Кладку выполняли таким образом, чтобы наружная часть блоков «Теплостен»

Рис. 9. Процесс устройства фрагмента кладки из блоков «Теплостен» на клею в проеме климатической камеры для исследования сопротивления теплопередаче.

Качество изготовления блоков и точность их геометрических размеров позволяет осуществлять кладку на полимерцементном клею с толщиной вертикальных
и горизонтальных швов не более 2 мм. После выполнения кладку выдерживали в течение семи суток для равномерного распределения влаги в конструкции и завершения схватывания клеевой составляющей на цементной основе.

Кладку выполняли таким образом, чтобы наружная часть блоков «Теплостен»
с декоративным слоем была обращена в холодную зону климатической камеры.
На наружной и на внутренней поверхностях фрагмента закрепляли хромель-копелевые термопары, для измерения температур на поверхности и на расстоянии 8-10 см
от поверхности стены. На поверхности, обращенной в теплую зону, устанавливали измерители тепловых потоков – аттестованные тепломеры. Подготовленный фрагмент кладки тщательно изолировали всему периметру эффективными теплоизоляционными материалами для исключения погрешности измерений за счет непредусмотренных краевых теплопотерь. После чего, включали климатическую камеру с поддержанием
в холодной зоне температуры около -28 ^оС.

Рис. 10. Экспериментальные определения температур и тепловых потоков на фрагменте кладки из блоков «Теплостен» в климатической камере «КТК-3000» по ГОСТ 26254.

Значения температур измеряли на охлаждаемой поверхности блоков _н, а также
на поверхности фрагмента стены, обращенной в теплую зону _в. Значения плотности тепловых потоков q, входящих в стену определяли с «теплой» стороны. Показатели эффективной теплопроводности _eff фрагмента кладки из блоков «Теплостен» рассчитывали по измеренным значениям _н, _в и q в условиях установившихся тепловых потоков, т.е. в стационарном тепловом режиме. В камере поддерживалась температура t_н = –281^оС, температура воздуха в теплой зоне составляла t_в = 18 1^оС. Измерения температур и тепловых потоков производили в характерных зонах, представляющих расчетные участки.

Основные результаты усредненных экспериментальных измерений приведены
в таблице 9.

Таким образом, полученное в результате эксперимента значение приведенного сопротивления теплопередаче кладки из блоков «Теплостен» при толщине кладки в 300 мм составляет R^пр_о = 3,14 (м^2оС)/Вт.

Эффективная теплопроводность кладки равна _eff = 0,1 Вт/м^оС.

Разницу в значении экспериментально определенного приведенного сопротивления теплопередаче и рассчитанного по результатам исследований следует отнести к влиянию гибких связей, клеевых вертикальных и горизонтальных швов, но в большей мере неравномерно распределенной влажности и пониженному качеству материала теплоизоляционного слоя.

Для определения влияния остаточной влажности слоев стеновой конструкции
из блоков «Теплостен» и оценки возможного влагонакопления в годовом периоде эксплуатации конструкции были проведены расчеты влажностного режима наружной стены для условий Московского климатического региона.

4. Расчеты влажностного режимо наружной стены
из блоков «Теплостен» на клею

Расчет нестационарного влажностного режима наружной стены из блоков «Теплостен» в годичном цикле эксплуатации. Нестационарный влажностный режим рассчитывается по методике НИИСФ [Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. - М. «Стройиздат», 1984.]. Расчеты проведены
на первые двадцать лет эксплуатации здания.

Данные для проведения расчета нестационарного влажностного режима исследуемых конструкций.

Среднемесячные значения температуры и относительной влажности наружного воздуха взяты в соответствии со СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология
и геофизика» для г. Москвы, табл. 10.

Таблица 10.

Среднемесячные значения температуры и упругости водяного пара наружного воздуха для климатических условий г. Москвы.

Месяц	t, 0C	, %	Месяц	t, 0C	, %
январь	-10,2	87	июль	18,1	69
февраль	-9,6	85	август	16,2	73
март	-4,7	81	сентябрь	10,6	79
апрель	4,0	75	октябрь	4,2	83
май	11,6	69	ноябрь	-2,2	86
июнь	15,8	63	декабрь	-7,6	89

При проведении расчетов в соответствии с СП 23-101-2004 прил. Д, «Руководством по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий», а так же данных, полученных в работе использованы следующие характеристики материалов наружных стен:

Керамзитобетон 1550 кг/м³.

• 
  плотность 1550 кг/м³;
  
• 
  коэффициент паропроницаемости 0,08 мг/(м ч Па);
  
• 
  коэффициент теплопроводности 0,53 Вт/(м ⁰С) в сухом состоянии,
  

0,62 Вт/(м ⁰С) при влажности 5% по массе,

0,7 Вт/(м ⁰С) при влажности 10% по массе;

• 
  коэффициент влагопроводности
  

0 г/(м ч %) при влажности менее 11% по массе,

0,14 г/(м ч %) при влажности 11,5% по массе,

0,24 г/(м ч %) при влажности 20% по массе;

• 
  среднесуточная скорость капиллярного всасывания 0,0008 см/мин.
  

Керамзитобетон 1750 кг/м³.

• 
  плотность 1750 кг/м³;
  
• 
  коэффициент паропроницаемости 0,07 мг/(м ч Па);
  
• 
  коэффициент теплопроводности 0,62 Вт/(м ⁰С) в сухом состоянии,
  

0,7 Вт/(м ⁰С) при влажности 5% по массе,

0,78 Вт/(м ⁰С) при влажности 10% по массе;

• 
  коэффициент влагопроводности
  

0 г/(м ч %) при влажности менее 11% по массе,

0,14 г/(м ч %) при влажности 11,5% по массе,

0,24 г/(м ч %) при влажности 20% по массе;

• 
  среднесуточная скорость капиллярного всасывания 0,0008 см/мин.
  

ПСБ-С.

• 
  плотность 25 кг/м³;
  
• 
  коэффициент паропроницаемости 0,05 мг/(м ч Па);
  
• 
  коэффициент теплопроводности 0,032 Вт/(м ⁰С) в сухом состоянии,
  

0,038 Вт/(м ⁰С) при влажности 2% по массе,

0,047 Вт/(м ⁰С) при влажности 10% по массе;

• 
  коэффициент влагопроводности
  

0 г/(м ч %) при влажности менее 2,6% по массе,

0,023 г/(м ч %) при влажности 4,2% по массе,

0,0016 г/(м ч %) при влажности 34% по массе;

• 
  среднесуточная скорость капиллярного всасывания 0,0015 см/мин.
  

Для промежуточных значений влажности принимается, что изменение численных значений коэффициентов происходит по линейному закону.

Принятые в расчетах изотермы сорбции водяного пара материалов стеновой конструкции приведены в табл.11

Таблица 11

Изотермы сорбции материалов ограждающей конструкции.

Материал	Влажность материала, % при относительной влажности воздуха, %
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Керамзитобетон	0,6	1,1	1,5	2,0	2,5	2,8	3,5	4,7	6,8	11
ПСБ-С	0,2	0,3	0,7	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,6

Кроме перечисленных данных в расчете задаются внутреннее сопротивление влагообмену, которое зависит от внутреннего отделочного слоя, и наружное сопротивление влагообмену, которое зависит от устройства облицовочного слоя. Внутреннее сопротивление влагообмену принято равным 0,02 м²чПа/мг. На наружной границе сопротивление влагоотдаче принято равным 0,02 м²чПа/мг.

В качестве начальной принята влажность материалов конструкции, соответствующая их сорбционному увлажнению при относительной влажности воздуха равной 99%.

Результаты расчета нестационарного влажностного режима исследуемой стены.

В результате расчетов получено распределение весовой влажности материалов
по толщине ограждающей конструкции в различные моменты времени. Основными параметрами, характеризующими конструкцию, являются:

• 
  время установления квазистационарного режима – время, за которое конструкция переходит от начального распределения влажности (чаще всего избыточного увлажнения в результате строительных работ) к распределению влажности вызванному условиями эксплуатации и регулярно повторяющемуся из года в год;
  
• 
  месяц наибольшего увлажнения;
  
• 
  слой наибольшего увлажнения;
  
• 
  максимальная влажность, достигаемая материалом в процесс эксплуатации (период начального увлажнения не учитывается);
  
• 
  средняя влажность слоя утеплителя в месяц наибольшего увлажнения.
  

Рассчитано два варианта стены, отличающиеся наружным слоем. Для первого варианта стены снаружи расположен слой керамзитобетона плотностью 1550 кг/м³,
для второго варианта – 1750 кг/м³.

Графики типичного распределения влажности по толщине ограждающей конструкции для стены первого вида приведены на рис. 11 и 12.

Квазистационарный влажностный режим конструкции устанавливается через 3 года после начала эксплуатации здания. Максимальная влажность утеплителя достигается в январе в трех сантиметрах от наружной границы ПСБ-С и составляет 2,33% по массе (относительная влажность воздуха в порах материала 95,5%) меньше максимальной сорбционной влажности материала. Влагонакопление в годовом периоде эксплуатации конструкции отсутствует. Тем самым выполнены оба требования СНиП 23-02-2003
к влажностному режиму ограждающих конструкций.

В целом влажность всех слоев конструкции остается в пределах сорбционных влажностей.




Рис. 11. Распределение влажности материала по толщине стены в месяц наибольшего увлажнения. Стена первого вида.



Рис. 12. Распределение влажности материала по толщине стены в месяц наименьшего увлажнения. Стена первого вида.

На графиках синяя линия с ромбовидными точками – расчетная влажность материала по массе в %, малиновая пунктирная линия – средние значения влажности
для каждого материала, сплошная красная линия максимальная сорбционная влажность материалов.

Графики типичного распределения влажности по толщине ограждающей конструкции для стены второго вида приведены на рис. 13 и 14.



Рис. 13. Распределение влажности материала по толщине стены в месяц наибольшего увлажнения. Стена второго вида.



Рис. 14. Распределение влажности материала по толщине стены в месяц наименьшего увлажнения. Стена второго вида.

На графиках синяя линия с ромбовидными точками – расчетная влажность материала
по массе в %, малиновая пунктирная линия – средние значения влажности для каждого материала, сплошная красная линия максимальная сорбционная влажность материалов.

Квазистационарный влажностный режим конструкции устанавливается через 7 лет после начала эксплуатации здания. Максимальная влажность утеплителя достигается
в январе в трех сантиметрах от наружной границы пенополистирола ПСБ-35 и составляет 2,49% по массе (относительная влажность воздуха в порах материала 98,2%) меньше максимальной сорбционной влажности материала.

Таким образом, расчеты показали, что влагонакопление в годовом периоде эксплуатации конструкции отсутствует. Тем самым выполнены оба требования СНиП 23-02-2003 к влажностному режиму ограждающих конструкций: из условий недопустимости

накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации R_vp1^reg и из условий ограничения влаги
в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами R_vp2^reg. В целом влажность всех слоев конструкции остается в пределах сорбционных влажностей

Таблица 9

Экспериментальные значения температур и плотностей тепловых потоков в характерных участках фрагмента кладки на фрагменте кладки из блоков «Теплостен» в климатической камере «КТК-3000» по ГОСТ 26254. и вычисленные значения термического сопротивления участков и приведенного сопротивления теплопередаче кладки.

Наименование показателей	Температура воздуха, оС		Участок 1 в середине блока (зона максимального термического сопротивления)			Участок 2 стык в зоне пересечения горизонтального и вертикального швов (зона минимального термического сопротивления)			Участок 3 горизонтальный стык двух блоков (зона пониженного термического сопротивления)
	tв	tн	в, оС	-н, оС	q, Вт/моС	в, оС	-н,оС	q, Вт/моС	в, оС	-н, оС	q, Вт/моС
Средние значения в стационарном режиме	17,9	-27,6	14,6	-24,3	12,9	11,7	-22,2	17,4	12,0	-22,5	14,2
Термическое сопротивление , (м2оС)/Вт			3,01			1,95			2,44
Условное сопротивление теплопередаче, (м2оС)/Вт			3,16			2,1			2,6
Площадь участков, м2			0,079			0,0008			0,0016
Приведенное сопротивление теплопередаче, (м2оС)/Вт			3,14

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. 
   В лаборатории НИИСФ РААСН проведены комплексные теплофизические исследования теплоэффективных стеновых блоков «Теплостен». Научно-техническая работа включала определение теплотехнических параметров слоев блока «Теплостен», определение эффективной теплопроводности кладки из блоков «Теплостен» на клею, а так же расчеты влажностного режима наружной стены из блоков «Теплостен» в годичном цикле эксплуатации.
   
2. 
   Проведенные исследования теплопроводности, паропроницаемости, сорбции и водопоглощения материалов декоративного, несущего и теплоизоляционного слоев блока «Теплостен» позволили назначить следующие расчетные параметры исследуемых материалов:
   

Расчетные параметры	Декоративный слой керамзитобетона	Несущий слой керамзитобетона	Пенополисти-рол марки ПСБ- 25	Пенополи- стирол марки ПСБ- 35
Плотность, о, кг/м3	1750	1550	15,4	26,3
Теплопроводность в сухом состоянии, о, Вт/(моС)	0,62	0,53	0,039	0,032
Теплопроводность для усл. экспл. Б, Б, Вт/(моС)	0,78	0,7	0,054	0,047
Коэффициент паропроницаемости, мг/(м ч Па)	0,07	0,08	0,06	0,05
Расчетное массовое отношение влаги в материале при условиях эксплуатации Б, %	10	10	10	10

На основании проведенных исследований материалов слоев блока «Теплостен», можно сделать вывод о целесообразности применения в качестве теплоизоляционного слоя пенополистирола марки ПСБ- 35.

3. 
   Проведены испытания теплопроводности кладки из блоков «Теплостен» на клею в климатической камере. Представленные к испытаниям образцы блока рядового БР 40-30-20 (400х300х200 мм) имеют толщину внутреннего и наружного керамзитобетонных слоев – по 75 мм, толщина теплоизоляционного слоя из пенополистирола- 150 мм; керамзитобетонные слои соединены гибкими связями из базальто-пластиковых стержней. Общая толщина наружной стены 300 мм.
   

Значение приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента стеновой конструкции из блоков «Теплостен» на клею составило 3,14 (м^2оС)/Вт. Исследуемая стена удовлетворяет действующим нормам по энергосбережению и санитарно-гигиеническим требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

4. 
   Проведен расчет нестационарного влажностного режима наружной стены из блоков «Теплостен» в годичном цикле эксплуатации. Квазистационарный влажностный режим конструкции устанавливается через 7 лет после начала эксплуатации здания. Расчеты показали, что влагонакопление в годовом периоде эксплуатации конструкции отсутствует. Тем самым выполнены оба требования СНиП 23-02-2003 к влажностному режиму ограждающих конструкций из условий недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации R_vp1^reg и из условий ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами R_vp2^reg .
   
5. 
   Проведенные комплексные теплофизические исследования позволяют рекомендовать блоки «Теплостен» для устройства наружных стен на клею, в том числе для высотного строительства зданий с монолитными перекрытиями, при условии выполнения требований по удельному расходу тепловой энергии на отопление здания, а так же нормативных требований по всем видам строительных работ.
   

Ведущий научный сотрудник лаборатории теплофизических
характеристик и долговечности строительных
материалов и изделий,
кандидат технических наук, И.В. Бессонов

6. Приложение 1.

Методика расчета нестационарного влажностного режима.

Математическая модель нестационарного влагопереноса.

Расчет нестационарного влажностного режима проводится в соответствии с методикой, разработанной в НИИСФ [7]. Эта методика достаточно полно отражает многочисленные факторы, влияющие на влажностный режим конструкций, и опирается на следующую модель влагопереноса в ограждающей конструкции.

Уравнение одномерного перемещения влаги в материале конструкции имеет вид:

(П3.1)

здесь p_s - давление насыщенного водяного пара, зависящее от температуры, Па;

x - пространственная координата, м;

 - коэффициент влагопроводности кг/(м ч);

 - плотность материала, кг/м³;

 - относительная влажность воздуха в порах материала, доли единицы;

 - время, ч;

 - коэффициент паропроницаемости, кг/(м ч Па);

w - влажность материала, кг/кг или %.

Поток влаги через конструкцию всюду непрерывен. При влажности ниже максимальной сорбционной величина  связана с влажностью материала w при помощи изотермы равновесного влагосодержания, т.е. изотермы сорбции или десорбции водяного пара материалом. На стыке двух различных материалов их влажности соответствуют равновесным, в частности в зоне сорбционного увлажнения - по изотермам сорбции, при сверхсорбционном увлажнении они являются пропорциональными среднесуточным скоростям капиллярного всасывания.

На поверхностях конструкции влагообмен с окружающим воздухом описывается уравнениями граничных условий 3-го вида, т.е. поток влаги из внутреннего воздуха в конструкцию равен:



(П3.2)

а поток влаги из конструкции в наружный воздух равен:



(П3.3)

где индексы обозначают:

s - насыщение;

e - наружный;

i - внутренний;

si - внутренняя поверхность;

se - наружная поверхность.

Так как процессы влагопереноса более инерционны, чем теплопереноса, температурное поле в конструкции предполагается стационарным в любой момент времени. Однако, температура и относительная влажность наружного воздуха принимаются переменными в течение года. Причем полагается, что эти величины изменяются одинаково каждый год.

Эта модель была положена в основу при создании численного метода расчета влажностного режима, который реализован в виде программы на ПЭВМ. Метод позволяет проводить расчет нестационарного одномерного влагопереноса в многослойной ограждающей конструкции.

Уравнение (П3.1) решается в конечных разностях по явной схеме. При этом для проведения расчета необходимы данные, которые можно разделить на четыре группы:

1. 
   Данные об условиях эксплуатации конструкции. К ним относятся значения температуры и относительной влажности воздуха, как с наружной, так и с внутренней стороны конструкции. Эти величины принимаются переменными в течение года.
   
2. 
   Данные о характеристиках материалов, из которых изготовлена конструкция. Эти данные следующие:
   

• 
  плотность материала в сухом состоянии,
  
• 
  изотерма сорбции или десорбции водяного пара (т.е. влажность материала равновесная с воздухом различной влажности при увлажнении или сушке материала),
  
• 
  паропроницаемость в зависимости от влажности материала,
  
• 
  влагопроводность в зависимости от влажности материала,
  
• 
  теплопроводность в зависимости от влажности материала,
  
• 
  среднесуточная скорость капиллярного всасывания.
  

3. 
   Данные о конструкции. К ним относятся толщина и порядок расположения однородных слоев в конструкции, места расположения пароизоляционных слоев и величина их сопротивления паропроницаемости, значения коэффициентов тепло- и влагообмена на наружной и внутренней поверхностях конструкции, начальная влажность материалов конструкции.
   
4. 
   Данные об условиях проведения расчета. К ним относятся: месяц, начиная с которого следует проводить расчет, число лет, для которых следует проводить расчет, и периодичность (чаще всего один месяц), с которой следует фиксировать результаты расчета.
   

Результатами расчета являются распределения влажности по толщине конструкции в любой момент времени ее эксплуатации. Другими словами, в результате расчета определяется эксплуатационная влажность материалов конструкции.

Приложение 2.

ГОСТ
15588-86
(СТ СЭВ 5068-85)

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

2.1. Плиты должны изготавливаться в соответствии с требованиями настоящего стандарта и по технологическому регламенту утвержденному в установленном порядке.

2.2. Для изготовления плит применяют вспенивающийся полистирол, содержащий порообразователь (изопентан или пентан) и остаточный мономер (стирол).

Полистирол, применяемый для изготовления плит, должен удовлетворять требованиям нормативно-технической документации на указанный материал.

2.3. На поверхности плит не допускаются выпуклости или впадины длиной более 50 мм, шириной более 3 мм и высотой (глубиной) более 5 мм. В плитах допускается притупленность ребер и углов глубиной не более 10 мм от вершины прямого угла и скосы по сторонам притупленных углов длиной не более 80 мм.

2.4. Плиты должны иметь правильную геометрическую форму. Отклонение от плоскостности грани плиты не должно быть более 2 мм на 500 мм длины грани.

Наименование показателя	Норма для плит марок
	высшей категории качества				первой категории качества
	15	25	35	50	15	25	35	50
Плотность, кг/м3	До 15	От 15,1 до 25,0	От 25,1 до 35,0	От 35,1 до 50,0	До 15,0	От 15,1 до 25,0	От 25,1 до 35,0	От 35 до 50,0
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа, не менее	0,05	0,10	0,16	0,20	0,04	0,08	0,14	0,16
Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	0,07	0,18	0,25	0,35	0,06	0,16	0,20	0,30
Теплопроводность в сухом состоянии при (25±5)°С, Вт/(м·К), не более	0,042	0,039	0,037	0,040	0,043	0,041	0,038	0,041
Время самостоятельного горения плит типа ПСБ-С, с, не более	4				12
Влажность, %, не более	12				12
Водопоглощение за 24 ч, % по объему, не более	3,0	2,0	2,0	1,8	4,0	3,0	2,0	2,0

Разность диагоналей не должна превышать, мм:

для плит длиной до 1000	5
свыше 1000 до 2000	7
свыше 2000	13

2.5. Показатели физико-механических свойств плит должны соответствовать нормам, указанным в таблице.

2.6. При несоответствии плит хотя бы одному из требований для данной марки, кроме плотности, они должны быть отнесены к марке с меньшей плотностью.