Снижение энергопотребления при эксплуатации зданий в условиях постоянного роста цен на топливно-энергетические ресурсы – задача сверхактуальная. Для усиления теплозащиты наружных стен домов используются специально разработанные конструкции – системы утепления. Наибольшее распространение получила конструкция легкой штукатурной системы утепления (рис. 1), что связано в первую очередь с ее высокой технологичностью и относительной дешевизной. Вместе с тем это достаточно сложная многослойная система, требующая строгого соблюдения всех технических решений и технологии производства работ.
Конструкция легкой штукатурной системы наружной теплоизоляции представляет собой теплоизоляционный материал, закрепляемый на подоснове при помощи полимерминерального клея и анкеров. Поверхность теплоизоляционного слоя защищают армированный и штукатурный слои.
Основным несущим элементом легкой штукатурной системы утепления служит материал теплоизоляционного слоя, передающий нагрузки от наружных слоев на стену здания, что требует от минеральной ваты или пенополистирола определенной прочности. Анкерные устройства в основном служат для предотвращения расслоения минераловатного утеплителя. Особенностью легких штукатурных систем утепления также является использование малопаропроницаемых наружных полимерминеральных слоев. Следовательно, при проектировании необходимо учитывать пароизоляционные свойства утепляемых подоснов и применяемого утеплителя, требования по ограничению толщин наружных слоев системы.
С каждым годом объемы работ по тепловой изоляции зданий и сооружений постоянно увеличиваются. К сожалению, качество выполнения работ и материалов, используемых при утеплении, начало снижаться.
В последнее время участились случаи разрушения систем утепления в виде трещин, вздутия штукатурного слоя, шелушения и отслоения окрасочного слоя (рис. 2–6). Образовавшиеся дефекты в значительной степени влияют на эстетические характеристики здания, превращая его из нового и красивого в неприглядное. Однако, если бы проблемы ограничивались только эстетикой, было бы полбеды. Если не устранить причину возникновения дефектов, то в лучшем случае они будут появляться снова и снова (как бы не ремонтировали), а в худшем – приведут к изменению теплозащитных свойств системы, и она уже не будет выполнять теплоизоляционные и энергосберегающие функции.
Для того чтобы выявить причины, вызвавшие те или иные нарушения тепловой изоляции, на всех дефектных объектах произведено детальное обследование со вскрытием конструкций систем утепления и исследованием в лабораторных условиях характеристик как материалов, входящих в конструкцию, так и самих конструкций систем. Данный подход позволил детально изучить проблему, классифицировать и систематизировать причины возникновения дефектов (рис. 7).
Как видно, 55% составляют нарушения технологии выполнения работ и требований проекта; 28% – использование некачественных материалов и материалов-аналогов, не соответствующих данной системе утепления; 10% – неправильные проектные решения; 5% – нарушение правил эксплуатации; 2% – прочие причины.
Таким образом, анализ показывает, что основными причинами, вызывающими разрушение систем тепловой изоляции, являются нарушения правил выполнения работ и использование на строительных площадках некачественных материалов либо материалов неизвестного происхождения (чаще всего штукатурок и красок), несовместимых с материалами, рекомендованными для применения в данных системах.
Несоблюдение технологии связано, как правило, с желанием производителя ускорить выполнение работ и сэкономить на более дешевом и, как следствие, малоквалифицированном рабочем персонале. Типичные нарушения, возникающие на объектах при производстве работ по тепловой изоляции, можно разделить на две части: нарушения при подготовке поверхности утепляемой подосновы и нарушения при устройстве самих систем утепления.
При подготовке утепляемой подосновы чаще всего не соблюдаются нормативные требования по выравниванию поверхностей, имеющих отклонения сверх нормируемых значений; по подготовке подоснов, облицованных керамическими плитками или отделанных декоративной крошкой; по проверке несущей способности анкерных устройств на вырыв из подосновы и адгезии клея к подоснове, в том числе при тепловой изоляции элементов железобетонных каркасов.
При устройстве систем утепления выявлены следующие характерные нарушения:
– недостаточная площадь приклеивания теплоизоляционных плит, отсутствие необходимой площади контакта клея с подосновой;
– снижение адгезии клея к подоснове вследствие его размораживания при частичном утеплении (основных элементов каркаса) из-за ошибочного проектного решения;
– отсутствие двойного армирования поверхностей теплоизоляционных плит на участках, подверженных механическим воздействиям при эксплуатации;
– отсутствие накладок из армирующего материала по углам оконных и дверных проемов;
– необоснованное увеличение толщины армированного слоя;
– невыполнение грунтования поверхности после продолжительных перерывов в работе (от месяца до полугода) при устройстве декоративно-защитного слоя, а также несоблюдение толщины декоративно-защитного слоя.
Использование материалов, которые отличаются от установленных нормативными документами для каждой из систем утепления, приводит к тому, что в первый год эксплуатации декоративно-защитный слой системы утепления покрывается сетью трещин, вспучивается и разрушается.
До последнего времени легкие штукатурные системы утепления были “закрытыми” и замена материалов в их составе не разрешалась. Однако сейчас стали появляться “открытые” системы утепления, допускающие использование в своем составе не оговоренных материалов конкретного поставщика, а практически любых, отвечающих требованиям определенных свойств [2]. Данный подход оправдан с точки зрения удешевления тепловой изоляции, но вызывает дополнительные трудности при проектировании и контроле качества работ. Задача может быть решена при изменении методов испытаний систем утепления.
Анализ нормативно-технической базы по разработке и испытаниям систем утепления показывает, что на сегодняшний день она основывается на определении физико-механических характеристик материалов, входящих в состав той или иной системы утепления, – теплоизоляционного материала, клеевых, штукатурных составов, анкерных устройств и армирующего материала, с учетом которых делается вывод о качестве всей системы в целом. Безусловно, это является правильным, и контроль качества всех материалов, входящих в конструкцию системы утепления, важен при создании качественной системы тепловой изоляции. Ведь всем понятно, что из “плохих” материалов невозможно создать хорошую, надежную конструкцию, даже если это будут делать высококлассные специалисты. Однако если учитывать только этот подход при оценке качества систем утепления, при всей его правомерности следует отметить, что он не принимает во внимание ряд технических и эксплуатационных показателей, таких, как ударостойкость, паропроницаемость, атмосферостойкость, морозостойкость, характерных только для конструкции системы в основном ее наружных слоев на различных утеплителях и др.
Такие характеристики, как коэффициент паропроницаемости и ударостойкость, для отдельных материалов определить невозможно. Например, испытания клеевых составов показали, что коэффициент паропроницаемости армированных составов на 10–15% ниже, чем у таких же неармированных образцов. Различие в значениях можно объяснить тем, что площадь армирующего материала в образцах составляла от 30 до 40% от площади самого образца. Разница в значениях коэффициентов паропроницаемости в настоящий момент не учитывается ни одним нормативным документом.
Определение ударостойкости возможно только при испытании образцов системы утепления, так как данный показатель зависит от вида и толщины утеплителя, структуры штукатурного покрытия.
И это далеко не полный список характеристик, при определении которых необходимо испытывать элементы конструкций, а не отдельные материалы.
В ближайшее время будет поставлена задача значительного увеличения толщины утеплителя (с 50–80 до 130–160 мм). Это вызовет необходимость анализа прочностных и деформационных характеристик элементов системы утепления с применением при расчетах метода конечных разностей, реализуемого в программном обеспечении типа “Лира”.
Использование при проектировании конструкций новых инженерно-вычислительных комплексов ставит перед испытательными лабораториями ряд задач по определению таких характеристик материалов, которые не приводятся сегодня в литературных и технических источниках. Для этого потребуется разработка новых методов испытаний, а зачастую и нового уникального для нашей страны испытательного оборудования.
При создании компьютерных моделей конструкций систем утепления одних только показателей прочности недостаточно. Понадобятся такие характеристики, как модули упругости, коэффициенты Пуассона, податливость материала под нагрузкой. Определить их с использованием имеющегося сегодня в большинстве лабораторий оборудования – довольно сложная и трудоемкая задача.
На основании проведенных исследований, испытаний и контроля качества систем тепловой изоляции можно сделать вывод, что сегодняшний подход к испытаниям материалов, входящих в состав систем утепления, не позволяет в полной мере определить все технические характеристики ее элементов, необходимые для достоверной оценки качества системы как конструкции. Решение данной проблемы видится в разработке комплекса испытаний конструкций систем утепления, охватывающего определение всего спектра необходимых на сегодняшний момент технических характеристик. Комплексный подход позволит более точно определить действительные технические характеристики тепловой изоляции наружных стен зданий и выносить суждения об области применения той или иной системы.
На начальном этапе подготовки работы по созданию комплекса методов испытаний конструкции тепловой изоляции изучены условия, в которых эксплуатируются системы тепловой изоляции, и факторы внешнего воздействия на нее. Поскольку система утепления является многослойной конструкцией, рассмотрены возможные негативные воздействия на отдельные ее слои.
На основании проведенных работ установлены условия, в которых находятся слои системы тепловой изоляции. При оценке условий учитывались такие показатели, как температура в слое, влажность материала, влияние на него прямых солнечных лучей, атмосферной влаги и водяного пара.
Из таблицы видно, что в наиболее неблагоприятных эксплуатационных условиях находятся декоративно-защитный, армированный слои и примыкающая к ним часть теплоизоляционного слоя. Клеевой слой конструкции находится в относительно благоприятных условиях и защищен от низких температур, прямых солнечных лучей и атмосферной влаги.
Низкие температуры оказывают влияние на теплоизоляционный слой, но распространяются не по всей толщине материала. Распределение температуры в наружной ограждающей конструкции жилого здания при толщине утеплителя 50 мм показано на рис. 8.
Как видно, область отрицательных температур начинается приблизительно в центре теплоизоляционного слоя и распространяется на наружные защитные слои.
Воздействия атмосферной влаги на теплоизоляционный слой не происходит. Однако в зимний период в нем возможна конденсация влаги, вследствие чего данная область материала изменяет свои теплотехнические свойства, а в процессе замораживания-оттаивания претерпевают изменения прочностные свойства. Проведенные натурные исследования показывают, что прочность сцепления наружных слоев с теплоизоляционным материалом после 5 лет эксплуатации может снижаться на 15–20%, а теплозащитные свойства в конце отопительного периода при максимальном влагонасыщении – до 25%.
В лаборатории ГП “Институт НИПТИС им. Атаева С.С.” на протяжении последних лет накоплен опыт испытания конструкций систем утепления, оценки их качества. Разработано новое и модернизировано имеющееся оборудование для проведения физико-механических и климатических испытаний.
В настоящее время прорабатывается методика определения срока эксплуатации систем утепления. На данном этапе осуществляется сбор статистической информации о сопоставлении результатов лабораторных испытаний и изменений фактических свойств элементов конструкции при ее эксплуатации.
Проведенные работы уже на начальном этапе подтверждают правомерность суждения автора о необходимости рассмотрения при испытаниях системы тепловой изоляции как самостоятельной конструкции.
Переоборудование лаборатории позволяет разработать новые методы испытания систем утепления, в частности определение:
– ударостойкости;
– предела прочности при сжатии и построение условной диаграммы сжатия;
– предела прочности при растяжении и построение условной диаграммы растяжения;
– предела прочности при сдвиге и построение диаграммы сдвига;
– предела прочности на отрыв от подосновы;
– деформаций ползучести при сжатии;
– деформаций ползучести при сдвиге;
– водопоглощения при капиллярном подсосе;
– морозостойкости;
– атмосферостойкости.
Полученные при испытаниях технические характеристики, значительно влияющие на качество и энергоэффективность тепловой защиты конструкций, позволят также использовать современные технологии при расчете и проектировании систем утепления.
По мнению автора, внедрение в практику новых методов испытания конструкций систем утепления позволит не допустить использования на строительных объектах некачественных систем утепления с низкими эксплуатационными характеристиками, обеспечит высокий уровень качества работ по тепловой изоляции при значительно увеличивающихся объемах и будет способствовать снижению ее стоимости при возможности применения новых “открытых” систем утепления.
Для широкого распространения разработанных методов испытаний и контроля качества выполнения работ необходимо внести дополнения в нормативную базу, регламентирующую их проектирование и производство.
Литература
1. Соколовский, Л.В., Кузьмичев, Р.В. Современные ограждающие конструкции. – Мн.: РУП “Минсктиппроект”, 2004. – 277 с.
2. Рекомендации по расчету и проектированию наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений с применением теплоизоляционных материалов “Стироформ”. Система “Стиротерм”, Р 1.04.045.08. – Мн., 2008.
3. Урецкая, Е.А. Строительные смеси: материалы и технологии: Науч.-практ. пособие / Урецкая Е.А., Батяновский Э.И.; под общ. ред. Е.А. Урецкой. – Мн.: НПООО “Стринко”, 2001. – 208 с.
Таблица
Слои системы утепления
Воздействие низких отрицательных и высоких положительных температур
Механические воздействия и нагрузки
Воздействие прямых солнечных лучей
Воздействие атмосферной влаги
Воздействие водяного пара
Декоративно-защитный слой
+
+
+
+
+
Армированный слой
+
+
-
-
+
Теплоизоляционный слой
+ -
+
-
-
+
Клеевой слой
-
+
-
-
+