Проблемы эксплуатационной надежности наружных стен зданий на основе автоклавных газобетонных блоков и возможности их защиты от увлажнения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Проблемы эксплуатационной надежности наружных стен зданий на основе автоклавных газобетонных блоков и возможности их защиты от увлажнения

Д.т.н., профессор В.В. Бабков; к.т.н., доцент Д.В. Кузнецов; к.т.н., доцент А.М. Гайсин; аспирант О.А. Резвов*; аспирант Н.С. Самофеев, ГОУ Уфимский государственный нефтяной технический университет;

к.т.н., технический директор Е.В. Морозова,

ООО «Баумит»

В практике производства и применения автоклавных газобетонных изделий на основе известково-кремнеземистых или смешанных вяжущих в наружных стенах, ставших в последние годы особенно актуальными в связи с повышением требований к теплозащите ограждающих конструкций зданий, важной и требующей разрешения является проблема защиты и обеспечения долговечности таких стен. Опыт эксплуатации зданий с подобными стенами относительно короткий и не превышает 50 лет.

Автоклавный газобетон в составе наружной стены эксплуатируется в широком диапазоне влажности, в условиях попеременного увлажнения и высушивания. При действии этого фактора в материале возникают неравномерные в объеме деформации набухания-усадки, обусловленные реализацией механизма сорбции-десорбции, а также напряжения стягивания менисков в капиллярах, что приводит к развитию внутренних напряжений и локальным структурным повреждениям, деструкции материала [1]. Влагостойкость материала в данном случае связана с амплитудой цикла и числом циклов попеременного увлажнения и высушивания.

Структура автоклавного бетона со средней плотностью 400-600 кг/м3 имеет большой объем «резервной» пористости, что при увлажнении на уровне сорбционного в условиях действия попеременного замораживания-оттаивания не приводит к развитию внутриструктурных напряжений. Однако, при влагонакоплении выше сорбционного в порах структуры формируются водные мениски, происходит частичное или полное заполнение пор водой, что при фазовых превращениях жидкой поровой влаги в лед с 9%-ным увеличением объема обуславливает развитие внутриструктурного давления льда и гидравлическое давление ещё не замёрзшей воды, захваченной льдом и твёрдой фазой стенок пор [2]. Этот механизм реализуется в виде многократных повторных воздействий и также приводит к снижению прочности. В соответствии с распределением температуры по толщине стены размораживание сочетается с интенсивным замачиванием наружной стены при косом дождевании, при конденсации влаги в переходные периоды «зима-весна», «осень-зима» и локализуется в наружных слоях стены.

Оптимизация технологии производства автоклавных стеновых изделий основывается, как правило, практически на единственном критерии - максимальной прочности применительно к конкретной плотности. В соответствии с этим, проектирование составов известково-кремнеземистых или смешанных вяжущих, применительно к кремнезему определенной дисперсности (3000 - 5000 см2/г), базируется на минимальном соотношении C/S, с формированием в цикле автоклавирования низкоосновных гидросиликатов кальция типа ксонотлита (C6S6H), тоберморита (D5S6H6) при полном связывании извести. Такая система, в силу высокой пористости 75 - 85% и переменного увлажнения, уязвима по воздухостойкости из-за доступности стуктурообразующих фаз в виде гидросиликатов кальция для углекислого газа воздуха CO2. Карбонация ячеистого бетона атмосферной углекислотой протекает во много раз быстрее, чем в плотных силикатных бетонах или на цементной основе. Скорость карбонизации не останавливается в поверхностных слоях стены, как это происходит у тяжелых бетонов. Глубокому проникновению CO2 в толщу стены и сравнительно высокой скорости протекания карбонизационных процессов способствует сеть сквозных капилляров и макропор, характерных для ячеистых бетонов, пористость которых формируется за счет газообразователя.

Карбонизация низкоосновных гидросиликатов кальция, преобладающих в автоклавном газобетоне, происходит с перекристаллизацией в карбонаты кальция при выделении кремнекислоты с потерей объема носителя прочности - кристаллической фазы. Более благоприятным для сохранения прочности и обеспечения долговечности будет растянутый во времени двухстадийный процесс перекристаллизации высокоосновных гидросиликатов кальция частично в низкоосновные гидросиликаты и частично - в кальцит (первая стадия). Имеющаяся при этом непрогидратировавшая известь также будет перекристаллизовываться в CaCO3, при этом, объем носителя прочности - кристаллической фазы будет прирастать. На второй стадии перекристаллизации низкоосновных гидросиликатов в карбонаты также будет наблюдаться увеличение

объема кристаллической фазы. Эти выводы подтверждаются результатами расчетов авторов, представленными в табл. 1.

Результаты исследований, проведенных Е.С. Силаенковым по принудительной карбонизации автоклавного газобетона, показали снижение прочности ячеистых бетонов на известково-кремнеземистых вяжущих, сформированных из низкоосновных гидросиликатов, относительно показателей до карбонизации [3]. Механизм снижения прочности газобетона при действии атмосферной углекислоты связан с повреждением структурообразующего элемента - межпоровых перегородок.

Таблица 1. Результаты расчета объемных изменений при карбонизации гидросиликатных фаз

Реакции карбонизации Исходные кристаллические фазы до карбонизации Кристаллические продукты карбонизации Коэффициент изменения объема кристаллической фазы

Молекулярная масса mx Плотность Yx, г/см3 Молекулярная масса my Плотность Yy, г/см3

1 2 3 4 5 6

1 Са(ОН)2 + СО2 => СаСОз + Н2О 74,09 2,2з 100,09 2,71 1,111

2.1(гиллебрандит) => (ксонотлит) 6С2SH1.17 + 6CO2 => =>С6S6H+6СаСОз + 6Н2О 2.2 (ксонотлит) ^S6H + 6СаСО3 + 6^O + 6CO2 => =>12СаСОз + 6SiO2 + 7^O 1159,8 2,64 714,96 600,54 120,1 2,69 2,71 2,71 1,11 1,01

3.1 (фошагит) => (ксонотлит) 2С5SзH.з + 4CO2 => => ^S6H + 4СаСОз + 5^O 3.2 (ксонотлит) С6S6H + 4СаСОз + 5^O + 6CO2 => ЮСаСОз + 6SO2 + 6^O 1029,28 2,67 714,96 400,з6 1000,1 2,69 2,71 2,71 1,07з 0,957

4.1 (афвиллит) => (ксонотлит) 3СзS2H.з + з^2 => => С6S6H + зСаСОз + 8^O 4.2 (ксонотлит) С6S6H + зСаСОз + 8^O + 6CO2 => => 9СаСОз + 6SO2 + 9^O 1027,14 2,64 714,96 з00,27 600,54 2,69 2,71 2,71 0,994 0,877

5 (ксонотлит) ^S6H + 6CO2 => =>6СаСОз + 6SO2 + ^O 714,96 2,69 600,54 2,71 0,8з4

6 (риверсайдит) С5S6Hз + 5CO2 => => 5СаСОз + 6SiO2 +3H2O 694,98 2,6 500,45 2,71 0,691

7 (тоберморит) ^S5H5,5 + 5CO2=> =>5СаС03+6Si02+5,5Н20 7з9,8 2,4з 500,45 2,71 0,606

8 (гиролит) С2SзH2,5 + 2CO2 => =>2СаСОз + 3Si02 +2,5H2O з28,4 2,4 200,18 2,71 0,54

Примечание: C - CaO; S - SiO; H - H2O

Отметим также, что снижению прочности ячеистобетонной стены будет способствовать не только влажностная и карбонизационная усадка, но и градиент влажности и карбонизации материала по толщине стены, обуславливающий развитие дополнительных конструкционных напряжений растяжения.

Таким образом, необходимым условием воздухостойкости автоклавного газобетона в исходном состоянии является наличие в его структуре гидросиликатов повышенной основности и свободной извести.

Защиту наружной стены на основе автоклавных газобетонных блоков от действия названных выше негативных факторов может решить гидрозащитная штукатурная система, совмещающая также декоративную функцию, т.е. декоративно-защитная система.

Такая система должна обладать гидрофобностью, обеспечивающей блокировку поступления влаги при косом дождевании, конденсатной влаги, локализующейся на поверхности стены в переходные периоды. Адгезия системы к автоклавному газобетону должна быть на уровне прочности основы газобетона на растяжение, т.е примерно 1,3РИп ^ып - нормативное сопротивление ячеистого бетона на растяжение). Для бетонов средней плотности 400-600 кг/м это соответствует диапазону характеристик адгезии 0,15-0,4 МПа. Элементы защитной системы должны обладать минимальной усадкой, повышенной растяжимостью и морозостойкостью. Материалы защитной системы должны быть паропроницаемыми, чтобы обеспечить защиту стены от переувлажнения по двум критериям: из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период и из условия ограничения влаги за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха А№аи. Эти условия должны согласовываться с высоким коэффициентом паропроницаемости высокопористого газобетона = 0,23 - 0,17 мг/(мчПа) для ячеистых бетонов со средней плотностью 400-600 кг/м3) и низким сопротивлением паропроницанию стены (для толщины стены 400мм Нир = 1,74 - 2,35м2чПа/мг).

В условиях Республики Башкортостан опробована декоративно-защитная система «Баумит», характеристики которой получены В.Г. Гагариным с сотр. и предоставлены в табл. 2 [4]. Данные расчёта влагонакопления стены на основе автоклавных газобетонных блоков толщиной 400мм приведены в табл. 3. Расчеты показывают, что по критериям влагонакопления стены в рабочем диапазоне средних плотностей удовлетворяют требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» (ДWau < 6%).

На рис. 1 представлены многоэтажные каркасно-монолитные жилые дома в г. Уфе постройки 2006 г. со стенами-заполнениями толщиной 400мм из автоклавных газобетонных блоков со средней плотностью 500 кг/м3 с фасадной декоративно-защитной системой «Баумит». После четырёх лет эксплуатации защитная система не показала каких-либо повреждений, а стена доказала свою полноценность по теплозащите, температурно-влажностному режиму помещений и по состоянию внутренней поверхности стен.

Таблица 2. Характеристики паропроницаемости и сопротивления паропроницанию элементов декоративно-наружной системы «Баумит»

№№ п/п Элемент защитной системы Толщина, мм Коэффициент паропроницаемост и р, мг/(мчПа) Сопротивление паропроницанию Rup, м2чПа/мг

1а Базовый слой в виде клеевого состава Haftmörtel по синтетической сетке, включая грунтовку из того же материала 5 0,050 0,083

1б То же, KlebeSpachtel 5 0.030 0.166

2 Минеральная декоративная штукатурка EdelPutzSpezial Natur 2 0,085 0,024

Сопротивление паропроницанию декоративно-защитной системы по варианту 1а+2 - 0,107 м2чПа/мг; по варианту 1б+2 - 0,190 м2чПа/мг.

Таблица 3. Данные расчета влагонакопления за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха (ноябрь-март) для наружных стен на основе автоклавных газобетонных блоков в сочетании с декоративно-защитной системой «Баумит» (для условий г. Уфы)

Компоновка стены Определяемый параметр Характеристики наружных стен толщиной 400мм из автоклавных газобетонных блоков различной средней плотности, кг/м3

400 500 600

Внутренняя цементно-песчаная штукатурка (20 мм) + стена толщиной 400 мм + фасадная декоративно-защитная система «Баумит» (KlebeSpachtel + EdelPutzSpezial Natur) Общая толщина стены, м 0,43 0,43 0,43

Рсг, (м2 0С)/Вт 3,531 3,055 2,698

Рир, (м2 ч Па)/мг 2,123 2,384 2,737

Д^^аи, сумма за период, % 2,04 1,09 0,45

Рисунок 1. Многоэтажные жилые дома в м-не Сипайлово г. Уфы с наружными стенами из автоклавных газобетонных блоков и фасадной отделкой в виде декоративно-защитного покрытия из материалов системы «Баумит»

Литература

1. Чернышов Е.М., Потамошнева Н.Д. Материаловедение и технология автоклавных бетонов на основе хвостов обогащения железистых кварцитов / Воронежский госуд. арх.-строит. ун-т. - Воронеж, 2004. - 160с.

2. Александровский С.В. Долговечность наружных ограждающих конструкций. - М. : НИИСФ РААСН, 2003. - 332 с.

3. Силаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. - М. : Стройиздат, 1986. - 176 с.

4. Гагарин В.Г., Курилюк И.С. Заключение по теме «Выполнить экспериментальные исследования паропроницаемости и сопротивления паропроницанию клеевых и штукатурных составов «ВАиМ1Т» / НИИСФ РААСН. - М., 2010. - 12с.

* Олег Александрович Резвов, г. Уфа, Россия Тел. раб. : +7(347)232-68-68; эл. почта: ufaoleg@bk.ru