В конструкциях стен, утепленных изнутри, это будет плоскость примыкания утеплителя к основной более плотной части; при утеплении стен снаружи — опасное сечение находится под наружным фактурным слоем; в покрытиях с многослойной рулонной кровлей опасной зоной является подкровельный слой. В конструкциях однородных стен помещений с влажностью не выше нормальной, зона наибольшего увлажнения расположена примерно на расстоянии 2/3 толщины от внутренней поверхности, поскольку равновесное влагосодержание материала в этой зоне наибольшее.
При разработке методов инженерного расчета кинетических процессов, к которым, в частности, относится диффузионное увлажнение конструкций, часто возникает необходимость рассмотрения предельно допустимых состояний этого процесса, существенным образом влияющих на эксплуатационные качества конструкции. Во многих кинетических процессах (например, постепенного разрушения, охлаждения, проницания, увлажнения и т. д.) такие предельно-допустимые состояния конструкции определяют основные этапы и даже методы соответствующих технических расчетов.
В зависимости от стойкости увлажняемых материалов (т. е., прежде всего, от степени постоянства их структурно-механических свойств при многократных изменениях влагосодержания и колебаниях температуры) и их сорбционной активности, допустимое состояние увлажнения может быть различным:
а) если конструкция выполнена в наиболее опасной для увлажнения части из недостаточно биостойких материалов (например, из древесины, торфоплит, фибролита и т. д.), предельно допустимым можно считать то влагосодержание, при котором вероятно возникновение разрушающих биологических процессов (для перечисленных выше материалов это будет весовая влажность 24%, примерно соответствующая по изотерме сорбции равновесному влагосодержа-нию при ?=90%);
б) для конструкций, выполненных из легких или ячеистых бел тонов и других биостойких и морозостойких материалов, влажностное состояние при возникновении конденсации влаги в опасном сечении (т. е. ?=100%) можно считать предельно допустимым, поскольку за весь предшествующий период увлажнения материалы этой конструкции находятся в стадии гигроскопической влажности и им не угрожает активное разрушение от длительных воздействий жидкой влаги, мороза или коррозии;
в) для конструкций, утепленных гидрофобными материалами с малой сорбционной активностью, но высокой стойкостью в увлажненном состоянии к внешним воздействиям, можно допустить некоторое накопление конденсата в опасной зоне конструкции.
При достижении допустимого влагосодержания или при возникновении конденсации парциальное давление в опасном сечении конструкции равно расчетному, ерасч. Давление ерасч принимается насыщающим Et в случаях б, в и несколько меньшим e90,t в случае а; потенциалом переноса влаги, вызывающим увлажнение, является разность ев.п—ерасч, а высыхание — ерасч—ен (рис. VI.15).
При определенном соотношении осушающего и увлажняющего потенциалов
количество водяного пара, диффундирующего сквозь конструкцию и не задерживающегося в зоне конденсации, обратно пропорционально отношению диффузионных сопротивлений наружной и внутренней части конструкции,
При определенных величинах ? отношение диффундирующего количества водяного пара Pдифф к той его части, которая увлажняет конструкцию Рувл, может быть выражено коэффициентом условий увлажнения n, величины которого изменяются в зависимости от отношения диффузионных сопротивлений
Величина коэффициента условий увлажнения может изменяться от n=1,0 для ограждений с непроницаемой наружной частью (в этом случае все диффундирующее количество водяного пара идет на увлажнение ограждения) до n?10,0 для конструкций с проницаемым наружным слоем (в этом случае на увлажнение ограждения идет незначительная часть диффундирующего пара).
При сильно проницаемой наружной части (или при наличии вентилируемой воздушной прослойки под наружным защитным слоем) величины n сильно возрастают, что свидетельствует о невозможности накопления влаги внутри конструкции за счет диффузии. В этих случаях расчета на увлажнение при диффузии водяного пара не требуется. Для таких конструкций не нужна параизоляция, поскольку сопротивление паропроницанию их внутренней части обычно достаточно.
Влажностное состояние материала конструкции зависит от особенностей распределения влаги по толщине увлажняемого слоя.
Такое распределение влаги связано с сорбционными свойствами увлажняемого материала, а в слоистых конструкциях также с сопротивлением проницанию и влагоемкостью соседнего более плотного конструктивного слоя, расположенного далее по течению пс| тока диффузии.
Поскольку в утепленных снаружи и однородных конструкция сухих отапливаемых помещений опасного накопления диффундирующей влаги происходить не может, объектами расчета на диффузионное увлажнение являются преимущественно слоистые конструкции с плотной наружной частью или защитным слоем.
На рис. VI.16. приведено характерное распределение сорбируемой влаги в увлажняемом слое с начальной влажностью, соответствующей 60% по изотерме сорбции1; такое распределение влаги установлено при высоком сопротивлении паропроницанию последующего слоя и отсутствии поглощения им накапливающейся влаги.
На основе характерного распределения влаги при увлажнении может быть определена весовая часть увлажняемого слоя, которая могла бы подвергнуться полному насыщению до верхнего сорбционного предела при таком распределении. Эта часть
(см. рис. VI.16).
Степень увлажнения материала внутри ограждающей конструкции, достигаемая в течение холодного периода года, зависит от количества водяного пара Р? проникающего путем диффузии в опасную зону конструкции и задерживающегося в этой зоне.
В общем виде поток водяного пара внутри ограждения:
где ?е — разность парциальных давлений, мм рт. ст.; Rп=?/? — сопротивление паропроницанию, мм рт. ст.·м2·ч/г; ? — время, ч.
В соответствии с этим:
где ев.п—ерасч — разность парциальных давлений водяного пара на поверхности конструкции, обращенной в помещение, и в плоскости конденсации при достижении допустимого расчетного предела; Rвп=??/? — сумма сопротивлений паропроницанию конструктивных слоев от поверхности конструкции, обращенной в помещение до плоскости конденсации (? — толщина слоя, м; ? — коэффициент паропроницаемости, г/м·ч·мм рт. ст.; ? — период увлажнения (длительность диффузии), ч; n — коэффициент условий увлажнения конструкции, устанавливаемой по формуле (VI.26).
С другой стороны предельно допустимое количество водяного пара, проникающего внутрь конструкции и вызывающее увлажнение до возникновения конденсации в опасном сечении, может быть выражено как
где ??? — вес увлажняемого слоя, кг/м2 (?? — толщина слоя, м, ? — объемный вес материала, кг/м3); ?100, ?x — соответственно максимальное сорбционное влагосодержание материала и его сорбционное влагосодержание к концу летнего периода, т. е. начальная весовая равновесная влажность перед процессом увлажнения,%; b?0,43 — коэффициент, выраженный в долях единицы и устанавливающий весовую часть слоя, подвергающуюся полному увлажнению.
При применении недостаточно биостойких материалов (т. е. для случая а), выражение (VI.28) может быть записано следующим образом:
где ?90 — сорбционное влагосодержание материала, соответствующее вероятному возникновению разрушающих биологических процессов.
Гидрофобные утепляющие материалы обладают ничтожной пароемкостью, а, кроме того, часто и минимальным объемным весом; в силу этого количество диффундирующей влаги, необходимое для возникновения конденсации в опасном сечении конструкции, весьма мало.
Если применяемые гидрофобные материалы отличаются в увлажненном состоянии высокой стойкостью к колебаниям температуры, уместно допустить внутри конструкции конденсацию некоторого количества влаги, могущего полностью испариться в течение одного-двух месяцев, после наступления теплого периода года. Таким количеством можно считать, например, 200—250 г/м2 к концу зимы.
Поскольку пароемкость минераловатных плит, войлока и других аналогичных легких материалов составляет 30—40 г/кг·мм рт. ст., допустимость указанного выше количества конденсата, превышающего в несколько раз значение пароемкости, можно обеспечить введением коэффициента 6,0 в выражение (VI.28), т. е.
Начальная весовая влажность материала к концу летнего периода зависит от климатических условий и может быть принята равной относительной влажности воздуха в дневные часы наиболее теплого летнего месяца (обычно июля).
Для сухих климатических районов такая начальная равновесная влажность ?х составляет около 50%, для умеренных — 60%, влажных — около 70% по изотерме сорбции.
Относительная пароемкость материала увлажняемого слоя будет различной при этих значениях сох, а именно:
В общем виде ?=m(?100—?х), где значения т для соответствующих условий указаны выше.
При применении недостаточно биостойких материалов относительная пароемкость материала должна быть ограничена верхним пределом влагосодержания ?90; тогда ее значения в различных климатических условиях будут:
Выражая формулу (VI.28) через относительную пароемкость материала, имеем:
где к=10·0,43/m, т. е. при использовании в конструкции ячеистых бетонов или других материалов с нормальной сорбционной активностью, соответственно равный 0,215; 0,172, 0,130 для сухих, умеренных и влажных районов.
При применении недостаточно биостойких материалов, значения коэффициента к будут соответственно равны 0,170; 0,130; 0,086, а при использовании стойких гидрофобных утеплителей с низкой сорбционной активностью — 1,29; 1,03 и 0,930.
Предельным условием, определяющим допустимость влажностного состояния конструкции к концу периода увлажнения, является равенство Р?=Р'?.
Приравнивая выражения (VI.27) и (VI.29), легко установить период времени ?, по истечении которого может возникнуть предельно допустимое влажностное состояние в опасном сечении конструкции:
и необходимое сопротивление паропроницанию внутренней части конструкции для того, чтобы в опасном сечении не возникло длительной конденсации (капиллярной или массовой) или недопустимого накопления конденсирующейся влаги:
В этих формулах коэффициент к0=к/24 уменьшен в 24 раза, поскольку длительность времени диффузии удобнее выражать не в часах, а в сутках.
Значения коэффициента к0=к/24 в формулах (VI.30) и (VI.31) можно принимать по табл. VI.3:
Относительная пароемкость пенобетона (от 60 до 100% по изотерме сорбции, рис. VI.17)
Сопротивление паропроницанию внутренней части конструкции до плоскости вероятной конденсации в подкровельном слое:
где сопротивление влагообмену на поверхности покрытия Rв.п=0,6 (при ?в=40%; см. формулу VI.22).
Отношение сопротивлений наружной и внутренней частей ?=18,6/6,9=2,7 и коэффициент условий увлажнения по формуле (VI.26)
Продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения, (VI.30)
что превышает длительность периода диффузии, продолжающегося в Харькове около четырех месяцев.
Для слоистых покрытий в виде железобетонных плит с тщательно заделанными стыками, окрасочного (битумного) пароизоляционного слоя, утепления из пенобетонных плит и рулонной кровли продолжительность увлажнения, при рассмотренных выше условиях, также будет превышать длительность диффузии, в связи с чем более сложные расчеты влажностного состояния таких конструкций не требуются.
Продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения однородных массивных стен (за счет диффузии водяного пара), превышает длительность холодного периода года, в течение которого может происходить диффузия. В связи с этим графо-аналитический расчет влажностного состояния таких ограждений утрачивает практический смысл.
Лишь для предельно облегченных конструкций, выполняемых с применением эффективных теплоизоляционных материалов, защищенных со стороны помещения тонкими отделочными слоями из сравнительно паропроницаемых материалов, продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения, мала.
Такова, например, конструкция бесчердачного покрытия из асбестоцементных листов (?=8 мм, ?=0,0035) с окрасочной паро-изоляцией, минераловатным утеплителем и трехслойной рулонной кровлей, наклеенной по верхнему листу асбестоцемента.
В связи с предельной легкостью такого покрытия, расчет накопления влаги, конденсирующейся в виде инея на нижней поверхности асбестоцементного листа под рулонной кровлей, должен производиться за полную длительность холодного периода года.
Для подобных конструкций даже в помещениях с нормальной влажностью внутреннего воздуха следует применять внутренние защитные слои с очень большим сопротивлением паропроницанию (листы из плотных пластмасс, алюминия, асбестоцемента, покрытого толстой (многослойной) защитной пленкой на основе полимерных материалов и т. д.), так как применение в аналогичных конструкциях с рулонной кровлей более проницаемых отделок может привести к периодической ежегодной конденсации влаги в подкровельном слое и постепенному разрушению конструкции.
Расчет необходимого сопротивления паропроницанию внутренней части проектируемой конструкции покрытия над влажным помещением и ее необходимой влагоизоляции приведен в следующих примерах.
Для конструкций слоистых панельных стен влагоизоляция может потребоваться только в тех случаях, когда эти ограждения утеплены очень проницаемыми теплоизоляционными материалами.
При использовании для утепления панелей ячеистых бетонов специальной влагоизоляции обычно не требуется.
Примечания
1. В соответствии с данными К. Ф. Фокина для пенобетонных покрытий, рассчитываемых методом последовательного увлажнения.
2. Температуру наружного воздуха при таком расчете обычно принимают равной средней температуре самого холодного месяца в данной местности.