ГлавнаяДиффузия влаги вызывается стремлением молекул водяного пара равномерно распределиться как в объеме помещения, так и на поверхности наружных ограждающих конструкций. Если парциальное давление водяных паров в наружном ограждении меньше, чем в воздухе помещения, то молекулы воды будут перемещаться внутрь ее до установления равновесия. При этом диффузия водяного пара через пористый материал совпадает с капиллярным перемещением влаги. Поэтому в инженерной практике перенос ее в парообразной и жидкой фазах принято рассматривать под действием градиента парциального давления водяного пара. Процесс переноса влаги через материал характеризуется его паропроницаемостью, а оценивается он коэффициентом паропроницаемости.
Влажностное состояние материалов в ограждающих конструкций зависит от взаимодействия с окружающим их влажным воздухом. При постоянной температуре и относительной влажности воздуха в материалах устанавливается равновесие с окружающей средой, при котором масса влаги неизменна. Данное влажностное состояние материалов называется равновесным. В состоянии равновесия с влажным воздухом температура тела равна температуре воздуха, а давление пара воды в материале (ем) равно парциальному давлению пара в воздухе (еп).
Гигроскопическое равновесное влагосодержание материала соответствует определенному состоянию воздушной среды, при котором прекращается переход молекул воды из воздуха в материал. При изменении температуры и относительной влажности воздуха оно изменяется и может быть большим или меньшим. Максимальной величины гигроскопическое равновесное влагосодержание достигает при фв = 100 %.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в среду влажного воздуха, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания влажного материала в воздушной среде - десорбцией.
Изменение равновесного влагосодержания материала в воздушной среде с постоянной температурой и возрастающей или убывающей относительной влажностью характеризуется изотермами сорбции и десорбции. На рис. 6.2 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара строительных материалов.
По форме изотермы сорбции представляют кривые линии с изменяющейся кривизной и двумя или тремя точками перегиба. Начиная от нулевой точки она несколько вогнута, далее становится выпуклой по отношению к оси абсцисс и достигает своего максимума при фв = 100 %. Для вогнутой зоны преобладающими являются процессы адсорбции, а для выпуклой - процессы капиллярной конденсации.
Для некоторых строительных материалов, таких как минеральная вата, кирпич, песок и др. изотермы сорбции и десорбции совпадают (рисунок 6.2-а). Ho для большинства материалов изотермы не совпадают (рисунок 6.2-б). Разность массовых влажностей строительного материала при одной и той же относительной влажности воздуха ф называется сорбционным гистерезисом. Наличие сорбционного гистерезиса объясняется наличием адсорбированного слоя воздуха и неполным смачиванием стенок капилляров. Вследствие этого в капиллярах образуются мениски жидкости различные при сорбции и десорбции. Увлажнение внутренней поверхности пор и капилляров материалов сопровождается образованием пленок адсорбированной влаги, состоящих из слоев молекул. При повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких капилляров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.
Образование таких менисков приводит к понижению над ними величины парциального давления водяного пара ек. Это вызывает конденсацию влаги в незаполненных частях тонких капилляров, происходящую при относительной влажности окружающей среды, не достигающей полного насыщения. Такое явление называется капиллярной конденсацией.
Капиллярное давление, возникающее над поверхностью жидкости, определяется по формуле Лапласа:
где а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
0 - угол смачивания;
I - радиус кривизны мениска, м.
Отношение давлений пара над вогнутой поверхностью и над плоской поверхностью жидкости описывается известным уравнением Кельвина:
где ек и еп - давление насыщенного пара над искривленной и плоской поверхностями жидкости соответственно, Па;
uR - универсальная газовая постоянная 8,314 кДж/(кмоль-К);
T - температура, К;
Mа - молекулярная масса адсорбата (для воды 18), кг/кмоль;
р - плотность адсорбата в жидком состоянии (для воды 1000), кг/м3.
Процесс капиллярной конденсации характерен для смачиваемых (гидрофильных) материалов, внутри которых имеется существенное количество мелких пор и очень тонких капилляров с радиусом равным или меньшим 10в-5 см. В более крупных капиллярах понижение давления насыщенного пара над мениском мало, а потому при преобладании внутри материала таких капилляров явление капиллярной конденсации менее выражены. Например, капиллярная конденсация в кирпиче хорошего качества малозаметна, поскольку в таком материале тонких пор и капилляров содержится не более 10 %.
Капиллярная конденсация в порах различного диаметра создает условия для развития капиллярного потенциала в материалах вызывающего перемещение в них влаги.
Периодическое и много раз повторяющееся явление капиллярной конденсации связаны с постепенным разрушением поверхности тонких пор и капилляров. Исследования структуры строительных материалов, прослуживших долгие десятки лет в наружных стенах зданий, показывают, что их пористость возрастает, а размеры пор укрупняются за счет разрушения наиболее тонких и мелких.
Увлажнение ограждающих конструкций связано с проведением строительно-монтажных работ и эксплуатацией зданий. Причинами увлажнения являются.
1. Строительная влага, оставшаяся в конструкциях после выполнения технологических процессов с использованием воды. К ним относятся бетонирование, кладка штучных материалов, оштукатуривание стен и другие виды работ.
2. Грунтовая влага, поднимающаяся по капиллярам материалов фундаментов и стен при утрате непроницаемости их гидроизоляции или при ее отсутствии.
3. Атмосферная влага, проникающая в конструкции при косых дождях, протечках, осаждении и таянии инея, туманах.
Следует отметить, что атмосферная влага может перемещаться как за счет только гравитационных сил, если отсутствует сдерживающие препятствия, например, паро- или гидроизоляция, так и за счет капиллярной влагопроводности.
4. Гигроскопическая влага, поступающая в ограждения вследствие сорбирования влаги из воздуха. Данный механизм увлажнения связан с поступлением наружного холодного воздуха через стыковые соединения и щели в ограждающих конструкциях и охлаждением их отдельных участков ниже точки росы внутреннего воздуха. В результате этого на них происходит конденсация водяного пара из воздуха и влага за счет влагопроводности поступает и перемещается в ограждениях.
Влага в ограждающие конструкции также попадает при конденсации водяного пара на холодных поверхностях или внутри пор материалов при использовании воды в открытых производственных, технологических процессах.
Интенсивность диффузионного переноса влаги в ограждениях относительно невелика и уступает интенсивности переноса ее за счет конвективного перемещения с влажным воздухом в пустотах, трещинах, щелях и полостях. Фильтрация влажного воздуха, сопровождаемая массообменом, увеличивает массу влаги в ограждениях.
В начальный период эксплуатации во вновь построенных зданиях в ограждающих конструкциях содержится влага, оставшаяся в процессе строительства. В ходе дальнейшей эксплуатации влажность материалов из года в год понижается до равновесной вследствие протекания процесса сушки.
Кроме того, в режиме годовой эксплуатации материал ограждающих конструкций увлажняется в осенне-зимний период года и высыхает в весенне-летний. Повышение температуры наружного воздуха в весенне-летний период года повышает температуру в поперечном сечении конструкции, а также давление насыщения пара по толщине конструкции. Летом давление насыщенного пара в любом сечении конструкции выше парциального давления водяного пара воздушной среды. Поэтому если в конструкции зимой образовался конденсат, то летом из зоны повышенной влажности происходит испарение под действием давления пара «еп», соответствующего его давлению насыщения Е. Это состояние существует до тех пор, пока вся накопленная вследствие образования конденсата влага не диффундирует наружу.
Из опыта естественной сушки ограждений зданий известно, что конструкции, периодически нагреваемые (обычно за счет солнечных лучей) и охлаждаемые, высыхают полнее и быстрее, чем подвергающиеся непрерывному и длительному нагреву. Иссушающий эффект прогрева в теории сушки капиллярно-пористых тел объясняется перемещением влаги в поверхностные слои тел, которые приобрели воздушно-сухое (равновесное) состояние в периоды прекращения их нагрева.