При рассмотрении положительных качеств материалов на основе гипса очень часто встречается фраза о том, что гипсовые материалы «дышат», т.е. изделия на основе гипсовых вяжущих способны, при повышении влажности, впитывать влагу и отдавать её при  снижении в окружающую среду, поддерживая тем самым равновесную влажность воздуха и регулируя микроклимат в помещении. Более подробной информации, освещающей регуляцию микроклимата гипсосодержащими материалами, в отечественной научной литературе найти не удалось.

   Микроклимат помещений гражданских и промышленных зданий характеризуется температурами на внутренних поверхностях ограждений, относительной влажностью и скоростью движения воздуха, а так же наличием или отсутствием каких-либо агрессивных воздействий на ограждения. Гигиенические требования к режиму помещений регламентируются в соответствующих главах СНиП и учитывают указанные выше факторы, а так же вид физической деятельности людей, находящихся в помещении. Например, микроклимат жилых помещений, где человек находится в относительном покое, определяют четыре основных фактора: температура воздуха, относительная влажность воздуха, средняя радиационная температура поверхностей в помещении.

   Важнейшими характеристиками микроклимата являются влажность и температура. Они взаимосвязаны между собой и определяют температурно-влажностный режим помещения.

   Учитывая изложенное выше, помещения должны иметь оптимальные теплотехнические параметры, обеспечивающие требуемый температурный режим, допустимую величину колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции, не должны вызывать у человека ощущения холода из-за больших радиационных потерь тепла. На внутренних поверхностях в помещении не должна конденсироваться влага, приводящая к появлению сырости, образованию грибков и разрушению отдельных слоев.[1]         

   Для жилых помещений, помещений для отдыха и учебных занятий, детских дошкольных учреждений, а так же помещений категорий 1, 2, 3а, 3б, 3в, 4, 5, 6 -  относительная влажность воздуха в холодный период года (допустимая) должна быть не выше 60% и в теплый период – не более 65%. [2]

Иллюстрацией этому могут послужить данные анализа результатов почтового опроса по анкетам 5347 человек (возвращено для работы 2353 анкеты – 52%) в возрасте от 16 до 64 лет, которые показали, что 175 человек (9%) жаловались на влажные условия дома, из них 122 (71%) были женщины. Среди корреспондентов представлены все социальные, демографические, географические группы. Хронические болезни превалировали у людей, проживающих в сухих (36,8%) и влажных  (48,9%) домах. Число лиц с хроническим заболеванием увеличивалось по мере повышения влажности в помещении.[3] 

   Строительные материалы в ограждающих конструкциях зданий находятся не в сухом состоянии, а имеют определенную влажность. Наличие влаги в материалах ограждающей конструкции обусловлено рядом причин, но в большинстве случаев причиной повышения влажности материалов является сорбция и конденсация водяных паров на поверхности или внутри самого материала.

     Таким образом, сорбция является основным и постоянно действующим фактором, определяющим влажность материалов ограждающих конструкций зданий в процессе их эксплуатации при правильном конструктивном решении и качественном исполнении.

     Материалы на основе гипса, как правило, поглощают водяные пары из воздуха и удерживают их на своей поверхности. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности (при условии равной общей пористости и одинакового вещественного состава) и, следовательно, сорбция выше. Этот процесс является обратимым.

   Поровое пространство затвердевшего гипсового вяжущего состоит из пор, образованных в результате процесса кристаллизации, испарения избыточной воды и вовлечения воздуха. При этом структура гипсового камня является макропористой, так как около 95% объёма пор составляют поры радиусом более 1000·10^-10м. Поры могут содержать свободную и адсорбционную воду (последней примерно 1% массы затвердевшего вяжущего). Количество поглощенной затвердевшим гипсовым вяжущим свободной воды зависит от объёма порового пространства. При этом из-за пористой структуры свободная вода не только хорошо поглощается, но и при благоприятных условиях так же хорошо удаляется. [4]

   Гипс, не имеет запаха, с кислотностью, близкой к показателям кожи человека (рН  5,5) и не содержащий токсичных элементов. Пазогребневые плиты, выполненные из этого материала, создают комфортные условия для проживания; низкая влажность (12%) позволяет в течение короткого времени после завершения строительства установить в квартире нормальный, сбалансированный микроклимат. [5]                                             

   Jбъём пор, приходящийся на долю микро- и переходной пористости с радиусом менее 1000·10^-10м составляет 18; 35 и 65% соответственно для гипсового и водостойких гипсовых вяжущих.[4] 

     В зависимости от вещественной природы материала сорбция различна. Характеристикой гигроскопичности служит отношение массы влаги, поглощенной материалом из воздуха, к массе сухого материала, выраженное в процентах.

     При снижении влажности воздуха материал отдает влагу. Процесс отдачи влаги материалом в окружающую среду называют  десорбцией.

     Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идет высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдает воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и Т= 20ºС. [6]

     При оценке свойств материалов, оказывающих влияние на регуляцию микроклимата в помещении, нельзя не обратить внимание на их свойства пропускать водяной пар, воду, воздух или газ. От этого зависит; будет ли помещение напоминать влажный душный парник, либо в нем будут иные, более комфортные условия. Материал и конструкция помещения должны подбираться таким образом, чтобы в толще его при эксплуатации не образовывалась влага, ухудшая теплозащитные и санитарно-гигиенические качества ограждения.  Свойство материалов, пропускать через свою толщу (капиллярные поры) - водяной пар называют  паропроницаемостью.           

      ГОСТ 25898 «Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию»  определяет паропроницаемость  (μ), как величину, численно равную количеству водяного пара в мг, которое проходит за 1 час через слой материала площадью 1м² и толщиной 1м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон одинакова, а разность парциального давления водяного пара составляет 1 Па. Паропроницаемость измеряется  по ГОСТ 25898 в  мг/м · ч ·Па. 

Коэффициент паропроницаемости численно равен количеству водяного пара в г, проникающему в течение 1 часа через 1 м² образца, при толщине его в 1 м и разности парциальных давлений водяного пара с одной и с другой стороны образца в 1 мм рт. ст.: коэффициент паропроницаемости имеет размерность г/м час мм рт. ст. [7]

   Величина коэффициента паропроницаемости зависит от структуры материала, температуры окружающей среды, влажности исследуемых материалов, упругости водяного пара в воздухе и др. Поэтому для получения сравнимых результатов коэффициент паропроницаемости следует определять при температуре воздуха 18-20ºС, влажности материала, отвечающей сорбционному увлажнению материала при 50-60% относительной влажности воздуха, и при упругости водяного пара по обе стороны испытуемого образца порядка 8-13 мм рт. ст.

   Как теплый и влагоемкий материал, гипс рационально применять с гидроизоляционным ковром сверху в качестве потолочного покрытия в совмещенных теплых кровлях промышленных зданий, в цехах с большой производственной влажностью; химические, угольные, бумажной промышленности и др. Это необходимо для того, чтобы избежать конденсации паров и падающих с потолка капель. [8]

   В процессе эксплуатации зданий через ограждения происходит фильтрация воздуха. При движении воздуха в направлении помещения она носит название инфильтрации. При обратном направлении – эксфильтрации. Свойство  материала пропускать воздух или газ через свою толщу  называется воздухопроницаемостью.  С гигиенической точки зрения воздухопроницаемость является положительным качеством, т.к. способствует естественной вентиляции помещения. С теплотехнической стороны  это явление вредно, т.к. при инфильтрации в помещение попадает холодный воздух и понижается температура на внутренней поверхности ограждения. При эксфильтрации ухудшается влажностный режим конструкции и повышается вероятность конденсации влаги внутри её.[1]

    Характеристикой воздухопроницаемости служит коэффициент воздухопроницаемости, который показывает количество воздуха в кг, проникающее за 1 час через 1 м² поверхности материала, при толщине слоя в 1 м и разности давлений на поверхности образца в 1 мм вод. ст.

   В таблице 1, представлены  коэффициенты паропроницаемости, воздухопроницаемости и сорбционной влажности основных строительных материалов, определенные при температуре 16-20ºС и при упругости водяного пара от 8 до 13 мм рт. ст., дополнительно приведены более поздние данные по коэффициентам паропроницаемости в таблицах 2, 3.

 

 

 Таблица 1.

                                                                              

Коэффициенты паропроницаемости и воздухопроницаемости, сорбционной влажности основных строительных материалов

 

Коэффициенты паропроницаемости и воздухопроницаемости определены при значениях объемного веса материалов, указанных в графе 4. Сорбционная влажность определена при значениях объемного веса материалов, указанных в графе 9.[9]  

Таблица 2.

[10] 

          

                                                                                                                      

Таблица 3.

   При сравнении коэффициентов паропроницаемости различных материалов, с учетом плотности, то, как правило, материалы на основе гипса имеют более высокие значения, по сравнению с материалами на основе цемента. 

    Если применение цементно-песчаных штукатурок снаружи зданий обусловлено их физико-механическими свойствами (высокой плотностью и прочностью, стойкостью к атмосферным осадкам, морозостойкостью и др.), то для внутренней отделки помещений эти показатели не имеют практического значения. Напротив, в силу высокой плотности и низкой пористости цементно-песчаные материалы не способствуют созданию в помещении нормального влажностного режима. Зачастую происходит повышение влажности в стене в результате внутренней конденсации влаги, вследствие чего на поверхности стен могут возникать благоприятные условия  для образования грибков и плесени. [11]

Следует напомнить, что некоторые микроскопические грибы опасны и для людей. Они могут вызывать серьезные заболевания, которые трудно поддаются диагностике и лечению. Представители родов микромицетов – Cladosporium, Aspergillius, Mucor, Alternaria обладают аллергенным действием, проявляющимся в виде кожных реакций, воспалений и отеков слизистых оболочек, першения в горле, кашля, некоторые представители актиномицетов могут выделять токсины, действие которых приводит к поражению печени и даже заболеванию раком.

 Пример:   (КОЕ) - колониеобразующие единицы, так обобщенно называют споры, частицы плесени, другие зародышевые структуры – все то, что, попав на материал, может начать развиваться.

   Известно, что величина КОЕ в 1 м³ воздуха является интегральным критерием, позволяющим давать наиболее объективную оценку возможной глубины и скорости процесса биоразрушения материалов, эксплуатируемых в обследуемых помещениях.

   Согласно рекомендациям ученых в воздухе помещений, где находятся люди, должно быть не более 800 КОЕ в 1 м³.

      В здании, построенном еще в начале прошлого века и отремонтированном, сотрудники стали испытывать через некоторое время недомогания – головные боли, приступы аллергии.

   Оказалось, что остов здания был поражен микроскопическими грибами, и при ремонте их не уничтожили, а лишь прикрыли отделочными материалами. Грибы, попав в более теплое пространство, стали развиваться  интенсивнее, а их споры, попадая в дыхательные органы человека, вызывали заболевания.

   Было установлено, что количество  КОЕ, содержащееся в 1 м³ воздуха, составляло от 160 до 1070, причем наибольшая их концентрация была в помещениях, где воздух был очень влажным. В ряде помещений из-за плесени начали разрушаться ЛКП, побелка, известково-песчаная штукатурка.

   Для подавления дальнейшего развития биоповреждений было рекомендовано устранить причины, вызывающие излишнюю влажность воздуха и ограждающих конструкций, удалить поврежденные части отделочных материалов, а так же кирпичной кладки, причем на всю глубину поражения, и обработать обнажившуюся поверхность биоцидом.

   Действенным приемом, позволяющим заметно повысить эффективность обработки биоцидами, является предварительное высушивание обрабатываемых изделий, поскольку почти все виды грибов погибают при отсутствии воды. [12]

     Повышение температуры внутренней поверхности приводит к высыханию отсыревающих участков стен, уничтожению плесени. 

   Гипс – плохой проводник тепла и кажется теплым на ощупь. Теплопроводность гипса в интервале от 16 до 46^° составляет 0.259 ккал/м· град· час.[13] Степень теплопроводности материалов характеризует коэффициент, который равен количеству тепла, проходящего через стену из испытуемого материала толщиной 1м площадью 1 м² за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей стены в 1^°.Теплопроводность материала зависит от его вещественного состава, строения и характера пористости, от температуры и влажности материала. Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами.[6]   Структура гипсового камня (рис. 4.2) является макропористой, а структура водостойкого занимает промежуточное положение между гипсовым и цементным камнем и тем ближе к структуре цементного камня, чем больше в составе водостойкого гипсового вяжущего комплексной добавки.[4] Именно эта особенность структуры гипсового вяжущего, обуславливает низкую теплопроводность материала.

   В последнее время в строительной теплофизике большое внимание уделяется нормированию,  теплофизическим расчетам и проектированию полов. Это связано с внедрением в практику строительства новых видов материалов для конструкции полов. К полу предъявляются требования, связанные с контактным теплообменом между конструкциями пола и объектами, находящимися в помещении. При контакте ног человека с поверхностью пола происходит передача тепловой энергии. Во избежание переохлаждения поверхности ног, количество тепла, поглощаемого полом, должно соответствовать притоку тепла к ногам при работе системы терморегуляции организма. Во всех случаях охлаждение поверхности ног не должно быть ниже температур, допускаемых гигиеническими нормами. Например, при контакте босой ногой с полом температура кожи в течение 2 минут не должна опускаться ниже 27°С.

   Теплообмен между ногой и полом определяется величиной тепловой активности материала пола, характеризуемой коэффициентами теплоусвоения. При теплотехнических расчетах полов для характеристики тепловой активности используется показатель теплоусвоения поверхности пола Υ_п, Вт/(м ·°С). Он показывает; какое количество тепловой энергии поглощается единицей поверхности пола за единицу времени при разности температур пола и ноги в 1°.

   Расчет показателя теплоусвоения поверхности пола  Υ_п производится с учетом расположения нижней границы активного слоя, вовлекаемого в теплообмен с ногой. Активным называется слой материала, влияние теплофизических свойств которого на величину количества поглощения тепла составляет 95% общего воздействия.[1]

Теплоусвоение – характеристика тепловой инерции материала элементов строительных конструкций и их поверхностей (ограждающих конструкций и полов) Расчет тепловой инерции (D) ограждающей конструкции осуществляется по формуле:

                                             D = R₁S₁ + R₂S₂ + … + R_nS_n  ,

 Где  R₁, R₂, …R_n – термическое сопротивление отдельных слоев ограждающей конструкции, м²·^°С.

Значения S_1,  S₂ … S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, ВТ/ м²·^°С.

Значения S принимаются по приложению 3* СНиП II-3-79.

   Поверхность пола жилых и общественных зданий и помещений промышленных предприятий и отапливаемых помещений производственных зданий (на участках с постоянными рабочими местами) должна иметь показатель теплоусвоения γ_n (Вт/ м²·^°С) не более нормативной величины. В зависимости от функционального назначения здания и категории выполняемых работ предельное нормируемое значение показателя теплоусвоения составляет 12, 14 и 17 Вт/ м²·^°С (СниП II-3-79*, табл.11*).

В таблицах 4 и 5 показаны значения коэффициентов теплопроводности и теплоусвоения различных строительных материалов.

  Таблица 4       

[10,4*]

 

Таблица 5                                           

      При сравнении коэффициентов теплопроводности и теплоусвоения различных строительных материалов, с учетом плотности, видно что, материалы на основе гипса имеют более низкие значения, по сравнению с материалами на основе цемента. Это дает широкую возможность использования гипсосодержащих материалов при проектировании для создания благоприятного уровня гигиенической комфортности помещения.                                                                                                  

   Каждый материал должен быть использован по своему назначению. Необходимо акцентировать внимание не только на теплозащитных качествах, но и на том, какие они обеспечат долговечность стен и санитарно-гигиенические условия в помещениях.

ХХI век – век созидания экологической среды обитания. Актуальность этого направления для России подчеркивается тем, что уже наметились позитивные сдвиги в международном опыте экологизации поселений (возведение первых экологических зданий и экокварталов, заметный рост числа зданий с возобновляемой энергетикой, снижение потребления энергии в зданиях, улучшения внутренней среды и пр.).[14]  Перед архитекторами и проектировщиками  стоят сложные задачи создания экологичных зданий и инженерных сооружений, применения новых технологий строительства, где далеко не последнюю роль будут играть гипсосодержащих материалы.

 

Литература

1. Демин О.Б. «Физико-технические основы проектирования зданий и сооружений», Тамбов, «ТГТУ», 2004, ч.2, 84 с.

2. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях

3. Реферативный журнал 86. «Экология человека» №2 Москва, 1996, 2.86.196.  Влажное жилище и здоровье взрослого человека: результаты изучения стиля жизни в г. Вустер. Англия. Damp housing and adult health: results from a lifestyle Study in Worcester, England, Fowle Sarah E. // J.Epidemiol. and Community Health. – 1994. - 48, №6  с.555-559 – Англ.

4. Справочник «Гипсовые материалы и изделия (производство и применение)», М.: «АСВ», 2004,488 с.  

5. ««КНАУФ КУНГУР»: новая продукция – удобно строить, приятно жить», // Пермский строитель, №7 (147) от 27.04.04 

6. Киреева Ю.И., Лазаренко О.В. «Строительные материалы и изделия», Минск :Дизайн ПРО, 2001, 272 с. 

7. ГОСТ 25898 «Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию» 

8. Антипин А.А. «Конструкции и детали из гипса в поточно-скоростном строительстве», Свердловское книжное изд., 1953,  с.16  

9. «Справочник по строительным материалам для заводских и построечных лабораторий», М., «Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам», 1961, с. 23-27)

10. СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника»

11. Лукоянов А.П.  Особенности и преимущества сухих гипсовых штукатурных составов //

 «Строительные материалы», №3, 1999,

12. Войтович В.А., Спирин Г.В., Монахова Т.Г., Смирнова О.Н.  Биодеградация строительных материалов и сооружений. Состояние, тенденции, подавление, профилактика, // Строительные материалы, №6, 2004 

13. Будников П.П. «Гипс, его исследование и применение», М.,Л.,«Гсударственное издательство строительной литературы», 1943, 378с.

14. Тетиор А.   ХХI век – век созидания экологической среды обитания // Строительная газета, №20, 2005

 

Ялунина О.В., ОАО "ГИПСОПОЛИМЕР", г. Пермь

Бессонов И.В., НИИСФ, г. Москва