Влажностное состояние ограждающих конструкций

Значение нормального влажностного состояния ограждений

Для обеспечения предусмотренных нормами теплозащитных и санитарно-гигиенических параметров ограждений, а также их долговечности при проектировании необходимо установить путем расчета возможные изменения их влажностного состояния при эксплуатации здания и предусмотреть, какими мерами конструктивного характера можно предупредить возможность увлажнения ограждений выше допустимого предела. Из-за повышенной влажности материала ограждения, если она не предусмотрена теплотехническим расчетом, ограждения получаются неудовлетворительными в теплотехническом отношении. Известно, что коэффициент теплопроводности материала резко возрастает с повышением влажности. Например, для кирпичной кладки на тяжелом растворе из обожженного глиняного кирпича имеем λ=0,46 при весовой влажности W_в=0,1%, λ=0,70 при W_в=1,5%, λ=1,18 при W_в=9,0%.

Повышенная влажность ограждений крайне неблагоприятно также отражается на санитарно-гигиеническом состоянии помещений. Сырость в жилых зданиях часто приводит к заболеваниям проживающих в них людей.

Кроме того, общеизвестно, что чем выше влажность материала ограждения, тем меньше его морозо-, влаго- и биостойкость. Стойкость против коррозии также связана с влажностным состоянием ограждения.

Агрессивные воздействия химических веществ (кислот, щелочей, солей) особенно сильно разрушают материал в присутствии влаги, так как влага является активным растворителем химических веществ и способствует более полному проявлению их агрессивных свойств. Помимо того, влага легко впитывается большинством пористых строительных материалов, в результате чего во много раз увеличивается поверхность контакта агрессивного раствора с материалом и количество проникшего в него агрессивного вещества.

Влага пе только растворяет агрессивные вещества, но и разлагает их молекулы на ионы, наличие которых обычно является непосредственной причиной разрушения материала. Разрушение ограждений под воздействием агрессивных веществ во влажной среде называют электролитической коррозией.


При изучении влажностного состояния ограждений сначала рассмотрим возможные причины их увлажнения. Такими причинами являются' следующие:

• а) строительная влага, которая попадает в ограждение во время возведения здания. Ее количество зависит от начальной влажности применяемых материалов, изделий и сборных деталей, а также от увлажнения в связи с применением мокрых строительных процессов и неблагоприятных метеорологических условий;
• б) грунтовая влага, проникающая в ограждение из грунта по капиллярам;
• в) метеорологическая влага, проникшая в ограждение во время дождей. Воздействие этой влаги обычно бывает непродолжительным, поскольку влага после дождя быстро испаряется. Однако в некоторых климатических районах с наличием ветров постоянного направления и сопровождающих их дождей этот вид влаги является основным источником увлажнения ограждений (например, в приморских районах Дальнего Востока);
• г) эксплуатационная влага, проникающая в ограждение при эксплуатации тех зданий, в которых выполняются мокрые производственные процессы (например, в банях, в пищевых, кожевенных и других производствах);
• д) гигроскопическая влага, проникающая в ограждение вследствие гигроскопичности его материала, т. е. его свойства поглощать (сорбировать) влагу из воздуха;
• е) конденсационная влага, появляющаяся в ограждении в связи с конденсацией проникших в него из воздуха водяных паров. Конденсация последних может происходить как на внутренней поверхности ограждения, так и в его толще.

Из перечисленных источников увлажнения конденсация водяных паров является основной причиной появления влаги в ограждениях в процессе эксплуатации зданий.

Нормальное влажностное состояние ограждающих конструкций обеспечивается применением материалов с допустимой влажностью, быстрейшим удалением из конструкции строительной влаги и созданием условий, не допускающих увлажнения ограждений влагой внутреннего воздуха.

Влажность воздуха и конденсация влаги на поверхности ограждения

В воздухе всегда имеется некоторое количество влаги в виде водяного пара. Количество влаги, со держащееся в 1 м³ воздуха, выраженное в граммах, называют его абсолютной влажностью и обозначают Р, г/м³.


При расчетах влажностного режима ограждений абсолютную влажность удобнее выражать величиной парциального давления водяного пара, иначе говоря, его упругостью, которая обозначается е и измеряется в мм рт. ст.

Парциальным давлением водяного пара называют часть общего давления паровоздушной смеси, вызываемой наличием пара в воздухе.

При данной температуре и барометрическом давлении упругость водяного пара вследствие поступления его извне может увеличиваться лишь до определенного предела. Эта максимальная упругость водяного пара, обозначаемая Е, выражается в мм рт. ст. Чем выше температура воздуха, тем больше значение Е. Значения Е приводятся в справочниках (см. приложение 2).

Значения упругости водяного пара в воздухе, а также его абсолютной влажности не дают полного представления о степени насыщения воздуха влагой, если не указана температура воздуха.

Степень насыщения воздуха влагой определяют его относительной влажностью φ, которую выражают в процентах. Относительная влажность, выражаемая в процентах, представляет собой отношение действительной упругости водяного пара в воздухе е к максимальной его упругости Е:


Влажностный режим помещений (в холодный период года) подразделяют на сухой, нормальный, влажный и мокрый в зависимости от величины относительной ели абсолютной влажности воздуха согласно данным, приведенным в табл. 10.


При повышении температуры воздуха его относительная влажность понижается и, наоборот, при охлаждении воздуха относительная влажность будет увеличиваться вследствие уменьшения Е. При некоторой температуре, когда Е станет равным е, относительная влажность φ=100%. Для воздуха данной влажпости такую температуру называют точкой росы и обозначают τ_р.


Если охлаждать воздух ниже точки росы, то некоторое количество влаги, находившейся в парообразном состоянии, будет конденсироваться, т. е. переходить в капельно-жидкое состояние.

Во избежание конденсации водяного пара на внутренней поверхности ограждения ее температура должна быть выше точки росы.

При расчетах ограждений на возможность конденсации влаги на их внутренней поверхности значении относительной влажности в помещениях принимают по максимальной величине допускаемой в них влажности (например, для жилых домов наибольшая величина φ=60%).

Пример 5. Проверить возможность конденсации водяных паров на внутренней поверхности наружной стены, описанной в примере 1 (см, § 19), если относительная влажность внутреннего воздуха φ=60%, t_в=+18°, t_в=—29°.

По данным примера I стена имеет R_o=1,22 м²·ч·град/ккал. По формуле (14) находим


По таблице приложения 2 находим соответствующее температуре +18° значение E=15,48 мм рт. ст.

При относительной влажности внутреннего воздуха φ=60% действительная упругость водяного пара e=15,48·0,6=9,29 мм рт. ст. Следовательно, температура, для которой упругость водяного пара равна 9,29 мм рт. ст., является максимальной и будет точкой росы.

По таблице приложения 2 находим, что упругость 9,29 мм рт. ст. соответствует температуре τ_р=10,2°. Так как температура внутренней поверхности наружной стены t_в=12,9°, т. е. выше чем точка росы τ_р=10,2°, то, следовательно, конденсации водяных паров на внутренней поверхности стены не будет.

Сорбционная и капиллярная влага

Сорбцией называется увлажнение сухого материала без непосредственного соприкосновения его поверхности с водой, происходящее путем поглощения влаги в виде водяного пара из окружающего воздуха.


В результате сорбции находящиеся во влажном воздухе молекулы водяного пара, попадай в область действия молекулярных сил сухого материала, образуют на поверхности его пор тончайшую жидкостную пленку, прочно связанную со стенками пор и капилляров. Поэтому такая сорбционная влага перемещаться внутри материала не может.

Чем выше относительная влажность воздуха и чем ниже температура, тем больше сорбционное увлажнение материала.

При повышении влажности воздуха может наступить момент, когда сорбционные пленки влаги в порах материала настолько утолщаются, что заполняют более узкие участки тонких капилляров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью. Известно, что образование таких менисков приводит к понижению над ними величины максимальной упругости водяного пара E, в результате чего процесс конденсации влаги в этих местах ускоряется.

Процесс образования жидкой влаги в тонких капиллярах материала, находящегося в воздушной среде с высокой относительной влажностью, носит название капиллярной конденсации. Этот процесс может происходить в смачиваемых (гидрофильных) материалах, внутри которых имеется хотя бы некоторое количество мелких пор и тонких капилляров с диаметром 0,2 μ (2·10^—6 см) и менее. В более крупных капиллярах упругость насыщенного пара над мениском понижается очень мало и поэтому в них капиллярная конденсация не происходит.

В некоторых легкосмачиваемых материалах, имеющих очень тонкие капилляры, капиллярная конденсация может наступать при относительной влажности, существенно меньшей 100% (в плотном мелкопористом гипсе при 70—75%, в плотном шлакобетоне при 75—80%, в хорошо обожженном кирпиче при 80—85%).

Образовавшаяся в результате капиллярной конденсации влага может перемещаться по стенкам капилляров. На этой стадии увлажнения жидкая влага не заполняет всего сечения капилляров и в них кроме влаги находится воздух и водяной пар. Этот процесс движения влаги иногда называют капиллярной диффузией. На указанной стадии увлажнения материала внутри него может перемещаться не только жидкая влага, но и парообразная (при наличии градиента температуры).


Если влажность материала повысится настолько, что сечения капилляров на некоторых их участках заполнятся жидкой влагой полностью и газовая фаза в капиллярах окажется раздробленной, то наступает стадия. перемещения влаги, называемая фильтрацией.

В строительной теплотехнике рассматривают только стадию капиллярной диффузии, так как фильтрация влаги возникает при такой высокой влажности, которая не характерна для обычных ограждающих конструкций зданий.

Весовая и объемная влажность

Влажность материала характеризуют наличием в нем свободной (несвязанной химически) воды. Влажность выражают или в весовом отношении (весовая влажность), или в объемном отношении (объемная влажность).

Весовая влажность w_в, %, есть процентное отношение веса влаги, содержащейся в образце влажного материала, к весу того же образца, высушенного до постоянного веса:


где G_в — вес образца до высушивания; G_c — то же, после высушивания до постоянного веса.

Объемная влажность w_o есть процентное отношение объема влаги, содержащейся в образце материала, к объему образца:


где V_в — объем влаги, содержащейся в образце; V — объем образца.

Способ определения объема влаги, содержащейся в образце, аналогичен способу определения весовой влажности. Потеря веса образца в г численно выражает объем влаги в см³.

Объем образца определяют по объему вытесненной им воды после погружения его в воду. Перед погружением образца его покрывают тонким водонепроницаемым слоем (лаком или парафином).

В строительной практике обычно пользуются величиной весовой влажности, так как определять ее проще, чем объемную.

Если известен объемный вес материала γ и его весовая влажность w_в, то объемную влажность w_о определяют по формуле


где γ — объемный вес образца материала в сухом состоянии, кг/м³; 1000 — объемный вес воды, кг/м³.

В начальный период после окончания постройки здания влажность в ограждающих конструкциях, еще недостаточно высохших, бывает значительно выше допустимой эксплуатационной, которая устанавливается через 1—2 года, когда испарится излишняя строительная влага. Так, для кирпичных наружных стен из глиняного обожженного кирпича начальная (построечная) весовая влажность может примерно составлять около 10%, тогда как допустимая средняя эксплуатационная влажность при нормальных условиях эксплуатации здания не должна превышать 3% в начале холодного периода и 5% в конце этого периода.

Равновесная влажность. Изотермы сорбции

Влажностный режим ограждений в значительной степени зависит от того, насколько быстро протекает процесс сорбции н до какого предела этот процесс продолжается. Установлено, что процесс сорбции длится до тех пор, пока не наступит равновесное состояние между давлением пара в прилегающем к ограждению воздухе и в порах материала ограждения.

Водяные пары проникают в глубь объема материала весьма медленно, аналогично диффузии пара через пористую стенку, и поэтому для достижения равновесной влажности требуется длительное время.

Процесс поглощения сорбционной влаги строительными материалами выражают графически в виде так называемых изотерм сорбции, которые показывают зависимость количества поглощенной влаги W_в от относительной влажности воздуха φ при неизменной температуре.

На рис. 15 показаны изотермы сорбции для дерева при температурах +20° и —20°, которые показывают, что сорбционная влажность дерева (как и других материалов) увеличивается с понижением температуры и с повышением относительной влажности воздуха. Из рисунка видно также, что сорбционная весовая влажность дерева при 0° может повыситься до 31,3%.

Для материалов, хорошо смачиваемых, форма кривой изотермы сорбции имеет вид буквы S, выпуклость которой находится в области малой влажности воздуха, а вогнутый участок — при высокой влажности. Для крупнопористых материалов, не смачиваемых влагой (гидрофобных), изотерма сорбции имеет форму выпуклой кривой. Органические материалы обладают большей сорбционной способностью, чем неорганические.

Для получения изотермы сорбции образцы материала, предварительно высушенные, помещают в эксикаторы¹ с растворами серной кислоты различных концентраций, дающих различные относительные влажности воздуха в эксикаторах. Эксикаторы помещают в термостат.

Образцы материала время от времени взвешивают, пока пе будет получен постоянный вес, означающий достижение равновесия между водяным паром в эксикаторе и влагой в материале. Равновесное состояние в большинстве случаев достигается через несколько недель или даже месяцев, причем длительность процесса сорбции зависит от размеров образца и проницаемости (плотности) материала.

Паропроницаемость ограждений

Отсутствие конденсации водяных паров па внутренней поверхности не предотвращает увлажнения ограждения ввиду возможности конденсации паров в его толще. В зимнее время вследствие более высокой упругости водяного пара внутри помещения, чем снаружи, пар начинает проникать через ограждение наружу. Этот процесс называют диффузией пара через ограждение.

Законы диффузионного паропроницания часто считают аналогичными законам теплопередачи. Так, количество водяного пара Р в г, которое диффундирует в стационарных условиях через плоское однородное ограждение по аналогии с формулой (3) гл. 7, будет равно


где е_в, е_н — упругость водяного пара около внутренней и наружной поверхностей ограждения, мм рт. ст.; F — площадь ограждения, м²; Z — время, ч; μ — коэффициент паропроницаемости материала, г/м·ч·мм рт. ст., показывающий количество водяного пара в граммах, которое проникает в течение 1 ч через 1 м² плоской однородной стенки толщиной 1 м при разности упругостей пара с одной и другой стороны ее в 1 мм рт. ст.

Значения коэффициентов паропроницаемости μ приведены в таблицах СНиПа (см. приложение 1).

Величина коэффициента паропроницаемости зависит от влажностного состояния материала, принимаемого со изотерме сорбции. В таблицах приводятся величины μ₈₀, установленные при влажности материала W₈₀, соответствующей относительной влажности воздуха 80%. При меньшей влажности материала (W_φ) величина коэффициента паропроницаемости в г/м·ч·мм рт. ст. равна


При диффузии водяного пара через слой материала ограждения последний оказывает потоку пара сопротивление, которое называется сопротивлением паропроницанию и обозначается R_п. При установившемся потоке водяного пара R_п в мм·ч·м²/г определяется по формуле


где δ — толщина слоя, м.

Величину сопротивления паропроницанию R_п листовых материалов следует принимать по табл. приложения 5, СНиП II-A.7—71.

Общее сопротивление паропроницанию многослойного ограждения можно определить по формуле


где n — число слоев; R_о.п — общее сопротивление паропроницанию; R_в.п — сопротивление влагообмену у внутренней поверхности в мм·ч·м²/г, которое можно приближенно определить по формуле


где φ — относительная влажность воздуха внутри помещения, %.

Влажность материалов в ограждающих конструкциях зданий при нормальных условиях эксплуатации не должна превышать допустимых величии, приведенных в табл. 11.


В отапливаемых зданиях не требуется рассчитывать на диффузное увлажнение конструкции помещений с сухим режимом; однослойные наружные стены помещений с нормальным режимом; трехслойные наружные стены с внутренним и наружным слоями из бетона или железобетона или других малопроницаемых материалов; помещений с нормальным режимом, если отношение сопротивления паропроницанию внутреннего слоя к сопротивлению паропроницанию наружного слоя больше 1,2; помещений с влажным режимом, если отношение сопротивлений паропроницанию указанных слоев больше 1,5.

Требуемое сопротивление паропроницанию слоев наружных ограждающих конструкций, расположенных между помещением и плоскостью возможной конденсации (рис. 16), включая пароизоляционный слой, можно определить исходя из требования о недопустимости систематического накопления влаги в ограждениях за годовой период в процессе эксплуатации:


где е_в — упругость водяного пара внутреннего воздуха, мм рт. ст.; е_н — средняя за годовой период упругость (парциальное давление) водяного пара наружного воздуха, мм рт. ст., определяемая по СНиП II-A.6—72; Е — максимальная за годовой период водяного пара в плоскости возможной конденсации, мм рт. ст., определяемая по формуле


где Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ — продолжительности соответственно зимнего, весеннего, летнего и осеннего периодов в месяцах, определяемые по СНиП II-A.6—72 с учетом следующих указаний:

• а) в зимний период включают месяцы со средними температурами воздуха ниже —5°;
• б) в весенний и осенний периоды входит месяцы со средними температурами воздуха от —5° до +5°;
• в) к летнему периоду относит месяцы со средними температурами воздуха выше +5°; Е₁, Е₂, Е₃, Е₄ — максимальные упругости водяного пара в плоскости возможной конденсации, мм рт. ст., определяемые:

а) для стен — по сродним температурам зимнего, весеннего, летнего и осеннего периодов;

б) для горизонтальных ограждающих конструкций — по условным средним температурам (t_у.ср) зимнего, весеннего, летнего и осеннего периодов, которые вычисляют с учетом влияния солнечной радиации по формуле


где t_cp — средняя температура наружного воздуха соответствующего периода, определяемая по СНиП II-A.6—72; J — средняя солнечная радиация соответствующего периода, ккал/м²·ч, определяемая по СНиП II-A.6—72; α_в — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности в ккал/м²·ч·град, принимаемый по табл. 2; ρ — коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью покрытия: для рубероида и толя ρ=0,85; для рубероида бронированного со светлым гравием, для черепицы красной и асбестоцементных листов ρ=0,65; R_п.н — сумма сопротивлений паропроницанию слоев ограждений, расположенных между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации водяных паров (см. рис. 16).

Над помещениями с повышенной влажностью внутреннего воздуха (φ_в>75%) следует предусматривать вентилируемые конструкции покрытий или чердачные перекрытии. Такие части конструкции ниже воздушной прослойки, а также чердачные перекрытия должны иметь сопротивление паропроницанию в м²ч·мм рт. ст./г не менее величины, получаемой по формуле


где е_в — упругость водяного пара внутри помещений, мм рт. ст.; е_н — то же, наружного воздуха (средняя за три зимних месяца).

Для того чтобы рассчитать на диффузионное увлажнение трехслойную наружную стеновую панель из железобетона, изображенную на рис. 17 и предназначенную для жилого дома в Москве, необходимо вычислить сопротивление паропроницанию по формуле (49).

Если температура воздуха внутри помещении t_в=18°, относительная влажность внутреннего воздуха φ_в=60%, по СНиП II-A. 7—71 находим коэффициенты паропроницаемости: для железобетона μ=0,004 г/м·ч·мм рт. ст., для пенобетона с объемным весом γ=500 кг/м — μ=0,026;


Так как сопротивление паропроницанию внутреннего слоя трехслойной стеновой панели меньше, чем наружного слоя, такую панель необходимо рассчитать на диффузионное увлажнение.

Этот расчет следует вести в соответствии с указаниями «Пособия по теплотехническому расчету ограждающих конструкций зданий».

Примечания

1. Эксикатор представляет собой стеклянный сосуд с раствором серной кислоты, предназначенный для установления в образцах материалов, помещаемых в этот сосуд, степени их влажности.