Прогнозирование сорбционной влажности кирпичной кладки, содержащей смеси солей

  Наружные ограждающие конструкции цехов промышленных предприятий, кроме температурно-влажностных воздействий, подвержены воздействию производственной среды. На ряде производств, технологический процесс которых связан с переработкой водорастворимых и гигроскопических солей, происходит постепенное накопление солей в поровом пространстве стеновых материалов. Присутствие солей в материалах вызывает изменение их теплофизических характеристик, в первую очередь, повышение сорбционной влажности [1]. Это приводит к наступлению отказов ограждений по эксплуатационным качествам, прежде всего, по влагозащитной функции [2].
   Разработка мероприятий по улучшению влажностного режима наружных стен, эксплуатируемых в условиях воздействия солевой производственной среды, невозможна без учета данных об изменении сорбционных свойств стеновых материалов при содержании в них солей. Для решения этой задачи требуется экспериментальное исследование сорбционного увлажнения солесодержащих материалов.

   Методика исследования и планирование эксперимента
   Для прогнозирования изменения сорбционных свойств кирпичной кладки, содержащей соли, использовался экспериментально-статистический подход.
   В качестве факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на сорбционное влагосодержание, рассматривались относительная влажность воздуха, а также вид и количество соли, содержащейся в материале стен. Кроме того, результаты натурных исследований наружных стен цеха тринатрийфосфата (ТНФ) ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» показали, что в кирпичной кладке стен присутствуют смеси двух солей (Na3PO4 и Na2CO3) переменного состава [2]. Так как фактор вид соли представлял в нашем случае двухкомпонентную систему, то смесевой состав учитывался массовой долей каждой соли в смеси. Массовые доли Na3PO4 (фактор z1) и Na2CO3 (фактор z2) в солевой смеси изменялись от 0 до 1, при этом предполагалось, что z1+ z2=1.
   При планировании эксперимента диапазон изменения относительной влажности воздуха jв (фактор x1) выбирался с учетом реальных условий эксплуатации ограждающих конструкций. Рассматривались три уровня из этого диапазона: 60 (-1); 80 (0) и 98 % (+1).
   Значения солесодержания материалов назначались по результатам натурных исследований наружных стен цеха ТНФ [2] и принимались равными: 0,5 (-1); 2,0 (0) и 3,5 % (+1). В скобках приведены кодированные значения уровней факторов.
   Предполагалось, что зависимость сорбционного влагосодержания y от рассматриваемых факторов x1, x2, z1, z2 может быть описана моделью:
   y=b1(x1,x2)z1+b2(x1,x2)z2+
   +b12(x1,x2)z1z2+g12(x1,x2)z1z2(z1-z2).
   В этой модели зависимость сорбционного влагосодержания стеновых материалов от смесевых факторов (z1 и z2) описывалась приведенным полиномом неполного третьего порядка, коэффициенты b1, b2, b12, g12 которого зависели от значений эксплуатационных факторов (x1 и x2) и описывались, в свою очередь, полиномом второго порядка.
   Для получения формализованного описания процесса сорбции в зависимости от рассматриваемых факторов применялось двухъярусное планирование лабораторного эксперимента [3]. При этом план на диаграммах «состав-свойство» (для смесевых факторов) объединялся с факторным планом (для эксплуатационных факторов).
   Экспериментальное определение сорбционной влажности стеновых материалов проводилось эксикаторным методом (рис. 1) [4]. Соли вводились в образцы в виде растворов некоторой концентрации в количестве, обеспечивающем требуемые уровни солесодержания в материале [5].
   Результаты эксперимента и их обработка
   По результатам эксперимента (табл.) с помощью регрессионного анализа были рассчитаны параметры моделей y=f(x1, x2, z1, z2) для кирпича глиняного обыкновенного g0=1800 кг/м3 и цементно-песчаного раствора g0=1800 кг/м3. Проверка адекватности этих моделей с помощью t-критерия Стьюдента показала, что они адекватно описывают процесс сорбции исследуемых материалов в рассматриваемой области факторного пространства.
   Учитывая массовое соотношение кирпича и цементно-песчаного раствора в конструкции стены 3:1 и полагая справедливость принципа аддитивности, из рассчитанных моделей получена обобщенная модель для кирпичной кладки вида:
   yкк=(1,59+3,00x1+1,35x2+1,43x1x2+
   2,63x12+0,28x22)z1+(1,75+4,19x1+
   +2,19x2+2,35x1x2+4,32x12+0,22x22)z2+
   +(0,45+0,16x1+0,50x2+0,50x1x2+ (1)
   +0,47x12-0,54x22)z1z2+(1,71-0,83x1-
   -0,95x2-1,31x1x2-1,33x12-0,89x22)z1z2(z1-z2).
   Практическая реализация результатов
   При практической реализации построенной модели (1) принималось во внимание, что СНиП II-3-79* регламентирует расчетное и предельно допустимое влагосодержание стеновых материалов в ограждающих конструкциях. Так, расчетное влагосодержание кирпичной кладки для помещений с влажным режимом (условия эксплуатации – Б) равно 2 %, а предельно допустимое – 3,5 % [6]. С учетом приведенных значений массовой влажности получено математическое описание предельно допустимого состояния увлажнения кирпичной кладки в наружных стенах цеха ТНФ:
   - из условия недопустимости накопления влаги за годовой период эксплуатации:
   f(x1, x2, z1, z2) Ј 2; (2)
   - из условия ограничения влаги за период влагонакопления:
   f(x1, x2, z1, z2) Ј 3,5. (3)
   Принимая конкретизированные значения смесевых факторов в модели (1) можно получить зависимость сорбционного влагосодержания стенового материала только от эксплуатационных факторов x1 и x2. Так, по результатам натурных исследований выявлено, что в кирпичной кладке наружных стен отделения нейтрализации 2-й ступени цеха ТНФ (вблизи нейтрализаторов) содержится солевая смесь с соотношением компонентов z1=0,2 (Na3PO4), z2=0,8 (Na2CO3) [2]. Тогда, с учетом неравенств (2) и (3), математические описания предельно допустимых условий эксплуатации наружных стен рассматриваемого отделения цеха ТНФ имеют вид:
   0,93+3,91х1+2,84х2+2,24х1х2+
   +4,47х12-0,33х22 Ј 2; (4)
   0,93+3,91х1+2,84х2+2,24х1х2+
   +4,47х12-0,33х22 Ј 3,5. (5)
   Для использования в практических расчетах построен график зависимости w (y) от jв(x1) и с (x2) при значениях смесевых факторов, соответствующих условиям эксплуатации наружных стен отделения нейтрализации 2-й ступени цеха ТНФ (рис. 2). Изолинии сорбционного влагосодержания, равные 2 и 3,5 %, определяют множество пар значений относительной влажности и солесодержания, удовлетворяющих предельно допустимому состоянию увлажнения кирпичной кладки.
   С помощью графика (рис. 2) или неравенств (4) и (5) при известном солесодержании с (x2) можно рассчитать допустимую относительную влажность в поровом пространстве материала jв(x1). Используя величины jв1 (при w=2 %) и jв2 (при w=3,5 %) в расчете сопротивления паропроницанию ограждения [6] в качестве допустимых значений относительной влажности воздуха в порах кирпичной кладки, определяется требуемое сопротивление паропроницанию внутреннего пароизоляционного покрытия. Устройство такой внутренней пароизоляции позволит обеспечить нормальный влажностный режим наружных стен, эксплуатируемых в условиях воздействия солевой среды рассматриваемого цеха.

   Выводы
   1. На основании результатов эксперимента построены математические зависимости сорбционного увлажнения глиняного кирпича g0=1800 кг/м3 и цементно-песчаного раствора g0=1800 кг/м3, содержащих двухкомпонентные солевые смеси Na3PO4–Na2CO3, от относительной влажности воздуха, содержания солей и массовой доли каждой из солей в смеси.
   2. Для наружных стен отделений цехов ТНФ с учетом условий ограничения накопления влаги за годовой период и период влагонакопления построены математические описания предельно допустимого состояния увлажнения кирпичной кладки.
   3. На основании описаний предельно допустимого состояния увлажнения кирпичной кладки предложено уточнить методику выбора парозащитных покрытий наружных стен с учетом допустимых значений относительной влажности воздуха в поровом пространстве засоленного стенового материала.

Библиографический список:
   1. Езерский В.А., Кузнецова Н.В. Сорбционное влагосодержание пористого керамического кирпича, содержащего фосфорные соли // Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях: Сб. докл. Шестой науч.-практич. конф.– М.: НИИСФ, 2001.– С. 280–285.
   2. Езерский В.А., Кузнецова Н.В. Воздействие производственной среды цеха ТНФ АООТ «Воскресенские минеральные удобрения» на наружные ограждающие конструкции // Труды ТГТУ: Сб. науч. статей молодых ученых и студентов. Вып. 5.– Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2000.– С. 206–210.
   3. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей: Справочное издание / Бродский В.З., Бродский Л.И., Голикова Т.И. и др.– М.: Металлургия, 1982.– 752 с.
   4. Методика определения влажностных характеристик строительных материалов / НИИСМ Госстроя УССР.– Киев, 1970.– 48 с.
   5. Аксенова И.В., Езерский В.А. Методика лабораторного засоления строительных материалов // Музееведение и охрана памятников. Реставрация и консервация музейных ценностей: Науч. реф. сб.- Вып. 6.– М., 1981.– С. 18–22.
   6. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника / Госстрой России.– М.: ГУП ЦПП, 1998.– 29 с.