В первые годы эксплуатации вновь выстроенных зданий обычно отмечается повышенное влагосодержание большинства ограждающих конструкций. В особенности это относится к конструкциям выполненным из бетонов, кирпичной кладки, древесины.
Для зданий с нормальным температурно-влажностным режимом помещений (жилые, общественные, значительная часть промышленных), это повышенное влагосодержание является избыточным, поскольку оно превышает равновесное влагосодержание, устанавливающееся через несколько лет под влиянием влагообмена с внутренней и внешней воздушной средой.
В связи с этим, в большинстве вновь выстроенных зданий значительная часть ограждающих конструкций обладает излишней влажностью и в первый период эксплуатации отдает содержащуюся в них химически не связанную влагу наружному или внутреннему воздуху.
Внешний климат непосредственным, а иногда и наиболее существенным образом влияет на равновесное влажностное состояние наружных конструкций зданий с нормальным температурно-влажностным режимом помещений, поскольку увлажняющее действие воздушной среды этих помещений не может быть значительным.
Равновесная влажность сравнимых по толщине материалу и порядку расположения отдельных слоев ограждающих конструкций таких зданий зависит от количества тепла, расходующегося в природно-климатических условиях на естественную сушку ограждающих конструкций, а также от эффективности использования этого тепла для целей естественной сушки, что связано с особенностями тепловых воздействий и режима тепло- и влагообмена между поверхностью конструкций и окружающей воздушной средой.
Для природных климатических условий характерна периодическая (в течение года) смена температур и влажности внешней воздушной среды.
Во многих климатических районах (особенно континентальных) такая периодичность внешних воздействий явно выражена и в суточном периоде, особенно в теплое и переходное время года, когда температура поверхности конструкций может резко колебаться из-за облучения солнцем в течение дня и холодного излучения ночью.
Из опыта естественной сушки ограждений зданий известно, что конструкции, периодически нагреваемые (обычно за счет солнечных лучей) и охлаждаемые, высыхают полнее и быстрее, чем подвергающиеся непрерывному и длительному нагреву при таком же расходе тепла.
Этот иссушающий эффект периодического прогрева находит объяснение в теории сушки капиллярно-пористых тел; подобный эффект тем более заметен, чем медленнее происходят в высыхающей конструкции перемещения влаги по сравнению с перераспределением тепла (т. е., чем меньше критерий Lu).
Для этого наиболее характерного и длительного периода естественной сушки критерий Лыкова, выражающий сравнительную интенсивность распространения поля потенциала переноса влаги относительно поля температур, Lu=am/am — интенсивность распространения температуры (температуропроводность).
При понижении температуры наружной поверхности, возникают перемещения влаги из внутренних увлажненных слоев конструкции, направленные к этой поверхности; при повышении температуры переместившаяся влага испаряется.
Практика эксплуатации зданий в районах с континентальным климатом., где характерны резкие колебания температур в течение суток и года, подтверждает иссушающий эффект таких циклических воздействий и связанное с ним сухое состояние ограждений зданий.
В климатических районах с меньшими колебаниями температуры влажность материалов ограждающих конструкций, при прочих равных условиях обычно более высока.
При наличии воздушно-сухого (пересохшего) поверхностного слоя испарение с поверхности конструкции ограничивается количеством влаги, диффундирующей сквозь этот пересохший слой.
Выражение для количества е испаряющейся в этих условиях влаги при циклических колебаниях температуры наружного воздуха может быть написано в следующем виде1:
где D — коэффициент диффузии, м2/ч; ? — время, ч; ?s — толщина высохшего слоя, м; ? — среднее количество влаги, содержащееся в материале за пределами высохшего слоя, кг/м3; ?? — разность потенциалов переноса влаги в толще материала на глубине распространения резких колебаний температуры и на наружной поверхности конструкции; Ats — амплитуда колебаний температуры внутри конструкции на границе высохшего слоя,°С.
Из выражения (11.18) следует, что интенсивность испарения влаги с воздушно-сухой поверхности ограждающей конструкции, подвергающейся циклическим колебаниям температуры, определяется двумя слагаемыми, одно из которых зависит от разности потенциалов переноса влаги в пределах пересохшего слоя, а второе — пропорционально квадрату амплитуды колебаний температуры внутри конструкции на границе этого слоя.
Опыт изучения влажностного состояния ограждающих конструкций в климатических районах с достаточно выраженными колебаниями температуры в течение суток и года показывает, что толщина наружного пересохшего слоя очень близка к толщине слоя, известного в строительной теплофизике под названием слоя резких температурных колебаний.
Этот последний слой составляет сравнительно небольшую часть общей толщины однородных ограждающих конструкций (в легкобетонных и кирпичных конструкциях 7—8 см, в конструкциях из тяжелого бетона — до 10 см); отличительным свойством слоя резких колебаний является то, что в его толщине внешние колебания температур затухают примерно в два раза2.
Приняв толщину пересохшего слоя равной толщине слоя резких колебаний, можно написать, что Ats=0,5 Atн, где Atн — амплитуда колебаний температуры на наружной поверхности конструкции.
Известно, что в большинстве климатических районов естественная сушка ограждающих конструкций происходит наиболее эффективно в летний период года: климатологические данные о величине возможного испарения влаги показывают, что даже во влажном климате Англии величина испарения за один летний день примерно равна величине испарения за целый зимний месяц [32].
Поэтому при рассмотрении колебаний температуры следует принимать ее величины, характерные для летнего периода года. Средняя величина полной разности температур наружного воздуха за сутки в летний период года составляет для удаленных от океанов районов СССР 12,5—12,7°, что соответствует амплитуде (т. е. наибольшему отклонению температуры от среднего значения) Atн=6,35°.
Эта же величина амплитуды может быть принята и для наименьших (без учета нагрева солнцем) суточных изменений температуры на наружной поверхности конструкции.
Тогда получим входящее в 11.18 выражение для амплитуды колебаний температуры внутри конструкции на границе пересохшего слоя в виде
Имея в виду, что интересующие проектировщиков и строителей процессы влагообмена происходят в годовом цикле величину At уместно также отнести к этому циклу, поскольку между суточными в теплый период и годовыми (между средними температурами января и июля) колебаниями температуры может иметь место прямая зависимость, т. е.
Коэффициент корреляции ?н всегда меньше единицы; конкретные его значения изменяются для отдельных районов. Величину ?Atгод можно рассматривать как иссушающую характеристику климата, возрастающую в континентальных условиях с резкими колебаниями температур в течение суток и года. Чем больше величина этой характеристики, тем более резко отличаются температуры летнего и зимнего периодов: теплее лето, холоднее и устойчивее зима, не перемежающаяся дождями и оттепелями, больше солнечных дней в течение года — ниже влажность наружного воздуха и соприкасающихся с ним наружных стен и других ограждающих конструкций зданий.
Обобщение данных натурных исследований влажностного состояния конструкций в зданиях с нормальной влажностью подтверждает, что иссушающее действие отмеченных климатических факторов возрастает в зависимости от величины указанной характеристики. Чем больше ее величина, тем суше материалы в сравниваемых конструкциях. Это имеет большое значение в климатических условиях СССР, где годовая разность температур возрастает по мере перемещения от западных районов европейской части к центральным районам Восточной Сибири.
Следует отметить, что средняя годовая температура при таком перемещении не подвергается существенным изменениям для географических пунктов, расположенных на одной широте.
Для преобладающей части территории СССР (исключая крайние северные и южные районы) средняя годовая температура колеблется при перемещении с запада на восток в среднем от +5 до —4°.
Полагая среднегодовую температуру для этой части СССР равной +1° С и отбросив знаки дифференцирования получим из 11.18 выражение для испарения влаги с поверхности конструкции при периодических колебаниях температуры наружного воздуха:
Для сравнимых конструкций величина к в первом приближении может быть принята постоянной для любых климатических условий, поскольку с увеличением длительности сушки ? уменьшается величина коэффициента диффузии D (падающая по мере высыхания материала), и произведение D?, входящее в числитель, близко к постоянному значению. Толщина слоя резких колебаний ?s также имеет постоянное значение, поскольку она может изменяться только в зависимости от периода температурных колебаний, а этот период остается постоянным (суточным или годичным) в любом климате.
За потенциал молекулярного переноса пара, при наличии испарения влаги с поверхности конструкции и при постоянной температуре, может быть принята относительная влажность воздуха ?. При указанных условиях потенциал переноса влаги является однозначной функцией от этой климатической величины и зависящей от нее влагосодержания материала [17].
Величину относительной влажности уместно принять для теплого периода года, когда интенсивность испарения наибольшая.
Для выявления других климатических параметров, влияющих на влажностное состояние конструкции, напишем выражение для среднего многолетнего баланса тепла между поверхностью конструкции и окружающей атмосферой в таком виде:
где Qs — количество тепла, поступающего к поверхности конструкции (главным образом лучистого, т. е. солнечной радиации, поскольку конвекционное обычно теряется конструкцией, а не сообщается ей), q — сумма количеств тепла, расходуемого в соответствии с климатом, на преодоление энергии связи влаги с поверхностью пор и капилляров материала и ее испарение, ккал/кг-год; при этом q=q'(?р—?равн), где q' — энергия связи влаги, ккал/кг, а ?р и ?равн — влагосодержания материала, увлажненного осадками и многолетнее равновесное; ? — вес конструкции, кг/м2; р — количество атмосферной влаги (осадков), увлажняющей конструкцию, кг/кг·год; ? — испарение при имеющихся внешних температурных воздействиях, кг/кг·год.
Подставляя ранее полученное выражение для испарения в (11.21), получим при единичной разности потенциалов переноса (??=1) в самом общем виде функциональную зависимость, характеризующую влажностное состояние конструкции со в той мере, в какой она зависит от внешних климатических воздействий:
Возможно группирование этих величин в виде безразмерного соотношения, величина которого будет характерной для оценки влажностного состояния ограждающих конструкций, зависящего от климата, т. е.
где q' — энергия связи влаги с поверхностью пор и капилляров, ккал/кг; ? — вес конструкции, кг/м2; Qs — количество солнечной радиации, падающей на поверхность конструкции, ккал/м2·год; р — количество осадков, увлажняющих конструкцию, кг/кг·год; ? — относительная влажность наружного воздуха (величина безразмерная);
— отношение амплитуды колебаний температуры наружного воздуха к среднегодовому ее значению, град2/град2.
В числитель соотношения (11.23) входят величины, влияющие на повышение влажности ограждающих конструкций; осадки и относительная влажность воздуха имеют общеклиматическое значение, а энергия связи влаги с материалом и вес конструкции относятся к конкретным видам проектируемых ограждений.
При этом, если рассматривать осадки как общеклиматический фактор, уместно учитывать их количество, падающее на горизонтальную поверхность; для стен, ориентированных различным образом, количество осадков, увлажняющих конструкцию, зависит от направления и силы ветра, а также крупности дождевых капель и может быть только пропорциональным интенсивности осадков на горизонтальную поверхность.
В знаменатель входят величины, влияющие на интенсивность испарения влаги из ограждающих конструкций, а именно: солнечная радиация и характеристика колебаний температуры наружного воздуха.
Радиация, падающая на горизонтальную поверхность, является общеклиматическим параметром; очевидно, количества солнечных лучей, падающих на различным образом ориентированные стены, будут пропорциональны этому параметру.
Таким образом, соотношение (11.23) может быть использовано как общеклиматический критерий, но возможна и конкретизация этого критерия применительно к особенностям геометрического расположения внешней поверхности отдельных ограждающих конструкций.
Общеклиматическое значение соотношения (11.23), может быть установлено путем использования имеющихся справочных метеорологических данных.
При вычислении величин соотношения (11.23) для конкретных географических пунктов, количество осадков (на горизонтальную поверхность) было принято по данным климатических справочников средним за месяц для безморозного периода года, а относительная влажность взята в дневное время (в 13 ч дня) самого теплого месяца.
Поскольку для изучения общих закономерностей влажностного состояния ограждающих конструкций не представлялось целесообразным иметь в виду какие-либо конкретные конструкции и материалы, величина q'? принята равной единице.
При этих допущениях безразмерное соотношение (11.23) примет вид
Указанное соотношение отражает наиболее общие закономерности влагообмена наружной части ограждающих конструкций с внешней физико-географической средой, происходящие в различных климатических условиях. На основе количественных изменений этого соотношения оказалось целесообразным разделить территории строительства на три зоны с подразделением каждой из них на две категории районов.
Эта влажностно-климатическая классификация включает следующие характеристики.
1. Сухая зона (к11).
Общее распределение зон и районов с различной степенью влажности по территории СССР указано на прилагаемой карте.
Естественно, что территория Средней Азии оказалась отнесенной к устойчиво сухим районам; низкая равновесная влажность материалов ограждающих конструкций на этой территории позволяет широко применять для зданий с сухим внутренним режимом саман, сырец и другие материалы, недостаточно стойкие при систематических воздействиях влаги.
Выяснение условий атмосферного увлажнения ограждающих конструкций позволило отнести к устойчиво-сухим районам также некоторые территории Восточной Сибири, в частности, города Якутск и Верхоянск.
Длительная суровая зима и кратковременное, но теплое лето (при малом количестве осадков за год) обеспечивают здесь сухое состояние ограждающих конструкций, что способствует повышению долговечности древесины и применению органических утеплителей в капитальных зданиях.
Развитие грибов-разрушителей древесины почти неизвестно в устойчиво-сухих районах. При малом количестве осадков возможной конструкцией зданий являются крыши-ванны, что особенно ценно в условиях многолетнемерзлого состояния грунтов, поскольку это исключает необходимость отвода воды с крыш, не только сложного но даже опасного в таких геологических условиях.
Районы Центральной Сибири и южные территории Западной Сибири в основном относятся к сухим, что позволяет учитывать при проектировании пониженные коэффициенты теплопроводности строительных материалов и соответственное повышение теплозащиты ограждающих конструкций; это обстоятельство в условиях суровой зимы имеет большое практическое значение.
Однако особенности рельефа и их влияние на количество выпадающих осадков имеют большое значение; близко расположенные пункты оказываются существенно различающимися по влажности климата: таковы, например, умеренно-сухой климат Кузнецка и влажный прилегающей части Горной Шории.
Наиболее значительные территории влажных и устойчиво-влажных районов располагаются преимущественно на прибрежных территориях океанов и их морей. Таковы Кольский полуостров, побережье Эстонской и частично Латвийской ССР, Дальневосточное Побережье, Сахалин и особенно Курильские острова, а на юге — Западная Грузия.
В этих районах целесообразно применение для капитального строительства стойких каменных материалов, например, обжиговых керамических и, в частности, пустотелой керамики, обладающей преимуществами в отношении быстрого высыхания и ограничения перемещений атмосферной влаги внутри стен.
При этом в устойчиво влажных районах с частой повторяемостью штормовых ветров (в частности, побережье Приморского Края, Сахалина, Камчатки и тем более Курильские острова) необходимы специальные конструктивные мероприятия по защите стен от увлажнения косыми дождями (вибрированные фактурные слои, специальные облицовки и т. д.).
Кроме того, нельзя рекомендовать применение во влажных и особенно в устойчиво влажных районах конструкций сплошных стен из медленно высыхающих материалов, например, таких как шлакобетон и золобетон. Типичным является хроническое переувлажнение таких стен, что связано с потерей ими теплозащитных свойств, сыростью и холодом в отапливаемых помещениях. Средняя влажность шлакобетонных стен во Владивостоке достигает 18% по весу, тогда как в Ленинграде и Москве она близка к 7—8%, а в городах южного Урала (сухой климат) уменьшается до 3—4%.
Особенности проектирования и строительства в различных климатических условиях достаточно очевидны, взаимосвязь этих особенностей с влажностным состоянием конструкций подтверждает целесообразность и практическое значение описанного выше зонирования.
Примечания
1. Выражение (11.18) получено путем совместного решения двух дифференциальных уравнений, одно из которых выражает перемещения влаги в конструкции d2?/dx2=f(x, ?), а другое — устанавливает особенности перемещения влаги в поверхностном наиболее высохшем слое d2?/dx2=0, т. е. изменение потока влаги равно нулю. Здесь ? — потенциал переноса влаги; х — размер по толщине конструкции; ? — время [16].
2. В соответствии с теорией теплоустойчивости (см. статью) толщина слоя резких колебаний ?s, выраженная в м, определяется, как отношение коэффициента теплопроводности ? материала к его коэффициенту теплоусвоения s, т. е.