Увлажнение ограждающих конструкций и сорбционные

Характеристики строительных материалов

Тесно связан с теплотехническим режимом ограждений процесс конденсации влаги из воздуха помещения. Содержащаяся в воздухе влага, вступает во взаимодействие со строительными конструкциями. При этом часть её может конденсироваться в виде жидкой фазы как на поверхности так и в объёме конструкции.

На внутренней поверхности ограждения влага из воздуха будет конденсироваться, когда температура внутренней поверхности t_в окажется ниже температуры точки росы внутреннего воздуха t_p. Влага, конденсирующаяся на внутренней поверхности ограждения, будет впитываться материалом ограждения, постепенно повышая его влажность.

Увлажнение внутренней поверхности ограждения ухудшает санитарное состояние помещения. Явление конденсации влаги может наблюдаться прежде всего в местах с минимальной температурой: наружных углах, у стыков панелей, под окнами в нижней части стен первых этажей.

Условия конденсации влаги на поверхности ограждения следующие:

t_в<t_p – конденсация по всей внутренней поверхности;

t_в>t_p>t_y – конденсация в наружном углу; t_y – температура повехности в наружном углу;

t_в>t_p>t_min – периодическая конденсация, связанная с понижением температуры внутренней поверхности ограждения до t_min в результате недостаточной теплоустойчивости.

Зимой может наблюдаться конденсация влаги в виде изморози на нарушенных поверхностях ограждений. Это бывает при резком потеплении после морозов. В этом случае температура нарушаемой поверхности τ_н и влага из наружного воздуха конденсируется на поверхности и замерзает.

Диффузия водяного пара

Разность величин упругости водяного пара с внутренней и наружной сторон

ограждения вызывает направленное перемещение водяных паров. Это явление носит название диффузия водяного пара через ограждение. Таким образом, в зимнее время водяной пар диффундирует из помещения наружу. В летнее время при принудительном искусственном охлаждении помещения и температуре внутреннего воздуха ниже наружной, диффузия водяного пара может идти в обратном направлении снаружи в помещение, но это явление будет значительно менее интенсивно, вследствие меньшей разности температур и относительных влажностей. Поэтому рассматривается преимущественно диффузия водяного пара через ограждение в зимнее время.

Диффундирующий через ограждение водяной пар будет снижать свою упругость и встречать на своем пути все более холодные слои. В некоторых случаях падение упругости и температуры не приведут к конденсации влаги, в других же могут создаться условия, вызывающие конденсацию водяного пара в толще ограждения.

В ограждающих конструкциях строительный материал никогда не бывает в абсолютно сухом состоянии, а имеет некоторую влажность вследствие процессов сорбции и конденсации. Влажность материала в нормальной климатической зоне и в нормальных условиях эксплуатации называется нормальной и составляет, например, 1,5 % для кирпича плотностью ρ = 1800 кг/м³; 2,5% – для кирпича силикатного; 15% – для дерева плотностью ρ = 500 кг/м³.

Влага, поглощаемая пористым материалом из окружающего его воздуха, называется сорбционной.

Если высушенный образец пористого материала поместить в воздушную среду с определенной температурой и относительной влажностью, то с течением времени образец поглотит некоторое количество влаги. При дальнейшем пребывании материала в воздухе с постоянной температурой и влажностью количество поглощаемой влаги останется неизменным. Если изменить температуру или влажность окружающего воздуха, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащиеся в материале.

Процесс поглощения влаги из окружающего воздуха называется сорбцией. Сорбционное увлажнение происходит за счет сил молекулярного взаимодействия между поверхностью материала и молекулами водяных паров, которые обволакивают поверхность его пор и капилляров.

Процесс увлажнения строительной конструкции обусловлен увлажнением сухого материала путем поглощения воды из влажного воздуха даже при отсутствии зоны конденсации в толще ограждения. Находящиеся во влажном воздухе молекулы воды в парообразном состоянии под действием молекулярных сил сухого материала образует на поверхности зерен или пор газовую или жидкостную пленку. Подобное явление и называется сорбцией. Сорбция – это увеличение влажности материала вследствие поглощения влаги из окружающего влажного воздуха. Существует равновесное состояние между сорбированной влагой и упругостью водяного пара окружающего воздуха, не связанное с разностью температур воздуха и материала, т.е. не связанное с температурной конденсацией. Для разных материалов зависимость между влажностью материала и относительной влажностью воздуха изображается графически в виде изотерм сорбции (рисунок 4.14).

Рисунок 4.14 – Сорбционные кривые

Они показывают особенности поглощения сорбционной влаги материалами выражая зависимость массовой влажности материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре. Форма кривой изотермы сорбции зависит от природы и структуры материала. Для мелкопористых материалов, хорошо смачиваемых влагой (древесина, фибролит, ячеистые бетоны и др.) выпуклая часть изотермы указывает на появление внутри материала адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров силами молекулярного притяжения (мономолекулярная адсорбция). Средняя часть изотермы, близкая к прямой линии, соответствует появлению пленки адсорбированной влаги, состоящей из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция). При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют тонкие капилляры. Этот этап сорбционного увлажнения называется капиллярной конденсацией и соответствует вогнутой части изотермы в области высокой относительной влажности воздуха.

Процесс капиллярной конденсации имеет место в хорошо смачиваемых материалах, внутри которых имеются мелкие поры и тонкие капилляры с радиусом, равным или меньшим 10^{-5 см. При этом, чем тоньше капилляры и чем большей смачиваемостью обладает их поверхность, тем меньше относительная влажность воздуха, при которой возникает капиллярная конденсация. Так, для мелкопористого гипса капиллярная конденсация начинается при 70–75% относительной влажности воздуха, а для хорошо обожженного кирпича – при 80 – 85%.}

Полное сорбционное насыщение материала при неизменной температуре достигается при максимальной относительной влажности воздуха; ему соответствует предельное значениемассовой влажности материала w₁₀₀. Для таких пористо-капиллярных материалов, как древесина, фибролит предельное значение массовой влажности w₁₀₀ равно 30 – 35%.

Для крупнопористых материалов, плохо смачиваемых влагой, (битумы, минераловатные плиты и др.) характерны изотермы с прямолинейными, близкими к горизонтальным участками. Процесс капиллярной конденсации в таких материалах практически отсутствует. Верхний предел сорбционного увлажнения соответствует предельной массовой влажности w₁₀₀ = 0,2 – 2,0%.

Промежуточное положение занимают ограниченно смачиваемые материалы (обожженный кирпич, пеностекло и др.). Такой же характер изотерм свойственен очень плотным, хотя и более смачиваемым материалам (известняки, силикатный кирпич и др.). Верхний предел сорбционного насыщения для таких материалов составляет примерно от 0,5 до 5,0%.

Понятие сорбции охватывает два явления. Поглощение водяного пара поверхности пор из-за адгезии молекул воды при их соударении с материалом, называемое адсорбциейи имеющие основное значение, и далее, из-за адсорбции водяного пара в пограничном слое влажного воздуха, упругость водяного пара падает и возникает диффузия водяных паров из области больших концентраций в область меньших концентраций с распространением процесса вглубь объема материала, что называется абсорбцией (рисунок 4.15).

Рисунок 4.15 -– Изотермы сорбции и десорбции

Интенсивность сорбирования влаги материалом зависит от его физико-химических свойств и структуры. Неорганические материалы обладают меньшей сорбционной способностью, чем органические. Зависимость сорбционной способности материала от температуры также различна.

Если на графике представлена зависимость количества сорбированной влаги от относительной влажности воздуха, полученная в результате последовательного снижения давления водяного пара, то она называется изотермой десорбции. Для большинства материалов изотермы сорбции и десорбции не совпадают, т.к. при увлажнении адгезии молекул воды препятствуют адсорбированный на материале слой воздуха, что объясняет начальную неполноту смачивания, чего нет при высушивании (десорбции) увлажненного материала.

Анализ сорбционных кривых позволяет выделить три участка соответствующие трем стадиям процесса сорбции.

1– начальный выпуклый участок характеризует мономолекулярную адсорбцию, при которой образуется пленка жидкости толщиной в одну молекулу (сопровождается выделением теплоты, экзотермический процесс);

2 – полимолекулярная адсорбция - наращивание слоя жидкости, процесс менее интенсивный;

3 – φ ~ 80÷100% - капиллярная конденсация, что соответствует резкому увеличению влажности материала.

Причиной капиллярной конденсации является, что упругость водяных паров в состоянии насыщения над вогнутой поверхностью мениска капилляра меньше, чем над плоскостью, что может привести к конденсации. Чем диаметр капилляра меньше, тем больше радиус кривизны и больше капиллярная конденсация. Материал может поглощать влагу из окружающей среды путем сорбции только до равновесной влажности, называемой гигроскопической, зависящей от физико-химических свойств материала. Гигроскопичность – это условное понятие, дающее сравнительную характеристику оценки скорости сорбции водяного пара строительными материалами.

Влажностное состояние конструкции зависит от того, как протекают процессы сорбции и конденсации. Конденсация пара в толще материала в отличие от капиллярной конденсации возможна, когда влажность достигает максимальной сорбционной (см. на изотерме сорбции при соответствующей tº и φ=100% ). Таким образом, сорбция предшествует конденсации.