Различия в термическом сопротивлении утепления фундаментов в разных нормативных документах.
Чтобы понять актуальность данной статьи, рассмотрим две рекомендации по защите от морозного пучения, из двух нормативных документов:
-
«Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах». НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1979 г.
-
СТО 36554501-012-2008 «Применение теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЭКС при проектировании и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах».
В первом документе для снижения морозного пучения предлагаются, в том числе, керамзитобетонные отмостки (в оригинале таб. 5):
Таб. 1. Рекомендуемые размеры и характеристики керамзитобетонных отмосток по «Руководству по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» .
Глубина промерзания грунта, м | Размеры отмостки из керамзитобетона 800-1000 кг/м3, м | |
толщина | ширина | |
До 1,0 | 0,15 | 0,7 |
1,5 | 0,2 | 1,0 |
2 и более | 0,3 | 1,5 |
По СТО 36554501-012-2008 для одноэтажного кирпичного отапливаемого здания с теплоизоляцией пола на ленточном железобетонном фундаменте, возводимого в г. Дмитрове Московской обл., требуется для защиты:
Таб. 2. Рекомендуемые размеры и характеристики утепления по СТО 36554501-012-2008.
Глубина промерзания грунта, м | Размеры | ||
Толщина вертикального утепления, см | Ширина горизонтального утепления, см | Толщина горизонтального утепления, см | |
1,34 | 12,6 | 90 | 7,4 |
Сопоставление этих двух рекомендаций с точки зрения термического сопротивления даёт следующие результаты:
Таб. 3. Сопоставление рекомендаций, расчёт термического сопротивления горизонтального утепления по таб. 1 и 2.
Материал | Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Термическое сопротивление, К/Вт |
Керамзитобетон | 800 | 0,35 | 0,59 |
Пенополистирол | 30 | 0,036 | 2,21 |
Т.е. два нормативных документа дают разброс термического сопротивления для утепления фундамента в 3,7 раза.
Проверка рекомендаций по СТО 36554501-012-2008 в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи показывает, что при рекомендуемых СТО толщинах достигается нулевая температура под подошвой фундамента:
Рис. 1. Проверка рекомендаций из СТО 36554501-012-2008 в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи.
При этом рекомендации из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых гpунтах» говорят об экспериментальной проверке эффекта от использования керамзитобетона для утепления фундаментов, хотя аналогичное моделирование этого узла даёт такой результат:
Рис. 2. Проверка рекомендаций из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи.
Очевидно, что рекомендации из СТО 36554501-012-2008 построены на том, чтобы устранить саму причину негативного воздействия – промерзание основания под подошвой. В тоже время «Руководство» явно использует какие-то другие закономерности, которые выглядят значительно более экономичными, чем решения в СТО. Чтобы понять, как закономерности можно использовать, разберёмся с научными теориями, объясняющими процесс морозного пучения.
Научные теории.
Этих теорий довольно много. У их авторов есть однозначное понимание ЧТО (влага перемещается в грунте) происходит в грунте при пучении, но нет единого мнения ПОЧЕМУ (какие физические причины вызывают перемещение влаги).
Структура грунтов основания.
Обычно грунт основания представляют в виде трехфазной системы, в которой выделяют:
-
Твёрдые частицы (скелет);
-
Воду и водные растворы солей;
- Воздух и водяной пар
т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком или газообразном. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухфазной системой.
Объём пор в грунте, заполненых влагой и воздухом (паром), несложно определить через понятие плотности. Например, естественная плотность песка обычно составляет около 1600 кг/м3, в тоже время плотность материала, из которого состоят сами частицы песка, чаще всего превышает 2500 кг/м3. А если такой песок высушить, то он теряет в весе не менее 10%, т.е. в обычном песке более 40% объёма ((1600-10%)/2500) - это поры, которые могут быть заполнены влагой или воздухом . При этом саму влажность (содержание влаги) определить довольно несложно путём взвешивания определённого объёма грунта в природном состоянии и после прокаливания (полного высушивания). Вот пример описания из одного реального геологического отчёта:
Рис. 3. Пример характеристик грунта из реального геологического отчёта.
В этом примере отчёта следует выделить также такую характеристику, как коэффициент водонасыщенности - отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости. Из приведённого фрагмента отчёта видно, что в перечисленных инженерно-геологических элементах (ИГЭ) менее половины пор занимает вода, остальное – это воздух.
Наиболее распространённая обывательская версия причин пучения грунта выглядит так: содержащаяся в грунте вода при замерзании расширяется и поэтому происходит вспучивание. С учётом затронутой выше структуры грунта такая точка зрения не выдерживает критики. И вот почему:
-
Вода при замерзании увеличивается на 9% в объёме.
-
Обычно в грунте есть поры, заполненные воздухом, замерзающей влаге есть куда расширяться - она будет занимать объём пор, в которых находится воздух. Увеличение в объёме грунта при замерзании в нём влаги возможно только при практически полном отсутствии воздушных пор, т.е. при водонасыщении, что встречается не так часто.
-
Даже в случае полного водонасыщения грунта влаги будет около 40% от объёма, поэтому увеличение объёма произойдёт на 3,6% (9% от 40% объёма). При 1,0 метре глубины промерзания это было бы всего 3,6 см подъёма ненагруженного гpунта, а у нагруженного ещё меньше. Большинство типов зданий способны пережить такие неравномерные деформации без последствия. В действительности же наблюдаемые деформации от морозного пучения часто превышают 10 см и могут достигать 20 см.
Т.е. такое представление о явлении пучения не способно объяснить, как происходит выпучивание гpунта.
Экспериментальные наблюдения показывают, что основной вклад в пучение вносит не расширение при замерзании поровой влаги, а образование ледяных линз:
Рис. 4. Механизм образования морозного пучения.
Вот натурные фотография из публикации на эту тему:
Рис. 5. Образование ледяных линз на границе двух типов гpунтов при промораживании грунта.
В ГОСТ 25100-2011 «Гpунты. Классификация» свойство гpунтов к образованию таких ледяных линз называется льдистостью.
Теории тепломассопереноса в грунтах.
Объяснений, почему при определённых условиях влага начинает стягиваться к морозному фронту в грунте, разными исследователями было дано много. Современные теории влагопереноса в пористых материалах объясняют, что движение влаги происходит по смешенному механизму:
-
Капиллярное движение;
-
Термодинамический перенос;
-
Электростатическое движение;
-
Движение в тонких плёнках;
-
Осмотические процессы
Так или иначе, но движение влаги в промерзаемом грунте существует и оно приводит к перемещению воды из более глубоких слоёв грунта к фронту промерзания гpунта в направлении тепловых потоков.
В научных источниках этот процесс называется по-разному: #влагоперенос в грунтах при промерзании, #криогенная миграция воды, #массоперенос в мерзлых и талых грунтах
На этот процесс оказывает влияние несколько факторов. Установлено, что основными факторами определяющими процесс морозного пучения, являются:
-
минералогический состав гpунта;
-
наличие растворённых солей в грунтовой влаге;
-
гранулометрический состав гpунта;
-
влажность грунтов и характер увлажнения;
-
интенсивность охлаждения, скорость и глубина промерзания;
-
действующие статические нагрузки на грунт.
Основной характеристикой этого процесса является потенциал влажности (в англоязычной литературе soil water tension) – подобно аналогичному понятию электрический потенциал в электродинамике, разность потенциалов влажности грунта определяет, будет ли вода двигаться из одной точки гpунта в другую.
Разберёмся с температурными факторами, влияющими на процесс влагопереноса и пучение:
1. Взаимосвязь скорости промерзания и миграционного влагонакопления.
Многими исследователями отмечалось, что существует зависимость влагопереноса от скорости промерзания. В общем виде эта зависимость потока влаги q от скорости промерзания гpунта V выглядит вот так:
Рис. 6. Зависимость величины потока влаги от скорости промерзания гpунта.
Существует некая оптимальная скорость промерзания грунта Vопт, при которой влагоперенос и пучение будет максимальным. При уменьшении этой скорости уменьшается потенциал влажности и перенос останавливается. Если же скорость промерзания становится слишком большой, влага замерзает раньше, чем успеет переместиться к ледяной линзе, поэтому льдовыделение также прекращается.
В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» в п. 3.32 эта зависимость сформулирована так:
В статье «Численное моделирование процесса миграции влаги в зависимости от скорости промерзания грунта» приводится такая зависимость левой части графика на рис.6:«Интенсивность пучения понижается по мере отклонения температурного градиента зоны промерзания в ту или иную сторону от критического значения, принимаемого в инженерных расчетах равным для глинистых гpунтов 10 град/м (0,1 град/см)».
Рис. 7. Зависимость миграционной влажности от скорости промерзания.
2. Удаление фронта влагонакопления от УПВ (УГВ).
В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» в п. 3.12:
Также в п. 3.14 приводится таблица:«Наиболее распространенным путем увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя грунтовыми водами является капиллярное передвижение воды в пределах капиллярного поднятия от зеркала грунтовых вод. Изменение положения УПВ влечет соответствующее перемещение каймы капиллярного поднятия, зона которой в зависимости от состава и сложения грунтов может достигать 3 - 3,5 м.»
Таб. 4. Влияние УПВ на увлажнение промерзающего грунта.
№ |
Наименование грунта |
Минимальное безопасное расстояние от подошвы промерзания до УПВ, м |
1 |
Глина с монтмориллонитовой и иллитовой основой |
3,5 |
2 |
Глины с каолинитовой основой, суглинки, в том числе пылеватые |
2,5 |
3 |
Супеси, в том числе пылеватые |
1,5 |
4 |
Пески, мелкие и пылеватые |
1,0 |
Следует учитывать, что наличие этого расстояния от подошвы до УПВ не означает отсутствие пучения, т.к. остаётся накопленная влага в грунте, которая может сместиться в область влагонакопления и образовать линзу, но, поток миграционной влаги будет меньше. При глубоком залегании уровня подземных вод (УПВ) или их отсутствии источником увлажнения могут быть атмосферные осадки, выпадающие в виде дождей в предзимний период.
Далее проведём несколько моделирований процесса промерзания в виде нестационарной задачи с изменяемой температурой на поверхности грунта. В качестве фундамента будет рассматриваться лента 400х800h, 400 мм заглубление относительно дневной поверхности. Используется горизонтальное утепление пенополистиролом XPS 24 кг/м3 толщиной 50 мм и шириной 60 см. Вертикальное утепление толщиной 50 мм.
В качестве функции изменения температуры на поверхности грунта воспользуемся статистическими данными средней температуры воздуха за декабрь 2012 года в г. Владимир. Моделирование производилось на периоде 30 суток с шагом 1 сутки. Характеристики элементов модели задавались с учётом справочных данных. Теплоёмкость и теплопроводность грунта основания задавалась с учётом данных для мерзлого и талого грунтов. Скрытая теплоёмкость фазового превращения воды в лёд не учитывалась (в запас). Температура в помещении – 20 гр. Цельсия. Перенос тепла на поверхностях – конвекционный, для поверхности грунта a =23 Вт/К*м2, для поверхности в помещении a =10 Вт/К*м2.
Использование утеплителя приводит к снижению глубины промерзания, а значит увеличению расстояния от фронта промерзания до УПВ:
Рис. 8. Изменение расстояния от фронта промерзания до УПВ при использовании утепления фундамента.
Таким образом, снижается общая миграционная влагонасыщенность.
3. Локализация пучения через задержку начала промерзания грунта и искривление фронта промерзания.
Согласно «Рекомендациям по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов», п. 3.35:
Это действительно видно на GIF-видео моделирования нестационарной задачи, описанной ранее:«Наличие стационарного слоя теплоизоляции поверхности грунта приводит к задержке начала промерзания грунта, исчисляемой периодом времени t»
Рис. 9. Динамика изменения температурных полей в процессе промерзания грунта.
Задержка при использовании указанной схемы утепления составляет более 10 дней. В результате возникает следующая ситуация:
Рис. 10 . Задержка начала промерзания, как фактор осушения.
В результате задержки происходит временная локализация областей пучения за пределами сжимаемой толщи грунта основания фундамента. В результате чего миграция влаги в эту область осушает грунт под подошвой фундамента, снижая там возможность вспучивания.
После задержки под подошвой фундамента установится всё же температура, при которой возможно начало пучения, но искривление фронта промерзания приведёт к тому, что основные области локализуются по рис. 11 левее и ниже, чем подошва фундамента, оттягивая и перехватывая на себя основную миграцию влаги, которая бы могла возникнуть в области грунта под подошвой:
Рис. 11. Локализация зоны пучения и перехват миграционных потоков влаги.
В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» суть этого явления отражена в п. 7.4:
И именно поэтому в п. 7.5 в качестве мероприятий предлагается использовать термолокализаторы.«Эффективными противопучинными мероприятиями, обеспечивающими регулирование теплообмена промерзающих грунтов и управление процессом пучения и его силовыми воздействиями, являются в настоящее время мероприятия тепловой мелиорации. Тепловая мелиорация сводится к созданию в грунте в период промерзания температурного градиента горизонтального направления, что в условиях некоторого влагонакопления и осушения грунта позволяет: уменьшить или устранить промерзание грунта; повысить температуру мерзлого грунта, уменьшая тем самым значения касательных сил пучения; снизить интенсивность пучения грунта вследствие развития миграции влаги в сторону от фундамента»
Выводы:
- В ходе рассмотрения влияния утепления фундаментов выделено три основных температурных фактора:
- Взаимосвязь скорости промерзания грунта и миграционного влагонакопления;
- Удаление фронта влагонакопления от УПВ (УГВ);
- Локализация пучения через задержку начала промерзания грунта и искривление фронта промерзания
- Проработана основа для численного расчёта эффективного утепления фундаментов.
- Обоснована избыточность рекомендаций СТО 36554501-012-2008.