CC BY
23УДК 691.175.664
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-28-32
A.П. КОНСТАНТИНОВ, канд. техн. наук (apkonst@yandex.ru),
B.С. СЕМЕНОВ, канд. техн. наук (science-isa@yandex.ru)
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Прочностные и деформативные характеристики современных монтажных пен эконом-класса
Проведен анализ прочностных и деформативных характеристик современных монтажных пен и обоснование возможности их применения для устройства монтажных швов узлов примыкания оконных блоков к проемам наружных стен. При этом были проведены исследования монтажных пен эконом-класса, находящих наибольшее применение в массовом гражданском строительстве. В ходе исследований проведен анализ работы системы «оконный блок - монтажный шов» под влиянием действующего на нее комплекса нагрузок и воздействий. Выполнена оценка линейных температурных деформаций оконных блоков из ПВХ профилей, комбинированных профилей из алюминиевых сплавов, древесины. Были проведены лабораторные испытания пяти типов монтажных пен и определены их следующие характеристики: средняя плотность, прочность на растяжение и относительное удлинение при разрыве. Установлено, что при средней плотности исследованных образцов монтажных пен 13,46 кг/м3 их средние показатели прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве составили соответственно 0,058 МПа и 1,37%. Полученные показатели оказались существенно ниже нормируемых значений. На основе полученных данных лабораторных испытаний и проведенных расчетов установлено, что современные монтажные пены эконом-класса, представленные на российском рынке, имеют ограниченную область применения и могут применяться только для устройства монтажных швов светопрозрачных конструкций, не подверженных влиянию значительных перепадов эксплуатационных температур (расположенных внутри помещения, защищенных от воздействия прямых солнечных лучей), а также любых типов деревянных оконных блоков. Для устройства монтажных швов крупноформатных оконных блоков из цветных ПВХ профилей необходимо использовать монтажные пены с показателем относительного удлинения при разрыве не менее 10%.
Ключевые слова: монтажная пена, светопрозрачные конструкции, оконные блоки, температурные деформации.
Для цитирования: Константинов А.П., Семенов В.С. Прочностные и деформативные характеристики современных монтажных пен эконом-класса // Строительные материалы. 2019. № 3. С. 28-32. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-28-32
A.P. KONSTANTINOV, Candidate of Sciences (Engineering) (apkonst@yandex.ru), V.S. SEMENOV, Candidate of Sciences (Engineering) (science-isa@yandex.ru)
National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Strength and Deformation Characteristics of Modern PU-Foams Economy Class
The work was done the analysis of the strength and deformation characteristics of the modern PU-foams, and the rationale for their application in erection to joints of window assemblies adjoined to wall openings. The study of PU-foam econocom segment was made. The analysis of the system "window unit-erection joint" under the influence of the existing complex of loads and actions was performed. The assessment of linear temperature deformations of PVC, aluminum and wood windows was made. Laboratory tests of five types of PU-foams were made. The following PU-foam characteristics were determined: density, tensile strength and elongation at break. It was found that at the average PU- foams density less than 13,46 kg/m3, their average tensile strength and elongation at break were 0,058 MPa and 1,37%, respectively. The obtained indicators were significantly lower than the standard values. It was determined that modern PU-foams economy segment, presented on the russian market, have a limited scope and can only be used for the windows not affected by significant changes in operating temperatures (located indoors, protected from direct sunlight), as well as any wooden windows. For installation of large-format color PVC windows it is necessary to use PU-foams with the relative elongation at break not less than 10%.
Keywords: PU-foam, polyurethane foam, translucent structures, window units, temperature deformations.
For citation: Konstantinov A.P., Semenov V.S. Strength and deformation characteristics of modern PU-foams economy class. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 3, pp. 28-32. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-28-32 (In Russian).
Однокомпонентные полиуретановые пены (далее по тексту — монтажные пены) относятся к наиболее распространенному типу герметизирующего материала, применяемого в настоящее время для устройства монтажных швов узлов примыкания оконных блоков к проемам наружных стен зданий (Пена монтажная // Большая российская энциклопедия. Т. 25. П — Пертурбационная функция. 2014. С. 547-548) [1, 2].
В типовых узлах примыкания оконных блоков (рис. 1) монтажная пена является основным элементом монтажного шва, который отвечает за его тепло-и звукоизоляцию [3, 4]. С использованием монтаж-
ной пены выполняют средний слой монтажного шва. В случае повреждения монтажной пены ее замена может быть осуществлена только после демонтажа наружного и внутреннего слоев монтажного шва, а также элементов отделки (оконных откосов и отлива). Указанные операции, а также работы по замене монтажной пены связаны с опасностью повреждения или загрязнения оконных блоков. Очевидно, что для исключения подобных явлений на стадии эксплуатации здания необходимо, чтобы монтажная пена обладала определенными техническими характеристиками, которые бы обеспечивали выполнение монтажным швом своих функций в течение жизнен-
28
март 2019
Наружный гидроизоляционный и паропроницаемый
Рис. 1. Принципиальная схема устройства узла примыкания оконных блоков к проемам наружных стен
ного цикла окна. Целью данной работы является оценка прочностных и деформативных характеристик современных типов монтажных пен с позиции обеспечения их работы в монтажном шве и восприятия действующих на нее нагрузок.
Окно является элементом наружной оболочки здания и в процессе эксплуатации подвергается вли-
янию различных комбинаций нагрузок и воздействий [5]. Ключевыми нагрузками, оказывающими непосредственно влияние на монтажную пену в ходе эксплуатации, являются:
— ветровая нагрузка, вызывающая поперечные перемещения оконного блока в проеме наружной стены, а также деформации изгиба и кручения оконной рамы из плоскости оконного блока [6—8];
— температурные перепады, приводящие к деформации оконных рам как в продольном, так и в поперечном направлениях [9—11].
Отличительной особенностью данных видов нагрузок от других, действующих на элементы оконного блока, является их многократный и переменный по направлению характер действия.
Восприятие указанных типов нагрузок оконным блоком и их последующая передача на наружную стену должны осуществляться за счет крепежных элементов (монтажных пластин, рамных дюбелей, строительных шурупов и пр.). В то же время в современных строительных реалиях наблюдается следующее:
— несоответствие фактических размеров монтажных зазоров нормативным требованиям, приводящее к невозможности восприятия ветровой нагрузки крепежными элементами из-за нарушения их расчетной схемы работы;
Материал оконных профилей Температурные деформации оконного блока, мм (над чертой), и относительные деформации верхнего монтажного шва толщиной 25 мм, % (под чертой), при высоте оконного блока
1,2 м 1,5 м 1,8 м 2,1 м
ПВХ белый 1,34 5,4 1,68 6,7 2 8,1 2,35 9,4
ПВХ цветной 2,1 8,4 2,63 10,5 3,15 12,6 3,68 14,7
Алюминиевый сплав 0,97 3,9 1,21 4,8 1,45 5,8 1,69 6,7
Древесина (дуб) 0,34 1,3 0,42 1,7 0,5 2 0,59 2,4
Примечание. Расчет линейных температурных деформаций оконных блоков произведен по методике приложения Б ГОСТ 30971-2012 «Швы монтажные узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия» по формуле: ЛЬ = (к • ЛГ • X) • Кпр, где X - размер элемента оконной коробки в направлении, перпендикулярном проектируемому шву, м; к - коэффициент температурного расширения материала профиля оконной рамы, принимаемый для: - ПВХ профилей, армированных стальным вкладышем, белого цвета - 40-10-6 оС-1; - ПВХ профилей, армированных стальным вкладышем, цветных - 5010-6 оС-1; - алюминия - 23-10-6 оС-1; - древесины (дуб) - 810-6 оС-1; ЛГ - температурный интервал, вызывающий максимально возможное для данного климатического района изменение размера оконной рамы, определяемый как разница между максимально возможной в эксплуатационных условиях температурой нагрева поверхности профиля рамы за счет неблагоприятного сочетания высокой температуры наружного воздуха и направленного воздействия солнечной радиации (принимается для поверхности белого цвета +55оС, для цветной поверхности +70оС ) и абсолютной минимальной температурой воздуха для данного климатического района, определяемая согласно СП 131.13330 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*». Для условий г. Москвы и цветных оконных блоков из ПВХ профилей ЛГ=113оС; Кпр - безразмерный поправочный приведенный коэффициент, учитывающий влияние неравномерности прогрева (охлаждения) профилей коробки по сечению, принимаемый для оконных блоков белого цвета равным 0,4 и небелого цвета равным 0,5.
Таблица 1
Возможные изменения линейных размеров оконных блоков под воздействием перепада температуры наружного воздуха в зимний и летний периоды эксплуатации (для условий г. Москвы)
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки для определения относительного удлинения монтажной пены при растяжении. Характер разрыва монтажной пены после проведения испытаний
— отсутствие выполнения прочностных расчетов по обоснованию соответствия фактических параметров крепежных элементов требованиям проекта [12].
Это приводит к тому, что действующие на оконный блок нагрузки частично передаются на монтажную пену и воспринимаются ей. Таким образом, для выполнения монтажной пеной своих основных функциональных требований (тепло- и звукоизоляции) в процессе эксплуатации она должна обладать определенными прочностными и деформативными характеристиками. Рассмотрим их более подробно.
Для сохранения целостности монтажного шва в процессе эксплуатации (отсутствие сквозных трещин в монтажной пене или ее отрыв от строительного основания) необходимо, чтобы монтажная пена имела достаточную прочность на растяжение и сжатие, адгезию (как к строительному основанию — стене, так и к поверхности оконной рамы) и коэффициент удлинения/сжатия для восприятия деформаций и перемещений оконных блоков под действием нагрузок.
Оценим возможные изменения линейных размеров оконных блоков в течение года под воздействием перепада температуры наружного воздуха в зимний и летний периоды эксплуатации. Выполним ее для наиболее распространенных типов оконных блоков, находящих в настоящее время широкое применение в строительстве. Расчеты проведены для оконных блоков различных габаритов для климатических условий г. Москвы и представлены в табл. 1.
Толщина монтажного шва определяется прежде всего технологическими ограничениями строительства (необходимостью допуска на точность устройства оконных проемов), а также условием минимально возможного снижения светопропускания проемов оконными профилями и монтажным швом. Оптимальная толщина монтажных швов находится в диапазоне 20—30 мм. Примем в качестве расчетной толщины монтажного шва 25 мм и проведем оценку полученных результатов для случая его устройства поверху оконного блока. Данный монтажный шов является наиболее сложным с точки зрения компенсации температурных деформаций, так как из-за опирания оконного блока на подоконную доску вертикальные профили оконной рамы при изменении температуры могут удлиняться только по направлению вверх. В качестве расчетного примем оконный блок высотой 2,1 м (типовая высота современного крупноформатного оконного блока). Для компенсации линейных деформаций оконного блока под действием разницы температуры в зимний и летний периоды эксплуатации необходимо 3,68 мм, т. е. при ширине монтажного шва 25 мм относительное удлинение/сжатие монтажной пены должно быть не менее 12,6%. В случае, если фактическое относительное удлинение/сжатие монтажной пены будет меньше указанного значения, возможен отрыв монтажной пены от поверхности наружной стены/оконной рамы либо появление в монтажной пене сквозных трещин.
научно-технический и производственный журнал "30 март 2019
Таблица 2
Результаты лабораторных испытаний по определению средней плотности, предела прочности и относительного удлинения при растяжении монтажной пены
Тип монтажной пены Номер образца Средняя плотность, кг/м3 Прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, %
единичные значения среднее значение единичные значения среднее значение
Тип 1 («зимняя» - для проведения работ при температуре от -18оС до +35оС) 1 11,35 0,065 0,06 1,48 1,27
2 0,067 1,25
3 0,054 1,28
4 0,053 1,07
5 0,061 1,26
Тип 2 («летняя» - для проведения работ при температуре от +5оС до +35оС) 1 14,9 0,043 0,049 0,84 1,18
2 0,045 1,26
3 0,046 1,03
4 0,057 1,5
5 0,052 1,28
Тип 3 («зимняя» - для проведения работ при температуре от -18оС до +35оС) 1 10,91 0,047 0,047 1,76 1,53
2 0,047 1,41
3 0,047 1,61
4 0,046 1,35
5 0,049 1,49
Тип 4 («зимняя» - для проведения работ при температуре от -18оС до +30оС) 1 16,44 0,073 0,079 1,13 1,5
2 0,088 1,6
3 0,09 1,66
4 0,065 1,54
5 0,08 1,58
Тип 5 («зимняя» - для проведения работ при температуре от -10оС до +35оС) 1 13,71 0,062 0,064 1,25 1,35
2 0,069 1,36
3 0,059 1,44
4 0,069 1,3
5 0,062 1,4
Среднее значение по всем образцам 13,46 0,058 1,37
В ходе лабораторных испытаний были определены прочностные и деформационные характеристики пяти различных типов монтажных пен эконом-сегмента, применяемых в настоящее время для устройства монтажных швов. Цель данных испытаний заключалась в определении их прочности при растяжении и относительных линейных деформаций при растяжении. Испытания проводились по методике ГОСТ EN 1607—2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении перпендикулярно к лицевым поверхностям». Общий вид лабораторной установки с испытуемым образцом монтажной пены представлен на рис. 2.
Для каждого типа монтажной пены была испытана группа из пяти образцов размером 50x50 мм.
Образцы приклеивались к штампам соответствующей площади, после затвердевания клеевого состава полученные элементы закреплялись в захватах
разрывной машины, где постепенно нагружались до разрушения. Испытания проводились при температуре 23±2оС и относительной влажности воздуха 50±5%. Разрыв образца происходил по его толще.
Дополнительно для каждого типа монтажной пены была определена ее средняя плотность согласно ГОСТ EN 1602—2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения кажущейся плотности».
Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Выводы. Проведенные исследования современных монтажных пен эконом-класса показали следующее:
— их средняя плотность (13,46 кг/м3) значительно ниже нормируемых значений (согласно ГОСТ 30971—2012 «Швы монтажные узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия» плотность монтажных пен должна составлять не менее 20 кг/м3);
— прочность на растяжение (0,058 МПа) также ниже нормируемых значений (не менее 0,08 МПа согласно ГОСТ 30971-2012);
— относительное удлинение при разрыве (1,37%) значительно ниже нормируемых значений (не менее 8% согласно ГОСТ 30971—2012).
Исходя из полученных лабораторных данных, а также проведения оценочных расчетов линейных температурных деформаций современных типов оконных блоков можно говорить, что область применения монтажных пен эконом-класса в качестве герметизирующего материала монтажных швов оконных блоков ограничена. Для устройства монтажных швов крупноформатных оконных блоков из цветных ПВХ профилей и алюминиевых сплавов необходимо применять монтажные пены, имеющие показатель относительного удлинения при разрыве больше 10%, что значительно выше значений, рекомендуемых действующими стандартами.
Список литературы
1. Борискина И.В., Шведов Н.В., Плотников А.А. Современные светопрозрачные конструкции гражданских зданий. Т. II. Оконные системы из ПВХ. СПб.: НИУПЦ «Межрегиональный институт окна», 2005. 320 с.
2. Коркина Е.В. Критерий эффективности замены стеклопакетов в здании с целью энергосбережения // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 6—9.
3. Руководство по установке окон и наружных дверей. Розенхайм: Институт оконных технологий, 2016. 251 c.
4. Борискина И.В., Плотников А.А., Захаров А.В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий. СПб.: Выбор, 2008. 360 с.
5. Борискина И.В., Щуров А.Н., Плотников А.А. Окна для индивидуального строительства. М.: Функэ Рус, 2013. 320 с.
6. Константинов А.П. Вопросы расчета оконных блоков из ПВХ на ветровую нагрузку // Перспективы науки. 2018. № 1 (100). С. 26—30.
7. Konstantinov A., Lambias Ratnayake M. Calculation of PVC windows for wind loads in high-rise buildings. E3S Web of Conferences. 2018. Volume 33. 02025.
8. Калабин В.А. Оценка величины тепловой деформации ПВХ-профиля. Ч. 1. Зимние поперечные деформации // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 1—2. С. 6—9.
9. Калабин В.А. Оценка величины тепловой деформации ПВХ-профиля. Ч. 2. Летние поперечные деформации // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 3. С. 12—15.
10. Калабин В.А. Оценка величины тепловой деформации ПВХ-профиля. Ч. 3. Интенсивность прямого солнечного излучения // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 4. С. 34—38.
11. Верховский А.А., Зимин А.Н., Потапов С.С. Применимость современных светопрозрачных
ограждающих конструкций для климатических регионов России // Жилищное строительство. 2015. № 6. С. 16-19. 12. Константинов А.П., Ибрагимов А.М. Комплексный подход к расчету и проектированию све-топрозрачных конструкций // Жилищное строительство. 2019. № 1-2. С. 14-17.
References
1. Boriskina I.V., Shvedov N.V., A. Plotnikov A.A. Sovremennye svetoprozrachnye konstrukcii grazh-danskih zdanij. Okonnye sistemy iz PVH [Modern translucent structures of civil buildings. Handbook of the designer. Volume II PVC Window systems]. Saint Petersburg: NIUPC «Mezhregional'nyj institut okna». 2012. 320 p.
2. Korkina E.V. Criterion of efficiency of replacement of double-glazed windows in the building for the purpose of energy saving. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 6-11. (In Russian).
3. Guideline for installation of windows and external pedestrian doors. Rosenheim: IFT Rosenheim. 2016. 251 p.
4. Boriskina I.V., Plotnikov A.A., Zaharov A.V. Proektirovanie sovremennyh okonnyh sistem grazh-danskih zdanii [Design of modern window systems for civil buildings]. Saint Petersburg: Vybor. 2008. 360 p.
5. Boriskina I.V., Shchurov A.N., Plotnikov A.A. Okna dlya individual'nogo stroitel'stva [Windows for individual construction]. Moscow: Funke Rus, 2013. 320 p.
6. Konstantinov A.P. Calculation of PVC window blocks for wind load. Perspektivy nauki. 2018. No. 1 (100), pp. 26-30. (In Russian).
7. Konstantinov A., Lambias Ratnayake M. Calculation of PVC windows for wind loads in high-rise buildings. E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 33. 02025.
8. Kalabin V.A. Assessment of PVC profile thermal deformation. Part 1. Winter transverse deformations. Svetoprozrachnye konstrukcii. 2013. No. 1-2, pp. 6-9. (In Russian).
9. Kalabin V.A. Assessment of PVC profile thermal deformation. Part 2. Summer transverse deformations. Svetoprozrachnye konstrukcii. 2013. No. 3, pp. 12-15. (In Russian).
10. Kalabin V.A. Assessment of PVC profile thermal deformation. Part 2. Summer transverse deformations. Svetoprozrachnye konstrukcii. 2013. No. 4, pp. 34-38. (In Russian).
11. Verkhovsky A.A., Zimin A.N., Potapov S.S. The applicability of modern translucent walling for the climatic regions of Russia. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 6, pp. 16-19. (In Russian).
12. Konstantinov A.P., Ibragimov A.M. Complex approach to the calculation and design of translucent structures. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 1-2, pp. 14-17. (In Russian).
32
март 2019
