Коэффициент паропроницаемости материалов: расчет и показатели

Коэффициент паропроницаемости является важным показателем, характеризующим способность строительных материалов пропускать водяной пар. От него напрямую зависит долговечность и надежность конструкций, поэтому при проектировании и строительстве необходимо уделять особое внимание этому параметру.

В данной статье мы подробно разберем, что такое коэффициент паропроницаемости, как он рассчитывается для различных материалов и какие факторы на него влияют. Рассмотрим оптимальные значения этого показателя для наиболее распространенных отделочных и конструкционных материалов. Также изучим методы повышения паропроницаемости в случае необходимости.

Определение и единицы измерения

Коэффициент паропроницаемости показывает, какое количество водяного пара может пройти за единицу времени через единицу площади материала при градиенте парциального давления водяного пара, равном единице. Чем выше значение коэффициента, тем лучше материал пропускает водяной пар.

Коэффициент паропроницаемости материалов рассчитывается в мг/(м·ч·Па) или г/(м·ч·Па). Такие единицы соответствуют количеству водяного пара в миллиграммах или граммах, проходящего через материал площадью 1 кв. метр при перепаде парциального давления 1 Па в течение 1 часа.

Методы определения

Существует несколько лабораторных методов для определения коэффициента паропроницаемости:

• Метод «мокрой стенки» по ГОСТ 25898-2012
• Метод «сухой стенки» по ГОСТ 25880-83
• Метод «чашки» по ГОСТ 25898-2012

При проведении испытаний создается разность парциальных давлений водяного пара по разные стороны образца материала, после чего фиксируется количество прошедшего пара. На основании полученных данных вычисляется коэффициент паропроницаемости.

Для ряда материалов значения коэффициента можно найти в справочной литературе или получить расчетным путем исходя из состава и структуры.

Факторы, влияющие на паропроницаемость

На значение коэффициента паропроницаемости влияют следующие факторы:

• Пористость материала
• Влажность материала
• Температура
• Плотность и толщина слоя

Чем выше пористость материала, тем лучше он пропускает водяной пар. Повышение влажности и снижение температуры уменьшают значение коэффициента. При увеличении толщины слоя паропроницаемость снижается.

Требуемые показатели для различных материалов

Для обеспечения нормального влагообмена конструкции и предотвращения накопления влаги коэффициент паропроницаемости материалов должен находиться в определенных пределах.

Утеплители

Для утеплителей рекомендуемое значение коэффициента паропроницаемости - не менее 0,3 мг/(м·ч·Па). Пенополистирол, минеральная вата и другие современные утеплители удовлетворяют этому условию.

Гидроизоляционные материалы

Значение коэффициента паропроницаемости гидроизоляционных мембран должно находиться в пределах от 0,1 до 10 мг/(м·ч·Па).

Отделочные материалы

Коэффициент паропроницаемости штукатурки рекомендуется принимать не менее 0,1 мг/(м·ч·Па). Для цементно-песчаных, гипсовых, известковых штукатурок он составляет 0,1-0,35 мг/(м·ч·Па).

Обои и краски должны иметь коэффициент паропроницаемости не менее 0,1-0,3 мг/(м·ч·Па).

Коэффициент паропроницаемости клеев для плитки должен быть более 0,2 мг/(м·ч·Па).

Повышение паропроницаемости

Если измеренное значение коэффициента паропроницаемости материала оказывается ниже требуемого, его можно повысить различными способами:

• Добавление поризующих добавок
• Использование более грубых фракций заполнителя
• Снижение объемной плотности материала
• Введение волокнистых армирующих добавок

Подбор состава и технологии изготовления материала следует осуществлять таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень паропроницаемости.

Таким образом, коэффициент паропроницаемости является важной характеристикой строительных материалов, влияющей на долговечность конструкций. При проектировании необходимо обеспечивать согласованность показателей паропроницаемости различных слоев ограждающих конструкций с целью исключения накопления влаги внутри них.

Расчет коэффициента паропроницаемости

Для практических расчетов коэффициент паропроницаемости материалов может быть определен по эмпирическим формулам, исходя из их структуры и состава. Например, для легких бетонов на пористых заполнителях коэффициент паропроницаемости рассчитывается по формуле К = 3,6∙10-12 ∙ ρ-2,5, где ρ - средняя плотность бетона в кг/м3. Для ячеистых бетонов используется формула К = 1,7∙10-7 ∙ ρ-0,74 ∙ d0,26, где d - средний диаметр пор в мм.

Требования нормативных документов

Требуемые значения коэффициента паропроницаемости различных материалов регламентируются нормативными документами.

Согласно СП 50.13330.2012, для наружных стен с вентилируемым фасадом рекомендуемое значение коэффициента паропроницаемости утеплителя должно быть не менее 0,3 мг/(м·ч·Па).

Для внутренних слоев ограждающих конструкций СНиП 23-02-2003 устанавливает минимальный коэффициент паропроницаемости на уровне 0,1 мг/(м·ч·Па).

Контроль качества материалов

При приемке строительных материалов на объекте следует контролировать соответствие их фактических характеристик, в том числе коэффициента паропроницаемости, заявленным производителем показателям. Это позволит избежать нарушения тепловлажностного режима ограждающих конструкций.

Влияние на эксплуатационные характеристики

Несоответствие коэффициента паропроницаемости оптимальным значениям может привести к снижению долговечности конструкций, коррозии арматуры, повреждению отделочных покрытий.

Поэтому при подборе состава материалов для строительства необходимо обеспечивать согласованность показателей паропроницаемости различных слоев ограждений для исключения дефектов при эксплуатации.

Перспективы применения инновационных материалов

В настоящее время ведутся разработки инновационных строительных материалов с улучшенными характеристиками паропроницаемости. Например, создаются органо-минеральные теплоизоляционные материалы на основе гидрофобизированного вермикулита с коэффициентом паропроницаемости 1,9 мг/(м·ч·Па). Применение таких материалов позволит улучшить эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций зданий.

Методы повышения паропроницаемости

Существует несколько основных методов повышения коэффициента паропроницаемости материалов:

• Введение поризующих добавок (древесных опилок, отсевов керамзита, перлита и др.)
• Использование легких заполнителей (вермикулит, перлит, керамзит)
• Армирование фиброй (базальтовой, стеклянной, полипропиленовой)
• Газо- или пенообразование
• Формирование пористой структуры

Выбор конкретного метода зависит от состава и технологии производства материала. Например, для пенобетона используется газообразование, а в легких бетонах создается пористая структура за счет применения пористых заполнителей.

Особенности расчета для многослойных конструкций

При проектировании многослойных ограждающих конструкций необходимо производить расчет сопротивления паропроницанию для пакета слоев в целом.

Сопротивление паропроницанию многослойной конструкции складывается из сопротивлений отдельных слоев. При этом слои располагаются в порядке убывания паропроницаемости - от внутренней поверхности к наружной.

Общее сопротивление паропроницанию конструкции не должно превышать предельных значений, установленных нормативными документами для данных условий эксплуатации.

Особенности расчета для анизотропных материалов

Некоторые материалы, например древесина, обладают анизотропией - их свойства различаются в разных направлениях.

В таких случаях коэффициент паропроницаемости следует определять отдельно для каждого направления. Для древесины он существенно выше в направлении волокон (поперек волокон паропроницаемость ниже примерно в 10 раз).

При расчете конструкций с анизотропными материалами нужно использовать направленные значения коэффициентов паропроницаемости в соответствии с ориентацией материала.

Программное моделирование тепловлажностного режима ограждений

Для обоснования проектных решений может проводиться математическое моделирование процессов тепло- и влагопереноса в ограждающих конструкциях с учетом реальных свойств применяемых материалов.

Современные программные комплексы (например, ANSYS, COMSOL Multiphysics) позволяют детально промоделировать влияние коэффициента паропроницаемости на тепловлажностный режим конструкции в заданных условиях эксплуатации.

Применение такого моделирования обеспечивает высокую надежность проектных решений и снижает риски возникновения дефектов в процессе эксплуатации зданий.

Влияние технологии изготовления материалов

Технология производства строительных материалов оказывает значительное влияние на их коэффициент паропроницаемости.

Например, при изготовлении газобетона введение добавок-пенообразователей в состав смеси позволяет получить высокопористый материал с коэффициентом паропроницаемости 0,3-0,35 мг/(м·ч·Па).

В то же время, несоблюдение технологических режимов твердения при производстве цементно-песчаного раствора может привести к снижению его паропроницаемости ниже нормируемого уровня.

Контроль качества на производстве

Для обеспечения стабильности характеристик выпускаемой продукции заводы-изготовители строительных материалов должны осуществлять входной, операционный и приемочный контроль показателей, в том числе коэффициента паропроницаемости.

Контроль может проводиться как лабораторными методами, так и с помощью специального неразрушающего контроля непосредственно на технологической линии.

Полученные данные используются для корректировки и оптимизации параметров производственного процесса с целью выпуска продукции гарантированного качества.

Применение smart-материалов

Перспективным направлением является создание smart-материалов, автоматически регулирующих свою паропроницаемость в зависимости от условий эксплуатации.

Например, разрабатываются составы с использованием термоактивных микрокапсул, меняющих размер пор в материале при изменении температуры и влажности.

Применение таких smart-материалов позволит создавать адаптивные саморегулирующиеся ограждающие конструкции для зданий будущего.

Зарубежные стандарты

В европейских странах показатели паропроницаемости строительных материалов регламентируются нормами EN ISO 12572. В США применяется стандарт ASTM E96.

Хотя обозначения коэффициентов и методы испытаний имеют некоторые отличия, общие принципы расчета сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций аналогичны принятым в России.

При гармонизации российских и зарубежных стандартов необходимо учитывать климатические особенности территории строительства для корректной оценки требований к паропроницаемости материалов.

Влияние толщины и плотности материала

С ростом толщины слоя материала его сопротивление паропроницанию увеличивается. Это связано с удлинением пути диффузии водяного пара в материале.

Аналогичным образом повышение плотности материала приводит к снижению его паропроницаемости из-за уменьшения размеров и объема пор.

Поэтому при расчете ограждающих конструкций необходимо использовать значения коэффициента паропроницаемости, соответствующие реальной толщине и плотности материала в конструкции.

Сезонные колебания паропроницаемости

Коэффициент паропроницаемости материалов, содержащих влагу, подвержен сезонным колебаниям из-за изменения температурно-влажностного режима ограждения.

Летом при прогреве конструкции солнечной радиацией влага перемещается к наружной поверхности, осушая внутренние слои и повышая их паропроницаемость.

Зимой происходит обратный процесс увлажнения внутренних слоев и снижения их паропроницаемости. Эти изменения необходимо учитывать при расчетах.

Конденсация влаги в ограждении

При недостаточной паропроницаемости материалов происходит накопление конденсата внутри ограждающей конструкции.

Это приводит к увеличению влажности и снижению паропроницаемости материалов, нарушая теплотехнические характеристики конструкции.

Для исключения конденсации влаги необходимо обеспечивать постепенное уменьшение паропроницаемости слоев конструкции от теплой к холодной поверхности.

Взаимодиффузия материалов

При контакте разнородных материалов может происходить их взаимодиффузия, изменяющая структуру и свойства поверхностных слоев.

Это приводит к изменению коэффициента паропроницаемости контактирующих материалов. Данный эффект необходимо учитывать при моделировании тепловлажностного режима конструкции.

Для его минимизации следует применять специальные разделительные слои между несовместимыми материалами.

Применение вакуумной технологии

Перспективным методом получения высокопористых материалов с улучшенной паропроницаемостью является вакуумирование смеси в процессе твердения.

При этом образуется дополнительная микропористость за счет выделения растворенных в смеси газов. Так можно значительно увеличить коэффициент паропроницаемости материала без снижения прочности.

Методы неразрушающего контроля

Для оперативной оценки паропроницаемости материалов прямо на объекте можно использовать методы неразрушающего контроля.

Например, тепловизионное обследование позволяет выявить участки повышенного увлажнения в конструкции, связанные со снижением паропроницаемости.

Акустические методы (ультразвуковая дефектоскопия) дают возможность оценить пористость и трещиноватость материала, влияющие на паропроницаемость.

Использование специальных добавок

Для регулирования паропроницаемости материалов могут использоваться специальные добавки.

Гидрофобизаторы придают материалу водоотталкивающие свойства, препятствуя капиллярному накоплению влаги в порах и сохраняя высокую паропроницаемость.

Пластификаторы и распушители увеличивают воздухововлечение в смесь, создавая дополнительную пористость в затвердевшем материале.

Применение композиционных материалов

Разрабатываются композиционные материалы с регулируемой анизотропной структурой, обеспечивающие высокую паропроницаемость в заданном направлении.

Например, слоистые пластины с чередованием высокопористых и плотных слоев или армированные волокнами композиты с преимущественной ориентацией пор вдоль волокон.

Применение таких материалов с управляемой анизотропией позволяет оптимизировать паропроницаемость в нужном направлении.

Компьютерное моделирование процессов

Современные программные комплексы позволяют моделировать процессы тепло- и влагопереноса в ограждениях с учетом реальных характеристик используемых материалов.

На основе численного решения уравнений тепломассопереноса можно с высокой точностью рассчитать распределение температуры и влаги в конструкции в зависимости от ее паропроницаемости.

Использование такого моделирования на стадии проектирования позволяет оптимизировать выбор материалов и их толщину в ограждении.