CC BY
11УДК 692.232
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-24-28
А.С. ПЕТРОВ1, канд. техн. наук (ruarty@mail.ru), А.М. ЮЗМУХАМЕТОВ1, инженер-архитектор (aynur.yuzmuhametov@mail.ru), В.Н. КУПРИЯНОВ1, д-р техн. наук, член-корр. РААСН (kuprivan@mail.ru); К.С. АНДРЕЙЦЕВА2, канд. техн. наук (9259988800@mail.ru)
1 Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Определение характера увлажнения ограждающих конструкций экспериментальным методом цветовой индикации
Теплофизические качества и долговечность ограждающих конструкций взаимосвязаны с их температурно-влажностным режимом эксплуатации и влажностью используемых материалов. В частности, от значений расчетной эксплуатационной влажности материалов будут зависеть коэффициенты теплопроводности (X) и паропроницаемости (¡а), используемые в действующих стандартах стационарного и нестационарного методов оценки влажностного состояния конструкций. Единственный достоверный способ определения эксплуатационной влажности материальных слоев конструкций на текущий момент - натурные исследования. Анализ основных стандартов, регламентирующих испытание материальных слоев на влажностное состояние (ГОСТ Р 54853-2011, ГОСТ 21718-84, ГОСТ 23422-87 и др.), позволил выявить общие недостатки. Основным из них является исключительная локальность измерения, не позволяющая получить представление о распределении влажности в конструкции непосредственно в эксперименте. В связи с этим предложен экспериментальный метод определения характера увлажнения ограждающих конструкций посредством цветовой индикации. Предлагаемый метод на основе цветового индикатора фактически не ограничен по площади и меняет свой цвет в зависимости от величины влагосодержания. Приведены результаты экспериментального исследования влажностного состояния фрагмента ограждения, испытанного в лабораторных условиях климатической камеры.
Ключевые слова: влажность материалов, конструкции наружных стен, температурно-влажностное состояние, конденсация, поля влажности, водочувствительный цветовой индикатор.
Для цитирования: Петров А.С., Юзмухаметов А.М., Куприянов В.Н. Определение характера увлажнения ограждающих конструкций экспериментальным методом цветовой индикации // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 24-28. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-24-28
A.S. PETROV1, Candidate of Sciences (Engineering) (ruarty@mail.ru), A.M. YUZMUHAMETOV1, Engineer-Architect (aynur.yuzmuhametov@mail.ru), V.N. KUPRIIANOV1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAACS (kuprivan@mail.ru); K.S. ANDREITSEVA2, Candidate of Sciences (Engineering) (9259988800@mail.ru)
1 Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, Republic of Tatarstan, 420043, Russian Federation)
2 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
Determination of the Nature of Humidification of Enclosing Structures by Experimental Method of Color Indication
Thermo-physical qualities and durability of enclosing structures are interrelated with their temperature and humidity conditions of operation and humidity of the materials used. In particular, the coefficients of thermal conductivity and vapor permeability used in the current standards of the stationary and non-stationary methods for assessing the humidity state of structures will depend on the values of the calculated operational humidity of materials. The only reliable way to determine the operational humidity of the material layers of structures now - field studies. Analysis of the main standards regulating the testing of material layers on the moisture condition (GOST R 54853-2011, GOST 21718-84, GOST 2342287, etc.) made it possible to identify common faults. The main disadvantage is the exceptional locality of measurement, which does not allow to get the picture of humidity distribution in the structure directly in the experiment. In this regard, an experimental method for determining the nature of humidification of enclosing structures by color indication is proposed. The proposed method based on the color indicator is not actually limited in area and changes its color depending on the moisture content. The results of an experimental study of the moisture state of the enclosing structure fragment tested under the laboratory conditions of the climatic chamber are presented.
Keywords: humidity of materials, constructions of external walls, temperature and humidity condition, condensation, humidity fields, water-sensitive color indicator.
For citation: Petrov A.S., Yuzmuhametov A.M., Kupriianov V.N. Determination of the nature of humidification of enclosing structures by experimental method of color indication. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 6, pp. 24-28. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-24-28
Для выполнения расчетов по долговечности, тепловой защите зданий, защите ограждений от переувлажнения, коррозии металлических деталей и др. необходимо иметь представление об эксплуатационной влажности их материальных слоев. В частности, от значений расчетной эксплуатационной влажности материалов будут зависеть коэффициенты теплопроводности (X) и паропроницаемости (¡а) [1], используемые в действующих стандартах стационарного (СП 50.13330.2012, ISO 13788:2012) и нестационарного (ГОСТ 32494-2013, BS EN 15026:2007) методов оценки влажностного состояния конструкций. На
основе натурных исследований эксплуатационной влажности ограждающих конструкций в различных климатических районах РФ были сформированы значения эксплуатационных влажностей материалов А и Б, которые представлены в нормативной литературе. Эти данные, к сожалению, не обновлялись с 1960-х гг., когда проводились комплексные исследования влажностного состояния ограждений, в частности Б.Ф. Васильевым [2, 3]. Результаты исследований влагосодержания ограждений, выполненных отдельными исследованиями НИИСФ РААСН в период с 2013—2015 гг. [4] и др. [5—7], подтверждают устарева-
24
июнь 2019
ние значении эксплуатационной влажности, указанных в нормативной литературе. Авторы подчеркивают существенную зависимость значений эксплуатационной влажности не только от климатических условий, но и от типа конструкции [5—9]. Т. е. характер распределения влажности в толще ограждающей конструкции также требует научного исследования. В настоящий момент в стационарных и нестационарных методах расчета влажностного состояния ограждения рассматривают одномерный перенос тепла и влаги через его поперечное сечение. При этом расчет влажности выполняется в однородной части стены и не учитывает теплотехнических неоднородностей в оболочке здания. Данный подход не способен определить распределение влаги в поперечном и продольном сечениях конструкции.
Единственный достоверный способ определения эксплуатационной влажности материальных слоев конструкций — натурные исследования. Основным методом при этом является гравиметрический метод путем отбора проб из конструкции (например, шлямбуром) согласно ГОСТ Р 54853—2011 «Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью тепломера». К недостаткам метода относится локальность измерений — о влажности по сечению конструкции можно судить лишь в вырезанных участках, промежуточные участки мысленно достраиваются на усмотрение исследователя. Высока трудоемкость извлечения образца из ограждения, требующая навыка владения инструментами сухого бурения. Разогрев материала при сухом бурении может быть значительным и, как следствие, вызывать подсушивание образцов-кернов. Высокая сложность оценки распределения влаги по сечениям конструкции, связанная с необходимостью распилить образец на множество частей.
Известны способы определения влажности материалов датчиками различного физического принципа, например диэлькометрический (ГОСТ 21718—84), а также нейтронный метод (ГОСТ 23422—87). Достоинствами методов являются возможность мониторинга данных в течение длительного периода времени. К недостаткам относится локальность измерений, обусловленная радиусом действия датчика, а также ограниченный спектр исследуемых материалов. При этом частое послойное расположение датчиков, требуемое для исследования, приводит к нарушению целостности конструкции и искажению реальных процессов массопереноса.
Таким образом, видно, что существует необходимость в создании экспериментального метода, который позволяет просто и точно определять характер распределения влажности в ограждающих конструкциях, свободных от указанных недостатков, в частности от исключительной локальности измерения. Для этих целей авторами предложен способ, направленный на экспериментальное установление характера распределения влажности в ограждающих конструкциях посредством водочувствительного цветового ин-
12,5 50 50 50 10,5
ЦИ
Рис. 1. Конструкция, помещенная в климатическую камеру (а); расположение ЦИ в продольном сечении конструкции (б)
дикатора (далее ЦИ) [10]. ЦИ представляет собой па-ропроницаемое изделие (марля, фильтровальная бумага и др.), обработанное специальным химическим реактивом. При увлажнении ЦИ происходит качественная реакция с изменением цвета. Таким образом по изменению цвета ЦИ судят о факте увлажнения и о полях влажности по сечению ограждения.
Экспериментальное исследование
С целью определения факта конденсации влаги и толщины увлажняемого слоя были проведены исследования тепловлажностного состояния фрагмента конструкции в лабораторных условиях климатической камеры с использованием ЦИ на основе хлорида железа и роданида калия [10]. Состав фрагмента
б
Г) научно-технический и производственный журнал
й] ® июнь 2019 25
Окрашенное поле влажности Расположение датчиков в слое
27,3,
-18,3
12,5 50 50 50 10,5
Рис. 2. Распределение температуры и относительной влажности воздуха по сечению конструкции (а); поле влажности на ЦИ и фотофиксация расположения датчиков в этом слое (б)
б
а
а
Рис. 3. Длина окрашенной части индикатора-нити, показана в прямоугольнике (а); толщина увлажнения, заштрихованная область (б)
конструкции, граничные условия и расположение ЦИ показаны на рис. 1.
По разрезу на рис. 1, а можно видеть, что фрагмент исследуемой конструкции выступает большей своей частью в теплый отсек камеры. Таким образом фактически одна его грань охлаждается, в то время как остальные омываются теплым воздухом. Т. е. в эксперименте формируется геометрическая теплотехническая неоднородность. В связи с этим ожидается формирование неравномерного (искривленного) температурно-влаж-ностного поля из-за возникновения краевых эффектов. Цветовой индикатор в проведенном исследовании выполнялся в виде плоскости и нити. Плоскость ЦИ из марли расположена перпендикулярно движению водяного пара между слоями конструкции. Общий вид располагаемой плоскости показан на рис. 1, б. ЦИ в виде нити расположен вдоль потока водяного пара в поперечном сечении конструкции. Фактически нить пронизывалась сквозь слой минеральной ваты тонкой иглой в центральной области фрагмента. Испытание проводилось до достижения стационарного тепло-влажностного состояния. Результаты эксперимента, полученные по датчикам температуры и влажности воздуха, отражены на рис. 2, а.
Можно видеть, что значения датчиков относительной влажности воздуха (ф) по сечению конструкции не достигли 100%, где максимальное значение оказалось равным 86%. Данный факт указывает на отсутствие конденсации в конструкции. Однако демонтаж конструкции показал наличие в ней конден-
сированной влаги. Факт увлажнения и распределение влаги по сечениям конструкции удалось определить по окрашиванию ЦИ между наружным облицовочным слоем и минеральной ватой (рис. 2, б). Также стоит отметить, что интенсивность окрашивания ЦИ оказалась неравномерной. Сравнение изображений поля влажности с фотографией датчиков на рис. 2, б показывает, что интенсивность окрашивания оказалась наибольшей вдоль проводов датчиков, закрепленных в конструкции на время эксперимента, что может указывать на большее влагосодер-жание в этой области. Данный факт обусловлен тем, что проводные датчики являются теплотехнической неоднородностью, вследствие чего происходит искажение температурно-влажностного поля.
Толщина увлажняемого слоя определялась по длине окрашенной части ЦИ-нити, которая оказалась в интервале 25—30 мм, что указано на фотофиксации и заштрихованной области на рис. 3.
Таким образом, метод на основе хлорида железа и роданида калия позволяет легко и точно определять факт и толщину увлажняемого слоя ограждающих конструкций. Вместе с тем определение неравномерности поля влажности в конструкции желательно выполнять с помощью ЦИ на основе соли кобальта, так как он отчетливо меняет цвет не только при наличии жидкой влаги, но и от величины относительной влажности воздуха. Так, например, роданид кобальта меняет цвет в диапазоне влажности от 35 до 100% с синего на фиолетовый до розового соответственно.
научно-технический и производственный журнал "26 июнь 2019 ШЗ^ШШ]
В исследовании применено ЦИ на основе фильтровальной бумаги, пропитанной составом роданида кобальта определенной концентрации. Общий вид изделия и его расположение в конструкции показаны на рис. 4. В холодной камере установки поддерживалась температура -11оС, в теплой — +20оС. После достижения стационарного температурно-влажностного состояния по распределению цвета на ЦИ были получены соответствующие кривые распределения влажности по сечениям фрагмента конструкции, рис. 4, б. В поперечном сечении 1—1 ЦИ имел распределение цвета от темно-синего с теплой стороны конструкции к фиолетовому — с холодной. Видимые переходные границы цвета обозначены кривыми линиями. В продольном сечении 2—2, центральная зона, обозначенная кривой линией, оказалась светлее, чем зона по краям конструкции.
Судя по полученным кривым, можно видеть, что поля влажности имеют искривленный характер
Список литературы
1. Куприянов В.Н., Юзмухаметов А. М., Сафин И.Ш. Влияние влаги на теплопроводность стеновых материалов. Состояние вопроса // Известия КГАСУ. 2017. № 1 (39). C. 102-110.
2. Васильев Б.Ф. Натурные исследования темпера-турно-влажностного режима крупнопанельных жилых зданий. М.: Стройиздат, 1968. 120 с.
3. Васильев Б.Ф. Натурные исследования темпера-турно-влажностного режима жилых зданий. М.: Госстройиздат, 1957. 214 с.
4. Гагарин В.Г., Пастушков П.П., Реутова Н.А. К вопросу о назначении расчетной влажности строительных материалов по изотерме сорбции // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). C. 152-154.
ввиду возникновения краевых эффектов, указанных ранее в статье.
Таким образом, можно видеть, что предложенные экспериментальные методы фактически не ограничены локальностью измерений и позволяют получать представление о распределении влажности непосредственно в конструкции.
Заключение
Проводные датчики, нарушая целостность конструкции, могут исказить результаты испытаний тем-пературно-влажностного состояния. Факт конденсации и толщину увлажнения в конструкции достаточно просто удается определять предложенным методом цветовой индикации на основе хлорида железа и роданида калия. Поле влажности в ее сорбционном интервале может быть получено цветовыми датчиками на основе солей кобальта, при этом по определенному цвету датчика можно с достаточной точностью судить о величине относительной влажности воздуха.
References
1. Kupriyanov V.N., Yuzmukhametov A. M., Safin I.Sh. The effect of moisture on the thermal conductivity of wall materials. State of the issue. Izvestiya KGASU. 2017. No. 1 (39), pp. 102-110. (In Russian).
2. Vasil'ev B.F. Naturnye issledovaniya temperaturno-vlazhnostnogo rezhima krupnopanel'nykh zhilykh zdanii [Field studies of the temperature and humidity of large-panel residential buildings]. Moscow: Stroiizdat. 1968. 120 p.
3. Vasil'ev B.F. Naturnye issledovaniya temperaturno-vlazhnostnogo rezhima zhilykh zdanii [Field studies of the temperature and humidity of residential buildings] Moscow: Gosstroiizdat. 1957. 214 p.
4. Gagarin V.G., Pastushkov P.P., Reutova N.A. To the question of the appointment of the calculated moisture content
j'^J ®
июнь 2019
27
5. Korniyenko S.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S. Thermophysical field testing of residential buildings made of autoclaved aerated concrete blocks // Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 4, pp. 10-25.
6. Протасевич А.М., Лешкевич В.В. Влажностный режим наружных стен в условиях Республики Беларусь // Жилищное строительство. 2013. № 9. C. 37-40.
7. Гринфельд Г.И., Морозов С.А., Согомонян И.А., Зырянов П.С. Влажностное состояние современных конструкций из автоклавного газобетона в условиях эксплуатации // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2 (20). C. 33-38.
8. Корниенко С.В. Совершенствование российских норм по влагозащите ограждающих конструкций // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. Вып. 47 (66). C. 18-29.
9. Litavcova E., Korjenic A., Korjenic S., Pavlus M., Sarhadov I., Seman J., Bednar T. Diffusion of moisture into building materials: A model for moisture transport // Energy and Buildings. 2014. Vol. 68, pp. 558-561.
10. Заявка на патент № 2018108772 Способ определения факта конденсации водяного пара и расположения плоскости максимального увлажнения в строительных ограждающих конструкциях посредством цветовой индикации и изделие-индикатор для его осуществления / А.С. Петров, В.Н. Куприянов. Заявл. 12.03.2018.
of building materials on the sorption isotherm. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2015. No. 4 (60), pp. 152—154. (In Russian).
5. Korniyenko S.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S. Thermophysical field testing of residential buildings made of autoclaved aerated concrete blocks. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 4, pp. 10—25.
6. Protasevich A.M., Leshkevich V.V. Moisture conditions of building external walls under conditions of the Republic of Belarus. ZhilishchnoeStroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 9, pp. 37-40. (In Russian).
7. Grinfel'd G.I., Morozov S.A., Sogomonyan I.A., Zyryanov P.S. Humid condition of modern structures made of auto-claved aerated concrete under operating conditions. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2011. No. 2 (20), pp. 33-38.
8. Kornienko S.V. Improvement of the Russian standards for moisture protection of enclosing structures. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitektur-no-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkh-itektura. 2017. Vol. 47 (66), pp. 18-29. (In Russian).
9. Litavcova E., Korjenic A., Korjenic S., Pavlus M., Sarhadov I., Seman J., Bednar T. Diffusion of moisture into building materials: A model for moisture transport. Energy and Buildings. 2014. Vol. 68, pp. 558-561.
10. Declared Patent No. 2018108772 Sposob opredeleni-ya fakta kondensatsii vodyanogo para i raspolozheniya ploskosti maksimal'nogo uvlazhneniya v stroitel'nykh ograzhdayushchikh konstruktsiyakh posredstvom ts-vetovoi indikatsii i izdelie-indikator dlya ego osu-shchestvleniya [The method of determining the fact of condensation of water vapor and the location of the plane of maximum moistening in building fencing structures by means of color indication and an indicator product for its implementation]. Petrov A.S., Kupriyanov V.N.; Declared. 12.03.2018. (In Russian).
г. Москва
21 ноября 2019 г.
НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
II Международные научно-технические «Гвоздевские чтения»
Тематика: Состояние и перспективы развития бетона и железобетона и примеры его применения в жилищном, гражданском, промышленном, транспортном, энергетическом, военном, высотном, арктическом и других видах строительства, а также доклады по отдельным аспектам его конструктивных решений в виде сборного, монолитного, предварительно напряженного и составляющих его материалов: легкие, высокопрочные, специальные бетоны и т. д.
Заявки на участие направлять до 31 октября на адрес эл. почты niizhb-marketing@cstroy.ru с пометкой «Гвоздевские чтения 2019» и указанием Ф.И.О., должности, наименования организации, телефона, эл. почты для связи (количество мест ограничено).
Место проведения: конференц-зал НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (г. Москва, Рязанский проспект, 61, корпус 5, 4 этаж)
Более подробно на сайте: http://niizhb-fgup.ru/press-center/news/317/
Информационный партнер:
Строительные Материалы8
28
июнь 2019
