INFLUENCE OF CLIMATE IMPACTS ON TEMPERATURE AND HUMIDITY STATE OF THE SURFACE LAYERS OF THE MULTILAYER EXTERNAL WALLING BUILDINGS

Перехоженцев А.Г.¹, Груздо И.Ю.²

¹ Доктор технических наук, ² Соискатель научной степени кандидата технических наук, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНЫХ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Аннотация

Рассмотрены основные параметры, влияющие на температурно-влажностное состояние и разрушение поверхностных слоёв многослойных наружных ограждающих конструкций из капиллярно-пористых материалов. Проведён анализ погоды за холодный период 2012-2015 гг. и определено её влияние на долговечность ограждающих конструкций, которая связанна с зоной резких колебаний температур, на примере наиболее распространённых в строительстве конструктивных систем, а так же проведено сравнение с аналогичными показаниями в СП.

Ключевые слова: многослойные наружные ограждения зданий, поверхностные слои, зона резких колебаний температуры, климатическое воздействие, температурно-влажностное состояние поверхностных слоев.

Perehozhentsev A.G.¹, Gruzdo I.U.²

¹ PhD in Engineering, ² Postgraduate student, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering

INFLUENCE OF CLIMATE IMPACTS ON TEMPERATURE AND HUMIDITY STATE OF THE SURFACE LAYERS OF THE MULTILAYER EXTERNAL WALLING BUILDINGS

Abstract

The main parameters affecting the temperature and humidity state and the destruction of the surface layers of the multilayer external walling of capillary-porous materials. Conducted an analysis for the cold weather period 2012-2015. and determined its impact on the durability of building envelopes, which is connected to the zone of sharp fluctuations in temperature, the example of the most common in the construction of structural systems, as well as a comparison with the same indications in the joint venture.

Keywords: multi-layered exterior fence building, surface layers, the zone of sharp temperature fluctuations, climatic impacts, temperature and humidity condition of the surface layers.

Повышение требований к теплозащитным свойствам наружных ограждений зданий в связи с введением новых норм [1,2] привело к необходимости проектировать наружные ограждающие конструкции, многослойными, с применением эффективных утеплителей. Влияние климатических воздействий на температурно-влажностное состояние поверхностных слоёв таких конструкций мало изучено, поэтому проблема защиты от переувлажнения ограждающих конструкций остаётся наиболее актуальной [3-15]. Между тем, именно на поверхностные слои наружных ограждений зданий климатические факторы оказывают максимальное воздействие. Накопление влаги в холодный период года в зоне резких колебаний температуры часто приводит к разрушению этого слоя.

В [16 -21] подробно описано влияние влагонакопления на микроклимат помещения и долговечность ограждающих конструкций на примере разных конструктивных решений наружных стен.

Разрушение поверхностных слоев наружных ограждающих конструкций приводит не только к необходимости ремонта поверхности, но может привести и  к капитальному ремонту всего ограждения. (рис.1,2). На рисунке 1 видно разрушение защитного слоя керамзитобетонной панели, в которой слой резких колебаний температуры совпал  с положением арматурной сетки. На рисунке 2 видно разрушение лицевого щелевого керамического кирпича в результате накопления конденсационной влаги в пустотах у наружной поверхности.

Рис.1 - Разрушение поверхностного слоя керамзитобетонной панели.

Рис. 2 - Процесс разрушения красного кирпича в результате влияния влаги и знакопеременных температур.

Долговечность поверхностных слоёв наружных ограждающих конструкций зависит от их температурно-влажностного состояния в холодный период года. В свою очередь, температурно-влажностное состояние наружных ограждающих конструкций зданий зависит от многих факторов. Прежде всего, от нестационарных климатических воздействий в холодный период года, а также от температуры и влажности воздуха внутри помещения, от свойств материалов из которых состоит конструкция, от расположения плотных и пористых слоёв конструкции по отношению к потокам тепла и влаги.

Основной причиной разрушения конструкций из пористых материалов является попеременное замерзание и оттаивание материала увлажненного сверх сорбционной влагой, например, в результате термической конденсации. Известно, что процесс увлажнения гигроскопической влагой (сорбционное увлажнение) происходит от  мелких пор к более крупным. При термической конденсации увлажняются все свободные поры, как правило, наиболее крупные. При этом, температура замерзания сорбционной влаги в мелких порах значительно ниже температуры замерзания свободной воды, находящейся в крупных порах. Поэтому, наибольшее влияние на деструкцию пористого материала при переменном замерзании и оттаивании играет влага, сконденсированная в порах в результате термической конденсации. Понятно, что наиболее интенсивно этот процесс будет идти, если зона конденсации совпадает с зоной резких колебаний температуры.

Влияние комплекса климатических параметров.

Рассмотрим изменение основных климатических характеристик (на примере г. Волгограда) в холодный период года. Одним из важнейших воздействий на долговечность зданий является наружный климат в зимний период, который имеет ярко выраженный знакопеременный характер (рис.3). Воздействие климата на температурно-влажностное состояние поверхностных слоёв конструкций проявляется в большом количестве периодов замораживания и оттаивания, которые разрушают материал, из которого они изготовлены. В ходе исследования климата была произведена оценка его знакопеременности, определены средние отрицательные и средние положительные температуры за три зимних периода с 2012 по 2015 год. На рис.3 представлены среднестатистические  результаты обработки климатических параметров  по годам и усредненная кривая за три года.

Рис. 3 - Среднестатистическая климатическая активность за холодный период 2012-2015 гг.

По результатам исследования зимнего периода за 2012-2015 гг, отображенные на графике (рис.3), можно сделать вывод, что полученные значения близки или совпадают с аналогичными в СП-131.13330.2012. Существенное расхождение заметно только в колличестве циклов замораживания-оттаивания: в СП это значение составляет 33 цикла, а по результатам исследования 21цикл, что на 36% меньше чем в нормативном документе. Продолжительность отрицательных и положительных температур, минимальная температура наружного воздуха, средняя температура холодного периода, амплитуда колебаний средних температур совпадает со значениями, представленными в СП, что говорит об их достоверности и актуальности. Результаты  исследования климатических характеристик по годам и их среднестатистические  данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные климатические параметры зимних периодов 2012-2015 гг.

Стоит отметить, что переход температуры через нулевую отметку ещё не означает, что в конструкции пройдёт цикл замерзания оттаивания.          В [22] представлены результаты лабораторных исследований замерзания влаги в порах материалов (рис.4).

Рис 4. - График зависимости количества незамёрзшей воды от отрицательной температуры наружного воздуха; 1 – бетон, 2 – керамзитобетон, 3 – силикатный кирпич, 4 – минеральная вата.

Исследования замерзания влаги в материалах для конструкций на рис. 4 говорят о том, что влага в порах материалов замерзает в различных материалах при разной отрицательной температуре.

В минеральной вате 100% влаги замерзает только при -2,74 ⁰С, в бетоне 80% влаги замерзает при -2,7 ⁰С, в керамзитобетоне 80% замерзает при -2,74 ⁰С, в силикатном полнотелом кирпиче 93% влаги при -2,74 ⁰С. Дальнейшее замерзание влаги в данных строительных материалах происходит крайне медленно и для полного замерзания влаги нужна температура от -30 ⁰С до приблизительно -40⁰С.

Влияние конструктивного решения ограждающих конструкций на их долговечность.

Основным фактором, влияющим на разрушение поверхностных слоев наружных стен в условиях эксплуатации, являются переменные температурно-влажностные воздействия наружной среды в зимний и зимне-весенний интервалы года. В этот период происходит накопление влаги в конструкции за счёт термической конденсации, которое происходит, как правило, в зоне отрицательных температур. Глубина промерзания и оттаивания или, так называемая, зона резких колебаний температуры в конструкции ?_t зависит от тепловой инерционности поверхностных слоёв D и определяется при показателе D=1,0 следующим образом

?_t = Σ ( ?_i/s_i ),                                              (1)

где ?_i – коэффициенты теплопроводности наружных поверхностных слоёв;

s_i – коэффициенты теплоусвоения этих слоёв.

Рис.5 - Зоны конденсации и зоны резких колебаний температур в ограждающих конструкциях; а) – 3-х слойная ж/б панель (1 - цементно-песчаный раствор; 2 – железобетон; 3 - минеральная вата; 4 – железобетон)  , б) – 3-хслойная к/б панель (1 - цементно-песчаный раствор; 2 – керамзитобетон; 3 - минеральная вата; 4 – керамзитобетон), в) – двухслойная кирпичная стена (1 - цементно-песчаный раствор; 2 – полнотелый силикатный кирпич; 3 - минеральная вата; 4 – цементно-песчаный раствор); г) – трёхслойная кирпичная стена (1 - цементно-песчаный раствор; 2 – полнотелый силикатный кирпич; 3 - минеральная вата; 4 – полнотелый силикатный кирпич)

Таблица 2. Результаты расчёта зоны конденсации для г. Волгограда

Рассмотрим как влияет конструктивное решение на зоны резких колебаний температур и конденсации на 4-х наиболее распространённых конструкциях (рис. 5).

Анализируя результаты расчётов можно сделать вывод, что зону конденсации при относительной влажности внутреннего воздуха 60% не имеет только двухслойная кирпичная стена с наружным утеплением, следовательно, воздействия на неё циклов замораживания-оттаивания будет минимально. Это позволяет сделать вывод, что данная конструкция наиболее благоприятная и разрушение наружного облицовочного слоя маловероятно[19].

Трёхслойные конструкции имеют зону конденсации, совпадающую с зоной резких колебаний температур. Это говорит о том, что при достаточной конденсации материал будет разрушаться из-за циклов замораживания-оттаивания за счёт естественного расширения воды, что представляет угрозу долговечности облицовочного слоя.

Зона резких колебаний температур в ж/б панели за счёт низкой инерционности железобетона охватывает большую часть утеплителя, что создаёт впечатление о безопасности данной конструкции, так как на внутренней границе практически отсутствует перепад температур через нулевую отметку, однако при этом облицовочный слой подвержен воздействию этих циклов.

Двухслойная кирпичная стена с наружным утеплением не имеет зоны конденсации при относительной влажности внутреннего воздуха 60%, что сводит к минимуму воздействие температурных перепадов.

Трёхслойная керамзитобетонная панель за счёт повышенного сопротивления теплопередачи и инерционности материала увеличивает количество циклов замораживания оттаивания при наличии зоны конденсации по сравнению с количеством циклов перехода через нулевую отметку наружного воздуха, что усугубляет долговечность материала. Следовательно, уменьшение инерционности и повышение сопротивления теплопередаче облицовочного слоя не способствует повышению долговечности, а в некоторых случаях даже ухудшает ситуацию.

Следует отметить, что это при относительной влажности внутреннего воздуха 60%, при меньшей влажности зона конденсации сужается, а её интенсивность уменьшается, что увеличивает срок службы облицовочного слоя, а при увеличении относительной влажности наоборот снижает.

Заключение.

Влагонакопление в ограждающих конструкциях в зимний период имеет прямое отношение к их долговечности только при наличии следующих условий: совпадения в них зоны резких колебаний температур и зоны конденсации, наличие циклов замораживания оттаивания. Более всего этим условия подвержены трёхслойные ограждающие конструкции с эффективным утеплителем в середине. Такие конструкции потребуют капитального ремонта раньше положенного срока их эксплуатации.

Момент наступления цикла замораживания оттаивания не стоит считать состоявшимся только при переходе температуры через нулевую отметку после оттепели, следует отбросить циклы, при которых не замерзает максимальное количество воды в материале при определённой температуре, которая для каждого материала отличается.

Количество циклов замерзания и оттаивания за год можно приближенно принимать по схематической карте распределения среднего за год числа дней с переходом температуры наружного воздуха через ноль (СП 131.13330.2012.Приложение А. Рис.А.3) с учётом особенностей материала, а именно температуры замерзания максимального количества влаги.

Литература

1. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3(30). С. 7—37.
2. Кнатько М. В., Горшков А. С. К вопросу о долговечности и энергоэффективности современных ограждающих стеновых конструкций жилых, административных и производственных зданий. // Инженерно-строительный журнал. 2008. №2. С. 50-53.
3. Куприянов В. Н., Сафин И. Ш. Паропроницаемость и проектирование ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № С. 385—390.
4. Гринфельд Г. И. Эксплуатационные характеристики автоклавного газобетона марки по средней плотности D400 // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 5(10). С. 28—57.
5. Ватин Н. И., Горшков А. С., Глумов А. В. Влияние физико-технических и геометриче ских характеристик штукатурных покрытий на влажностный режим однородных стен из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1(19). С. 28—33.
6. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Ватин Н. И. Моделирование процессов нестационарного переноса тепла в стеновых конструкциях из газобетонных блоков // Инженерностроительный журнал. 2014. № 8(52). С. 38—48.
7. Кнатько М. В., Горшков А. С., Рымкевич П. П. Лабораторные и натурные исследования долговечности (эксплуатационного срока службы) стеновой конструкции из автоклавного газобетона с лицевым слоем из силикатного кирпича // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 8(10). С. 20—26.
8. Копылова А. И., Ватин Н. И., Пестряков И. И. Экспериментальное сравнение характеристик паропроницаемости основных строительных материалов // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 10(25). С. 98—108.
9. Hygrothermal performance of exterior walls covered with aerogel-based insulating rendering / M. Ibrahim, E. Wurtz, P. H. Biwole, P. Achard, H. Sallee // Energy and Buildings. 2014. № Pp. 241—251.
10. Moon H. J., Ryu S. H., Kim J. T. The effect of moisture transportation on energy efficiency and IAQ in residential buildings // Energy and Buildings. 2014. № Pp. 439—446.
11. Hygrothermal study of lightweight concrete hollow bricks: A new proposed experimentalnumerical method / Del Coz Díaz J. J., Álvarez-Rabanal F. P., Gencel O., García Nieto P. J., Alonso-Martínez M., Navarro-Manso A., Prendes-Gero B. // Energy and Buildings. 2014. № Pp. 194—206.
12. Assessment of the actual hygrothermal performance of glass mineral wool insulation applied 25 years ago in masonry cavity walls / F. Stazi, F. Tittarelli, G. Politi, C. Di Perna, P. Munafò // Energy and Buildings. 2014. № Part A. Pp. 292—304.
13. Interior insulation for wall retrofitting — A probabilistic analysis of energy savings and hygrothermal risks / E. Vereecken, L. Van Gelder, H. Janssen, S. Roels // Energy and Buildings. 2015. № Pp. 231—244.
14. Lelievre D., Colinart T., Glouannec P. Hygrothermal behavior of bio-based building materials including hysteresis effects: Experimental and numerical analyses // Energy and Buildings. 2014. № Pp. 617—627.
15. Effect of the night ventilation rate on the indoor environment and air-conditioning load while considering wall inner surface moisture transfer / Y. Wang, Y. Liu, D. Wang, J. Liu // Energy and Buildings, 2014. № Pp. 366—374.
16. Лобов О.И., Ананьев А.И. Долговечность облицовочных слоев наружных стен многоэтажных зданий с повышенным уровнем теплоизоляции // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 56-59.
17. Беляев Н. В., Фурсов В. В. О разнообразии причин образования повреждений несущих ограждающих конструкций. // Вестник Сиб АДИ. 2013. №5 (33). С. 45-51.
18. Горшков А. С. Оценка долговечности стеновой конструкции на основании лабораторных и натурных испытаний // Строительные материалы. 2009. № С. 12—17.
19. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Пестряков И. И., Кнатько М. В. Прогнозирование эксплуатационного срока службы стеновой конструкции из газобетона с лицевым слоем из силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 49—53.
20. Кнатько М. В., Горшков А. С., Рымкевич П. П. Лабораторные и натурные исследования долговечности (эксплуатационного срока службы) стеновой конструкции из автоклавного газобетона с лицевым слоем из силикатного кирпича // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 8(10). С. 20—26.
21. Александровский СВ. Долговечность наружных ограждающих конструкций. М.: РААСН, 2004. 332 с.
22. Перехоженцев А. Г. Теоретические основы и методы расчёта температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий / Волгоград. ВолгГАСУ. 2008. С. 72-78.

References

1. A. Gorshkov, Livchak VI history, evolution and development of regulatory requirements for protective structures // Construction of unique buildings and structures. 2015. number 3 (30). S. 7-37.
2. Knatko MV Gorshkov A. To a question about the durability and efficiency of modern load-bearing wall construction of residential, administrative and industrial buildings. // Journal of Civil Engineering. 2008. №2. S. 50-53.
3. Kupriyanov VN, Safin I. Sh Water vapor permeability and design of walling // Academia. Architecture and Construction. 2010. № 3. S. 385-390.
4. Greenfield GI Operational characteristics of autoclaved aerated concrete stamps at an average density of D400 // Construction of unique buildings and structures. 2013. № 5 (10). S. 28-57.
5. Batting NI Gorshkov A., Glumov AV Influence of physical and technical characteristics of geometric and plaster coatings on the humidity conditions of homogeneous walls of concrete blocks // Civil Engineering Journal. 2011. № 1 (19). S. 28-33.
6. A. Gorshkov, Rymkevich PP, Batting NI Modeling of non-stationary processes of heat transfer in the wall structures of concrete blocks // Inzhenernostroitelny magazine. Number 2014. 8 (52). S. 38-48.
7. Knatko MV Gorshkov A., Rymkevich PP Laboratory and field studies of durability (service life service) of the wall structure of the autoclaved aerated concrete with a facing layer of silicate bricks // Civil Engineering Journal. 2009. № 8 (10). S. 20-26.
8. Kopylova AI, Batting NI, Pestryakov II Experimental comparison of the characteristics of water vapor permeability of basic building materials // Construction of unique buildings and structures. Number 2014. 10 (25). S. 98-108.
9. Hygrothermal performance of exterior walls covered with aerogel-based insulating rendering / M. Ibrahim, E. Wurtz, P. H. Biwole, P. Achard, H. Sallee // Energy and Buildings. 2014. № 84. Pp. 241-251.
10. Moon H. J., Ryu S. H., Kim J. T. The effect of moisture transportation on energy efficiency and IAQ in residential buildings // Energy and Buildings. 2014. № 75. Pp. 439-446.
11. Hygrothermal study of lightweight concrete hollow bricks: A new proposed experimentalnumerical method / Del Coz Díaz JJ, Álvarez-Rabanal FP, Gencel O., García Nieto PJ, Alonso-Martínez M., Navarro-Manso A., Prendes-Gero B . // Energy and Buildings. 2014. № 70. Pp. 194-206.
12. Assessment of the actual hygrothermal performance of glass mineral wool insulation applied 25 years ago in masonry cavity walls / F. Stazi, F. Tittarelli, G. Politi, C. Di Perna, P. Munafò // Energy and Buildings. 2014. № 68. Part A. Pp. 292-304.
13. Interior insulation for wall retrofitting - A probabilistic analysis of energy savings and hygrothermal risks / E. Vereecken, L. Van Gelder, H. Janssen, S. Roels // Energy and Buildings. 2015. № 89. Pp. 231-244.
14. Lelievre D., Colinart T., Glouannec P. Hygrothermal behavior of bio-based building materials including hysteresis effects: Experimental and numerical analyses // Energy and Buildings. 2014. № 84. Pp. 617-627.
15. Effect of the night ventilation rate on the indoor environment and air-conditioning load while considering wall inner surface moisture transfer / Y. Wang, Y. Liu, D. Wang, J. Liu // Energy and Buildings, 2014. № 80 . Pp. 366-374.
16. Lobov OI, AI Ananiev The durability of cladding layers of external walls of multistory buildings with a high level of thermal insulation // Building materials. 2008. № 4. S. 56-59.
17. Belyaev NV, Fursov VV variety of causes of damage bearing walling. // Herald Sib ADI. 2013. №5 (33). S. 45-51.
18. Gorshkov A. Assessment of the durability of the wall structure on the basis of laboratory and field tests // Building materials. 2009. № 8. S. 12-17.
19. Gorshkov A., Rymkevich PP, Pestryakov II, Knatko MV Prediction operational lifetime of the wall structure of aerated concrete with the facial layer of silicate bricks // Building materials. 2010. № 9. S. 49-53.
20. Knatko MV Gorshkov A., Rymkevich PP Laboratory and field studies of durability (service life service) of the wall structure of the autoclaved aerated concrete with a facing layer of silicate bricks // Civil Engineering Journal. 2009. № 8 (10). S. 20-26.
21. Alexander ST. The durability of exterior building envelopes. M .: RAASN, 2004. 332 p.
22. Perehozhentsev AG Theoretical bases and methods of calculating the temperature and humidity of building envelopes / Volgograd. VolgGASU. 2008, pp 72-78.