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
риала μ. Он зависит от свойств материала и отражает его способность
пропускать пар через себя. Коэффициент μ показывает количество
пара, которое будет проходить в течение 1 ч через 1 м
2
стены толщи-
ной 1 м при разности упругостей водяного пара на поверхностях стены, равной 1 Па. Расчётные значения коэффициентов паропроницаемости материалов приведены в СП 50.13330.2012 [19]. Для материалов
кирпичных стен значения коэффициентов μ приведены также в табл. П3.
Коэффициент паропроницаемости материалов зависит от их тем-
пературы и влажности. С ростом влажности материала коэффициент μ
возрастает, а с по
нижением температуры его величина уменьшается.
В табл. П3 приложения приведены значения коэффициента μ для
сорбционной влажности материала, равной 80%. Коэффициенты паропроницаемости μ
использованием выражения В. М. Ильинского [12]
при меньшей влажности wx могут быть найдены с
x
w
x
μ=μ , (2.33)
x
80
w
80
где μ80 – коэффициент паропроницаемости, соответствующий по изотерме сорбции относительной влажности 80%; w
– весовая влажность
80
материала, соответствующая по изотерме сорбции относительной
влажности 80%.
В расчётах, как правило, используются значения μ, полученные
при w
. Их значения даны в справочной литературе (см. табл. П3).
80
В процессе диффузии пара через слой материала возникает со-
противление потоку пара. Оно называется сопротивлением паропро-
ницанию слоя
где δ
, μi – толщина и коэффициент паропроницаемости i-го слоя сте-
i
R
, м2·ч·Па/мг, и находится по формуле
п
δ
i
=
R
п
, (2.34)
i
μ
i
ны.
Для многослойной конструкции оно определяется как сумма со-
противлений всех слоёв
n
RRRR
++=
, (2.37)
пп
нв
где
пп
∑
i
1
=
i
− сопротивления обмену влагой на внутренней и наруж-
, RR
пп
нв
ной поверхностях стены.
и
Так как
R
п
в
имеют небольшие значения, при практических
R
п
н
расчётах их обычно не учитывают.
81
Упругость пара, проходящего в стене, понижается от eв на внут-
∑
ренней её поверхности до e
нии линии уменьшения упругости водяного пара используется формула
на наружной поверхности. При построе-
н
ee
−
ee
в
n
нв
−=
R
R
, (2.36)
п
∑
−
1
п
n
−
1
n
где en – упругость водяного пара на внутренней поверхности любого nго слоя стены;
R − сумма сопротивлений паропроницанию
п
−
−
)1(nn
1
n – 1 первых слоев стены, считая от его внутренней поверхности,
включая и сопротивление обмену влагой на внутренней поверхности
R
п
в
В реальных условиях эксплуатации процесс диффузии влаги через стены, как правило, нестационарный. Однако расчёты при нестационарных условиях диффузии сложны и поэтому при оценке влажностного режима стен в основном используются стационарные условия
диффузии. При этом считается, что упругости паров в воздухе и стене
постоянны во времени. Температура в стене такж
е считается постоянной.
Расчёт влажностного режима стен при указанных условиях выполняется для расчётных температур внутреннего воздуха t
, прини-
в
маемых согласно нормам проектирования. Наружная температура воздуха принимается равной температуре наиболее холодного месяца.
Наружная влажность воздуха принимается также для наиболее холодного месяца.
При прохождении через стену пар понижает упругость и температуру. В тех случаях, когда упругость водяного пара понижается менее
значительно, чем температура воздуха в порах, может наступить усл
овие для полного насыщения воздуха пор паром. При выполнении этого
условия в материале произойдёт конденсация пара в порах.
При определении возможной конденсации пара в стене использу-
ется графический способ. В этом случае вначале строится график распределения температуры в стене τ. Затем по значениям температур τ
строится график максималь
ной упругости водяного пара E и наносится
линия распределения действительной упругости водяного пара e. Если
линии графиков E и e не пересекаются, конденсации влаги не происходит. При пересечении линий E и e в ограждении возможна конденсация водяного пара. Проводя касательные к линии максимальной упругости водяного пара из точек, оп
чины e
и eн, можно определить зону конденсации в ограждении. Зона
в
ределяющих на ограждениях вели-
конденсации определяется участком стены, расположенным между
касательными. Количество выпадающего конденсата находится по
разности количества подходящего к зоне конденсации водяного пара и
82
.
количества пара, уходящего из неё наружу. Методика расчёта приве-
−
дена в [24].
Пример 2.11. Выполнить расчёт влажностного режима кирпичной
неоштукатуренной стены, сложенной из трепельного кирпича на цементно-песчаном растворе. Толщина стены – 0,64 м. Температура
внутреннего воздуха t
= 60 %. Температура наружного воздуха самого холодного месяца
ϕ
в
= –15 °С. Относительная влажность наружного воздуха ϕн = 90%.
t
н
= 20 °С, относительная влажность воздуха
в
Условия эксплуатации Б. Коэффициент теплопроводности кладки согласно [19] – λ
= 0,19 мг/(м⋅ч⋅Па).
μ
кл
Решение. Сопротивление теплопередаче стены равно
= 0,52 Вт/(м⋅°С), коэффициент паропроницаемости –
кл
=
R м
0
α
в
+
λ
δ
кл
+
111
α
7,8
нкл
1
64,0
52,0
23
=++=
2
39,1
⋅°С/Вт.
Сопротивление паропроницаемости стены по формуле (2.36) составляет
При расчёте
64,0
19,0
==R м
п
R сопротивлениями влагообмена
п
37,3
2
⋅ч⋅Па/мг.
R и
п
в
R пре-
п
н
небрегли ввиду их малости по сравнению с сопротивлением стены.
По полученным данным строятся графики распределения в стене
температур и упругостей водяного пара Е и е (см. рис. 2.19).
Значения е
и ен определены с использованием формулы (2.33) по
в
методике, использованной в примерах 2.10 – 2.11.
Величина е
мальная упругость водяного пара при t
Величина е
ная упругость водяного пара при t
= 60⋅2338/100 = 1403 Па. Здесь Ев = 2338 Па – макси-
в
= 90⋅165/100 = 148 Па. Здесь Ен = 165 Па – максималь-
н
= 20°С, определяемая по табл. П4.
в
= –15°C, определяемая по табл. П3.
н
Как видно из построенных на рис. 2.19 графиков Е и е, графики
пересекаются. Конденсат будет выпадать в толще кладки. Зона конденсации начинается на расстоянии 0,39 м от внутренней поверхности
стены и заканчивается на расстоянии 0,07 м от её наружной поверхности.
По формуле (2.34) можно приближённо определить количество
влаги, конденсирующейся в стене.
Для 1
2
стены и коэффициента паропроницаемости μ =
м
= 0,19 мг/(м⋅ч⋅Па) находим количество влаги, поступающей в зону
конденсации через плоскость с величиной Е
=W .
1
)5001409(
39,0
= 500 Па
1
22
)чг/(м044,0)чмг/(м44319,0
⋅=⋅=
83
Количество влаги, уходящей от зоны конденсации через плос-
−
ϕ
кость с величиной Е
=W .
2
Тогда количество влаги, конденсирующейся в стене, будет равно
= 268 Па, равно
2
)148268(
07,0
21кон
2
22
ч)г/(м011,0033,044,0
⋅=−=−=Δ WWW .
⋅=⋅=⋅
)чг/(м033,0)чмг/(м32619,0
= 20 °C
t
в
ϕ
= 1403 Па
e
в
e = 920 Па
= 60%
в
17,2 °C
2
4
E1 = 500Па
tн = –15 °C
1
= 90%
н
–13,9 °C
3
Зона
конденсации
E2 = 268 Па
e
= 148 Па
н
Рис. 2.19. Определение возможности выпадения конденсата
и границ зоны конденсации:
1 – линия распределения температур в стене; 2 – линия распределения
максимальной упругости водяного пара; 3 – линия распределения
действительной упругости водяного пара в стене; 4 – касательные
к линии распределения максимальной упругости водяного пара
84
Таким образом, в течение суток за 24 часа в 1 м2 стены будет накапливаться 0,26 г воды, такое влагонакопление весьма незначительно.
Для исключения выпадения конденсата в стене необходимо нанести на неё с внутренней стороны пароизоляционный слой. Он должен обеспечить понижение упругости водяного пара на поверхности
кладки ниже величины е = 920 Па. Для исключения выпадения конденсата возможно также снизить влажность в по
мещении до величины
%471949/100920=⋅=ϕ .
В приведённом примере рассматривалась неоштукатуренная стена. В реальных условиях эксплуатации стена практически всегда штукатурится с внутренней стороны, например, цементно-известковым
раствором толщиной 0,025 м.
Следует определить величину упругости водяного пара на внутренней поверхности кладки под штукатуркой при относительной
влажности воздуха 47%. Для расчёта можно использовать выражение
(2.38). Отсюда имеем
клш
025,0
⎛
⎜
⎝
+
098,0
−=e
920
При полученном значении e
−
148920
640,0
190,0
внутри стены конденсат выпадать
клш
025,0
=⋅
098,0
⎞
⎟
⎠
Па7,865
.
не будет.
Из примера видно, что конденсация начинается в толще стены на
расстоянии 2/3 от её внутренней поверхности. Такие же значения получаются и при экспериментальных исследованиях кирпичных стен с
различными конструкциями.
Приведённый выше метод расчёта даёт оценку влажностного режима при стационарных условиях влагопередачи. Он является приближённым, но пр
и этом с достаточной точностью и надёжностью по-
зволяет:
− определять условия выпадения или невыпадения конденсата в
ограждении. Последнее условие при этом всегда выполняется гарантированно;
− находить годовой баланс влаги в ограждении. Это позволяет ус-
танавливать условия накопления и удаления влаги в различные периоды года (осень, зима, весна, лето).
С использованием данного подхода выполняются расчёты сопротивления паропроницания ограждающих конструкций, в том числе и
кирпичных стен.
Подробно оценка влажностного режима ограждающих конструкций описана в п. 1.4 настоящего пособия и в СП 50.13330.2012 [19].
85
В том случае, если необходимо определить точное значение влаги
в конструкции стены, расчёт влажностного режима производят при
нестационарных условиях диффузии водяного пара. Количество влаги,
определённое таким образом, почти всегда меньше количества, определяемого при стационарных условиях. При нестационарных условиях
расчёты выполняются с использованием метода, разработанного
К. Ф. Фокиным [24].
2.4.5. Влияние увлажнения кирпичных стен на процессы их разрушения
Скорость физического износа кирпичных стен во многом зависит
от их влажности. Так как стены состоят из материалов с пористокапиллярной структурой, при контакте с водой происходит их интенсивное увлажнение.
По признакам связи воды и материала стен различают химически
связанную, абсорбционно-связанную, капиллярную и свободную влагу. Свободная влага заполняет крупные пусто
ты и поры материалов
кладки и удерживается в них гидростатическими силами. Такая влага
может легко удаляться из кладки стены при её высушивании.
Влага, содержащаяся в крупных порах и пустотах, как правило,
имеет в своём составе растворённые соли и в связи с этим замерзает
при температурах более низких, чем 0 °С. В свою оч
ередь, влага, содержащаяся в капиллярах, может замерзать при очень низких температурах. Температура замерзания зависит от диаметра капилляров. Например, при диаметре 10
–5
см и менее вода замерзает при температуре
ниже –25 °С.
На процессы износа стен влага влияет по-разному. В одних случаях она действует как химически активная агрессивная среда, растворяя материал конструкций. В других случаях она действует как
поверхностно-активное вещество, способствующее процессу разрушения.
Наличие пор, пустот, капилляров, микротрещин внутри кладки
стены и на её по
верхностях приводит к увеличению их удельной поверхности. Это увеличивает площадь контакта кладки со всеми возможными видами влаги. В процессе смачивания материала кладки
стен происходят физические процессы, приводящие к появлению в ней
напряжений. Проникая в имеющиеся в кирпичах кладки микротрещины, молекулы воды, обладая дипо
льными моментами, начинают определённым образом ориентироваться. При этом адсорбированная влага
становится более плотной и вязкой. Упругость такой влаги становится
равной упругости материала кирпичей. При этом её упругость повы-
86
шается к вершине микротрещины и в результате возрастает расклини-
α
=
вающее действие влаги. Схема расклинивающего действия адсорбированной влаги приведена на рис. 2.20.
σ
p
σ
p
Рис. 2.20. Расклинивающее действие
адсорбированной влаги:
σp – рост расклинивающих напряжений
Рост напряжений из-за расклинивания влагой микротрещин приводит к снижению прочности поверхностных слоёв материалов, смоченных водой и их последующему разрушению. Указанные явления
происходят при воздействии адсорбционно-связанной влаги. Раск
нивающее действие влаги возникает при толщине полимолекулярной
пленки влаги около 3⋅10
–5
см.
ли-
Сложные напряжения в материале кладки может вызывать также
капиллярная влага за счёт возникающих сил капиллярного давления
воды. В капиллярах образуются растягивающие напряжения, связанные с поверхностным натяжением (см. рис. 2.21) и определяемые по
формуле
θ
α
cos)/2( rP , (2.39)
где α – поверхностное натяжение воды, Па; r – радиус капилляра, м;
θ – угол смачивания, град.
Такие напряжения способствуют снижению давления жидкости в
капиллярах и, соответственно, появлению напряжений сжатия и изгиба
P
Рис. 2.21. Схема образования
P
α
P
P
α
капиллярного давления
в материале
87
в материале вокруг капилляров. При полном смачивании материалов
−
=
−
=
капиллярное давление может достигать величины 5,0⋅10
6
Па.
Разрушение материалов кладки возрастает при совместном воздействии влаги и отрицательных температур. Замерзая в порах и капиллярах влага увеличивается в объёме и вызывает значительные напряжения в материале конструкции.
Заполнение капилляров влагой при естественном увлажнении
кладки зависит от размеров капилляров. В мелких капиллярах влага
поднимается на большую высоту, чем в кр
упных. Вода из крупных пор
за счёт разности давления и капиллярного отсоса переходит в смежные
мелкие поры и капилляры. В процессе замерзания воды свободные
крупные поры служат дополнительным объёмом, обеспечивающим
компенсацию расширения влаги в мелких порах и капиллярах. Поэтому крупнопористые кирпичи более морозостойки.
При замерзании воды в капиллярах и п
орах возможно возникновение больших напряжений. Они могут во много раз превосходить
прочность материала кирпичей. В наибольшей мере это происходит
при порах и капиллярах, заполненных водой полностью.
Давление в порах при замерзании воды вычисляется по формуле
/)( dpVdpVTKQdT
5
где Q = 3,35·10
абсолютная температура плавления льда; V
= 1,091·10
Дж/кг – скрытая теплота плавления льда; Т = 273 °К –
–3 м3
/кг – удельные объёмы воды и льда; dpв, dpл – давления в
, (2.40)
ллвв
= 1·10–3 м3/кг, Vл =
в
порах воды и льда, Па; dТ – разность температур, °С.
В случае равенства давлений воды и льда dp = dp
= dpл формула
в
(2.40) имеет более простой вид
dpVVTQdT )(/)(
. (2.41)
лв
При известных значениях величин, входящих в формулу (2.41),
можно получить формулу для определения dp в виде
7
dTdp
10348,1 ⋅−=
. (2.42)
Согласно (2.42) понижение температуры на 1 °С приводит к росту
давления в порах кладки на 13,48 МПа. В случае понижения температуры на 20 °С рост давления составит соответственно 269 МПа.
В тех случаях, когда вода при замерзании льда и увеличении его
объёма свободно вытекает из пор, давление льда после замерзания и
при дальнейшем понижении темпер
атуры определяется как
6
dTdp
1013,1 ⋅−= . (2.43)
В такой ситуации давление льда повышается на 1,13 МПа при понижении его температуры на 1 °С. При понижении температуры льда
88
на 20 °С давление в порах может составить 22,6 МПа. Следовательно,
напряжения, возникающие в материале кладки при температурах ниже
0 °С, могут разрушать стенки пор. Разрушение ускоряется при переменном оттаивании и замораживании кладки. Такой режим чаще всего
происходит при воздействии на стены солнечной радиации в весенний
период года.
Физический износ кирпичной кладки зав
исит также от процессов
её попеременного увлажнения и высыхания. Эти процессы могут происходить как при положительных, так и отрицательных температурах
среды. При сухом окружающем стену воздухе из материала кладки
происходит последовательно испарение свободной, капиллярной и
затем адсорбированно-связанной влаги. Влага вначале испаряется из
крупных пор, а затем и из бо
лее мелких. После испарения воды из капилляров и микротрещин на материал кладки перестают действовать
рассмотренные выше расклинивающие и сжимающие силы. После этого в нём возникают явления усадки. Это приводит к появлению в материале кладки напряжений противоположного знака. При повышении
влажности воздуха материал снова увлажняется, и трещины, соответственно, вн
овь раскрываются. При наличии таких знакопеременных
напряжений скорость разрушения материала кладки зависит от скорости и степени увлажнения и сушки материалов.
Причиной разрушений материалов кладки также может служить
осмотическое давление в порах, вызываемое разностью концентраций
растворов солей в воде соседних пор и капилляров. Стенки пор и капилляров, как правило, мо
гут быть проницаемы для воды и не проницаемы для молекул растворённого в воде вещества. Стремясь выровнять концентрацию растворов в соседних порах, вода проходит из пор
с меньшей концентрацией в поры с большей концентрацией и начинает создавать в них осмотическое давление. Такое давление может достигать величины 15 МПа и более [
15].
Характер разрушения материалов кладки и его скорость зависят
также от структуры пор материала. В керамических кирпичах структура пор зависит от технологии их изготовления. Кирпичи сухого прессования имеют поры и капилляры, сообщающиеся между собой и открытые на поверхности кирпичей. Также кирпичи быстро насыщаются
влагой, которая приводит к у
скорению процессов физической коррозии. В свою очередь, кирпичи пластического формования имеют закрытые поры и вследствие этого медленнее насыщаются влагой. Таким образом, кирпичи сухого прессования имеют низкую морозостойкость и не могут использоваться в наружных ограждениях.
89
Процессы насыщения и удаления влаги материалами кладки происходят с разной скоростью. В условиях естественной среды насыщение кладки влагой идёт значительно быстрее, чем её сушка. Следовательно, при проектировании и эксплуатации кирпичных стен следует
использовать также решения, при которых ограничивается период влагонакопления и, наоборот, увеличивается период сушки стен. Например, п
оверхности стен в период летней сушки должны быть открытыми для контакта с внешней средой с целью обеспечения их хорошей
естественной вентиляцией.
Кирпичные стены состоят из материалов, имеющих разную пористость. Кирпичи имеют более значительную пористость, чем цементно-песчаный раствор кладки. Поэтому при эксплуатации влажных
кирпичных стен, сложенных на пло
тных растворах, идёт быстрое разрушение материала растворных швов тела кирпичей в местах примыкания их швам. Причина разрушений связана с тем, что кирпич как
материал с более крупными порами быстрее впитывает и отдаёт влагу
плотному раствору, имеющему мелкие поры. При этом на границе
контакта кирпичей и раствора оказывается достаточное количест
во
влаги для заполнения всех пор раствора водой. В зимнее время эта
вода и избыточная вода, накапливающаяся в порах кирпичей на границе контакта кирпичей с растворными швами, замерзает, и тем самым
создаёт большие напряжения в мелкопористом материале раствора. В
результате этого раствор быстро разрушается и выветривается. В свою
очередь кирпичи кладки у н
аружной поверхности стен при замерзании
воды, находящейся в растворных швах и капиллярах кирпичей вблизи
швов, оказываются сдавленными «обоймой». При таком давлении от
поверхностей кирпичей начинают откалываться лещадки. Подобные
разрушения наиболее заметны на тычковых рядах кладки. Явление
разрушения кирпичей «обоймой» ярко проявляется в кладке стен, сложенных в начале XX века из слабых кир
пичей «алого» сорта на цементно-песчаном растворе. При таких условиях большей долговечностью обладают кладки, сложенные на растворах, близких по плотности
кирпичам, например, кладки на известковых и известково-цементных
растворах. Это следует учитывать при ремонтах повреждённых участков стен в зданиях постройки XIX − начала XX веков.
Разрушению кирпичных ст
ен во многом способствует устройство
на фасадах наружных стен плотных слоёв из штукатурок или керамической плитки. Как известно, в период влагонакопления влага в стенах
переносится от их внутренних поверхностей к наружным слоям и летом в период сушки она должна уходить из стен наружу. Наличие же
на наружной поверхности стены пло
90
тного слоя, например, из цемент-