автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование процессов влагопереноса в пористых строительных материалах при решении задач прогноза влажностного состояния неоднородных ограждающих конструкций зданий

Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия

11а правах рукописи

Г1ЕРЕХОЖЕНЦЕВ АНАТОЛИЙ ГЕОРГИЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОРИСТЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПРОГНОЗА ВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

с О' О

Специальности: 05.23.01 - Строительнь^^о^^укцйДжшия и сооружения 05.23.03 - Тегыоснаб^ерне, в^ийндйя^'КО![диционировшме

* У^ л О ЧУ

... п;

Дис^¥ация^а1саис кариетрШ степени

д^тора тех11^.н^ских наук

Москва 1998г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................. 6

1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ БЛАГО- И ТЕПЛОПЕРЕНОСА В НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЯХ ЗДАНИИ

1.1.Методы расчетов влажностно-теплового режима ограждающих конструкций зданий..................................... 12

1.2.Физико-математическая постановка задачи для расчета нестационарного влажностно-теплового режима неоднородных наружных ограждений зданий по градиентам парциальных давлений водяного пара, влагосодержаний и температуры.................. 16

1.3.Постановка задачи для расчета нестационарного влажностно-теплового режима неоднородных ограздений зданий по градиентам потенциала влагопереноса и температуры............. 23

2. СОРБЦИОННЫЕ И КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОРИСТЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ

2Л.Модель пористого строительного материала как дисперсной системы................................................... 27

2.2.Адсорбция, десорбция и капиллярное испарение водяных паров в пористых строительных материалах...................... 36

2.3.Методика расчета характеристик пористой структуры

по изотерме капиллярного испарения........................... 44

2.4.Изменение удельной свободной поверхности пор при увлаженении материала. Извилистость пор....................... 58

2.5.Анализ результатов расчета характеристик пористой структуры некоторых пористых строительных материалов.......... 65

3. ПОТЕНЦИАЛ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ ВО ВЛАЖНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ

3.1. Развитие'теории и практики применения потенциала

влагопереноса в капиллярно-пористых материалах..............................76

3.2. Адсорбционный потенциал........................................................80

3.3. Абсолютный потенциал влагопереноса..................................83

3.4. Относительный потенциал влагопереноса............................90

4. ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦ ИЕНТОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПОРИСТОИ СТРУКТУРЫ В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

4.1. Перенос парообразной влаги. Коэффициенты диффузии

водяного пара в пористых материалах.......................... 97

4.2. Перенос жидкой фазы влаги. Пленочное и объемное капиллярное течение жидкости в изотермических условиях. Коэффициенты изотермической влагопроводности................. 107

4.3. Совместный перенос жидкой и парообразной влаги в в изотермических условиях. Коэффициенты при совместном влагопереносе................................................ 120

4.4. Неизотермический перенос влаги.

Термовлагопроводность........................................ 130

4.5. Экспериментальные исследования коэффициентов влагопереноса................................................ 140

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЛАХНОСТЫХ ХАРАКТЕРСТЖ ВЛАЖНЫХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

5.1. Определение количества замерзшей воды в пористых

материалах при отрицательных температурах.................... 149

5.2. Изменение коэффициентов теплопроводности влажных пористых материалов в зависимости от влагосдержания и температуры.................................................. 154

5.3.Изменение коэффициентов диффузии влаги во влажном пористом материале в зависимости от температуры и

влаго содержания.............................................. 163

6. ТЕОРИЯ И РАСЧЕТЫ ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА НЕОДНОРОДНЫХ УЧАСТКОВ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИИ НА ОСНОВЕ ПОТЕНЦИАЛА ВЛАГОПЕРЕНОСА

6.1. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных

уравнений нестационарной тепло- и влагопроводности для двумерной неоднородной области.................................. 170

6.2. Алгоритм и описание программы для решения задачи влажностно-теплового режима неоднородных участков ограждающих конструкций зданий на основе потенциала влажности........ 191

6.3. Пример расчета влажностно-теплового режима неоднородных участков ограждающих конструкций зданий......... 197

6.4. Анализ результатов прогноза температуно-влажностного

режима неоднородных участков ограждающих конструкций зданий... 210

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................................217

Приложения 1-7. Пористая структура и тепловлажностные

характеристики некоторых пористых строительных материалов________221

Приложение I. Цементно-песчанный раствор 1:2..............................228

Приложение 2. Газосиликат....................................................................235

Приложение 3. Керамзитобетон..............................................................242

Приложение 4. Кирпич красный................................249

Приложение 5. Минеральная вата..............................................256

Приложение 6. Древесина (береза)......................................................263

Приложение 7. Пеногипс..........................................................................270

Приложение 8.Программа (сарыч расчета на ЭВМ характеристик пористой структуры и тепло-влажностных характеристик пористых

строительных материалов............................................................................271

■Приложение 9.Программа (тъг) расчета на ЭВМ нестационарного температурно-влажностного режима неоднородных участков наружных

ограждений зданий........................................................................................276

Приложение 10. Справка о внедрении................................................295

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ......................307

ВВЕДЕНИЕ

С внедрением в практику современного строительства наружных ограждающих конструкций зданий из пористых строительных материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами, позволяющими уменьшить их толщину и вес, влажностный режим стал оказывать существенное влияние на эксплуатационные качества этих конструкций. Объясняется это тем, что они имеют меньшую по сравнению с традиционными (например, кирпичными, однослойными керамзитобетонными и т.п.) толщину, поэтому концентрация влаги в порах материалов на единицу толщины конструкции принимает такие значения, которые становятся определяющими с точки зрения их теплозащитных свойств и долговечности. Особенно ярко это проявляется на неоднородных участках многослойных ограадающих конструкций зданий.

К неоднородным обычно относят ограждающие конструкции зданий или их участки, состоящие из нескольких строительных материалов с различными свойствами, геометрия которых искажает потоки тепла и влаги. Поэтому влажностно-тепловой режим таких конструкций необходимо рассматривать как минимум для двумерной области. В реальных условиях это сопряжения элементов наружных ограждений зданий с несущими конструкциями, а также неоднородности внутри самих ограждающих конструкций (ребра жесткости, диафрагмы, термовкладыши и т.п.). Как правило, такие участки занимают значительную часть всего ограждения, поэтому они очень часто определяют теплозащитные свойства и долговечность не только отдельных участков, но и всего здания. Причиной неблагоприятного

тепловлажностного состояния этих конструкций является отсутствие прогноза их состояния, который на стадии проектирования практически не осуществляется, что во многих случаях приводит к увеличению теплопотерь и к преждевременному разрушению конструкций.

Проблема прогноза температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий из капиллярно-пористых материалов связана с трудоемкостью экспериментальных методов получения кинетических коэффициентов для уравнений влаго- и теплопроводности, которые изменяются в зависимости от влагосодержания и температуры материалов, и множество потенциалов, градиенты которых определяют направление и интенсивность процесса переноса (например, температуры и парциального давления водяных паров для парообразной влаги, капиллярного давления и концентрации влаги в порах для жидкой фазы).

Таким образом, актуальность этой проблемы с точки зрения теплозащиты здания и его долговечности очевидна. Однако есть и экономический аспект этой проблемы. Так, при неблагоприятном влажностном режиме наружных ограждающих конструкций для некоторых типов зданий, уже через несколько лет (примерно 3-5 лет) после ввода, расходы на эксплуатацию здания за счет увеличения теплопотерь и расходов на ремонтные работы становятся сравнимыми с первоначальной стоимостью объекта. Безусловно, неблагоприятный влажностный режим наружных конструкций можно недопустить, если на стадии проектирования здания выполнить необходимые расчеты на прогноз влажностного режима конструкций. Однако сложность решаемой задачи, отсутствие данных по влажностным характеристикам строительных материалов, и их изменениям в

зависимости от температуры и влагосодержания не позволяют в настоящее время в полной мере осуществлять такой прогноз.

Основной целью данной работы является разработка метода расчета нестационарного температурно-влажностного режима неоднородных участков ограждающих конструкций зданий на основе потенциала влагопереноса, который позволит прогнозировать их влажностный режим.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

- разработан метод расчета характеристик пористой структуры материалов по изотермам десорбции паров воды и величине полного водонасыщения пористого материала;

- представлена модель пористого материала как диспергированной системы с неизменяемым объемом твердой фазы и переменными объемами жидкой и парообразной фаз, заполняющих поровое пространство при известном распределении пор по их размерам;

- на основе принятой модели пористого материала, по известным характеристикам пористой структуры материала, а также по известным физическим данным об изменении свойств воды, заполняющих поровое пространство, разработаны алгоритм и программа расчета на ПЭВМ следующих необходимых для расчета влажностно-теплового режима конструкций характеристик влаго- и теплопереноса в зависимости от степени водонасыщения и температуры материала: коэффициентов диффузии водяного пара; коэффициентов влагопереноса жидкой фазы; коэффициентов влагопроводности при совместном переносе парообразной и жидкой фаз; термоградиентных коэффициентов для переноса пара, жидкой фазы и совместного переноса влаги; изменение коэффициентов теплопроводности; изменение удельной влагоемкости;

потенциалов влагопереноса; количества незамерзшей воды при отрицательных температурах;

- разработан метод определения потенциала влагопереноса, позволяющий получить однозначную зависимость равновесного влагосодержания пористого материала и воздушной среды от потенциала влагопереноса;

- разработана физико-математическая модель нестационарного влажностно-теплового режима для неоднородных двумерных областей с переменными коэффициентами на основе предлагаемого потенциала влагопереноса;

- разработаны алгоритм и программа для расчета на ПЭВМ влажностно-теплового режима неоднородных участков наружных ограждений зданий.

Объекты и методы исследований были определены в соответствии с поставленной целью. Основными объектами были неоднородные участки наружных ограждений зданий. При исследовании свойств материалов были отобраны наиболее распространенные и широко применяемые в практике строительства материалы: бетоны на плотных заполнителях, керамзитобетоны, пено- и газобетоны, газосиликаты, цементно-песчаные и сложные растворы, кирпич и древесина. Данные для исследований характеристик пористой структуры - изотермы капиллярного испарения и величины полных водонасыщений материалов получены из опыта. Исследования других свойств материалов, а также конструктивных элементов зданий проводились с использованием современной вычислительной техники на основе разработанных моделей материала и физико-математической модели процесса влаго- и теплопереноса в наружных ограждающих конструкциях зданий.

Научная новизна работы заключена в следующих разработках:

- в новом методе определения потенциала влагопереноса, который однозначно зависит от влагосодержания материала и воздушной среды;

- в разработке-* физико-математической модели нестационарного влаго- и теплопереноса на основе потенциала влагопереноса для двумерных неоднородных областей, а также в разработке алгоритма и методов его реализации;

- в методике определения характеристик пористой структуры материалов по изотермам капиллярного испарения, полученным от полного насыщения;

- в принятой модели пористого материала как дисперсной системы с твердой фазой, инертной к изменяемым концентрациям парообразной и жидкой влаги, заполняющим поровое пространство материала, а также в методике определения коэффициентов влагопереноса по характеристикам пористой структуры материала, температуре и концентрации влаги в нем.

Практическая ценность работы заключается в том, что получена возможность определения коэффициентов влагопереноса в широком диапазоне изменения влагосодержаний и температур, отсутствие которых сдерживает применение уже существующих методов расчета влажностного состояния конструкций и внедрения новых, а разработка нового метода определения потенциала влагопереноса значительно упрощает физико-

математическую модель процесса, что позволяет реализовать решение задачи в сравнительно простом алгоритме. Реализация этого решения для неоднородных участков ограждающих конструкций зданий позволяет производить расчеты с целью прогноза влажностного режима и

соответственно долговечности этих конструкций. Кроме того, самостоятельную практическую ценность представляет методика определения характеристик пористой структуры материалов.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- физико-математическая модель, алгоритм и метод расчета нестационарного влакностно-теплового режима двумерных неоднородных участков наружных ограждающих конструкций зданий на основе потенциала влагопереноса;

- новый метод определения потенциала влажности воздушной среды влажных пористых материалов;

- методика определения термодинамических и влагопереносных свойств строительных материалов на основе модели пористого тела как дисперсной системы с неизменными свойствами твердой фазы и переменными свойствами влаги, заполняющей пористое пространство;

- метод расчета характеристик пористой структуры капиллярно-пористых строительных материалов по их изотермам десорбции паров воды и . величине полного водонасыщения пор.

I. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ БЛАГО- И ТЕПЛОПЕРЕНОСА В НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЯХ ЗДАНИЙ

I.I. Методы расчетов влажностно-теплового режима ограждающих конструкций зданий

Расчеты влажностного состояния ограждающих конструкций зданий в практике строительного проектирования стали применяться сравнительно недавно и¿6]. К первым наиболее известным работам, в которых учитывается влажностный режим как самостоятельный фактор, можно отнести работу В.Д.Мачинского [34], в которой он указывает на перемещение водяного пара в наружных ограждениях за счет разности упругостей водяного пара по разные стороны ограждения в холодное время года. Однако он не предлагает метода расчета, а лишь рекомендует некоторые "строительные приемы" при проектировании наружных ограздений. Первый метод расчета влажностного режима был разработан и предложен К.Ф.Фокиным в работе [149] . Метод был основан на стационарном влажностном режиме и сводился к определению зоны конденсации. В основу метода К.Ф.Фокина была положена простая и понятная физическая модель, поэтому различные модификации этого метода применяются до сих пор как у нас в стране, так и за рубежом [29.33.37,47,92.169]. Совершенствованием этого метода занимались как сам К.Ф. Фокин [50,51,152,153], так и ряд других ученых: Э.Х. Одельский [37], a.m. Шкловер [61.159], В.М. Ильинский [27,92], Ф.В. ушков [47] и

другие [29,33.35.137]. Несмотря на то, что методы, основанные на стационарном режиме, не соответствуют реальному физическому процессу, который из-за очень малой интенсивности в порах материалов при переменных температурно-влажностных климатических воздействиях практически никогда не достигает стационарного состояния, их 4acio применяют для ориентировочной оценки влажностного состояния конструкции.

Несколько иной подход находим в работе М.В. Поликанова изтэ. В основе этого метода лежит не расчет влажностного состояния конструкции, а подбор двух слоев конструкции: тепло- и пароизоляционного, от которых зависит это состояние. Расчет ведут по предельно допустимым градиентам упругостей водяного пара конструкции при квазистационарных условиях эксплуатации.

Первыми работами, показывающими возможность расчета нестационарного влажностного режима, можно считать работы A.C. Эпштейна и 61.162], в которых предл�