CC BY
47Оценка степени влияния капиллярного подсоса на увлажнение кирпичной кладки
Старцев Сергей Александрович,
генеральный директор ООО «Биосепт», StartsevSA@biospacestroy.ru
Харитонов Алексей Михайлович,
доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, peepdv@mail.ru
Ступак Мария Васильевна,
аспирант, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, stupack.marya@yandex.ru
Чиркин Александр Сергеевич,
магистрант, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, alexander.ch04@mail.ru
Чрезмерное увлажнение кирпичных стен вызывает развитие коррозионных процессов, которые приводят к разрушению. Несмотря на большое количество исследований в области увлажнения строительных материалов конструкций, существует необходимость в уточнении представлений о процессах накопления и миграции влаги в кирпичных кладках. В данной работе предложена физическая модель, которая позволяет воспроизводить близкие к реальным условия эксплуатации наружных кирпичных стен, с точки зрения воздействий на них окружающей среды. Анализ кинетики изменения температурных и влаж-ностных показателей позволил обосновать основные механизмы увлажнения кладки, оценить степень влияния капиллярного впитывания и конденсационного накопления влаги. Полученные зависимости, в дальнейшем, могут быть использованы для обоснования эффективности различных систем защиты конструкций от влаги.
Ключевые слова: капиллярный подъем влаги, солевая коррозия, конденсация влаги, увлажнение кирпичной кладки.
Чрезмерное увлажнение кирпичных стен обуславливает, как известно, комплексный процесс разрушения конструкций, связанный с развитием биодеструкторов строительных материалов, солевой коррозией, а также циклическими температурными и влажностными деформациями.
Накапливание влаги в кирпичной кладке обусловлено следующими факторами [1-3]: атмосферные осадки (особенно в местах нарушения герметичности линейных покрытий), капиллярное впитывание грунтовой влаги (при нарушении облицовки цоколя), увлажнение вследствие конденсации и сорбции.
Увлажнение строительных материалов и конструкций активно исследуется с начала 20-х годов XX века [49]. Тем не менее, неоднородность как структуры, так эксплуатационных условий в каменных конструкциях требует уточнений в части существующих представлений о накоплении и миграции влаги. Например, кладочный раствор является естественной преградой для капиллярного подъема влаги ввиду существенных различий порового пространства материалов. Влияние градиента температур в кладке, как в случае подземной и надземной частями конструкции в осенне-весенний период, также может оказывать влияние на величину капиллярного подъема влаги. Так, предварительное сравнение капиллярного подъема раствора NaCl показывает, что наличие разницы температур жидкой и воздушной среды влияет на высоту подъема раствора (рис. 1).
X X
о
го А с.
Рис. 1. Изменение высоты капиллярного подъема водных растворов ЫэОI (концентрации 5 и 10%) в стеклянных трубках диаметром 1 мм.
а) температура воды и воздуха + 10 °С; б) температура воздуха + 10 °С, воды - + 20 °С.
X ГО
т
о
Традиционно особое внимание при проведении ре-монтно-реставрационных работ уделяется устройству горизонтальной гидроизоляции (противокапиллярной отсечки). Обоснованием этому является необходимость предотвращения миграции влаги из цокольной части здания в вышележащий объем кирпичных стен. Считается, что основным механизмом водопоглощения
ю
2 О
м
es
0 es
01
o
Ш
m
X
<
m O X X
кладки в данном случае будет выступать капиллярная проводимость, способная обеспечить увлажнение стен на значительную высоту [10-12]. Теоретически это обосновано тем, что поровое пространство керамического черепка представлено капиллярами с радиусом от 10-7 до 10 -4 м [13, 14]. Именно в этом диапазоне наиболее отчетливо проявляется давление капиллярных сил, что способствует поглощению воды, и как следствие, дальнейшей её миграции в теле кирпича. Согласно формуле Жюрена теоретически подъем воды может достигать высоты 14,6 м [15]. Однако кладочный раствор, особенно на основе воздушной извести, характеризуется более крупнопористой структурой, что создает естественный барьер для миграции влаги из одного элемента кладки в другой.
Следует отметить, что и опыт обследований длительно эксплуатируемых зданий не выявило значительного увлажнения кирпичных стен, которое можно было бы обосновать капиллярным подъемом грунтовой влаги [16, 17]. Вместе с тем, мониторинг зданий позволяет сделать вывод о том, что устройство противокапилляр-ной отсечки без восстановления вертикальной гидроизоляции приводит к значительной деструкции кладки ниже плоскости отсечки.
Таким образом, противокапиллярная отсечка, будучи трудоемким, затратным и травмирующим несущую конструкцию методом, может быть признана неэффективной ввиду незначительного влияния капиллярного подъема влаги на общее увлажнение кирпичных стен. Более того, в некоторых случаях её можно признать способствующей активной деструкции кладки, так как уровень влажности стены ниже плоскости отсечки, которая расположена в зоне переменных температур, с течением времени нарастает.
В связи с вышесказанным, целью настоящей работы явилось исследование степени влияния капиллярного подъема влаги на повышение общей влажности конструкции. Важным фактором, требующим учета при проведении подобных исследований, является градиент температур между кладкой и окружающей средой, что отражает реальные условия эксплуатации зданий и сооружений.
Эмпирические исследования выполнялись с использованием модельной конструкции, представляющей собой кирпичную кладку размером 270*230*150 мм, помещенную в герметичный бокс из экструдированного пено-полистирола. Для имитации капиллярного водопогло-щения нижняя часть фрагмента кирпичной кладки находилась в воде, а для создания градиента температур между кладкой и водой использовались охлаждающие элементы, расположенные сверху кладки (рис. 2).
Для проведения эксперимента был отобран фрагмент кирпичной кладки из наружной стены здания XIX века (здание было признано аварийным и подлежало демонтажу). При строительстве этого здания были использованы кирпичи компании «Стуккей», о чём свидетельствуют клейма.
Фрагмент кладки размещался в герметичном боксе из пенополистирола, для того чтобы создать внутри зону с постоянными тепло-влажностными условиями, имитирующими работу каменной конструкции в осенний период, когда среднесуточные температуры наружного воздуха ниже температуры грунта. Ранее в [17] был рассмотрен случай характерный для весеннего периода, ко-
гда грунт холодный, а температура воздуха существенно выше 0оС, а влажность воздуха превышает 90%.
Подставки под кладку Рис. 2. Схематичное изображение установки в разрезе
В ходе эксперимента два раза в сутки с одинаковой периодичностью на протяжении 14 дней производились измерения температуры и влажности воздуха снаружи и внутри бокса, температуры поверхности кладки (включая температуру точки росы), а также влажность кирпичей. Расположение точек для измерения показателей представлено ниже (рис. 3).
Рис. 3. Точки измерения температуры и влажности кирпичей (1-4)
Для определения температуры и влажности использовались влагомер БЭБИВ-04С (измерения влажности кирпича), термогигрометр DryFast Trotee T-250 (измерение температуры поверхности кирпича, определение температуры точки росы на поверхности кирпича, температуры и относительной влажности воздуха, температуры воды).
На рис. 4 в графическом виде представлено изменение температуры и относительной влажности воздуха внутри бокса. Из графиков следует, что через два дня температурно-влажностный режим в боксе стабилизировался, и далее температура и относительная влажность изменялись в пределах + 21-+ 23,5°С и 51-63%, соответственно. Это свидетельствует о нахождении модельной кладки в достаточно стабильных условиях в течение эксперимента.
30
25
« 20
н «
&
и
С 15
2 15
и
Н
- 80
70
о4 (Я
60 я л н и
о =
50
10-----
40 2
И =
л
п
и н
и
о =
н О
30
20
10
5
10
15
Время, сутки
--О— температура воздуха внутри бокса
—□— температура воды
относительная влажность воздуха внутри бокса
Рис. 4. Изменение температуры воздуха, воды и относительной влажности внутри бокса
18
16
У 14
«
р
у
т
«
р
е
с
м е
н
12
10 1---
8
0 5 10 15
Время, сутки
--О—точка 1 —□—точка 2
—А— точка 3 —X— точка 4
Рис. 5. Изменение температуры на поверхности кирпичей фрагмента кладки
Температура на поверхности кирпича в точках 1-4 стабилизировалась в течение двух-трех суток и далее оставалась неизменной в диапазоне + 7,5-+ 11,5 °С (рис. 5). Закономерно, что более низкие температуры характерны для кирпичей, расположенных ближе к охлаждающим элементам.
Влажность кирпичей, нарастала неоднородно, в зависимости от расположения в кладке (рис. 6). Так, влажность кирпича, частично погруженного в воду (точка 1), достаточно резко увеличилась (в 4,5 раза в течение первых суток) и далее постепенно незначительно возрастала (на 5%) в последующие 13 суток. Это объясняется активным процессом капиллярного впитывания керамического черепка в начальный период проведения эксперимента, за счет которого влажность материала достигла практически предельного значения и далее оставалась неизменной.
30
25
я и
=
и
13 20 е
=
я о
15
л
I 10
я
1
15
В
0 5 10
Время, сутки
— 4 — точка 1 —□— точка 2 —А— точка 3 —+— точка 4 Рис. 6. Изменение влажности кирпичей во времени
Влажность кирпичей среднего ряда (точки 2 и 3) в течение всего эксперимента последовательно возрастала (в 3-3,5 раза), практически достигнув величины влажности кирпича первого ряда кладки.
Наибольший прирост влажности отмечен у кирпича верхнего ряда: она превысила влажность кирпичей первого и среднего рядов на 15-50%. Очевидно, что данный факт не может быть связан с капиллярным подъемом влаги. Повышение влажности связано с конденсацией влаги из окружающего воздуха.
На рис. 7-10 представлено изменение температуры поверхности кирпичей в сравнении с температурой «точки росы». На всех графиках, за исключение начальных двух суток у кирпича первого ряда (точка 1), температура поверхности кирпича ниже температуры «точки
X X
о
го А
с.
X
го т
о
ю
2 О
м
5
0
5
0
6
см
0
см ^
01
о ш т
X
<
т О X X
росы». Это свидетельствует о том, что на протяжении всего эксперимента для всех рядов кладки существовали условия для накопления конденсационной влаги.
18 -г
16 ■
14
ев &
^
<3 12
а
и
и
н
Л 9
______ ■ ------ 1 1 1 1 1 -1 1 ш
/м >л < 1 □ 1 [П /\ • ------^ ..Л'....
0 5 10 15
Время, сутки
— Температура поверхности кирпича, С
—В— Температура точки росы, °С
Рис. 7. Изменение температуры поверхности кирпича в точке 1 и температуры «точки росы»
18
16 ■ ••■
Г*
О 14
&
>>
&
и с
£ 10
13 12 т —
5 10
Время, сутки
1
15
— Температура поверхности кирпича, С
—В— Температура точки росы, С
Рис. 8. Изменение температуры поверхности кирпича в точке 2 и температуры «точки росы»
16
У 14
«
р
у
р
е
с
Ш1 ш п У В • \ А } И 1 \/ т Л • От 1 • \
н 10 +
8
5 10
Время, сутки
15
— Температура поверхности кирпича, С
—В—Температура точки росы, С
Рис. 9. Изменение температуры поверхности кирпича в точке 3 и температуры «точки росы»
18
16
ев 14 р
у
« 12 р
е
е
Н
10
8
■ /- — ■Д' - гъ Онь!- _ _ _ ^ >1
0 5 10 15
Время, сутки
— Температура поверхности кирпича, С
—В— Температура точки росы, С
Рис. 10. Изменение температуры поверхности кирпича в точке 4 и температуры «точки росы»
Процессами конденсации можно объяснить высокий прирост влажности верхнего ряда кладки, температура поверхности которого достигала минимальных значений и градиент относительно температуры «точки росы» был наибольшим.
6
0
8
6
6
8
6
0
Таким образом, результаты проведенных экспериментов позволяют сделать вывод о том, что капиллярный подъем в кирпичной конструкции ограничен первым рядом кладки, наличие горизонтальных швов препятствует дальнейшей миграции влаги. Даже при наличии градиента температур между впитываемой влагой и воздухом капиллярный подъем не является определяющим в общем приросте влажности конструкции. Важнейшим механизмом увлажнения кладки является конденсация влаги, проявление которой может усиливаться в зоне капиллярного подсоса грунтовой влаги.
Литература
1. Улыбин А.В., Старцев С.А., Зубков С.В. Контроль влажности при обследовании каменных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2013. №7. С. 32-39.
2. Бессонов И.В., Баранов В.С., Баранов В.В., Князева В.П., Ельчищева Т.Ф. Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий // Жилищное строительство. 2014. №7. С.39-43.
3. Yulia Ibraeva, Philipp Tarasevskii, Andrey Zhuravlev Salt corrosion of brick walls. MATEC Web of Conferences 106, 03003 (2017).
4. Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий: дисс. на соискание ученой степени д.т.н. - Москва.: НИИСФ, 2000. - 143 с.
5. Мачинский В.Д. О конденсации паров воздуха в строительных ограждениях // Строительная промышленность. - Москва, 1927. № 1. - 60 с.
6. Фокин К.Ф. Перемещение в ограждении парообразной влаги - Москва: издательство Техническая библиотека НП «АВОК», 5-е издание, 2006. - 182 с.
7. Шкловер А.М. О расчете увлажнения наружных зданий методом стационарного режима // Строительная промышленность журнал, 1949. № 7. - 20 с.
8. Ушков Ф.В. Метод расчета увлажнения ограждающих частей зданий. - Москва.: издательство министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1955. - 104 с.
9. Ильинский В.М. Коэффициент переноса водяного пара для расчета влажностного состояния ограждающих конструкций // Инженерно-физический журнал, 1965. Т.8. № 2. - 223 с.
10. Пронозин Я.А., Турнаев Е.А., Самохвалов М.А. Исследование эффективности отсечной инъекционной гидроизоляции кирпичной кладки // Промышленное и гражданское строительство. 2015. №2. С. 46-50.
11. Claudio Т., Gonsalves D. Salt crystallization in plastered or rendered walls. Lisbon: Universidade Tecnica De Lisboa. July 2007. 245 p.
12. Fragata A., Veiga M.R., Velosa A.L. "Ventilated render" system: a replacement render for historic construction / 3rd Historic Mortars Conference. September 2013.
13. Франк Фрессель Ремонт влажных и поврежденных солями строительных сооружений. М.: ООО «Пэйнт-Медиа», 2006. 320 с.
14. Giovanni Massari, Ippolito Massari Damp buildings, Old and New. ICCROM, 1993 - Architecture-305 pages.
15. Ройль Хорст Руководство по защите и санированию строительных сооружений: причины повреждений, методы диагностики, возможности санирования. СПб.: РИА «Квинтет», 2013. 372 с.
16. Влага в зданиях. Поднимающаяся влага [Электронный ресурс]. URL: http://www.konrad-fischer-info.de/2aufstr.htm (дата обращения: 25.02.2019).
17. Далинчук В.С., Старцев С.А. Исследование влияния процессов конденсации и капиллярного подъёма влаги в кирпичной кладке цокольной части исторических зданий // Тенденции развития науки и образования. 2019. №49, ч.11, С. 29-34.
Evaluation of the degree of influence of capillary suction on the moistening of brickwork
JEL classification: L61, L74, R53
Startsev S.A., Kharitonov A.M., Stupak M.V., Chirkin A.S.
LLC «Biosept», Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
Excessive wetting of brick walls causes the development of corrosion processes that lead to destruction. Despite the large number of studies in the field of moistening building materials and structures, there is a need to clarify the concepts of the processes of accumulation and migration of moisture in masonry. In this work, a physical model is proposed that allows you to reproduce the operating conditions of external brick walls, which are close to real ones, from the point of view of the environmental impacts on them. Analysis of the kinetics of changes in temperature and humidity indicators made it possible to substantiate the main mechanisms of masonry moistening, to assess the degree of influence of capillary absorption and condensation accumulation of moisture. The obtained dependencies, in the future, can be used to substantiate the effectiveness of various systems for protecting structures from moisture.
Keywords: capillary rise of moisture, salt corrosion, moisture condensation, wetting masonry.
Reference
1. Ulybin A.V., Startsev S.A., Zubkov S.V. Humidity control in the inspection of masonry structures // Magazine of civil engineering. 2013. №7. pp. 3239.
2. Bessonov I.V., Baranov V.S., Baranov V.V., Knyazeva V.P., Elchishcheva T.F. Reasons and Eliminate efflorescence on the brick walls of buildings // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2014. №7. pp. 39-43.
3. Yulia Ibraeva, Philipp Tarasevskii, Andrey Zhuravlev Salt corrosion of brick walls. MATEC Web of Conferences 106, 03003 (2017).
4. Gagarin V.G. Theory of the state and transfer of moisture in building materials and heat-shielding properties of building envelopes: diss. for the degree of Doctor of Technical Sciences - Moscow.: NIISF, 2000. -143 p.
5. Machinsky V.D. About condensation of vapor in the air in the building enclosures // Construction industry. - Moscow, 1927. №1. - 60 p.
6. Fokin K.F. Movement of vaporous moisture in the enclosure - Moscow:
Publishing house Technical Library NP «AVOK», 5th edition, 2006. - 182 p.
7. Shklover A.M. On the calculation of humidification of external buildings by the method of stationary mode // Construction industry magazine, 1949. №7. - 20 p.
8. Ushkov F.V. Method for calculating the moisture content of building envelopes. - Moscow.: publishing house of the ministry of communal services of the RSFSR, 1955. - 104 p.
9. Ilyinsky V.M. Coefficients of transfer of water vapor for calculation of moist condition of the protecting designs of buildings // Journal of Engineering Physics. - M., 1965, t.8, №2. - 223 p.
10. Pronozin Y.A., Turnaeva E. A., Samokhvalov M.A. Research in efficiency of cut-off injection waterproofing of brickwork // Industrial and civil engineering. 2015. №2. pp. 46-50.
11. Claudio T., Gonsalves D. Salt crystallization in plastered or rendered walls. Lisbon: Universidade Tecnica De Lisboa. July 2007. 245 p.
12. Fragata A., Veiga M.R., Velosa A.L. "Ventilated render" system: a replacement render for historic construction / 3rd Historic Mortars Conference. September 2013.
13. Fressel' F. Repair wet and damaged salts of building structures. Moscow: Peint-Media. 2006. 320 p.
14. Giovanni Massari, Ippolito Massari Damp buildings, Old and New. ICCROM, 1993 - Architecture-305 pages.
15. Royle Horst Guidelines for the Protection and Rehabilitation of Building Structures: Causes of Damage, Diagnostic Methods, Rehabilitation Possibilities. SPb .: RIA "Quintet", 2013.372 p.
16. Moisture in buildings. Rising moisture [Electronic resource]. URL: http://www.konrad-fischer-info.de/2aufstr.htm (date of access: 25.02.2019).
17. Dalinchuk V.S., Startsev S.A. Investigation of the influence of condensation processes and capillary rise of moisture in the brickwork of the basement of historical buildings // Trends in the development of science and education. 2019. №. 49, part 11, pp. 29-34.
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
