Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий
Проанализированы причины разрушения штукатурных и кирпичных облицовочных слоев многоэтажных зданий, представлены предложения по повышению долговечности и теплозащитных свойств для проектирования наружных стен новых зданий.
Одним из основных направлений при реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье -гражданам России» является повышение долговечности наружных стен зданий при рациональном уровне теплоизоляции. Необходимость совместного решения этих вопросов обусловлена не только первоначальной стоимостью жилья, но и эксплуатационными затратами на отопление, текущий и капитальный ремонт.
С 1995 г. нормативные требования к теплозащитным свойствам наружных стен жилых зданий были повышены более чем в три раза [1, 2]. Для достижения установленного уровня теплоизоляции стен в основном применяют минера-ловатные и пенополистирольные плиты в многослойных конструкциях. Реже используются теплоэффективные крупноформатные керамические камни, легкие керамзито-бетонные, полистиролбетонные и ячеисто-бетонные блоки.
В целях повышения прочности и долговечности применяются металлические и железобетонные элементы. Однако наличие в узлах стен высокотеплопроводных материалов в сочетании с утеплителями приводит к повышению влажно-стного режима и концентрации напряжений в некоторых участках стен и, как следствие, к снижению долговечности. До настоящего времени на стадии проектирования влияние этих факторов не оценивалось, так как не были разработаны инженерные методы расчета узлов сопряжения конструкций. Ускорению процесса разрушения конструкций также способствует низкое качество строительных работ.
В неблагополучном техническом состоянии находятся многослойные теплоизоляционные фасадные системы с облицовочным штукатурным слоем, нанесенным мокрым способом на мягкие утеплители по стекловолоконной сетке.
Применяемая с 1959 г. в Германии многослойная теплоизоляционная фасадная система (WDV-Systeme) получила широкое распространение в Европе к середине 90-х гг., а с 1997 г. и в России. Она состоит из бетонной или кирпичной конструктивной части, к которой приклеен и закреплен дюбелями теплоизоляционный слой, армированная сетка из стекловолокна, акриловая грунтовка, содержащая кварцевый песок, и декоративный штукатурный слой. Требуемое качество возведения таких конструкций стен достигается при условии привлечения рабочих, владеющих несколькими строительными специальностями. По стоимости и многостадийности 1 м² такой фасадной системы при общей толщине 420-520 мм превышает кирпичную стену с облицовочным слоем общей толщиной 640 мм, тем более стену из ячеисто-бетонных блоков.
Наиболее слабым элементом в фасадной системе скрепленной теплоизоляции является наружный отделочный (штукатурный) слой. Аналогов ему в отечественной строительной документации не существует. Несмотря на очевидную ненадежность конструктивного решения облицовочного слоя и теплоизоляционной системы в целом, зарубежные фирмы, поставляющие такие системы на российский рынок, декларируют их долговечность не менее 25 лет [3]. Опыт эксплуатации большинства зданий со скрепленной системой теплоизоляции, возведенных в нашей стране с 1997 г., показал, что из-за трудностей выполнения технических условий [4] они через 2-4 года требуют проведения ремонтно-восстановительных работ.
В большинстве фасадных систем вместо жестких мине-раловатных плит применяют полужесткие и мягкие (плотностью 50-100 кг/м3). Низкое качество работ и применение подменных материалов [5] приводит к появлению трещин. Горизонтальные трещины образуются в результате сдвига штукатурного слоя фасадной системы по высоте здания. Трещины, расходящиеся в стороны от углов оконных проемов, являются следствием некачественного армирования этих зон (рис. 1, 2). Более подробно причины разрушений рассмотрены в статье [6].
Трудности в обеспечении требуемого качества строительных работ характеризуют систему скрепленной изоляции как ненадежную в эксплуатации и не обеспечивающую долговечность многоэтажных зданий. Поэтому целесообразно ограничить её применение малоэтажным строительством.
Разрушение облицовочного слоя из лицевого керамического кирпича в наружных стенах из облегченной кладки происходит из-за ошибок, допускаемых проектировщиками, низкого качества строительных работ и существенного различия в физических свойствах поставляемого пустотелого лицевого кирпича. Частично они стали проявляться на 5-7-м году эксплуатации зданий в виде трещин на фасадах, разрушений лицевого керамического кирпича в зоне перекрытий, от механических нагрузок в узлах сопряжений облицовочного слоя с конструктивными элементами здания.
Отсутствие армирования горизонтальных рядов кладки в облицовочном слое, а также некачественная установка гибких металлических связей, соединяющих облицовочный слой с конструктивными элементами стены, или полное их отсутствие являются причиной появления вертикальных трещин (рис. 2). Отслоению и падению лицевого кирпича и морозному разрушению, а также разрушению раствора, закрывавших торцы железобетонных перекрытий, способствовало недостаточное утепление этих зон.
Рис.1. Разрушение штукатурного слоя многослойной теплоизоляционной системы многоэтажного здания: а — Москва, ул. Маршала Василевского; б — Москва, ул. Архитектора Власова
Прикрепленные к железобетонным перекрытиям металлические уголки, на которые устанавливается облицовочная кладка из кирпича, способствуют образованию конденсата, который впитывается кирпичом и при заморозках разрушает облицовочный слой.
Рис. 2. Разрушение облицовочного слоя из лицевого пустотелого керамического кирпича в 18-этажном жилом здании (Москва, ул. Зоологическая)
Рис. 3. Внешний вид отремонтированного облицовочного слоя из лицевого пустотелого керамического кирпича (Москва, ул. Лавочкина)
Особенно это заметно при эксплуатации пустотелого лицевого кирпича в облицовочном слое стен с плохо вентилируемой воздушной прослойкой. Поэтому выполненные ремонтные работы на ряде зданий не приостановили отслоения и падения лицевых кирпичей. На рис. 3 видно, что эпизодические ремонты приводят к ухудшению внешнего вида фасада.
В сложившихся условиях применение лицевого керамического кирпича для облицовки наружных трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции может представлять опасность для людей, находящихся около здания.
Поэтому применение лицевого кирпича для облицовки наружных трехслойных стен, выполняемой непосредственно на стройке в виде штучных элементов, также целесообразно ограничить малоэтажным строительством. Для многоэтажных зданий его следует использовать в виброкирпичных панелях заводского изготовления. Опыт их применения хорошо известен за рубежом и в России.
Следует отметить, что в стенах зданий, построенных в 2000-2005 гг. из крупноформатных керамических камней с облицовочным слоем из пустотелого кирпича, соединенного тычковыми рядами или гибкими связями, не обнаружено разрушений лицевых кирпичей. Этому способствовала созданная кладочным раствором сплошная стена с повышенной характеристикой тепловой инерции (Д=10,3),
почти в два раза превышающей аналогичный физический параметр для трехслойной стены с мягким утеплителем при одинаковом термическом сопротивлении, равном 3 м²оС/Вт. Повышение характеристики тепловой инерции сплошных кирпичных стен позволяет сократить количество переходов наружной температуры через 0°С в зимне-весенний и осенне-зимний периоды года и тем самым повысить безремонтный срок эксплуатации облицовочного кирпичного слоя.
Отсутствие системного подхода к решению задачи энергосбережения проявилось в неподготовленности проектных организаций к разработке долговечных наружных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплоизоляции. Это привело к существенным затратам на их восстановление, превышающим предполагаемую экономию от сокращения расходов на отопление зданий. Ведущие специалисты страны неоднократно предупреждали об этом [7-11].
Наружные ограждения с повышенным уровнем теплоизоляции по температурному, влажностному и воздушному режимам существенно отличаются от ранее применяемых сплошных конструкций стен. Это неизбежно ускорит разрушение облицовочного слоя даже качественно построенных зданий.
Рис. 4. Температурный резким наружной стены с различным уровнем теплоизоляции при расчетных значениях tн=—25°C; tв=20°C; 1 — К0=1,2²-°С/Вт; 2 — К0=3,2м²-°С/Вт
Одновременно с введением новых норм по теплозащитным свойствам стен необходимо было скорректировать и требования к морозостойкости, прочности, другим физическим параметрам лицевого керамического кирпича в СНиП 11-22-81* [12]. Такой подход обусловлен основным принципом, заложенным в [13] при прогнозировании долговечности наружных стен. Отсутствие комплексного подхода к решению проблемы долговечности наружных трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции, облицованных лицевым керамическим кирпичом, неизбежно станет причиной второго этапа их разрушения через 20-30 лет.
Основным фактором, влияющим на разрушение лицевого керамического кирпича в облицовочном слое наружных стен в условиях эксплуатации, являются переменные температурно-влажностные воздействия наружной среды в осенне-зимний и зимне-весенний периоды года. Количество переходов наружной температуры через 0°С в облицовочном слое в это время зависит от климата региона строительства. Эта специфика не учитывается при назначении марки по морозостойкости лицевого кирпича, применяемого для облицовочного слоя наружных стен. Не учитывается также уровень теплоизоляции наружных стен.
В нормативном документе СНиП 11-22-81* нормируемое значение марки по морозостойкости для лицевого кирпича сплошных кирпичных стен при нормальном влажностном режиме помещений зданий составляет F25, а для многослойной кладки F35. Они обеспечивали требуемый срок службы стен до капитального ремонта с уровнем теплоизоляции, действовавшим до 1995 г.
Выполненные исследования в климатической камере и натурных условиях, а также расчеты температурных полей наружных стен с уровнем теплоизоляции (R0) от 1,2 до 4,2 м2оС/Вт показали, что увеличение сопротивления теплопередаче наружных стен приводит к более глубокому промерзанию облицовочного слоя (рис. 4).
Рис. 5. Среднестатистические расчетные характеристики климатической активности (полупериоды Р, амплитуды А) и среднемесячная температура (tcp) зимне-весеннего периода для Москвы
В течение зимне-весеннего периода в Москве при средней температуре наружного воздуха -4,7°С (март), максимальной температуре оттепели до +2,3°С с полупериодом 7,6 сут и заморозка до -9,1 °С с полупериодом 5,4 сут повышение R0 стены с 1,2 до 3,2 м2-°С/Вт снижает температуру облицовочного слоя на границе с утеплителем с +1,6°С до -6,2°С (рис. 5). При этом увеличивается средняя температура промерзания облицовочного кирпичного слоя толщиной 120 мм с -3,3°С до -7,5°С.
Рис. 6. Зависимость средней температуры облицовочного слоя (I) из керамического лицевого кирпича от повышения сопротивления теплопередаче стены (R0): 1 — при заморозках (tg=20°C, t«.cp. = -4,7°C), и.3=-9,ГС, Рз=5,4 сут, AtH.3=4J4″C;2-приоттепели (te=20°C, t„.cp. = —4,7°C), tH.0. = +2,3 С, Рз = 7,6 сут, Аш.о=7°С; 3 — при заморозках облицовочного слоя с вентилируемой воздушной прослойкой; 4 — то же при оттепели
На рис. 6 показано изменение средней температуры облицовочного слоя в зависимости от увеличения сопротивления теплопередаче наружных стен при циклическом воздействии температуры наружного воздуха в зимне-весенний период года. Общее количество циклов в осенне-зимний и зимне-весенний интервалы года с полупериодами, приводящими к полному промерзанию и оттаиванию лицевого кирпича в облицовочном слое толщиной 120 мм, например для Москвы, составляет 6. Для регионов с более континентальным климатом количество циклов существенно увеличивается: для Новосибирска — 10, а для Сургута -11. При этих циклах облицовочный слой промерзает в стенах с R0=1,2 м2-°С/Вт до -2,7°С; при R0=2,2 м2-°С/Вт до -6,8°С и R0=3,2 м2-°С/Вт до -7,5°С. Таким образом, чем выше значение уровня теплоизоляции стены, тем больше образуется льда в порах лицевого кирпича и тем быстрее он разрушается.
Очевидно, что количество промерзаний, приводящих к разрушению лицевого керамического кирпича в облицовочном слое стены, зависит от уровня теплоизоляции стены и количества циклов перехода наружной температуры через 0°С [14].
Руководствуясь таким подходом и установленными нормами по межкапитальным ремонтным срокам сплошных кирпичных стен, равным 50 лет [15], количество циклов за
мораживания и оттаивания для Москвы составляет 300, для Новосибирска 500, для Сургута 550. Вместе с тем для всех указанных регионов страны с существенно отличающейся континентальностью климата морозостойкость кирпича нормируется независимо от уровня теплоизоляции стен.
Долговечность лицевых пустотелых керамических материалов при одинаковой марке по морозостойкости в условиях эксплуатации в наружных сплошных кирпичных стенах может существенно отличаться [16, 8]. На различие в сроке службы оказывает влияние расположение пустот в кирпичах и камнях, а также расположение облицовочных материалов в кладке стены. Нерациональное расположение пустот создает в облицовочном слое стены участки с пониженными теплозащитными свойствами и повышенной паропроницаемостью. Последняя способствует концентрации влаги на внутренней поверхности наружных керамических стенок, что приводит к их переувлажнению и преждевременному разрушению.
Поэтому предлагается для повышения долговечности и теплозащитных свойств облицовочного слоя, связанного с основной частью сплошной кирпичной стены тычковыми рядами с R0=1,5-2,5, использовать лицевой кирпич с рациональным расположением пустот с морозостойкостью не ниже F35. Конструктивные решения лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот приведены на рис. 7, а, б. С некоторым приближением им соответствует лицевой керамический кирпич, выпускаемый ОАО «Победа ЛСР», обеспечивающий одинаковую теплопроводность и паропроницаемость в тычковом и ложковом направлениях с маркой по морозостойкости F50, F75, F100 (рис. 7, г).
Для облицовочного слоя, соединяемого с основной частью сплошной кирпичной стены с помощью гибких металлических связей с R0=1,5-2,5, предлагается применять лицевой кирпич с горизонтально расположенными пустотами с маркой по морозостойкости не ниже F35 (рис. 7, в). Причем ширину пустот необходимо принимать равной 10 мм. При такой ширине значительно увеличивается количество пустот в кирпиче, повышается термическое сопротивление облицовочного слоя и практически исключается их заполнение кладочным раствором [14,16].
В трехслойных наружных стенах с минераловатными плитами диффундирующий из помещения пар, встречая на пути низкое значение сопротивления паропроницаемости утеплителя, перемещается к облицовочному слою с более высокой температурой и в большем количестве по сравнению с другими плотными теплоизоляционными материалами. Пар конденсируется на внутренней поверхности лицевого кирпича облицовочного слоя в виде инея. При потеплении иней переходит в жидкую влагу, которая впитывается в кирпич, а затем при заморозках переходит в твердое состояние, то есть в лед, который разрушает лицевой кирпич с внутренней стороны. Поэтому в трехслойных стенах при применении минераловат-ных плит следует в качестве облицовочного материала применять полнотелый или пустотелый кирпич с размерами пустот, исключающими их заполнение раствором с повышенной маркой по морозостойкости F50-F75.
Температурный режим облицовочного слоя наружных стен с вентилируемым фасадом в связи с его независимым от утепленной части стены температурно-влажностным режимом практически подвержен даже суточным периодическим заморозкам и оттепелям. Поэтому в осенне-зимний и зимне-весенний периоды года происходит значительно большее количество циклов замораживания и оттаивания по сравнению с облицовочными слоями вышерассмотренных конструкций стен.
Особые эксплуатационные условия в облицовочном слое наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой создаются в результате двухстороннего контакта с наружным воздухом, что приводит к повышенному влагосодержанию кладочного раствора и кирпича в пасмурную погоду и при дожде. Ускорению процесса сверхсорбционного увлажнения лицевого керамического кирпича в облицовочном слое способствует более влажный цементно-песчаный кладочный раствор, расположенный в швах кладки и пустотах кирпичей.
В результате влажность лицевого кирпича может достигать значения, близкого к максимальному водопоглощению. Лицевой кирпич разрушается при заморозках и оттепелях с обеих сторон. Поэтому при наличии воздушной прослойки предлагается облицовочный слой выполнять из полнотелого кирпича с маркой по морозостойкости F100 независимо от уровня теплоизоляции стены.
В последние годы модернизированы многие кирпичные заводы, усовершенствованы технологии, что позволило организовать выпуск лицевого кирпича повышенной морозостойкости. Это учтено в ГОСТ 530-2007 [17], где требования к лицевому кирпичу по морозостойкости повышены до марок F50, F75, F100. Применение кирпича повышенной морозостойкости позволит увеличить долговечность облицовочного слоя современных конструкций наружных сплошных кирпичных и трехслойных стен с повышенным уровнем теплоизоляции.
В действующем нормативном документе [15] установлена продолжительность эксплуатации до капитального ремонта для сплошных кирпичных стен 40-50 лет, для стен из облегченной кладки с теплоизоляционным слоем — 30 лет. Как правило, нормативный срок до капитального ремонта подтверждается в условиях эксплуатации при применении в качестве лицевого кирпича пустотелых керамических изделий с маркой по морозостойкости F25 и F35 для стен с приведенным сопротивлением теплопередаче R0=1 м2-°С/Вт. Поэтому эти марки по морозостойкости приняты в качестве базовых значений.
На основании результатов натурных исследований долговечности облицовочных слоев наружных стен зданий, эксплуатируемых 40-55 лет, а также обработки метеоданных разработана программа для прогнозирования морозостойкости и других физических и механических параметров лицевого керамического кирпича в конструкциях наружных стен с уровнем теплоизоляции, обеспечивающим требуемую продолжительность эксплуатации до первого капитального ремонта и срок службы в целом [18].
Анализ причин разрушения штукатурных облицовочных слоев теплоизоляционных фасадных систем многоэтажных зданий показал, что они происходят в результате привлечения рабочих низкой квалификации, нарушающих технологический регламент и требования технических условий, а также применения материалов низкого качества. Разрушение лицевого керамического кирпича в облицовочном слое трехслойных стен зданий является следствием недоработок конструкций стен в проектах зданий и нарушения технологии производства строительных работ.
Рис. 7. Конструкции лицевых керамических кирпичей с рациональным располозкением пустот: а, б — для облицовки сплошных кирпичных стен с креплением тычковыми рядами; в — для облицовки сплошных кирпичных и трехслойных стен с креплением гибкими связями; г — лицевые керамические кирпичи ОАО «Победа ЛСР»
Сопоставление полученных результатов натурных обследований и экспериментальных лабораторных данных показало, что облицовочные слои из лицевого керамического кирпича наружных трехслойных стен по сравнению с облицовочными штукатурными слоями теплоизоляционных фасадных систем представляют более надежные и долговечные в эксплуатации конструктивные решения. Этому способствует почти шестикратное различие в толщине и теплозащитных качествах облицовочного кирпичного слоя по сравнению со штукатурным, более высокое значение характеристики тепловой инерции и пониженное влагосодержание. Особо следует отметить прочное и более надежное соединение кирпичного облицовочного слоя с основной конструкцией сплошной кирпичной стены, выполненной из крупноформатных теплоэффективных керамических камней.
Список литературы
1. СНиП П-3-79* Строительная теплотехника.
2. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
3. Каталог систем наружной теплоизоляции «Бауколор», 1997.
4. Техническое свидетельство Госстроя России NTC-07-0417-02 от 18.02.2002 г.
5. НОВИКОВ А.В. Некоторые аспекты управления качеством при производстве работ по наружному утеплению фасадов зданий с применением «мокрых» тонкослойных систем // ССК. Стены и фасады. 2002. №№ 2-3.
6. Лобов О.И., Ананьев А.И. Долговечность облицовочных слоев наружных стен многоэтажных зданий с повышенным уровнем теплоизоляции // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 56-59.
7. Гагарин В.Г. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий (изменения № 3 СНиП И-3-79*). Сб. докладов III научи. -практич. конф. НИИСФ, М., 1998.
8. Лобов О.И., Ананьев А.И., Вязовченко П.А. и др. (всего24 автора). В защиту отечественного строительства и промышленности строительных материалов // Строительный эксперт. 2001. № 10 (101), № 11(102).
9. Иванов ГС. Внимательный взгляд на строительную теплотехнику // Строительный эксперт. 2001. № 20 (111).
10. Лобов О.И., Ананьев А.И., Кувшинов Ю.Я. и др. Взгляд на энергосбережение сквозь стены // Строительный эксперт. 2004. № 5 (168).
11. Лобов О.И., Ананьев А.И., Кувшинов Ю.Я. Приведение нормирования теплозащитных качеств наружных стен зданий в соответствие с Федеральным законом «О техническом регулировании»: Сб. докл. Международной научн.-техн. конф. МГСУ М., 2005.
12. СНиП 11-22-81* Каменные и армокаменные конструкции. М., 2004.
13. Александровский СВ. Долговечность наружных ограждающих конструкций. М.: РААСН, 2004. 332 с.
14. Ананьев А.А. Повышение долговечности лицевого керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. М. 2007.
15. ВСН 58-88(р) Положение об организации и проведении реконструкции, ремонта и технического обслуживания зданий, объектов коммунального и социально-культурного назначения. Нормы проектирования. М., 1990.
16. Ананьев А.А., Козлов В.В., Дуденкова Г.Я., Ананьев А.И. Долговечность лицевого кирпича и камня в наружных стенах зданий // Строительные материалы. 2007 № 2. С. 56-58.
17. Межгосударственный стандарт ГОСТ 530-2007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. М., 2007.
18. Стандарт РОИС. СТО 00044807-001-2006. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий. М., 2006.
О.И. ЛОБОВ, д-р техн. наук, председатель правления РОИС, А.И. АНАНЬЕВ, д-р техн. наук, директор научного центра РОИС (Москва)