автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование методик определения влажностных характеристик строительных материалов и метода расчета влажностного режима ограждающих конструкций

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. «?

1.1. Развитие методов расчёта вдажностного режима ограждающих конструкций зданий./О

1.2. Теоретические основы методов расчёта влажноетного режима ограждающих конструкций.

1.3. Метода исследований влажностных характеристик строительных материалов . . . . .¿

1.4. Цель и задачи диссертации

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ. ц$

2.1. Методика и экспериментальное определение изотерм сорбции-десорбции строительных материалов

2.2. Исследование характеристик микроструктуры материалов по подученным изотермам сорбции-десорбции водяного пара. ¿

2.3. Расчёт изотерм сорбции водяного пара при различных температурах . ?

2.4. Выводы по второй главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕМЩЕНИЯ ХВДЮЙ ВЛАГИ 6 МАТЕРИАЛАХ

ОГРАВДЩИХ КОНСТРУКЦИЙ . %

3.1. Капиллярное всасывание воды строительным материалами.

3.2. Влагопроводность строительных материалов

3.3. Влияние температуры на коэффициент влагопроводности строительных материалов.

3.4. Экспериментальные исследования содержания незамёрзшей воды при отрицательных температурах в ценентно-песчаных растворах. 10$

3.5. Выводы по третьей главе. Ht

4. МЕТОД РАСЧЁТА ВШН0СТЫ0Г0 ГЕЙША ОГРАВДАЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ.m

4.1. Уточненная математическая модель влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий.ну

4.2. Конечно-разностное решение уравнений влагопереноса .О/

4.3. Алгоритм и программы для ЭВМ расчёта влажностного режима ограждавших конструкций зданий.($

4.4. Выводы по четвёртой главе .tfjL

5. ВШНОСТНЫЙ РЕЖИМ ТРЁХСЛОЙНЫХ СТЕНОВЫХ БЕТОННЫХ ПАНЕЛЕЙ

С ЭФФЕКТИВНЫМ УТЕПЛИТЕЛЕМ

5.1. Влияние влажностного режима трёхслойных панелей на коррозию гибких связей.

5.2. Влияние состава бетона на влажностный режим трёхслойных стеновых панелей производственных зданий . . ./4g

5.3. Экономическое обоснование назначения пароизоляции трёхслойных панелей

5.4. Выводы по пятой главе./¿/

ОБРЕ ВЫВОДЫ ta

СЛИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.иг

Основными направлениями развития народного хозяйства, предусмотренными в решениях ХХУ1 съезда КПСС, перед строительной индустрией поставлена задача - расширить практику полносборного строительства, обеспечить массовое применение новых эффективных материалов и конструкций. Решение этой задачи предполагает разработку рациональных типов ограждающих конструкций зданий различного назначения. Одними из наиболее перспективных являются многослойные ограждающие конструкции с применением эффективных теплоизоляционных материалов. Теплозащитные свойства и долговечность ограждающих конструкций в значительной мере определяются их влажностным режимом. Поэтому задача прогнозирования вяажностного режима ограждающих конструкций на стадии их проектирования является актуальной.

Известные в проектной практике методы расчёта требуемого сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций по стационарному состоянию не решают эту задачу. Методы расчёта нестационарного влажностного режима ограждений позволяют установить как общее влагосодержание, так и распределение влаги по толщине ограждения в различные периоды эксплуатации здания. Большая трудоёмкость этих методов, обилие факторов, влияющих на влажноетный режим ограяде-ний, сложность и многообразие сопутствующих физических явлений, сделало эти расчёты сложными даже для специалистов. Прогресс вычислительной техники позволяет избавиться от больших трудозатрат на проведение расчётов влажностного режима ограждений. Однако характеристики строительных материалов, необходимые для таких расчетов, требуют проведения длительных и трудоёмких экспериментальных исследований. Повышение точности расчётов путём более пол ного учета физических явлений, сопутствующих вяагопереносу в ограждениях, может привести к новым трудностям при экспериментальном определении влажностных характеристик строительных материалов.

Следовательно, совершенствование методов расчёта влажностно-го режима ограждений целесообразно проводить в направлении более полного учёта физических явлений, влияющих на влаголеренос при одновременном развитии методик экспериментального исследования влажностных характеристик строительных материалов. Это определило цель исследований.

Цель диссертации состоит в исследовании количественных характеристик состояния и переноса влаги в строительных материалах и совершенствовании метода расчёта влажностного режима ограждающих конструкций. Достижение поставленной цели потребовало решения сл едующих з адач:

- усовершенствовать методику определения сорбционных свойств строительных материалов и разработать метод перерасчета изотерм сорбции (и десорбции) водяного пара на различные положительные и отрицательные температуры, основанный на связи сорбционных свойств с характеристиками микроструктуры строительных материалов;

- разработать методику определения коэффициента влагопровод-ности строительных материалов, пригодную для основных строительных материалов;

- разработать методику приближённого определения содержания незамёрзшей воды в бетонах;

- исследовать явление капиллярного всасывания воды строительными материалами;

- уточнить математическую модель влагопереноса в ограждениях, разработать алгоритм и составить программы для расчета влажностиого режима ограждений методом последовательного увлажнения и методом, соответствующим уточнённой математической модели вла-гопереноса;

- применить разработанные методы для расчета влажностного режима трёхслойных бетонных стеновых панелей с эффективным утеплителем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе теоретических исследований предложено уравнение полимолекулярной адсорбции водяного пара на поверхности пор и капилляров материалов, это уравнение описывает адсорбцию во всем диапазоне изменения относительной влажности воздуха и позволяет определять площади удельной поверхности строительных материалов по изотермам сорбции водяного пара, полученным динамическим методом;

- разработан метод пересчёта изотерм сорбции водяного пара строительными материалами на различные положительные и отрицательные температуры. Этот метод позволяет повысить точность пересчёта изотерм сорбции на другие температуры по сравнению с известными методами;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований предложены закономерности капиллярного всасывания воды строительными материалами - уравнение капиллярного всасывания, уравнение коэффициентов капиллярного всасывания, уравнение температурной зависимости этих коэффициентов;

- на основе теоретических исследований предложено уравнение плотности потока жидкой влаги в капиллярно-пористых материалах, которое позволило разработать методику ускоренного определения коэффициентов влагопроводности строительных материалов;

- на основания экспериментальных исследований предложена методика приближённого расчёта содержания незамёрзшей воды в бетонах при отрицательных температурах, по значениям площадей их удельных поверхностей;

- на основе экспериментальных и теоретических исследований состояния и перемещения влаги в материалах ограждений уточнена математическая модель и разработаны методы расчёта влажностного режима многослойных ограздающих конструкций;

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны методы и программы для ЭВМ расчёта влажностного режима ограздений;

- разработана методика ускоренного экспериментального определения коэффициентов влагопроводности строительных материалов;

- экспериментально определены изотермы сорбции-десорбции, коэффициенты влагопроводности и капиллярного всасывания ряда строительных материалов, применяемых в трёхслойных стеновых панелях;

- разработана методика по назначению экономически целесообразной пароизоляции в трёхслойных стеновых панелях с эффективными утеплителями*

На защиту выносятся;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований сорбционных свойств строительных материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований вдаы капиллярного всасывания строительнымиматериал^ки у

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влагопроводности строительны* материалов *

- результаты экспериментальных исследований по определению содержания незамёрзшей воды при отрицательных температурах в цементно-песчаных растворах;

- метода и программы для ЭВМ расчёта влажностного режима ограждающих конструкций.

Результаты работы включены в "Каталог температурных полей узлов типовых ограждающих конструкций. Пособие для проектирования", "Руководство по отделке внутренних поверхностей стеновых панелей из ячеистого бетона для цроизводственных зданий", "Рекомендации по обеспечению коррозионной стойности гибких связей наружных стеновых трёхслойных бетонных и железобетонных панелей", "Руководство по расчёту влажностного режима ограждающих конструкций зданий".

Разработанные программы для ЭВМ внедрены и используются в ЛитНИИСА Госстроя Лит.ССР и ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. Разработанные методики экспериментального определения коэффициентов влагопроводности и капиллярного всасывания строительных материалов внедрены и используются в проектно-технологическом институте организации и технологии строительства Минвостокстроя.

Материалы диссертации использовались при разработке альбома рабочих чертежей с ерш 1.432-12/82 "Стены из железобетонных трёхслойных панелей на гибких связях с эффективным утеплителем" и альбомов рабочих чертежей "Железобетонные трёхслойные стеновые панели на гибких связях с теплоизоляцией из пенопласта для зданий холодильников". Шифр 208-78 и шифр 202-81.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Выводы по четвертой главе.

I. Предложена математическая модель влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий, которая является обобщением модели, принятой в методе последовательного увлажнения. В предложенной модели дополнительно учитывается перемещение незамерзшей влаги, зависимость изотерм сорбции или десорбции материалов от температуры, увлажнение поверхностей ограждений жидкой влагой, в том числе косыми дождями, зависимость скорости капиллярного всасывания

Принципиальная блок-схема прогря-л;л>; расчёта пд.'д;л-:осттюго реяскма ограждений.

Рас. 4.3 материалов от влажности и температур!, зависимость коэффициентов паропроницаемости от влажности и коэффициентов влагопроводности от температуры. Принимается, что влага на стыке двух различных материалов распределяется как равновесная.

2. Проведено конечно-разностное решение уравнения влагопере-носа в ограждении. Расчетные формулы получены методом баланса (ин-тегро-интерполяционным методом). Рассмотрены условия устойчивости принятой схемы.

3. Составлены программы для ЭВМ расчета влажностного режима ограждений, реализующие предложенную модель влагопереноса и метод последовательного увлажнения. Составленные программы позволяют рассчитывать влажностный режим ограждающих конструкций широкому кругу специалистов.

В этой главе рассмотрены примеры возможного учёта влажностного режима при проектировании трёхслойных бетонных стеновых панелей с эффективным утеплителем.

5.1. Влияние влажностного режима трехслойных панелей на коррозию гибких связей.

Панели на гибких связях находят всё более широкое применение в практике отечественного строительства. Такие панели имеют ряд преимуществ [171] . С января 1985 г. Краснопресненский комбинат г.Москвы приступил к выпуску трехслойных стеновых панелей на гибких связях с утеплителем из пенополистирола для строительства жилых домов серии П 44/17. Несмотря на начавшееся индустриальное изготовление этих панелей в настоящее время не решён вопрос о выделении легированной стали для гибких связей в целях предотвращения их коррозии. Поэтому было признано целесообразным при изготовлении гибких связей из стали Ст 3 увеличивать диаметр гибких связей. Следует отметить, что оцинкование гибких связей не является достаточной эффективной защитой от коррозии, поскольку цинк корродирует в контакте с влажными утеплителями.

Современные теплоизоляционные материалы, особенно минеральная вата и ФРП-1 обладают агрессивностью по отношению к металлам. Скорость коррозии гибких евязей существенно зависит от влажностного режима утеплителя в процессе эксплуатации панелей. Для расчета коррозионного износа гибких связей предложена следующая формула [171] : л = (5Л) где: А - коррозионный износ гибкой связи, мкм ;

- скорости коррозии металла гибкой связи при различной степени увлажнения утеплителей, находящихся в контакте с металлом, мкм/год ;

2*4 - время сушки панелей до наступления квазистационарного влажностного режима, годы ;

- часть года в период квазистационарного влажностного режима панели, когда влажность утеплителя превышает максимальную сорбционную, доли года ;

- часть года в период квазистационарного влажностного режима панели, когда влажность утеплителя соответствует сорбционной при значениях У? от 75% до 100%.

Для расчётов коррозионного износа гибких связей по формуле (5.1) необходимо иметь значения скоростей коррозии К<р, Кк , и параметров влажностного режима В первом приближении эти параметры можно определить расчётом влажностного режима панели по разработанным нами программам. Расчёты показали, что наибольшая влажность утеплителя достигается в месте его примыкания к наружному бетонному слою (рис.5.1). Поэтому параметры и ^брались для этой зоны утеплителя.

Рассмотрим расчёт коррозионного износа гибких связей на примере стеновой панели жилого дома серии П44/17 в климатических условиях г.Москвы. Панель имеет внутренний бетонный слой толщиной 100 вд наружный бетонный слой 80 мм, слой утеплителя толщиной 100 мм х) В реальных условиях эксплуатации влажность утеплителя, примыкающего к наружному бетонному слою у гибкой связи не превышает влажность утеплителя в удалении от гибкой связи. Это может быть объяснено особенностями распределения температур у гибкой связи и подтверждено нами в экспериментах с фрагментами панелей и натурными исследованиями. Таким образом, рассматриваемый расчёт позволяет оценивать коррозионный износ гибких связей "сверху".

Распределение влажности по толщине трахолойной бетонной панели с утеплителем ФРП-1 здания с нормальным влажностным режимом в г. Москве (расчёт на ЭВМ),

1- распределение влажности в марте

2- распределение влажности в августе

Рис. 5Л

Рассмотрим три варианта выполнения теплоизоляционного слоя: из пенолистирола fo = 25 кг/м3, минераловатных плит ¿fo я 100 кг/м3 и фенольно-резольного пенопласта ЮО кг/м3.

Расчёты влажностного режима проведены по разработанной программе и ПСА . Характеристики материалов панели, необходимые для рас-чётов, бьши взяты из СНиП II-3-79 и по результатам исследований глав 2 и 3 (для бетона были взяты данные цементно-песчаного раствора 1:3, в/ц - 0,66). Начальная влажность материалов панели принималась следующая: бетон - 10%, минераловатные плиты - 10%, пено-полистирол - 10%, фенольно-резольный пенопласт - 100%.

Полученные в результате расчётов значения параметров влажностного режима утеплителей приведены в табл.5.I. Там же приведены результаты расчётов коррозионного износа стальных гибких связей. Анализ результатов показывает, что расчётный диаметр гибких связей в панелях с утеплителем из минераловатных плит и фенольно-резоль-ного пенопласта должен быть увеличен на 2 мм; расчётный диаметр гибких связей в панелях с утеплителем из пенополистирола можно не увеличивать, т.к. коррозионный износ гибких связей в этом случае незначителен.

5.2. Влияние состава бетона на влажностный режим трехслойных стеновых панелей производственных зданий.

Рассмотрим влажностный режим стеновой панели производственно-ного здания с мокрым режимом эксплуатации. К наиболее сложным условиям эксплуатации (с точки зрения влажностного режима ограждающих конструкций) можно отнести условия в цехах предприятия цел-люлозно-бумажной промышленности, где нормируемыми являются условия ts = 28°С, % = 65%.

Стеновая панель соо-тоит из внутреннего бетонного слоя тол