Котельные установки

Для слоистых покрытий в виде железобетонных плит с тщательно заделанными стыками, окрасочного (битумного) пароизоляци-онного слоя, утепления из пенобетонных плит и рулонной кровли продолжительность увлажнения, при рассмотренных выше условиях, также будет превышать длительность диффузии, в связи с чем более сложные расчеты влажностного состояния таких конструкций не требуются.
Продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения однородных массивных стен (за счет диффузии водяного пара), превышает длительность холодного периода года, в течение которого может происходить диффузия. В связи с этим графо-аналитический расчет влажностного состояния таких ограждений утрачивает практический смысл.
Лишь для предельно облегченных конструкций, выполняемых с применением эффективных теплоизоляционных материалов, защищенных со стороны помещения тонкими отделочными слоями рз сравнительно паропроницаемых материалов, продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения, мала.
Такова, например, конструкция бесчердачного покрытия из асбестоцементных листов (6 = 8 мм,р,= 0,0035) с окрасочной паро-изоляцией, минераловатным утеплителем и трехслойной рулонной кровлей, наклеенной по верхнему листу асбестоцемента.
В связи с предельной легкостью такого покрытия, расчет накопления влаги, конденсирующейся в виде инея на нижней поверхности асбестоцементного листа под рулонной кровлей, должен производиться за полную длительность холодного периода года.
Для подобных конструкций даже в помещениях с нормальной влажностью внутреннего воздуха следует применять внутренние защитные слои с очень большим сопротивлением паропроницанию (листы из плотных пластмасс, алюминия, асбестоцемента, покрытого толстой (многослойной) защитной пленкой на основе полимерных материалов и т. д.), так как применение в аналогичных конструкциях с рулонной кровлей более проницаемых отделок может привести к периодической ежегодной конденсации влаги в подкровельном слое и постепенному разрушению конструкции.
Расчет необходимого сопротивления паропроницанию внутренней части проектируемой конструкции покрытия над влажным помещением и ее необходимой влагоизоляции приведен в следующих примерах.

Чем длительнее процесс естественной сушки, тем больше вероятность хронического засырения стен; такая вероятность наиболее велика для стен, выпЬлненных из шлакобетона и золобетона. В тех случаях, когда длительность основной части процесса естественной сушки, установленная расчетом по формуле (VI.37), превышает 2 года, целесообразно в процессе проектирования уменьшить вероятность засырения стен путем применения пустотных изделий, дополнительного утепления и уменьшения толщины конструкции, введения осушающих воздушных прослоек.
Наиболее длительные сроки естественной сушки характерны для трехслойных ограждающих конструкций, в которых внешние слои выполнены из плотных материалов, например, железобетонных панелей или других малопроницаемых элементов, а внутренний слой, осуществленный из ячеистых бетонов или других материалов с высоким начальным влагосодержанием, изолирован от воздушной среды этими плотными внешними слоями. Толщина их невелика и обычно меньше толщины слоя резких температурных колебаний; быстро устанавливающееся равновесное влагосодержание этих внешних слоев, как правило, находится в пределах сорб-ционного, а в летний период года, когда следует ожидать наиболее интенсивной естественной сушки конструкции, — приближается к равновесному при 50% относительной влажности, или еще меньшей.
Перемещение избыточной влаги, содержащейся в ячеистом бетоне или другом материале с высоким влагосодержанием, ограничивается плотностью этих высохших внешних слоев, сопротивление которых влага может преодолевать только в парообразной фазе. В этих условиях удлинение периода естественной сушки трехслойной конструкции, по сравнению с однородной из ячеистого бетона, может быть установлено с учетом увеличения сопротивления паропроницанию внешних плотных слоев и возникновения сопротивления влагообмену на их поверхности, граничащей с ячеистым бетоном.Конечно, чем продолжительнее естественная сушка ограждающих конструкций, тем больше вероятность дополнительного их увлажнения конденсационной влагой и другими ее видами.
В связи с этим достижение конструкцией равновесного влагосодержания может отдаляться, поскольку вероятно чередование естественно протекающих процессов обезвоживания материала с его эпизодическими увлажнениями.
Высокое влагосодержание не характерно для тонких и пустотелых ограждающих конструкций, подвергшихся после монтажа высыханию в течение одного устойчивого летнего периода и не имеющих источников добавочного увлажнения.

Увеличение долговечности ограждающих конструкций и улучшение их эксплуатационных качеств могут быть достигнуты в процессе проектирования целесообразным применением строительных материалов с учетом их физико-технических свойств, а также рациональным решением конструкций в целом, и, в частности, защитно-отделочных слоев, ограничивающих проникание агрессивных воздействий внутрь конструкции.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, а также натурные и лабораторные исследования их конструкций показывают, что как процессы первоначального упрочнения материалов (т. е. твердение бетонов, строительных растворов и т. д.), связанные с повышением (улучшением) физико-механических свойств, так и процессы последующего постепенного разрушения материалов и конструкций, проявляющиеся в понижении (ухудшении) этих свойств, зависят от колебаний температуры и воздействий влаги. Различная направленность изменяющих структуру процессов, от которой зависит постепенное упрочнение или постепенное разрушение материала, иногда наблюдается при аналогичных климатических воздействиях, но более мягких в первом случае и более жестких —во втором.
Опытные данные о постепенных изменениях структурно-механических свойств материалов в ограждающих конструкциях получили обоснованную теоретическую базу в работах крупных советских ученых: А. Ф. Иоффе и П. А. Ребиндера, развивших на основе своих исследований представления о роли физико-химических процессов в изменении структурно-механических свойств материалов. Прочность и стойкость изделий (особенно безобжиговых), изготовленных в заводских условиях, может возрастать в процессе эксплуатации здания, если под влиянием климатических условий обеспечивается циклическая смена температурно-влажностных состояний материала, способствующих улучшению его структурно-механических свойств.
В этом случае постепенные разрушающие процессы возникают и развиваются после завершения упрочняющих или одновременно с ними, что проявляется, например, в местных повышениях прочности материала и возникновении трещин в наиболее напряженных зонах конструкции.

Уменьшение прочности при длительном пребывании материала под растягивающей его нагрузкой объясняется постепенным развитием дефектов в трещинах разрыва. Такое развитие связано с изменениями значений внутренней потенциальной энергии материала, вместе с которыми изменяются и его структурно-механические свойства. Постепенные процессы разрушения выражаются последовательностью постепенных переходов материала из одних состояний с более высоким уровнем внутренней энергии в другие, имеющие меньший ее уровень.
В основе незаметно для человеческого глаза происходящих изменений структуры материала лежит квантовая природа материи и квантовые процессы, подчиняющиеся физико-статистическим закономерностям. Можно считать, что математическая интерпретация этих закономерностей идет от волновой функции [78] и имеет экспоненциальный характер.Поскольку период колебаний атомов то в структурной решетке материала зависит от величины заряда атомного ядра, время, необходимое для изменения структурных качеств, оказывается закономерно связанным с основными физико-химическими свойствами материала, его плотностью, строением электронных оболочек атомов и с периодическим законом Д. И. Менделеева.
Величина и0 зависит от степени совершенства структурно-механических свойств рассматриваемого материала и в пределе может приближаться к энергии связи атомов в кристаллической решетке идеального материала (по абсолютной величине, близкой к энергии сублимации, но обратной ей по знаку). Для бетона эта величина в некоторой недостаточной мере связана с маркой бетона (т. е. с весьма грубыми градациями одного из видов прочности материала, применяемыми в практике строительства), но явным образом зависит также от особенностей процесса кристаллизации в бетоне, характера пористости и активности сцепления цементного раствора с поверхностью песка и крупного заполнителя. При преобладании мелких кристаллических образований, закрытой пористости и химическом сродстве между вяжущим и заполнителем (или активировании поверхности последнего, обеспечивающем повышение сцепления) значение и0 возрастает. Структурный коэффициент у резким образом изменяется с возрастом бетона, уменьшаясь в два и более раза по мере упрочнения материала.

Исследование долговечности конструктивных элементов на основе использования уравнения (VII.3) только начинает развиваться. При этом основной элемент исследования заключается в том, что сравнимые образцы конкретного материала подвергаются серии силовых воздействий с градациями различной интенсивности, в целях возникновения напряжений (на. растяжение или сдвиг), при которых разрушение образцов происходит через различные интервалы времени.
На основе таких экспериментов определяются количество энергии и0у необходимой для возникновения процессов разрушения и значения структурных коэффициентов у, т. е. неизвестные величины, входящие в уравнение (VII.3).
Тем самым устанавливается конкретная зависимость между напряжениями, возникающими в материале, и сроками его службы до возможного предела разрушения.
Далее, на основе анализа внешних физико-климатических воздействий, которым будет подвергаться изучаемая ограждающая конструкция, конкретизируются значения напряжений (например, от неравномерного распределения температур и влагосодержания, ветровых и других механических нагрузок и т. п.).
Независящие друг от друга разрушительные эффекты, возникающие при найденных напряжениях, суммируются друг с другом.Как видно из этой последовательности отдельных этапов изучения, использование в практических целях уравнения (VII.3) связано с необходимостью проведения специальных экспериментов!
Исследования, проведенные в целях изучения долговечности наружных отделочных (фактурных) слоев крупных панелей [88] показали, что в климатических условиях г. Перми сроки службы фактуры из мелкозернистых бетонов на карбонатных песках примерно вдвое более длительны по сравнению со сроками службы таких же бетонов, но на кварцевых песках.
Развитие сетки силовых трещин на поверхности наружной фактуры с карбонатным заполнителем происходит более медленно и в количественном отношении менее выражено, чем у фактуры с заполнителем из кварцевого песка. Объясняется это большей однородностью структурных свойств фактуры с карбонатным заполнителем, поскольку сцепление вяжущего с поверхностью родственного в химическом отношении заполнителя происходит более активно и отличается относительно высокой прочностью.

Постепенное разрушение (износ) ограждающих конструкций происходит с (неодинаковой быстротой -в течение общего срока службы здания. На рис. VI 1.4, а по оси ординат отложена изношенность, выраженная в процентах, а по оси абсцисс — время, отсчитываемое от начала эксплуатации здания и измеряемое в годах и десятках лет. Характерная кинетика изменений износа конструкций и нарастания их изношенности с течением (времени выражена кривой 1.
Как видно из рисунка, зависимость утраты необходимых качеств конструкций от времени (т. е. др/дг или дх/дт, где р — характерный вид прочности, % — проницаемость, х — время) нелинейна и кривая 1 имеет две зоны перегиба вблизи точек А и Б. Эти зоны перегиба определяют три характерных периода износа конструкций здания (I, II, III), отмеченные на рисунке.
Такие характерные периоды отличаются друг от друга различной интенсивностью износа; в периодах I и III последняя наиболее высока, тогда как в периоде II, самом длительном и занимающем до 80% от общей продолжительности службы здания, интенсивность износа сравнительно незначительна.
Существенные различия интенсивности износа конструкций в характерные периоды эксплуатации здания объясняются типичными изменениями напряженного состояния в эти периоды, что видно из рисунка VII.4, б.
Для периодов I и III характерно развитие напряжений, превышающих предел выносливости отдельных элементов ограждающих конструкций; в начальный период это связано с чрезмерными усадочными и термическими«>напряжениями, а в последний — с падением предела выносливости существенно износившихся конструкций.
В первые годы эксплуатации вновь выстроенного здания характерно ускоренное разрушение (повышенный износ) многих конструктивных элементов. Объясняется это многими причинами, в частности, усадкой и усушкой излишне влажных материалов, примененных при постройке, уплотнением грунта и неравномерной осадкой здания, выявляющимися в первый период эксплуатации, дефектами проектирования и строительных работ, а также недостаточно высокими свойствами материалов и конструкций.
Усадка и усушка материалов, применяемых в конструкциях здания, обычно связаны с повышенным содержанием первоначальной строительной влаги (особенно характерным для конструктивных элементов из бетонов и древесины, изделий, увлажненных при транспортировке, и т. д.). Процессы усадки, усушки и развития термических напряжений обычно сопровождаются образованием трещин, неплотностей и щелей в конструкциях и особенно сопряжениях отдельных крупноразмерных элементов. При этом величины деформаций и вероятность возникновения трещин зависят преимущественно от величины и изменений температурного перепада, градиента влагосодержания, а также характерного размера крупного элемента и условий его деформирования.
Наибольшая усушка, связанная с возникновением неплотностей и щелей, характерна для деревянных конструктивных элементов (полы, перегородки, оконные переплеты, двери и т. д.). Выполнение конструкций из так называемой воздушно-сухой древесины (18% влажности по весу) не в состоянии полностью предотвратить явления усушки, поскольку изменения объема деревянных элементов при их высыхании до равновесного состояния (например, 8—10% по весу) происходят главным образом в пределах гигроскопической влажности.

Усушка конструкций, покрытых штукатуркой, окраской или обоями, связана с образованием трещин и разрывов в этих отделочных слоях.
Возникновение усадочных трещин характерно также для переувлажненных при изготовлении или возведении элементов стен из легких бетонов. Неравномерная осадка стен, вызванная незакономерным уплотнением грунта под подошвой фундаментов, приводит к возникновению определенным образом расположенных трещин в кладке или в зонах сопряжения крупных элементов здания.
Для переувлажненных начальной строительной влагой наружных ограждающих конструкций характерны пониженные теплозащитные свойства; часто такие конструкции являются причиной сырости в помещениях.
Конструкции, осуществленные из недостаточно стойких материалов, а также некачественно выполненные или неудачные по своему общему решению, неизменно обнаруживают дефекты в первый период эксплуатации здания; выявление таких дефектов в течение гарантийного срока обязывает строительную организацию произвести необходимые исправления.
По окончании первого периода эксплуатации, характеризующегося повышенным износом, часто требуется проведение ремонта кровель, защитно-отделочных слоев, деревянных полов, переплетов, сопряжений крупных панелей и т. д. Такой ремонт называется поелеосадочным и должен производиться за счет средств, направляемых в новое строительство. При небрежной эксплуатации зданий и отсутствии своевременных периодических ремонтов износ конструкций здания интенсифицируется и общая их долговечность сокращается, что отмечено пунктирными линиями 2 и 3 на рис. VII.4, а.
Второй и наиболее длительный (обычно продолжающийся в течение многих десятилетий) период эксплуатации здания характеризуется весьма медленным (нормальным) износом конструкций здания. Такой медленный и для многих основных конструкций практически незаметный износ объясняется тем, что материалы этих конструкций приобрели стабильную, незначительно изменяющуюся в отдельные периоды года, влажность и близки к термодинамическому равновесию с воздействием окружающей воздушной среды; в этих условиях разрушающие процессы активизируются главным образом только при случайных увлажнениях конструкций или нарушениях средних многолетних условий эксплуатации (что связано, например, с изменениями назначения и влажностного режима помещений, увеличением загрязненности и агрессивности наружного воздуха, изменением уровня грунтовых вод и т. д.).
После того как в течение долгих лет конструкции здания подвергаются весьма медленному износу, структура материалов постепенно изменяется, пористость увеличивается, мелкие и при этом закрытые поры разрушаются и превращаются в более крупные и открытые; конструкции утрачивают значительную часть прочности и непроницаемости.

Сроки службы конструкций зависят от качества применяемых материалов и изделий, общей целесообразности принятого конструктивного решения, надежности защитно-отделочных слоев или других средств, ограничивающих физико-климатические и другие внешние воздействия на конструкцию. В этот перечень факторов, влияющих на долговечность конструкций не включены особенности и качество производства строительно-монтажных работ, поскольку эти причины далеко не всегда могут быть учтены в стадии проектирования конструкций.
Весьма важным качеством применяемых материалов и изделий является неизменность их необходимых структурно-механических свойств во времени. Это качество обеспечивается отнюдь не высокой начальной прочностью материала, а только достаточной его стойкостью против тех внешних воздействий, которые будут восприниматься проектируемой конструкцией. Виды необходимой стойкости должны быть установлены путем тщательного изучения особенностей эксплуатации. Однако все виды стойкости материала против колебаний температур и изменений влагосодержания (влагостойкость, морозостойкость, стойкость против циклических изменений температуры) могут быть обеспечены соблюдением определенных закономерностей, влияющих на образование структуры материала.
Большинство строительных материалов состоит из нескольких составляющих и отличаются неоднородной структурой, отдельные элементы которой могут состоять из компонентов с различными физико-химическими свойствами *.
Естественно, что различные физические свойства отдельных компонентов наиболее заметны в композиционных материалах, типичным примером которых являются бетоны.На границе этих компонентов возникают напряжения, пропорциональные разности коэффициентов термического расширения и градиенту температур. При значительных напряжениях и недостаточном сцеплении вяжущего с поверхностью заполнителя у этих границ легко возникают трещины, приводящие при дальнейшем их развитии к заметному для глаза разрушению материала.
В связи с этим при выборе вяжущего и заполнителей для бетонов важно знать величины ат для этих компонентов и подбирать их так, чтобы их коэффициенты термического расширения отличались друг от друга наименьшим образом.

Учитывая значения для стойкости бетона величины разности коэффициентов термического расширения вяжущего и крупного заполнителя, можно ожидать, что, например, шлакобетон на цементном вяжущем с заполнителем из топливных шлаков окажется недостаточно стойким и склонным к образованию трещин при колебаниях температуры. Опыт эксплуатации конструкций из шлакобетона этого вида, а также данные по исследованиям воздухопроницаемости подобных материалов подтверждают возникновение в них микротрещин. Шлакобетоны с заполнителем из металлургических шлаков отличаются гораздо более высокой стойкостью, что объясняется возникновением нерастворимых соединений на границе вяжущее—крупный заполнитель и более высоким сцеплением.
Мелкозернистые бетоны на карбонатном песке, применяемые для фактурных слоев крупных панелей и блоков, оказываются гораздо более стойкими по сравнению с мелкозернистыми бетонами па кварцевом песке; одной из причин этого является общность химического состава компонентов вяжущего и мелкого заполнителя (СаО), а также примерно одинаковые коэффициенты их термического расширения (аг~9,0-К)-6).Повышение физико-химической активности поверхности заполнителя ведет к увеличению сцепления и существенному улучшению структурных свойств композиционного материала. В этом отношении предварительное дробление заполнителей, т. е. обнажение новых поверхностей с высокой физико-химической активностью, является целесообразным технологическим приемом, обеспечивающим повышение любых видов стойкости производимых материалов (высокая стойкость бетона с дробленым гравием и щебнем, ячеистых бетонов с наполнителем из дробленого песка и т. д.). Увеличение сцепления на поверхности заполнителя является одним из наиболее доступных в технологическом отношении приемов, обеспечивающих формирование более совершенной макроструктуры с повышенным запасом внутренней энергии в объеме материала.
Наиболее явно выраженное разрушающее действие колебаний температур отмечается для ограждающих конструкций производственных зданий с наличием интенсивных выделений лучистого тепла, где температура поверхности железобетонных конструкций может достигать свыше 100°, в результате чего отмечается значительное ослабление сцепления бетона с арматурой и постепенное нарушение сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей.

Поверхность стен любых зданий и, в частности, наружная часть крупных панелей также могут подвергаться существенным температурным колебаниям, особенно при нагреве их солнечной радиацией. В летнее время в южных районах средние значения колебаний температуры поверхности составляют величину порядка 30° (например, от +15 до +45°); однако наиболее опасны колебания температур в зимнее время в районах с интенсивной солнечной радиацией (южная Сибирь, Приморский край и т. д.), происходящие на поверхности стен, обращенных на юг и юго-запад, примерно, с такой же или еще большей разностью температур в течение суток (например, от —18 до +18°), но связанные с ежесуточными наиболее разрушительными для наружной части стен переходами через нуль.
Для сравнительной оценки вероятности активного образования трещин, которое может быть вызвано такими климатическими воздействиями, важны: 1) число переходов через нуль в наружной части панели п; 2) безразмерная амплитуда колебаний температур At (например, отношение разности экстремальных ее значений в рассматриваемом сечении конструкции к среднегодовой температуре); 3) объемное влагосодержание материала со0.
Степень стойкости материала (в частности, его морозостойкость должна назначаться в соответствии с величинами этих показателей для наиболее опасного сечения в наружной части панели. Приближенно все три показателя могут быть выражены одной числовой характеристикой, например, их произведением, которое можно считать пропорциональным количеству внешней энергии Е, затрачиваемой на деструкцию материала (ЕжпАгЫо)- Эта числовая характеристика обычно имеет наибольшее значение или на поверхности панели, где наиболее велики изменения температуры, или на глубине слоя резких температурных колебаний 6, где возрастает влагосодержание материала (рис. VII.5).
Число переходов через нуль зависит от ориентации панельных стен и условий наружного климата; оно наиболее велико для стен, обращенных на юг, и для территорий с интенсивной солнечной^ радиацией в зимнее время года (Южная Сибирь, Приморский Край и т. д.).
Для Приморского Края, где зимой преобладают ясные, солнечные дни с холодными ветрами и низкой температурой наружного воздуха, число переходов через нуль достигает на поверхности панелей, обращенных на юг, 80 циклов [85], уменьшаясь на глубине 7 см. (граница слоя резких колебаний) примерно до 75, тогда как соответствующие значения для европейской части СССР (г. Куйбышев) приближенно составляют 12 и 8 [86].
Морозостойкость материала наружной части панелей на территориях Дальневосточного края должна быть существенно выше, чем в районах европейской части СССР.
Термические напряжения наружной поверхности панелей на восточных территориях СССР также очень высоки [85] и часто превосходят допустимые напряжения на растяжение для применяемых бетонов (рис. VII.6).
В тех случаях, когда изменения температур сопровождаются резкими колебаниями влагосодержания материала, структура его должна обладать некоторыми дополнительными свойствами. Если бы структура материала состояла из крупных закрытых однородных пор, соединенных тонкими капиллярами, разрушение при воздействиях влаги и вообще водных растворов, протекало бы много медленнее, а материал обладал бы высокой физико-химической стойкостью.
Замедление разрушения при резких изменениях влагосодержания характерно также для материалов с относительно изолированными (замкнутыми) порами, заполненными воздухом и трудно доступными для влаги при обычных условиях, но обеспечивающими ее перераспределение при более высоких давлениях, возникающих, например, при замерзании.
Количество замкнутых пор является мерой обеспечения стойкости материала против внешних разрушающих физико-химических воздействий, связанных с присутствием влаги. Свободная энергия на поверхности замкнутых пор более высока, чем в открытых, доступных для внешних воздействий. С развитием разрушения число замкнутых пор уменьшается, а удельная поверхность неизолированных пор и полостей внутри материала возрастает.