Строительство и архитектура/ 3. Современные технологии строительства, реконструкции и реставрации

К. т.н. Рябико Г.Д., канд. архитектуры Лях В.М., к.т.н. Дмитренко А.Ю.

Полтавский национальный технический университет

имени Юрия Кондратюка

ТЕПЛОЭФФЕКТИВНЫЕ СТЕНЫ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

В настоящее время строительство малоэтажного  жилья, в том числе инди-видуального,  существенно отличается от того, что строили в конце прошлого столетия. Современные требования к энергосбережению, архитектурной выра-зительности, долговечности, комфортности малоэтажного жилья требуют новых подходов к разработке и выбору строительных систем, технологий возведения и монтажа конструкций и инженерного обеспечения жилых домов.

Требования к повышению тепловой защиты зданий и сооружений – основ-ных потребителей энергии, являются важным объектом государственного регу-лирования в большинстве стран мира. Они рассматриваются также с точки зрения охраны окружающей среды, рационального использования невозоб-новляемых природных ресурсов и уменьшения влияния "парникового" эффекта и сокращения выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмос-феру. Цены на энергоносители растут с каждым годом, а невозобновляемые источники энергоресурсов с каждым днем исчерпываются.

Более 50% мировых энергетических ресурсов расходуется на энергоснаб-жение зданий и сооружений. Именно поэтому для эффективного использования энергетических ресурсов прежде чем начать строить или проектировать здание, необходимо решить проблему максимального сбережения в нем тепла, которое уходит через пол, стены, окна, покрытие и крышу. В структуре теплового балан-са одноэтажного жилого здания теплопотери в холодный период года через сте-ны составляют 25 – 30% от общего их количества (рис.1).

Оптимальная толщина стены должна быть не менее предела, определяемого статическим и теплотехническим расчетами. Согласно новым нормам, требуемое сопротивление теплопередаче для жилых помещений в сравнении с 1997 годом увеличено в 3,45 раза [1]. Если следовать букве закона, то стены из одинарного кирпича должны возводиться толщиной в 1,5 м, поэтому целесообразно использовать комбинированные конструкции наружных стен: несущая часть стены минимальной толщины плюс эффективный утеплитель и декоративная отделка.

Рисунок 1 – Примерная структура теплового баланса жилого здания в холодный (а) и теплый (б) периоды года:

1 – теплопотери через пол; 2 – теплопоступления от отопительного прибора;

3 – теплопотери через окна; 4 – теплопотери через наружные стены; 5 – тепло-потери через покрытие и крышу; 6 – теплопотери за счет воздухообмена, включая инфильтрацию; 7 – теплопоступления через крышу; 8 – теплопоступ-ления через стены; 9 – теплопоступления от солнечной радиации через окна

Для выполнения современных требований по величине сопротивления теп-лопередаче  не подходит даже древесина, являющаяся традиционным материа-лом в однослойном варианте для малоэтажного строительства. Сложившаяся ситуация вызвала необходимость создания новых материалов, изделий и строи-тельных систем с их применением, которые бы отвечали требованиям, предъяв-ляемым к прочности, долговечности, теплозащите,  и в то же время были бы эко-номически эффективны. В большинстве таких систем конструкции стен трех-слойные, которые могут выполняться в процессе возведения стен или состоять из трехслойных блоков, изготовленных в заводских условиях.

При строительстве малоэтажных домов с трехслойными стенами возводи-мыми по современным технологиям "RBS"; "VELOX";"ЛЕГОСТРОЙ"; "ИЗОДОМ"; "ТИСЭ", наружные слои стен используются в качестве несъемной опалубки. Эти слои могут выполняться из кирпича, керамзитобетонных блоков, вибропрессованных бетонных и других мелкоштучных изделий, а также листовых композитных материалов. Внутренний (центральный) слой конструкции являет-ся теплоизоляционным, толщина его определяется теплотехническим расчетом. В качестве теплоизоляционных материалов в современных конструкциях стен используют плиты из пенополистирола, жесткие минераловатные плиты,  блоки из пенополиуретана, ячеистого бетона, торфяные,  фибролитовые плиты, эковата и др.  Для устройства теплоизоляционного слоя применяются  также заливочные смеси из легких бетонов (пенобетона, полистиролбетона, газобетона), которые заливаются в несъемную опалубку или колодцевую кладку.

В зависимости от условий эксплуатации стеновые трехслойные блоки изго-тавливаются из различных бетонов (тяжелого, керамзитобетона, легкого на по-ристых заполнителях, арболита, опилкобетона, ячеистого полистиролбетона и т.д.) на основе водостойких или неводостойких гипсовых вяжущих. В качестве теплоизоляции в этих блоках используют пенополистирол, ячеистый бетон, пеногипс и др. Однако такая технология производства блоков достаточно трудо-емка. Пустотелые блоки  изготавливать проще. При возведении стен из пусто-телых блоков, изготовленных по технологиям "SIMPROLIT"; "ДЮРИСОЛ"; "ЛЕГОБЛОК"; "ТЕРМОДОМ", пустоты  в блоках заполняют конструкционным тяжелым бетоном с дополнительным армированием для несущих стен. Однако такой метод создания теплоэффективных стен имеет ряд недостатков, главный из которых заключается в сложности получения прочного несущего слоя стены из монолитного бетона в зимний период.

В последние годы успешно развивается производство теплоэффективных стеновых блоков высокой заводской готовности. Так, строительной компанией "Первый камень", г. Санкт-Петербург, Россия, освоен выпуск трехслойных несущих стеновых блоков из керамзитобетона с внутренним утепляющим слоем их плитогного полистирола. Специалистами НИИ "ТЕПЛОСТЕН" г. Москва, Россия создан и внедрен в массовое промышленное производство новейший

строительный материал – теплоэффективный стеновой блок «Теплостен».

Применение блоков высокой заводской готовности позволяет возводить стены почти при полном отсутствии «мокрых» процессов, при минусовых температурах, а также избавляет строителей от таких трудоемких и дорого-стоящих операций, как утепление стены и декоративное ее оформление.

Несмотря на большое разнообразие современных типов теплоэффективных стен малоэтажных жилых зданий, проблему рациональной их конструкции и технологии возведения на сегодняшний день нельзя считать окончательно решенной.

В современной практике на основе опыта и теплофизических исследований было установлено, что в многослойных конструкциях не учитывается в доста-точной мере факт значительного снижения эксплуатационных характеристик стен выполненных из композитных материалов. Так, материалы имеют различ-ные физико-механические свойства, начиная с различных коэффициентов рас-ширения и усадки, различия в прочности на сжатие и растяжение, разные характеристики износа в ходе эксплуатации каждого из композитов в отдель-ности, вплоть до разных коэффициентов воздухо- и паропроницаемости [2].

Стены современных малоэтажных жилых зданий должны соответствовать следующим требованиям:

● быть прочными и способными осуществлять функции несущих и самонесущих стен;

● обладать высокими тепло – и звукоизоляционными свойствами;

● соответствовать степени огнестойкости здания;

● обладать долговечностью, соответствующей классу здания;

● быть энергосберегающим элементом сооружения;

● иметь экологическую чистоту;

● обеспечивать необходимый температурно-влажностный комфорт в помещениях;

● обеспечивать необходимые показатели паро- и воздухопроницаемости,

морозостойкости, соответствующие классу здания;

● иметь конструкцию, которая отвечала бы современным технологиям возведения стен, и не стеснять архитектурную выразительность здания.

К сожалению, в настоящее время ни один из материалов для возведения стен не в состоянии удовлетворить полному комплексу приведенных требований [3].

Целью работы является создание такой конструктивной структуры стено-вого блока, которая в наибольшей степени соответствовала бы комплексу приве-денных требований эксплуатационных характеристик стены при снижении стоимости и трудоемкости их возведения. Авторами были проведены исследо-вания, разработана, испытана и запатентована конструкция теплоэффективного стенового блока высокой строительной готовности (рис.2).

Рисунок 2 – Теплоэффективный стеновой блок высокой строительной готовности:

а – блок рядовой; б – блок угловой; в – блок простеночный с четвертью для проемов; г – общий вид фрагмента стены из блоков: 1– защитный декоративный слой, 2 – 4 – конструктивно-теплоизоляционные слои, 3 – теплоизоляционный слой из монолитного полистиролбетона

Стеновой многослойный блок размерами: 500 х 400 х 200 мм предлагается изготавливать монолитным в кассетной опалубке из многокомпонентного модифицированного бетона. В предложенной конструкции стенового блока эффективно реализуется принцип разделения и сочетания функций однотипного материала – бетона, благодаря которому основные свойства (прочность и теплопроводность) в разных слоях используются рационально.

Внешний слой блока 1 толщиной 30 мм формируется в опалубке из тяжело-го морозостойкого бетона класса В – 15, плотностью 2400 кг/м³ и имеет декора-тивную фактурную поверхность и цвет. Следующий сдой блока 2 толщиной 90 мм состоит из конструктивно-теплоизоляционного полистиролбетона плотнос-тью γ = 450 кг/м³ с коэффициентом теплопроводности λ=0,115 Вт/мºС. Средний слой 3 толщиной 140 мм формируется из монолитного тепло-изоляционного полистиролбетона плотностью γ = 150 кг/м³ с коэффициентом теплопроводности λ=0,055 Вт/мºС. Внутренний слой блока 4 толщиной 140 мм выполняется из монолитного ( класс прочности В 2,0 на сжатие) негорючего симпролит полис-тиролбетона плотностью 450 – 500 кг/м³ с коэффициентом теплопроводности λ=0,115 – 0,118 Вт/мºС.

Особое внимание авторы уделили исследованиям, направленным на обеспечение несущей способности и теплоэффективности стен в процессе их эксплуатации в жилых малоэтажных зданиях.

1. Несущая способность

В многослойных конструкциях теплоэффективных несущих стен с внутрен-ним теплоизолирующим слоем из плиточного полистирола, минеральной ваты и других материалов. существует проблема обеспечения совместной работы двух несущих слоев, разделенных теплоизолирующей вставкой, по восприятию нагрузки от перекрытий. Жесткие (из кирпича, блоков) и гибкие (из арматуры) связи не всегда обеспечивают требуемую несущую способность стен, особенно при внецентренном характере приложения нагрузки от перекрытий, а также создают дополнительные "мостики холода" в стене.

По результатам испытаний, проведенных в Национальном техническом университете имени Ю. Кондратюка в г. Полтаве в рамках государственного научно-исследовательского проекта "Ресурсосберегающая технология уско-ренного строительства теплосохраняющих малоэтажных жилых домов с исполь-зованием местных строительных материалов", установлено, что прочность на сжатие многослойных полистиролбетонных блоков составила 107,2 т/м¹ блока или 26,8 кг /см². Такая достаточно высокая несущая способность блоков позволяет с запасом воспринимать стенами нагрузку от 2 – 3 - х междуэтажных железобетонных перекрытий и объясняется совместной работой всех монолит-ных бетонных слоев на сжатие. Кроме этого, толщина стены в 400 мм обеспе-чивает пространственную жесткость стен и перекрытий.

2. Приведенное сопротивление теплопередаче стены

Приведенное сопротивление теплопередаче стеновых материалов нормиро-вано для стен без окон, балконных дверей, витражей и т.п. Учитывая, что толщина стены в жилых зданиях принимается постоянной, то проблемы потери тепла в помещениях с окнами и дверьми решаются с помощью дополнительных источников обогрева (секции радиаторов, электронагревателей), что на протяжении многих лет эксплуатации приводит к необоснованному расходованию значительного количества энергоресурсов.

Многослойные полистиролбетонные стеновые блоки имеют уникальную возможность, при той же самой толщине с помощью увеличения толщины среднего монолитного теплоизоляционного слоя на стадии изготовления повышать сопротивление теплопередаче стены на 20 – 25% от исходного значения коэффициента R₀^пр =4,073 м² ºС/Вт.

Конструкция теплоэффективного стенового блока была окончательно доработана после проведенных исследований, направленных на обеспечение стабильности показателя термического сопротивления теплопередаче стены в процессе долгих лет эксплуатации и недопущения сверхнормативного увлажнения утепляющего слоя. В современной практике на основе опыта и теплофизических исследований установлено, что в результате увлажнения утеплителя на 2 – 3 % сверх нормативного его теплоизолирующие свойства снижаются на 30 – 37 %. В конструкции стенового блока несущие и теплоизо-ляционные слои скомпонованы таким образом, что нулевая температура ( при – 20 ºС) и точка росы находится с внешней стороны теплоизолирующего слоя и не оказывает существенного влияния на накопление в нем влаги (рис. 3). Стена накапливает тепло, точка росы при наружной температуре воздуха – 17 ºС переходит в наружный конструктивно-теплоизолирующий слой. Потери тепла через площадь стены значительно снижаются.

Рисунок 3 – Температурный график стены из теплоэффективных блоков:

1– защитно-декоративный слой; 2 – внешний слой из конструктивно-теплоизоляционного полистиролбетона; 3 – теплоизоляционный слой из монолитного полистиролбетона; 4 – внутренний слой из симпролит полистиролбетона; 5 – гипсовая шпатлевка

3. Паро-, воздухопроницаемость и морозостойкость

Паро- и воздухопроницаемость стен представляет собой одну из важнейших характеристик ограждающих конструкций здания. Известно, что у многослой-ных стен с плиточными утеплителями и несущими слоями их тяжелого бетона паропроницаемость в части конструкции нежелательна или отсутствует по при-чине защиты от конденсата и переувлажнения утеплителя, а также недостаточной проницаемости паров через плотные слои бетона.

Оптимальная паропроницаемость стен из полистиролбетонных блоков способствует тому, что стены "дышат", а опасности от конденсата и переувлажнения не существует.

Рисунок 4 – Влажностный режим стены из блоков по сечению конструкции

Из графиков, приведенных на рисунке 4, полученных в результате исследова-ний влажностных режимов фрагментов стен из полистиролбетонных блоков, установлено, что влажный воздух проходит в нормативных параметрах сквозь толщи слоев блоков, при этом не унося чрезмерно тепло из дома и не конденсируясь во влагу ни в одном из четырех слоев блока. Такой режим паро-и воздухопроницаемости создает благоприятную обстановку в доме, в отличие от зданий, построенных с паронепроницаемыми стенами, где обмен воздуха обеспечи-вается преимущественно приточной и вытяжной системой вентиляции.

Основной причиной разрушения материала под действием низких темпера-тур является расширение воды, заполняющей при замерзании связанные между собой поры материалов. Лед в порах максимально расширяется при его темпе-ратуре минус 18 – 20 ºС. Плотность защитного декоративного слоя из тяжелого бетона, специальные антиморозные добавки и "подогрев" наружного слоя стены прилежащими слоями стеновых блоков позволили при испытании на морозо-стойкость при амплитуде колебаний температуры с + 40 º до – 30 ºС превысить 50 циклов замораживания и оттаивания без потери их целостности и теплоизо-лирующей способности.

Таким образом, сформованный на высокотехнологичной линии стеновой блок обеспечивает высокую строительную готовность стены здания возведенной из блоков, благодаря точности габаритных размеров, внутренние стеновые поверхности требуют лишь гипсовой шпатлевки. Внешний декоративный прочный, морозостойкий слой блоков не требует дальнейшей отделки фасадов и надежно защищает стены от разрушающего атмосферного влияния.

Блок легкий и сравнительно большой (при массе в 21,6 кг блок равнознач-ный объему в 20,5 кирпича), благодаря своим точным геометрическим размерам (± 1 мм), укладывается на слой клея толщиной не более 2–4 мм. Высокая заводская готовность блоков позволяет возводить стены при отрицательных температурах, а также избавляет строителей от таких трудоемких и дорого-стоящих операций, как утепление стены, заливка в пустоты несущего бетонного слоя и декоративное ее оформление. Скорость возведения малоэтажных жилых домов из теплоэффективных блоков в несколько раз превосходит скорость строительства из любых других материалов.

Теплоэффективный блок с успехом может применяться и при возведении многоэтажных каркасных домов в качестве ограждающего самонесущего материала. В этом случае его несущая часть может быть даже уменьшена до 70–120 мм, что дает дополнительный источник экономии при производстве блока, снижает его себестоимость.

Конструкция и механизированный способ изготовления позволяет без значительных капиталовложений организовать высокопродуктивное производ-ство теплоэффективных стеновых блоков для строительства скоростными темпами теплосберегающих недорогих малоэтажных жилых домов.

Таблица 1 – сравнительного веса и стоимости 1м² стены малоэтажных зданий из различных материалов

Конструкция стен	Толщина стены см	Сопротивление теплопередаче R (M °C/Bт)	Вес 1м^2 стены	Стоимость (у.е.), всего
Блоки “Теплостен”*	30	3,2	250	81
Система “Изодом”	30	3,3	350	99
Блоки из ячеистого бетона с наружной декоративной штукатуркой	63	3,16	380	110
Блоки "СИМПРОЛИТ" СБДС – 30	30	3,2	262	87
Блоки керамические "POROTHERM"	51	2,97	566	126
Блоки полистиролбетонные БПСБУ*	40	4,07	185	78
Кирпич полнотелый 25 см., утеплитель 12,5см., снаружи облицовочный кирпич 12 см.	51	3,2	800	105

* – блоки “Теплостен” и полистиролбетонные БПСБУ имеют высокую строительную готовность фасадных поверхностей стен.

Как видно из таблицы 1, стеновые блоки предложенной конструкции, несмотря на толщину стены в 400 мм, имеют наименьший вес (185 кг/м²) стены и стоимость, а сопротивление теплопередаче R = 4,07 M² °C/Bт выше лучших аналогов блоков.

Литература:

1. ДБН В.2.6. – 2006.Конструкції будинків і споруд. Теплова ізоляція будівель.

2. Утепление дома/ А.А. Матвиевский, Т.Ю. Абызова// Журнал Формула строительства:, 2004. – №5

3. Вikbay M.Y.: Выступление на Второй всемирной конференции о кровельных конструкциях для строительных объектов и инженерных коммуникаций, – Москва, 2002.