Долговечность трехслойных стен с облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты

УДК 692.22

Н.П. Умнякова

НИИСФ РААСН

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ТРЕХСЛОЙНЫХ СТЕН С ОБЛИЦОВКОЙ ИЗ КИРПИЧА С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

Рассмотрены возможные причины разрушения слоистых конструкций наружных стен с эффективным утеплителем толщиной 120...150 мм и наружной облицовкой из кирпича. Проведенный сопоставительный анализ характера распределения температур в толще трехслойных стен показал, что полное промерзание кирпичной облицовки при толщине утеплителя 120 мм происходит при температуре наружного воздуха -1 °С, в то время как при толщине утеплителя 50 мм облицовка промерзает при температуре наружного воздуха -3 °С. Учитывая характер распределения средних температур по месяцам, в т.ч. в осенний период, можно предположить, что при средней температуре ноября -2,2 °С вероятность промерзания кирпичной облицовки при большей толщине утеплителя значительно выше, чем при 50-миллиметровом утеплителе. Анализ среднемесячных температур наружного воздуха и амплитуды их колебаний позволил установить, что полное промерзание наружной кирпичной облицовки при толщине утеплителя 120 мм происходит в среднем в течение 6 мес., в то время как при малой толщине утеплителя полное промерзание облицовки может происходить лишь в течение 4 мес. Большая толщина теплоизоляционного слоя приводит к тому, что температурные деформации и напряжение в толще наружного слоя кирпича оказываются большими. Все эти факторы в комплексе способствуют ускоренному разрушению кирпичной облицовки слоистых стен.

Ключевые слова: кирпичная облицовка, трехслойные стены, утеплитель, дефекты, температура наружного воздуха, амплитуда, температурные деформации, напряжение.

Россия является одной из самых холодных стран мира. Практически на всей ее территории в зимнее время лежит снег, имеются регионы с континентальным и резко континентальным климатом. На большей части средние температуры января колеблются от -10 до -40 °С. Поэтому вопросам теплозащиты зданий в России всегда отводилось большое значение. На Руси строились здания с массивными толстыми каменными стенами, а также с трехслойными стенами. В частности, стены храма Рождества Богородицы, возведенного в XVII в., в Саввино-Сторожевском монастыре, являются трехслойными: внутренняя и наружная части стен выполнены из плотного камня, а пространство между ними заполнено более легким известняком. Этот храм простоял несколько веков и до сих пор находится в хорошем состоянии без каких-либо серьезных разрушений.

В массовом строительстве особенно активно трехслойные конструкции наружных ограждений стали применяться с 70-х гг. XX в. В качестве теплоизоляционного слоя использовались цементный фибролит, минеральная вата, полистирол. Толщина слоя утеплителя составляла 50 мм. Более чем 40 лет эксплуатации подтвердили их высокие теплозащитные характеристики и долго-

вечность. Как известно, первые нормы по тепловой защите были приняты в России (СССР) в 1928 г. и действовали до конца XX в. С конца 1920-х гг. и до

1995 г. тепловая защита стен устанавливалась на уровне Я ~ 1 м2 °С/Вт [1]. В

1996 г. в России были введены новые требования по тепловой защите [2], и с 2000 г. уровень тепловой защиты стен назначался из условий энергосбережения и для Москвы составляет сейчас Япр ~ 3,13 м2 °С/Вт [3].

Введение этих норм привело к тому, что в строительстве РФ началось применение только трехслойных конструкций наружных стен с утеплителем толщиной 120.. .150 мм. Однако слоистые стены с облицовкой кирпичной кладкой начали активно разрушаться. Сегодня из 450 зданий с облицовкой кирпичом, построенных в Москве за последние 6 лет, 156 требуют срочного капитального ремонта.

Наиболее типичными дефектами этих стен являются: вертикальные и косые трещины в кирпичной кладке; вертикальные трещины на углах здания; вертикальные трещины и разрушение кирпичной кладки в зоне перекрытий; разрушение кирпича и выпадение частей кирпича из кладки; разрушение облицовки торцов перекрытия; высолы на стенах, свидетельствующие о постоянном увлажнении кладки и процессе ее высыхания с наружной стороны; разрушение облицовочного слоя кирпича; необходимость устройства защитных сеток и решеток для защиты людей от падающего на землю кирпича; промерзание стены в зоне стыка с перекрытием; увлажнение внутренней части стены, намокание поверхности из-за образования конденсата, появление плесени, шелушение штукатурки; отслоение обоев из-за намокания стены; развитие плесени в зоне междуэтажных перекрытий; систематическое увлажнение облицовки под оконными проемами; систематическое увлажнение облицовки в зоне перекрытий и на поверхности облицовки (хаотическое расположение мокрых пятен); обрушение стен.

Из-за многочисленных дефектов облицовочного слоя слоистые конструкции наружных стен с эффективным утеплителем и кирпичной облицовкой запрещены в Москве, Московской области, Казани. Однако исследования для выявления причин разрушения облицовки из кирпича не проводились.

Конструктивно стены представляют собой наружный облицовочный кирпичный слой, утеплитель из минеральной ваты или пенополистирола толщиной 120.150 мм. Изнутри расположена внутренняя кирпичная кладка толщиной 250 мм или тяжелый бетон, или блоки из пено-, газобетона. Учитывая, что уже было построено много трехслойных кирпичных стен с утеплителем 50 мм, которые стоят в настоящее время без разрушений, мы провели сравнение характера распределения температур в толще стен при толщине утеплителя 50 и 100 мм. В результате анализа проведенных расчетов [4] мы получили, что при температуре наружного воздуха -1 °С происходит полное промерзание облицовочного слоя из кирпича (нулевая изотерма проходит по границе утеплителя) при толщине утеплителя 100 мм (рис. 1). При утеплителе толщиной 50 мм промерзание наступает при температуре -3 °С (рис. 2), т.е. замерзание кладки при толстом утеплителе происходит при более теплых температурах.

1/2013

б

а

Рис. 1. Характер распределения температур в толще трехслойных стен:

а — с утеплителем 50 мм; б — с утеплителем 100 мм

Рис. 2. Сравнительный анализ распределения температур внутри трехслойных стен: а — с утеплителем 50 мм; б — с утеплителем 120 мм

Анализ средних месячных температур наружного воздуха в г. Москве показал, что среднемесячная температура наружного воздуха ниже -1 и выше -3 °С наблюдается в ноябре (табл.) [5]. Это значит, что наружная кладка стены с 50-миллиметровым утеплителем не промерзает полностью, а при утеплителе 100 мм промерзает.

Среднемесячные температуры в г. Москве

Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Средняя температура месяца, °С -10,2 -9,6 -4,7 4,0 11,6 15,8 18,1 16,2 10,6 4,2 -2,2 -7,6

Средняя амплитуда колебания температуры 6,2 6,9 7,4 8,5 10,4 10,7 10,4 10 8,6 5,7 4,6 4,6

Максимальная амплитуда колебания температуры 22 22,2 19,2 19,9 21,5 18,7 18,5 21,9 22,4 20,6 20,6 17,1

Если учесть, что в октябре температура составляет 4,2 градуса, а средняя амплитуда — 5,7 градуса [6, 7], то, значит, в октябре также в среднем температуры опускаются ниже -1 °С (до -1,5), но не достигают отметки -3 °С. Анализируя параметры наружного воздуха и распределение температур, можно сделать вывод, что стена при утеплителе 100 мм и более промерзает чаще, чем при утеплителе толщиной 50 мм. Наибольшее число переходов через 0 °С наблюдается в весенне-осенние месяцы. Конструкция с толщиной утеплителя 100 мм и более промерзает в течение 5 мес., а конструкция с утеплителем толщиной 50 мм — в течение 3 мес. Постоянное чередование замерзания и оттаивания ведет к снижению прочности кирпича облицовочного слоя, появлению трещин, разрушению отдельных кирпичей.

Негативное влияние на долговечность облицовочного слоя оказывают стыки с перекрытиями [8, 9]. Они выполняются из тяжелого железобетона с коэффициентом теплопроводности 2 Вт/м °С. В результате в зоне стыка возникают значительные температурные перепады [10], и прилегающий к перекрытию кирпич находится в условиях постоянно меняющихся с плюса на минус температур. В результате температурных перепадов, которым подвергается кирпичная облицовка на всю толщину, в ней возникают значительные напряжения, способствующие разрушению кирпича (рис. 3). При этом при толщине утеплителя 120.150 мм температурные деформации и напряжения значительно выше, чем при утеплителе толщиной 50 мм (рис. 4).

а б в

Рис. 3. Разрушение кирпича в результате температурных перепадов: а — t = -1 °C;

б — t = -3 °C; в — t = -25 °C

Рис. 4. Температурные деформации стены при толщине утеплителя 50 и 120 мм

при г = -3 °С

Сформулированная гипотеза нуждается в подтверждении, которое возможно получить только после проведения детальных исследований. Однако нельзя забывать, что в комплексе все эти воздействия способствуют ускоренному разрушению стен. Следует отметить, что дальнейшее повышение уровня теплозащиты стен приведет к более интенсивному разрушению наружного облицовочного слоя. Сейчас разрушаются стены с кирпичной облицовкой — из материала менее морозостойкого по сравнению с бетоном. Мы боимся, что при дальнейшем повышении толщины утеплителя интенсивному разрушению начнут подвергаться конструкции с облицовкой из других материалов, бетонов и т.д.

Библиографический список

1. СНиП 11-3—79*. Строительная теплотехника. М. : Госстрой СССР, 1985.

2. СНиП 23-02—2003. Тепловая защита зданий. М. : Госстрой СССР, 2004. 26 с.

3. Шубин И.Л., Умнякова Н.П. Актуализированные строительные нормы по защите от шума, естественному и искусственному освещению и тепловой защите зданий, разработанные НИИСФ РААСН // Материалы международной конференции «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера, Якутск, 8—10 агуста, 2012 г. С. 40—54.

4. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М., 2006. 256 с.

5. СНиП 23-01—99. Строительная климатология. М., 2011. 94 с.

6. СНиП 2.01.01—82. Строительная климатология и геофизика. М., Госстрой СССР, 1983. 136 с.

7. Умнякова Н.П. Влияние температурных колебаний наружного воздуха на образование конденсата в воздушной прослойке вентилируемых фасадов // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2004. № 7. С. 65—67.

8. Умнякова Н.П. Возведение энергоэффективных зданий в целях уменьшения негативного воздействия на окружающую среду // Вестник МГСУ 2011. № 3. Т. 2. С. 459—464.

9. Повышение энергоэффективности зданий за счет повышения теплотехнической однородности наружных стен в зоне сопряжения с балконными плитами / Н.П. Умнякова, Т.С. Егорова, П.Б. Белогуров, К.С. Андрейцева // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 19—21.

10. Умнякова Н.П. Особенности проектирования энергоэффективных зданий, уменьшающих негативное влияние на окружающую среду // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 5. Ч. 2. С. 94—100.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторе: Умнякова Нина Павловна — кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по науке, ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН), 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, 8(495)482-39-67, n.umniakova@mail.ru.

Для цитирования: Умнякова Н.П. Долговечность трехслойных стен с облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 94—100.

N.P. Umnyakova

DURABILITY OF THREE-LAYERED WALLS WITH BRICK FACING THAT PROVIDES

HIGH THERMAL PROTECTION

The author examines possible reasons for the fracturing of external three - layered walls that have an efficient insulation of the thickness of 120 — 150 mm. The external wall layer is made of bricks. A comparative analysis of the temperature distribution inside the walls has demonstrated that the full-depth frost penetration into the brick facing of the wall that has 120 mm insulation occurs when the outside temperature is below -1 °C. However, the same effect occurs when the outside temperature is below -3 °C in respect of walls that have 50 mm insulation.

If the average monthly temperature pattern, particularly the autumn one, is taken into consideration, in the event of the average November temperature of -2.2 °C the chance of full — depth wall freezing is higher if the insulation layer is thicker, and lower, if the insulation layer is 50 mm thick. The analysis of average monthly temperatures and ranges of their fluctuations has revealed that full-depth wall freezing lasts for 6 months, if the insulation layer is 120 mm thick, and if the insulation layer is thinner, the effect lasts only for 4 months. These calculations have proven that the thicker the insulation, the higher the temperature deformations and temperature stresses within the outside brick layer. These effects accelerate the fracturing of three — layered walls.

Key words: brick facing, three-layered walls, heater, defects, outside air temperature, amplitude, temperature deformations, tension.

References

1. SNiP II-3—79*. Stroitel'naya teplotekhnika [Construction Norms and Rules II-3—79*. Heat Engineering in Construction]. Moscow, Gosstroy SSSR Publ., 1985.

2. SNiP 23-02—2003. Teplovaya zashchita zdaniy [Construction Norms and Rules 2302—2003. Thermal Protection of Buildings]. Moscow, Gosstroy SSSR Publ., 2004, 26 p.

3. Shubin I.L., Umnyakova N.P. Aktualizirovannye stroitel'nye normy po zashchite ot shuma, estestvennomu i iskusstvennomu osveshcheniyu i teplovoy zashchite zdaniy, razrab-otannye NIISF RAASN [Revised Construction Norms Applicable to Noise Protection, Natural and Artificial Illumination and Thermal Protection of Buildings Developed by Scientific and Research Institute of Building Physics of RAACS]. Materialy mezhdunarodnoy konferentsii «Sovremennye innovatsionnye tekhnologii izyskaniy, proektirovaniya i stroitel'stva v uslovi-yakh Kraynego Severa [Works of International Conference on Advanced Innovative Technologies of Surveying, Design and Construction in the Far North]. Yakutsk, 8—10 August, 2012, pp. 40—54.

4. Fokin K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastey zdaniy [Heat Engineering of Envelope Elements of Buildings]. Moscow, 2006, 256 p.

5. SNiP 23-01—99. Stroitel'naya klimatologiya [Construction Norms and Rules 23-01 — 99. Construction Climatology]. Moscow, 2011, 94 p.

6. SNiP 2.01.01—82. Stroitel'naya klimatologiya i geofizika. [Construction Norms and Rules 2.01.01—82. Construction Climatology and Geophysics]. Moscow, Gosstroy SSSR Publ., 1983, 136 p.

7. Umnyakova N.P. Vliyanie temperaturnykh kolebaniy naruzhnogo vozdukha na obra-zovanie kondensata v vozdushnoy prosloyke ventiliruemykh fasadov [Influence of Temperature Fluctuations of the Outside Air onto Formation of Condensate within the Air Space of Ventilated Facades]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie i tekhnologiiXXI veka [Construction Materials, Machinery and Technologies of the 21st Century]. 2004, no. 7, pp. 65—67.

8. Umnyakova N.P. Vozvedenie energoeffektivnykh zdaniy v tselyakh umen'sheniya negativnogo vozdeystviya na okruzhayushchuyu sredu [Erection of Energy Efficient Buildings with a View to Reduction of the Negative Impact onto the Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 3, vol. 2, pp. 459—464.

9. Umnyakova N.P., Egorova T.S., Belogurov P.B., Andreytseva K.S. Povyshenie en-ergoeffektivnosti zdaniy za schet povysheniya teplotekhnicheskoy odnorodnosti naruzhnykh sten v zone sopryazheniya s balkonnymi plitami [Improvement of the Energy Efficiency of Buildings through Improvement of Thermal Engineering Homogeneity of External Walls in the Zone of Interface with Balcony Slabs]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 6, pp. 19—21.

10. Umnyakova N.P. Osobennosti proektirovaniya energoeffektivnykh zdaniy, umen'shayushchikh negativnoe vliyanie na okruzhayushchuyu sredu [Design of Energy Efficient Buildings Capable of Mitigating the Negative Impact onto the Environment]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of South-Western State University]. 2011, no. 5, part 2, pp. 33—38.

About the author: Umnyakova Nina Pavlovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy Director in charge of Research, Scientific and Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), 21 Lokomotivnyy proezd, Moscow, 129337, Russian Federation; n.umniakova@mail.ru; +7 (495) 482-39-67.

For citation: Umnyakova N.P. Dolgovechnost' trekhsloynykh sten s oblitsovkoy iz kirpicha s vysokim urovnem teplovoy zashchity [Durability of Three-layered Walls with Brick Facing That Provides High Thermal Protection]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 94—100.