С).
α
н
= 0,76 Вт/(м⋅°С), для штукатурки λшт = 0,93 Вт/(м⋅°С). Коэффи-
кл
= 8,7 Вт/(м2⋅°С),
в
75
Сопротивление теплопередаче стены равно
−−⋅
δ
δ
кл
+
=
R
0
α
λ
шт
+
+
α
λ
шт
кл
еi
51,0
111
76,0
7,8
1
03,0
23
93,0
=+++=
м2⋅°С/Вт.
86,0
На внутренней поверхности стены в соответствии с формулой
(2.29) температура равна
−−⋅
−=τ
22
в
))35(22(1
⋅
86,07,8
4,14
+=
°С.
Согласно данным табл. П5 максимальная упругость водяного пара при температуре t
= +22 °C составляет
в
= 2644 Па. Тогда согласно
E
t
в
формуле (2.31) действительная упругость водяного пара воздуха равна
е = 65⋅2644/100 = 1719 Па.
Максимальная упругость водяного пара воздуха, соответствующая температуре τ
Как видно, максимальная упругость
вующая температуре поверхности
= +14,4 °С по табл. П5, равна
в
E
= 1640 Па.
E
τ
в
= 1640 Па, соответст-
τ
в
С4,14в°=τ , ниже действительной
упругости водяного пара е = 1719 Па и, следовательно, на поверхности
стены будет выпадать конденсат. Стену необходимо утеплить.
Температура поверхности стены, при которой не будет выпадать
конденсат, соответствует температуре, при которой максимальная упругость водяного пара равна действительной упругости пара е = 1719 Па.
По табл. П5 её значение
′
в
С1,15
°=τ
.
По формуле (2.26) определяется сопротивление теплопередаче
стены, при котором температура поверхности составит
′
=
R м
0
))38(22(1
=
−⋅
)1,1522(7,8
2
95,0
⋅°С/Вт.
′
в
С1,15
°=τ
.
Тогда величина дополнительного термического сопротивления
стены будет равна
′
=Δ RRR м
0
0
=−=−
09,086,095,0
2
⋅°С/Вт.
В данном случае дополнительное утепление можно выполнить из
гипсокартонных листов, имеющих коэффициент теплопроводности
= 0,23 Вт/(м⋅°С). Их суммарная толщина должна быть не менее
λ
гш
δгш = ΔR⋅λгш = 0,09 ⋅ 0,23 = 0,02 м.
В случаях размещения у наружных стен помещений с влажным и
мокрым режимами (например, ванных комнат), в которых влажность
может достигать величин, близких к 100%, на стенах будет практиче-
76
ски всегда выпадать конденсат. Для исключения замачивания стен при
возникновении таких ситуаций необходимо устраивать на их внутренних поверхностях защитные слои из керамической плитки или из
плотной паронепроницаемой штукатурки. Плитки к стене следует крепить на цементном растворе с добавлением жидкого стекла. В отдельных случаях для защиты стен может быть дос
таточным нанесение на
штукатурку стен слоя паронепроницаемой краски, например, масляной.
В кирпичных зданиях старой постройки в последнее время часто
размещаются заведения с одновременным пребыванием в них в течение некоторого времени большого количества людей (например, бары,
кафе, клубы и др.), в том числе и в подвальных помещениях. При таких условиях возду
х помещения имеет повышенную влажность и, со-
ответственно, возможна кратковременная конденсация влаги на стенах.
В том случае, если стены покрыты плотными защитными водонепроницаемыми слоями, при выпадении конденсата на них сразу появляются капли росы. Это вызывает у посетителей неприятные ощущения для комфорта. Для исключения этого более приемлемо устройство
на стенах так называемой сан
ирующей штукатурки. Этот материал
также называют «осушивающим» вследствие его способности выводить влагу из основания, покрытого им. Применение санирующей
штукатурки внутри здания усиливает гидроизоляционный эффект с
одновременным продлением срока службы самих построек и отделочных материалов, нанесенных на них. Материал представляет собой
высокотехнологичное двухслойное покрытие, содержащее помимо
базов
ой пористой основы дополнительный санирующий компонент, в
результате чего штукатурка впитывает в себя достаточное количество
влаги без видимых признаков увлажнения. Когда условия для конденсации влаги исчезают (например, в нерабочее время), штукатурка легко отдает накопленную влагу обратно в воздух помещения. Следует
иметь ввиду, что её использование применимо для случаев ог
раниченного времени выпадения конденсата. При длительном выпадении конденсата штукатурка становится мокрой и для её сушки требуются
большие промежутки времени. В этой ситуации возможно дальнейшее
проникновение накопленной штукатуркой влаги вглубь стены. Для
исключения этого её следует наносить на плотную подоснову, например, на цементно-песчаную штукатурку. Для эффективной защиты
стен от влаги достат
очно слоя штукатурки толщиной 2 см.
2.4.3. Сорбционное увлажнение кладки кирпичных стен
Как было сказано ранее, кладка поглощает влагу, находящуюся в
воздухе в виде водяного пара. Накопление этой влаги материалами
кладки происходит как на поверхности пор в результате прилипания
77
молекул воды к стенкам пор, так и путём растворения молекул воды в
твёрдом теле материала. Такой процесс накопления влаги называется
сорбцией. Для протекания процесса сорбции не требует разности температур материала и воздуха. Поэтому он может происходить при любой температуре окружающей среды и материала.
Величина сорбционного накопления влаги материалом зависит от
величин влажности возду
ха и температуры среды. Сорбционная влажность растёт при понижении температуры воздуха. Экспериментально
установлено, что влияние изменений температуры на сорбционное
увлажнение кирпичной кладки мало. На рисунке 2.17 приведена зависимость между объёмной влажностью керамического кирпича и относительной влажностью воздуха (изотермы сорбции водяного пара) при
разных температурах воздуха. Данные по
лучены экспериментально
А. У. Франчуком [25]. Часть их приведена в табл. П6.
Установлено, что кирпичи кладки из-за разной природы их материалов и особенностей пористой структуры могут иметь разное сорбционное влагосодержание. Для подтверждения этого на рис. 2.18 приведены изотермы сорбции водяного пара глиняного, силикатного и
трепельного кирпичей для температуры возду
ха, равной 20 °С. Наи-
меньшими сорбционными свойствами обладает глиняный кирпич.
, %
w
v
1,4
1,2
1,0
–40°
–20°
0°
+20°
+40°
0,8
0,6
0,4
0,2
0
30 40 50 60 70 80 90 ϕ, %
Рис. 2.17. Изотермы сорбции водяного пара керамического кирпича
для различных температур воздуха по данным А. У. Франчука [25]
78
w,%
7
6
5
4
3
2
1
0
40 50 60 70 80 90 ϕ,%
Рис. 2.18. Изотермы сорбции влаги глиняного (1), силикатного (2)
и трепельного (3) кирпичей при температуре 20 °С
3
2
1
Максимальная весовая влажность его не превышает 0,6%, а наибольшими трепельный кирпич, который может иметь максимальную весовую влажность 7,1%. Как видно из рис. 2.18 процесс сорбции этих
кирпичей имеет разный характер. При росте влажности сорбция трепельных кирпичей резко возрастает. Это следует учитывать при выборе материалов кладки для помещений с влажным и мо
крым режимами.
В кривых сорбции глиняного и силикатного кирпича нет чёткого
различия в стадиях накопления влаги. Для трепельного кирпича заметно наличие разных стадий накопления стадий. Особенно наглядно выделяется последняя стадия, при которой происходит капиллярная конденсация влаги в его материале. Отличия в кривых сорбции определяются отличием структур по
р разных материалов. Подробно с физиче-
скими процессами сорбции можно ознакомится в [12, 24].
Как видно, разные по материалу кирпичи кладки имеют разную
сорбционную способность. Шлаковые и подобные им кирпичи относятся к активносорбирующим материалам. Глиняный и силикатный
кирпичи являются инертносорбирующими материалам. Кладки стен из
инертносорбирующих кирпичей мало влияют на влажностный режим
помещений. В то же время пр
и длительном избыточном наличии пара
в воздухе в поверхностном слое кладки со стороны помещений может
накапливаться влага.
79
Кирпичи кладки, с более высокой начальной влажностью, накапливают влагу более интенсивно, чем кирпичи в сухом состоянии.
Большей скоростью накопления сорбционной влаги обладает глиняный кирпич. Силикатный кирпич имеет вдвое меньшую скорость.
В этой связи необходимо при эксплуатации уделять больше внимания
сушке стен.
2.4.4. Конденсация влаги внутри кирпичных стен
Кирпичные стены в большинстве случаев увлажняются из-за
сорбции и конденсации водяных паров во внутренних слоях ограждения. Во многих случаях конденсация паров является главной причиной
повышения влажности наружных стен.
При разности температур наружного и внутреннего воздуха на
противоположных поверхностях стены образуются разные величины
парциальных давлений водяного пара. Эта разность вызывает поток
вод
яного пара через стену изнутри к её наружной поверхности. Данное
процесс называется диффузией водяного пара в ограждении. Зимой
пар уходит через стену наружу. Летом при более холодном воздухе
помещения пар может уходить из стены в помещение.
Одновременно с диффузией водяного пара через ограждение в
обратном от наружной поверхности стены направлении п
роисходит
диффузия воздуха. Это связано с наличием разности парциальных давлений газов атмосферы. Из-за меньшего парциального давления водяного пара наружного воздуха зимой эти давления более высокие с наружной стороны стены. В этом заключается различие между явлением
диффузии воздуха и явлением воздухопроницаемости (см. п. 2.5).
Диффузия воздуха в стене в отли
чие от воздухопроницаемости есть
чисто молекулярное явление взаимной замены молекул одного газа
молекулами другого газа с другим парциальным давлением.
Величина проходящего через стену пара находится по формуле
−=
где W – количество диффундирующего пара, мг; e
μ
FzeeW )(
нв
, (2.32)
δ
, eн – упругости
в
(парциальные давления) водяного пара с внутренней и наружной сторон ограждения, Па; μ – коэффициент паропроницаемости материала
стены, мг/(м·ч·Па); F – площадь стены, м; z – время, ч; δ – толщина
стены, м.
Выражение (2.32) справедливо при отсутствии процесса конден-
сации водяного пара в стене.
Как видно из формулы (2.32), важное значение для процесса
диффузии пар
80
а в стен имеет коэффициент паропроницаемости мате-