Дан анализ методик расчета влажностного режима ограждающих конструкций. Обоснована актуальность проведения исследований эксплуатационной влажности автоклавного газобетона. Проведены экспериментальные исследования по сорбционному увлажнению и паропроницаемости основных марок газобетона. Приведены результаты испытаний и численных расчетов влажностного режима стен из газобетона марки D400 с фасадными теплоизоляционными композиционными системами с наружными штукатурными слоями для условий различных климатических зон строительства, а также значения эксплуатационной влажности материалов исследованных конструкций.
В процессе эксплуатации зданий влажностное состояние материалов ограждающих конструкций изменяется в зависимости от конструктивных особенностей, свойств материалов, температурно-влажностных условий в помещениях, климатических условий района строительства [1-6]. Влажностный режим определяет эксплуатационные свойства ограждающих конструкций здания. Он непосредственно влияет на теплозащитные свойства ограждающих конструкций [7-9] и энергоэффективность применяемых материалов [10].
Расчеты влажностного режима позволяют решать различные задачи строительной теплофизики. Стационарная методика оценки влажностного режима [11] позволяет проверить конструкцию по условиям недопустимости накопления влаги в ней за годовой период эксплуатации и ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха.
Расчеты по нестационарным методикам [12-14] позволяют давать не только качественные оценки влажностного состояния ограждающих конструкций, но и конкретные количественные результаты по влагосодержанию в слоях строительных материалов. Основным результатом расчетов влажностного режима ограждающих конструкций по нестационарным методикам является распределение влажности по толщине конструкции в любой момент времени после начала эксплуатации здания. Из этого результата можно получить ответы на частные задачи, в т.ч. определение значения эксплуатационной влажности строительных материалов.
Актуальность работы обусловливается тем, что автоклавный газобетон в настоящее время является самым распространенным материалом в наружных ограждающих конструкциях зданий [15], а последние крупные исследования по тематике влажностного режима проводились для ячеистых бетонов, имевших другие тепловлажностные характеристики. С тех времен был практически полностью заменен парк оборудования для производства, изменились технологии и составы, из-за повышения норм к теплозащите более широкое применение получили марки пониженной плотности D300 и D400.
Эксплуатационная влажность
Эксплуатационная влажность - это равновесное влагосодержание материала в ограждении относительно воздействующих на него влажностных факторов внутренних и наружных сред. Влагосодержание в материале конструкции становится равновесным после нескольких лет эксплуатации здания [14].
Срок выхода влажностного режима конструкции на квазистационарный зависит от начальной (технологической) влажности материала, состава конструкции и климатических условий региона строительства.
Результаты натурных и численных исследований показывают, что для конструкций с применением газобетона срок выхода на устоявшуюся эксплуатационную влажность составляет от 1 до 5 лет [5, 14, 16-19].
Основным способом определения эксплуатационной влажности являются натурные исследования, так как по их результатам можно установить распределение влажности для конкретной конструкции в конкретных условиях эксплуатации. Однако результаты натурных исследований даже для одного типа конструкций в одних и тех же эксплуатационных условиях могут иметь большой разброс [20].
Именно по статистическим данным большого количества натурных исследований, а также по экспертным оценкам были определены значения расчетной влажности в условиях эксплуатации А и Б из приложения С [11]. Эти значения переносятся из редакции в редакцию СНиП "Тепловая защита зданий" лишь с небольшими изменениями и дополнениями, и для некоторых типов материалов их следует признать устаревшими. Это относится, например, к газобетону, где влажности в условиях эксплуатации А и Б приняты равными 8 и 12 % соответственно (пп. 176-179 приложения С [11]).
В настоящее время повторить всеобъемлющие натурные исследования, которые бы легли в основу таблицы расчетных теплотехнических показателей СНиП, не представляется возможным, так как государственное финансирование научно-исследовательской деятельности в строительстве фактически не ведется, а также отсутствует постоянная взаимосвязь между предприятиями строительной отрасли и отраслевыми НИИ. Поэтому использование численных методов расчета влажного режима ограждающих конструкций сейчас является более перспективным [8, 12-14].
Нестационарные методы расчета влажностного режима известны с 1930-х гг., а в 1984г. в НИИ строительной физики было разработано "Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий" [21], которое по сей день является наиболее полным пособием по практике проведения нестационарных расчетов. В последние два года проведена актуализация данного метода и выпущен новый стандарт: ГОСТ 32494-2013 "Здания и сооружения. Метод математического моделирования температурно-влажностного режима ограждающих конструкций".
Экспериментальные исследования
Для актуализации данных по тепловлажностным характеристикам автоклавного газобетона был выполнен ряд экспериментальных исследований. Наиболее значимыми следует признать полученные результаты исследований паропроницаемости и сорбции водяного пара, так как впервые за последние годы по методикам ГОСТ и на специальном оборудовании были одновременно испытаны основные марки автоклавного газобетона современного производства.
Также впервые для образцов современного газобетона были апробированы методики и получены результаты исследований капиллярного всасывания и влагопроводности. Усредненные результаты экспериментальных исследований сорбции водяного пара образцами автоклавного газобетона основных марок приведены в табл. 1. Испытания проводились по методике ГОСТ 24816-812.
Табл. 1. Результаты исследований сорбции образцами газобетона
| Марка газобетона | Сорбционная влажность, %, по массе при температуре 20±2 °С и относительной влажности воздуха, % |
||||
| 40 | 60 | 80 | 90 | 97 | |
| D300 | 0,102 | 0,36 | 1,9 | 3,15 | 6,3 |
| D400 | 0,063 | 0,22 | 1,32 | 2,48 | 4,54 |
| D500 | 0,036 | 0,16 | 1,23 | 2,19 | 4,25 |
| D600 | 0,021 | 0,083 | 1,1 | 2,08 | 4,00 |
Полученные данные можно обобщить выводом, что чем меньше плотность газобетона, тем больше сорбция. Это объясняется большей пористостью ячеистого бетона при понижении плотности.
Усреднённые результаты определения сопротивления паропроницанию и расчетов коэффициента паропроницаемости основных марок газобетона приведены в табл. 2. Испытания проводились по методике ГОСТ 25898-20123. Толщина испытуемых образцов составляла 25 мм.
Табл. 2. Результаты исследований паропроницаемости газобетона
| Марка газобетона | Средняя плотность образцов ρ, кт/м3 |
Сопротивление паропроницанию Rп, м2⋅ч⋅Па/мг |
Паропроницаемость μ, мг/(м⋅ч⋅Па) |
| D300 | 330 | 0,198 | 0,126 |
| D400 | 410 | 0,215 | 0,120 |
| D500 | 504 | 0,240 | 0,105 |
| D600 | 634 | 0,268 | 0,095 |
Вывод по данным исследованиям заключается в том, что чем выше плотность газобетона, тем больше сопротивление паропроницанию и, соответственно, ниже коэффициент паропроницаемости.
Численные расчеты
С использованием полученных актуальных тепловлажностных характеристик газобетона были проведены пробные расчеты нестационарного влажностного режима многослойных ограждающих конструкций в климатических условиях различных городов строительства.
Исследованы стены из газобетона марки D400 с фасадной системой со скрепленной теплоизоляцией (СФТК) с использованием основных типов эффективных утеплителей:
- минеральной ваты;
- формованного пенополистирола (пенопласта);
- экструдированного пенополистирола (XPS)
с наружным тонким штукатурным слоем.
При расчетах принималось, что температура и влажность в помещении остаются постоянными в течение года - +20 °С и 55 % соответственно. Температура и относительная влажность воздуха снаружи конструкции изменяется. Данные для расчетов брались из СП 131.13330.2012 "Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99".
На рис. 2-4 приведены графики распределения влажности по толщине конструкций в различных городах строительства, полученные в результате расчетов по разработанной программе для ЭВМ, согласно [21], реализующей математическую модель температурно-влажностного режима ограждающих конструкций из ГОСТ 32494-2013.
Результаты приведены на третий год эксплуатации здания. Данный период выбран по тем соображения, что по проведенным расчетам за два года все рассмотренные варианты конструкций теряют начальную (технологическую) влажность и выходят на квазистационарный влажностный режим.
Для каждого варианта приведено два графика - это распределения влажности на начало месяцев, следующих за месяцами наибольшего и наименьшего влагонакопления в конструкции (соответственно на начало февраля и августа).
Рис. 2. Распределение влажности внутри конструкции с минеральной ватой: слева - начало февраля; справа - начало августа
Рис. 3. Распределение влажности внутри конструкции с пенополистиролом: слева - начало февраля; справа - начало августа
Рис. 4. Распределение влажности внутри конструкции с экструдированным пенополистиролом: слева - начало февраля; справа - начало августа
По результатам расчетов влажностного режима рассмотренных вариантов конструкций были вычислены значения эксплуатационной влажности материалов для климатических условий выбранных городов строительства.
В табл. 3 приведены значения эксплуатационной влажности газобетона марки D400 и эффективных утеплителей после месяца наибольшего влагонакопления. Значения для газобетона приведены для конструкции с экструдированным пенополистиролом.
Табл. 3. Эксплуатационная влажность (wэ, %) после месяца наибольшего влагонакопления
| Газобетон D400 | Минеральная вата | Пенопласт | XPS | |
| Москва | 3,18 | 0,79 | 2,59 | 0,32 |
| Санкт-Петербург | 3,13 | 0,87 | 2,62 | 0,35 |
| Екатеринбург | 3,47 | 0,80 | 3,58 | 0,24 |
| Новосибирск | 3,56 | 1,11 | 4,49 | 0,28 |
| Владивосток | 2,93 | 0,53 | 2,30 | 0,23 |
| Краснодар | 2,18 | 0,75 | 1,82 | 0,38 |
Заключение
Полученные экспериментальные данные позволяют проводить дальнейшие расчеты нестационарного влажностного режима ограждающих конструкций с использованием автоклавного газобетона. Результаты численных расчетов представляют, отдельный интерес и могут быть использованы для вычисления эффективной теплопроводности кладок из газобетонных блоков [22, 23], а также показателей энергоэффективности теплоизоляционных материалов [10].
Источник
Вестник МГСУ. 2015. № 2. С. 60-69 "Расчетное определение эксплуатационной влажности автоклавного газобетона в различных климатических зонах строительства".
Авторы
Пастушков П.П., Гринфельд Г.И., Павленко Н.В., Беспалов А.Е., Коркина Е.В.
Пастушков Павел Павлович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской Академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), 127238, г.Москва, Локомотивный пр., д. 21, 8 (495) 482-40-58, pavel-one@mail.ru;
Гринфельд Глеб Иосифович - исполнительный директор, Национальная
ассоциация производителей автоклавного газобетона (НААГ), 193091, г.СанктПетербург, Октябрьская наб., д. 40, литера А, greenfeld@mail.ru;
Павленко Наталья Викторовна - кандидат технических наук, доцент, ведущий инженер, Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (НИИ механики МГУ), 119192, г.Москва, Мичуринский пр-т, д. 1, 9103638838@mail.ru, 8 (495) 939-52-82;
Беспалов Алексей Евгеньевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механики грунтов и геотехники, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО "МГСУ"), 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-34-38 вн. 14-29, mgroif_bespalov@bk.ru;
Коркина Елена Владимировна - научный сотрудник, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской Академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), 127238, г.Москва, Локомотивный пр., д. 21, 8 (495) 482-40-58, elena.v.korkina@gmail.com.
Библиографический список
1. Пастушков П.П., Лушин К.И., Павленко Н.В. Отсутствие проблемы выпадения конденсата на внутренней поверхности стен со скрепленной теплоизоляцией // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 42-44.
2. Aksoezen M., Daniel M., Hassler U., Kohler N. Building age as an indicator for energy consumption // Energy and Buildings. January 2015. Vol. 87. Pp. 74-86.
3. Мамонтов А.А., Ярцев В.П., Струлев С.А. Анализ влажности различных утеплителей в ограждающих конструкциях здания при эксплуатации в отопительный период // Academia. Архитектура и строительство. 2013. № 4. С. 117-119.
4. Jelle B.P. Traditional, state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutions - Properties, requirements and possibilities // Energy and Buildings. 2011. Vol. 43. No. 10. Pp. 2549-2563.
5. Гринфельд Г.И., Куптараева П.Д. Кладка из автоклавного газобетона с наружным утеплением. Особенности влажностного режима в начальный период эксплуатации // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 8 (26). С. 41-50.
6. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Влажностное состояние и закономерности проявления конструкционных свойств строительных материалов при эксплуатации // Academia. Архитектура и строительство. 2007. № 4. С. 70-77.
7. Al-Homoud M.S. Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials // Building and Environment. 2005. Vol. 40. No. 3. Pp. 353-366.
8. Пастушков П.П. Численное и экспериментальное исследование охлаждения ограждающей конструкции после выключения отопления // Вестник МГСУ. 2011. № 7. С. 312-318.
9. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О требованиях к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированной редакции СНиП "Тепловая защита зданий" // Вестник МГСУ. 2011. № 7. С. 59-66. 66 ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2015. № 2 2/2015
10. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Количественная оценка энергоэффективности энергосберегающих мероприятий // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 7-9. 11. СП 50.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий". М.: Минрегион России, 2012. 100 c.
12. Перехоженцев А.Г., Груздо И.Ю. Исследование диффузии влаги в пористых строительных материалах // Вестник Волгоградского государственного архитектурностроительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. Вып. 35 (54). С. 116-120.
13. Корниенко С.В. Температурно-влажностный режим и теплозащитные свойства ограждающих конструкций с краевыми зонами // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. Вып. 35 (54). С. 62-69.
14. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическая модель и инженерный метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2006. № 2. С. 60-63.
15. Левченко В.Н., Гринфельд Г.И. Производство автоклавного газобетона в России: перспективы развития подотрасли // Строительные материалы. 2011. № 9. С. 44-47.
16. Гринфельд Г.И., Морозов С.А., Согомонян И.А., Зырянов П.С. Влажностное состояние современных конструкций из автоклавного газобетона в условиях эксплуатации // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2 (20). С. 33-38.
17. Семченков А.С., Ухова Т.А., Сахаров Г.П. О корректировке равновесной влажности и теплопроводности ячеистого бетона // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 3-7.
18. Schoch T., Kreft O. The influence of moisture on the thermal conductivity of AAC // 5th International conference on Autoclaved Aerated Concrete "Securing a sustainable future": Bydgoszcz, Poland, September, 14-17, 2011. Pp. 361-370.
19. Бабков В.В., Кузнецов Д.В., Гайсин А.М., Резвов О.А., Самофеев Н.С., Морозова Е.В. Проблемы эксплуатационной надежности наружных стен зданий на основе автоклавных газобетонных блоков и возможности их защиты от увлажнения // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 8 (18). С. 28-31.
20. Васильев Б.Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий. М.: Госстройиздат, 1957. 214 с.
21. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. М.: Стройиздат, 1984. 168 с.
22. Славчева Г.С., Чернышов Е.М., Коротких Д.Н., Кухтин Ю.А. Сравнительные эксплуатационные теплозащитные характеристики одно- и двухслойных стеновых газосиликатных конструкций // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 13-15.
23. Бедов А.И., Бабков В.В., Габитов А.И., Гайсин А.М., Резвов О.А., Кузнецов Д.В., Гафурова Э.А., Синицин Д.А. Конструктивные решения и особенности расчета теплозащиты наружных стен зданий на основе автоклавных газобетонных блоков.