Влага в зданиях
J. F. Straube, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), профессор инженерно-строительного факультета и архитектурной школы в университете Waterloo (Канада)
На всех этапах проектирования систем ОВК необходимо учитывать влагу. Этим термином проектировщики обозначают в основном водяной пар в наружном или внутреннем воздухе, а также в воздуховодах. Именно такая влага представляет наибольший интерес для проектировщиков систем ОВК. Однако необходимо иметь представление об источниках влаговыделений в зданиях и причинах увлажнения конструкций, т. к. учет этих обстоятельств позволяет повысить обоснованность проектных решений и снизить эксплуатационные расходы.
В настоящей статье кратко описываются основные источники влаги в зданиях и процессы влагопереноса в зданиях и конструкциях.
Статья американского инженера J. F. Straube «Влага в зданиях» представляет интерес для российских читателей главным образом по двум причинам:
1. Статья обобщает основные аспекты опасности влаги в современных зданиях и намечает возможные пути решения этой проблемы.
2. Статья отражает взгляд зарубежных специалистов на данную проблему, которая, несомненно, очень актуальна и для климатических условий России.
Одновременно редакция публикует отзыв на эту статью крупнейшего специалиста по данной проблеме, доктора технических наук, почетного строителя России Владимира Геннадьевича Гагарина.
До последнего времени российские специалисты были несомненными мировыми лидерами в изучении этого вопроса, и взгляд рецензента представляется не менее интересным (по мнению редакции), чем сама статья, и, безусловно, расширяет взгляд на данную проблему.
Проблемы, связанные с влагой
Влага всегда была важным фактором для строителей, т. к. она является одной из главных причин повреждения и разрушения зданий. Так, влага вызывает или ускоряет следующие процессы:
— Электрохимическую коррозию металлических изделий и деталей, например оборудования и воздуховодов систем ОВК, каркаса здания, арматуры в железобетонных конструкциях и т. д.
— Химическое повреждение материалов, например гипсовой облицовки, плиток потолка, древесных материалов, а также реакции карбонизации и связывания щелочей.
— Разрушение бетона, каменной и кирпичной кладки при промерзании и оттаивании.
— Изменение цвета архитектурных деталей здания, например выцветание, появление пятен и т. д.
— Изменение объема материалов конструкций (разбухание, коробление, усадка), что может привести к ухудшению внешнего вида, появлению трещин и к деформации конструкций.
— Биологические повреждения, например образование плесени, рост растений, появление пылевых клещей и т. п.
Биологическим повреждениям (в основном грибковым), обусловленным влагой, в последнее время придается особое значение, т. к. эти явления могут сказываться на здоровье людей (снижении IAQ – показателя качества внутреннего воздуха), состоянии конструкций и внешнем облике зданий.
Проблемы, обусловленные влагой, возникают при следующих четырех условиях:
1. Наличие источника влаговыделений.
2. Наличие возможности влагопереноса.
3. Наличие движущей силы (потенциала) влагопереноса.
4. Подверженность строительных материалов воздействию влаги.
Предотвратить возникновение проблем, вызванных влагой, теоретически возможно, если устранить одно из четырех указанных условий. Практически же невозможно устранить все источники влаговыделений и все движущие силы влагопереноса, как невозможно построить и влагонепроницаемое здание. К тому же экономически нецелесообразно использовать только влагостойкие строительные материалы. Следовательно, в реальных условиях полезно принимать в расчет потенциальную возможность увлажнения, чтобы свести к минимуму нежелательные последствия.
Таким образом, практический подход к проектированию зданий и систем кондиционирования воздуха с минимальным риском возникновения проблем, обусловленных влагой, подразумевает обдуманный выбор строительных материалов и их сочетаний в конструкциях, учет и контроль источников влаговыделений.
Баланс влаги
Если осуществляется баланс увлажнения и высыхания, то влага не накапливается с течением времени и какие-либо проблемы вряд ли возникнут (рис. 1). Поэтому при оценке риска повреждений конструкций, обусловленных влагой, необходимо всегда определять величину и длительность увлажнения, влагонакопления и высыхания. Большинство методов контроля влажности ориентированы на то, чтобы снизить поступления влаги путем герметизации и уменьшения паропроницаемости ограждающих конструкций, защиты от проникновения дождевой воды и ее поглощения материалами конструкций и т. п. Однако несовершенство строительных конструкций является общеизвестным фактом, поэтому их увлажнение будет иметь место. Кроме того, не все соединения водопровода могут быть хорошо изолированы, окна могут иметь неплотности и т. д. Поэтому все больше внимания уделяется влагоаккумулирующей способности материалов и возможности их высыхания. Эффективность такого подхода подтверждается примером зданий, прослуживших долгие годы, однако этот пример часто упускают из виду. Наконец, повышение влагостойкости путем рационального проектирования здания с учетом местоположения, ориентации по странам света, геометрической формы, особенностей систем ОВК и т. п. часто оказывается наиболее экономичным и эффективным (учитывать эти мероприятия нужно на начальной стадии проектирования).
Основные процессы увлажнения и осушения, а также механизмы влагопереноса в ограждающих конструкциях показаны на рис. 2.
Источники влаговыделений
Существует четыре основных источника влаги в зданиях. Они классифицируются следующим образом:
1. Жидкая влага (вода) как результат проникновения атмосферных осадков и утечек трубопроводов.
2. Водяной пар из наружного воздуха, а также из внутреннего воздуха, наличие которого обусловлено источниками внутри здания.
3. Вода и водяной пар из грунта, прилегающего к зданию.
4. Технологическая влага, содержащаяся в материалах строительных конструкций, а также попавшая туда в результате каких-либо действий при эксплуатации здания.
Утечки трубопроводов и увлажнение дождем – очевидно, что этот источник увлажнения должен быть устранен. Выпадение дождя на кровлю для большинства климатических зон составляет от нескольких сотен до тысячи кг/м 2 . Стены обычно получают около 25–50 % от этой величины [1]. Если лишь незначительная часть этой влаги попадет в здание или внутрь ограждающих конструкций, это может повлечь за собой через некоторое время серьезные повреждения.
Не так уж часто можно оценить, какова должна быть минимальная величина протечки, вызывающая серьезные проблемы. Например, одна капля воды в час, падающая из крана или через неплотное окно на сухую штукатурку, вызовет быстрый рост плесени на этой поверхности. Кроме того, количество жидкой влаги, поступающей от этих источников, может быстро достичь катастрофического объема. Здание может быть залито сотнями литров воды из-за дождя или прорыва труб.
Водяной пар может вызвать такие же проблемы, как и жидкая влага, непосредственно попадающая на конструкции, хотя обычно величина влажности, обусловленная этим источником, значительно меньше. Наиболее типичным случаем является конденсация водяного пара на неизолированной поверхности труб системы холодоснабжения или бытового водоснабжения, при этом конденсат попадает внутрь стен или кровли либо стекает по окнам. Водяной пар снаружи проникает в здание с воздухом как при принудительной, так и при естественной вентиляции через неплотности ограждающих конструкций и воздуховодов.
Во многих типах зданий имеют место значительные влаговыделения в результате жизнедеятельности людей и производственных процессов. В таблице 1 указаны некоторые источники влаговыделений в зданиях и их величины. При этом поступление водяного пара от разных источников может сильно различаться. Так, испарение часто используемого бассейна с подогретой водой или выделение пара при производстве бумаги, очевидно, намного больше, чем влаговыделение от присутствия двух человек в большом помещении. Проектировщикам следует изучать особенности эксплуатационных процессов в зданиях, чтобы определить среднее и пиковое значение поступления водяного пара.
Грунт может стать серьезным источником увлажнения фундамента и нижнего этажа здания. В грунте влага содержится в большом количестве как в газовой, так и в жидкой фазе. Поверхностные и грунтовые воды проникают через трещины, щели и другие отверстия. Грунтовая влага просачивается сквозь поры строительных материалов (бетон, кирпич, дерево и т. д.).
Влага из глубинных слоев грунта является к тому же практически неиссякаемым источником водяного пара. Поскольку диффузия не является мощным механизмом влагопереноса, водяной пар из грунта не имеет такого значения при увлажнении конструкций, как вода, однако он является значительным ресурсом увлажнения. Водяной пар из грунта проникает в здание в основном путем диффузии, но иногда возможен и конвективный перенос. Установлено, что испарение с земляного пола или не полностью перекрытого подполья может составлять в сутки от 100 до 500 г/м 2 . (Trethowen [2] провел обследование 60 зданий с подпольями и определил среднюю скорость испарения 400 г/м 2 в сутки.) Трещины в каменной кладке перекрывают капилляры, но не препятствуют диффузии водяного пара из грунта внутрь здания. Следовательно, необходимо применение пароизоляционных пленок или красок на наружной поверхности подземных частей здания.
Технологическая влажность строительных материалов может иметь большое значение, но лишь в первые годы после постройки; этот источник влаги зависит от примененных строительных материалов. Деревянные конструкции, как правило, теряют до 10 % влаги от собственной массы. Нормальная бетонная смесь содержит около 200 кг воды на кубометр, половина этого количества впоследствии испаряется. Следовательно, если объем бетонного фундамента некоторого здания составляет от 20 до 30 м 3 , за первые два года после постройки испарится несколько тысяч литров воды. Аналогично, влаговыделение железобетонной плиты пола помещения толщиной 200 мм в административном здании за первые два года составит 20 л/м 2 . Бетонные блоки (и влага, содержащаяся в кладочном растворе), сухая штукатурка, краски, покрытия пола и другие компоненты вносят свою долю как источники влаговыделений.
Процессы влагопереноса
Механизмы переноса влаги различны для каждого фазового состояния. *
Основные процессы влагопереноса, в порядке возрастания интенсивности, перечислены ниже:
1. Диффузия водяного пара (и поверхностная диффузия в некоторых пористых материалах).
2. Конвективный перенос водяного пара (с потоком воздуха).
3. Капиллярный перенос воды (просачивание) сквозь пористые материалы.
4. Гравитационные протечки воды (в том числе под воздействием гидростатического давления) сквозь трещины, отверстия, макропоры.
В процессе диффузии водяной пар перемещается из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Диффузионный перенос происходит в воздушной среде, в том числе в воздухе, заполняющем поры материалов. Следовательно, водяной пар не диффундирует сквозь непористые материалы – сталь, стекло, некоторые пластики и т. п.
Диффузия водяного пара сквозь изоляцию трубопроводов охлажденной воды приводит к отсыреванию и коррозии трубопроводов, если она длится достаточно долго. Диффузия также играет роль в процессе переноса водяного пара в ограждающие конструкции, где пар может конденсироваться. Для предотвращения этого часто требуется пароизоляция (на внутренней поверхности ограждающей конструкции в холодном климате или на наружной поверхности – в жарком влажном климате), хотя диффузия водяного пара обычно не является причиной повреждения стен, обусловленной их влажностью. Диффузия водяного пара – это не очень мощный механизм влагопереноса; его значение было признано лишь в 1950-х годах [6], а в середине 1980-х в Канаде появились практические рекомендации по этому вопросу [7].
Однако диффузия водяного пара может иметь большое значение для кровель и для стен с отделкой наружных поверхностей материалами, способными впитывать воду. Дождевая вода впитывается такой отделкой, а затем прогревается под действием солнечной радиации. Даже в холодном климате при этом создается очень большой градиент давления водяного пара, обусловливающий проникновение влаги внутрь конструкции в опасном количестве [8]. Повреждение конструкций усугубляется, если внутри имеются паронепроницаемые материалы.
Конвективный перенос водяного пара по воздуховодам – это основной путь попадания пара в помещение вместе с воздухом. Даже при небольшом воздухообмене в помещение поступает гораздо больше водяного пара, чем это возможно диффузионным путем. Конвекция через щели в ограждающих конструкциях – это основная причина внутренней конденсации (в десятки и сотни раз превосходящей конденсацию, вызванную диффузией); этим же путем попадает в толщу ограждений дождевая вода. Для предотвращения или сокращения этих явлений ограждения зданий должны иметь малую воздухопроницаемость. Для ограничения конвективного переноса водяного пара (т. е. инфильтрации воздуха) требуется уплотнение мест прохода воздуховодов сквозь воздухонепроницаемые слои конструкций, контроль давления в различных зонах здания (для предотвращения миграции воздуха и водяного пара по незащищенным каналам и проемам), а также надлежащая эксплуатация приточной и вытяжной вентиляции.
Капиллярное всасывание обеспечивает постоянный медленный перенос жидкой влаги сквозь пористые материалы из области с высокой концентрацией в область низкой концентрации. Чем тоньше капилляры, тем больше сила капиллярного всасывания, но в целом скорость переноса влаги при этом уменьшается. Несмотря на малую скорость процесса капиллярного переноса, он может длиться годами. Капиллярный перенос имеет существенное значение при контакте строительных конструкций с грунтом (т. к. грунт обычно везде бывает влажным) и для поверхностей, смачиваемых дождем. Капиллярный перенос влаги может быть уменьшен или устранен путем устройства соответствующего барьера. Небольшая воздушная прослойка или капиллярно-неактивный слой (т. е. непористый или гидрофобный) будет достаточной гидроизоляционной защитой. На практике обычно используются оба способа, в виде небольшой воздушной прослойки за кирпичной кладкой или слоя щебня под бетонной плитой, а также в виде прокладок гидроизоляционной бумаги под деревянными стойками на бетонном полу.
Течение, обусловленное гравитацией, – наиболее мощный механизм переноса влаги. Очень большие количества воды (измеряемые литрами в секунду) могут проливаться из лопнувших труб через отверстия и воздушные полости под действием силы гравитации. Для гравитационных протечек размер отверстий должен быть сравнительно большим (свыше миллиметра), т. к. в порах меньшего размера капиллярные силы превосходят гравитационные и снижают скорость движения воды. Следовательно, вода не будет течь сквозь влажный кирпич (несмотря на то, что такие легенды приходится иногда слышать), однако прольется через отверстие для винта в пластиковой оконной раме.
Под действием гравитации дождевая вода может попасть через неплотности в оконных переплетах в толщу стен или же грунтовые воды могут просочиться через трещины в стенах подвалов. Объем протечек может быть столь значительным, что может привести к катастрофическим последствиям. В качестве защиты могут использоваться, например, водоотбойные козырьки и водосливы, отводящие течение в сторону. В случае протечек бытовой техники или для сбора конденсата целесообразно использовать поддоны.
* Термин «связанная влага» используется неодинаково в различных источниках. Адсорбированная влага перемещается к поверхности под действием диффузии, и это значительная движущая сила для некоторых материалов при высокой относительной влажности. Химически связанная вода не участвует в процессах влагообмена, в то время как вода в порах материала перемещается под действием капиллярных сил, оставаясь при этом в жидкой фазе. Вода в твердом состоянии (лед) практически не подвержена переносу.
Комбинация процессов влагопереноса
Влагоперенос редко происходит под действием какого-либо одного из перечисленных механизмов. В реальной жизни эти механизмы действуют параллельно или последовательно. Например, грунтовые воды путем капиллярного всасывания попадают в подполье, где происходит испарение. При этом парциальное давление водяного пара повышается, и он попадает в основные помещения здания. В результате относительная влажность в помещении возрастает и начинается конденсация водяного пара на трубопроводах охлажденной воды, размещенных за подвесным потолком. Конденсат накапливается в этом месте, пока не начнет капать на сухую штукатурку потолка. На мокром потолке появляется плесень. Источником увлажнения в данном случае является грунт. Понимание всех процессов влагопереноса позволит проектировщику применить необходимые средства защиты: это может быть гидроизоляция со стороны грунта, осушение воздуха (или вентиляция в некоторых климатических зонах), изоляция труб хладагента и т. д.
Все виды влагопереноса, которые могут привести к появлению проблем, обусловленных влагой, могут также помочь при высыхании строительных материалов и поверхностей. Следовательно, попытки заблокировать механизмы влагопереноса – это не всегда лучшее решение для борьбы с сыростью. Рекомендуется разумное сочетание действий по сокращению источников увлажнения, контролю и регулированию влагопереноса и стимулированию процессов высыхания.
Заключение
Контроль влажности в зданиях – это ключевое условие повышения их долговечности, эффективного использования, здорового микроклимата. Знание источников увлажнения и механизмов влагопереноса в здании и в ограждающих конструкциях позволит специалистам улучшить проектные решения зданий и систем кондиционирования воздуха. На этих знаниях должна базироваться стратегия борьбы с повышенной влажностью.
Литература
- Straube J. E., Burnett E. F. P. Simplified prediction of driving rain deposition. Proceedings of International Building Physics Conference. Eindhoven, 2000. P. 375–382.
- Trethowen H. A. Three surveys of subfloor moisture in New Zealand. ASHRAE Transactions. 100 (1). 1994. P. 1427–1437.
- Sanders С. Environmental Conditions. IEA Annex 24 Task 2 Final Report. 1996.
- Hamlin Т., Gusdorf J. Moisture Production in Single Canadian Homes. IEA Annex 24 Task 2 Report. 1994
- Christian J. E. Chapter 8: moisture sources. Moisture Control in Buildings. ASTM Manual 18. ed. H Trechsel. West Conshocken, PA: ASTM, 1994. P. 176–182.
- Garden G. K. Control of air leakage is important. Canadian Building Digest 72. Division of Building Research. Ottawa, 1965.
- Quiroette R. The difference between a vapor barrier and an air barrier. Building Practice Note 54. National Research Council Canada, Institute for Research in Construction. Ottawa, 1986.
- Wilson A. G. Condensation in insulated masonry walls in the summer. Proceedings of RILEM/CIB Symposium. Helsinki, 1965. P. 2–7.
Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.
Перевод с английского О. П. Булычевой.
Комментарий к статье
J. F. Straube «Влага в зданиях»
В. Г. Гагарин, доктор техн. наук, главный научный сотрудник Научно-исследовательного института строительной физики (НИИСФ)
В последние годы публикации по многим традиционным вопросам строительной теплофизики почти не появляются в печати. Их место заняли статьи по энергосбережению и по теплозащите. Поэтому для многих инженеров, начавших свою работу по нашей специальности в последние десять лет, постановочная статья J. F. Straube окажется исключительно полезной. В статье справедливо указано на повышенную влажность строительных материалов как на основную причину снижения долговечности и ухудшения эксплуатационных свойств строительных конструкций зданий. Выявлены основные источники увлажнения конструкций, рассмотрены некоторые процессы влагопереноса в зданиях. Автор рассматривает влагу не только в материалах конструкции, но в здании в целом, при этом он обращает внимание на необходимость учета взаимного влияния различных процессов влагопереноса.
В то же время статья опирается на опыт проектирования и строительства в Канаде, который существенно отличается от нашего. Прежде всего, неявно предполагается, что объем здания должен быть чуть ли не герметически изолирован от наружного воздуха, а здание оборудовано системой принудительной вентиляции и кондиционирования воздуха. Только этим предположением можно объяснить мнение автора, что «конвективный перенос водяного пара по воздуховодам – это основной путь попадания пара в помещения вместе с воздухом», а также, что «конвекция через щели в ограждающих конструкциях – это основная причина внутренней конденсации». Далее, J. F. Straube рассматривает в основном эксплуатацию зданий в теплом влажном климате, поэтому он и считает, что водяной пар попадает с наружным воздухом в помещения, где предполагается кондиционирование и более низкая температура.
В средней полосе России большинство зданий проектируется и эксплуатируется с естественным воздухообменом. При этом в летних условиях влажность наружного воздуха и внутреннего воздуха помещений практически одинакова. Зимой наружный воздух значительно суше внутреннего, и если не организовывать проветривание помещений, то влажность в них значительно повышается. Таким образом, в наших условиях фильтрация наружного воздуха в помещения желательна для снижения влажности внутреннего воздуха (в отличие от изложенного в статье) и ограничивается только требованиями к тепловому режиму помещения. Недаром после установки окон, отвечающих современным повышенным требованиям к воздухонепроницаемости, приходится устанавливать и специальные конструкции – клапаны – для возможности фильтрации наружного воздуха в помещения.
Не соответствует нашему опыту эксплуатации зданий и такое высказывание J. F. Straube об увлажнении конструкций водяным паром из наружного воздуха: «. конвекция через щели в ограждающих конструкциях – это основная причина внутренней конденсации (в десятки и сотни раз превосходящей конденсацию, вызванную диффузией)». Конденсация же пара из наружного воздуха внутри конструкции в зимних условиях эксплуатации отапливаемого здания физически невозможна. Однако такое явление может иметь место при эксплуатации здания с кондиционируемым внутренним воздухом в теплом влажном климате, что вероятно и имел в виду J. F. Straube.
В условиях нашего климата возможны следующие случаи увлажнения конструкций, обусловленные фильтрацией воздуха. Фильтрация холодного наружного воздуха в помещение через щели (например, через плохо заделанные стыки стеновых панелей) приводит к охлаждению внутренних поверхностей ограждающих конструкций, в результате чего на них образуется конденсат из внутреннего воздуха, образовавшаяся жидкая влага может затем попадать внутрь конструкций благодаря капиллярной влагопроводности. При другом варианте увлажнения фильтрацией внутренний воздух может проходить по различным щелям изнутри помещения в толщу ограждающей конструкции, при этом водяной пар из него может конденсироваться внутри конструкции. Безусловно, оба варианта представляют собой строительный брак, который должен быть устранен.
Слабо освещены в статье J. F. Straube механизмы влагопереноса, достаточно указать, что их сейчас известно до двух десятков. Совсем не рассмотрены «движущие силы» (потенциалы) влагопереноса, которые являются ключевыми при исследовании процессов влагопереноса. Следует отметить, что большой вклад в развитие теории потенциала влажности внес В. Н. Богословский, книги которого хорошо известны в профессиональной среде.
J. F. Straube слегка касается истории исследования причин увлажнения ограждающих конструкций: «Диффузия водяного пара – это не очень мощный механизм влагопереноса; его значение было признано лишь в 1950-х годах, а в середине 1980-х в Канаде появились практические рекомендации по этому вопросу». В связи с этим следует внести уточнения. Проблема влажности ограждающих конструкций была для России актуальной много лет назад. Например, еще до Октябрьской революции инженер А. Третьяков написал работу того же плана, что и рассматриваемая статья (и на том же научном уровне) [1]. Свое научное решение проблема начала получать в начале развития индустриального строительства в 1920–30-х годах, прежде всего, в работах В. Д. Мачинского [2] и К. Ф. Фокина [3], тогда же соответствующие методы расчета были введены в практику проектирования. Примерно в это же время аналогичные работы были проведены в США [4, 5], а в 1940 году вышло и руководство по расчету влажностного режима стен [6]. Все указанные исследования и методы расчета в качестве главного механизма влагопереноса рассматривали диффузию водяного пара (или более общее явление – паропроницаемость). В нашей стране в СНиП «Строительная теплотехника» включен раздел по расчету требуемого сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций, который также предполагает паропроницаемость в качестве главного механизма влагопереноса. В 1950-х годах в ФРГ был разработан аналогичный метод [7], который вошел в строительные нормы немецкоязычных стран под названием «Метод Глазера». Поэтому приведенная фраза J. F. Straube является ошибочной. Другое дело, что в современных условиях на диффузионный перенос водяного пара строители зачастую обращают мало внимания, в результате чего происходит преждевременное разрушение конструкций. Так, например, на фото показана стена здания, оштукатуренная цементно-песчаным раствором с малой паропроницаемостью. В результате при эксплуатации здания водяной пар из внутреннего воздуха диффундировал в стену и влага скапливалась под слоем наружной штукатурки. Через три года, вследствие промерзания и оттаивания, кирпичная кладка под слоем штукатурки начала разрушаться, а штукатурка отваливаться. Аналогичный случай давно был описан в учебнике К. Ф. Фокина [8], который выдержал четыре издания, описанный пример служил предупреждением многим поколениям отечественных инженеров.
Вообще следует отметить, что этот раздел строительной теплофизики наиболее полно разработан именно в нашей стране. Книги А. В. Лыкова и В. Н. Богословского издавались за рубежом и служили руководством для иностранных ученых и инженеров. Влажностный режим ограждающих конструкций в современной России активно исследуется в ряде организаций, прежде всего в НИИСФ и ВолгГАСА (проф. А. Г. Перехоженцев). За рубежом передовые позиции по исследованию этой проблемы занимает Институт строительной физики общества им. Фраунгофера в ФРГ (Prof. K. Gertis, dr. K. Kiessl, dr. H. M. Kunzel и др.).
Рассматриваемая статья, несомненно, полезна, и в первую очередь для тех, кто ранее не задумывался над этой проблемой. Кроме того, в ней обращается внимание на некоторые явления, про которые у нас «забыли». Например, про возможные протечки водопровода и увлажнения от них строительных конструкций. Или про увлажнение стен зданий дождевой водой при плохих водосточных трубах и про разрушения при этом стен. Считается, что это недопустимо, поэтому и не должно рассматриваться. Однако в современных условиях такие явления часто происходят. Следовательно, необходимо задумываться и об их последствиях.
Другая особенность статьи заключается в отсутствии «зацикливания» на влагопереносе в ограждающих конструкциях. Рассматривается поступление влаги в здание. Сделана попытка посмотреть на все влажностные процессы общим взглядом, учесть их комплексно.
В последнее десятилетие многие организации, ранее незнакомые с особенностями строительства и эксплуатации зданий в климатических условиях России (особенно иностранные), начали работать на отечественном рынке строительных услуг. Среди ошибок, допускаемых такими строителями, наблюдается и невнимательное отношение к влажностному режиму помещений и ограждающих конструкций.
Настоящая статья может привлечь большее внимание специалистов к данной актуальной проблеме.
Влияние колебаний влажности в помещении на отделочные материалы
При проектировании, строительстве и выборе отделочных материалов для дома важно учитывать физические свойства воды. Из школьного курса физики мы помним, что вода может находиться в разных состояниях, жидком, твердом и газообразном. Отдельные молекулы воды постоянно находятся в воздухе, и при изменении температуры ведут себя по-разному.
При показателях выше +25 ֯ С и нормальной влажности около 70-80% воздух совершенно прозрачен. Когда температура падает, мы часто наблюдаем туман, и на холодных поверхностях выпадает роса. При показателях термометра, близких к нулю, конденсат превращается в иней. При понижении температуры до -25 ֯ С воздух становится сухим, так как вода при таких низких температурах почти не испаряется. Влажность постоянно влияет на строительные конструкции зданий и сооружений, изменяя их свойства, прочностные характеристики. Она становится причиной образования ржавчины, появления плесени и постепенного разрушения материалов.
Точка росы и конденсат
Точкой росы называют температуру, при которой пар превращается в воду и выпадает роса. Чем выше влажность, тем выше температура, при которой находящиеся в воздухе молекулы воды конденсируются. При достижении влажности 100% пар превращается в воду при любой температуре, она всегда будет равна точке росы. Поэтому при колебаниях температуры на холодных поверхностях образуется конденсат. Последствия этого часто видим на стенах и потолках, сделанных из камня, кирпича или пенобетона.
Конденсат может образоваться, даже если здание отапливается, но стены недостаточно прогреваются. В холодных углах и под потолком скапливается сырость, образуются разводы, отклеиваются обои. Постепенно формируются очаги биологического поражения – начинается рост грибков или плесени. Причиной может быть недостаточная теплоизоляция или высокая тепловая инерция материалов. В неотапливаемых домах зимой на стенах появляется замерзший иней, особенно на массивных каменных конструкциях.
Внутри отапливаемых зданий температура зимой выше, чем снаружи, поэтому давление соответственно тоже выше. Из-за разницы в давлении теплый и влажный воздух стремится проникнуть наружу через поры в материалах. Стены от внутренней поверхности до наружной постепенно охлаждаются, на определенной глубине температура соответствует точке росы, и находящийся в порах пар конденсируется. Это приводит к увлажнению материалов стен и снижению их способности сохранять тепло. Когда точка росы находится почти снаружи, образовавшийся конденсат быстро высыхает благодаря постоянному проветриванию. Именно поэтому фасады зданий делают навесными и вентилируемыми, если используют синтетические, плохо пропускающие воздух отделочные материалы.
Снизить температуру образования конденсата и переместить точку росы наружу возможно, если защитить стены от проникновения пара и его движения сквозь конструкции. Чтобы сохранить утеплитель в стенах каркасных домов сухим, обязательно выполняют внутреннюю пароизоляцию. Такие стены отличаются низкой теплопроводностью и инертностью, они быстро прогреваются, но достаточно быстро остывают.
В неотапливаемых домах температура внутри и снаружи в холодное время года отличается незначительно. Если температура держится ниже точки росы, образование конденсата почти не происходит. Но при изменении погодных условий выпадает роса, поэтому важно обеспечить хорошую внутреннюю вентиляцию неотапливаемого дома. Чтобы стены всегда оставались сухими, нужно выбирать для отделки фасада воздухопроницаемые материалы, или делать фасады вентилируемыми.
Влажность воздуха в жилых домах
Отделочные материалы для частных домов выбирают с учетом нормальных показателей влажности согласно ГОСТ. В холодный сезон влажность находится в пределах 30-45%%, в теплое может повышаться до 60%. В ванных комнатах и кухнях 45-65%, во время приготовления пищи и пользования ванной достигает 80-90%. При такой влажности пар превращается в конденсат при температуре 18-20 ֯ С, и стены на кухне могут стать мокрыми. Но если отделочные материалы не впитывают воду, а помещение теплое и хорошо вентилируется – появившиеся капельки воды быстро высыхают.
Для отделки помещений с повышенной влажностью предпочтительно использовать непористые, невпитывающие влагу материалы. Это особенно важно для неотапливаемых в холодный сезон домов, так как в морозную погоду вода в порах замерзает и начинает разрушать материал изнутри.
В деревянных домах из бруса и бревна конденсата на стенах почти не бывает, потому что высохшее летом дерево впитывает порами лишнюю влагу, и при нагревании постепенно ее отдает. Деревянные дома называют «дышащими» именно из-за их пористой структуры и способности пропускать воздух.
Деревянная вагонка толщиной 12 мм слишком тонкая, чтобы впитать большое количество влаги, поэтому при повышенной влажности происходит ее набухание и деформация. В результате из-за смещения досок после их высыхания появляются щели, поэтому ее не используют для отделки влажных помещений.
Материалы для отделки каркасных домов
Возводимые по каркасной технологии дома имеют низкую тепловую инерцию и высокую тепловую эффективность. Они хорошо сохраняют тепло, позволяют быстро прогреть здание, но легкие стены с малой плотностью не накапливают тепло и сравнительно быстро остывают. Для защиты утеплителя от проникновения нагретого и влажного воздуха обязательно выполняют пароизоляцию. Благодаря этому влажность конструкций каркаса и утеплителя снижается, точка росы смещается на наружную поверхность стен, конденсация влаги внутри не происходит. Воздухообмен во всех комнатах и комфортный микроклимат для людей обеспечивает современная система вентиляции.
Отделочные материалы для домов владельцы выбирают по своему вкусу, но нельзя пренебрегать влажностью. При использовании в каркасном строительстве металлического каркаса на стенах может проявляться рисунок его контура, так как металл имеет высокую теплопроводность и играет роль мостов холода. В местах соприкосновения металла со стеновыми панелями часто образуется конденсат, поэтому деревянные каркасы используют чаще.
Еще одним местом потенциального образования конденсата являются окна. Когда температура стекла соответствует точке росы, на нем появляются капельки воды и стекают на подоконник. Запотевшие в теплой комнате окна обычно говорят о повышенной влажности. Если подоконник изготовлен из натуральных досок или ДСП с ламинирующим покрытием, они могут испортиться от сырости. Поэтому для подоконников лучше подходят полимерные доски или влагостойкие МДФ.
Для внутренней отделки обычно используют гипсово-волокнистые (ГВЛ), гипсово-волокнистые водостойкие (ГВЛВ) и цементно-стружечные листы толщиной 12 мм и более. Они отлично ведут себя при влажности в помещении, не превышающей границы нормы. Декоративная отделка может быть разная, как и в домах из кирпича или пенобетона. Стены шпаклюют и грунтуют, оклеивают обоями, окрашивают водно-дисперсными красками, в санузлах облицовывают керамической плиткой или пластиковыми панелями.
Для наружной отделки каркасных домов лучше всего подходят вентилируемые фасады. Они защищают стеновые панели от намокания во время дождя, снижают их влажность. Постоянная циркуляция воздуха обеспечивает проветривание и быстрое высыхание в случае выпадения росы на стенах в холодное время года, особенно в домах без отопления.
Благодаря низкой тепловой инертности, защите от проникновения пара, а также использованию вентилируемых фасадов, конструкции остаются сухими и хорошо сохраняют тепло. Внутренняя чистовая отделка каркасного дома практически ничем не отличается, конденсат на стенах в отапливаемых домах не образуется благодаря хорошей теплоизоляции.
Влажность строительных материалов и конструкций
Большинство строительных материалов можно рассматривать как некоторую трехфазную систему: твердое тело — вода — воздух. Количественные соотношения между этими фазами, размеры, форма, свойства материальных частиц и взаимодействие фаз обусловливают физические свойства материала, его плотность и степень влажности.
Влажность материалов выражают либо в весовом, либо в объемном отношении.
Весовая влажность выраженное в процентах отношение веса влаги, содержащейся в образце материала, к весу того же образца в высушенном состоянии:
Для получения величины Р2 высушивание образца следует производить при определенных температурах, установленных ГОСТом для каждого из материалов. Нарушение этого положения может привести к качественным изменениям материала. Так, при высушивании древесины при температуре, превышающей допускаемую, в дереве может происходить сухая возгонка смолы, следствием чего могут быть изменения физико-химических свойств дерева.
Объемная влажность о)0 — выраженное в процентах отношение объема влаги, содержащейся в образце материала, к объему самого образца:
Влага в материале может находиться в виде пара, жидкости и твердого тела (льда). В любом из этих состояний происходит перемещение (миграция) влаги в толще материала.
Основной причиной перемещения пара является разность упругостей паров и давлений воздуха по обе стороны материала.
Перемещение влаги в жидком состоянии обусловливается законом тяготения, напряжениями в материале при его замерзании, капиллярными силами и силами кристаллизации.
Перемещение влаги в твердом состоянии происходит от внешнего давления и напряжения в материале при отрицательных температурах.
Проникание влаги в материал может происходить в результате различных физико-химических явлений:
- а) поглощения влаги сорбцией;
- б) смачивания материала при соприкосновении его с жидкостью (капиллярное всасывание, капиллярная диффузия);
- в) проникания пара в материал из окружающего его воздуха (паропро- ницание);
- г) химических процессов.
Поглощение влаги сорбцией . Материал, находящийся на открытой площадке, через некоторое время впитывает влагу из воздуха. Явление это называется сорбцией, которая зависит от влажности окружающего воздуха, температуры и физических свойств материала. При максимальной сорбционной насыщенности материала дальнейшее поглощение паров из воздуха прекращается и начинается капиллярная конденсация влаги в материале.
Количество влаги в материале конструкций при данных относительной влажности и температуре воздуха называется сорбционным влагосодержанием.
Количество поглощенной влаги в материале при 100% относительной влажности воздуха и при данной температуре называется максимальным сорбционным влагосодержанием.
Величина сорбции не одинакова для различных материалов и зависит от давления, концентрации влаги, температуры, а также природы материала. При определенном соотношении указанных условий устанавливается так называемое сорбционное равновесие. Влажностное состояние материала в этом случае называют равновесной влажностью. С повышением температуры величина сорбции уменьшается.
Величина максимального сорбционного влагосодержания в материале (в % к объему) зависит от его объемного веса, структуры и технологии его изготовления.
С увеличением объемного веса материала сорбционная влажность материала повышается. Например, максимальное сорбционное влагосодержание пенобетона с объемным весом 360 кг в 1 ж3 составляет 1,15%, а при объемном весе пенобетона 900 кг в 1 mz — 5,6%.
Материалы, имеющие одинаковый объемный вес или одинаковую пористость, но различные структуры, имеют различную влажность. Если взять для примера дерево и пенобетон с одинаковым объемным весом 500 кг в 1 м³, то оказывается, что для дерева, обладающего волокнистой структурой, величина максимального сорбционного влагосодержапия составляет 15%, а пенобетона при его ячеистой структуре — 4,6%.
Материалы, изготовленные различными способами, при их одинаковом объемном весе сорбируют влагу неодинаково. Так, сорбционная способность обжиговых материалов намного меньше, чем автоклавных. Точно так же материалы, изготовленные без термической обработки, сорбируют большее количество влаги, чем подвергнутые обжигу.
Строительные материалы и элементы конструкций зданий из них в зависимости от их сорбционпой способности делятся на две группы: активно сорбирующие влагу и инертно сорбирующие влагу.
Активно сорбирующие строительные материалы в конструкциях могут обеспечить вполне удовлетворительный влажностный режим в помещении, несмотря на накапливание в материале значительных количеств влаги, при условии соблюдения нормального эксплуатационного режима.
К активно сорбирующим материалам относятся пе- но- и газобетоны, фибролит, соломит, шлак котельный, древесина, шлакобетон, глина, известь и гипс, саманный кирпич и др.
К инертно сорбирующим материалам относятся бетон, красный и силикатный кирпич, холодные растворы, ракушечник, гранит, известняк, древесная кора, грунто- блоки, камышит, песчаник и пр.
Следует отметить, что с понижением температуры процесс сорбции активизируется и количество равновесной влаги, сорбируемой материалом, возрастает.
Инертно сорбирующие материалы в ограждениях (стенах) мало влияют на влажностный режим помещений, так как они незначительно воспринимают влагу из воздуха этих помещений. Однако при длительном и избыточном выделении пара в помещении в поверхностном слое стен со стороны помещения может быстро возникнуть сырость.
Капиллярное всасывание . При погружении какого либо строительного материала в воду влага, вследствие капиллярности, будет в нем подниматься вверх. При этом влажность в различных сечениях по высоте будет различной, так как высота подъема влаги зависит от размеров сечения капилляров — чем меньше сечение капилляра, тем больше высота подъема влаги.
Материалы, в отношении смачиваемости их поверхностей, делятся на две группы — гидрофильные (смачивающиеся) и гидрофобные (несмачивающиеся). В гидрофильных материалах смачивание водой приводит к активному всасыванию влаги, в гидрофобных — к капиллярной депрессии (водоотталкиванию).
Кроме того, на интенсивность (скорость) всасывания оказывает влияние начальная влажность материала, т.е. влажность материала в момент погружения материала в воду. С увеличением начальной влажности скорость всасывания увеличивается. Наибольшей величины она достигает при начальных ее значениях, приближающихся к пределам сорбционного увлажнения материала.
Скорость всасывания материала, погруженного в воду, с течением времени изменяется. Наибольшая скорость всасывания наблюдается в первые пять минут. Затем эта скорость резко снижается и через сутки уменьшается, для некоторых материалов в 40—50 раз.
Наибольшие скорости всасывания имеют гипс и пеносиликат. Высокой скоростью всасывания обладает и красный кирпич. Скорость всасывания влаги у силикатного кирпича вдвое меньше, чем у красного.
Наибольшее падение скорости всасывания с течением времени наблюдается во вспененных материалах.
Материалы с меньшей скоростью капиллярного всасывания должны применяться для ограждений с минимальной начальной влажностью, увеличения которой не следует допускать в дальнейшем. Это в особенности относится к шлакобетону и пенобетону.
Скорость всасывания по взаимно перпендикулярным направлениям различна и может в некоторых случаях отличаться между собой в 2—4 раза.
Таким образом, показатели скорости капиллярного всасывания позволяют судить о целесообразности применения тех или иных материалов в ограждениях.
Капиллярная диффузия . Это явление имеет место при частичном заполнении капилляра, когда влага сосредоточивается в боковых, наиболее узких местах. Перемещение влаги происходит лишь по микроскопическим открытым каналам. Это явление называется капиллярной диффузией в отличие от капиллярного всасывания, при котором влага перемещается по капилляру, заполняя все его пространство.
Показатели капиллярной диффузии не всегда совпадают с показателями капиллярного всасывания. Например, гипс обладает более интенсивным капиллярным всасыванием, чем красный кирпич. В это же время капиллярная диффузия в кирпиче выше, чем у гипса.
Капиллярная диффузия в материалах неорганического происхождения протекает более интенсивно, чем в органических материалах. Если показатель капиллярной диффузии для красного кирпича условно принять за 1, то для бутового камня он будет равен 0,03; гипса — 0,38; известкового раствора— 2,36; пенобетона — 0,009; силикатного кирпича — 0,5; фибролита — 0,002; цементного раствора — 3,28; шлакобетона — 0,02; шлаковой засыпки—0,12 .
Совокупное рассмотрение показателей капиллярного всасывания и капиллярной диффузии может дать представление об интенсивности капиллярного перемещения влаги в толще материала. Так, красный кирпич имеет относительно высокие показатели всасывания и диффузии влаги в капиллярах, а это свидетельствует также и об интенсивности процесса высыхания кирпича, обусловленного скоростью перемещения влаги в его капиллярах.
Показатели капиллярного всасывания различных материалов меняются в меньших пределах, чем показатели капиллярной диффузии. Из этого можно заключить, что не следует допускать увлажнения материалов с небольшой интенсивностью капиллярной диффузии, так как они плохо отдают влагу в окружающую среду. Поэтому совершенно недопустимо применять их для конструкций ограждений в состоянии повышенной влажности.
В реальных условиях строительства и эксплуатации зданий не представляет интереса случай, когда материал полностью погружен в воду. В ограждающих конструкциях увлажнение происходит за счет проникания влаги в конструкции вследствие:
- а) впитывания атмосферной влаги;
- б) впитывания влаги при конденсациях на поверхности ограждения;
- в) воздействия влаги хозяйственно-бытовых процессов;
- г) впитывания грунтовой влаги.
При этих условиях насыщение имеет меньшую величину, чем при погружении в воду, хотя отдельные слои ограждающей конструкции могут увлажняться весьма значительно. В таких переувлажненных слоях, зазорах, полостях и возникают иногда те большие давления, которые приводят к расслоению материала или к откалыванию отдельных его частей.
Паропроницание . Перемещение парообразной влаги в материалах происходит, с одной стороны, вследствие диффузии пара в воздухе, наполняющего поры материала, а с другой, вследствие инфильтрации при которой влага перемещается воздухом, в котором она содержится в виде пара. И тот и другой виды перемещения пара через материал объединяются общим понятием — паропроницание.
Диффузионная паропроницаемость характеризуется количеством пара, перемещающегося через данный материал из области более высоких парциальных давлений в область более низких. Диффузия водяного пара может возникать даже при одинаковой относительной влажности внутреннего и наружного воздуха, но при различной их температуре.
Движение водяного пара через материал ограждающей конструкции объясняется тем, что в области большей упругости пара в единице объема содержится большее количество молекул воды, чем в том же объеме пара с меньшей упругостью. Поэтому вероятность перехода молекул из области большего парциального давления в область меньших давлений больше, чем в обратном направлении. Таким образом, при разности парциальных давлений водяного пара с одной и другой сторон ограждения перемещение молекул пара будет происходить преимущественно в одном направлении.
Материалы сухой конструкции оказывают большее сопротивление диффузионной паропропицаемости, чем такие же материалы, когда они находятся во влажном состоянии при прочих равных условиях.
Кроме того, в материалах рыхлых и с открытыми крупными порами диффузионное перемещение водяного пара происходит более интенсивно, чем в плотных материалах.
Инфильтратная паропроницаемость представляет собою явление, при котором водяной пар механически переносится воздухом, перемещающимся из области больших барометрических давлений в область меньших давлений. Такой воздушный напор может быть создан разностью температур (тепловое давление) или ветром (ветровое давление).
При наличии неизменных условий и отсутствии явлений сорбции или конденсации влаги все количество водяного пара, поступающего в ограждение вместе с воздухом, будет проникать через него в среду меньших давлений. Процесс перемещения влаги в материале в этом случае обусловливается воздухопроницаемостью материала.
Для однородного материала величины паро- и воздухопроницаемости можно считать в общем одинаковыми. Однако может иметь место и несоответствие между паропроницаемостью материала и воздухопроницаемостью конструкции ограждения, выполненного из этого же материала. Происходит это вследствие неизбежного наличия в конструкции неплотностей и щелей, которые значительно увеличивают воздухопроницаемость ограждения, а также и потому, что молекулярный вес воздуха и водяного пара неодинаков.
Полная паропроницаемость ограждения может быть приближенно представлена как алгебраическая сумма диффузионной и инфильтратной паропроницаемости.
Если при отсутствии ветра воздух в порах и неплотностях неподвижен, т. е. явление инфильтрации отсутствует, то направление движения пара в ограждении определяется только диффузионной паропроницаемостью.
При учете инфильтратного переноса парообразной влаги через материал наружного ограждения необходимо учитывать скорость и направление ветра, а также разность температур внутреннего и наружного воздуха. При одинаковых температурах наружного воздуха и воздуха помещений на ограждение будет действовать только одно ветровое давление. При этом для нижней части здания характерна инфильтрация наружного воздуха в помещение, а для верхней части — эксфильтрация из помещения наружу.
Обычно в нижних этажах многоэтажных зданий в зимних условиях давление воздуха меньше атмосферного. В верхних этажах давление превышает атмосферное. Причиной этого является распределение давлений воздуха в лестничных клетках. Дело в том, что холодный наружный воздух, проникающий в лестничную клетку вследствие неплотностей в проеме наружного входа и частого его открывания, нагревается в нижней зоне клетки и становясь менее плотным, устремляется в верхнюю ее зону. При этом в нижней зоне клетки создается некоторое подобие вакуума, создающего там понижение давления. В то же время в верхней зоне непрерывно устремляющийся туда снизу поток нагретого воздуха создает некоторое избыточное давление, несколько превышающее атмосферное.
Поскольку помещения квартир, выходящих на лестничную клетку, не могут считаться полностью от нее изолированными из-за недостаточной герметичности входов и их периодического открывания, распределение давления воздуха лестничной клетки распространяется и на помещения квартир.
В этих условиях при слабом ветре зимой инфильтрация будет происходить только под действием теплового давления. При этом через нижнюю половину наружных ограждений с наветренной стороны холодный наружный воздух будет инфильтрировать внутрь помещений, а через верхнюю половину этих же ограждений будет иметь место эксфильтрация.
При суммарном действии ветрового и теплового давлений направление инфильтрации определяется с учетом обоих указанных давлений. При этом следует отметить, что в условиях городской застройки ветровые давления на ограждения сильно уменьшаются, и на уровне земли их можно считать равными нулю.
Воздухопроницаемость материалов колеблется в весьма широких пределах. Наибольшей проницаемостью обладают засыпки, наименьшей — асбофанера, рубероид, керамика. Воздухопроницаемость каменной кладки значительно выше проницаемости исходных материалов (камня, кирпича, раствора), вследствие наличия неплотностей и щелей в швах. Покрытие штукатуркой одной из поверхностей снижает воздухопроницаемость кирпичных стен в 10—15 раз. Двухсторонняя штукатурка может снизить воздухопроницаемость стен в 25 раз. Объясняется это высокой сопротивляемостью воздухопроницаемости растворов, применяемых для штукатурки.
Инфильтрация через каменные стены тем меньше, чем больше размер камня (блоков), применяемого для кладки.
Результаты исследований, проведенных в Канаде, показали, что во многих случаях перенос пара с фильтрующимся через ограждение воздухом приводит к образованию в 50—100 раз большего количества конденсата в толще стены, чем при диффузии.
Увлажнение материалов, как результат химических процессов. Причинами возникновения влажности в элементах здания могут быть различные химические процессы, происходящие в материалах в виде гигроскопических явлений или химических реакций.
Гигроскопичность — свойство различных веществ поглощать водяные пары из воздуха.
С точки зрения влажностного состояния строительных конструкций наибольший интерес представляют соединения окиси кальция (СаО) и различные хлористые соли— магниевая (MgCl2), кальциевая (СаС12), обладающие высокой степенью гигроскопичности. Эти соединения входят в состав многих строительных материалов и их присутствие в материале может вызвать увлажнение последнего.
Таким образом, при явлениях, связанных с гигроскопичностью материала, увлажнение последнего происходит за счет поглощения влаги извне.
Процесс карбонизации продолжается до тех пор, пока вся гашеная известь не перейдет в углекислый кальций. Интенсивность карбонизации зависит от количества углекислоты, содержащейся в окружающем воздухе: с увеличением этого количества интенсивность процесса повышается. В условиях внутреннего климата помещения процесс карбонизации известкового раствора во вновь сложенных стенах продолжается в течение срока от 6 месяцев до одного года и более. Для ускорения карбонизации иногда принимают меры, суть которых сводится к обогащению углекислотой воздушной среды, окружающей твердеющий известковый раствор.
Источник https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1843
Источник https://www.bako.ru/blog/vliyanie-kolebanij-vlazhnosti-v-pomeshhenii-na-otdelochnye-materialy
Источник https://stroysl.ru/?p=2911
