Влагонакопление стеновой конструкции из ячеистого бетона в годовом цикле

Шакирова В.А.

doi:10.7256/2310-8673.2021.4.37174

Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».

Вернуться к содержанию

Урбанистика

Правильная ссылка на статью:

Шакирова В.А. Влагонакопление стеновой конструкции из ячеистого бетона в годовом цикле // Урбанистика. 2021. № 4. С. 55-67. DOI: 10.7256/2310-8673.2021.4.37174 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=37174

Влагонакопление стеновой конструкции из ячеистого бетона в годовом цикле

Шакирова Вероника Александровна

кандидат архитектуры

Архитектор-проектировщик, ООО "Продом"

660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Проспект Свободный, 82, корпус 24(А), ауд. 412

Shakirova Veronika Aleksandrovna

PhD in Architecture

Engineering Architect, "Prodom" LLC

660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, ul. Prospekt Svobodnyi, 82, korpus 24(A), aud. 501

veronika-arch@mail.ru

Другие публикации этого автора

DOI:

10.7256/2310-8673.2021.4.37174

Дата направления статьи в редакцию:

22-12-2021

Дата публикации:

31-12-2021

Аннотация: В статье представлен расчет влагонакопления конструкции стены в годовом цикле для климатических условий г. Красноясрка. Рассмотрена многослойная конструкция стены из ячеистого бетона, с наружным слоем из штукатурки на основе цементно-песчаного раствора и с использованием теплоизоляции в виде минераловатной плиты. Предметом исследования является типовой узел угла из ячеистого бетона в сопряжении с монолитным поясом и междуэтажным перекрытием, который применяется в малоэтажном строительстве. В расчете получены результаты влагонакопления в слоях конструкции для каждого месяца в течении одного года и зависимости от климатических параметров. Новизна исследования заключается в том, что наружный климат и учет сорбционной влажности, оказывает влияние на влагонакопление в материалах конструкции, создавая большой прирост влаги в зависимости от времени года. Учитывая данные факторы при проектировании, можно сделать конструкции более долговечными и энергоэффективными при дальнейшей эксплуатации. Основными выводами данного исследования, является то, что распределение влаги в слоях конструкции происходит неравномерно в течении года при климатических условиях г. Красноярска, но при этом удволетворяют требованиям свода правил. Данные расчеты рекомендуется использовать при проектировании для улучшения влажностного состоянии материалов конструкции

Ключевые слова:

Газобетон, Ячеистый бетон, Влагонакопление, Сорбционная влажность, Инженерные свойства, Долговечность, Энергосбережение, Тепловая защита, Теплопроводность, Сопротивление теплопередаче

Abstract: This article delivers the calculation of moisture accumulation of the wall structure in the annual cycle for the climatic conditions of Krasnoyarsk. Analysis is conducted on the multilayer wall structure made of cellular concrete, with the plaster based on cement-sand mortar as top layer and use of thermal insulation in the form of mineral wool board. The subject of this research is the typical corner unit made of cellular concrete in combination with monolithic belt and an inter-floor overlap used in low-rise construction. The author acquires the results of moisture accumulation in layers of the structure for each month within one year, depending on the climatic parameters. The novelty lies in the fact that the outdoor climate and sorption moisture influences the accumulation of moisture in construction materials, creating a large seasonal increase in moisture. Consideration of these factors in the design process, allows making the structures more durable and energy-efficient. The conclusion is made that the distribution of moisture structural layers under climatic conditions. Krasnoyarsk is uneven throughout the year; however, meet the regulations. It is recommended to conducted regulation in the design in order to maintain the level of moisture in construction materials

Keywords:

Aerated concrete, Сellular concrete, Moisture accumulation, Sorption moisture, Engineering properties, Durability, Energy saving, Thermal protection, Thermal conductivity, Heat transfer resistance

Актуальность

Ячеистый бетон является востребованным и популярным материалом в строительстве.Он применяется как конструкционный для возведения несущих стен здания, так и как теплоизоляционный материал ^{[1, 2]}.

За счет своей ячеистой структуры, ячеистый бетон имеет низкую теплопроводность. Однако, ячеистая структура ячеистого бетона может способствовать накоплению влаги в материале, которая в свою очередь снижает долговечность, сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и способствует развитию грибков. В этой связи, исследование процессов тепло-массопереноса в ограждающих конструкциях на основе ячеистого бетона является актуальной задачей ^[3-6].

В статье представлена оценка влагонакопления в стеновой конструкции из ячеистого бетона. Такой тип ограждающих конструкций является распространенным в строительстве за счет своей энергоэффективности и невысокой массы. Однако, в случае ошибок проектирования многослойных конструкций, в таких стенах может скапливаться влага и значительно снижать теплозащитные свойства.

Цель работы: исследование влагонакопления конструкции из ячеистого бетона в г. Красноярске.

Задачи исслдования:

1. Провести численное моделирование процессов тепло-массопереноса в готовом конструктивном решении (сопряжение наружной стены и плиты перекрытия);

2. Определить зоны максимального увлажнения в узле сопряжения ограждающей конструкции и перекрытия из ячеистого бетона.

3. По полученным данным оценить конструктивный узел на соответствие нормативным требования по влагонакоплению.

Материалы и методы исследования

В работе исследован типовой узел ^[7] угла с монолитным поясом и междуэтажным перекрытием, применяемый в строительстве индивидуальных жилых домов. Рассчитываемый узел представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Конструкция угла

Численное моделирование производилось в программном комплексе COMSOL.

Исходные данные для расчета

· климатические параметры (среднемесячные значения температуры и относительной влажности наружного воздуха (таб. 1));

· параметры микроклимата в помещении (таб. 2);

· теплотехнические показатели используемых материалов ограждающей конструкции (таб. 3) и сорбционная влажность (таб. 4);

· граничные условия:

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, αн, Вт/(м2×оС) стенового ограждения – 23 ^[8].

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, αв, Вт/(м2×оС) стенового ограждения – 8,7 ^[8]

Таблица 1

Климатические параметры в г. Красноярске

Месяц	Температура наружного воздуха text, °C ^[9]	Температура наружного воздуха text, К ^[9]	Относительная влажность наружного воздуха φext , % ^[9]	Парциальное давление, Па ^[8]
Январь	-16,3	256,85	0,89	160
Февраль	-13,9	259,25	0,83	180
Март	-5,9	267,25	0,72	290
Апрель	2,4	275,55	0,6	440
Май	9,7	282,85	0,56	680
Июнь	16,4	289,55	0,64	1200
Июль	18,7	291,85	0,71	1540
Август	15,6	288,75	0,77	1360
Сентябрь	9	282,15	0,77	880
Октябрь	1,7	274,85	0,75	520
Ноябрь	-7,4	265,75	0,84	300
Декабрь	-13,6	259,55	0,86	190

Таблица 2

Параметры микроклимата в помещении

Параметры	Значение параметров	Источник
1. Расчетная температура внутреннего воздуха, t_в, ^oС: - жилая комната	+21	Табл. 3 ГОСТ 30494-2011; СП 50.13330.2012
2. Относительная влажность воздуха: -для жилой комнаты	55%	п. 5.7. СП 50.13330.2012;
3. Температура точки росы t_р, °C: -для жилой комнаты	11,62	Прил. Р, СП 23-101-2004
4. Продолжительность отопительного периода, z_от,сут (со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8^оС)	235	СП 131.13330.2018
5. Средняя температура наружного воздуха в течение отопительного периода, t_от, ^оС	-6,5	СП 131.13330.2018
6. Влажностный режим эксплуатации помещений: -для жилой комнаты	нормальный	Табл.1 СП 50.13330.2012
7. Зона влажности	сухая	Прил. В СП 50.13330.2012

Таблица 3

Теплотехнические характеристики стеновой конструкции

Материал	Теплопроводность, Вт/(м2 оС) λ, ^[8]	Толщина слоя, м.
1. Штукатурный слой (раствор цементно-песчаный), γ=1500 кг/м³	λ (φ)	0,015
2. Утеплитель – минераловатная плита, γ=34 кг/м³	0,03	0,05
3. Ячеистый бетон, γ=600 кг/м³	λ (φ)	0,6
4. Железобетон, γ=2500 кг/м³	λ (φ)	0,1
5. Утеплитель – экструдированный пенополистирол, γ=40 кг/м³	0,041	0,1

Зависимости от влажности для ячеистого бетона, тяжелого бетона и раствора на цементном вяжущем - приняты по графикам рис. 2, 3, 4.

Рисунок 2 - Зависимость от влажности для ячеистого бетона

Рисунок 3 - Зависимость от влажности для тяжелого бетона

Рисунок 4 - Зависимость от влажности для раствора на цементном вяжущем

При составлении графиков учитывались значения теплопроводности в зависимости от условий эксплуатации А – 80% и Б - 97% в соответствии с СП 50.13330.2012 ^[8].

Влагонапокление в слое экструдированного пенополистерола в расчете не учитывалось.

Сорбционная влажность материалов взята из каталога ^[12] и представлена в таблице 4.

Таблица 4

Сорбционная влажность материалов

№	Материал	Относительная влажность воздуха	Массовая влажность	Объемная влажность
1	Ячеистый бетон	0,057	1	5,04
		0,251	2,6	13,104
		0,447	3,2	16,128
		0,655	3,8	19,152
		0,804	4,7	23,688
		0,907	6,5	32,76
		0,981	14,1	71,064
2	Тяжелый бетон	0,254	0,91	20,93
		0,401	1,12	25,76
		0,654	1,58	36,34
		0,8	2,24	51,52
		0,982	4,26	97,98
3	Раствор на цементном вяжущем	0,254	1,26	25,2
		0,445	1,56	31,2
		0,652	2,26	45,2
		0,854	3,3	66
		0,956	4,67	93,4
		0,977	5,48	109,6

Результаты исследования

В результате численного моделирования тепло-массопереноса в исследуемом узле из ячеистого бетона, получены распределение влаги в слоях конструкции по месяцам в течении одного года. Усредненное содержание влаги по слоям представлено в таблице 5.

Таблица 5

Содержание влаги в слоям ограждающей конструкции

Месяц	Ячеистый бетон, кг/м³ (рис. 5,6)	Тяжелый бетон, кг/м³ (рис. 7,8)	Раствор на цементном вяжущем кг/м³ (рис. 9,10)	Минеральная вата, кг/м³ (рис. 11,12)	Вся конструкция, кг/м³ (рис. 13,14)	Температура в углу, ^оС
1	2	3	4	5	6	7
Январь	16,8	30,57	72,53	0,41	18,9	17,4
Февраль	16,75	30,5	62,49	0,35	18,55	17,6
Март	16,75	30,52	50,76	0,29	18,26	18,4
Апрель	16,5	30,49	41,04	0,26	17,94	19,2
Май	16,86	30,64	38,02	0,25	18,02	19,9
Июнь	17,88	31,39	44,22	0,29	18,92	20,6
Июль	18,87	32,18	49,89	0,36	19,79	20,8
Август	19,2	32,41	55,36	0,42	20,16	20,5
Сентябрь	18,28	31,64	55,38	0,38	19,49	19,8
Октябрь	17,46	31,01	53,43	0,33	18,84	19,1
Ноябрь	16,8	30,55	53,44	0,31	18,36	18,2
Декабрь	16,91	30,6	66,96	0,38	18,78	17,6

По результатам расчетов (таб. 5) влажностного состояния материалов можно увидеть, что наибольшее увеличение количества влаги имеет раствор на цементном вяжущем – 2,3% (таб. 6) и составляет 34,51 кг/м3 (таб. 7). Очевидно, что раствор на цементном вяжущем находится снаружи и больше подвержен изменению влажности. Ячеистый бетон, как материал с большой пористостью, относительно других материалов, имеет увеличение влаги – 0,39% (таб. 6) и составляет 2,34 кг/м3 (таб. 7). У утеплителя из минеральной ваты, изменение влагонакопления минимально. Общее влагонакопление во всей исследуемой конструкции – 2,14 кг/м3 (таб. 7).

Приращение и уменьшение влажности материалов в конструкции.

На рис. 5-14 приведены графики изменения влажности в материалах исследуемой конструкции стены при различных температурах и влажности воздуха снаружи, полученные в результате численного моделирования.


Рисунок 5 - Увеличение влаги ячеистого бетона	Рисунок 6 - Уменьшение влаги ячеистого бетона

Рисунок 7 - Увеличение влаги тяжелого бетона	Рисунок 8 - Уменьшение влаги тяжелого бетона

Рисунок 9 - Увеличение влаги раствора на цементном вяжущем	Рисунок 10 - Уменьшение влаги раствора на цементном вяжущем

Рисунок 11 - Увеличение влаги минеральной ваты	Рисунок 12 - Уменьшение влаги минеральной ваты

Рисунок 13 - Увеличение влаги всей конструкции	Рисунок 14 - Уменьшение влаги всей конструкции

Обсуждение

По результатам численного моделирования, были получены значения увеличения и уменьшения влаги. Графики показывают зависимость – при изменении влажности наружного воздуха, происходит и изменение влагонакопления в конструкции (рис. 15). Уменьшение влажности начинается с летнего периода и продолжается до зимы, а увеличение влаги происходит с зимнего периода.

Максимальное увеличение влаги происходит в облицовочном слое из раствора на цементном вяжущем и продолжается больший промежуток времени (рис. 9), относительно других материалов. Ячеистый бетон имеет свойство накапливать влагу за счет своей пористости (рис. 5), но за счет облицовки и утепления снаружи, менее подвержен увеличению влаги, чем наружная отделка (таб. 9).

Меньше всего изменение влажности происходит в тяжелом бетоне (рис. 7, 8) (монолитном поясе), среднее значение влагонакопления составляет – 0% (таб. 6) .

Рисунок 15 - Относительная влажность наружного воздуха

В табл. 6 приведены количество месяцев, за которое влажность уменьшается или увеличивается.

Таблица 6

Изменение влагонакопления по месяцам в процентном соотношении

Материал	Увеличение влаги		Уменьшение влаги		сред. знач., %	Требования ^[8], %
Материал	месяц	%	месяц	%	сред. знач., %	Требования ^[8], %
Ячеистый бетон	4	0,39	8	-0,30	0,05	6
Тяжелый бетон	6	0,07	6	-0,05	0,01	2
Раствор на цементном вяжущем	9	2,30	3	-1.43	0,44	2
Минеральная вата	4	0,17	8	-0,12	0,03	3
Вся конструкция	4	0,08	8	-0,04	0,2	-

В таблице 7 представлены приращения влажности по массе в слоях ограждающей конструкции.

Таблица 7

Изменение влагонакопления по массе

Материал	Изменение влагоонакопления за период увеличения (+) и уменьшения влажности (-), (кг/м³)
Материал	Увеличение влаги	Уменьшение влаги	Итого
Ячеистый бетон	2,34	-1,78	0,56
Тяжелый бетон	1,66	-1,14	0,52
Раствор	34,51	21,45	13,06
Минеральная вата	0,17	-0,12	0,05
Вся конструкция	2,14	-0,9	1,24

Предельно допустимое приращение влажности в материале по массе удовлетворяет требованиям СП 50.13330.2012 ^[8].

Полученные данные дают объективность оценки тепловых затрат на отопление зданий. Из чего следует - принимать обоснованные решения о необходимости корректировки конструкции стеновых ограждений с применением ячеистого бетона для уменьшения влагонакопления в стене.

Заключение

1. Проведен численный расчет конструкции стены в годовом цикле.

2. Климатические параметры и сорбционная влажность оказывают влияние на влагонакопление в материалах конструкции.

3. Данное конструктивное исполнение удовлетворяет требование СП 50.13330.2012 по влагонакоплению.

Для улучшения показателей по влагонакоплению и температуре в конструкции стены из газобетона для г. Красноярска необходимо сделать расчет с увеличением теплоизоляционного слоя и добавлением воздушной прослойки, а так же заменить штукатурный слой на кирпич или газобетонные блоки более низкой плотностью.

Благодарности

Автор статьи выражаеи благодарность д.т.н. профессору Р.А. Назирову и к.т.н. доценту Е.М. Сергуничевой за их опыт и помощь во всех аспектах исследования.

Библиография

1. Шакирова В.А. — Исследования структуры и свойств автоклавного газобетона // Архитектура и дизайн. – 2020. – № 1. – С. 23-32.
2. Левченко В. Н., Гринфельд Г. И. Производство автоклавного газобетона в России: перспективы развития подотрасли // Строительные материалы.-2011.-№ 9.-С. 44–47.
3. Корниенко С.В., Ватин Н.И., Горшков А.С., Ольшевский В.Я., Пестряков И.И. – Эксплуатационная влажность автоклавного газобетона в стеновых конструкциях // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2018.-№8(71). – С. 22-40.
4. Корниенко С.В., Ватин Н.И., Петриченко М.Р., Горшков А.С. – Оценка влажностного режима многослойной стеновой конструкции в годовом цикле // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2015.-№6(33). – С. 19-33.
5. Богословский В.Н. Основы теории потенциала влажности материала применительно к наружным ограждениям оболочки зданий.-М.: МГСУ.-2013.-112 с.
6. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС.-2003.-200 с.
7. СТО НААГ 3.1-2013 «Конструкции с применением автоклавного газобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства». [STO NAAG 3.1-2013 "Structures for the use of autoclaved aerated concrete in buildings and structures. Design and construction rules "(Russian)]
8. СП 50.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий». М. : Минрегион России, 2012. 100 c.
9. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23–01–99*.
10. СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».
11. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
12. Kielsgaard K. «Sorption isotherms a catalogue» // «Building materials laboratory the technical university of Denmark». 1986.

References

1. Shakirova V.A. — Issledovaniya struktury i svoistv avtoklavnogo gazobetona // Arkhitektura i dizain. – 2020. – № 1. – S. 23-32.
2. Levchenko V. N., Grinfel'd G. I. Proizvodstvo avtoklavnogo gazobetona v Rossii: perspektivy razvitiya podotrasli // Stroitel'nye materialy.-2011.-№ 9.-S. 44–47.
3. Kornienko S.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S., Ol'shevskii V.Ya., Pestryakov I.I. – Ekspluatatsionnaya vlazhnost' avtoklavnogo gazobetona v stenovykh konstruktsiyakh // Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii. – 2018.-№8(71). – S. 22-40.
4. Kornienko S.V., Vatin N.I., Petrichenko M.R., Gorshkov A.S. – Otsenka vlazhnostnogo rezhima mnogosloinoi stenovoi konstruktsii v godovom tsikle // Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii. – 2015.-№6(33). – S. 19-33.
5. Bogoslovskii V.N. Osnovy teorii potentsiala vlazhnosti materiala primenitel'no k naruzhnym ograzhdeniyam obolochki zdanii.-M.: MGSU.-2013.-112 s.
6. Tabunshchikov Yu.A., Brodach M.M., Shilkin N.V. Energoeffektivnye zdaniya. M.: AVOK-PRESS.-2003.-200 s.
7. STO NAAG 3.1-2013 «Konstruktsii s primeneniem avtoklavnogo gazobetona v stroitel'stve zdanii i sooruzhenii. Pravila proektirovaniya i stroitel'stva». [STO NAAG 3.1-2013 "Structures for the use of autoclaved aerated concrete in buildings and structures. Design and construction rules "(Russian)]
8. SP 50.13330.2012. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-02—2003 «Teplovaya zashchita zdanii». M. : Minregion Rossii, 2012. 100 c.
9. SP 131.13330.2012 «Stroitel'naya klimatologiya». Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23–01–99*.
10. SP 23-101-2004 «Proektirovanie teplovoi zashchity zdanii».
11. GOST 30494-2011 «Zdaniya zhilye i obshchestvennye. Parametry mikroklimata v pomeshcheniyakh».
12. Kielsgaard K. «Sorption isotherms a catalogue» // «Building materials laboratory the technical university of Denmark». 1986.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

В рецензируемой статье представлена оценка влагонакопления в стеновых конструкциях из ячеистого бетона в г. Красноярске, получивших распространение в строительстве за счет своей энергоэффективности и невысокой массы, но при ошибках проектирования предрасположенных к скоплению влаги и снижению теплозащитных свойств.
Актуальность рецензируемой работы обусловлена необходимостью обоснования целесообразности применения в строительстве конструкций из ячеистого бетона в климатических условиях г. Красноярска.
Методология исследования базируется на применении методов математического моделирования процессов тепло-массопереноса в готовом конструктивном решении, проведении численных компьютерных экспериментов в программном комплексе COMSOL.
В статье отражены исходные данные для расчетов: климатические параметры по месяцам года (значения температуры и относительной влажности наружного воздуха, параметры микроклимата в помещении); теплотехнические показатели используемых материалов ограждающей конструкции и сорбционная влажность. При изложении материала широко использован графический способ подачи информации – статья иллюстрирована 7 таблицами и 15 рисунками, например, приведены графики изменения влажности в материалах исследуемой конструкции стены при различных температурах и влажности воздуха снаружи, полученные в результате численного моделирования.
В заключении сделаны выводы о том, что климатические параметры и сорбционная влажность оказывают влияние на влагонакопление в материалах конструкции, для улучшения показателей по влагонакоплению и температуре в конструкции стены из газобетона для г. Красноярска необходим расчет с увеличением теплоизоляционного слоя и добавлением воздушной прослойки, а также заменой штукатурного слоя на кирпич или газобетонные блоки более низкой плотностью.

Научная новизна представленного исследования, по мнению рецензента, заключается в синтезе информации для объективной оценки тепловых затрат на отопление зданий и принятия обоснованных решений о необходимости корректировки конструкции стеновых ограждений с применением ячеистого бетона для уменьшения влагонакопления в стене.
Стиль изложения материала доступен для понимания не только узкими специалистами-профессионалами, но и широкому кругу читателей без специальной подготовки.
Рецензируемая статья не лишена недостатков и элементарных недочетов.
Во-первых, обилие таблиц и рисунков не сопровождается содержательным описанием приведенной в них информации.
Во-вторых, в библиографическом списке 5 их 6 источников представлены нормативными стандартами и правилами, а научные публикации по теме работы не отражены, соответственно апелляция к оппонентам отсутствует.
Во-третьих, в статье немало опечаток: «Задачи исслдования», «выражаеи благодарность» и др.
Тема рецензируемого материала актуальна, соответствует тематике журнала «Урбанистика», может вызвать интерес со стороны потенциальных читателей, рекомендуется к опубликованию после устранения недочетов и доработки в соответствии с высказанными замечаниями.

Замечания главного редактора от 30.12.2021: " Автор в полной мере учел замечания рецензентов и исправил статью. Доработанная статья рекомендуется к публикации"

Журналы

Книги

Влагонакопление стеновой конструкции из ячеистого бетона в годовом цикле