А.С.СЕМЧЕНКОВ, А.Е.СЕМЕЧКИН, доктора техн. наук, Д.В.ЛИТВИНЕНКО, И.М.АНТОНОВ, О. Г. ГАГАРИН А, инженеры (Центр "ПОЛИ КВАРТ"), Прогрессивные ненесущие стеновые ограждения на основе минеральных материалов
В настоящее время в России развитие строительной индустрии и коммунального хозяйства направляется и регулируется экономическими, энергетическими и экологическими кризисами. В этих условиях необходимо широко применять легкие экономичные энергоэффективные экологичные негорючие долговечные технологичные (ЛЭЭЭНДТ) строительные материалы.
В 80-е годы применяли однослойные стены из кирпича и из легкого бетона на пористом заполнителе, которые были энергоемкими в производстве и малоэффективными как утеплители. Поэтому планировалось многократно увеличить выпуск изделий из легкого энергоэффективного ячеистого бетона, доведя его объем к 1990 г. до 8-10 млн. м3, а к 1995 г. - до 40-45 млн. м3 в год.
К сожалению, в период перестройки эти планы были сорваны. Несмотря на это требования к теплопотерям при эксплуатации зданий в 1995 г. были ужесточены в 3,5 раза [1, 2]. В результате рынок России был наводнен дорогими и недолговечными зарубежными полимерными и волокнистыми “эффективными" утеплителями, которые используют в конструкциях двух- и трехслойных наружных стен сборных и монолитных многоэтажных зданий. Из-за большого количества неоднородных металлических и железобетонных теплопроводных включений по полю и периметру многослойных стеновых ограждений их приведенное термическое сопротивление снижается в 1,5-2 раза, что требует значительного увеличения объема устанавливаемого дорогостоящего утеплителя. Срок его годности составляет 10-15 лет, после чего его теплозащитные свойства в результате старения снижаются в 1,5-2 раза. Срок службы зданий 50-100 лет, поэтому через 20-40 лет потребуется дополнительное утепление многослойных стен или полная замена такого утеплителя. В результате вместо запланированного "экономического эффекта” за счет снижения затрат на отопление зданий следует ожидать огромных дополнительных затрат на ремонт и утепление стен.
Применение сэндвич-панелей из энергоэффективных утеплителей для наружных стеновых ограждений в многоквартирных зданиях с центральным отоплением в условиях России недопустимо, так как в случае аварии из-за быстрого падения температуры в помещениях легко заморозить воду в трубах и надолго вывести систему отопления из строя. Следовательно, тепловая инерция энергоэффективных ограждений должна нормироваться и быть, очевидно, не меньше, чем для дерева.
При совершенствовании конструкций наружных стеновых ограждений для условий России необходимо исключить применение неэкономичных, неэкологичных, недолговечных так называемых "эффективных” полимерных и волокнистых утеплителей не только в качестве основного утеплителя, но и для утепления мостиков холода в местах теплопроводных железобетонных включений от плит перекрытий, колонн и стен, а также по периметру оконных проемов, заменив их на ЛЭЭЭНДТ минеральные материалы.
Поэтому в Центре "ПОЛИКВАРТ" исследованы, разработаны и внедряются одно-, двух- и трехслойные стены (рис. 1) из ЛЭЭЭНДТ минеральных материалов, таких как теплоизоляционные (Т) и конструкционно - теплоизоляционные (КТ) ячеистые и легкие бетоны марки по плотности D < 500, морозостойкости F > 25 и классом по прочности Вафа также пеностекло плотностью D = 150-250. В местах мостиков холода допускается применение долговечных отечественных эффективных полимерных утеплителей: жесткого пенополиуретана (ППУЖ), пенополиэтилена (ППЭ) и экструзионного пенополистирола (ЭППС) с ХБ = 0,025 - 0,035 Вт/(м°С) и D > 35. Двух- и трехслойные стены снаружи отделываются лицевым кирпичом, а изнутри кирпичом или более дешевыми бетонными блоками с приведенной маркой по плотности D > 600 и классом по прочности В > 3,5.
Наиболее экономичными стенами являются однослойные монолитные из теплоизоляционного(Т)ячеистого и легкого бетона или ППУЖ с оставляемой опалубкой (рис.1, г) из долговечных листовых или кладочных материалов. К сожалению, такие стены все еще не получили широкого применения из-за продолжительного холодного периода и неумения строителей организовать изготовление наружных стен с учетом сезонности климата. Поэтому сегодня наиболее широко применяемыми являются монтируемые круглый год однослойные стены (рис,1, а, б) из ячеистобетонных блоков 1-й и 2-й категории класса по прочности не ниже В1 и морозостойкостью F > 25 или из легких ППС бетонных блоков, изготавливаемых по технологии НИИЖБа. Пенополистиролбетон (ППСБ) из-за присутствующих в нем полистирольных гранул в неполной мереотвечаеттребованиям, предъявляемым к ЛЭЭЭНДТ материалам по долговечности и горючести, однако, как показывает опыт, даже после выгорания гранул или их разрушения в результате старения ячеистая структура из цементного камня сохраняется и может продолжать выполнять теплозащитные и прочностные функции. Поэтому в однослойных стенах (рис.1, а, б) следует применять блоки из ППСБ класса по прочности не ниже В1 и F>35, как этого требуют нормы по бетонным и железобетонным конструкциям.
Известно, что в нормах [1] эксплуатационная влажность в ячеистых, легких бетонах и в пеностекле сильно завышена, что сделало их неконкурентоспособными с "эффективными” утеплителями. Однако зарубежные и последние отечественные исследования показывают, что установившаяся влажность в наружных стенах из ячеистого бетона для условий Б составляет менее 5% против 12% в нормах. Поэтому Госстрой РФ и Мосэкспертиза приняли решение о возможности применения в проектах коэффициентов теплопроводности, полученных на основании испытания образцов материала в сертифицированных лабораториях. Такие испытания ячеистобетонных блоков, изготавливаемых на заводе ОАО "Забудова” в Белоруссии, были заказаны Центром "Поликварт" и Мосгражданпроектом в НИИСФе (см. таблицу). Кроме того, в таблице учтены результаты испытаний, представленные заводами- изготовителями. Для легкого ППСБ теплопроводность принята по данным НИИЖБа.
Основываясь на отечественном опыте, максимальная толщина однослойных стен без учета штукатурки не должна превышать толщины кладки в 2-2,5 кирпича (51-64 см); в то же время минимальная толщина не должна быть менее одного кирпича (25 см) для надежного крепления стен на устойчивость от ветровой нагрузки.
Приведенное сопротивление теплопередаче таких неоднородных наружных стен определяется на основании расчета температурных полей, представляющего сложную объемную задачу. При решении использовался метод электротепловой аналогии, в результате применения которого строительная конструкция преобразуется в электрическую схему (объемную сетку). Программы автоматизированного расчета электрических схем позволяют получить потенциалы узлов, которые являются аналогами температур в соответствующих точках строительной конструкции. По полученному объемному полю температур вычисляются тепловые потоки между различными узлами объемной сетки, а также теплотехнические параметры, в частности, коэффициент теплотехнической однородности.
Само собой разумеется, что расчет объемного температурного поля методом электротепловой аналогии или любым другим способом возможен только при заданных граничных условиях на поверхностях фрагмента исследуемой строительной конструкции. Граничные условия могут быть заданы в одном из следующих видов:
1 —температура на поверхности;
2 — значение теплового потока через поверхность;
3 — температура окружающей среды (обычно это температура наружного и внутреннего воздуха} и коэффициент теплоотдачи поверхности с учетом конвективного и лучистого теплообмена.
Из-за необходимости задания граничных условий часто приходится увеличивать размер исследуемого объекта до тех пор, пока на всех его поверхностях не будут точно заданы граничные условия в одном из вышеуказанных видов. В применении к настоящей работе это означало, что габаритные размеры участков типового фрагмента конструкции выбраны не менее 1 м, хотя ширина железобетонной колонны или перекрытия обычно бывает порядка 0,2 м.
Проведенные расчеты показали, что в кладке из ячеистобетонных блоков D400-D600 2-й категории на цементно-песчаном растворе толщиной 12 мм и = 0,93 Вт/(м °С) коэффициент теплотехнической однородности равен гк = 0,71-0,77, а в кладке из блоков 1-й категории на клею со швами толщиной Змм и ХБ = 0,64 Вт/(м-°С) - гк = 0,94-0,96 (рис.2). Следовательно, при одинаковом термическом сопротивлении толщина кладки из блоков 2-й категории на 25-32% больше толщины кладки из блоков 1-й категории, но стоимость стен будет примерно одинакова, так как блоки 2-й категории дешевле на 30%.
В настоящее время заводы изготовляют перемычки из ячеистого бетона марки D700, у которого коэффициент теплопроводности в два раза больше, чем у кладки на клею из блоков D400 1-й категории. Для снижения теплопотерь между перемычками дополнительно устанавливают эффективный негорючий утеплитель из жесткой минеральной ваты, срок службы которой недостаточен. Поэтому в Центре "Поликварт” разработаны долговечные перемычки из ячеистого КТ бетона марки D400 и F > 25.
Для снижения теплопотерь через плиты перекрытий (рис. 1}, колонны, пилоны и поперечные стены из тяжелого железобетона в них устраивают прерывистые термовкладыши или крепят к ним сплошные термоэкраны из эффективного долговечного утеплителя (50-100 лет), не ухудшающего свои теплозащитные свойства во времени. В этих случаях в глухих стеновых ограждениях из кладок блоками 1 -й категории марки D400 размером 3,3 х 4,5 м коэффициент теплотехнической однородности составляет г = 0,81-0,91 в зависимости от конструкции термоэкрана. Такие же результаты получаются при одинаковом термическом сопротивлении ограждения из кладки блоками 2-й категории. При наличии оконных проемов размерами 150x150 см или 150x240 см коэффициенты теплотехнической однородности стенового ограждения снижаются до г = 0,900,77. Коэффициенты г для двух- и трехслойных стен всегда ниже, чем для однослойных [1, 3], что указывает на их менее удачное в теплозащитном отношении конструктивное решение.
Важным элементом для обеспечения теплозащиты и энергоэффективности здания являются светопрозрачные ограждения с тройным остеклением, сопротивление теплопередаче у которых (R0 = 0,56 — 0,81) в 4-6 раз меньше, чем у стен [1]. В связи с высокой герметичностью новых окон проветривание помещений осуществляется через форточку или клапан Как показывает опыт, для московских условий целесообразны деревянные широкие (>12см) оконные блоки с раздельными переплетами. В таких окнах коэффициент учета влияния встречного теплового потока к = 0,8 вместо к = 1 при одинарных переплетах [2]. Благодаря большой ширине деревянных блоков русских окон в них значительно выше R0 у непрозрачной части окон, и на них не выпадает конденсат при нормальной влажности внутри помещения.
Долговечность является важнейшим показателем материала наружных стен. К сожалению накопленных данных о долговечности ячеистого бетона в России очень мало из-за его редкого применения до ВОВ, а легкий ППСБ появился только в 60-70-е годы прошлого века.
В конце 90-х годов при реконструкции технологического цеха АЙСФИЛИ в покрытии и перекрытиях был вскрыт монолитный ячеистый бетон, служивший утеплителем. После 65 лет эксплуатации в тяжелых условиях холодильника с температурой внутреннего воздуха в камерах до -18 °С ячеистый бетон сохранил прочность, которая составила от 8 до 25 кг/см2 для плотностей D400 - D600, что для старой технологии изготовления пенобетона в 30-е годы является хорошим показателем. Известно, что неавтоклавный ячеистый бетон со временем несколько увеличивает свою прочность, а — на цементно-песчанном растворе плотностью 1800 кг/м3; б — на клеевой смеси плотностью 1400 кг/м3
Для защиты внутренней и наружной поверхностей стен от бытовой влаги и атмосферных осадков устраивают облицовку или штукатурку, окраску водоустойчивыми составами и т.п. с учетом материала утеплителя, условий эксплуатации и требований нормативных документов.
Следует отметить, что защита фасадов облицовкой из пустотелого кирпича не является долговечной из-за постоянного подсоса влаги кирпичом из более влажного кладочного раствора, которого расходуется очень много {до 40%), из-за попадания его в пустоты. Поэтому применение снаружи специальных штукатурных покрытий намного дешевле, менее трудоемко и более долговечно. Современные составы тонких многослойных штукатурок, таких как смесь № 301, 315, 316 (ОАО “Забудова”) [4, 5], Шагрень (Санкт-Петербург), Драйвит (США) и других, гарантируют 20 лет эксплуатации.
Наружный штукатурный слой должен хорошо пропускать пар и отталкивать воду, а внутренний слой должен плохо пропускать пар, чтобы он не сильно накапливался в кладке в зимне-весенний период и особенно у наружной поверхности, что снижает морозостойкость покрытия [4]. Поэтому сейчас разработана и применяется новая методика испытания ячеистого бетона на морозостойкость. Она производится на образцах вместе со штукатурным покрытием, поэтому влажность испытываемых ячеистобетонных образцов получается 3,5-4%.
Выводы
1. Разработаны прогрессивные конструкции одно- и двухслойных наружных стен с утеплителем в виде кладки долговечными блоками из конструкционно-теплоизоляционных ЛЭЭЭНДТ минеральных материалов с тонкими (2-3 мм) клеевыми и обычными (10-12мм) цементно-песчаными швами. Перемычки выполняются из материала, одинакового по плотности с блоками кладки.
2. Стеновые ограждения из блоков плотностью D400 - D500 намного дешевле многослойных с "эффективными” полимерными и волокнистыми недолговечными утеплителями благодаря долговечности не менее 50 лет и более высокому значению коэффициента теплотехнической однородности.
3. Дальнейшее снижение массы и толщины однослойных ограждений, особенно в многоквартирных зданиях с центральным водяным отоплением,в условиях холодного климата России опасно из-за быстрого охлаждения помещений при аварии отопления, а также из-за возможности опрокидывания стен при действии ветровых нагрузок.
4. Для холодных условий России следует применять деревянные русские широкие (>120мм) оконные блоки с двухслойным стеклопакетом и отдельным стеклом, устанавливаемыми в раздельные переплеты.
5. Испытания на морозостойкость ячеистого бетона для наружных стен следует производить при установившейся влажности менее 5% и наличии на образцах отделочного слоя.
Организация разрабатывает по договорам эффективные ограждения для зданий (тел. 504-4115).
Бетон и железобетон, 2003 №4