CC BY
18УДК 692.23
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-29-33
Д.Ю. ЖЕЛДАКОВ, канд. техн. наук ([email protected])
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21)
Сохранение оштукатуренных фасадов зданий
Фасады и в особенности цоколи зданий являются одной из наиболее ответственных конструкций, так как воспринимают нагрузку от всего здания. В связи с этим сохранность конструкции цоколя является важной задачей. Вместе с тем в процессе эксплуатации цоколь здания постоянно увлажняется атмосферными осадками, в связи с чем материал конструкции цоколя находится во влагонасыщенном состоянии. Для преобладающего количества зданий постройки прошлого столетия и ранее цоколь здания выполнялся из кирпичной кладки. При этом отмечено, что при использовании в качестве штукатурного слоя цементно-песчаной штукатурки в условиях активного увлажнения происходит разрушение как материала штукатурки, так и материала кирпича, что приводит к ослаблению несущей способности цоколя зданий. При использовании известково-песчаной штукатурки происходит разрушение только штукатурного слоя, кирпич не разрушается. Данное явление автор объясняет на основании условий протекания процесса химической деструкции на границе материалов. Для устранения процесса деструкции предлагается конструктивное решение с использованием так называемого отсекателя влаги. Подбор материалов для эффективного использования отсекателя влаги и устранения процесса разрушения цоколя рекомендуется с учетом критерия проницаемости. Применение отсекателя влаги с правильным подбором материалов штукатурного слоя позволит не только сохранить прочность конструкции цоколя, но и уменьшить теплопотери здания через ограждающие конструкции за счет уменьшения их влажности.
Ключевые слова: фасад, цоколь, долговечность, кирпичная кладка, штукатурный слой, процессы деструкции, химическая коррозия, отсекатель влаги, критерий проницаемости.
По материалам данной работы в Федеральный институт промышленной собственности подана заявка на выдачу патента на изобретение «Оштукатуренный цоколь здания и цокольный отсекатель влаги».
Для цитирования: Желдаков Д.Ю. Сохранение оштукатуренных фасадов зданий // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 29-33. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-29-33
D.Yu. ZHELDAKOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected])
Research Institute of Building Physics Russian Academy of architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
Preservation of Plastered Facades of Buildings
The facades and especially the socles of buildings are one of the most important constructions, as they take the load of the entire building. In this regard, the safety of the socle structure is an important task. However, in the process of exploitation, the socle of the building is constantly moistened by precipitation, in this connection the material of construction of the socle is in moisture saturation state. For the predominant number of buildings built in the past and earlier centuries, the basement of the building was made of brickwork. It is noted that when using the cement-sand plaster as a plaster layer under conditions of active humidification the destruction of both the material of plaster and brick material takes place, which leads to a weakening of the bearing capacity of the plinth of buildings. When using lime-sand plaster, only the plaster layer is destroyed, the brick is not destroyed. This phenomenon is explained by the author on the basis of the conditions of the process of chemical destruction at the boundary of materials. To eliminate the destruction process, the structural solution with the use of the so- called moisture cutout is proposed. Selection of materials for effective use of the moisture cutout and elimination of the destruction of the socle is recommended taking into account the permeability criterion. The use of a moisture cutout with the correct selection of materials of the plaster layer will not only preserve the strength of the structure of the socle, but also reduce the heat loss of the building through the enclosing structures due to reducing their humidity.
Keywords: facade, socle, durability, brick masonry, plaster layer, processes of destruction, chemical corrosion, moisture cutout, criterion of permeability.
On the basis of the materials of this work, an application was submitted to the Federal Institute of Industrial Property for a patent for the invention "Plastered socle of the building and the socle moisture cutout".
For citation: Zheldakov D.Yu. Preservation of plastered facades of buildings. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 6, pp. 29-33. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-29-33
Многими исследователями замечено, что при оштукатуривании фасадов и в особенности цоколей зданий системы кирпич — цементно-песчаный раствор и кирпич — известково-песчаный раствор ведут себя по-разному [1—4]. При использовании известковой штукатурки происходит разрушение только штукатурного слоя, кирпичная кладка коррозии не подвергается. При использовании цементно-песча-ной штукатурки разрушение происходит в граничном слое кирпича, разрушается и кирпич, и штукатурный слой (рис. 1, 2).
Для прочности ограждающих конструкций приведенные процессы носят принципиально различный характер. Так как штукатурный слой не входит в рас-
чет несущей способности ограждающих конструкций, его разрушение в случае с известковым раствором не приводит к снижению прочности и долговечности несущей конструкции. Применение цементно-песчаной штукатурки приводит к разрушению материала цоколя здания и снижает несущую способность, а следовательно, и долговечность цоколя здания.
Результат взаимодействия цементно-песчаной и известковой штукатурки с материалом кирпичной кладки разные исследователи объясняют по-разному. В [5—7] данное явление объясняется различием в коэффициенте теплового линейного расширения материала штукатурки и кирпичной кладки. Однако раствор кирпичной кладки выполнен из того же матери-
Рис. 1. Сохранение кирпича под слоем известковой штукатурки. Здание постройки до 1900 г., г. Москва
ала, что и цементно-песчаная штукатурка. Кроме того, коэффициенты линейного теплового расширения цементно-песчаной штукатурки и известково-песчаной штукатурки различаются на 110-6 град-1 [8]. При длине кирпича 250 мм и перепаде температуры максимум 50о разница в расширении двух материалов составит всего 1,2510-6 мм и вряд ли сможет привести к таким различным результатам в деструкции кирпича. Другое объяснение — различие в количестве и размерах пор материалов [9—11]. Это объяснение, по мнению автора, ближе к истине: пористость кирпича, цементно-песчаной и известково-песчаной штука-
1
турки безусловно различна, но этот параметр не объясняет разрушение кирпича в одном случае и сохранность в другом.
Предположительно процесс разрушения кирпичной кладки описывается теорией химической коррозии строительных материалов при их контакте друг с другом [12]. Известково-песчаная и цементно-песча-ная штукатурки имеют значительно различающиеся коэффициенты паропроницаемости: для известковой штукатурки он значительно выше. Для кирпичной кладки с применением глиняного или силикатного кирпича и цементно-песчаного раствора коэффициент паропроницаемости равен 0,11 мг/(мчПа), для цементно-песчаного раствора — 0,09 мг/(мчПа), для известково-песчаного — 0,12 мг/(мчПа) (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02—2003. Приложение Т»). На практике оштукатуривание наружной поверхности стены здания приводит к тому, что влажность известково-песчаного штукатурного слоя ниже, он быстрее высыхает. Штукатурка с коэффициентом паропроницаемости меньшим, чем у основной (например, кирпичной) стены, во-первых, задерживает диффузионную влагу на границе кирпич — раствор, во-вторых, сохнет медленнее после намокания в процессе внешнего увлажнения.
Таким образом, при использовании цементно-песчаной штукатурки на границе слоев штукатурка — кирпичная кладка возникает значительное увлажнение конструкции. В результате влагонакопления происходит выделение гидроксида кальция из раствора, а также образование щелочей при контакте воды с щелочными и щелочеземельными элементами самого кирпича, в результате чего происходит интенсивная химическая реакция разрушения кирпича при взаимодействии образовавшихся щелочей с оксидами кремния и алюминия.
Тот же процесс происходит при оштукатуривании стен, выполненных из пено- или газобетона, силикатного кирпича, керамических камней: при коэффициенте паропроницаемости материала стены большей, чем материала штукатурного слоя,
Рис. 2. Разрушение кирпичных цоколей зданий под слоем цементно-песчаной штукатурки
научно-технический и производственный журнал & ¡'РО^Н^&И'^-
июнь 2019
происходит разрушение материала стены здания [13-15].
Более точная характеристика материала — проницаемость слоя — вводится в СП 345.1325800.2017 «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты». Критерий проницаемости слоя численно равен отношению паропроницаемости материала слоя к его теплопроводности, определенным по СП 50.13330.2012. Так для кладки с применением керамического кирпича критерий проницаемости равен 0,136 мгоС/(ВтчПа), для цементно-песча-ного раствора он составляет 0,097 мгоС/(ВтчПа), для известково-песчаного — 0,148 мгоС/(ВтчПа).
Экспериментальная часть
Для устранения описанной технической проблемы, увеличения долговечности ограждающих конструкций здания, снижения влажности конструкции цоколя, а следовательно, снижения теплопо-терь авторами предложено следующее техническое решение.
Сущность его заключается в том, что предлагается разделить на высоте 0—300 мм от поверхности земли слои штукатурки с меньшим и большим критерием проницаемости разделительным элементом, так называемым цокольным отсекателем влаги. При этом нижний слой (до горизонтальной полки отсекателя) необходимо выполнять штукатуркой с критерием проницаемости меньшим, чем у материала стены, а верхний (выше горизонтальной полки отсекателя) — штукатуркой с критерием проницаемости большим, чем у материала стены.
В качестве штукатурки с критерием проницаемости меньшим, чем у материала стены, в случае со стеной из кирпичной кладки может использоваться, например, цементно-песчаная штукатурка.
В качестве штукатурки с критерием проницаемости большим, чем у материала стены, выполненной из кирпичной кладки, может использоваться, например, известково-песчаная штукатурка.
Разделительный элемент (цокольный отсекатель влаги) может быть выполнен из гибкой пластмассы или композитного материала, не пропускающего влагу и не вступающего с материалом штукатурного слоя в химическую реакцию. Крепление отсекателя к наружной стене здания может производиться путем установки его между двумя слоями рулонной гидроизоляции, или наклеиванием на битумную мастику, или комбинированным методом, в зависимости от технологии выполнения гидроизоляционных работ. Отсекатель может устанавливаться и без гидроизоляции. При этом будет обеспечиваться сохранность кирпича, но в меньшей степени из-за проникновения капиллярной влаги.
Ширина горизонтальной полки отсекателя может быть различной и соответствовать необходимой или проектной толщине штукатурного слоя.
Положение слоев гидроизоляции и слоя штукатурки с критерием проницаемости меньшим, чем у
основной стены, как защитного слоя принято в практике строительства. Однако в настоящее время слой такой штукатурки наносится на весь цоколь, что создает условия для увлажнения штукатурки и кирпича капиллярной влагой, протекания реакций химической деструкции и разрушения материала кирпича. Применение гидроизоляции в качестве отсека-теля проблематично, так как предполагается, что изгиб отсекателя является жестким, что и позволяет контролировать вторую функцию отсекателя — выравнивание верхнего и нижнего слоев штукатурки по толщине.
На рис. 3 показано расположение отсекателя влаги на оштукатуренном цоколе здания.
Оштукатуренный цоколь здания содержит разделительный элемент — цокольный отсекатель 1 влаги (далее — отсекатель 1), внутренняя стенка которого в виде прямоугольной пластины 2 частично находится ниже уровня земли 3 и примыкает к наружной стене 4 здания. С пластиной 2 в ее средней части по всей ее длине соединена наружная стенка 5 посредством горизонтальной полки 6, которая перпендикулярна пластине 2. Наружная стенка 5 отсекателя 1 параллельна пластине 2 и соединена своим краем с краем полки 6. Отсекатель 1 целесообразно выполнять с одним или несколькими ребрами жесткости, расположенными перпендикулярно пластине 2 и стенке 5 между ними.
На стену 2 здания нанесены два слоя штукатурки. Нижний слой 7 штукатурки с критерием проницаемости меньшим, чем у материала стены, расположен ниже горизонтальной полки 6 поверх нижней части отсекателя 1. Верхний слой 8 штукатурки с критерием проницаемости большим, чем у
материала стены, расположен выше горизонтальной полки 6 отсекателя 1 таким образом, что его наружная стенка 5 расположена снаружи верхнего слоя 8 штукатурки. Стенка 5 определяет толщину штукатурного слоя и обеспечивает более надежную изоляцию между двумя материалами штукатурки — верхним и нижним. Горизонтальная полка 6 расположена на расстоянии примерно 0—300 мм от поверхности земли 3. Между пластиной 2 отсекателя 1 и стеной 4 здания, а также по меньшей мере между подземным участком пластины 2 отсекате-ля 1 и нижним слоем 7 штукатурки расположены слои 9 и 10 гидроизоляции.
В частном случае отсекатель 1 может иметь следующие размеры: длина пластины 2 в горизонтальном направлении 1—3 м, высота 0,4 м, расстояние от нижнего края пластины 2 до полки 6 — 0,3 м, ширина полки 6 — 30—60 мм, высота стенки 5 около 50 мм. При этом ребра жесткости расположены по длине отсекателя с промежутками 0,3—0,5 м. Все указанные размеры являются частным примером и могут отличаться для различных зданий. Соотношение высот верхней части пластины 1 и наружной стенки 5 не имеет значения. Наружная стенка 5 короче по причине удобства крепления пластины 2 дюбелями к стене цоколя.
Отсекатель 1 устанавливают следующим образом. На гидроизолируемую стену 4 здания приклеивают первый слой 9 гидроизоляции. Затем битумной мастикой или дюбелями или и тем и другим устанавливают отсекатель 1 так, чтобы горизонтальная полка 6 отсекателя 1 была на уровне или выше предполагаемой отметки земли на 0—300 мм. Крепление пластины 2 дюбелями к стене нужно выполнить с применением резиновых шайб, выше и ниже горизонтальной полки 6 отсекателя 1. Места установки дюбелей нужно обработать мастикой. Отдельные участки отсекателя 1 соединяют внахлест и проклеивают в местах стыка изоляцией. Далее на нижнюю часть пластины 2 отсекателя 1 от горизонтальной полки 6 и ниже наклеивают второй слой 10 гидроизоляции. По второму слою 10 гидроизоляции до горизонтальной полки наносят нижний слой 7 штукатурки с критерием проницаемости меньшим, чем у стены 4, выполняющей в данном случае роль защитной штукатурки. Затем стену 4 засыпают землей до проектной отметки. Выше гори-
Список литературы
1. Ищук М.К. Новое в проектировании наружных стен с лицевым слоем из каменной кладки // Жилищное строительство. 2019. № 1—2. С. 8—13. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-1-2-8-13
2. Деркач В.Н., Жерносек В.Н. Методы оценки прочности каменной кладки в отечественной и зарубежной практике обследования зданий и сооружений // Вестник Белорусско-российского университета. 2010. № 3 (38). С. 135-142.
зонтальной полки 6 отсекателя 1 верхний слой 8 штукатурки фасада выполняется с использованием штукатурки с критерием проницаемости большим, чем у стены по принятой технологии.
Если по тем или иным причинам отсекатель 1 влаги устанавливается без гидроизоляции (это возможно, но не рекомендуется), последовательность его установки следующая. Пластину 2 отсекателя 1 закрепляют дюбелями на изолируемой стене 4 (при этом использование мастики желательно) так, чтобы горизонтальная полка 6 отсекателя 1 была на уровне или выше предполагаемой отметки земли на 0—300 мм. Отдельные участки отсекателя 1 соединяют внахлест и проклеивают в местах стыка изоляцией. Нижний слой 7 штукатурки наносят ниже горизонтальной полки 6 отсекателя, верхний слой 8 штукатурки — выше.
Заключение
Таким образом, отсекатель 1 снижает (в отсутствие гидроизоляции) или полностью устраняет (при наличии гидроизоляции) поступление капиллярной влаги на верхний штукатурный слой 8. В связи с тем, что критерий проницаемости известко-во-песчаной штукатурки выше, чем кирпичной кладки, предотвращается возможность накопления диффузионной влаги на границе двух слоев: кирпичная кладка — штукатурка. За счет устранения капиллярной и диффузионной влаги в материалах фасада (или цоколя) здания достигается следующий технический результат:
1. Увеличивается долговечность материала наружной стены здания, так как устранение влаги замедляет процессы химической коррозии в материалах наружной стены, прекращает протекание процессов образования щелочей и разрушения конструкции кладки. Кроме того, сухой материал наружной стены здания меньше подвержен разрушению под воздействием циклического замораживания-оттаивания.
2. Уменьшается теплопроводность материала наружной стены здания, так как теплопроводность сухого материала значительно ниже, чем влажного, что приводит к экономии энергоресурсов.
3. Контролируется толщина штукатурного слоя, который укладывается на толщину горизонтальной планки отсекателя.
References
1. Ishchuk M.K. New in the design of exterior walls with a facing layer of brick masonry. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 1—2, рр. 8-13. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-1-2-8-13 (In Russian).
2. Derkach V.N., Zhernosek V.N. Methods for assessing the strength of masonry in domestic and foreign practice of inspection of buildings and structures. Vestnik Belorussko-rossiiskogo universiteta. 2010. No. 3 (38). pp. 135-142. (In Russian).
32
июнь 2019
3. Brinda L. Repair and investigation techniques for stone masonry walls // Constriction and Building Materials. 1997. No. 11, рр. 133-142.
4. Kabantsev O. Modeling nonlinear deformation and destraction masonry under biaxial stress. Part 2. Strength criteria and numerical experiment // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 725-726, pp. 808-819. https://doi.org/10.4028/www.scientific. net/AMM.725-726.808
5. Орлович Р.Б., Деркач В.Н. Оценка прочности кладочных растворов при обследовании каменных зданий // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 7. С. 3-10.
6. Гальцева Н.А., Бурьянов А.Ф., Булдыжова Е.Н., Соловьев В.Г. Использование синтетического ангидрита сульфата кальция для приготовления закладочных смесей // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 76-77.
7. Brook R.I. Principles for the production of ceramics with improved chemical characteristics // British Ceramic Society. 1982. No. 32.
8. Блази В. Справочник проектировщика. Строительная физика. М.: Техносфера, 2012. 611 с.
9. Добшиц Л.М. Физико-математическая модель разрушения бетонов при попеременном замораживании и оттаивании // Жилищное строительство. 2017. № 12. С. 30-36.
10. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В. Использование тонкодисперсных отходов обработки мрамора в технологии облицовочной керамики // Научно-технический вестник Поволжья.
2014. № 4. С. 108-114.
11. Кисляков К.А., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н. Свойства цементной композиции с применением боя керамического кирпича и микрокремнезема // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 14-18. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-14-18
12. Желдаков Д.Ю. Химическая коррозия кирпичной кладки. Постановка задачи // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 29-32. https://doi. org/10.31659/0585-430X-2018-760-6-29-32
13. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Определение расчетной влажности строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство.
2015. № 8. С. 41-44.
14. Гагарин В.Г., Зубарев К.П., Козлов В.В. Определение зоны наибольшего увлажнения в стенах с фасадными теплоизоляционными композиционными системами с наружными штукатурными слоями // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 1 (54). С. 125-132.
15. Ельчищева Т.Ф. Определение влажностного режима помещений зданий при наличии в стеновом материале гигроскопических солей // Строительные материалы. 2017. № 6. С. 14-18. DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2017-749-6-14-18
3. Brinda L. Repair and investigation techniques for stone masonry walls. Constriction and Building Materials. 1997. No. 11, pp. 133-142.
4. Kabantsev O. Modeling Nonlinear Deformation and Destraction Masonry under Biaxial Stress. Part 2. Strength criteria and numerical experiment. Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 725-726, pp. 808-819. https://doi.org/10.4028/www.scientific. net/AMM.725-726.808
5. Orlovich R.B., Derkach V.N. Estimation of masonry mortars strength during the examination of stone buildings. Inzhenerno-stroitel'nyizhurnal. 2011. No. 7, pp. 3-10.
6. Gal'tseva N.A., Bur'yanov A.F., Buldyzhova E.N., Solov'ev V.G. The use of synthetic calcium sulfate anhydrite for production of filling mixtures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 6, pp. 76-77.
7. Brook R.I. Principles for the production of ceramics with improved chemical characteristics. British Ceramic Society. 1982. No. 32.
8. Blazi V. Spravochnik proektirovshchika. Stroitel'naya fizika [Directory of the designer. Building physics]. Moscow: Tekhnosfera, 2012. 611 p.
9. Dobshits L.M. Physical-mathematical model of concretes destruction at alternate freezing and thawing. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 12, pp. 30-36. (In Russian).
10. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V. The use of fine waste marble processing in the technology of facing ceramics. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh'ya. 2014. No. 4, pp. 108-114. (In Russian).
11. Kislyakov K.A., Yakovlev G.I., Pervushin G.N. Properties of cement composition with addition of crushed clay brick and microsilica. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 14-18. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-14-18 (In Russian).
12. Zheldakov D.Yu. Chemical corrosion of a bricklaying. Problem definition. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 29-32. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2018-760-6-29-32 (In Russian).
13. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. Determination of the calculated moisture content of building materials. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2015. No. 8, pp. 41-44. (In Russian).
14. Gagarin V.G., Zubarev K.P., Kozlov V.V. Definition of the zone of the greatest humidification in walls with front heat-insulating composite systems with external plaster layers. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2016. No. 1 (54), pp. 125-132. (In Russian).
15. Elchishcheva T.F. Determination of humidity conditions in premises of buildings at presence of hygroscopic salts in wall material. Stroitel 'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 6, pp. 14-18. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2017-749-6-14-18. (In Russian).
