Изменения влажностного состояния конструкций в зависимости от начального влагосодержания и климата

Изложенные выше методы расчета влажностного состояния ограждающих конструкций при диффузии водяного пара относятся к конструкциям, эксплуатируемым уже в течение нескольких лет, в результате чего влагосодержание материала приблизилось к сорбционному.

Для многих ограждающих конструкций такая сравнительная стабилизация влажностного состояния наступает только после того, как завершается основная часть процесса естественной сушки, связанная с испарением избыточного количества начальной технологической влаги.

Наибольшая эффективность естественной сушки отмечается в теплое время года, когда температура наружного и внутреннего воздуха незначительно отличается друг от друга, в связи с чем можно считать, что процесс высыхания конструкции и перемещения влаги в ней происходит при постоянной температуре (в изотермических условиях). Для этих условий справедливо уравнение влагопроводности (1.9 и VI.19).

Из уравнения (1.9) методами теории подобия может быть установлен безразмерный критерий Фурье F'₀, характеризующий сравнимые условия перемещений влаги.

Отбросив знаки дифференцирования, получим в левой части уравнения ?/?, а в правой — D?/x². Разделив обе части на ?/?, приведем левую часть к единичному значению, а правую к безразмерному комплексу D?/x². Положив этот комплекс F'₀=1 и определив время ?, необходимое для завершения процесса перемещений влаги (т. е. естественной сушки), получим:

Здесь 1/D=a — сутки/см², величина обратная среднему значению коэффициента нестационарной влагопроводности за весь рассматриваемый период естественной сушки; х?b — характерный размер конструкции, см, равный наибольшему расстоянию, на которое необходимо переместиться влаге внутри конструкции для того, чтобы достигнуть поверхности испарения (см. рис. VI.1).

Таким образом, из уравнения влагопроводности вытекает пропорциональность между длительностью сушки и квадратом характерного размера конструкции; коэффициентом пропорциональности является величина, обратная коэффициенту нестационарной влагопроводности¹.

Распределение влаги по толщине однородной высыхающей конструкции в течение преобладающего времени сушки неравномерно: в поверхностных слоях, непосредственно соприкасающихся с воздушной средой, влагосодержание мало, в средней части — более высоко (рис. VI.19). При значительной толщине однородных стен влажностное состояние материала в средних слоях конструкции изменяется медленно и в сравнительно незначительных пределах. Основная часть однородной массивной стены сохраняет в определенный период года относительное постоянство влагосодержания на уровне, отвечающем средним микроклиматическим условиям (внешним и внутреннем), особенностям эксплуатации здания и физико-техническим свойствам материала, из которого выполнена конструкция.

Колебания температуры и влажности, происходящие в наружной и внутренней воздушной среде, в наибольшей мере затухают во внешних слоях массивной ограждающей конструкции. С этим связано изменение физического состояния этих слоев конструкции: нагревание и охлаждение, высыхание и увлажнение.

Толщина поверхностных слоев ограждающей конструкции, в которых происходят резкие колебания влагосодержания в отдельные периоды года, зависит от свойств материалов и длительности периодов изменения внешних воздействий и может быть существенно различной. В известной мере толщина этих слоев конструкции близка к толщине слоя резких температурных колебаний, рассматриваемого в теории теплоустойчивости.

При закономерных изменениях температуры в течение суток, что характерно, например, для теплого и переходного периодов года, толщина этого слоя резких колебаний составляет около 8—9 см для кирпичной кладки и около 10—11 см для конструкций из плотного бетона. В связи с периодическим прогревом и интенсивным обезвоживанием внешних слоев указанной толщины, их влагосодержание обычно характеризуется воздушно-сухим состоянием, тогда как влагосодержание средней части конструкции может быть более высоким.

Значения коэффициента нестационарной влагопроводности в выражении (VI.37) должны соответствовать среднему влагосодержанию материала глубинных слоев конструкции за

Результаты имеющихся экспериментов позволяют установить порядок таких средних величин коэффициентов влагопроводности.

Имеются экспериментально установленные средние величины влагопроводности, соответствующие эффективным условиям естественной сушки (t=+30°; ?=50%)²; при менее благоприятных температурно-влажностных параметрах неизбежно уменьшение констант влагопроводности и соответствующее увеличение длительности процесса высыхания. Так, например, по отечественным и зарубежным практическим данным³ увеличение длительности сушки при t=+15° и ?=70% происходит примерно в 2—3 раза, по сравнению с условиями упомянутых выше экспериментов.

Эти величины использованы при составлении табл. VI.4, в которой указаны значения сопротивлений высыханию, обратные коэффициенту нестационарной влагопроводности.

где ?Rп — сумма сопротивлений паропроницанию половины толщины трехслойной панели; R_п — сопротивление паропроницанию половины толщины однородной панели из ячеистого бетона; b₁; b₂; b — толщины конструктивных слоев, указанные на рис. VI.20; ?₁; ?₂ — коэффициенты паропроницаемости ячеистого бетона и железобетона; R_в.п — сопротивление влагообмену на поверхности обезвоженного плотного слоя, граничащего с ячеистым бетоном.

Так, например, срок естественной сушки панели из ячеистого «бетона, толщиной 30 см будет в соответствии с формулой (VI.37) ?₁=ab²=1,0·15²=225 сут.⁴, т. е. 7,5 месяцев или около одного года, а для трехслойной панели такой же толщины:

Здесь ?₁=0,023 — коэффициент паропроницаемости пенобетона; ?₂=?₅₀/?₈₀·0,004=1,05/1,75·0,004?0,0024 — коэффициент паропроницаемости высохшего железобетона; R_в.п=1—50/100=0,5 — сопротивление влагообмену на поверхности высохшего железобетонного слоя.

Конечно, чем продолжительнее естественная сушка ограждающих конструкций, тем больше вероятность дополнительного их увлажнения конденсационной влагой и другими ее видами.

В связи с этим достижение конструкцией равновесного влагосодержания может отдаляться, поскольку вероятно чередование естественно протекающих процессов обезвоживания материала с его эпизодическими увлажнениями.

Высокое влагосодержание не характерно для тонких и пустотелых ограждающих конструкций, подвергшихся после монтажа высыханию в течение одного устойчивого летнего периода и не имеющих источников добавочного увлажнения (рис. VI.21, а). Если же окончание строительства и начало эксплуатации здания совпали с наступлением холодного периода года, то ограждения зданий в первое время могут не высыхать, а подвергаться дополнительному увлажнению, приобретая к началу теплого периода влагосодержание, превышающее начальное технологическое (рис. VI.21, б). Такое положение в особенности характерно для конструкций с односторонней сушкой (покрытий с многослойной рулонной кровлей, стен подвалов и т. д.). В связи с этим период последующего высыхания ограждающих конструкций до среднего влагосодержания, при котором возникает замедление естественной сушки (критического) может и не закончиться в течение одного летнего периода. В этом случае материал конструкции в течение нескольких холодных периодов года будет иметь повышенное влагосодержание, что часто связано с возможностью постепенного разрушения.

Пользуясь методами расчета происходящих во времени изменений влажностного состояния ограждающих конструкций (например, методом последовательного увлажнения, кратко изложенным ранее), можно проследить особенности естественной сушки бесчердачных покрытий с рулонной кровлей. Процесс постепенного уменьшения влагосодержания перемежается периодическими и постепенно затухающими диффузионными увлажнениями покрытия в холодные периоды года.

На рис. VI.22 показаны последовательные изменения влагосодержания подкровельного слоя деревянных (сплошных) бесчердачных покрытий с рулонной кровлей над цехами холодной обработки металла в условиях сухих (рис. VI.22, а) и влажных (рис. VI.22, б) климатических районов.

Расчет изменений влажностного состояния покрытий приведен для наиболее невыгодного случая, т. е. учтено дополнительное увлажнение конструкций в связи с началом эксплуатации, совпадающим с наступлением холодного периода года.

Верхняя волнообразная кривая с наибольшими колебаниями значений выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое защитного настила, выполненного из непросушенной древесины с влажностью 23% по весу.

Горизонтальная пунктирная линия соответствует верхнему пределу сорбционного увлажнения древесины (31,5% весовой влажности). Заштрихованные площади внутри волнообразных кривых, лежащие выше этой линии, указывают на конденсацию свободной жидкой влаги в древесине.

Нижняя кривая выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое покрытия при начальной влажности древесины 16%.

Пунктирная кривая, проходящая через точки наибольших значений влагосодержания древесины, представляет общую закономерность уменьшения этих значений с течением времени.

Из рис. VI.22 видно, что среднегодовое значение влагосодержания покрытий не является стабильным. По мере естественной сушки конструкции оно стремится к устойчивому значению, соответствующему внутренним и наружным климатическим условиям. Периодом колебаний влажности является год. Колебания влагосодержания, вызываемые внешними температурно-влажностными воздействиями, совпадают с изменениями последних по длительности периода, хотя и следуют за ними с некоторым запозданием.

Эта закономерность изменений влажностного состояния покрытий подтверждается имеющимися натурными исследованиями.

Практика эксплуатации бесчердачных покрытий показывает, что их разрушения, проявляющиеся в поражении биологическими процессами, вспучиваниях и отслоениях кровельного рулонного ковра и т. д., имеют место главным образом в течение первых лет службы и преимущественно в тех конструкциях, которые были выполнены в осенне-зимний период.

Во влажных климатических районах процесс высыхания покрытий растягивается на несколько лет, в течение которых возможны указанные выше разрушения, тогда как в сухих районах опасной является только первая зима после возведения покрытия.

Покрытия с рулонной кровлей наиболее опасны по сравнению с другими видами ограждающих конструкций с точки зрения возможности переувлажнения диффундирующей из помещения парообразной влагой, если эти ограждения в целом или их утепляющий слой выполнены из недостаточно плотных материалов; они должны быть предохранены от увлажнения необходимой пароизоляцией, расчет которой был указан выше.

Приведенные на предыдущих рисунках закономерности изменений влагосодержания бесчердачных деревянных покрытий могут быть с определенными коррективами распространены и на аналогичные однородные конструкции, выполненные из какого-либо другого материала.

При этом интенсивность сезонных ежегодных увлажнений будет зависеть от проницаемости материала и его влагоемкости, а сроки достижения равновесного влагосодержания — от внешних климатических условий и микроклимата ограждаемого помещения.

В отношении покрытий над отапливаемыми помещениями с нормальным влажностным режимом решающее значение для скорости естественной сушки имеет интенсивность солнечной радиации в рассматриваемой местности.

Радиационная естественная сушка наиболее эффективна и быстротечна; в северных районах с преобладанием облачной погоды, длительность процесса обезвоживания конструкции покрытия может распространяться на ряд лет, тогда как в местностях с солнечным летним климатом она резко сокращается.

Примечания

1. Длительность процесса естественной сушки, вычисленная из элементарного выражения (VI.37), может быть только очень приближенной, поскольку затруднительно полностью учесть характер распределения влаги по толщине конструкции, колебания наружной температуры и влажности и другие существенные особенности естественного процесса обезвоживания. Кроме того, в это выражение не входит начальное влагосодержание материала; в зависимости от его различных значений будет иметь место некоторое различие стадий и длительности сушки, что может быть учтено в формуле (VI.37) только изменением величины а.

2. По данным Н. И. Кравчени.

3. Р. Кадьерг. Изоляция и предохранение зданий. М., Госстройиздат, 1957.

4. Здесь а=1,0 сут/см² для ячеисто-бетонных конструкций, эксплуатируемых в сухом теплом климате.