ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ ГОРОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЛАГОЙ РАСТЕНИЙ, ИНТЕГРИРОВАННЫХ В СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

С. В. Корниенко, доктор техн. наук, советник РААСН, ведущий научный сотрудник НИЦ ГП ФГБУ «ЦНИИП Минстроя России», заведующий кафедрой «Архитектура зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

При интеграции растительности в строительные конструкции требуется решение задачи обеспечения растений водой. Предлагаем системный междисциплинарный подход для реализации комплекса мероприятий по повышению доступности влаги для растений, интегрированных в строительные конструкции.

Зеленые маяки

Интеграция природных решений в городской ландшафт повышает устойчивость городов [1–4]. В частности, зеленые стены могут обеспечить ряд преимуществ, включая улучшение качества воздуха, расширение биоразнообразия, высокое качество акустического и теплового комфорта [5–7]. Материалы, поддерживающие естественное биоразнообразие, снижают негативное воздействие человека на природу, уменьшая углеродный след, что особенно важно в условиях глобального изменения климата [8–10]. Зеленое строительство способствует повышению физического и психологического здоровья горожан [11, 12].

Проблема повышения экологического качества городов привлекает все большее внимание. Одним из ее решений является озеленение каменных причальных стен при их реконструкции [13]. Контакт причальных стен с водой создает благоприятную среду для роста растений. Во многих случаях непосредственному воздействию влаги подвержен лишь облицовочный слой конструкций, выполняющий в основном эстетическую функцию, а следовательно, не затрагивающий несущую функцию стены.

Другим направлением является поиск новых материалов с заданными свойствами. В строительстве и архитектуре особенно актуален биомиметический подход, основанный на изучении природоподобных решений [14]. Например, реа-лизация биомиметического подхода позволила получить бетонный композит, армированный сухой растительной добавкой, с повышенными эксплуатационными свойствами [15]. Создание биорецептивных материалов, способствующих росту биопленок на их поверхностях, дополняет обычные зеленые фасады [16]. Биомиметика – основа создания кинетических фасадов [17].

Наконец, биопозитивные строительные конструкции являются своеобразными зелеными маяками, формирующими зеленую инфраструктуру города (рис. 1). Рассмотрим некоторые особенности капиллярного всасывания воды пористыми материалами.

#терминология

Капиллярное всасывание

Капиллярное всасывание – свойство материала поглощать воду под действием капиллярных сил.

При исследовании процесса капиллярного всасывания следует различать модель материала (in vitro) и реальный материал (in vivo).

Удобно принять модель капиллярно-пористого материала в виде пучка параллельных капилляров различного радиуса. Реальные строительные материалы имеют другую структуру, однако в них можно выделить цепочки сообщающихся друг с другом пор различных размеров. Такие цепочки можно рассматривать как капилляры. Движение воды по цепочке пор возможно представить как движение по капилляру с некоторым эквивалентным радиусом.

Капиллярное всасывание происходит в мелких капиллярах со смачивающими поверхностями и вызвано поверхностным натяжением жидкости. Так, вода поднимается выше по стеклянной капиллярной трубке меньшего радиуса, следовательно, механизм капиллярного всасывания более выражен в системах с мелкими капиллярами (рис. 2).

Расчет высоты подъема жидкости в капилляре

Капиллярное всасывание создает давление, которое можно рассчитать по формуле (1) (см. Формулы). Давление жидкости в капилляре получаем из формулы (2). Приравнивая правые части формул (1) и (2), получим формулу (3), из которой найдем максимальную высоту столба воды в полностью смачиваемом капилляре (θ = 0 °). Используя формулу (3), можно рассчитать высоту подъема жидкости в капилляре по известным характеристикам пористой структуры материала.

Результаты расчета характеристик пористой структуры глиняного полнотелого кирпича плотностью 1 700 кг/м³ и бетона (2 170 кг/м³), полученных по изотермам капиллярного испарения [18], представлены на рис. 3. Из него видно, что основной объем пор в рассматриваемых материалах приходится на диапазон от 5,49•10–8 до 2,72•10–7 м (от 55 до 272 нм). Средний радиус пор равен 1,39•10–7 м (139 нм). Согласно формуле (3), максимальная высота столба воды в капилляре равна 107 м. Следовательно, вода должна подняться в кирпичной или бетонной стенке на указанную высоту. Однако в действительности этого не происходит.

Причины отличия высоты подъема жидкости в реальных строительных материалах от расчетных результатов

Влага в порах материалов перемещается очень медленно. Согласно результатам экспериментальных наблюдений, за первые сутки в глиняном кирпиче вода поднимается лишь на 93 мм, а в бетоне – на 8 мм. За 10 суток от начала капиллярного всасывания вода в кирпиче поднимется на 325 мм, а в бетоне – на 30 мм (рис. 4).

Главная причина расхождения результатов, полученных для реальных и модельных материалов, заключается в гетерогенной структуре пор. Сечение поры по высоте неодинаково. Вода будет всасываться через горловину поры до тех пор, пока не достигнет сечения, где радиус поры значительно больше (рис. 5). В этом сечении капиллярное давление существенно меньше, поэтому капиллярный подъем воды прекратится.

Наблюдения за озеленением строительных конструкций in situ показывают, что растения активно развиваются в нижней зоне конструкций (рис. 6). Это можно объяснить капиллярным всасыванием грунтовой влаги. Здесь влага максимально доступна для растений. По мере удаления от поверхности земли интенсивность капиллярного всасывания постепенно снижается, что способствует замедлению роста растений. Минимальную активность имеют растения, расположенные в верхней зоне, что обусловлено ограничением доступности капиллярной влаги.

Рассмотренные особенности капиллярного всасывания воды пористыми материалами позволяют сформулировать предложения по повышению доступности влаги для растений, интегрированных в строительные конструкции.

Системный междисциплинарный подход

С целью создания благоприятной температурно-влажностной среды для растений, интегрированных в строительные конструкции, предлагаем системный междисциплинарный подход.

Моделирование шероховатости поверхности

Это свойство непосредственно связано с биорецептивностью, поскольку увеличивает доступную площадь поверхности и тем самым обеспечивает адгезию микроорганизмов, питательных веществ и воды. Для образования биопленки шероховатость поверхности должна быть немного больше размера клеток рассматриваемых организмов [11].

Создание требуемой пористой структуры материала

Обычно следует избегать высокой пористости, поскольку это снижает прочность на сжатие материала и его морозостойкость. Капиллярные поры оказывают наибольшее влияние на рост растений, поскольку они контролируют перенос пара и жидкости через материал и обеспечивают растения водой [19].

Регулирование связности пор

Закрытые поры инертны по отношению к влаге. Связанные друг с другом капилляры создают сеть капиллярных пор, что способствует переносу парообразной и жидкой фаз влаги вглубь материала и является решающим фактором для поглощения и удерживания воды, а также сушки материалов. Следует также учитывать особенности увлажнения материалов строительных конструкций косыми дождями [20].

Регулирование смачиваемости поверхностей

Обычно краевой угол смачиваемости варьируется от 10° для гидрофильных поверхностей до 150° для гидрофобных поверхностей. Особенно интересны пограничные состояния при краевых углах смачивания менее 10° и более 150°. В гидро-фильных материалах площадь контактирующей влаги с материалом больше, чем в гидрофобных. Отсюда следует, что в гидрофобных материалах вода не способна проникать в материал и скатывается в виде капель, например при образовании росы.

Повышение роли биомиметики

Имитация биологических структур открывает широкие возможности создания новых материалов с заданными свойствами. Например, листья лотоса (lotus effect) демонстрируют различные комбинации макро- и микроструктуры, что позволяет создать супергидрофобную поверхность с краевым углом смачивания более 150° [11]. В результате растение самоочищается, так как капли воды сразу стекают, унося с собой загрязняющие вещества. Другим подходом при проектировании новых биорецептивных материалов является создание гетерогенных гидрофобно-адгезионных поверхностных структур, содержащих нано- и микропоры [11]. Такие структуры, основанные на эффекте лепестка (petal effect), увеличивают продолжительность пребывания жидкой фазы влаги на поверхности за счет «приклеивания» капель к ней.

Таким образом, рассмотренный в статье системный междисциплинарный подход кроме чисто познавательного имеет большое практическое значение. Он может быть положен в основу создания новых материалов с заданными свойствами, позволяющими повысить доступность влаги для растений на строительных конструкциях.

Литератута

1. Есаулов Г. В. Экологически ориентированная архитектура высоких технологий // АВОК. 2022. № 7. С. 4–13.
   
2. Табунщиков Ю. А. Экология среды обитания человека: реальность, которую игнорировать бесконечно опасно // АВОК. 2023. № 3. С. 4–15.
   
3. Бродач М. М., Шилкин Н. В. Глобальные цели устойчивого развития и экологические требования к объектам недвижимости // Энергосбережение. 2022. № 6. С. 1–13.
   
4. Бродач М. М., Шилкин Н. В. Стратегия устойчивого развития – основа создания здоровой среды обитания // Энергосбережение. 2021. № 4. С. 1–11.
   
5. Бродач М. М., Шилкин Н. В. Зеленые здания – требования устойчивого развития. Российские рейтинговые системы оценки соответствия здания критериям зеленого строительства // АВОК. 2024. № 2. С. 48–53.
   
6. Корниенко С. В. Город как единая акустическая система // Энергосбережение. 2024. № 1. С. 32–35.
   
7. Корниенко С. В. Зеленая реконструкция зданий первых массовых серий // Энергосбережение. 2024. № 6. С. 20–27.
   
8. Gorshkov A. S., Vatin N. I., Rymkevich P. P. Climate change and the thermal island effect in the million-plus city // Construction of Unique Buildings and Structures. 2020. № 4 (89). P. 8902.
   
9. Варламов Н. В., Горшков А. С., Жирнов А. Е., Паращенко Н. А., Лезер А. Ю. Градусо-сутки отопительного и охладительного периодов для климатических условий города Москвы // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2024. № 4 (268). С. 54–59.
   
10. Мильков Д. А., Юферев Ю. В., Тютюнников А. И., Горшков А. С. Изменение климата и его влияние на инженерно-энергетический комплекс (на примере Санкт-Петербурга) // Теплоэнергетика. 2023. № 3. С. 87–96.
    
11. Бродач М. М., Шилкин Н. В. От зеленых зданий – к здоровым зданиям: в фокусе внимания здоровье и благополучие людей // Энергосбережение. 2020. № 7. С. 26–31.
    
12. Корниенко С. В. Энергоэффективность, экологическая безопасность, экономическая эффективность – приоритетные задачи «зеленого» строительства // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. № 49 (68). С. 167–177.
    
13. Mulder K., Lubelli B., Dijkhuis E. Factors favouring vegetation in quay masonry walls: A pilot field study // Building and Environment. 2023. Vol. 233. P. 110090.
    
14. Корниенко С. В. Биомиметика: идеи, вдохновленные природой // Социология города. 2021. № 4. С. 27–38.
    
15. Мусорина Т. А., Петриченко М. Р., Заборова Д. Д., Гамаюнова О. С., Куколев М. И. Улучшение свойств бетонного композита, армированного сухой растительной добавкой // Строительство и техногенная безопасность. 2021. № 22 (74). С. 57–65.
    
16. Stohl L., Manninger T., Von Werder J., Dehn F., Gorbushina A., Meng B. Bioreceptivity of concrete: A review // Journal of Building Engineering. 2023. № 76. P. 107201.
    
17. Korniyenko S.V. Progressive trend in adaptive façade system technology. A review // AlfaBuild. 2021. №. 4 (19). P. 1902.
    
18. Перехоженцев А. Г. Вопросы теории и расчета влажностного состояния неоднородных участков ограждающих конструкций зданий. Волгоград: ВолгГАСА, 1997. 273 с.
    
19. Корниенко С. В. Характеристики состояния влаги в материалах ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 74–78.
    
20. D’Ayala D., Aktas Y.D. Moisture dynamics in the masonry fabric of historic buildings subjected to wind-driven rain and flooding // Building and Environment. 2016. №. 104. Pp. 208–220 c.