CC BY
10УДК 691.327.332:631.272
Л.А. ЕРОХИНА, канд. техн. наук, А.С. ГРАБАРЕВ, инженер (grabarev88@gmail.com)
Ухтинский государственный технический университет (169300, Республика Коми, г. Ухта, Первомайская, 13)
Состояние стен из легкого бетона при эксплуатации на Севере
Представлены данные о состоянии легкого бетона в ограждающих конструкциях зданий по истечении расчетного срока службы. На протяжении десяти лет велись наблюдения и съем показаний по температуре и влажности в структуре стены. Выявлено значительное повышение влажности воздуха внутри каждой структуры и появление конденсата в холодные зимние месяцы даже в структуре мало сорбирующего влагу материала. Изменения структуры ограждения на опытном стенде показали, что однородная структура керамзитогазобетона более соответствует своему назначению в условиях Севера. В квартирах десятилетиями сохраняются комфортные условия для проживания. Из этого материала вполне можно изготавливать ограждающие конструкции. Предложены варианты в случае необходимости снизить плотность и повысить теплосопротивление стены.
Ключевые слова: керамзитогазобетон, теплосопротивление, пенополистирол, микрозаполнитель, влагосодержание, конденсат.
L.A. EROKHINA, Candidate of Sciences (Engineering), A.S. GRABAREV, Engineer (grabarev88@gmail.com) Ukhta State Technical University (13, Pervomaiskaya Street, Ukhta, 169300, Republic of Komi, Russian Federation)
Condition of Lightweight Concrete Walls Operating in the North
Data on the condition of lightweight concrete in enclosing structures of buildings on expiration of their design life are presented. Monitoring and taking of readings of temperature and humidity in the wall structure were made during 10 years. A significant increase in air humidity inside the every structure and appearance of condensate in cold winter months even in the structure of material little absorbing the moisture is revealed. Changes of an enclosure structure on the test stand shows that the homogeneous structure of ceramsite-gas concrete more meets its purpose under conditions of the North. Comfort conditions for living are saved in apartments during decades. This material can be used for manufacturing enclosing structures. Variants are offered, if necessary, to reduce the density and increase the heat resistance of walls.
Keywords: ceramsite-gas concrete, heat resistance, foam polystyrene, micro-filler, moisture content, condensate.
Наружные ограждения зданий, защищая внутренние помещения от внешней среды, сами подвержены всем ее воздействиям как снаружи, так и изнутри, со стороны помещения. В домах на Севере колебания влажности внутреннего воздуха значительны. В летне-осенний период влажность воздуха внутри помещения бывает 60—80%, в то время как в отопительный период она снижается до 35%, в сильные морозы — еще ниже. Большая амплитуда колебаний влажности со средней температурой наружного воздуха ниже 0оС не способствует подсушиванию влаги внутри стены в короткое и холодное лето. Стеновой материал после сырого лета может уйти в зиму с высокой влажностью. Чтобы предотвратить кон-денсатообразование и трещинообразование, материал стены на Севере должен иметь низкую паропроницае-мость и возможно более низкий коэффициент температурных деформаций, пониженную усадку при высокой морозостойкости, по крайней мере на глубину 20 см с наружной стороны. И в то же время иметь плотность, обеспечивающую теплозащитные качества, и прочность, достаточную для ограждающей конструкции.
Пятьдесят лет назад такой материал был найден и использован при изготовлении крупнопанельных зданий по всему Северу. Это безавтоклавный керамзитогазобетон плотностью 900—1000 кг/м3. За 40—50 лет эксплуатации зданий из этого материала как промышленного, так и жилого назначения практически не было случаев, чтобы жители квартир жаловались на промерзание стен или появление плесени на поверхности. Если и были случаи, то при обследовании оказывалось, что плохо заделан стык панелей или отсутствует утепление в углу чердака. Когда дефекты устранялись, микроклимат в помещении восстанавливался. Эти дома были рассчитаны на 50 лет, но они еще послужат. В то время как в г. Кызыле, где панели в домах из керамзитобетона плотностью более 1000 кг/м3, отмечается значительный износ и промерзание стен [1]. На юге Дальнего Востока России влажность наружных стен доходит до 40% и более, стены промерзают [2].
Ужесточение требований СНиПов к теплосопро-тивлению ограждающих конструкций потребовало доработки технологии с целью снижения средней плотности материала, чтобы не увеличивать толщину ограждения, хотя она была тоньше кирпичной стены — 40 см.
Поризованные газообразователем бетоны представляют собой разновидность легких бетонов на пористых заполнителях, в которых пространство между зернами пористого заполнителя заполнено ячеистой цементной связкой, благодаря чему материал сочетает повышенную трещиностойкость легких бетонов на пористых заполнителях и повышенные теплозащитные свойства ячеистых бетонов. Сочетание пористого заполнителя с ячеистой связкой позволило получить качественно новый материал с улучшенными свойствами. Паропроницаемость автоклавного газобетона оказалась выше в три—пять раз, чем у керамзитогазобетона (0,13 и 0,03 мг/м-ч-Па) и в два раза выше у керамзитобетона без газообразования. С помощью газообра-зователя формируется слитная структура с обособленными газовоздушными ячейками, полностью не заполняющимися в воде, этому способствует вибровоздействие в период вспучивания массы. Совершенствование поровой структуры не дает существенного улучшения теплофизических свойств, однако оказывает большое влияние на физико-механические свойства и долговечность изделий [3].
Панельное домостроение все реже применяется по разным причинам, но использовать проверенный годами материал можно в других вариантах ограждений. Пример тому строительство жилых домов в Санкт-Петербурге при сочетании панелей с кирпичной кладкой или монолитное возведение стен из пенобетона в Москве. Специальными исследованиями выявлено, что минимальный расход керамзитового гравия, обеспечивающий удовлетворительную трещиностойкость, составляет 0,6—0,7 м3 на 1 м3 бетона. Но стойкость и долговечность материала зависят от поризованной матрицы. От насыпной плотности керамзитового гравия
68
август 2014
iA ®
+20 ■
+20
-7
-18
-28
-8
IV \
II III 7 * ÏJV \
/'V \
Г
/ IV
VI / 1 V /
v// i!/ / II щ /
ЛУ II//.V ////
// /77 / /1 /Л*
сент. окт. нояб/ • дек/ янв. • фев. / £ март'' У • • • апр.
\ /у/. // /Л . * \
/if// / /,/ / 1 \
ч* Г А/ г п// 1 1 1
// iff 1
11 / //
IV/ / \ //
V • * V
IV 1
\
!
+10 ■
-10 ■
-20
наружная температура
б W 80 ■
70 ■
60 —
II блок
50 ■
40 ■
30 —
февр. март ДянВ.
блок
IV блок
кирпичная
стена #февр.
апр.
март нояб.
16
24
8
16
24
8
•-• сент. - окт. О-О нояб. О-0 дек. в-О янв. •-• фев.
Рис. 1. Колебания температуры (а) и влажности воздуха (б) при изменении температуры в стене
8
--€) март
16
24 cm - апр.
зависит средняя плотность керамзитогазобетона, следовательно, если она выше 500 кг/м3, получить низкую плотность конечного продукта невозможно. Использование в качестве крупного заполнителя гранул пенопо-листирола позволило получить плотность легкого бетона 500 кг/м3 и менее, но прочность таких составов без тепловой обработки 2 МПа, что является очень малым показателем.
Была поставлена задача снизить массу изделия, не снижая его прочности. Газобетонная технология позволяет увеличить сцепление пористой матрицы с утеплителем и пройти через него, если в нем есть отверстия, охватив его со всех сторон монолитно. При формовании на вспучивающуюся массу положили слой утеплителя из более легкого материала, который не впитывает влагу из пластичной массы, сверху — опять слой из вспучивающейся массы. Так с теплой прослойкой можно исполь-
зовать керамзитогазобетон плотностью 800—900 кг/м3 и прочностью 4—5 МПа, утепляя его слоем эффективного материала, в котором есть отверстия для миграции влаги наружу. В результате высыхание идет интенсивнее. Роль утеплителя (1 или 2 слоя) выполняли плиты из пе-нополистирола толщиной 15 мм с перфорацией по всей площади диаметром 3—5 мм. Эти отверстия при вспучивании полностью заполняются газобетоном, соединяясь с последующим его слоем, образуя монолит [4].
Опытные блоки показали свою устойчивость в стене и наблюдаются уже десять лет. Чем ближе к наружной поверхности, тем выше влажность воздуха в капиллярной системе каждого блока, даже плохо сорбирующего влагу, такого как кирпич. Испытывали слоистые структуры в блоках из керамзитогазобетона (I и III), газобетона с гранулами из пенополистирола в качестве крупного заполнителя (II), блок с воздушной прослойкой и
j^J ®
август 2014
69
а
0
-1
0
0
Показатели Керамзитогазозолобетон, р=980 кг/м3 Керамзитогазобетон, р=800 кг/м3 Керамзитогазобетон, р=1000 кг/м3
Плотность ячеистой связки в бетоне, кг/м3 1000 1000 1000
Водотвердое отношение 0,47 0,62 0,34
Плотность материала межъячеистой перегородки, г/см3 1,46 1,35 1,59
Воздухововлечение, об.% 43 52 46
Прочность бетона, МПа 6,7 5 5,5
Морозостойкость, цикл. 50 530 1000
толстым слоем 15 см пенополистирола перед воздушной прослойкой с кирпичной облицовкой (IV) и, для сравнения, кирпичную кладку (V) (рис. 1). На протяжении трех лет регулярно замеряли показания температуры и влажности на внутренней поверхности стены и на глубине до 24 см в каждом стеновом блоке. Кроме датчиков температуры и влажности была использована оригинальная методика по определению влажности с помощью сорбционной способности древесины. Так, было выявлено, что массовая влажность в керамзитога-зобетоне составляет в разные месяцы 5—8%, в кирпичной кладке — не более 1% массовой влажности, в блоке с гранулами из пенополистирола — до 8%, а в слое из пенополистирола — до 9%.
В отверстии для замеров в каждом блоке, углубляясь к наружной поверхности, были размещены древесные кубики объемом 1 см3 каждый, изолированные друг от друга в отсеках, где по мере охлаждения стены они набирали в этой среде до 22% влаги уже в ноябре месяце. На кубике в глубине 24 см появлялась плесень, а в декабре внутри кирпича — иней и даже лед.
Но самую высокую влажность древесный образец набирает в блоке из пенополистиролгазобетона — 22,9%, в кирпичной кладке тоже много — до 21%. Ниже других оказалась влажность воздуха и самого материала в блоке с воздушной прослойкой после утепляющего слоя из пенополистирола и облицовкой из кирпича — 20%, а также в блоке из керамзитогазобетона (III) с прокладкой утеплителя у наружной поверхности.
Максимальная влажность и минимальная температура появились в разных блоках в разные сроки — в кирпичной стене, в блоке с воздушной прослойкой — к декабрю, в керамзито- и пенополистиролгазобето-нах — к марту.
Изменение температуры в каждом отсеке показано на графике (точки). В соответствии с температурой изменялась и влажность воздуха, выносящего влагу наружу и конденсирующего ее внутри структуры (рис. 1). Вот почему древесный кубик увлажнялся, обладая высокой сорбционной способностью. Сам же материал стены такой влажности не имел.
К январю максимальная гигроскопическая влажность древесины наблюдалась на глубине 24 см для всех структур. С помощью оригинальной методики определения влажности внутри стены можно наглядно представить массоперенос в зависимости от температуры и структуры в каждом блоке. Если влажность самого материала стены (кирпича) не превышает 3—5%, то откуда в декабре на кирпиче появляется иней и даже лед?
При постоянном давлении с изменением температуры агрегатное состояние воды в поровом пространстве также меняется. Интенсивный рост теплопроводности в капиллярно-пористых телах связан с началом капиллярной конденсации влаги в порах и продолжается до максимальной влагоемкости. Пользуясь формулой Л.М. Никитиной [5], определяем перенесенную
массу вещества для 1 м2 стены из газобетона и кирпича — это 7,43^ 10-2 и 6,12^ 10-2 кг соответственно, что в пересчете на проценты составило 8,43 и 1,82%; для воздуха, заполняющего поровое пространство стены, — 18,3%. При низкой температуре массоперенос в кирпичной стене так же высок, как и в структуре из газобетона с гранулами из пенополистирола и в структуре с внешним слоем блока с воздушной прослойкой. В кирпичной стене при незначительном влагосодержании самого кирпича влажность воздуха в капиллярах велика, особенно зимой — до 90%, в отверстии появляется лед, а не иней, массоперенос активно идет, больше, чем в других структурах, конденсат появляется раньше, эквивалентный коэффициент теплопроводности возрастает с 0,42 до 3,4 Вт/м-°С, теплосопротивление стены снижается почти в 10 раз, тогда как в структуре с воздушной прослойкой меняется с 0,19 до 0,4 Вт/м^С при максимальном увлажнении. В керамзитогазобетоне с утепляющим слоем коэффициент теплопроводности увеличился на глубине 24 см с 0,46 до 1,03 Вт/м^С, в блоке из полистиролгазобетона — с 0,2 до 2 Вт/м^С. И это в холодное время года, когда особенно нужна теплозащита. Температура на поверхности кирпичной стены внутри помещения составляла 6оС, на поверхности газобетонов — в два раза выше. Уже в апреле с появлением солнечных дней картина начинает меняться, влажность в структурах падает, материалы начинают подсыхать, кроме пенополистирола, в котором наблюдаются аномальные процессы, связанные с явлением облитерации, характерными для материалов с сечением пор <10 м. Этот материал трудно отдает влагу и даже при низкой влажности воздуха (6%) способен взять ее в свой адсорбционный слой по максимуму, после чего влагу уже почти не поглощает.
Этот эксперимент показал, что в холодном климате Севера влагосодержание воздуха в любой структуре
80
70
60
m
L-
S 50
ос
.а 40
о
н 30
о
р
1_ 20
10
0
Без добавок 10 20 30
Содержание добавки, %
40
50
Рис. 2. Влияние пористой добавки на прочность тяжелого и легкого бетонов: - влияние пористой добавки на тяжелый бетон; - влияние пористой добавки на легкий бетон
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 70 август 2014 Ы ®
стены становится значительным, снижающим теплозащитные функции утеплителя. Температура влажного воздуха и воды при термодинамическом равновесии равна температуре твердого тела и влагоперенос будет происходить в соответствии с изменением свойств воды и влажного воздуха. Разница между коэффициентами диффузии при положительной и отрицательной температуре начинается уже при незначительном влагосодер-жании, особенно увеличивается при влажности более 47%, когда часть конденсата замерзает [6]. Поэтому в структуре стены необходима воздушная прослойка с пористой облицовкой снаружи, обеспечивающая выход влаги и низкий коэффициент теплопроводности. Хотя замеры в первые годы мониторинга опытного стенда показывали большую эффективность блока с воздушной прослойкой, при замерах через 10 лет эксплуатации кладочный раствор между кирпичами облицовки высох и частично выкрошился и воздух в прослойке быстро охлаждался. Если нет возможности устроить воздушную прослойку, лучшие показатели у однородной структуры керамзитогазобетона (III блок). На рис. 1, а можно проследить снижение температуры в каждом блоке на разной глубине по мере снижения внешней температуры и постоянное отставание по охлаждению на разной глубине в блоке III по сравнению с другими блоками. Снижению температуры в блоках соответствует повышение влагосодержания в воздушной среде на разной глубине в разных структурах, что наглядно отражено на диаграммах влажности и соответствует массопереносу. Блок из керамзитогазобетона (ill), имея большое количество обособленных ячеек и плотные межъячеистые перегородки, способен высыхать за короткое лето, и даже наблюдалось падение влажности во внешнем слое в сильные морозы (—30оС и ниже), что, по-видимому, связано с сублимацией, когда мороз сушит внешний слой стены. В приморском климате с высокой влажностью необходима внешняя облицовка из плотной каменной плитки с воздушной прослойкой между стеной.
Ранее были публикации, когда, ссылаясь на низкую массовую влажность материала стены, считали, что конденсата быть не может, а тем более льда. В местах с более теплым климатом, может быть, это так [7], но в северных зонах страны даже кирпичная стена не гарантирует сухой среды в своем пористом пространстве. В сухой среде высушенная древесина влаги до 20% не наберет. Она высыхает в теплое время года, и надо, чтобы материал стены ее не удерживал, как пенополистирол, а отдавал, как кирпич или керамзитогазобетон. Структура его отличается закрытой пористостью, высокой морозостойкостью.
Еще 50 лет назад было показано, что материал ячеистой связки должен формироваться не на чистом цементе, но без кварцевого песка. Кварцевый песок утяжеляет смесь, увеличивает теплопроводность. Ячеистая структура газобетона имеет развитую удельную поверхность, при тепловой обработке и даже без нее с поверхности уходит вода и гидратация проходит с дефицитом влаги. Для уменьшения испарения целесообразно в состав цемента ввести микрозаполнитель — тонкодисперсные частицы молотого керамзита, шлака или отходов кирпича, зол ТЭС или микрокремнезема. Эта добавка в соотношении 1:0,3 или 1:0,5 (цемент:микрозаполнитель) позволяет увеличить водоудерживающую способность смеси и обладает пуццоланической активностью в большей или меньшей степени, за счет чего увеличивается прочность ячеистой связки на 30—40%, не увеличивая коэффициента теплопроводности (рис. 2). Формовочные смеси должны быть концентрированными, содержать минимально необходимое количество воды, предельно
гомогенизированными до полного смачивания частиц твердой фазы, но с минимальной толщиной водных прослоек между ними [8]. Зола — влагоудерживающий материал; стеновые панели с золой долго стабилизировались и покрылись сеткой трещин, подсыхая, поэтому от этой добавки отказались. Решили молоть керамзитовый гравий и вводить его в качестве мелкого заполнителя. Отпускная влажность изделий сразу снизилась до 10—12%.
В настоящее время есть эффективные пластификаторы, позволяющие приготовить пластичную нерасслаива-ющуюся смесь с невысоким водотвердым отношением. Добавка микрозаполнителя вызывает увеличение общей и капиллярной пористости, так как водоудерживающая способность чистого цементного теста максимум составляет 0,63, тогда как с микрозаполнителем — повышается от 0,66 до 0,72, после чего начинается водоотделение. Для вспучивающейся цементно-кремнеземистой смеси водо-твердое отношение не должно быть низким, чтобы процессу вспучивания не мешала большая вязкость. Но все-таки чем ниже водотвердое отношение, тем плотнее будет структура цементной связки, тем выше прочность, тем больше закрытых пор (таблица).
Опыт изготовления легкого бетона с заполнителем из гранул пенополистирола не показал улучшения теплозащитных качеств и тем более прочности. Эффективнее вставить во внешний слой изделия перфорированный лист утеплителя из пенополистирола, где он мало препятствует миграции влаги, и в холодный период не увеличивает влажность в структуре, а с внешней стороны будет постепенно подсыхать [6].
При исследовании плотности поризованного цементного камня прослеживается прямая зависимость от нее прочности и морозостойкости, а значит, долговечности керамзитогазобетона. Этот материал полностью водой не насыщается.
Максимально допустимая толщина перегородки зависит от размера ячеек и уменьшается с увеличением их радиуса. Наиболее высокую морозостойкость показала структура керамзитогазобетона, имеющего оптимальное соотношение между цементом и микрозаполнителем и наиболее низкое водотвердое отношение, а также оптимальное соотношение между объемом воздухово-влечения и радиусом ячеек вовлеченного воздуха. Наиболее оптимальная структура керамзитогазобетона соответствует материалу стен, из которых сделаны панели домов в северной зоне страны. Однородная структура легкого бетона для стен оправдала себя в условиях Севера за 50 лет эксплуатации.
Выводы
В северной зоне страны стеновые материалы должны иметь структуру, не задерживающую влагу в воздухе своей капиллярной системы. Материал стены за короткое и не всегда теплое лето должен просохнуть и уйти в зиму со своей сорбционной влажностью.
Несмотря на низкую сорбционную влажность материала стены, влага выносится к холоду через капилляры материала с воздухом, в котором содержание ее на холоде повышается до конденсирования на внутреннней поверхности структуры и снижения теплозащитных качеств стены в самые холодные месяцы года. Утепляющие прослойки не должны задерживать выход влаги и просушивание структуры; от косых дождей стену необходимо защищать плиткой на обрешетке.
Такой материал, как пенополистирол, имеющий низкий коэффициент теплопроводности, не пропускает влагу и увеличивает влагосодержание в пористой структуре материала. Поэтому в случае его использования в качестве теплоизолирующего слоя можно его перфорировать.
Ы ®
август 2014
71
Список литературы
1. Седип С.С Тепловлажностный режим наружных ке-рамзитобетонных стен жилых панельных зданий с дополнительным утеплением // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 52-53.
2. Вавренюк С.В., Рудаков В.П. Применение ячеистых бетонов в условиях юга Дальнего Востока России // Жилищное строительство. 2013. № 12. С. 6-7.
3. Рахимбаев Ш.М., Аниканова Т.В. О влиянии размера и формы пор на теплотехнические характеристики ячеистых бетонов // Бетон и железобетон. 2010. № 1. С. 10-13.
4. Патент РФ 2385388 Стеновое ограждение здания / Л.А. Ерохина, Е.М. Веряскина. Заявл. 28.07.08. Опубл. 27.03.2010. Бюл. № 9.
5. Никитина Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах. М.: Энергия, 1968. 500 с.
6. Перехоженцев А.Г. Моделирование температурно-влажностных процессов в пористых строительных материалах. Ч. 10. Расчет коэффициента влагопро-водности влажных пористых материалов в зависимости от температуры и влагосодержания // Строительные материалы. 2013. № 10. С. 46-48.
7. Протасевич А.М., Лешкевич В.В., Крутилин А.Б. Влажностный режим наружных стен зданий в условиях Республики Беларусь // Жилищное строительство. 2013. № 9. С. 37-40.
8. Сахаров Г.П., Стрельбицкий В.П. Перспективы развития производства и повышения качества ячеистых бетонов на традиционной и альтернативной основе // Бетон и железобетон. 2010. № 1. С. 5-10.
References
1. Sedip S.S Heat and humidity conditions haydite concrete exterior walls of residential panel buildings with additional insulation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 6, pp. 52-53. (In Russian).
2. Vavrenyuk S.V.,Rudakov V.P. The use of cellular concretes under conditions of the south of the Russian far east. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 12, pp. 6-7. (In Russian).
3. Rakhimbaev Sh.M., Anikanova T.V. On the influence of pore size and shape on the thermal performance of cellular concrete. Beton i Zhelezobeton. 2010. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
4. Patent RF 2385388 Stenovoe ograzhdenie zdaniya [Wall cladding of the building] / L.A. Erokhina, E.M. Veryaskina. Declared 28.07.08. Published 27.03.2010. Bulletin No. 9. (In Russian).
5. Nikitina L.M Termodinamicheskie parametry i koef-fitsienty massoperenosa vo vlazhnykh materialakh [Thermodynamic parameters and mass transfer coefficients in wet materials]. Moscow: Energiya, 1968. 500 p.
6. Perekhozhentsev A.G Simulation of temperature-humidity processes in porous building materials. Part10. Calculation of a coefficient of hydraulic conductivity of wet porous materials depending on temperature and moisture content. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 10, pp. 46-49. (In Russian).
7. Protasevich A.M., Leshkevich V.V., Krutilin A.B. Moisture conditions of building external walls under conditions of the Republic of Belarus. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 9, pp. 37-40. (In Russian).
8. Sakharov G.P., Strel'bitskii V.P. Prospects for the development of production and improve the quality of cellular concrete on the traditional and alternative basis. Beton i Zhelezobeton. 2010. No. 1, pp. 5-10. (In Russian).
72
август 2014
J^j ®
