Энергоэффективность, долговечность и безопасность наружных стен зданий из керамических материалов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 693.22

О.И. ЛОБОВ, д-р техн. наук, ген. директор, председатель президиума правления Российского общества инженеров строительства (РОИС), А.И. АНАНЬЕВ, д-р техн. наук, академик ВИА, директор научного центра РОИС, главный научный сотрудник НИИСФ РААСН; А.А. АНАНЬЕВ, канд. техн. наук, руководитель сектора ОАО НТЦ «Промышленная безопасность» (Москва)

Энергоэффективность, долговечность и безопасность наружных стен зданий из керамических материалов

Керамический кирпич как стеновой материал для возведения жилых зданий в России стал использоваться с начала XVIII в. Наиболее привлекательным для этих целей он стал из-за высокой огнестойкости, так как пожары были главной причиной гибели не только отдельных зданий, но и целых районов и даже городов. В результате длительной эксплуатации кирпичных зданий керамический кирпич признан основным строительным материалом для возведения наружных стен, удовлетворяющим требованиям по тепловой защите, долговечности зданий и безопасности для проживания. Исторически сложилось и мнение, что жилые помещения в кирпичных зданиях наиболее полно отвечают санитарно-гигиеническим требованиям. Повышенная теплоустойчивость к резким колебаниям температуры наружного воздуха в сочетании с комфортом, долговечностью и пожарной безопасностью сделали кирпичные здания наиболее рациональным жильем в климатических условиях России.

Рис. 1. Кирпичное здание с наружными стенами, облицованными полнотелым керамическим кирпичом (построено в 1895-1900 гг. в Москве)

До настоящего времени кирпичные здания, построенные даже до 1900 г., находятся в удовлетворительном техническом состоянии. На рис. 1 показано кирпичное здание, построенное в Москве в 1895—1900 гг. с наружными кирпичными стенами, облицованными полнотелым керамическим кирпичом. При натурных обследованиях технического состояния фасада здания в 2004—2005 гг. не установлено разрушений, выкрашиваний и трещин на поверхности лицевого кирпича. В течение столетней эксплуатации стены здания не потребовали капитального ремонта. Примеров, подтверждающих высокую долговечность кирпичных стен зданий, можно привести очень много, даже в зданиях, построенных 150—200 лет назад.

Положительно отзываются и о кирпичных домах, построенных в периоды 1930—1940 гг. и 1947—1960 гг. Их принято называть «сталинскими». Существенно отличаются по комфортности от панельных кирпичные дома, возведенные и в последующие годы (рис. 2). При одинаковом приведенном сопротивлении теплопередаче наружных кирпичных стен по сравнению с панельными кирпичные дома, благодаря своей большей теплоустойчивости, повышенному сопротивлению воздухопроницаемости и ряду других физических параметров потребляют значительно меньше тепла на отопление. В основном по этим домам сложилось мнение о керамическом кирпиче как о надежном материале для строительства комфортного, энергосберегающего и долговечного жилища.

Стремление людей переселиться из панельных и блочных в квартиры кирпичных домов также подтверждает их преимущества. Панельные пятиэтажные здания, построенные в 1955—1960 гг., в Москве почти полностью сносятся, так как их санация нерентабельна из-за очень высокой стоимости земли; в других регионах страны дома некоторых серий также сносятся по причине их физического и морального износа; в третьих — проводится капитальный ремонт с надстройкой мансардных этажей и обязательным утеплением фасадов. Кирпичные стены зданий, построенных ранее и в тот же период с облицовочным слоем из полнотелого кирпича, не потребовали до настоящего времени даже текущего ремонта. Вопрос о сносе кирпичных зданий высотой в шесть и более этажей в предстоящие 20—30 лет ставиться не будет.

Вместе с тем за последние 50 лет на фоне интенсивного развития кирпичной промышленности сложились обстоятельства, не только дискредитировавшие керамические стеновые материалы, но и поставившие под сомнение перспективность кирпичного строительства в нашей стране.

Первые два связаны с неудачным применением Г-об-разных облицовочных керамических плит и пустотелого

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

10 апрель 2010 *

щелевого керамического камня и кирпича. Третье — с чрезмерным увеличением пустот.

Применение облицовочных слоев стен из Г-образ-ных плит без экспериментальной проверки прочности и надежности привело к тому, что через 10—15 лет эксплуатации зданий горизонтальные полки плит, заделанные в кладку, начали скалываться. Несмотря на выполняемые частые ремонты, процесс разрушения облицовочного слоя стен из керамических плит продолжается по настоящее время, представляя большую опасность для населения (рис. 3). Практика эксплуатации наружных стен, облицованных керамическими плитами, показала нецелесообразность их использования для стен многоэтажных зданий. Поэтому их применение было приостановлено.

Неудачи постигли также производителей лицевого пустотелого керамического камня и кирпича при их применении для облицовки стен. Разрушение облицовочных слоев из девятищелевого керамического камня в стенах (скол) первых трех этажей в 7-8-этажных зданиях происходит по двум причинам. Первая — вследствие более высоких деформационных свойств конструктивной части стены, особенно если она выполнена из силикатного кирпича, по сравнению с облицовочным слоем из керамического камня. Вторая — в недостаточной прочности на изгиб керамических девятищелевых камней, связывающих облицовочный слой тычковыми рядами с конструктивной частью стены. Поэтому целесообразно щелевые керамические камни перед применением проверять не только на сжатие, но и на изгиб. Кроме того, облицовочные слои из щелевого керамического камня и кирпича оказались недолговечными. Через 15—20 лет на многих фасадах домов начался процесс шелушения лицевых камней из беложгущихся глин. Фасады приобрели неопрятный вид и поэтому периодически ремонтируются.

Рис. 2. Кирпичное здание, облицованное пустотелым керамическим кирпичом, построенное в Москве в 1978-1980 гг.

Серьезный пересмотр отношения к кирпичному строительству наступил в 1994 г. после правительственных постановлений по экономии энергетических ресурсов в строительстве и ЖКХ. Изменения № 3, введенные в 1995 г. в СНиП 11-3—79* «Строительная теплотехника», перешедшие затем в СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий», предусматривали увеличение энергосбережения требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий более чем в три раза. Соответствовать новым требованиям при использовании полнотелого и пустотелого кирпича оказалось практически невозможно. По расчету толщину наружных кирпичных стен нужно было принимать увеличенной, например, в центральном регионе России до 2—2,5 м.

1--1

Рис. 3. Фрагменты фасадов зданий, облицованных керамическими плитами, построенных в Москве в 1955-1960 гг. ( после капитального ремонта)

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Л] : ® апрель 2010 11

®

ю,% 54321 -0-

—1^-Г-

1 1

1 1

3 / ^ 1/ А

4-1'/ \\

у.//. \\

, 430 ,210

, 640 мм

е

ю,% 54 3 2 1 0

--

1 1

1 1

3 / /2 в ¡^ \

5 /•/'•,

/V/

'/•//'1

, 430 ,210

, 640 мм

е ®

ю,% 54321 -0

|

1 1

1 1

3 Т 2 гу в г/ \\

5 '¡1

Ж1

, 430 ,210

, 640 мм

е

Рис. 4. Влажностный режим фрагментов кирпичных стен из 21-пустот-ного кирпича у=1300 кг/м3 с размером пустот 20x20 мм на цементно-известково-песчаном растворе у=1800 кг/м3: а - расход раствора 0,23 м3 на 1 м3 кладки; б - то же, 0,3 м3; в - то же, 0,4 м3; 1 - кирпича; 2 -кирпичной кладки; 3 - кладочного раствора; 4, 5, 6 - среднее значение влажности соответственно кирпича, кладки, кладочного раствора

Еще до введения изменений № 3 к СНиП 11-3—79* НИИСФ провел научно-исследовательскую работу, направленную на повышение теплотехнической эффективности керамического кирпича. На основании полученных результатов было сделано предложение Госстрою СССР при пересмотре ГОСТ 530—80 «Кирпич и камни керамические» уменьшить размеры пустот в керамических кирпичах и камнях, а также увеличить объем выпуска пористого полнотелого кирпича. Ширину щелевидных пустот было предложено изменить с 12 мм до 10 мм, диаметр цилиндрических пустот — с 16 мм до 12 мм, стороны квадратных пустот — до 12 мм. Кроме того, было предложено в качестве обязательного контролируемого параметра ввести коэффициент теплопроводности кирпича, определяемого в кладке стены, т. е. с учетом влияния кладочного раствора.

В разрабатываемый на том этапе ГОСТ 530—95 был введен коэффициент теплопроводности керамического кирпича в качестве обязательного контролируемого параметра. Предложение НИИСФ по уменьшению размеров пустот было не просто отклонено, а было принято предложение ЦНИИСК им. В.В. Кучеренко и ВНИИстром им. П.П. Будникова увеличить ширину щелевых пустот с 12 мм до 16 мм; диаметр цилиндрических и стороны квадратных — с 16 мм до 20 мм. Одновременно Госстроем СССР планировалось поручить научно-исследовательским институтам совместно со строителями разработать новые, подобные зарубежным технологии кладки стен, исключающие заполнение пустот раствором. Решение вопроса о снижении размеров пустот было отдан на откуп заводам. Но заводы не проявили инициативы к снижению размеров пустот, поскольку им это было невыгодно. В ГОСТ 530—2007, вступившем в действие 1 марта 2008 г., предусматривается диаметр вертикальных цилиндрических пустот и размер стороны квадратных пустот не более 20 мм, а ширина щелевидных пустот не более 16 мм (п. 4.2.3).

«Удачное» на первый взгляд лоббирование интересов производителей обернулось для них значительным снижением востребованности пустотелого керамического кирпича для возведения наружных стен зданий. Переход заводов на массовый выпуск лицевого керамического кирпича с крупными пустотами с целью применения его для облицовки трехслойных стен показал его низкую долговечность в условиях эксплуатации при изменившемся температурно-влажностном режиме стен.

Справедливости ради следует отметить, что ряд заводов в настоящее время выпускает кирпич с щелевидны-ми пустотами шириной до 12 мм.

Установление количественных зависимостей влияния кладочного раствора в крупных пустотах на влажно-

стный режим и теплопроводность кладки стен выполняли в климатической камере на трех фрагментах стен размером 1,8x1,8x0,38 м, изготовленных в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно с НИИСФ. Для эксперимента использовали серийный кирпич Голицынского завода с шириной щелей 12 и 16 мм, а также специально изготовленные кирпичи с шириной щелей 20 мм. При изготовлении фрагментов кладки замеряли расход раствора. В целях сравнения теплотехнической эффективности фрагментов стен первый был изготовлен по технологии, полностью исключающей заполнение пустот раствором, то есть по технологии, соответствующей кладке из полнотелого кирпича. Расход раствора составлял 0,23 м3/м3. Второй и третий фрагменты изготовлены соответственно с расходом раствора 0,3 м3 и 0,4 м3 на 1 м3 кладки, т. е. с частичным заполнением пустот. Изменение влажностного режима кладки стены от увеличения расхода раствора показано на рис. 4.

Теплопроводность кладки из пустотелого кирпича с диапазоном значений средней плотности 1000—1400 кг/м3 при расходе раствора 0,23 м3 в сухом состоянии находится в пределах от 0,26 до 0,41 Вт/(м-°С). Различие не превышает 16%. При увеличении расхода раствора до 0,3 м3 средняя плотность кладки, например из пустотелого кирпича, у = 1000 кг/м3, т. е. возрастает с 1180 кг/м3 до 1310 кг/м3. При расходе раствора 0,4 м3 средняя плотность кладки повышается до 1490 кг/м3. Среднее значение влажности кирпичной кладки изменяется с 1,8% соответственно до 2,3% и 2,9%. Такое изменение влажности и плотности приводит к повышению коэффициента теплопроводности стены с 0,43 Вт/(м-оС) до 0,54 и 0,59 Вт/(м-оС), т. е. на 25,6% и 37,2% соответственно.

При плотности кирпича 1400 кг/м3 в результате увеличения расхода раствора до 0,3 м3 и 0,4 м3 коэффициент теплопроводности кирпичной стены возрастает с 0,56 Вт/(м-оС) до 0,65 и 0,7 Вт/(м-оС), т. е. на 16% и 25%. Более существенное увеличение теплопроводности кирпичной стены из пустотелого кирпича плотностью 1400 кг/м3 происходит при применении цементно-пес-чаного кладочного раствора плотностью 2000 кг/м3. При том же расходе раствора, равном 0,3 м3 и 0,4 м3, значение коэффициента теплопроводности увеличивается до 0,74 и 0,77 Вт/(м-оС) соответственно. Это приводит также и к увеличению средней плотности кладки (рис. 5).

Проваливание кладочного раствора в увеличенные пустоты создает для каменщиков большие проблемы в создании ровной растворной постели в горизонтальных швах кладки. Образовавшиеся разрывы в горизонтальных швах создают благоприятные условия для циркуляции воздуха в пустотах. Созданная таким способом продольная фильтрация воздуха снижает теплотехническую эффективность пустотелых керамических стеновых и лицевых материалов.

Наружные ограждения, возведенные в соответствии с требованиями изменения №3 СНиП 11-3—79* с повышенным уровнем теплоизоляции по температурному, влажностному и воздушному 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 по морозостойкости, прочности и другим физическим параметрам лицевого керамического кирпича в СНиП 11-22—81* «Каменные и армокаменные конструкции». Такой подход обусловлен основным принципом при прогнозировании долговечности наружных стен. Отсутствие комплексного подхода к решению проблемы долговечности наружных трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоля-

б

а

в

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

12 апрель 2010 *

ции, облицованных лицевым керамическим кирпичом, стало причиной их разрушения. Утвержденный Правительством Москвы в 2007 г. перечень из 53 домов, находящихся в аварийном состоянии, в настоящее время можно существенно дополнить.

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 0оС в облицовочном слое в эти периоды года зависит от климата региона строительства. Эта специфика не учтена при назначении марки по морозостойкости лицевого кирпича, применяемого для облицовочного слоя наружных стен. Не учитывается также повышение уровня теплоизоляции наружных стен. В СНиП 11-22—81* нормируемое значение марки по морозостойкости для лицевого кирпича сплошных кирпичных стен при нормальном влажностном режиме помещений зданий составляет F25, а для многослойной кладки нормативное значение марки по морозостойкости лицевого керамического кирпича составляет F35. 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 (Rо) от 1,2 до 4,2 м2-°С/Вт показали, что увеличение сопротивления теплопередаче наружных стен приводит к более глубокому промерзанию облицовочного слоя, отделенного теплоизоляционным от конструктивной части стены. То есть чем выше значение уровня теплоизоляции стены, тем больше образуется льда в порах лицевого кирпича и тем быстрее он разрушается. В трехслойных наружных стенах с R°>3,2 м2-оС/Вт отрицательная температура облицовочного слоя зафиксирована и при двух-, односу-точных полупериодах похолодания и потепления. Количество циклов воздействия наружной температуры на лицевой кирпич облицовочного слоя в условиях эксплуатации с переходом через 0оС, вызывающих их разрушение, значительно больше предполагаемого, которое могут выдержать кирпичи с маркой по морозостойкости, F25 для сплошных кирпичных стен и F35 для трехслойных. Преждевременные разрушения облицовочных слоев по этим причинам должны были наступить через 15—20 лет. Ведущие специалисты страны предупреждали об этом в докладах, публичных выступлениях и публикациях.

К сожалению, в стенах из эффективной кладки разрушение облицовочных слоев начались на 5-7-м году эксплуатации из-за низкого качества строительных работ и недостаточно проработанных проектных решений. Расхождения с предполагаемыми сроками связаны с тем, что в середине 90-х гг. прошлого века трудно было предположить, что даже в Москве к выполнению облицовочных работ начнут привлекать рабочих, не имеющих строительной квалификации. Но второй этап разрушения облицовочного слоя стен с повышенным уровнем теплоизоляции неминуем через 15-20 лет и в домах с качественно выполненными строительными работами, если был применен лицевой кирпич с морозостойкостью ниже F50 и с увеличенным водопогло-щением.

Проведенные исследования показали, что для трехслойных стен необходимо разработать новый тип облицовочного керамического материала, съемного и вос-

Рис. 5. Зависимость теплопроводности кирпичной кладки из пустотелого кирпича от влажности:---кирпичная кладка при расходе кладочного цементно-известково-песчаного раствора 0,23 м3 плотностью

у=1800 кг/м3;-------то же при расходе раствора 0,4 м3; 1 - из кирпича

у=1000 кг/м3 на цементно-известково-песчаном растворе плотностью 7=1800 кг/м3; 2 - то же из кирпича 7=1400 кг/м3; 3 - из кирпича 7=1400 кг/м3 на цементно-известково-песчаном растворе плотностью 7=2000 кг/м3; 4 - цементно-известково-песчаный раствор 7=1800 кг/м3; 5 - цементно-известково-песчаный раствор 7=2000 кг/м3

станавливаемого при капитальном ремонте. Создание такого облицовочного материала вызвано существующим в настоящее время несоответствием повышенной долговечности несъемного лицевого кирпичного слоя и низкой долговечности применяемых мягких утеплителей в трехслойных стенах. Выполнение восстановительного ремонта теплоизоляционного слоя в стенах, исчерпавшего заложенный в него ресурс, повлечет за собой и ликвидацию дорогостоящего облицовочного кирпичного слоя, и последующую его утилизацию. Такое положение ставит под сомнение целесообразность применения долговечного лицевого керамического кирпича со сроком службы до первого капитального ремонта 80 и более лет в трехслойных стенах многоэтажных зданий с мягкими утеплителями. Нельзя допустить, чтобы в результате снижения теплозащитных свойств теплоизоляционного слоя или наступления нового этапа увеличения требований к уровню теплоизоляции наружных стен пришлось бы их утеплять по облицовочному кирпичному слою, т. е. так, как это вы-

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Л] : ® апрель 2010 13

нуждены делать в настоящее время на многих зданиях в Москве.

Рациональным решением в повышении уровня тепловой защиты, долговечности и безопасности наружных стен следует считать использование крупноформатных пустотелых камней из поризованной керамики с перевязкой лицевыми кирпичами повышенной морозостойкости и влагостойкости. Применение крупноформатных пустотелых камней из поризованной керамики плотностью 1000—600 кг/м3 позволит повысить уровень теплоизоляции наружных стен толщиной 640 мм до требуемого, установленного не только для Центрального региона России, но и для регионов с более холодным климатом. При этом существенно снизится расход раствора на кладку стен и эксплуатационная влажность. Максимальное значение влажности в зимнее время в такой стене находится на расстоянии 1/3 толщины от наружной поверхности. Поэтому до влажной зоны может доходить отрицательная температура наружного воздуха только при похолоданиях с длительным периодом и большой амплитудой. При большом значении тепловой инерции, которой обладают кирпичные стены, накопившаяся влага не успеет замерзнуть. Такое темпера-турно-влажностное состояние не приведет к разрушению крупноформатных керамических камней, находящихся в стене за облицовочным слоем.

Вместе с тем запланированное использование крупноформатных камней в кладке стен без вертикального растворного шва не всегда обеспечивает требуемое сопротивление воздухопроницаемости кладки. Причина в наличии заусенцев, остающихся в уровне горизонтальной поверхности при резке бруса (не случайно практически на всех европейских заводах производят шлифование блоков), а также неровностей в вертикальной плоскости стенок, которые рабочие не устраняют в про-

цессе кладки. Поэтому в вертикальном шве создаются щели шириной от 2 мм до 4 мм.

В 1999—2001 гг. в НИИСФ проводились лабораторные испытания воздухопроницаемости фрагментов стен размером 2x2 м толщиной в один крупноформатный камень (б = 510 мм, у = 1200 кг/м3), изготовленных из экспериментальной продукции ЗАО «Победа Кнауф» (Санкт-Петербург). Первый фрагмент был оштукатурен с внутренней и наружной сторон. Второй был оштукатурен только с внутренней стороны, а с наружной облицован в полкирпича. Испытания показали, что по сопротивлению воздухопроницанию эти два фрагмента удовлетворяют нормативным требованиям. Испытания третьего фрагмента стены без штукатурных и облицовочных слоев показали, что его сопротивление воздухопроницанию в несколько раз ниже по сравнению с двумя первыми. Все фрагменты изготавливались с заполнением горизонтальных швов кладочным раствором, а вертикальные швы были соединены «насухо». Такое большое различие в сопротивлении воздухопроницаемости фрагментов стен говорит о том, что качество штукатурных и облицовочных работ требует повышенного внимания. В противном случае в условиях эксплуатации образование трещин в штукатурке может привести к конденсации пара на поверхности облицовочного слоя и к существенному увеличению фильтрации холодного наружного воздуха, что снизит долговечность и теплозащитные качества наружных стен.

Во избежание повторения ранее допущенных ошибок окончательное решение о массовом применении крупноформатных керамических камней, производство которых уже начато на нескольких российских заводах, следует принимать после проведения комплексных лабораторных и натурных исследований.

krpm schnöder

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ОБУЧЕНИЕ, НАЛАДКА

ПОСТАВКА ГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧЕЙ ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ И СТЕКОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕНОСТИ

eister

Kromschröder

ООО «ВОЛГАТЕРМ»-

официальный представитель «Elster GmbH» в России

Тел. (831) 278-57-01, 278-57-04 факс (831) 278-57-02 ^М

www.kromschroeder.i4J

volgaterm@kromschroeder.ru

Щ

Реклама

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал fö

14 апрель 2010 *