Статья знакомит с расчетами влажностного режима основных типов ограждающих конструкций с применением автоклавного газобетона D300, D400, D500, D600 при различных климатических условиях строительства РФ. По результатам данных расчетов будет определена эксплуатационная влажность для каждой марки газобетона в соответствующей конструкции для заданных условий эксплуатации. Эти результаты будут представлять как отдельный интерес, так и будут использованы для расчетов эффективной теплопроводности кладок из газобетонных блоков.
УДК 69.04
П.П. ПАСТУШКОВ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник лаборатории «Строительная теплофизика» НИИСФ РААСН, Москва
Ключевые слова: автоклавный газобетон, плотность, теплопроводность, влажностный режим, паропроницаемость, сорбция
Keywords: autoclaved aerated concrete, density, conductivity, humidity conditions, water vapor permeability, sorption
В процессе эксплуатации зданий влажностное состояние материалов ограждающих конструкций изменяется в зависимости от конструктивных особенностей, свойств материалов, температурно-влажностных условий в помещениях, климатических условий района строительства. Влажностный режим определяет эксплуатационные свойства ограждающих конструкций здания. Он непосредственно влияет на теплозащитные свойства, коррозию металлических деталей, прочностные свойства, напряженно-деформированное состояние, долговечность и эстетику конструкций.
Расчеты влажностного режима позволяют решать различные задачи строительной теплофизики. Например, стационарная методика оценки влажностного режима из [1] позволяет проверить конструкцию по условиям недопустимости накопления влаги в ней за годовой период эксплуатации и ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха [2]. Расчеты по нестационарным методикам позволяют давать не только качественные оценки влажностного состояния ограждающих конструкций, но и конкретные количественные результаты по влагосодержанию в слоях строительных материалов. Основным результатом расчетов влажностного режима ограждающих конструкций по нестационарным методикам является распределение влажности по толщине конструкции в любой момент времени после начала эксплуатации. Из этого результата можно получить ответы на частные задачи: возможность выпадения конденсата между слоями материалов или на внутренней поверхности стены [3]; срок удаления строительной влаги из конструкции; подбор оптимального варианта отделки стены для сокращения данного срока либо же с целью защиты от увлажнения косыми дождями; значение эксплуатационной влажности строительных материалов.
На решение последней задачи для автоклавного газобетона марок D300-D600 в составе типовых ограждающих конструкций при различных климатических условиях строительства РФ направлена комплексная работа, проводимая лабораторией «Строительная теплофизика» Научно-исследовательского института строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН). Актуальность этой работы обусловливается тем фактом, что автоклавный газобетон в настоящее время является самым распространенным материалом в наружных ограждающих конструкциях зданий, а последние крупные исследования по данной тематике проводились для ячеистых бетонов, имевших другие тепловлажностные характеристики [4]. (С тех времен был практически полностью заменен парк оборудования, изменились технологии и составы, из-за повышения норм к теплозащите более широкое применение получили марки пониженной плотности D300 и D400). Изложению некоторых результатов данной работы посвящена настоящая статья.
Эксплуатационная влажность – это равновесное влагосодержание материала в ограждении относительно воздействующих на него влажностных факторов внутренних и наружных сред. Влагосодержание в материале становится равновесным после прохождения стадий строительства и послепостроечной (влажности в первые годы) эксплуатации [5, 6]. Срок выхода влажностного режима конструкции на квазистационарный (практически неизменяемый на временном интервале одних суток, однако периодически изменяемый в течение года) сильно зависит от начальной (технологической) влажности материала, состава конструкции и климатических условий строительства. Результаты натурных и численных исследований показывают, что для конструкций с применением газобетона этот срок составляет от 1 до 3 лет [5-8].
Основным способом определения эксплуатационной влажности являются натурные исследования, т.к. по их результатам возможно установить распределение влажности для конкретной конструкции при конкретных условиях эксплуатации. Однако результаты натурных исследований даже для одного типа конструкций при одних и тех же эксплуатационных условиях могут иметь большой разброс [7]. Именно по статистическим данным большого количества натурных исследований, а также по экспертным оценкам были назначены значения расчетной влажности в условиях эксплуатации А и Б из приложения Т [1]. Данные значения переносятся в СНиП «Тепловая защита зданий» из редакции в редакцию лишь с небольшими изменениями и дополнениями, и для некоторых типов материалов их следует признать устаревшими. Это относится, например, к газобетону, где влажности в условиях эксплуатации А и Б приняты равными 8 и 12%, соответственно (пп. 176-179 приложения Т [1]). Однако в настоящее время повторить всеобъемлющие натурные исследования, которые легли в основу таблицы расчетных теплотехнических показателей СНиП, не представляется возможным, т.к. государственное финансирование научно-исследовательской деятельности в строительстве фактически не ведется, а также отсутствует постоянная взаимосвязь между предприятиями строительной отрасли и отраслевыми НИИ, что было налажено в советское время.
Поэтому несмотря на то что изредка натурные исследования все-таки проводятся, следует признать, что использование численных методов расчета влажного режима ограждающих конструкций сейчас является более перспективным [9]. Нестационарные методы расчета влажностного режима известны с 1930-х годов [10], а в 1984 г. в НИИ строительной физики было выпущено руководство по применению таких расчетов [11]. В последние годы силами НИИСФ проведена актуализация данного метода и выпущен новый стандарт [12]. Для проведения расчетов по математической модели, предложенной в [12], необходимы следующие исходные данные.
1) характеристики граничных условий:
— температура наружного воздуха, переменная в течение года, принимаемая по [13];
— температура внутреннего воздуха, переменная либо постоянная в течение года, принимаемая в соответствии с условиями проектирования;
— относительная влажность наружного воздуха, переменная в течение года, либо принимаемая по [13];
— относительная влажность внутреннего воздуха, переменная либо постоянная в течение года, принимаемая в соответствии с условиями проектирования;
— коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности, переменные либо постоянные в течение года, вычисляемые для условий решаемой задачи, либо принимаемые по [1].
Числовые значения этих величин необходимо иметь на начало каждого месяца, изменение их в течение месяца принять линейным.
2) характеристики материалов конструкции.
В табл. 1 приведен необходимый для расчетов по предложенной математической модели ряд свойств материалов и методы их измерения.
Таблица 1. Необходимые характеристики материалов
| Наименование характеристики материала | Обозначение | Значения в таблицах | Метод определения |
| Плотность | ρ | СНиП 23-02-2003 | ГОСТ 12730.1-78 |
| Удельная теплоемкость | с | СНиП 23-02-2003 | ГОСТ 23250-78 |
| Теплопроводность | λ | СНиП 23-02-2003 | ГОСТ 7076-99 |
| Изотерма сорбции | φ(w) | ГОСТ 24816-2014 | |
| Коэффициент паропроницаемости | μ | СНиП 23-02-2003 | ГОСТ 25898-2012 |
| Коэффициент капиллярного всасывания | К | ГОСТ Р 56505-2015 | |
| Коэффициент статической влагопроводности | β | ГОСТ Р 56504-2015 | |
| Коэффициент динамической влагопроводности | βдин | ГОСТ Р 56504-2015 |
3) характеристики конструкции: толщина и порядок расположения однородных слоев в конструкции; места расположения пароизоляционных слоев и величина их сопротивления паропроницаемости; начальная (технологическая) влажность материалов конструкции.
Поскольку табличные данные тепловлажностных характеристик из [1] для газобетона устарели, то был проведен ряд экспериментальных исследований. Наиболее значимыми следует признать полученные результаты исследований паропроницаемости и сорбции водяного пара, т.к. впервые за последние годы силами одной испытательной лаборатории по проверенным методикам ГОСТ и на специальном оборудовании были одновременно испытаны все основные марки автоклавного газобетона современного производства. Также впервые для образцов современного газобетона были апробированы методики и получены результаты исследований капиллярного всасывания и влагопроводности.
Таблица 2. Результаты исследований сорбции образцами газобетона
| Марка газобетона | Сорбционная влажность, масс. %, при температуре (20±2)оС и относительной влажности воздуха, % | ||||
| 40 | 60 | 80 | 90 | 97 | |
| D300 | 0,102 | 0,36 | 1,9 | 3,15 | 6,3 |
| D400 | 0,063 | 0,22 | 1,32 | 2,48 | 4,54 |
| D500 | 0,036 | 0,16 | 1,23 | 2,19 | 4,25 |
| D600 | 0,021 | 0,083 | 1,1 | 2,08 | 4,00 |
Осредненные результаты экспериментальных исследований сорбции водяного пара образцами газобетона представлены в табл. 2, изотермы сорбции – на рис. 1.
Таблица 3. Результаты исследований паропроницаемости газобетона
| Марка газобетона | Средняя плотность образцов, ρ, кт/м3 | Сопротивление паропроницанию, R, м2⋅ч⋅Па/мг | Паропроницаемость, μ, мг/(м⋅ч⋅Па) |
| D300 | 330 | 0,198 | 0,126 |
| D400 | 410 | 0,215 | 0,120 |
| D500 | 504 | 0,240 | 0,105 |
| D600 | 634 | 0,268 | 0,095 |
Полученные данные можно обобщить выводом: чем меньше плотность газобетона, тем больше сорбция. Это объясняется большей пористостью образцов при понижении плотности.
Таблица 4. Температуры на начало месяца
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Москва | -8,75 | -9,7 | -6,75 | 0,05 | 8,15 | 13,95 | 17,05 | 17,2 | 13,5 | 7,5 | 1,2 | -4,6 |
| Санкт-Петербург | -6,4 | -7,8 | -5,85 | -0,4 | 6,45 | 12,4 | 16,4 | 16,9 | 13,45 | 7,9 | 2,3 | -2,65 |
| Владивосток | -11,15 | -11,45 | -6,1 | 1,2 | 7,35 | 11,85 | 16,15 | 19,75 | 18,9 | 13,25 | 4,7 | -4,75 |
| Краснодар | -0,25 | -1,1 | 1,85 | 7,8 | 14,15 | 18,85 | 22 | 23 | 20,15 | 14,5 | 8,5 | 3,35 |
| Екатеринбург | -14,3 | -14,55 | -10,25 | -2,1 | 6,35 | 12,55 | 16,15 | 16,05 | 12,05 | 5,2 | -2,8 | -9,95 |
| Новосибирск | -17,65 | -18,05 | -13,7 | -4,3 | 5,9 | 13,5 | 17,85 | 17,4 | 12,95 | 6 | -3,65 | -12,85 |
Таблица 5. Относительная влажность воздуха на начало месяца
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Москва | 84,5 | 82,5 | 79,5 | 72 | 62 | 58,5 | 61 | 65,5 | 70,5 | 75,5 | 80 | 83,5 |
| Санкт-Петербург | 87 | 85 | 81 | 75,5 | 69,5 | 67 | 69,5 | 74 | 79 | 82,5 | 85,5 | 87,5 |
| Владивосток | 63,5 | 64 | 65,5 | 68 | 73 | 82,5 | 90 | 90 | 83 | 73 | 65 | 62,5 |
| Краснодар | 84,5 | 83,5 | 79,5 | 72,5 | 67,5 | 66,5 | 65 | 63,5 | 65,5 | 72 | 79 | 83 |
| Екатеринбург | 80,5 | 78 | 73,5 | 67,5 | 61 | 59 | 64 | 70 | 73,5 | 76 | 78 | 80 |
| Новосибирск | 81 | 79 | 78 | 74 | 64,5 | 62,5 | 69 | 74 | 76 | 76,5 | 79,5 | 82 |
Осредненные результаты определения сопротивления паропроницанию и расчетов коэффициента паропроницаемости основных марок газобетона представлены в табл. 3. Вывод по данным исследованиям заключается в том, что чем выше плотность газобетона, тем больше сопротивление паропроницанию и, соответственно, ниже коэффициент паропроницаемости. Были проведены пробные расчеты нестационарного влажностного режима многослойных ограждающих конструкций с использованием основных типов эффективных утеплителей в климатических условиях различных городов строительства. Исследованы стены из газобетона марки D500 с фасадной системой со скрепленной теплоизоляцией (СФТК) с наружным тонким штукатурным слоем. При расчетах принималось, что температура и влажность в помещении остаются постоянными в течение года и равны +20оС и 55%, соответственно. Температура и относительная влажность воздуха снаружи изменяется, в табл. 4 и 5 представлены данные из [13], рассчитанные на начало месяца. На рис. 2-4 представлены графики распределения влажности по толщине конструкций в различных городах строительства, полученные в результате численных расчетов по разработанной программе. Результаты приведены на начало февраля и начало августа, соответственно, после 3-х лет эксплуатации здания. Месяцы выбраны из условия наибольшего и наименьшего влагонакопления внутри конструкции. Подобным образом будут проведены дальнейшие расчеты влажностного режима основных типов ограждающих конструкций с применением автоклавного газобетона D300, D400, D500, D600 при различных климатических условиях строительства РФ. По результатам данных расчетов будет определена эксплуатационная влажность для каждой марки газобетона в соответствующей конструкций для заданных условий эксплуатации. Эти результаты будут представлять как отдельный интерес [14], так и будут использованы для расчетов эффективной теплопроводности кладок из газобетонных блоков [15].
Библиографический список
1. СП 50.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
2. Пастушков П.П. Численное и экспериментальное исследование охлаждения ограждающей конструкции после выключения отопления // Вестник МГСУ, № 7, 2011, с. 312-318.
3. Пастушков П.П., Лушин К.И., Павленко Н.В. Отсутствие проблемы выпадения конденсата на внутренней поверхности стен со скрепленной теплоизоляцией // Жилищное строительство, № 6, 2014, с. 42-44.
4. Пастушков П.П., Гринфельд Г.И., Павленко Н.В., Беспалов А.Е., Коркина Е.В. Расчетное определение эксплуатационной влажности автоклавного газобетона в различных климатических зонах строительства // Вестник МГСУ, № 2, 2015, с. 60-70.
5. Гаевой А.Ф., Качура Г.А. Качество и долговечность ограждающих конструкций из ячеистого бетона. – Харьков: Вища школа, 1978, – 224 с.
6. Гринфельд Г.И., Куптараева П.Д. Кладка из автоклавного газобетона с наружным утеплением. Особенности влажностного режима в начальный период эксплуатации // Инженерно-технический журнал, № 8, 2011, с. 41-50.
7. Васильев Б.Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий. – М.: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1957, – 214 с.
8. Силаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. – М.: Стройиздат, 1986, 176 с.
9. Пастушков П.П., Павленко Н.В., Коркина Е.В. Использование расчетного определения эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов // Строительство и реконструкция, № 4 (60), 2015, с. 168-172.
10. Фокин К.Ф. Расчет последовательного увлажнения материалов в наружных ограждениях. В кн.: Вопросы строительной физики в проектировании. – М.-Л.: Стройиздат. 1941, с. 2-18.
11. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. – М.: Стройиздат, 1984, – 168 с.
12. ГОСТ 32494-2013. Межгосударственный стандарт «Здания и сооружения. Метод математического моделирования температурно-влажностного режима ограждающих конструкций».
13. СП 131.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».
14. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Определение расчетной влажности строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство, № 8, 2015, с. 28-33.
15. Пастушков П.П. Влияние влажностного режима ограждающих конструкций с наружными штукатурными слоями на энергоэффективность теплоизоляционных материалов. – Дисс. … канд. техн. наук. – Москва, 2013, – 169 с.
