Увлажнение конструкций

Практика показывает, что повышенное влагосодержание отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях несущих и ограждающих конструкций. С увеличением влажности возрастает коэффициент теплопроводности материала, ухудшаются его теплотехнические свойства. Кроме того, при изменении влажности изменяется объем материала, а при многократном увлажнении расшатывается его структура и снижается долговечность. Неблагоприятно сказывается переувлажнение и на состоянии воздушной среды помещений, ухудшая ее с гигиенической точки зрения.

Увлажнение конструкций способствует коррозии закладных деталей и связей, арматуры, снижая тем самым надежность и долговечность зданий. Увлажнение конструкций приводит и к другим последствиям. Так, например, содержание в грунтовых водах, увлажняющих конструкции, азотно-калиевых солей способствует образованию на их поверхности «стенной» селитры, впитывающей влагу из воздуха и тем самым дополнительно увлажняющей конструкции. Нежелательным результатом увлажнения является коррозия бетонных и железобетонных конструкций. Фильтрация мягких вод через конструкции вызывает выщелачивание извести – коррозию первого вида, а фильтрация засоленных вод – кристаллизационное разрушение бетона – коррозию третьего вида. Распространенным и существенным последствием увлажнения стен и покрытий является их промерзание: теплопроводность влажного материала, а тем более с прослойками воды, во много раз больше, чем сухого; еще больше теплопроводность материала, в котором вода превратилась в лед. Следствием длительного увлажнения конструкций являются их биоповреждения.

Высокая влажность конструкций определяется по внешним признакам: по их цвету, запаху, на ощупь или исследованием проб. Об избыточной влаге в конструкции свидетельствуют мокрые темно-серые или выцветшие пятна на стенах, растрескивание и вспучивание штукатурки, а также иные признаки (таблица 5.9).

Таблица 5.9 – Признаки сырости в помещениях

Места появления сырости	Внешние признаки	Причины
Штукатурка стен и фасадов	Набухание; высолы; сырые пятна; трещины	Повышенные влагопогло-щение и влагопроницаемость конструкции; отсутствие гидрофобизирующих добавок в штукатурных растворах; повреждение карнизов и водостоков
Масляное покрытие стен и потолка	Выцветшие пятна; потеки; клейкая поверхность; запах плесени; отслоение масляного покрытия, шелушение	Увлажнение или действие солей; отсутствие отопления и вентиляции в помещении
Известковая побелка стен и потолка	Вспучивание и отслаивание	Увлажнение конструкции; отсутствие отопления и вентиляции в помещении
Стыки сборных железобетонных конструкций	Появление сырых пятен, трещин, высолов и потеков битума	Разрушение гидроизоляционного слоя
Полы помещений	Появление влаги на полу; отслаивание плитки, линолеума и т. д.	Подпор грунтовых вод; отсутствие или засорение дренажа; дефекты гидроизоляции пола
Внутренняя металлоизоляция	Мокрые темные пятна; местные отпотевания; налет ржавчины; волосяные трещины в металлоизоляции	Низкое качество сварных швов; прожоги металлоизоляции при установке закладных частей; перенапряжение металла; коррозия металла под действием кислот, солей, влаги
Проходы коммуникаций инженерных сетей через наружные стены сооружений	Отсыревание стен; обесцвечивание масляной покраски; запах плесени; потеки герметизирующей массы и влаги	Низкое качество сальниковой набивки; плохое качество сварки закладной детали с металлоизоляцией; повреждение сварных швов в результате просадки грунта в месте ввода коммуникаций или вблизи от этого места вентиляции в помещении

Повышенное влагосодержание характерно для многих конструкций, контактирующих с водой в процессе изготовления и эксплуатации, при этом различается пять видов увлажнения:

– при изготовлении конструкций (строительная влага);

– атмосферными осадками;

– утечками из водопроводно-канализационной сети;

– конденсатом водяных паров воздуха;

– капиллярным и электроосмотическим подсосом грунтовой воды.

Строительная влага – это влага, попадающая в конструкции в ходе строительства зданий и сооружений вследствие применения влагоемких и гигроскопичных материалов, обильного увлажнения конструкций при транспортировке, хранении, при мокрых процессах производства работ (кирпичная кладка, мокрая штукатурка) и т. п: известно, что в 1 м³новой кирпичной кладки содержится до 200 л воды, а это составляет более 10 % веса кладки. Строительная сырость обычно удаляется из конструкций в процессе естественной сушки в течение первых двух лет.

Содержание строительной влаги в конструкциях обусловлено спецификой их изготовления и в начальный период обычно не превышает следующих величин: для бетонных и железобетонных конструкций – 6–9 %, для каменных и армокаменных конструкций – 8–12, для деревянных конструкций, эксплуатируемых внутри помещений – 8–10, наружных конструкций – 15–18 %.

В дальнейшем при неблагоприятных условиях эксплуатации влажность материала конструкций может существенно увеличиваться.

Атмосферная влага в конструкциях может находиться в виде воды или льда. Увлажнение конструкций атмосферными осадками происходит вследствие смачивания их дождевой водой при неорганизованном водоотводе с крыши, малом выносе карниза, а также при повреждении кровель, водосточных труб и желобов, покрытий карнизов, парапетов, балконов или в результате гигроскопического увлажнения атмосферным воздухом.

При каменном или плотном бетонном наружном слое стены вода в нее проникает всего на несколько миллиметров и под влиянием солнечной радиации и ветра быстро испаряется. В пористых конструкциях, а также при некачественно выполненных швах в однослойных крупноразмерных конструкциях, дождевая влага проникает в стены глубоко, даже в отдельных случаях – насквозь.

Смачивание конструкций атмосферными осадками носит временный характер. Более устойчиво гигроскопическое увлажнение, но оно не создает высокой влажности конструкций (не более 2–3 %) и зависит от климата.

Увлажнение утечками из водопроводно-канализационной сети обычно встречается в зданиях с изношенным санитарно-техническим оборудованием. Утечки приводят к переувлажнению и быстрому разрушению кладки стен, особенно из силикатного кирпича. Следствием длительного увлажнения грунтов основания является их просадка с такими распространенными последствиями, как осадка и разрушение перегородок и полов первого этажа, и даже осадка несущих стен. Кроме того, фекальные воды являются агрессивными по отношению к материалу фундаментов. Стоки характеризуются стабильным содержанием определенных компонентов: азота аммонийного – 60–130 мг/л, хлоридов – 70–190 мг/л, а также значительных объемов фосфатов, сульфатов натрия и др. Нерастворимые вещества присутствуют в виде взвесей, причем коллоидная часть фекальных вод представлена белками, жирами, углеводами.

Конденсационное увлажнение конструкций происходит в результате перемещения водяных паров с воздухом. Механизм образования конденсата внутри ограждающей конструкции достаточно сложен и зависит от многих параметров: разности парциального давления паров воздуха у противоположных поверхностей конструкций, относительной влажности и температуры воздуха внутри и снаружи помещения, а также плотности материала. Конденсат может выпадать на внутренней поверхности стены или внутри конструкции; это зависит от распределения температуры в стене, парциального давления водяных паров воздуха и способности материала конструкции впитывать влагу из воздуха. Точка росы может быть как в толще стены, так и на внутренней ее поверхности.

Проникновение воздуха и вместе с ним водяных паров сквозь толщу конструкции вызывается парциальным давлением (упругостью) паров воздуха; оно зависит от температуры воздуха и с ее повышением увеличивается. Так, например, при температуре –20 °С и 100%-ной относительной влажности оно составляет 102,66 Па (0,77 мм рт. ст.), а при температуре +100 °С – равно 101,32 кПа (760 мм рт. ст.). Следовательно, движение воздуха с парами воды через конструкцию происходит с той стороны, где температура более высока.

Парциальное давление паров воздуха на 1 м²поверхности определяется из условия, что давление 133,32 Па (1 мм рт. ст.) соответствует давлению воздуха 13,6 кгс/см². При большой разнице наружной и внутренней температур по обе стороны ограждения парциальное давление становится значительным. Так, например, при температурном перепаде от минус 20 до плюс 20 °С перепад парциального давления составляет (17,54 – 0,77)×13,66 = 2,23 кПа (228 кгс/см²).

Существенная величина парциального давления позволяет воздушному потоку достаточно свободно проникать сквозь толщу наружной стены. Замечено, что чем ниже теплоизоляция наружной стены и больше относительная влажность воздуха в помещении за этой стеной, тем выше опасность ее переувлажнения водяными парами из помещения. Если же наружная поверхность стены покрыта плотным паронепроницаемым материалом, то проникающий через стену водяной пар имеет возможность конденсироваться внутри стены, переувлажняя ее и увеличивая теплопроводность.

В средних климатических районах большую часть года температура воздуха в помещениях выше наружной, особенно в кухнях, ванных комнатах, банях, прачечных и т. п. В этих условиях воздух через неплотности в конструкциях, а также структуру материала проникает наружу, и по мере его охлаждения влага конденсируется и задерживается в толще ограждения.

В южных районах температура и парциальное давление бывают выше снаружи, а потому здесь для ограждающих конструкций более опасна влажность наружного воздуха.

Скорость проникновения воздуха через конструкции зависит от пористости материала. Повышенное насыщение конструкций влагой приводит к слиянию воды в пустотах и порах в теплопроводящую пленку, в результате чего теплопроводность конструкций повышается. Объясняется это тем, что теплопроводность воды [l = 0,5 Вт/(м²·°С)] в 25 раз выше, чем воздуха (l = 0,02). Таким образом, чем больше содержится воды в порах конструкции на пути теплового потока, тем больше теплопроводность ее материала. Высокое конденсационное увлажнение влечет за собой повышение теплопроводности стены, интенсивный перенос тепла и значительные потери его при испарении влаги. Это самое распространенное и нежелательное последствие увлажнения стен.

В однородной стене, если ее наружный слой нечрезмерно плотен и не препятствует гравитационному удалению влаги, а температура внутренней поверхности выше точки росы, конденсат не образуется.

Конденсат внутри стены может выпадать, если неправильно расположены разные по термическому сопротивлению слои конструкции – изнутри поставлен теплый слой, в результате чего образуется зона конденсации. Если теплый слой поставлен снаружи, зона конденсации не образуется. В однородной стене, даже в помещениях с высокой влажностью, но при плотном защитном слое изнутри зона конденсации не образуется. Увлажнение ограждающих конструкций конденсатом водяных паров воздуха происходит при температуре точки росы, когда влажность воздуха у поверхности конструкции или в порах ее материала оказывается выше максимальной упругости пара при данной температуре и избыток влаги переходит в жидкую фазу.

Конденсационное увлажнение предотвращается путем рационального конструирования стен, основанного на выполнении требований норм и расчете температурно-влажностного режима. Так, например, в зданиях, эксплуатируемых в условиях умеренно-влажного и сухого климата, сопротивление наружных стен уменьшается от внутренней поверхности к наружной, при этом пароизоляция располагается на внутренней поверхности стены. Особенно это важно при защите от переувлажнения наружных стен влажных и мокрых помещений (бань, саун, прачечных и др.).

При выборе наружной отделки стен следует помнить, что опасны как ее паронепроницаемость так и чрезмерная пористость. Если в первом случае возможно переувлажнение стены конденсатом, то во втором – атмосферной влагой.

Увлажнение капиллярным и электроосмотическим подсосом грунтовой влаги характерно для стен, у которых отсутствует горизонтальная гидроизоляция или когда она расположена ниже отмостки.

Наиболее устойчивым и трудноустранимым видом сырости является увлажнение стен влагой из грунта – грунтовая сырость. При повреждении гидроизоляции или при подсыпке грунта вокруг здания выше расположения гидроизоляции происходит увлажнение конструкций, с которым нелегко бороться; оно осуществляется двумя путями:

– капиллярным поднятием влаги в конструкции;

– электроосмотическим поднятием влаги.

Механизм капиллярного увлажнения основан на действии сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкости (явление смачивания). При отсутствии в материале стены гидрофобных (водоотталкивающих) веществ вода смачивает стенки капилляров и поднимается по ним. Высоту поднятия воды в капилляре h можно определить по известной формуле Д. Жюрена:

где	a	–	поверхностное натяжение воды, Н/см.
r	–	радиус капилляра, см;
r1 и r2	–	соответственно, плотность воды и воздуха, Н/см;
g	–	ускорение свободного падения, см/с;

В капиллярно-пористых материалах, таких как плотный бетон, цементно-песчаный раствор или кирпич, радиус капилляров находится в пределах 1×10^–6–1×10^–2 см. Поверхностное натяжение воды при температуре +20 °С составляет Н/см. Если пренебречь плотностью воздуха, то максимальная высота подъема воды в капилляре за счет сил смачивания составит примерно 1,5 м.

При обследовании зданий подъем грунтовой влаги в стенах наблюдался на высоту до 5 м, что существенно превышает высоту капиллярного подсоса. По-видимому, решающую роль в этом играет действие электроосмотических сил. Под электроосмосом понимается направленное движение жидкости, от анода к катоду, через капилляры или пористые диафрагмы при наложении электрического поля.

Наблюдения показали, что внутри стен под влиянием различных физических явлений и химических процессов возникают слабые электрические токи: в результате теплового эффекта, вызванного нагревом конструкций солнечными лучами; от трения воздушных потоков о стены; из-за действия естественных гальванических пар, вследствие термопарного эффекта на стыке слоев конструкции.

Если в сосуд с водой опустить какой-либо стеновой материал (кирпич, керамический блок и т. п.) и подключить источник постоянного электрического тока, то через пористую конструкцию вода начнет перемещаться от анода к катоду. Если ток выключить, движение воды прекратится; это и есть явление электроосмоса – перемещение влаги в конструкции под действием тока.

Поверхность кладки (диафрагмы) в местах контакта с водой имеет отрицательный потенциал. Прилегающий к ней слой воды заряжается положительно, т. е. образуется двойной электрический слой. При этом заряд слоя жидкости, прилегающего непосредственно к диафрагме, связан с ней постоянно, а заряд диффузного слоя, несколько удаленный от него, но имеющий одинаковый с ним знак, может перемещаться вместе с жидкостью по направлению к отрицательному электроду. При движении жидкости диффузный слой ее постоянно меняется. Поскольку активная поверхность пористой диафрагмы из кирпича, керамики в контакте с водой имеет отрицательный потенциал, диффузный слой воды, несущий положительный заряд, переносится к катоду. Потенциал диффузного слоя назван электрокинетическим. Чем выше этот потенциал, тем интенсивнее перенос жидкости. Интенсивность электрокинетического воздействия определена опытным путем.

Следует отметить, что слабые электрические поля всегда присутствуют в стенах, испытывающих перепады температуры по длине или на противоположных поверхностях (термоэлектрический эффект Зеебека). При этом положительные заряды (аноды) группируются главным образом у основания стены в зоне контакта с грунтом, а отрицательные (катоды) – вверху.

Рассматривая стены из капиллярно-пористого материала как своеобразную диафрагму, следует полагать, что грунтовая вода за счет электроосмотических сил поднимается вверх по стене в сторону катода. Так как потенциал электрического поля стены изменяется под воздействием внешних факторов (перепада температуры, интенсивной солнечной инсоляции, влажности воздуха), то и величина электроосмотического увлажнения – переменная.

Таким образом, на влагу в нижней части стены, кроме подъемных капиллярных сил, постоянно действуют электроосмотические силы, заставляющие ее перемещаться вверх и увлажнять стену.

Различные виды увлажнений по-разному сказываются на возникновении и развитии повреждений. Наибольшие повреждения вызывает увлажнение конструкций дождевой влагой.

Распределение повреждений в зависимости от вида увлажнения по данным М. Д. Бойко представлено в таблице 5.10, а дождевой влагой различных типов конструкций – в таблице 5.11.

Влияние воздействий влаги на конструкции неоднозначно, кроме того, при воздействии однотипных увлажнений интенсивность повреждений в многоэтажных зданиях зависит от высоты расположения конструкций. Распределение повреждений, вызванных увлажнением через различные конструкции зданий по данным М. Д. Бойко приведено в таблице 5.12.

Таблица 5.10 – Распределение повреждений в зависимости от вида увлажнения Вид увлажнения Количество повреждений, % Конденсат   Увеличение влажности   Случайное попадание воды   Атмосферные осадки (дождевая влага)

5.5 Воздействие
грунтовой воды

Грунтовая вода существует в природе в трех видах:

– свободной или жидкой;

Таблица 5.11 – Распределение повреждений дождевой влагой различных типов конструкций

Вид увлажнения Количество повреждений, % Стены   Кровля   Окна   Другие конструкции

– связанной (химически, гигроскопически и осмотически впитанной или пленочной);

– парообразной, перемещающейся по порам из мест с большей упругостью водяного пара в места с меньшей его упругостью.

Таблица 5.12 – Распределение повреждений, вызванных увлажнением через различные конструкции Путь попадания влаги Количество повреждений, % Через стены Поле панелей   Углы стен   Вертикальные стыки   Горизонтальные стыки   Через окна При отсутствии отлива   При отсутствии прорези в нижнем бруске   Через стыки с панелями   При плохой изоляции стекол   Через кровлю В местах заделки стоек   Через панели   У водосточных воронок   В местах примыкания к надстройкам

Грунтовая вода взаимодействует физически и химически с минеральными и органическими ча-стицами грунта. Все виды грунтовой воды находятся во взаимодействии друг с другом и переходят один в другой.

Атмосферные осадки, проникая в грунт, прев-ращаются либо в парооб-разную, либо в гигроскопическую влагу, удерживающуюся в виде молекул на частицах грунта молекулярными силами, в пленочную, поверх молекулярной, и гравитационную, свободно перемещающуюся в грунте под действием сил тяжести. Последняя может доходить до грунтовой воды, повышая тем самым ее уровень.

Вода в грунтах всегда представляет собой раствор с изменяющимися концентрацией и химическим составом, что отражается и на степени ее агрессивности. Оценивая агрессивность грунтовых вод, следует иметь в виду переменный ее характер: с течением времени у подземной части сооружений водный режим может изменяться, и при этом агрессивность среды повышается или снижается.

Грунтовая вода, в свою очередь, вследствие капиллярного поднятия перемещается вверх на значительную высоту и также обводняет верхние слои грунта. В некоторых условиях капиллярная и грунтовая воды могут сливаться и устойчиво обводнять подземные части сооружений, в результате чего усиливается коррозия конструкций, снижается прочность оснований.

Изменение минералогического состава грунтовых вод меняет их агрессивность по отношению к подземным частям сооружений. В районах с большим количеством осадков (северных) уровень грунтовых вод поднимается и снижается их карбонатная жесткость (количество кальция) за счет разбавления грунтовой воды (в виде раствора) осадками; это повышает ее способность к выщелачиванию извести в каменных и бетонных конструкциях.

В засушливых (южных) районах в связи с обильным испарением влаги при отсутствии осадков увеличивается минерализация воды в верхних слоях грунта, т. е. в зоне подземных частей сооружений. Повышение содержания в воде солей, способных кристаллизоваться при взаимодействии с цементом или при испарении влаги, вызывает иной вид разрушения – кристаллизационный.

Испарение воды и увлажнение грунтов осадками приводят к движению в них кислорода, вследствие чего коррозионная активность среды также возрастает. При необратимых процессах коррозии, например металлов, для сооружений опасно даже временное повышение агрессивности окружающей среды.

Уровень грунтовых вод колеблется в зависимости от времени года, во-

допроницаемости грунтов и других факторов. Наиболее высокий уровень грунтовых вод наблюдается весной, после таяния снега, а самый низкий – в конце лета и в конце зимы.

Причинами прогрессирующего разрушения многих зданий и инженерных сетей, которое находит свое выражение в развитии неравномерных осадок фундаментов, их разрушении, трещинообразовании в стенах, разрушении гидроизоляции, затоплении подвалов, коррозии труб и элементов водопроводных систем, является постепенное ухудшение состояния и свойств грунтов оснований, в т. ч. повышение агрессивности подземных вод и грунтов в условиях локального подтопления и загрязнения территорий. При этом негативные изменения химизма грунтовых вод и окислительно-восстановительной обстановки подземных лито- и гидросферы часто протекают одновременно с активизацией микробиологической деятельности в обводненной толще грунтов. Химические, физико-химические и биохимические процессы приводят к значительному преобразованию подземных вод, состава, состояния и свойств грунтов, материалов кладки фундаментов и подвальных помещений, а также коррозии труб. Органические соединения отходов животных и человека относятся к числу легкоокисляемых в химических реакциях и утилизируемых микроорганизмами, вследствие чего происходит быстрая трансформация окислительной обстановки в грунтовых водах и переход ее в восстановительную.

Химический состав подземных инфильтрационных вод обычно меняется в зависимости от времени года.

Агрессивность грунтовых вод по отношению к различным материалам зависит от их реакции (кислая, щелочная), концентрации, а также от вида материала. Воздействие грунтовых вод на строительные материалы весьма многообразно. Так, например, слабокислые растворы предохраняют от гниения деревянные части, подавляя грибковые (гнилостные) процессы, но окисляют и разрушают некоторые металлы. Щелочные растворы в малых концентрациях способствуют сохранению бетона, но они более агрессивны, чем кислые, по отношению к битуму, асфальтобетону, дереву.

Признаков агрессивности воды очень много. За основные, чаще всего встречающиеся, признаки агрессивности воды по отношению к бетонным и каменным конструкциям приняты следующие:

– водородный показатель рН;

– бикарбонатная щелочность, ммоль/л²;

– содержание, мг/л:

• агрессивной углекислоты;

• магнезиальных солей, в пересчете на ион ;

• аммонийных солей, в пересчете на ион ;

• едких щелочей, в пересчете на ионы и ;

• сульфатов, в пересчете на ;

• хлоридов, в пересчете на .

В зависимости от наличия в воде примесей и их концентрации различают следующие виды агрессивности грунтовых вод: общекислотную, выщелачивающую, сульфатную, магнезиальную и углекислую.