close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Паропроницаемость и влажность многослойных конструкций наружных стен при эксплуатационных воздействиях

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПЕТРОВ АРТЕМ СЕРГЕЕВИЧ
ПАРОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ВЛАЖНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ НАРУЖНЫХ СТЕН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2016
Работа
выполнена
в
Федеральном
государственном
образовательном
учреждении
высшего
образования
государственный архитектурно-строительный университет».
бюджетном
«Казанский
Научный руководитель:
– Куприянов Валерий Николаевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
– Перехоженцев Анатолий Георгиевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ
ВО
«Волгоградский
государственный
технический
университет»,
институт
архитектуры и строительства, профессор
кафедры «Архитектура зданий и сооружений»
– Пастушков Павел Павлович
кандидат технических наук, ФГБУ «Научноисследовательский институт строительной
физики Российской академии архитектуры и
строительных наук» (НИИСФ РААСН),
старший научный сотрудник лаборатории
«Строительная теплофизика»
Ведущая организация:
– ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский
Московский
государственный
строительный университет»
Защита состоится «13» февраля 2017 года в 13:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.077.01 на базе ФГБОУ ВО «Казанский
государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 200 3,
г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный
университет» и на сайте http://diss.kgasu.ru.
Автореферат разослан «_» ______ 2017 года
Учёный секретарь
диссертационного совета
Рахимова Наиля Равилевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Долговечность и эффективность теплозащиты
ограждающих конструкций во многом зависят от их влажностного состояния.
Защита от переувлажнения конструкции обеспечивается согласно
действующему СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»: своевременным
удалением влаги из конструкции, предотвращением накопления влаги в
конструкции за годовой период эксплуатации. Одной из определяющих
характеристик для обеспечения требуемого влажностного состояния
ограждающих конструкций является коэффициент паропроницаемости
используемых материалов. Существующие инженерные методы определения
влажностного состояния конструкции используют постоянное значение
коэффициента паропроницаемости и не учитывают его изменение от режима
эксплуатации.
Однако
известно,
что
значения
коэффициента
паропроницаемости материалов в значительной степени зависят от их
влажности. Многочисленные исследования наружных стен указывают на
широкий диапазон эксплуатационной влажности используемых материалов.
Однако, эксплуатационная влажность материалов согласно СП 50.13330.2012
сведены к двум значениям А и Б. Таким образом, в настоящее время на этапе
проектирования ограждений с различными конструктивными решениями
отсутствуют методы оценки действительной эксплуатационной влажности
используемых материалов.
Отсутствие методов и недостаточная экспериментальная база
исследования характеристик паропроницаемости материалов при различных
условиях эксплуатации не позволяет теоретически обосновать зависимость
паропроницаемости материала от его влажности и учитывать ее на этапе
проектирования ограждающих конструкций. Следовательно, существующие
инженерные методы определения влажностного состояния конструкций
недостаточно точно отражают закономерности массопереноса в реальных
эксплуатационных условиях. В связи с этим актуальной задачей является
исследование закономерностей изменения паропроницаемости материалов в
эксплуатационных условиях и разработка на этой основе расчетных методов
для определения влажностного состояния ограждающих конструкций.
Степень разработанности темы диссертации. Исследованием и
разработкой методов определения влажностного состояния ограждающих
конструкций занимались: В.Н. Богословский, В.Г. Гагарин, В.М. Ильинский,
H. Klopfer, K. Kieβl, H.M. Künzel, В.В. Козлов, В.А. Лыков, В.Д. Мачинский,
А.Г. Перехоженцев, С.В. Федосов, К.Ф. Фокин, А.У. Франчук, А.С. Эпштейн и
др. Исследования влажностных характеристик материалов проводились такими
учеными как: Б.В. Дерягин, В. Вайцекаускас, Ц.Г. Иогансон, Э.Э. Монствилас,
В. Плонский, Н.В. Чураев, Х.Г. Эденхольм, А.С. Эпштейн и др. В настоящее
время степень разработанности проблемы по оценке влажностного состояния
ограждающих конструкций оказалась недостаточной из-за отсутствия базы
данных по испытанию паропроницаемости многослойных конструкций
наружных стен при различных эксплуатационных воздействиях, большого
4
разнообразия современных материалов и их комбинаций в ограждающих
конструкциях.
Цель и задачи. Целью диссертационной работы является установление
закономерностей изменения паропроницаемости материалов от их влажности и
разработка на этой основе метода оценки влажностного состояния
многослойных ограждающих конструкций.
Задачи диссертационной работы:
1. Установить диапазон значений эксплуатационной влажности материальных
слоев для различных конструктивных решений наружных стен.
2. Разработать метод и установку для экспериментальных исследований
паропроницаемости материалов при различной относительной влажности
воздуха в изотермических и неизотермических условиях.
3. Экспериментально
установить
закономерности
изменения
паропроницаемости основных видов материалов при различных
эксплуатационных условиях.
4. Разработать метод определения коэффициента паропроницаемости
материалов в наружных стенах с учетом эксплуатационной влажности их
материальных слоев.
5. Разработать метод оценки влажностного состояния наружных стен с учетом
изменяющегося значения коэффициента паропроницаемости материалов.
Научная новизна работы:
1. Для испытанных в работе материалов (кирпич керамический и силикатный,
минеральная вата и пенополистирол) установлено, что при увеличении
относительной влажности воздуха в порах материалов от 20 до 80 %
коэффициент паропроницаемости возрастает в 1,5–2,5 раза; получены
эмпирические уравнения этой зависимости.
2. Разработан метод определения коэффициента паропроницаемости
материалов в составе многослойных наружных стен, основанный на
математическом методе простых итераций и заключающийся в
последовательном пересчете коэффициентов паропроницаемости материалов
по значениям относительной влажности воздуха в соответствующих
материальных слоях наружных стен до установления сходимости с заданной
погрешностью.
3. Установлено существенное различие в оценке влажности наружных стен при
использовании в расчетах постоянных и переменных значений
коэффициентов паропроницаемости материалов, состоящее в том, что
расчеты
при
постоянном
(табличном)
значении
коэффициента
паропроницаемости приводят к завышению значений температуры начала
конденсации на 2–10 °С, продолжительности влагонакопления на 2–60 суток
и количества конденсата за период влагонакопления – до десяти раз.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработана лабораторная установка и метод, которые позволяют
моделировать эксплуатационные условия при оценке паропроницаемости
материалов: различные значения относительной влажности воздуха в
5
образцах материалов, градиент температур на разных поверхностях образца,
ветровой поток вдоль поверхности испарения образца, возможность
испытывать многослойные образцы с различным взаимным расположением
материальных слоев.
2. Разработан метод оценки влажностного состояния наружных стен с учетом
изменяющихся в течение года коэффициентов паропроницаемости
материальных слоев, который позволяет определять параметры влажности
наружных стен на стадии их проектирования.
3. Разработаны методические указания для самостоятельной работы магистров
«Исследования закономерностей изменения влажностных параметров
многослойных наружных стен при эксплуатационных воздействиях».
Методология и методы диссертационного исследования.
Определение паропроницаемости и сорбционной влажности материалов
проводилось с использованием лабораторных весов САРТОГОСМ СЕ 6202-С с
классом точности II по ГОСТ 53228-2008. Измерение температуры и
относительной влажности воздуха в слоях ограждающей конструкции
проводилось
поверенными
датчиками
измерительных
комплексов
ИТП МГ 4.03-10
«Поток»
и
«Терем-3.2».
Расчет
коэффициента
паропроницаемости материалов проводился по методике согласно ГОСТ 258982012. Расчет сорбционной влажности материалов проводился по методике в
соответствии с ГОСТ 24816-2014. Автоматизированная обработка полученных
результатов осуществлена в программном пакете Microsoft office Excel. В
качестве теоретической базы для исследования использованы фундаментальные
законы неравновесной термодинамики (закон энтропии, линейные законы
Фурье и Фика) и результаты известных научных исследований по расчету
влажностного состояния ограждающих конструкций.
Положения, выносимые на защиту:
1. Расчетно-экспериментальный
метод
определения
коэффициента
паропроницаемости материалов в составе многослойных наружных стен в
эксплуатационных условиях.
2. Метод оценки влажностного состояния конструкций по приросту
сорбционной и конденсированной влаги за период влагонакопления с учетом
переменного значения коэффициентов паропроницаемости их материальных
слоев.
3. Методика
и
установка
для
экспериментальных
исследований
паропроницаемости материалов в изотермических и неизотермических
условиях.
4. Результаты
экспериментальных
исследований
паропроницаемости
материалов при различной относительной влажности воздуха в порах
материала.
Степень
достоверности
результатов
оценена
с
помощью
математических методов обработки экспериментов и обеспечивается
удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментальных
данных, использования пакетов прикладных программ и сертифицированного
6
оборудования. Экспериментальные результаты исследования воспроизводимы
при многократных измерениях.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на научных конференциях:
«Актуальные вопросы строительной физики – энергосбережение и
экологическая безопасность», научная конференция – Академические чтения,
посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, Москва, НИИСФ РААСН 2012,
2013, 2016 г.; «Всероссийская научная конференция по проблемам архитектуры
и строительства» – Казань, КазГАСУ 2012–2016 г.; работа отмечена Дипломом
стипендиата Мэра г. Казани в рамках научно-практической конференции
студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем
города»
г.
Казани,
2012
г.;
XVI Международный
симпозиум
«Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», г. Казань 2016 г.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной
специальности ВАК 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и
сооружения, а именно п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета
и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и
усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих
специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику
конструктивных решений и другие особенности».
Объект исследования – многослойные конструкции наружных стен.
Предмет исследования – паропроницаемость и влажностное состояние
наружных стен при эксплуатационных воздействиях.
Гипотеза – известно, что паропроницаемость материалов зависит от их
влажности, соответственно, изменение влажности материалов по сечению
наружных стен также изменит и их паропроницаемость, что отразится в свою
очередь на процессах влагонакопления.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы
при выполнении работы по теме 7.3.16 по плану фундаментальных НИР
«Волжского регионального отделения РААСН» на 2013–201 годы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из которых 5
статей – в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 – в журнале, индексируемом
базой данных SCOPUS. Получен патент на полезную модель «Устройство для
измерения паропроницаемости строительных материалов» № 128718 по заявке
№ 2012155972/28 (088561).
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 150
страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из
131 наименования, 58 рисунков, 2 таблиц, 7 формул.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приводится обоснование актуальности исследования,
определены цель и задачи работы, научная новизна, теоретическая и
практическая значимость.
7
Первая глава содержит обзор и анализ научных работ, посвященных
оценке эксплуатационной влажности ограждающих конструкций и
исследованиям процессов их паропроницаемости.
Согласно исследованиям Б. В. Дерягина, Н. В. Чураева, А. В. Лыкова и
ряда других ученых, паропроницаемость является сложным процессом из-за
возникновения различных механизмов переноса влаги при увеличении
сорбционной влажности материала. В сорбционной зоне увлажнения материала
параллельно с диффузией пара могут протекать процессы пленочного движения
влаги, капиллярного течения, термоградиентного переноса и другие. Поэтому в
действительности экспериментальный коэффициент паропроницаемости µ
материалов
является
совокупностью
или
суммой механизмов
влагопереноса в сорбционной зоне увлажнения. В. Вайцекаускас,
Ц.Г. Иогансон,
Э.Э. Монствилас,
А.Г.
Перехоженцев,
В. Плонский,
А.М. Хелемский, Х.Г. Эденхольм, А.С. Эпштейн и другие показали, что
значения паропроницаемости материалов значительно зависят от конкретных
температурно-влажностных условий. Однако результаты этих исследований
носят противоречивый характер. Так, например, по данным В. Вайцекаускаса и
Э.Э. Монствиласа паропроницаемость ячеистых бетонов может как убывать,
так и возрастать по мере увеличения относительной влажности воздуха, в то
время как по данным Galbraith G.H, McLean R.C., Chi Feng и других можно
видеть только увеличение паропроницаемости с ростом влажности. Отличия
наблюдаются и в самих значениях коэффициентов паропроницаемости.
Сравнительный
анализ
существующих
методов
определения
паропроницаемости материалов позволил выявить отсутствие комплексного
учета ряда эксплуатационных воздействий:
– изменение влажности материала;
– взаимное расположение слоев материалов относительно друг друга;
– наличие градиента температур по сечению образца;
– влияние ветровых воздействий на фасады зданий.
Таким образом, возникает необходимость в создании экспериментальных и
расчетных
методов
определения
паропроницаемости
ограждающих
конструкций с учетом их конструктивных особенностей и эксплуатационных
воздействий.
Исследования влияния конструктивных особенностей наружных стен и
параметров климата на процессы переноса водяного пара позволили
В.Н. Куприянову
и
И.Ш.
Сафину
усовершенствовать
известный
графоаналитический метод К.Ф. Фокина, в результате чего появилась
возможность определять температуру начала конденсации (tнк) в наружной
стене любой конструкции, а также количество конденсата (g), образующегося в
наружных стенах за период влагонакопления (T).
Расчетные и экспериментальные методы определения влажностного
состояния конструкций разработаны В.Н. Богословским, В.Г. Гагариным, В.В.
Козловым, В.И. Лукьяновым, В.А. Лыковым, В.Д. Мачинским, А.Г.
Перехоженцевым, К.Ф. Фокиным, А.У. Франчуком, А.С. Эпштейном и
8
другими. Однако, анализ этих методов позволил установить, что: коэффициент
паропроницаемости в этих методах принимается постоянным, расчеты не
учитывают его зависимость от изменения температурно-влажностных условий
эксплуатации.
Выполненный обзор и анализ существующих исследований позволил
сформулировать цель и задачи работы.
Вторая глава посвящена исследованию температурно-влажностного
режима эксплуатации различных конструктивных типов наружных стен.
Экспериментальное исследование проводилось как на натурном стенде,
так и в лабораторных условиях с использованием климатической камеры с
«теплым» и «холодным» отсеками.
Натурный стенд представляет собой простенок существующего
эксплуатируемого здания.
эксперимент
расчет
а
б
в
Рисунок 1 – Экспериментальные и расчетные значения относительной влажности воздуха
по сечениям конструкций натурного стенда с ноября по август в г. Казани. а, б и в –
конструкция с теплоизоляционным слоем из мин. ваты, ячеистого бетона и
пенополистирола, соответственно
Внутренний конструкционный слой толщиной 6 0 мм выполнен из
силикатного кирпича, наружный слой выполнен по типу «мокрый фасад» с
использованием трех видов утеплителя: пенополистирола плотностью 8,6 кг/м3,
минеральной ваты плотностью 95,8 кг/м3, ячеистого бетона плотностью 22
9
кг/м3 и наружного штукатурного слоя Ceresit CT190. В различных сечениях
данных конструкций через отверстия, высверленные с торцов образцов
материалов, закладывались датчики ДТГ-2.0 и автоматически каждые 15 минут
фиксировались показания температуры и относительной влажности воздуха в
порах материала с помощью измерительного комплекса Терем-3.2. Расчетные
распределения относительной влажности воздуха по сечениям ограждений
получены по известной формуле φ = (e / E) · 100 %, в которой действительное
парциальное давление водяного пара (е, Па) определялась через сопротивление
паропроницанию слоев наружной стены (Rп, м2·ч·Па/мг), а давление
насыщения (Е, Па) – по расчетным значениям температур в тех же сечениях.
Среднемесячные значения относительной влажности воздуха по сечению
конструкций представлены на рисунке 1.
Можно видеть, что в условиях эксплуатации фактические значения
относительной влажности воздуха в течение года находятся в диапазоне от 20
до 85 %.
В климатической камере с «теплым» и «холодным» отсеками
проводилось экспериментальное определение температуры и относительной
влажности воздуха в наиболее распространенных типах конструкций наружных
стен. Для измерения показателей температуры, относительной влажности и
тепловых потоков в сечениях испытываемых фрагментов были установлены
датчики измерительных комплексов ИТП МГ .03-10 «Поток» и «Терем-3.2»;
для установки датчиков комплекса (ДТГ-2.0) внутри фрагмента предварительно
высверливались отверстия по диаметру датчиков (8 мм) на различную глубину.
Отверстия высверливались с торцов фрагментов для исключения их влияния на
процессы массопереноса. Обработка получаемых данных производилась на
компьютере с последующим выводом итоговых таблиц и графиков. В течение
месяца в климатической камере поддерживались значения температур и
относительной влажности воздуха, характерные для условий января в г. Казани.
Средние значения температуры и относительной влажности воздуха в «теплом»
и «холодном» отсеках климатической камеры: φх = 79 %, φт = 41 %, tх = −13 °С,
tт = 17 °С.
На рисунке 2 приведены экспериментальные и расчетные графики
распределения относительной влажности воздуха в исследуемых конструкциях.
Можно видеть, что в конструкциях а и г, представляющих собой
фрагмент
вентилируемого
фасада
и
двухслойную
конструкцию,
соответственно, экспериментальные и расчетные значения относительной
влажности воздуха имеют хорошую сходимость. В конструкции г значение
температуры внутренней поверхности во время эксперимента оказалась ниже
расчетной, что привело к более высоким экспериментальным значениям
относительной влажности воздуха. В конструкциях б и в расчетные значения
относительной влажности воздуха в порах материалов оказались значительно
выше экспериментальных. Согласно расчету, в данных конструкциях должна
возникать конденсация влаги перед облицовочным слоем из керамического
кирпича, однако в эксперименте этого не наблюдалось. Различие в значениях
10
можно объяснить различной длительностью установления стационарного
влажностного режима конструкций наружных стен. Следовательно, при оценке
влажностного состояния наружных стен необходимо учитывать тип
конструкции и изменчивость параметров климата в течение года.
а
б
в
г
Рисунок 2 – Распределение относительной влажности воздуха в различных типах
конструкций, в климатической камере.
Анализ значений температурно-влажностного состояния ограждающих
конструкций, полученных в ходе натурных и лабораторных испытаний,
позволил установить, что влажность используемых в них материалов не
соответствует режимам эксплуатации А и Б согласно СП 50.13330.2012.
Установлено, что для климатической зоны IIВ средняя относительная
влажность воздуха материальных слоев исследованных конструкций лежит в
диапазоне от 30 до 100 %. В силу этого в эксплуатационных условиях
материальные слои ограждающих конструкций имеют различную
влажность.
Проведенное исследование показывает, что каждое конструктивное
решение наружных стен имеет собственный влажностный режим эксплуатации.
Третья глава посвящена разработке лабораторной установки и метода
исследования
паропроницаемости
материалов
при
различных
эксплуатационных условиях. В основу измерений заложен гравиметрический
метод, который позволяет в непрерывном режиме фиксировать потерю массы
11
влаги, прошедшей через исследуемый материал из специальной ёмкости
(рисунок 3).
Лабораторная установка позволяет исследовать паропроницаемость
материалов при различных эксплуатационных условиях:
– при различных относительных влажностях воздуха в образце;
– при наличии градиента температуры по сечению образца;
– при воздействии ветровых потоков на поверхность образца;
– испытание многослойных образцов с различным расположением
материалов относительно друг друга.
Рисунок 3 – Схема установки для измерения характеристик паропроницаемости
строительных материалов. 1 – электронные весы, 2 – термостат, 3 – теплоноситель, –
чашка, 5 – испаряемая жидкость, 6 – обойма, 7 – образец, 8 – герметик, 9 – нагреватель,
10 – раструб для воздушного потока, 11 – вентилятор, 12 – холодильная камера
Исследование паропроницаемости материалов при различных
значениях относительной влажности воздуха в образце проводилось
согласно ГОСТ 25898-2012 с той разницей, что образцы помещались между
средами с различной относительной влажностью воздуха (20, 35, 50 и 80 % при
температуре 20°С) до достижения стационарного состояния. Результаты
измерений занесены в таблицу 1. Можно видеть, что паропроницаемость
материалов увеличивается с повышением относительной влажности воздуха в
образце. Наиболее существенное изменение установлено в керамическом
кирпиче (в 2, раза), силикатном кирпиче (в 1,92 раза) и минеральной вате (в
1,9 раза).
С целью установления зависимости паропроницаемости материалов от
сорбционной влажности были экспериментально определены их изотермы
сорбции согласно ГОСТ 2 816-2014 «Материалы строительные. Метод
определения равновесной сорбционной влажности». По полученным данным
были построены графики зависимости коэффициентов паропроницаемости
материалов от их сорбционной влажности (рисунок ).
12
Таблица 1 – Значения коэффициента паропроницаемости μ мг/м·ч·Па при средней
относительной влажности воздуха φср % в образце
Ср. отн. влажность
воздуха в образце
φср %
20 %
35 %
50 %
80 %
ячеистый бетон (ρ=500 кг/м3)
0,137
0,170
0,186
0,199
керамический кирпич
0,014
0,016
0,022
0,036
силикатный кирпич
0,016
0,020
0,019
0,031
мин вата (ρ=90 кг/м3)
0,264
0,339
0,414
0,514
0,044
0,051
0,067
0,069
Материал
3
ППС (ρ=10 кг/м )
а
б
в
г
Рисунок
– Зависимость коэффициента паропроницаемости μ, мг/м·ч·Па материала от его
сорбционной влажности W,%
Можно видеть, что паропроницаемость ячеистого бетона и минеральной
ваты линейно зависит от их сорбционной влажности, в то время как в образцах
из силикатного и керамического кирпича эти зависимости не линейны (позиции
б и в, рисунок ). Также можно видеть, что существенные изменения
паропроницаемости этих материалов происходят на «коротких» участках
изотерм сорбции (0,045-0,08 и 0,55-0,6 % для керамического и силикатного
кирпича, соответственно), что может существенно повысить погрешность при
практическом применении данной закономерности.
Представление полученных результатов в виде зависимости µ от
относительной влажности воздуха в образцах φ показало, что для всех
испытанных материалов зависимость паропроницаемости от относительной
влажности воздуха оказалась линейной (позиции а, б, рисунок 5).
13
а
б
Рисунок 5 – Зависимость коэффициента паропроницаемости μ, мг/м·ч·Па материала от
средней относительной влажности воздуха в образце φ %
Данный факт позволил обосновать использование этой зависимости при
разработке метода определения паропроницаемости многослойных наружных
стен в эксплуатационных условиях. Эмперические уравнения этой зависимости
для исследованных материалов представлены в таблице 2.
Таблица – 2 Экспериментально полученные зависимости коэффициента паропроницаемости от относительной влажности воздуха в порах материала
Материал
Плотность, ρ, кг/м3
Уравнение
Ячеистый бетон
500
µ = 0,00098 · φ + 0,12806, мг/(м·ч·Па)
Силикатный кирпич
1500
µ = 0,00025 · φ + 0,01057, мг/(м·ч·Па)
Керамический кирпич
1400
µ = 0,00038 · φ + 0,0050 , мг/(м·ч·Па)
Минеральная вата
90
µ = 0,00 15 · φ + 0,191 9, мг/(м·ч·Па)
Пенополистирол
8,6
µ = 0,000 3 · φ + 0,03825, мг/(м·ч·Па)
Испытание паропроницаемости материалов при наличии градиента
температуры по сечению образца проводилось путем размещения устройства
с испытуемым образцом в морозильной камере для формирования пониженной
температуры над образцом. По сечению образца во время испытания
поддерживался перепад температуры равный 15˚С (20˚С под образцом и 5˚С
над образцом). Относительная влажность над образцом регулировалась за счет
адсорбента CaCl2, рекомендованного ГОСТ 25898-2012. Температура и
влажность под и над образцом фиксировались в непрерывном режиме
датчиками ИВА-6. Для снятия показаний установка взвешивалась один раз в 7
суток до установления стационарной потери массы.
Результаты исследований позволили установить, что зависимость
паропроницаемости теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и
пенополистирола) от градиента температур (в 15 С) менее значима (8–13 %), по
сравнению с влиянием влажности материалов (100 % и более). Этот факт
позволил обосновать допущение об отсутствии необходимости учета
температуры (5–20 С) при определении характеристик паропроницаемости
теплоизоляционных материалов.
Исследования паропроницаемости материалов при воздействии
ветровых потоков проводились при скоростях воздушных потоков у
поверхности образа 0,2 м/с, 0,7 м/с, 1,5 м/с и без движения воздуха. Результаты
14
испытаний материалов из пенополистирола и ячеистого бетона позволили
выявить некоторое увеличение значений их паропроницаемости с увеличением
скорости воздушных потоков, таблица 3.
Таблица 3 – Характеристики паропроницаемости материалов при скорости воздушных
потоков вдоль поверхности образца
Характеристики
паропроницаемости
µ, мг/(м·час·Па)
ячеистого бетона
µ, мг/(м·час·Па)
ППС
Скорость воздушных потоков м/с
без движения
воздуха
0,2
0,7
1,5
0,243
0,362
0,358
0,414
0,0523
0,053
0,061
0,094
Увеличение значений паропроницаемости при ветровых воздействиях
объясняется увеличением влагоотдачи с поверхности образца и требует
дополнительного изучения, выходящего за рамки настоящего исследования.
Испытания паропроницаемости многослойных образцов стеновых
конструкций с различным расположением материалов проводились по
температурно-влажностным условиям ГОСТ 25898-2012 (рисунок 6).
Рисунок 6 – Схемы установок «а» и «б» для определения паропроницаемости. Стрелкой
указано направление движения пара
1 – пенополистирол, 2 – ячеистый бетон, 3 – обойма, – чашка с водой
Обе конструкции выполнены из одинаковых образцов ячеистого бетона и
пенополистирола с тем отличием, что в конструкции а ячеистый бетон
расположен над пенополистиролом относительно движения пара, в
конструкции б – под ним. Испытания проводились в течение нескольких
месяцев до установления стационарной потери массы установок. В ходе
эксперимента были получены значения сопротивлений паропроницаемости Rпо
и коэффициенты паропроницаемости испытанных конструкций µ. Также был
выполнен расчет данных значений по табличным значениям коэффициентов
паропроницаемости согласно СП 50.13330.2012 по формуле ∑Rпо = δ1/µ1 + δi/µi,
где δ – толщина образца, µ – коэффициент паропроницаемости материала.
Результаты испытаний отражены в таблице
. Можно видеть, что
экспериментальные значения паропроницаемости испытанных конструкций
различаются в связи с тем, что образцы материалов в данных конструкциях
находятся в различных влажностных условиях. Так, в конструкции а ячеистый
бетон находится в более сухих условиях (φ = 8,6 %) в конструкции б – в более
влажных (φ = 86 %).
15
Таблица – Характеристики паропроницаемости испытанных конструкций
Тип конструкции
Хар-ки
паропроницаемости
Расчет по СП 50.13330.2012
Rпо = ∑Ri = δ1/µ1 + δi/µi
Эксперимент
Конструкция а
ППС + яч. бетон
Конструкция б
яч. бетон + ППС
Конструкция а
ППС + яч. бетон
Конструкция б
яч. бетон + ППС
Rпо, (м2·ч·Па)/мг
1,14
0,853
1,27
1,27
µ, мг/(м·ч·Па)
0,057
0,075
0,05
0,05
Расчетные значения по табличным значениям коэффициентов
паропроницаемости одинаковы для обеих конструкций а и б, так как
существующий метод СП расчета Rпо не учитывает взаимного расположения
материальных слоев конструкции, а
определяется простой суммой Rпi
слоев.
Таким образом, выявлено, что
значения характеристик паропроницаемости
многослойных
конструкций зависят от взаимного расположения материальных
слоев относительно друг друга.
Результаты исследования легли в основу разработки метода
определения значений паропроницаемости используемых материалов
в ограждающей конструкции при
эксплуатационных условиях.
В четвертой главе на основе
выявленной закономерности паропроницаемости от относительной
влажности воздуха создан метод
определения
паропроницаемости
материалов
в
конструкциях
наружных
стен
при
эксплуатационных воздействиях. С целью использования климатических
Рисунок 7 – Алгоритм метода расчета
данных, которые широко представпаропроницаемости материальных слоев
лены в справочной литературе, эксконструкции
плуатационные воздействия численно приведены к среднемесячным параметрам относительной влажности и
температуры воздуха места строительства φн, tн, и параметров микроклимата
помещений φв, tв. Входными параметрами для расчета являются климатические
параметры наружного и внутреннего воздуха, теплофизические характеристики
используемых материалов и толщины материальных слоев наружных стен
(рисунок 7, поз. 1).
16
Метод основывается на математическом методе простых итераций и
заключается в последовательном пересчете значений паропроницаемости по
значениям относительной влажности воздуха в сечении ограждающей
конструкции до установления сходимости с заданной погрешностью. Данный
метод можно разбить на три этапа:
– расчет относительной влажности воздуха в слоях конструкции по
табличным значениям паропроницаемости (рисунок 7, поз. 1–7);
– определение паропроницаемости материалов и относительной влажности
воздуха с использованием экспериментально выявленной закономерности
µ(φ) (поз. 8-10);
– перерасчет относительной влажности и паропроницаемости до получения
сходимости результатов с заданной погрешностью  (поз. 11).
При этом исходим из допущения, что паропроницаемость не зависит от
температуры, что было обосновано в третьей главе настоящей работы.
По разработанному методу на примере климата города Казани был
выполнен расчет ежемесячных значений сопротивления паропроницанию
основных типов конструкций: однослойных, двухслойных с наружным
теплоизоляционным слоем, двухслойных с внутренним теплоизоляционным
слоем, трехслойных с теплоизоляционным слоем по середине.
Результаты значений сопротивления паропроницанию некоторых
конструкций отражены в таблице 5.
Таблица 5 – Значения сопротивления паропроницанию Rпо (м2·ч·Па/мг) конструкций
наружных стен с наибольшими изменениями Rпо
Тип конструкции
стен
Месяцы
ноябрь
13,91
4,04
5,15
8,49
9,80
декабрь
12,72
3,92
4,95
8,29
9,48
январь
11,61
3,88
4,87
8,24
9,42
февраль
11,97
3,90
4,90
8,30
9,48
март
14,43
4,15
5,28
8,73
10,08
апрель
16,18
4,58
5,89
9,80
11,62
май
19,32
5,77
7,24
15,29
16,98
июнь
17,64
5,34
6,73
14,13
15,65
июль
18,19
5,57
6,98
15,09
16,58
август
17,66
5,52
6,90
15,23
16,59
66,4 %
48,7 %
48,6 %
85,4 %
80,25 %
Процент
изменения Rпо
Можно видеть, что сопротивление паропроницанию конструкций Rпо
изменяется в течение года. Максимальное значение Rпо данных конструкций
достигается в мае, а минимальное – в январе. Отношение максимального и
17
минимального значения Rпо позволяет определить процент изменения Rпо
конструкции за годовой период эксплуатации (предпоследняя строчка табл. 5).
В таблице 5 приведены результаты по тем исследованным конструкциям, в
которых происходят наиболее существенные изменения относительной
влажности воздуха в материальных слоях за годовой период.
Наименьшее изменение Rпо установлено в двухслойной конструкции по
системе вентилируемый фасад из ячеистого бетона и наружного слоя
минеральной ваты (процент изменения – 5,5 %). Таким образом, установлено,
что процент изменения Rпо исследованных конструкций наружных стен в
течение года находится в пределах от 5,5 до 85, %.
В пятой главе представлены сравнительные расчеты влажностного
состояния наружных стен при постоянном (табличном) значении
коэффициентов
паропроницаемости
материалов
(µ)
и
значениях
коэффициентов паропроницаемости, изменяющихся в эксплуатационных
условиях (µ*). За основу разработанного метода был принят
усовершенствованный метод Фокина, который позволяет оценить температуру
начала конденсации (tнк, С), календарный период влагонакопления (T, сут) и
количество конденсата, образующегося за период влагонакопления (g, г/м2).
Результаты расчетов некоторых исследованных конструкций представлены в
таблице 6.
Таблица 6 – Характеристики влажностного состояния некоторых многослойных ограждений
с учетом переменного значения паропроницаемости µ* и при постоянном µ, при условиях
эксплуатации в г. Казань
Тип конструкции
стен
1
2
3
4
µ*
-8,7
-10,8
-4,19
-5,7
µ
-6,3
-9,2
1,76
0,06
µ*
38
–
75
60
µ
60
27
135
105
µ*
20,27
–
9,05
11,25
µ
54,24
8,84
56,9
22,57
µ*
18,49
–
16
16
µ
78,1
5,73
180
60
Влажностные
хар-ки стен
tнк, º С
T, суток
GК,
мг/(м2·ч)
g, г/м2
Можно видеть, что переменное значение паропроницаемости
существенно влияет как на количественную оценку влагонакопления в
конструкции (значения GК и g), так и на температуры начала конденсации (tнк) и
продолжительности календарного периода влагонакопления (T). Из таблицы
18
следует, что в расчетах с постоянным значением µ проявляется влияние типа
утеплителя на параметр g. Так, при сравнении столбцов 3 с видно, что при
расчетах с постоянным значением µ величина g для конструкции с
минеральной ватой в три раза превышает величину g в конструкции с
пенополистиролом. При расчетах с переменным значением коэффициента
паропроницаемости µ* величина g практически не зависит от вида утеплителя.
Результаты, полученные в работе, позволяют утверждать, что учет
переменного значения паропроницаемости позволяет наиболее объективно
оценить и прогнозировать влажностное состояние ограждающих
конструкций на этапе проектирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1.
Основным
результатом
проведенных
исследований
является
установление факта изменчивости коэффициента паропроницаемости
материальных слоев в многослойных наружных стенах в течение года в
соответствии с изменением относительной влажности воздуха в порах
материалов при эксплуатационных воздействиях.
2.
Испытанием фрагментов наружных стен в натурных и лабораторных
условиях установлено, что относительная влажность воздуха в порах
материальных слоев наружных стен изменяется в течении года в диапазоне от
20 до 100 %.
3.
Разработан метод определения паропроницаемости материальных слоев и
сопротивления паропроницанию наружных стен при эксплуатационных
воздействиях, исходными параметрами которого являются: теплофизические
свойства материалов (табличные), среднемесячные параметры климата
(справочные) и установленные в работе эмпирические зависимости
коэффициента паропроницаемости от относительной влажности воздуха в
порах материала.
4.
Установлено, что величина сопротивления паропроницанию конструкций
наружных стен изменяется на 5–85 % в зависимости от параметров климата,
конструктивного решения наружных стен и свойств материалов.
5.
Разработана методика и экспериментальная установка для исследования
паропроницаемости
материалов
при
различных
эксплуатационных
воздействиях: создание градиентов температуры (до 20 ºС) и относительной
влажности воздуха в материале (20–80 %), воздействия ветровых потоков (0,2–
1,5 м/с). Приоритет подтвержден получением патента РФ «Устройство для
измерения паропроницаемости строительных материалов».
6.
Разработан метод оценки влажностного состояния наружных стен,
основанный на усовершенствованном графоаналитическом методе Фокина К.Ф.
с учетом изменчивости коэффициента паропроницаемости материалов в
годовом цикле эксплуатации.
Рекомендации по использованию результатов работы.
Результаты работы могут быть использованы при исследовании
закономерностей паропроницаемости традиционных и вновь создаваемых
19
материалов при различных эксплуатационных воздействиях (метод и прибор по
оценке паропроницаемости материалов), а также для прогнозной оценки
влажностного состояния наружных стен на стадии их проектирования для
различных климатических районов (метод оценки влажностного состояния
наружных стен с учетом изменчивости коэффициента паропроницаемости
материалов в эксплуатации).
Перспективы дальнейшей разработки темы.
Расширение исследований по увеличению спектра строительных
материалов, конструктивных решений многослойных наружных стен и
систематизации характеристик массопереноса при эксплуатационных
воздействиях.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Куприянов, В. Н. Паропроницаемость материалов в условиях,
приближенных к эксплуатационным / В. Н. Куприянов, А. С. Петров //
Известия КазГАСУ. – 2013. – № 2 (2 ). – С. 126–131.
2. Куприянов, В. Н. Влияние различной скорости движения воздуха на
паропроницаемость теплоизоляционных материалов / В. Н. Куприянов, А.
С. Петров // Строительные материалы. – 2013. – № 6. – С. 20–21.
3. Куприянов, В. Н. Влияние температурно-влажностных условий
эксплуатации строительных материалов на их паропроницаемость / В. Н.
Куприянов, А. С. Петров // Известия КазГАСУ. – 2015. – № 1 (31). – С. 92–
98.
4. Петров, А. С. Переменное значение паропроницаемости материалов в
условиях эксплуатации и его влияние на прогнозирование влажностного
состояния ограждающих конструкций / А. С. Петров, В. Н. Куприянов //
Academia. Архитектура и строительство. – 2016. – № 2. – С. 97–105.
5. Петров, А. С. Влажностное состояние ограждающих конструкций с учетом
переменного значения паропроницаемости материалов. / А. С. Петров, В. Н.
Куприянов // Строительные материалы. – 2016. – № 6. – С. 0–44.
Публикации в изданиях, индексируемых БД Scopus:
6. Petrov, A. S. About operational factor influence on vapor permeability of heatinsulating materials / A. S. Petrov, V. N. Kupriyanov // International Journal of
Pharmacy & Technology. – 2016. – № 1. Vol. 8 – P. 11248–11256.
Полученные объекты интеллектуальной собственности:
7. Патент на полезную модель 128718 Российская Федерация, МПК G01N
5/04. Устройство для измерения паропроницаемости строительных
материалов / Куприянов В. Н., Петров А. С. ; заявитель и патентообладатель
ФГБОУ ВПО КГАСУ. – № 2012155972/28 ; заявл. 21.12.2012 ; опубл.
27.05.2013.
Публикации в других изданиях:
8. Куприянов,
В.
Н.
Недостатки
проектирования
современных
энергосберегающих ограждающих конструкций / В. Н. Куприянов, И. Ш.
20
Сафин, А. И. Иванцов, А. С. Петров // Сборник трудов XIII
Международного
симпозиума
«Энергоресурсоэффективность
и
энергосбережение». – 2013. – № 1.
9. Петров,
А. С. О влиянии эксплуатационных факторов на
паропроницаемость теплоизоляционных материалов / А. С. Петров, В. Н.
Куприянов // Вестник ВРО РААСН. – 2015. – № 18. – С. 15 –161.
Подписано в печать:
Бумага офсетная № 1
Печать RISO
Заказ №
Тираж 100 экз.
Формат 60х8 /16
Усл.-печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ
200 3, г. Казань, Зеленая 1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
34
Размер файла
1 348 Кб
Теги
многослойной, стенд, эксплуатационной, конструкции, влажности, воздействия, паропроницаемость, наружных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа