Физико-механические основы проектирования штукатурных растворов для газобетонной кладки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.002

В.А. ПАРУТА1, канд. техн. наук (docent2155@gmail.com); Е.В. БРЫНЗИН2, канд. техн. наук, коммерческий директор; Г.И. ГРИНФЕЛЬД3, инженер, исполнительный директор

1 Одесская государственная академия строительства и архитектуры (65029, Украина, г. Одесса, ул. Дидрихсона, 4)

2 ООО ЮДК ( 49051, Украина, г. Днепропетровск, ул. Коммисара Крылова, 7-Д)

3 Национальная ассоциация производителей автоклавного газобетона (193091, Санкт-Петербург, Октябрьская наб., д. 40, литера А)

Физико-механические основы проектирования штукатурных растворов для газобетонной кладки

Нормативные требования (прочность при сжатии и изгибе, адгезия к кладке), предъявляемые к штукатурным растворам для отделки стен из автоклавного газобетона в странах Евросоюза, Украине, России, противоречивы и не всегда обоснованны. Штукатурный раствор следует рассматривать как покрытие, связанное с кладкой через контактную зону. Проектирование составов и свойств штукатурных растворов необходимо вести с учетом напряжений, возникающих в штукатурном покрытии из-за его усадки и разницы деформаций с кладкой, а также деформаций стеновой конструкции и самого покрытия. Компоненты смеси и их количество необходимо выбирать с учетом процессов, протекающих при твердении штукатурного покрытия и разрушении системы кладка-штукатурное покрытие. Результат подбора состава должен обеспечить снижение напряжений в штукатурном покрытии и контактной зоне до величин меньших, чем разрушающее напряжение.

Ключевые слова: газобетонная кладка, штукатурные растворы, система «кладка-покрытие».

V.A. PARUTA1, Candidate of Sciences (Engineering), (docent2155@gmail.com); E.V. BRYNZIN2, Candidate of Sciences (Engineering), Commercial Director; G.I. GRINFELD3, Engineer, Executive Director(greenfeld@mail.ru)

1 Odessa State Academy of Civil Engineering and Architecture (4 Didrihsona st., Odessa, 65029, Ukraine)

2 OOO UDK (7-D Komissara Krylova Street, Dnepropetrovsk, 49051, Ukraine)

3 National Association of Autoclaved Aerated Concrete Producers ( 40, liter A Oktyabrskaya Embankment, 193091, St. Petersburg, Russian Federation)

Physical-Mechanical Design Basics of Plaster Mortars for Aerated Concrete Masonry

Normative requirements (compression strength and bending strength, adhesion to the masonry) for plastering mortars for finishing of walls made of autoclaved aerated concrete in the EU countries Ukraine, Russia are contradictory and not always substantiated. The plaster mortar is to be considered as a coating connected with masonry through the contact zone. The design of compositions and properties of plaster mortars should be carried out with due regard for stresses occurring in the plastering coating because of its shrinkage and the difference of deformations with masonry as well as deformations of the wall structure and the coating itself. Components of the mix and their number should be selected with due regard for the processes taking place in the course of plaster coating hardening and destruction of the "masonry-plaster coating" system. The result of selecting the composition should ensure the reducing of stresses in the plaster coating and contact zone up to values lesser than the destructive stress. Keywords: aerated concrete masonry, plaster mortars, "masonry-coating" system.

Автоклавный газобетон является самым массовым стеновым материалом в Украине, России, Белоруссии, Польше и ряде других стран. Широкое применение автоклавного газобетона требует материалов и технологий для его защиты. Оштукатуривание стен с последующей отделкой (декоративные штукатурки, фасадные краски) является одним из наиболее эффективных технико-экономических решений. Поэтому разработка составов штукатурных растворов для автоклавного газобетона и технологии их применения является актуальной задачей, которую решают многие специалисты [1—3]. Недостатком разработанных составов является то, что им присуще трещинообразование [2, 4], которое приводит к разрушению штукатурного покрытия, снижению долговечности ограждающей конструкции.

Происходит это из-за того, что при проектировании состава штукатурного покрытия не в полной мере учитывается его работа в составе стеновой конструкции. Нормативные требования, предъявляемые к штукатурным растворам для стен из автоклавного газобетона, противоречивы и не всегда обоснованны. Например, требуемая прочность при сжатии может варьироваться от 1,5 до 7,5 МПа в РФ; должна составлять 2,5 МПа (ДСТУ Б В.2.7126:2011, ДБН В.2.6-22-2001 в Украине); достигать 10 МПа в соответствии с требованием норм Германии ^Ш18550-1). Прочность при изгибе должна составлять 1-1,25 МПа (ДСТУ Б В.2.7126:2011, ДБН В.2.6-22-2001 Украина) и до 2 МПа (РФ). Величина адгезии к газобетонной кладке варьируется от 0,15 МПа (РФ) и от 0,5 МПа для Украины (ДБН В.2.6-22-2001).

Необоснованно завышенная прочность штукатурного покрытия является причиной трещинообразования в нем и контактной зоне с газобетонной кладкой, что приводит к снижению долговечности стеновой конструкции.

Штукатурный раствор следует рассматривать как покрытие, связанное с кладкой через контактную зону. Необходимо выбирать компоненты штукатурной смеси и их соотношение с учетом процессов, протекающих при твердении штукатурного покрытия и разрушении системы «кладка-штукатурное покрытие». Применение штукатурных растворов должно обеспечить снижение напряжений в штукатурном покрытии и контактной зоне до величин меньших, чем разрушающее напряжение. Проектирование составов и свойств штукатурных растворов необходимо вести с учетом напряжений, возникающих в штукатурном покрытии из-за его усадки и разницы деформаций с кладкой при твердении, а также деформаций стеновой конструкции и самого покрытия при эксплуатации.

Разрушение штукатурного покрытия связано с образованием, накоплением и развитием дефектов в структуре материала (микро- и макротрещин), которые образуются при нанесении, твердении и эксплуатации [5, 6]. Особенностью процесса твердения штукатурного раствора является то, что гидратация цемента протекает при недостаточном количестве воды из-за ее интенсивного испарения и поглощения пористым основанием. В этих условиях формируется дефектная структура цементного камня, образуются неравновесные, метаста-

30

научно-технический и производственный журнал

август 2015

iA ®

Рис. 1. Трещинообразование в системе «газобетонное основание - штукатурное покрытие»

бильные поликристаллические новообразования. Твердение при пониженном В/Ц приводит к неполной реализации вяжущего потенциала цемента, падению прочности, повышенному трещинообразованию и снижению долговечности затвердевшего штукатурного покрытия [7, 8]. При этом происходит гидравлическая (0,3—0,8 мм/м) и пластическая (2—5 мм/м) усадка штукатурного раствора, что приводит к образованию трещин (рис. 1). Так как газобетонная кладка сдерживает эти деформации, возникают напряжения в штукатурном покрытии (о), которые превышают его предел прочности при растяжении:

о=Д£.у Е/(1-^),

где Е и ^ — модуль упругости и коэффициент Пуассона штукатурного покрытия; Де — разность деформаций штукатурки и газобетонного основания [4]; V — коэффициент упругопластических деформаций раствора при растяжении

Примеры

Минеральный раствор М25: при: Е=4.103 МПа; Д£=£шт=0,3—0,8 мм/м или 30—80.10, й=0,3; v=0,5; при минимальной усадке раствора о=0,85 МПа.

При максимальной усадке раствора о=2,28 МПа.

Минеральный раствор М50: при: Е=6403 МПа; Де=ешт=0,3-0,8 мм/м или 30-80-10-5; ц=0,3; v=0.

При минимальной усадке раствора о=1,28 МПа.

При максимальной усадке раствора о=3,42 МПа.

Минеральный раствор М100: при Е=14.103 МПа; Де=ешт=0,3-0,8 мм/м или 30-8040-5; ц=0,3; v=0,5.

При минимальной усадке раствора о=3 МПа.

При максимальной усадке раствора о=8 МПа.

Расчетное сопротивление растяжению для расчета по образованию трещин для М25=0,3МПа, М50=0,35МПа, для М100=0,4 МПа и разрушающего напряжения для М25=0,4МПа, М50=0,5 МПа, для М100=0,6 МПа.

Из-за этих напряжений и из-за того, что уменьшение степени гидратации цемента приводит к снижению предельной растяжимости материала на 20-50% [2, 4, 9], происходит трещинообразование в штукатурном покрытии, на поверхности и в объеме материала, а также в контактной зоне с газобетонным основанием.

В результате формируется дефектная структура материала, включающая поры, трещины и поры, совмещенные с трещинами. Трещины в штукатурном покрытии распространяются по всем направлениям. В це-

Рис. 2. Изополя деформаций ограждающей конструкции при отрицательной (а) и положительной температуре (б)

fj научно-технический и производственный журнал

®

август 2015

31

б

I

I I „ №

- 1 I!

... ■..; ■ а--:

■ и 1 >

Ч--- . ■

грных воздействий зимой (а) и летом (б)

Таблица 1

Напряжения в штукатурном покрытии

Средняя плотность, кг/м3 Напряжения М тип, т/м2 Напряжения ^ тах, т/м2

газобетона штукатурки

400 600 -1,01 0,24

400 800 -1,54 0,35

400 1000 -1,62 0,42

400 1200 -1,72 0,48

400 1800 -1,83 0,54

500 600 -1,22 0,458

500 800 -1,47 0,52

500 1000 -2,03 0,58

500 1200 -3,43 0,64

500 1800 -4,48 0,72

600 600 -1,48 0,55

600 800 -1,83 0,64

600 1000 -2,87 0,72

600 1200 -3,74 0,78

600 1800 -5,33 0,87

б

I " I

Рис. 3. Деформации стеновой конструкции под влиянием температурн

лп -м, -н? -м¿я ол п ф «4 -и: 1 м 1 ^ ли -л* -иг г.я ни

а

Рис. 4. Изополя деформаций и напряжений в стеновой конструкции и штукатурном покрытии

ментном камне они проходят преимущественно вокруг или через негидратированные зерна цемента, вдоль кристаллов портландита, которые имеют склонность к раскалыванию, а также через поры. Устье трещин располагается около зерен песка, вблизи устья трещин наблюдается множество микротрещин. Трещины имеют разветвления, зигзагообразные включения длиной 10 мкм, а также пересечения. Наблюдаются неразрушенные участки цементного камня, являющиеся мостиками прочности [7, 10].

При эксплуатации стеновая конструкция испытывает тепловлажностные деформации под воздействием внешней среды. При помощи программы «Ансис» были рассчитаны деформации стеновой конструкции при положительной и отрицательной температуре (рис. 2).

В зависимости от температуры окружающей среды деформации и напряжения стеновой конструкции имеют различный характер. При отрицательной температуре наблюдается деформация стеновой конструкции с выгибом в сторону помещения. При этом фасадная поверхность стенового материала и наружное штукатурное покрытие испытывают деформации сжатия. Разрушение происходит в контактной зоне из-за различия величин деформаций и возникающих сдвигающих напряжений. У кладки, выполненной при 30°С, с коэффициентом температурного расширения 8-10-6 град-1 при изменении температуры от +30 до -20оС, Д1=50°С, полная температурная деформация сжатия составит:

ДL=Lo• а -Д= 8-0,000008-50=0,0032 м=3,2 мм.

Полная деформация сжатия штукатурного покрытия стеновой конструкции длиной 8 м составит:

Д/=/0-ат-Дб=8-0,0000104-50=0,0044 м=4,4 мм; Дб=50оС,

где Д1 - деформации штукатурного покрытия (м) вследствие влияния изменения температуры; ¿0 - первоначальная длина стеновой конструкции (м); ат - коэффициент температурного расширения (ммДм^С) или

Таблица 2

Уровни варьирования факторов для расчета напряжений в штукатурном покрытии

Условные обозначения Наименование показателя Уровень варьирования факторов

-1 0 1

Х1 Средняя плотность газобетона, кг/м3 400 500 600

Х2 Средняя плотность штукатурного раствора, кг/м3 600 1200 1800

1/оС); Дб - разность температуры, оС; (1 - температура окружающей среды в момент возведения нанесения штукатурного покрытия; 12 - максимальная и минимальная температура, воздействию которой подвергается штукатурное покрытие в летний и зимний периоды.

В летний период при нагреве поверхности стеновой конструкции до 60-80оС она выгибается в сторону фасада. При этом и кладка и штукатурное покрытие испытывают деформации растяжения.

При нагреве до 80оС полная температурная деформация расширения газобетонной кладки составит:

32

научно-технический и производственный журнал

август 2015

Рис. 5. Напряжения в штукатурном покрытии

Таблица 3

Матрица планированного эксперимента и результаты расчета напряжений в штукатурном растворе

Х1 Х2 Напряжения Nx min, т/м2 Напряжения Nx max, т/м2

-1 -1 -1,01 0,24

-1 0 -1,72 0,48

-1 1 -1,83 0,54

0 -1 -1,22 0,46

0 0 -3,43 0,64

0 1 -4,48 0,72

1 -1 -1,48 0,55

1 0 -3,74 0,78

1 1 -5,33 0,87

ДL=L0.at.Дt=0,0032 м=3,2 мм.

Полная деформация расширения штукатурного покрытия стеновой конструкции при этой температуре составит:

Д1=10.а^Д9=4,4 мм.

Эти деформации предопределяют напряжения в штукатурном покрытии и контактной зоне с газобетонной кладкой, что приводит к переходу микротрещин, образовавшихся на стадии твердения, в макротрещины и росту магистральных трещин в штукатурном покрытии и контактной зоне.

Стеновая конструкция и штукатурное покрытие имеют градиент деформаций и напряжений, которые вызывают зарождение новых микротрещин и развитие макротрещин в штукатурном покрытии и контактной зоне.

При помощи программы «Лира» были рассчитаны деформации и напряжения в стеновой конструкции, штукатурном покрытии (рис. 3) и в контактной зоне «газобетонная кладка - штукатурное покрытие» (рис. 4).

Приведенные данные подтверждают предположения о том, что кладка, выполненная из автоклавного газобетона, и штукатурное покрытие, нанесенное на нее, имеют различные температурные деформации, которые вызывают градиент напряжений в системе «кладка -штукатурное покрытие».

Градиент деформаций и напряжений наблюдается как в кладке, так и в штукатурном покрытии, а из-за разности коэффициентов температурного расширения возникают деформации напряжения сдвига в контактной зоне «кладка - штукатурное покрытие» (рис. 3).

Рис. 6. Напряжения в штукатурном покрытии из-за температурных деформаций при отрицательной (а) и положительной (б) температуре, т/м2

Это приводит к зарождению новых микротрещин в штукатурном покрытии и развитию макротрещин и магистральных трещин в нем и в контактной зоне между газобетонной кладкой и штукатурным покрытием.

Величины напряжений в штукатурном покрытии зависят от свойств материала кладки и штукатурного покрытия. Расчет величины напряжений в штукатурном покрытии был произведен при широкой комбинации вариантов этих показателей при помощи программы «Лира» (табл. 1).

В качестве варьируемых факторов использовались средняя плотность, коэффициент температурного расширения, модуль упругости полученных штукатурных растворов и газобетонного основания. Полученные данные представлены в табл. 1 и на рис. 4 и свидетельствуют о влиянии характеристик газобетонной кладки и штукатурного покрытия на напряженное состояние последнего. Для иллюстрации зависимостей на основании полученных данных был рассчитан двухфакторный план. Исследовалось влияние основных характеристик материала кладки и штукатурного покрытия на напряжения в штукатурном покрытии, возникающие при температурном воздействии. Варьируемыми параметрами явилась средняя плотность, коэффициент температурного расширения материала, модуль упругости и коэффициент Пуассона материала кладки и штукатурного покрытия.

Уровни варьирования факторов приведены в табл. 2, матрица планированного эксперимента - в табл. 3.

Полученные графические зависимости свидетельствуют о том, что при отрицательной температуре наибольшее влияние на напряженное состояние штукатурного покрытия оказывают его собственные свойства. При уменьшении средней плотности, прочности и модуля упругости напряжения сжатия в штукатурном покрытии уменьшаются (рис. 6, а).

fj научно-технический и производственный журнал

® август 2015 33

При плюсовой температуре на напряженное состояние штукатурного покрытия оказывают влияние как свойства штукатурного покрытия, так и газобетонной кладки. При уменьшении средней плотности, прочности при сжатии и модуля упругости материала кладки и штукатурного раствора напряжения в штукатурном покрытии увеличиваются (рис. 6, б).

Нормативные требования, предъявляемые к штукатурным растворам для стен из автоклавного газобетона, противоречивы и не всегда обоснованны. Необходимы критерии для назначения свойств материала (прочность

Список литературы

1. Гранау Э. Предупреждение дефектов в строительных конструкциях. М. Стройиздат. 1980. 217 с.

2. Сажнева Н.Н., Сажнев Н.П., Урецкая Е.А. Защитные системы для отделки ячеистого бетона пониженной плотности // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 17-19.

3. Халимов Р.К. Исследование совместной работы строительных материалов в составе современных многослойных теплоэффективных наружных стен зданий. Дисс... канд. техн. наук. Уфа. 2007. 178 с.

4. Паплавскис Я., Фрош А. Требования к штукатурным составам для наружной отделки стен из ячеистых бетонов. Проблемы эксплуатационной надежности наружных стен на основе автоклавных газобетонных блоков и возможности их защиты от увлажнения. Материалы семинара «Штукатурные составы для наружной отделки стен из газобетона». СПб. 2010. С. 10-15.

5. Powers T.S. A Hypothesis on carbonation shrinkage // Journal of Portland Cement Association. 1962. V. 4. No. 2, pp. 26-31.

6. Гринфельд Г.И. Инженерные решения обеспечения энергоэффективности зданий. Отделка кладки из автоклавного газобетона. СПб.: Издательство политехнического университета. 2011. 130 с.

7. Vasicek J. Trvanlivost aodolnost autoklavovanych porovitych betonu pri posobeni susnych vnejsich jevu // Stavivo. 1965. № 6, pp. 24-28.

8. Homann M. Richtig Bauen mit Porenbeton. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag. 2003. 268 p.

9. Struble L. Microstructure and Fracture at the Cement Paste-Aggregate Interface. Bond. Cementitious Cmpos.: Symp. Boston. 2-4 December 1987, pp. 11-20.

10. Галкин С.Л., Сажнев Н.П., Соколовский Л.В., Сажнева Н.Н. Применение ячеисто-бетонных изделий. Теория и практика. Минск: Стринко. 2006. 448 с.

при сжатии и при изгибе, адгезия и др.) — напряжения, возникающие в штукатурном покрытии при твердении и эксплуатации.

Штукатурный раствор следует рассматривать как покрытие, связанное с кладкой через контактную зону. Необходимо выбирать компоненты смеси и их количество с учетом процессов, протекающих при твердении штукатурного покрытия и разрушении системы «кладка-штукатурное покрытие». Их применение должно обеспечить снижение напряжений в штукатурном покрытии и контактной зоне до величин меньших, чем разрушающие напряжения.

References

1. Granau E. Preduprezhdenie defektov v straitel'nykh kon-struktsiyakh [Warning defects in structures]. Moscow: Stroiizdat. 1980. 217 p.

2. Sazhneva N.N., Sazhnev N.P., Uretskaya E.A. Protective Systems for Finishing of Cellular Concrete of Low Compactness. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 1, pp. 17-19. (In Russian).

3. Khalimov R.K. Research collaboration building materials as part of today's multi-layer thermal efficiency of exterior walls of buildings. Cand. Diss. (Engineering). Ufa. 2007. 178 p. (In Russian).

4. Paplavskis Ya., Frosh A. Requirements plaster compositions for exterior finish walls from cellular concrete. Problems operational reliability exterior walls based on autoclaved aerated concrete blocks and their possible protection against moisture. Proceedings of the seminar «Plaster formulations for external wall decoration of aerated concrete». Sankt-Peterburg. 2010, pp. 10-15. (In Russian).

5. Powers T.S. A Hypothesis on carbonation shrinkage. Journal of Portland Cement Association. 1962. V. 4. No. 2, pp. 26-31.

6. Grinfel'd G.I. Inzhenernye resheniya obespecheniya en-ergoeffektivnosti zdanii. Otdelka kladki iz avtoklavnogo gazobetona [Engineering solutions for energy efficiency of buildings. Finish the masonry of autoclaved aerated concrete]. Sankt-Peterburg: Izdatel'stvo politekh-nicheskogo universiteta. 2011. 130 p.

7. Vasicek J. Trvanlivost aodolnost autoklavovanych poro-vitych betonu pri posobeni susnych vnejsich jevu. Stavivo. 1965. № 6, pp. 24-28.

8. Homann M. Richtig Bauen mit Porenbeton. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag. 2003. 268 p.

9. Struble L. Microstructure and Fracture at the Cement Paste-Aggregate Interface. Bond. Cementitious Cmpos.: Symp. Boston. 2-4 December 1987, pp. 11-20.

10. Galkin S.L., Sazhnev N.P., Sokolovskii L.V., Sazhne-va N.N. Primenenie yacheistobetonnykh izdelii. Teoriya i praktika [The use of cellular concrete products. Theory and practice]. Minsk: Strinko. 2006. 448 p.

В Ульяновской области заработал новый цементный завод

НОВОЕйШ

14 июля 2015 г. холдинг «ЕВРОЦЕМЕНТ групп» запустил новое современное предприятие по производству цемента сухим способом в Сенги-леевском районе Ульяновской области.

В завод вложено более 18 млрд р. Его производственная мощность составляет 1,3 млн т цемента в год, а общая мощность цементного производства в Ульяновской области приблизилась к 4 млн т. Таким образом, область становится одним из крупнейших регионов по производству стройматериалов в РФ. На предприятии создано более 500 рабочих мест, еще около 1000 рабочих мест будет создано в смежных отраслях. Логистический комплекс Сенгилеевского завода уникален тем, что пока это единственное в России предприятие, отгрузка продукции которого осуществляется как сухопутным, так и водным транспортом. Это даст возможность обеспечить высококачественными строительными материалами не только Ульяновскую

и соседние области, но и крупнейшие строительные рынки и регионы, где наблюдается дефицит цемента, а также строительные объекты Чемпионата мира по футболу 2018. К тому же за счет сравнительно низкой стоимости доставки по воде могут быть стабилизированы цены на базовый строительный материал.

Отличился завод и соответствием самым высоким экологическим стандартам: производственные выбросы здесь снижены в 2,5 раза по сравнению с нормативными показателями. Построенная на заводе современная газотурбинная электростанция мощностью 26 МВт позволит снизить потребление газа и электроэнергии, уменьшить выбросы тепла в атмосферу на 30% и максимально сократить потери энергии при транспортировке.

По материалам пресс-центра холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 34 август 2015 Ы *