Факторы, влияющие на долговечность наружных стен из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения.

Введение

ТКП EN 1990-2011 (02250) «Еврокод. Основы проектирования строительных конструкций», утвержденный приказом Минстройархитектуры от 15.11.2011 № 388, с учетом изменения № 1, регламентирует рекомендуемый проектный срок эксплуатации зданий и сооружений гражданского назначения для массового строительства на территории Республики Беларусь не менее 50 лет. Таким образом, при проектировании зданий следует предусматривать такие материалы, которые не приведут к снижению эксплуатационных свойств конструкций за указанный период.

При этом для обеспечения требуемой долговечности конструкции в первую очередь необходимо учитывать:

• предполагаемые условия эксплуатации;
• свойства и эксплуатационные качества применяемых материалов и изделий;
• конструктивные решения;
• качество выполнения строительных работ и уровень контроля;
• наличие особых защитных мероприятий;
• мероприятия по необходимому техническому обслуживанию в течение проектного срока эксплуатации.

На стадии проектирования условия окружающей среды должны быть определены так, чтобы можно было оценить их влияние на долговечность конструкции и предпринять соответствующие меры с целью защиты примененных материалов.

Одним из свойств материалов, определяющих долговечность наружных стен, является их морозостойкость. Морозостойкость ячеистого бетона согласно СТБ 1570-2005 «Бетоны ячеистые. Технические условия», утвержденному приказом Минстройархитектуры от 22.08.2005 № 208, с учетом изменения № 1, определяется количеством циклов замораживания-оттаивания без существенного снижения прочности и массы образцов, находящихся в водонасыщенном состоянии, что в подавляющем большинстве случаев не соответствует условиям эксплуатации конструкций. В общем случае для оценки долговечности наружных стен необходимо иметь данные не только о морозостойкости материала, находящегося в водонасыщенном состоянии, но и о зависимости количества циклов морозостойкости от влажности материала. При этом, задавая исходные данные о теплофизических характеристиках материалов наружной стены, имеющих определенные начальные влажности, расчетным путем можно получить распределение влажности по толщине конструкции во времени за многолетний период эксплуатации и, в конечном счете, определить период нормальной эксплуатации конструкции.

Исследования зависимости морозостойкости и теплопроводности ячеистого бетона от его влажноСТИ

Исследования в данной области для ячеистых бетонов низких плотностей (от 400 до 600 кг/м3) крайне ограничены. Для уточнения зависимости морозостойкости от влажности, а также коэффициента теплопроводности от влажности при различных (положительных и отрицательных) температурах образцов РУП «Институт БелНИИС» совместно с БНТУ выполнены исследования образцов ячеистого бетона плотностей р = 400 и 500 кг/м3, производимого заводами Республики Беларусь по литьевой технологии. На рисунке 1 показана экспериментальная зависимость количества циклов замораживания-оттаивания (за исключением последней точки кривой) для ячеистого бетона плотностью р = 400 и 500 кг/м3. Последняя точка принята из допущения, что при данной влажности материала в его порах лед не образуется (или его количество незначительно) и тем самым обеспечивается рекомендуемый проектный срок эксплуатации конструкции. Полученные данные могут быть использованы как исходные характеристики морозостойкости материала для дальнейших расчетов долговечности наружных стен.

N, кол-во циклов

Александровским С.В. на базе многочисленных исследований в НИИ строительной физики установлена зависимость, позволяющая рассчитать климатическую долговечность с учетом различных периодов времени и массовых влажностей ячеистого бетона, им соответствующих. В методике предполагается, что влажностный режим наружной ограждающей конструкции является квазистационарным; массовые влажности материалов в зоне промерзания ограждения в зимне-весеннем и летне-осеннем интервалах года известны и не меняются значительно из года в год при многолетней эксплуатации ограждения. Наружные стены из ячеистобетонных блоков с повышенной технологической (строительной) влажностью в процессе эксплуатации будут сохнуть, постепенно снижая влажность материалов. Влажности ячеистого бетона в зоне промерзания конструкции из года в год будут различны. Для таких условий методика Александровского С.В. не позволяет определить долговечность конструкции. Для периодов эксплуатации стен с различной влажностью слоев в зоне промерзания предлагается следующая формула:

где Ɵ - время эксплуатации, лет;
N — выдерживаемое материалом ограждения число циклов попеременного замораживания-оттаивания при стандартных испытаниях на морозостойкость;
WH — массовое отношение влаги в материале при его испытаниях на морозостойкость;
Wp — равновесное массовое отношение влаги в материале, ниже которого лед в нем не образуется;
W_э^1 , W_э^(2...i)- массовые влажности элементарных слоев в зоне промерзания в условиях эксплуатации за первый год и последующий период эксплуатации;
ξл — коэффициент льдистости элементарных слоев в зоне промерзания в условиях эксплуатации;
n1, n2...i- количество переходов через t = 0°С, разделенных по условиям эксплуатации конструкции с различной влажностью.
Для прогнозирования долговечности на основании приведенной зависимости необходимы следующие данные:
теплофизические характеристики материала (зависимости коэффициента теплопроводности от влажности в области положительных и отрицательных температур, коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности, а также коэффициенты паропроницаемости и изотермы сорбции);
равновесное массовое отношение влаги в материале, ниже которого лед в нем не образуется;
зависимость циклов морозостойкости от влажности материала;
расчеты влажностного режима для однолетнего (многолетнего) периода времени с определением влажностей материалов по сечениям стены в осенний, зимний и весенний периоды (помесячно) для каждого года.
Влияние температуры на величину коэффициентов теплопроводности материалов при их различной влажности показано на рисунках 2 и 3

Установлено, что при влажностях, превышающих 17,5% по массе для ячеистого бетона плотностью 500 кг/м3 и 20 % по массе для ячеистого бетона плотностью 400 кг/м3, в области отрицательных температур происходят фазовое превращение воды в лед и резкое увеличение коэффициента теплопроводности материалов. Это означает, что в условиях эксплуатации наружных ограждающих конструкций будет происходить постепенное исчерпание ресурса морозостойкости.

Установленные массовые влажности ячеистого бетона, при которых происходит образование льда в порах материалов, примерно соответствуют 8% объемной влажности, которую и следует считать как критическую для начального периода эксплуатации здания.

Анализ работы конструкций наружных стен, выполненных кладкой из ячеистобетонных блоков классов по средней плотности D400-D500 в климатических условиях Республики Беларусь, следует проводить с учетом следующих положений:

• исходя из полученных результатов испытаний ячеистого бетона в зависимости от температуры только часть жидкой влаги, находящейся в порах материала, переходит в лед, при этом начало образования, льда происходит при температуре порядка t ~ −2,0 °С;
• согласно данным СНБ 2.04.02-2000 Строительная климатология", утвержденных приказом Минстройархитектуры от 07.12.2000 № 563, количество дней с переходом температуры воздуха — через t = 0°С в течение суток находится в пределах 65/77 раз в год в зависимости от региона Республики Беларусь;
• при этом большинство циклов перехода через t =0°С происходит с достижением температуры наружного воздуха не ниже t: = −10°C.

С учетом некоторого запаса для дальнейших расчетов принимался верхний показатель переходов температуры через t = 0°С в течение суток: (n1 + n2...i)= 77 раз в год.

Ориентировочное число лет эксплуатации ячеистого бетона плотностью р = 400-500 кг/м3 до исчерпания его ресурса морозостойкости в зависимости от массовой влажности показано на рисунке 4. Из полученной зависимости видно, что нормируемая долговечность конструкций наружных стен 50 лет и более может быть обеспечена при влажности наружных слоев конструкций, не превышающей 23% по массе. В то же время конструкция, находящаяся в условиях массовой влажности, превышающей 32 %, имеет ресурс долговечности 10 лет и менее.

Следует иметь в виду, влажность ячеистого бетона в конструкции стены эксплуатируемого отапливаемого здания по толщине распределена равномерно. В отопительный период пик влажности под действием механизма переноса влаги за счет термовлаговпроводности смещается к наружной поверхности стены. При этом даже при уровне средней влажности по толщине стены, не превышающем W = 8% по объему, в элементарных слоях ячеистого бетона, примыкающих к наружной поверхности, влажность может превысить критическую, которой начнут происходить микроразрушения материала вследствие образования льда в его порах.

Влияние конструктивных решений наружных стен из ячеистого бетона на их долговечность

Конструктивное решение наружной стены из ячеистобетонных блоков имеет определяющее влияние на ресурс их климатической долговечности. Так, например, наружная облицовка из кирпичной кладки значительно нивелирует температурные колебания в тонких слоях ячеистого бетона, расположенных за кладкой, которые, соответственно, будут испытывать значительно меньшее количество переходов через t = 0°С (они будут происходить при снижении температуры наружного воздуха до tH= −5 °С и ниже). Отделка наружной поверхности стены из ячейстобетонных блоков штукатуркой тонкими полимерцементными растворами практически не влияет на температурный режим наружных слоев кладки, которые будут испытывать значительно большее количество переходов через t = 0 °С. Наилучшим с точки зрения климатической долговечности конструктивным решением наружной стены, выполненной кладкой из ячеистобетонных блоков, является их наружная облицовка вентилируемой фасадной системой с эффективным теплоизоляционным материалом толщиной не менее 50 мм. При таких условиях ячеистый бетон в зимний период эксплуатируется преимущественно в области положительных температур, не испытывая деструкции за счет исчерпывания ресурса морозостойкости.

!!! Таким образом, учитывая конструктивные решения наружных стен в целом, возможна дифференциация требований к морозостойкости ячеистого бетона. К наружным стенам с отделкой плотными штукатурными составами требования по морозостойкости ячеистого бетона должны быть выше, чем, например, к стенам с облицовкой вентилируемой системой утепления или легкой штукатурной системой утепления. В нормативных документах по проектированию наружных стен это предусмотрено.

Еще одной негативной стороной повышенной влажности материала наружных стен является значительное превышение над расчетными теплопотерь через наружные стены в начальный период эксплуатации здания. Например, при возведении кладки толщиной 500 мм из ячеистобетонных блоков марки по средней плотности D500 при влажности материала W = 35% по массе ориентировочное сопротивление теплопередаче конструкции (без учета теплопроводных включений) будет равным RT ~ 1,9 м2•°С/Вт при расчетном сопротивлении теплопередаче стены для условий эксплуатации «Б» по ТКП 45-2.04-43-2006 (02250) «Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования», утвержденному приказом Минстройархитектуры от 29.12.2006 № 374, с учетом изменения № 6, RT ~ 3,2 м2•°С/Вт. Указанное обстоятельство влечет за собой недотоп в помещениях здания и, как следствие, выпадение конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений при герметизации жильцами наружного контура и увеличении относительной влажности внутреннего воздуха.

Заключение

Анализ результатов комплексных исследований ячеистого бетона плотностей р = 400 и 500 кг/м3 позволяет наметить основные пути увеличения климатической долговечности наружных стен из ячеистобетонных блоков:

• применение конструктивных решений наружных стен, имеющих благоприятный влажностный режим, исключающий возможность конденсации водяного пара в толще, и, соответственно, эксплуатация материалов в области их сорбционного увлажнения;
• ограничение начальной эксплуатационной влажности наружных стен из ячеистобетонных блоков до 8-10% по объему, создавая условия для их сушки как после производства, так и при возведении зданий;
• обеспечение комплекса мероприятий по защите горизонтальных участков кладки из ячеистобетонных блоков от дополнительного увлажнения атмосферными осадками во время возведения зданий;
• целесообразность технологических перерывов после выполнения кладки наружных стен до нанесения защитно-отделочных слоев.