Надежная основа Вашего будущего
Russian (CIS)English (United Kingdom)
Некоторые аспекты долговечности наружных стен зданий из автоклавных ячеистых бетонов низких плотностей


 

В приведенной статье авторы анализируют результаты экспериментальных исследований по влиянию температуры и влажности на коэффициент теплопроводности широко исполь­зуемого в строительстве ячеистого бетона, рассматривают проб­лемы снижения его долговечности за счет более интенсивного ис­черпания ресурса морозостойкости.

 

 

Некоторые аспекты долговечности наружных стен зданий из автоклавных ячеистых бетонов низких плотностей

ВВЕДЕНИЕ

Для эффективного использования тепло­защитного потенциала строительных мате­риалов необходимо прежде всего такое кон­структивное исполнение наружных стен, при котором они в течение каждого годичного отопительного периода будут иметь мини­мальные влажности и, соответственно, мини­мальные коэффициенты теплопроводности. Однако сокращение сроков строительства зда­ний приводит к возведению наружных стен с материалами, имеющими технологическую и строительную влажность. Во многих случаях данные влажности материалов значительно превышают их расчетные массовые отноше­ния влаги, принимаемые при теплотехниче­ских расчетах по ТКП 45-2.04-43-2006 (02250) "Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования", утвержденному при­казом Минстройархитектуры от 29.12.2006 № 374, с учетом изменения № 5.

Данные проблемы выявлены и при эксплуа­тации наружных стен из ячеистобетонных бло­ков автоклавного твердения. Использование в конструкциях наружных стен материалов с диа­метрально противоположными свойствами на сегодняшний день привело к образованию в пер­вые годы эксплуатации зданий многочисленных дефектов, некоторые из которых вызваны исчер­панием ресурса морозостойкости вследствие по­вышенной влажности ячеистого бетона.

Так, тонкие слои материалов у наружной поверхности стен в процессе эксплуатации в холодный период года испытывают переходы через t = 0 °С и претерпевают микроразруше­ния порового пространства за счет исчерпания ресурса морозостойкости.

С целью определения долговечности, а так­же для прогнозирования влажностного режи­ма наружных стен зданий необходимо иметь теплофизические характеристики материалов, основные из которых следующие:

  • показатели морозостойкости;
  • зависимости коэффициента теплопрово­дности от влажности в области положи­тельных и отрицательных температур;
  • коэффициенты паропроницаемости и изо­термы сорбции материалов;
  • показатели, определяющие движение жид­кой влаги в изотермических и неизотер­мических условиях.

Справочно / Под термином "долговечность" принимается срок службы ограж­дающей конструкции до разрушения или по­вреждения ее части вследствие исчерпания ре­сурса морозостойкости.

В рассматриваемой статье приведены не­которые экспериментальные данные для ячеистого бетона низких плотностей (р = 400 кг/м3 и р = 500 кг/м3).


ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

Для расчетов тепловлажностного режима, а также прогнозирования долговечности на­ружных стен необходимы точные данные о зависимости теплопроводности от влажности не только при положительных температурах, но и в области отрицательных температур, так как именно они должны использоваться при расчетах температурного режима "промерзаю­щей" части наружной стены.

Несмотря на то, что вопрос зависимо­сти теплопроводности от влажности счита­ется достаточно изученным (публикации Г. Бове, Кауфмана Б.Н., Кривицкого М.Я., Франчука А.У., Виноградского В.М. и других авторов), данные для ячеистого бетона низ­ких плотностей (р = 400 кг/м3 и р = 500 кг/м3) ограничены.

Экспериментальные исследования вы­полнены на образцах, предоставленных ОАО "Управляющая компания холдинга "Забудова" (далее - тип "3") в БНТУ [1] на уста­новке для измерения теплопроводности типа "NETZSCH HFM 436 Lambda". Результаты ис­следований приведены на рисунках 1 и 2.

Для отрицательных температур увеличение коэффициента теплопроводности происходит при массовой влажности ячеистого бетона бо­лее W = 20 % для плотности р = 400 кг/м3 и более W = 15 % для плотности р = 500 кг/м3, что связано с началом образования льда в по­рах материалов. В зависимости от температу­ры образцов только часть жидкой влаги пере­ходит в лед, при этом начало образования льда происходит при температуре порядка trf) ~ - 2,0 °С.

С понижением температуры коэффициенты теплопроводности ячеистого бетона в зависи­мости от влажности могут, как увеличиваться, так и уменьшаться. Это позволяет определить граничные влажности, при которых для от­рицательных температур в порах материалов лед не образуется или его количество незна­чительно.

Следует отметить, что полученные экспе­риментальные данные отличаются от данных, приведенных в работе [2], а также в публика­циях ряда других авторов.

 

ƛ, Вт/(м °С)

 

1g 

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности ячеистого бетона
(р = 400 кг/м3) от температуры и массовой влажности.

ƛ, Вт/(м °С)

2g

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности ячеистого бетона
(р = 500 кг/м3) от температуры и массовой влажности.

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА КОЭФФИЦИЕНТ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЛАГОПРОВОДНОСТИ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

Исследования влияния влажности на ко­эффициент изотермической влагопроводности ячеистого бетона выполнялись на образ­цах типа "3" плотностью р = 400 кг/м3 и р = = 500 кг/м3.

Образцы увлажнялись водой до влаж­ности, близкой к 20 %, 35 %, 45 % и 60 % по массе, и упаковывались со всех сторон в полиэтиленовую пленку. В таком состоянии образцы выдерживались в условиях, близких к изотермическим, для равномерного пере­распределения жидкой влаги по их толще. Температуры образцов для проведения экс­перимента были приняты t = +20 °С и t = = -5 "С.

После выдержки в изотермических усло­виях образцы стыковались методом разрезной

колонки друг с другом с влажностями, близ­кими по показателям, и со всех сторон

влагоизолировались полиэтиленовой пленкой. После определенной временной выдержки в изотермических условиях для принятых температур образцов колонки периодически разбирались, образцы взвешивались и соби­рались заново.

Коэффициенты изотермической влагопроводности для различных температур определя­лись по формуле:

βw=Gw/(dw/dx),                                                 (1)

 

где Gw - количество влаги, проходящей через 1 м2 площади в 1 ч, г/(м2-ч);

dw/dx - перепад массовой влажности по длине образца, %/м.

Зависимости коэффициентов изотерми­ческой влагопроводности в зависимости от влажности для различных температур приве­дены на рисунках 3 и 4.


ᵝ, г/(м*ч*%)

 3

 

  • при t = +20С         ■ при t = -5C

 

Рис. 3. Коэффициенты изотермической влагопроводности ячеистого бетона
(р = 400 кг/м3) в зависимости от влажности.

ᵝ, г/(м*ч*%)

4g

 

  • при t = +20С   ■ при t = -5C

 

Рис. 4. Коэффициенты изотермической влагопроводности ячеистого бетона
(р = 500 кг/м3) в зависимости от влажности.

Результаты экспериментальных исследований изотермической влагопроводности ячеистого бе­тона показали, что при отрицательных температу­рах также имеется перемещение влаги вследствие наличия незамерзшей воды в порах материалов. Для области положительных температур переме­щение воды в образцах наблюдается при влаж­ностях W > 17 % по массе для ячеистого бетона плотности р = 500 кг/м3 и при W > 20 % по массе для ячеистого бетона плотности р = 400 кг/м3. Для области отрицательных температур переме­щение воды в образцах наблюдается при влаж­ностях W > 37 % по массе для ячеистого бетона плотности р = 500 кг/м3 и W > 45 % по массе для ячеистого бетона плотности р = 400 кг/м3. Результаты показывают значительное влияние на коэффициент изотермической влагопроводности температуры и плотности материала.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕРМОВЛАГОПРОВОДНОСТИ В ОБРАЗЦАХ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

При эксплуатации наружных стен с повы­шенной влажностью ячеистого бетона при на­личии градиента температуры возможно также движение влаги по сечению стены за счет ме- ханизма термовлагопроводности.

Справочно Впервые данный механизм движе­ния влаги установил Лыков А.В. в середине прошлого века. Иссле­дования по изучению этого механизма велись преимущественно в области сушки материалов вследствие наличия при протекании данных процессов значительных градиентов темпера­туры. Определение термоградиентных коэф­фициентов строительных материалов произ­водилось преимущественно советскими учеными до конца 1990-х гг. Данные по их величинам, а также исследования их зависимостей для ячеи­стых бетонов низких плотностей ограничены, а для отрицательных температур образцов - не найдены.

Определение термоградиентных коэффи­циентов предлагалось различными способами, обзор которых приведен в работе автора [3]. Выделяются стационарные методы, заклю­чающиеся в выдержке влагоизолированного образца между двумя термостатами до уста­новления момента стационарного температур­ного и влажностного состояния, после чего по кривым распределения влагосодержания и температуры по длине образца рассчитывается термоградиентный коэффициент. Недостатки стационарных методов - длительность про­ведения испытаний, при которых постоянно необходимо производить монтаж и демонтаж образцов. Нестационарные методы определе­ния термоградиентного коэффициента, как привило, требуют специально разработанного оборудования, но проводятся значительно бы­стрее. Разработанные методы использовались преимущественно в области положительных температур образцов.

При раздельном учете основных механиз­мов переноса влаги в модели прогнозирования влажностного режима наружных ограждаю­щих конструкций предлагается вместо термо­градиентного коэффициента определять коэф­фициент термовлагопроводности (по аналогии с коэффициентом влагопроводности):

βt=Gt/(dt/dx),                                                (2)

 

где Gt - количество влаги, проходящей через 1 м2 площади в 1 ч за счет термовлагопровод­ности, г/(м2ч);

 

dt/dx - перепад температуры по длине об­разца, %/м.

 

Проведены эксперименты на состыкован­ных образцах (разрезная колонка) с разными, но близкими по величинам массовыми влаж­ностями. Для создания "теплой" и "холодной" поверхностей использована установка для из­мерения теплопроводности типа "NETZSCH HFM 436 Lambda" в БИТУ.

 

Перед стыковкой образцы ячеистого бето­на с различными влажностями упаковывались в полиэтиленовую пленку и выдерживались не менее 2 недель в условиях, близких к изотерми­ческим. После выдержки составлялись колон­ки, которые со всех сторон влагоизолпровались полиэтиленовой пленкой и устанавливались в обойму из экструзионного полистирола.

 

       Колонки выдерживались при перепаде температуры между плитами установки при­мерно в At = 15 °С, что близко к условиям эксплуатации наружных стен для климатиче­ских условий Республики Беларусь. При про­ведении эксперимента колонки периодически разбирались, образцы взвешивались, затем колонки собирались заново для определения установившегося потока влаги между образца­ми. Время между взвешиваниями составляло не менее суток, а общее время эксперимента - не менее 3 суток.

 

Определение перепадов температур по дли­не разрезной колонки выполнялось расчет­ным методом последовательного приближе­ния по известным массовым влажностям об­разцов и известным температурам на "теплой" и "холодной" плитах прибора. Коэффициенты теплопроводности образцов ячеистого бетона колонки рассчитывались в зависимости от их средней температуры и влажности. Результаты экспериментальных исследова­ний зависимостей коэффициентов термовлагопроводности ячеистого бетона от влажности при средней температуре образцов t ~ -5 °С приведены на рисунках 5 и 6.

t, г/(м*ч*°С)

5g

 

Рис. 5. Коэффициенты термовлагоироводности ячеистого бетона
(р = 400 кг/м3) в зависимости от влажности при средней температуре образцов t = -5 °С.

t, г/(м*ч*°С)

 6g

Рис. 6. Коэффициенты термовлагопроводности ячеистого бетона
(р = 500 кг/м3) в зависимости от влажности при средней температуре образцов t ~ -5 °С.

Из экспериментальных зависимостей вид­но, что для обеих плотностей материала значи­тельное увеличение коэффициентов термовлагопроводности происходит при влажностях, превышающих 30% по массе. При влажностях материала более 40 % по массе коэффициенты термовлагопроводности при средней темпера­туре образцов t ~ -5°С на порядок превышают коэффициенты изотермической влагопроводности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальными исследованиями установлено влияние температуры и влажно­сти на коэффициент теплопроводности ячеи­стого бетона типа "3" плотностей 400 кг/м3 и 500 кг/м3. На основании полученных данных предлагается определять граничные влажно­сти, при которых для отрицательных температур лед в порах материалов не образуется или его количество незначительно.

Установлено, что при отрицательных тем­пературах образцов ячеистого бетона с влаж­ностями более 30 % по массе одним из основ­ных механизмов перемещения влаги является термовлагопроводность. В реальных условиях эксплуатации наружных стен здания, выполненных кладкой из ячеистобетонных блоков с влажностями более 30%, в зимний период года возможны значительное увеличение влажностей материалов у наружных защитно­отделочных слоев и снижение долговечности за счет более интенсивного исчерпания ресурса морозостойкости.

Литература:

 

  1. 1.Крутилин, А.Б. Некоторые результаты экспериментальных исследований теплофизических характе­ристик автоклавных ячеистых бетонов низких плотностей и учет их влияния на тепловлажностный режим наружных стен зданий / А.Б. Крутилин, В.В. Лешкевич, Ю.А. Рыхленок // Опыт производства и приме­нения ячеистого бетона автоклавного твердения: Материалы 8-й Международной научно-практической конференции. Минск - Могилев, 11-13 июня, 2014 / НП ООО "Стринко" - Минск, 2014. - С. 66-71.
  2. 2.Франчук, А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов / А.У. Франчук. - М.: Госстрой СССР, НИИ строительной физики, 1969. - 144 с.
  3. 3.Дмитрович, А.Д. Теплозащитные свойства строительных материалов и конструкций / А.Д. Дмитрович. - Минск: Беларусь, 1963. - 212 с.

Антон Крутилин, зав. лабораторией теплофизических исследований

РУП "Институт БелНИИС"

Владимир Лешкевич, научный сотрудник БИТУ

Юлия Рыхленок, зав. отделом ограждающих конструкций

РУП "Институт БелНИИС"