CC BY
199
строительная теплофизика и энергосбережение
Долговечность и энергоэффективность наружных стен из облегченной кирпичной кладки
А.И. Ананьев, А.А. Ананьев
Одним из основных направлений при реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» является повышение долговечности наружных стен зданий при рациональном уровне теплоизоляции. Необходимость совместного решения этих вопросов обусловлена не только первоначальной стоимостью жилья, но и эксплуатационными затратами на отопление, текущие и капитальные ремонты. Сбалансированный подход расширяет область применения теплоэффек-тивных долговечных, огнестойких керамических, ячеистобетонных, полистиролбетонных, легких ке-рамзитобетонных материалов, альтернативных мягким минераловатным и пенополистирольным.
Для достижения установленного СНиП 23-02-2003 [1] уровня теплоизоляции из условий энергосбережения в настоящее время широко используются стены из облегченной кладки. В качестве облицовочного слоя в них предпочтение обычно отдают керамическому пустотелому кирпичу. В целях повышения прочности и долговечности применяются металлические связи и железобетонные несущие элементы. Наличие в узлах стен высокотеплопроводных материалов в сочетании с утеплителями и облицовочным кирпичным слоем привело к ухудшению темпера-турно-влажностного режима и концентрации напряжений в некоторых участках стен. Эти процессы оказывали доминирующее влияние на снижение долговечности и преждевременное разрушение фасадов. На стадии проектирования их влияние не учитывалось, т.к. не разработаны инженерные методы расчета влажностного режима и долговечности узлов сопряжения конструкций.
Разрушение облицовочного слоя из лицевого керамического кирпича в наружных стенах из трехслойной кладки происходит из-за низкого качества строительных работ, ошибок, допускаемых проектировками, и существенного различия в физических свойствах поставляемого пустотелого лицевого кирпича. Некоторые ошибки и низкое качество работ стали проявляться на 5—7 году эксплуатации зданий в виде трещин на фасадах, разрушений лицевого керамического кирпича в зоне перекрытий, частичного разрушения кирпичей от механических нагрузок в узлах сопряжений облицовочного слоя с конструктивными элементами здания. Отсутствие
армирования горизонтальных рядов кладки в облицовочном слое, а также некачественная установка гибких металлических связей, соединяющих облицовочный слой с конструктивными элементами стены или полное их отсутствие, явились причиной появления вертикальных трещин до 7-го этажа. Отслоению и падению лицевых кирпичей и их размораживанию, а также разрушению раствора в зоне железобетонных перекрытий, способствовало недостаточное их утепление. Прикрепленные к железобетонным перекрытиям металлические уголки приводят к образованию конденсата, который впитывается кирпичом и при заморозках разрушает облицовочный слой. Особо это заметно при эксплуатации пустотелого лицевого кирпича в облицовочном слое стен с плохо вентилируемой воздушной прослойкой. Поэтому выполненные ремонтные работы на ряде зданий не приостановили отслоение и падение лицевых кирпичей. Видно, что эпизодические ремонты приводят к ухудшению внешнего вида фасада из-за больших трудностей в подборе цвета кирпича.
В сложившихся условиях применение лицевого керамического кирпича для облицовки наружных трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции может представлять опасность для людей, находящихся около здания. Вероятность их разрушения и падения во много раз выше аварийных случаев, происходящих с облицовочными панелями или блоками. Поэтому применение лицевого кирпича для облицовки наружных стен, выполняемой непосредственно на стройке, целесообразно ограничить малоэтажным строительством. Для многоэтажных зданий его следует использовать в целом виде, продольных половинках, или плитках в виброкирпичных панелях, изготавливаемых на заводе. Опыт их применения хорошо известен в России и зарубежных странах.
В стенах зданий, построенных в 2000—2005 гг. из крупноформатных керамических камней с облицовочным слоем из пустотелого кирпича, соединенного тычковыми рядами или гибкими связями, не обнаружено разрушений лицевых кирпичей. Этому способствовало созданная кладочным раствором сплошная стена с повышенной характеристикой тепловой инерции (Д = 10,3), почти в 2 раза
строительная теплофизика и энергосбережение
превышающей аналогичный физический параметр для трехслойной стены с мягким утеплителем при одинаковом термическом сопротивлении, равном 3,0 м2 °С/Вт. Созданное повышение характеристики тепловой инерции сплошных кирпичных стен позволило сократить количество переходов наружной температуры через 0 °С в зимне-весенний и осенне-зимний интервалы года, и тем самым повысить безремонтный срок эксплуатации облицовочного кирпичного слоя. Отсутствие системного подхода в решении важнейшей для народного хозяйства страны проблемы энергосбережения проявилось в неподготовленности проектных организаций к разработке долговечных наружных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплоизоляции. Это привело к существенным затратам на их восстановление, превышающих предполагаемую экономию от сокращения расходов на отопление зданий.
Наружные ограждения с повышенным уровнем теплоизоляции по температурному, влажностному и воздушным режимам существенно отличаются от ранее применяемых сплошных конструкций стен. Это оказало влияние на снижение долговечности облицовочного слоя. Необходимо было с введением новых норм по теплозащитным свойствам стен скорректировать и требования к морозостойкости, прочности другим физическим параметрам лицевого керамического кирпича в СНиП П-22-81* [2]. Такой подход обусловлен основным принципом, заложенным в [3] при прогнозировании долговечности наружных стен. Отсутствие комплексного подхода к решению проблемы долговечности наружных трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции, облицованных лицевым керамическим кирпичом, станет причиной второго этапа их разрушения через 15—20 лет. Это, в первую очередь, коснется облицовочных слоев, выполненных из кирпича с морозостойкостью ниже Р50 и повышенным водопоглощением.
Основным фактором, влияющим на разрушение лицевого керамического кирпича в облицовочном слое наружных стен в условиях эксплуатации, являются переменные температурно-влажностные воздействия наружной среды в осенне-зимний и зимне-весенний интервалы года. Количество переходов наружной температуры через 0 °С в облицовочном слое в эти периоды года зависит от климата региона строительства. Эта специфика не учитывается при назначении марки по морозостойкости лицевого кирпича, применяемого для облицовочного слоя наружных стен. Не учитывается также уровень теплоизоляции наружных стен. В нормативном документе [2] нормируемое значение мар-
ки по морозостойкости для лицевого кирпича сплошных кирпичных стен при нормальном влажностном режиме помещений зданий составляет Р25, а для многослойной кладки нормативное значение марки по морозостойкости лицевого керамического кирпича составляет Р35. Эти требования распространяются на все конструкции стен без учета их уровня теплоизоляции и климатических условий региона строительства. Они обеспечивали требуемый срок службы стен до капитального ремонта с уровнем теплоизоляции, действовавшим до 1995 г.
Выполненные исследования в климатической камере и натурных условиях, а также расчеты температурных полей наружных стен с уровнем теплоизоляции (К0) от 1,2 до 4,2 м2 °С/Вт показали, что увеличение сопротивления теплопередаче наружных стен приводит к более глубокому промерзанию облицовочного слоя. При расчетных параметрах воздуха ^ = 20 °С; = —25 °С температура на границе облицовочного слоя с утеплителем при ^ = 1,2 м2 °С/Вт составляет —15,6 °С, при
К0 = 2,2 м2 °С/Вт -19,9 °С, а при К0 = 3,2 м2 °С/Вт -21,5 °С. На зимне-весеннем интервале года в г. Москве при средней температуре наружного воздуха минус 4,7 °С (март), максимальной температуре оттепели до +2,3 °С с полупериодом 7,6 суток и заморозке до минус 9,1 °С с полупериодом 5,4 суток повышение ^ стены с 1,2 до 3,2 м2 °С/Вт снижает температуру облицовочного слоя на границе с утеплителем с +1,6 °С до минус 6,2 °С. При этом увеличивается средняя температура промерзания облицовочного кирпичного слоя толщиной 120 мм с минус 3,3 °С до минус 7,5 °С. Общее количество циклов в осенне-зимний и зимне-весенний интервалы года с полупериодами, приводящими к полному промерзанию и оттаиванию лицевого кирпича в облицовочном слое толщиной 120 мм, например, для г. Москвы составляет шесть. Для регионов с более континентальным климатом количество циклов существенно увеличивается. Для г. Новосибирска составляет десять, а для г. Сургута одиннадцать. При этих циклах облицовочный слой промерзает в стенах с = 1,2 м2 °С/Вт до минус 2,7 °С, при К0 = 2,2 м2 °С/Вт до минус 6,8 °С и К0 = 3,2 м2 °С/Вт до минус 7,5 °С. Т.е. чем выше значение уровня теплоизоляции стены, тем больше образуется льда в порах лицевого кирпича и тем быстрее он разрушается. В трехслойных наружных стенах с К > 3,2 м2 °С/Вт отрицательная температура облицовочного слоя зафиксирована и при трех- двухсуточных полупериодах похолодания и потепления. Количество циклов воздей-
строительная теплофизика и энергосбережение
ствия наружных температур на лицевой кирпич облицовочного слоя в условиях эксплуатации с переходом через 0 °С, вызывающих их разрушение значительно больше нормативного равного Р25 для сплошных кирпичных стен и Р35 для трехслойных. Таким образом, количество промерзаний, приводящих к разрушению лицевого керамического кирпича в облицовочном слое стены, зависит от уровня теплоизоляции стены и количества циклов перехода наружной температуры через 0 °С [4]. Руководствуясь таким подходом и установленными нормами по межкапитальным ремонтным срокам сплошных кирпичных стен, равным 50 лет [5], количество циклов замерзаний и оттаивания для г. Москвы составляет 300, для Новосибирска 500, для Сургута 550. Вместе с тем, для всех указанных регионов страны с существенно отличающейся континентальностью климата морозостойкость кирпича нормируется независимо от уровня теплоизоляции стен.
Долговечность одних и тех же лицевых пустотелых керамических материалов при одинаковой марке по морозостойкости в условиях эксплуатации наружных сплошных кирпичных стенах может существенно отличаться. На различие в сроке службы оказывает влияние расположение пустот в кирпичах и камнях, а также расположение облицовочных материалов в кладке стены. Нерациональное расположение пустот создает в облицовочном слое стены участки с пониженными теплозащитными свойствами и повышенной паропроницаемостью. Последняя способствует концентрации влаги на внутренней поверхности наружных керамических стенок, что приводит к их переувлажнению и преждевременному разрушению. Более явно это проявляется при применении семи- и девятищелевых керамических кирпичей и камней, теплопроводность которых в тычковом направлении составляет 0,35—0,40 Вт/(м °С), а ложковом — 0,6 Вт/(м °С). Сопротивление паро-проницанию соответственно составляет 0,757—0,846 и 0,476 м2 ч Па/мг. На 25—30 году разрушению подвергаются кирпичи и камни только ложковых рядов облицовочного слоя. В кирпичах и камнях тычковых рядов стен несмотря на длительный срок эксплуатации, составляющий более 50 лет, разрушения наружных тычковых рядов не обнаружено при той же марке по морозостойкости равной Р25. Отмеченные теплофизические различия особо важны для лицевого пустотелого кирпича стен сплошной кладки и трехслойных стен, который практически весь отопительный сезон находится в зоне воздействия отрицательных температур наружного воздуха. Поэтому предлагается для повышения долговечности и теплозащитных свойств облицовочного слоя, свя-
занного с основной частью сплошной кирпичной стены тычковыми рядами с = 1,5—2,5, использовать лицевой кирпич с рациональным расположением пустот с морозостойкостью не ниже Р35. Для облицовочного слоя, соединяемого с основной частью сплошной кирпичной стены с помощью гибких металлических связей с R0 = 1,5—2,5, предлагается применять лицевой кирпич с горизонтально расположенными пустотами с маркой по морозостойкости не ниже Р35. Причем ширину пустот необходимо принимать равной 10 мм. При такой ширине значительно увеличивается количество пустот в кирпиче, повышается термическое сопротивление облицовочного слоя и практически исключается их заполнение кладочным раствором [4].
В трехслойных наружных стенах с минераловат-ными плитами диффундирующий из помещения пар, встречая на пути низкое значение сопротивления паропроницаемости утеплителя, перемещается к облицовочному слою с более высокой температурой и в большем количестве по сравнению с другими плотными теплоизоляционными материалами. Пар конденсируется на внутренней поверхности лицевых кирпичей облицовочного слоя в виде инея. При потеплении иней переходит в жидкую влагу, которая впитывается в кирпичи, а затем при заморозках переходит в твердое состояние, т.е. лед, который разрушает лицевой кирпич с внутренней стороны. Поэтому при применении минераловат-ных плит следует в трехслойных стенах в качестве облицовочного материала применять полнотелый или пустотелый кирпич с размерами пустот, исключающими их заполнение раствором с повышенной маркой по морозостойкости, равной Р50—Р75.
Температурный режим облицовочного слоя наружных стен с вентилируемым фасадом в связи с его независимым температуровлаговоздушным режимом от утепленной части стены практически подвержен даже суточным периодическим похолоданиям и оттепелям. Поэтому он в осенне-зимний и зимне-весенний периодах года подвергается значительно большим циклам замораживания и оттаивания по сравнению с облицовочными слоями выше рассмотренных конструкций стен. Особые эксплуатационные условия в облицовочном слое наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой создаются в результате двухстороннего контакта с наружным воздухом, что приводит к повышенному влагосодержанию кладочного раствора и кирпича в пасмурную погоду и при дожде. Ускорению процесса сверхсорбционного увлажнения лицевого керамического кирпича в облицовочном слое способствует более влажный цементно-песчаный кладочный раствор, расположенный в швах
строительная теплофизика и энергосбережение
кладки и пустотах кирпичей. В результате контакта с раствором, особенно при его сверхсорбционном увлажнении, влажность лицевого кирпича может достигать значения, близкого к максимальному во-допоглощению. Лицевой кирпич разрушается при заморозках и оттепелях с обеих сторон. Поэтому предлагается облицовочный слой при наличии воздушной прослойки выполнять из полнотелого кирпича с маркой по морозостойкости Р100 независимо от уровня теплоизоляции стены.
В последние годы модернизированы многие кирпичные заводы, усовершенствованы технологии, что позволило организовать выпуск лицевого кирпича повышенной морозостойкости. Это учтено в ГОСТ 530-2007 [6], в котором требования к кирпичам по морозостойкости, особенно к лицевым, повышены и подразделяются на марки Р25, Р35, Р50, Р75, Р100. Переход на применение кирпича повышенной морозостойкости позволит увеличить долговечность облицовочного слоя современных конструкций наружных сплошных кирпичных и трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции.
В действующем нормативном документе [5] установлена продолжительность эксплуатации до капитального ремонта для сплошных кирпичных стен 40-50 лет, для стен из облегченной кладки с теплоизоляционным слоем — 30 лет. Как правило, нормативный срок до капитального ремонта подтверждается в условиях эксплуатации при применении в качестве лицевого кирпича пустотелых керамических изделий с маркой по морозостойкости Р25 и Р35, для стен с приведенным сопротивлением теплопередаче = 1,0 м2 °С/Вт. Поэтому эти марки по морозостойкости приняты в качестве базовых значений.
На основании результатов натурных исследований долговечности облицовочных слоев наружных стен зданий, эксплуатируемых 40-55 лет, а также обработки метеоданных, разработана программа для прогнозирования морозостойкости и других физических и механических параметров лицевого керамического кирпича в конструкциях наружных стен с уровнем теплоизоляции, обеспечивающим требуемую продолжительность эксплуатации до первого капитального ремонта и срок службы в целом.
Зафиксированные разрушения лицевого керамического кирпича в облицовочном слое трехслойных стен из эффективной кладки некоторых зданий являются следствием конструктивных недоработок в проектах зданий, недобросовестности рабочих, не поставивших в некоторых местах гибкие связи для соединения облицовочного слоя
с конструкционной частью стены, а также недостаточного утепления зон сопряжения железобетонных перекрытий с лицевым кирпичом.
В заключении следует отметить, что облицовочные слои из лицевого керамического кирпича наружных сплошных стен, выполненных с соблюдением технологического регламента и технических условий, представляют более надежные и долговечные в эксплуатации конструктивные решения в сравнении с трехслойными. Особо следует отметить прочное и более надежное соединение облицовочного слоя с помощью тычковых лицевых кирпичей с основной конструкцией сплошной кирпичной стены, выполненной из крупноформатных теплоэффективных керамических камней.
Литература
1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
2. СНиП П-22-81* Каменные и армокаменные конструкции, М., 2004 г.
3. Александровский С.В. Долговечность наружных ограждающих конструкций, М., 2004г.
4. Ананьев А.А. Повышение долговечности лицевого керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Автореферат кандидатской диссертации. М. 2007 г.
5. ВСН 58-88(р) «Положение об организации и проведении реконструкции, ремонта и технического обслуживания зданий, объектов коммунального и социально-культурного назначения. Нормы проектирования». М., 1990.
6. Межгосударственный стандарт ГОСТ 5302007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. М., 2007 г.
Долговечность и энергоэффективность наружных стен из облегченной кирпичной кладки
В докладе представлены результаты натурных обследований наружных стен зданий из облегченной кирпичной кладки, находящихся в аварийном состоянии. Установлены причины разрушения облицовочных слоев из лицевого керамического кирпича. Показано влияние изменений тем-пературно-влажностного режима наружных стен с повышенным уровнем теплоизоляции на долговечность облицовочного кирпичного слоя. Разработана программа для прогнозирования морозостойкости и других физических параметров лицевого керамического кирпича в конструкциях наружных стен с повышенным уровнем теплоизоляции.
строительная теплофизика и энергосбережение
Durability and power efficiency of external walls obverse ceramic brick in designs of external walls with
made of the lighter brickwork the raised level of a thermal protection is developed. by A.I. Ananyev A.A. Ananyev The report introduces the results of natural inspections of external walls of buildings made of the lighter Ключевые слова: облегченная кирпичная клад-
brickwork, being in an emergency condition. The reasons ка, лицевой керамический кирпич, облицовочный
of a rupture of facing layers made of an obverse ceramic слой, температурно-влажностный режим, энерго-
brick are established. An influence of changes of эффективность, долговечность. temperature-dewy conditions of external walls with the
raised level of a thermal protection on durability of a Key words: the lighter brickwork, an obverse ceramic
facing brick layer is shown. The program for forecasting brick, a facing layer, temperature-dewy conditions,
of frost resistance and other physical parameters of an power efficiency, durability.
