Экспериментальное сравнение характеристик паропроницаемости основных строительных материалов

journal homepage:

Водяной пар является одним из компонентов атмосферного воздуха. В помещениях гражданских зданий пар образуется как результат жизнедеятельности человека (дыхание, мойка посуды, стирка, принятие душа и т.п.), как следствие наличия воды с открытой поверхностью (например, в бассейнах) и как результат различных технологических процессов. Водяные пары имеют свойство проникать из областей с более высокой абсолютной влажностью в области с более низкой абсолютной влажностью [1]. Даже при удалении избытков водяного пара из помещений системами вентиляции водяные пары будут попадать в поры ограждающих конструкций зданий, двигаясь изнутри наружу. В климатических условиях России возможна конденсация пара в ограждающих конструкциях и постепенное разрушение строительных конструкций [2]. В связи с этим, одна из важных задач строительства – спроектировать наиболее энергоэффективные конструкции таким образом, чтобы избежать конденсации водяного пара в них. В настоящее время решение данной задачи основывается на [3, 4, 5]

Наружные водяные пары могут проникнуть в здание двумя способами. Один из которых – диффузия, второй – с током воздуха [6, 7, 8]. Так как теплоизоляция, которую чаще всего применяют в современном строительстве, создает надежную защиту от нежелательных воздушных потоков, то, следовательно, диффузии следует уделять больше внимания [9-12].

При проектировании многослойных ограждающих конструкций часто руководствуются таким понятием как «паропроницаемость» строительного материала. Также имеет место понятие «сопротивление паропроницанию». При этом стремятся обеспечить принцип «паропроницаемость должна возрастать изнутри наружу».

Паропроницаемость теплоизоляционных материалов существенно влияет на влагоперенос через ограждающие конструкции. В свою очередь, это является одним из важных критериев, оказывающих влияние на термическое сопротивление конструкции [13-17].

Для определения паропроницаемости строительных материалов в испытательном центре СПбГПУ выполнена серия экспериментальных работ. Объектами исследования являются образцы размером 100х100х30мм следующих строительных материалов: камень стеновой бетонный марки СКЦ 1Р-1, изготовленный по ГОСТ 6133 [18], плотностью 2282 кг/м3; камень полнотелый стеновой керамзитобетонный марки КСКЦ 40-20-19-50/950 – по ГОСТ 6133 [18] плотностью 969 кг/м3; глиняный обожженный кирпич полнотелый – по ГОСТ 530-2012 [19] плотностью 1693 кг/м3; газобетон автоклавного твердения марки D600 – по ГОСТ 31359-2007 [20] плотностью 561 кг/м3. Также образец размером 100х100х20мм, выполненный из дерева (сосна) по ГОСТ 9463 [21], плотностью 460 кг/м3.

Методика измерений характеристик паропроницаемости строительных материалов базируется на основании [22]. Расчет характеристик включает в себя:

• -  выбор материалов (объектов исследования);

• -  проведение испытания в лаборатории;

• -  вычисление плотности потока водяного пара через образец;

• -  обработку результатов испытания.

Рисунок 1. Образцы испытываемых материалов (слева направо): дерево (сосна), газобетон ав токлавного твердения марки D600, камень полнотелый стеновой керамзито-бетонный марки КСКЦ 40 -20-19-50/950, камень стеновой бетонный марки СКЦ 1Р-1, глиняный обожженный полнотелый кирпич

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №10 (25)

Литературный обзор

Изучению характеристик паропроницания в строительных материалах и ограждающих конструкциях посвящено множество работ [23-28] таких авторов как: Куприянов В.Н, Сафин И.Ш., Перехоженцев А.Г., Козлов В.В., Ильинский В.М., Гагарин В.Г., Ушков Ф.В., Тертичников Е.И., Фокин К.Ф., Вытчиков Ю.С., Богословский В.Н., Лыков А.В., Мачинский В.Д., Франчук А.У., Одельская Э.Х. и др. Исследования проникновения и переноса пара в конструкциях основываются на идеях, изложенных в СНиП всех лет изданий.

Мачинский В.Д. одним из первых рассмотрел роль диффузии и конденсации водяного пара в ограждающих конструкциях. Свои результаты он опубликовал в работе [23], где подробно описал проблему влажностного состояния ограждающих конструкций. Позже Фокин К.Ф. количественно оценил данную проблему, в статье [24] также приведен метод определения зоны конденсации, расчет паропроницаемости материалов ограждающей конструкции.

Куприянов В.Н. совместно с Петровым А. С. изучали паропроницаемость материалов в условиях, приближенных к эксплуатационным. В своей работе [25] они опубликовали закономерности переноса пара через ограждающую конструкцию, описали методику, которая учитывает движение воздуха над образцом материала, на ее основе была построена зависимость изменения коэффициента паропроницаемости от времени. Результаты эксперимента указали на актуальность продолжения исследования в связи с тем, объяснить колебания коэффициента паропроницаемости на имеющемся экспериментальном материале пока не представляется возможным.

В работе [26] Перехоженцев А.Г. на основе баланса сопротивлений теплопередаче и паропроницанию материалов определяет условия, при которых образуется плоскость конденсации, либо зона конденсации, которую в дальнейшем изучает Вытчиков Ю.С., выполняя расчет требуемого сопротивления паропроницанию от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации [21].

Статья Перехоженецева А.Г. и Жукова А.Н. [28] посвящена экспериментальному определению коэффициента паропроницаемости жидкого керамического утеплителя типа «Корунд-Классик». Результаты экспериментальных исследований показали, что коэффициент испытуемого образца близок по значению к материалам, используемых в качестве гидроизоляционных покрытий. Авторами разработаны рекомендации по применению.

Важным аспектам закономерностей паропроницания за рубежом посвятили свои публикации [29-35] авторы: Rogers T., Hartwig М., Wilkinson, Ueno K., Lstiburek J., Vinha J., Valovirta I., Gomez I., Sala M. J., Millan J.A и др.

Rogers T. в работе [29] внес одно из самых рациональных предложений при проектировании конструкции: отдельные слои в многослойных конструкциях стоит располагать таким образом, чтобы паропроницаемость возрастала от внутренней стороны к наружней, причем здание будет эксплуатироваться дольше, если паропроницаемость наружного слоя, как минимум, в 5 раз будет больше паропроницаемости внутреннего слоя.

Статья Vinha J., Valovirta I. [30] основана на свойствах перехода водяного пара и теплопроводности при различных температурах и относительной влажности в северных климатических условиях. В статье представлен расчет характеристик для разных строительных материалов, эффекты изменения характеристик паропроницаемости в зависимости от влажности и температуры.

Несмотря на большое количество публикаций по данной тематике [23-35], исследование паропроницаемости строительных материалов остается актуальным и требует дальнейшего изучения. Особенно это связано с появлением новых строительных материалов, характеристики которых не включены в СНиП. Стандартные методы определения паропроницаемости материалов не моделируют условий их эксплуатации в ограждающих конструкциях, в связи с этим вопрос по изучению характеристик паропроницаемости остается открытым.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №10 (25)

Цель и задачи исследования

Целью наших исследований является дополнение характеристик паропроницаемости, которые неполно отражаются в нормативных документах [36]. Для составления рекомендаций по использованию данных для расчетов по СНиП паропроницаемости наружных ограждающих конструкций пользуются сравнением коэффициентов паропроницаемости основных строительных материалов, в том числе и современных.

Основные задачи исследования формулируются следующим образом:

• -    проведение лабораторных испытаний в соответствии с [22];

• -    расчет плотности потока водяного пара через образец, сопротивления паропроницанию слоя материала, коэффициента паропроницаемости материала каждого образца.

Описание исследования и обработка результатов испытания

Объекты исследования: дерево (сосна), газобетон автоклавного твердения марки D600, камень полнотелый стеновой керамзито-бетонный марки КСКЦ 40-20-19-50/950, камень стеновой бетонный марки СКЦ 1Р-1, глиняный обожженный кирпич полнотелый. Образцы материалов, подготовленные в соответствии с [22], помещают на перфорированную полку шкафа, на нижней полке которого размещен cосуд с насыщенным водным раствор шестиводного азотнокислого магния. Схема прибора для определения паропроницаемости одинакова для всех испытываемых образцов, изображена на рисунках 2, 3. В шкафу размещают термометр, термограф и гигрограф для измерения относительной влажности воздуха в шкафу температуры при проведении испытания. Шкаф плотно закрывают и через каждые семь суток после начала исследования достают и взвешивают чашку с дистиллированной водой, затем возвращают в исходное положение для продолжения испытания.

Рисунок 2. 1–стеклянная пластинка; 2– пластилин; 3–дистиллированная вода; 4–чашка для дистиллированной воды; 5–обойма для образца; 6– парафин, сверху покрытый пластилином; 7– образец испытываемого материала.

Рисунок 3. Образец стенового бетонного камня марки СКЦ 1Р-1, изъятый из шкафа для взвешивания при испытании.

По результатам каждого взвешивания для образца определяется плотность потока водяного пара q в мг/(ч·м²)по формуле [22]:

Δ m q =       ,

ΔτF где  Δm – разница массы дистиллированной воды в чашке между двумя взвешиваниями, мг;

Δ τ – время между двумя последовательными взвешиваниями, ч;

F – площадь образца, м²;

Испытание завершилось после того, как значения плотности потока, вычисленные по результатам нескольких последовательных взвешиваний, перестали изменяться. При расчете сопротивления паропроницанию материала за плотность потока водяного пара принято наименьшее значение из полученных результатов.

Сопротивление паропроницанию R в (м² ·ч·Па)/мг вычисляется по формуле:

_{R =} P 1 - P 2 _- δ в _, q     µ _в

где P 1 – парциальное давление насыщенных паров воды при температуре испытания, Па; δ _в – толщина воздушного слоя от уровня воды до нижней грани образца, м;

µ _в – паропроницаемость воздуха в обойме с образцом, равная 1,01 мг/(м·ч·Па);

P 2 – парциальное давление паров воды над образцом, Па, определяется по формуле:

P = ^{ϕ P 1}

• ²   100% ^,

ϕ – среднее значение относительной влажности воздуха в шкафу с образцами за последние 7 суток, % Коэффициент паропроницаемости образца материала определяется по формуле:

δ µ =    ,

R где δ – толщина образца, м.

Приведем таблицу с результатами, полученными для всех образцов (c. 102)

Заключение

По результатам проведения серии лабораторных испытаний по определению характеристик паропроницаемости основных строительных материалов сделаны следующие выводы:

• 1.    Образец материала стенового бетонного камня марки СКЦ 1P-1 обладает наименьшей паропроницаемостью, в то время как образец камня полнотелого стенового керамзито-бетонного марки КСКЦ 40-20-19-50/950 имеет паропроницаемость на 81% больше. Значения паропроницаемости образцов материала полнотелого глиняного кирпича и материала газобетона автокавного твердения марки D600 близки между собой и лежат в промежутке между значениями образцов стеновых камней, что на 31% и 25% соответственно меньше паропроницаемости образца полнотелого стенового керамзито-бетонного камня марки КСКЦ 40-20-19-50/950.  Паропроницаемость дерева отличается на 50% от

• 2.    Получены новые данные по материалам, которые неполно отражены в НД нормативных документах [36].

паропроницаемости материала камня стенового бетонного марки СКЦ 1Р-1;

Таблица 1. Результаты измерений

Материал образца	Расчетные характеристики							Измеренные значения паропроницаемо сти
	1— о о I X CL -0) |J_ g га -о га га: о. га ю 5 о EZ	5 га . га со о га О	га ^ ° S> Л О 8 ° » н га: о о га и EZ	о ь 2 4 га т  га;  со ^ « т ° 5 s 8 ? 5 га                  I т rat га" о О О * §	0) £ т О qj CD QJ ГО 01 о -§ £ §Л 01 с 01 5 О X 1= 5 га т ш Р ” 1 К s га о EZ га	ГО ГО со „ га ° ^ га  8 га г о    > 8 га га ”  о Е ю га о о ° т га э о	га 4 га 5 с га 9 га о га га га о й га EZ	ш 8. of СО О га	га =5 о га га га О со га га £
Камень стеновой бетонный марки  СКЦ 1Р-1	0,01	30	476,19	0,06	2643	81	2141	0,995	0,03
Камень полнотелый стеновой керамзитобетонный марки КСКЦ 40-20-1950/950	0,01	30	1488,10	0,054	2925	88	2574	0,182	0,16
Глиняный обожженны й    кирпич полнотелый	0,01	30	1369,05	0,051	2486	82	2039	0,276	0,11
Газобетон автоклавног о твердения марки D600	0,01	30	1547,62	0,049	2486	82	2039	0,241	0,12
Дерево (сосна)	0,01	20	1369,05	0,049	2643	81	2141	0,318	0,06