Соответствие стен из автоклавного газобетона современным требованиям по тепловой защите зданий

А. С. Горшков, канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО СПбПУ), главный технический советник проекта ПРООН-ГЭФ «Энергоэффективность зданий на Северо-Западе России»;

Н. И. Ватин, доктор техн. наук, директор Инженерно-строительного института, заведующий кафедрой «Строительство уникальных зданий и сооружений» ФГАОУ ВО СПбПУ;

С. В. Корниенко, канд. техн. наук, кафедра «Архитектура зданий и сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»;

И. И. Пестряков, директор Испытательного центра ОНТИ ФГАОУ ВО СПбПУ;

Правильность определения значений теплопроводности стеновых материалов имеет немаловажное значение, поскольку от теплопроводности основного слоя стены зависят ее теплозащитные функции, потери тепловой энергии, мощность систем отопления, компенсирующих эти потери, и главное, параметры микроклимата в отопительный период эксплуатации зданий.

Какую теплопроводность принимать?

Для изделий из автоклавного газобетона марки по плотности D400 даже в сухом состоянии значения теплопроводности в ГОСТ 31359 и СП 50.13330² имеют некоторое численное расхождение (табл. 1). Дело в том, что в ГОСТ 31359 теплопроводность принята в полном соответствии с табличными значениями европейского стандарта EN 1745³.

Сам по себе факт подобного копирования данных не является запрещенным. Однако в международных стандартах принята несколько иная трактовка заявленного и расчетного значений теплопроводности:

• заявленное устанавливается заводом-изготовителем;
• расчетное (проектное) определяется в соответствии с требованиями стандарта ISO 10456⁴ путем умножения заявленных значений на коэффициенты корреляции по влажности, температуре и старению материала соответствующего слоя ограждающей конструкции.

Для заявленных значений приводятся также справочные данные. В стандарте EN 1745 для них существуют 2 градации: с квантилями⁵ распределений Р = 50 и Р = 90.

При этом, согласно требованиям стандарта ISO 1045⁶, в качестве заявленных (заводом-изготовителем) значений следует принимать значения с квантилью Р = 90. Значения с квантилью Р = 90 больше значений с квантилью Р = 50 [1]. А это, безусловно, будет хуже сказываться на расчетном значении термического сопротивления слоя кладки (чем выше теплопроводность, тем ниже термическое сопротивление).

Но если сравнить значения теплопроводности изделий из автоклавного газобетона согласно ГОСТ 31359 (табл. 1) и значения согласно стандарта EN 1745 при квантили Р = 50, то можно видеть практически полное соответствие.

Таблица Сравнительные показатели теплопроводности и эксплуатационной влажности изделий из автоклавного газобетона

Теплотехнический показатель Марка газобетона Нормативный документ ГОСТ 31359 СП 50.13330 Теплопроводность в сухом состоянии, λ0, Вт/(м·K) D400 0,096 0,110 D600 0,140 0,140 Массовое отношение влаги в материале, для условий эксплуатации А, ωА, % D400 4 8 D600 4 8 Расчетное значение теплопроводности для условий эксплуатации А, λА, Вт/(м·K) D400 0,113 0,140 D600 0,117 0,150 Массовое отношение влаги в материале, для условий эксплуатации А, ωБ, % D400 5 12 D600 5 12 Расчетное значение теплопроводности для условий эксплуатации Б, λБ, Вт/(м·K) D400 0,160 0,220 D600 0,183 0,260

Единственное расхождение наблюдается для изделий марки по плотности D600. Дело в том, что именно для данной марки изделий в СП 50.133306 значение теплопроводности в сухом состоянии оказывается меньше – 0,14 Вт/(м•К), – чем принятое в стандарте EN 1745–0,15 Вт/(м•К), даже с квантилью Р = 50. Таким образом, при разработке ГОСТ 31359 были приняты наименьшие из всех возможных значений теплопроводности. К чему это может привести?

Результаты проведения испытаний

При беспристрастном отношении к проведению испытаний теплопроводность изделий в сухом состоянии может оказаться выше значений, указанных в ГОСТ 31359. При этом большинство производителей стараются для заданной марки изделий, например D400, сделать образцы как можно более плотные, чтобы можно было обеспечить требуемый класс изделий по прочности. Однако при этом ухудшаются теплотехнические характеристики изделий, так как чем выше плотность изделий, тем более высокой оказывается их теплопроводность. И она может оказаться выше той, которая указана в ГОСТ 31359.

Именно с такой ситуацией столкнулись авторы, когда один из наиболее известных производителей изделий из автоклавного газобетона представил на испытания образцы. Образцы были доведены до сухого состояния и испытаны. При этом значение теплопроводности в сухом состоянии оказалось выше принятых в ГОСТ 31359 значений. Это означает, что задекларированные в паспорте качества характеристики не соответствуют требованиям ГОСТ 31359, по которому изделия выпускаются. На этом основании можно сделать один-единственный вывод. Данными значениями теплопроводности, представленными в ГОСТ 31359, пользоваться при проектировании нельзя. Они требуют тщательной проверки и корректировки.

До проведения подобных исследований следует руководствоваться расчетными значениями теплопровод­ности, представленными в СП 50.13330 (Приложение Т). Рассмотренное выше ограничение нельзя отнести непосредственно к изделиям, а скорее к стандартам, по которым производится выпуск стеновых изделий. Однако пренебрегать данным расхождением нельзя.

Теплотехническая однородность стен

Еще одна проблема, которая имеет место при использовании в кладке стен газобетонных блоков, – теплотехническая однородность стен, также влияющая на теплозащиту.

Все производители заявляют о высокой теплотехнической однородности кладок. Действительно хорошая геометрия блоков позволила выполнять кладку из блоков не на цементно-песчаном растворе (далее – ЦПР), а на специальных клеевых цементных составах, при использовании которых толщина швов оказывается не 7–8 мм (как при использовании ЦПР), а 2–3 мм. Это обстоятельство, безусловно, положительно сказывается на уменьшении потерь теплоты через сквозные и несквозные теплопроводные включения.

К теплопроводным включениям следует отнести не только швы кладки, но и:

• примыкания поперечных внутренних стен и колонн к наружным стенам;
• дверные и оконные перемычки, армированные пояса;
• места примыкания дисков плит перекрытий к наружным ненесущим стенам;
• места опирания железобетонных плит на наружные несущие стены;
• места сопряжения цоколя со стенами;
• гибкие и жесткие связи;
• анкера для крепления слоя теплоизоляции и т. д.

Наличие теплотехнических неоднородностей в оболочке здания существенно ухудшает температурно-влажностный режим ограждающих конструкций [2–5]. Расчеты, выполненные для одного промежуточного этажа монолитно-каркасного здания, наружные ограждения которого заполнены кладкой из газобетонных блоков толщиной 375 мм и лицевого кирпича толщиной 120 мм, показывают следующее:

• коэффициент теплотехнической однородности оказывается не больше 0,61;
• приведенное сопротивление теплопередаче оказывается меньше не только базового значения (СП 50.13330, табл. 3), но и нормируемого значения (СП 50.13330, формула 1) с понижающим коэффициентом 0,63.

При условном сопротивлении теплопередаче стеновой конструкции, выполненной кладкой из газобетонных блоков марки по плотности D400 толщиной 375 мм с лицевым слоем из облицовочного кирпича толщиной 120 мм, равном 2,99 м²•K/Вт, приведенное сопротивление теплопередаче оказывается равным 1,81 м²•K/Вт [6]. Это для климатических условий Москвы и Санкт-Петербурга меньше значения сопротивления теплопередаче как требуемого – 3,08 м²•K/Вт, – так и минимально допустимого – 1,94 м²•K/Вт (3,08 × 0,63). Аналогичные несоответствия выявлены авторами [7].

Предварительные расчеты показывают, что при толщине блоков 375 мм наружные стены жилых зданий без дополнительного утепления с коэффициентом теплотехнической однородности 0,61 удовлетворяют минимально допустимым значениям сопротивлений теплопередаче только для районов с ГСОП < 4 200 ⁰C•сут./год, для которых базовое значение требуемого приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен жилых зданий составляет 2,87 м²•K/Вт, а нормируемое – 1,81 м²•K/Вт (0,63 × 2,87).

Опыт реального строительства

На одном из строящихся⁷ объектов жилищного строительства в кладке были использованы стеновые изделия (блоки) из автоклавного газобетона. Когда кладка стен была закончена, приняли решение дополнительно утеплить наружные стены. Не столько для того, чтобы повысить сопротивление теплопередаче наружных стен, сколько для закрытия многочисленных теплопроводных включений (рис. 1).

На некоторых объектах наружные стены из газобетона могут пересекать поперечные железобетонные стены или железобетонные колонны.

Ухудшение теплозащитных свойств стеновых конструкций в виде кладки газобетонных блоков выявлено и в эксплуатируемых зданиях [3]. В обследованных зданиях все наружные стены выполнены с наружной облицовкой кирпичной кладкой, без дополнительного слоя эффективной теплоизоляции. Анализ результатов показал следующее:

• 62 % обследованных конструкций имеют дефекты, что указывает на их массовость;
• все дефекты являются трудноустранимыми и требуют демонтажа строительных конструкций;
• большинство дефектов (90 %) отмечается в узлах примыкания оконных блоков к стеновым проемам (рис. 2), что объясняется несоответствием оконных блоков нормативным требованиям по теплозащите, неправильной установкой оконных блоков, ненадлежащим качеством теплоизоляции монтажных швов;
• дефекты в узлах сопряжения наружной стены с колонной (10 %) объясняются наличием теплопроводных включений в виде железобетонных колонн каркаса здания вследствие отклонений от проекта;
• практически половина обследованных конструкций (51 %) подвержена конденсации влаги и образованию плесневых грибов при расчетных условиях;
• 11 % обследованных конструкций имеют сквозное промерзание в узлах.

Рисунок 2. Теплотехнические дефекты в узлах примыкания оконного блока к стеновому проему

При хорошей геометрии блоков изделия оказываются достаточно хрупкими. Это означает, что при транспортировке, а также в процессе разгрузки, переноски и монтажа многие изделия повреждаются. Понятно, что все они идут в кладку, а трещины и выбоины заделываются кладочным раствором. Иногда кладка настолько пестрит растворными швами, что говорить о какой-либо ее однородности весьма затруднительно (рис. 3).

Конечно, при наружной отделке стен все эти дефекты кладки не будут видны, но теплопроводные включения (мостики холода) при этом никуда не исчезнут. Для повышения теплотехнической однородности и общего уровня теплозащиты наружных стен из газобетонных блоков необходимо устройство сплошного наружного слоя теплоизоляции.

Рисунок 3. Выбоина в месте установки гибкой связи в слое кладки из газобетонных блоков двухслойной стеновой конструкции

Сплошной наружный слой теплоизоляции, помимо прочего, увеличит долговечность внутреннего слоя стены, так как при внешнем утеплении блоки окажутся в области положительных температур. В результате в процессе эксплуатации они не будут испытывать циклы замораживания – оттаивания.

Таким образом, для большинства регионов, расположенных в центральной и северной частях России, толщины блоков 375–400 мм без дополнительного утепления оказывается недостаточно для обеспечения требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче.

Специфика проектирования тепловой защиты зданий

Необходимо сказать и о специфике проектирования тепловой защиты зданий с наружными стенами из газобетонных блоков. Сегодня существуют важные задачи, решение которых крайне необходимо.

Во-первых, как уже было сказано, это увеличение неравноэффективности теплозащиты элементов оболочки. Значительно возрастает влияние двух- и трехмерных элементов в конструкции, неравномерность распределения температуры на ее внутренней поверхности, снижается теплотехническая однородность ограждающих конструкций. Необходимы расчеты трехмерных температурных полей и разработка новых конструктивных решений [4].

Во-вторых, значительно увеличивается роль влажностного режима. Причем если по глади стены распределение влажности может быть более благоприятным, чем раньше, то в краевых зонах ограждающих конструкций влажностный режим значительно ухудшается, и главное в том, что существенно возрастает сложность расчета процессов совместного нестационарного влаготеплопереноса в трехмерных областях ограждающих конструкций [5].

В-третьих, кладка газобетонных блоков является воздухопроницаемой, особенно в зоне вертикальных швов. Инфильтрация наружного воздуха приводит к ухудшению теплозащитных свойств ограждающих конструкций. Эксфильтрация внутреннего воздуха в стеновые конструкции также чрезвычайно опасна.

Все перечисленные выше особенности важно учитывать как во вновь строящихся, так и в реконструируемых зданиях с наружными стенами из газобетонных блоков. Необходимы улучшение температурно-влажностного режима наружных стен, разработка эффективных конструктивных решений узлов сопряжений ограждающих конструкций с целью выравнивания температуры на внутренней поверхности, снижение сквозной воздухопроницаемости через швы кладки, повышение комфортных условий среды в помещениях, энергосбережение и повышение энергоэффективности зданий.

Если продолжить сравнение газобетонных блоков с керамическими и силикатными стеновыми изделиями, то следует отметить, что в части обеспечения надежности анкерных креплений и гибких связей газобетон значительно уступает керамическому и силикатному кирпичу. Усилия связей из газобетона на вырыв оказываются меньше усилий на вырыв из более плотных стеновых изделий.

Кроме того, наблюдается несовпадение горизонтальных швов внутреннего слоя из газобетона и облицовочного кирпича. Многие производители показывают в своих технических решениях совпадение, варьируя толщину швов внутреннего и наружного слоев многослойных стен с облицовочным слоем из лицевого кирпича. Однако на строительном объекте далеко не всегда удается так же совместить швы, как это легко бывает сделать на чертеже. При этом согласно требованиям п. 9.31 СП 15.13330 [64] рекомендуется предусматривать применение облицовочного кирпича или камней, имеющих высоту, равную или кратную высоте ряда основной кладки. А согласно требованиям п. Д.8 Приложения Д СП [64] связи между внутренним и облицовочным слоем многослойных стен должны устанавливаться только под прямыми углами к поверхности стен. В случае несовпадения горизонтальных швов внутреннего и наружного слоев стеновой конструкции данное требование в построечных условиях выполнить становится невозможно. При использовании крупноформатной керамики толщина камней подбирается таким образом, чтобы швы совпадали. С учетом того, что в крупноформатной керамике толщина швов оказывается больше, чем в кладке стен из газобетонных блоков, выполнить требование СП 15.13330 [64] становится проще. Если связь выполнена под углом, то она не может обеспечить передачу усилия от облицовки основанию, что снижает эксплуатационную надежность стеновой конструкции. Согласно требованиям п. 6.3.9 РМД 52-01 [65] гибкие металлические связи между кирпичными наружным и внутренними слоями и ячеистобетонным слоем должны выполняться из нержавеющей стали (в виде скоб, полос, планок, забивных или вклеенных нагелей, саморезов) или стеклопластика, устанавливаться в швы и забиваться (врезываться) в тело блоков в количестве не менее трех с площадью поперечного сечения связей не менее 0,5 см² на 1 м² стены. В практике строительства, когда кладка внутреннего и наружного каменных слоев часто осуществляется в разное время, выполнить данное условие проблематично. Поэтому чаще в швы закладывают сетки, скобы, устраивают жесткие связи, когда через каждые 500 мм по высоте в толще газобетонных стен прокладываются тычковые ряды, жестко связанные с облицовкой. Однако иногда на объектах встречаются и гибкие связи. Авторы статьи на одном из городских объектов имели возможность вскрыть поврежденный участок двухслойной стены, состоящей из внутреннего газобетонного слоя и наружного кирпичного, связанных между собой гибкими связями из нержавеющей стали. На рис. 12 видно, как в результате смещения каменного лицевого слоя относительно внутреннего гибкая связь оказалось вырванной из газобетонной кладки, а в месте ее установки во внутреннем слое образовалась выбоина в результате вырыва анкера.

Отдельно следует отметить, что и гибкие связи, и анкеры для крепления слоя теплоизоляции являются теплопроводными включениями. В этой связи в местах расположения связей возрастает вероятность конденсации влаги. Вокруг анкера или связи может возникнуть зона, влажность которой будет выше, чем на удалении от включения. При этом прочность газобетонных изделий, как на сжатие, так и на растяжение, зависит от их влажности. Чем выше влажность, тем ниже оказываются прочностные показатели изделий и кладки. В этой связи надежность креплений уменьшается, а вероятность их вырыва возрастает.

Ограничения при использовании автоклавного газобетона

Газобетон как материал, применяемый для кладки наружных и внутренних стен зданий, имеет неоспоримые достоинства. Однако материал обладает и рядом ограничений в применении, которые следует учитывать при проектировании и строительстве стеновых конструкций с использованием изделий из автоклавного газобетона (блоков). К таковым следует отнести:

• наличие критической влажности, при достижении которой и последующем замораживании кладки может происходить ее постепенное повреждение вплоть до полного разрушения;
• высокая начальная влажность изделий, из-за которой в зданиях, построенных из газобетонных блоков, в первые годы эксплуатации может наблюдаться значительный перерасход теплоты;
• низкая теплотехническая однородность стеновых конструкций, обусловленная наличием большого количества теплопроводных включений в составе наружных стен, выполненных кладкой из газобетонных блоков без дополнительного утепления;
• изделия достаточно хрупкие, поэтому при падении, а также при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах могут раскалываться на части, на изделиях могут появляться трещины, выбоины и сколы, которые при монтаже, как правило, замазываются строительным раствором, что в еще большей степени понижает теплотехническую однородность стен;
• ввиду низкой теплотехнической однородности стен в виде кладки из газобетонных блоков для климатических районов с ГСОП ≥ 4 200 °C•сут./год толщина блоков 375–400 мм без дополнительного утепления оказывается недостаточной для обеспечения требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче;
• кладка стен из газобетонных блоков, особенно при эксплуатации зданий без наружной отделки, а также при не заполненных раствором вертикальных пазогребневых швах характеризуется высокой воздухопроницаемостью, что повышает расход тепловой энергии при эксплуатации в отопительные периоды;
• при учете стоимости полезной площади, которая образуется при заполнении блоками на толщину 375–400 мм наружных ограждений каркасно-монолитных зданий, относительно низкая стоимость изделий далеко не всегда оказывается экономически обоснованной в многоэтажном строительстве.

Распространенные стереотипы о том, что газобетон «боится» воды, или о том, что он «сосет» влагу из воздуха, следует охарактеризовать не более чем мифы. Однако при кладке наружных стен из блоков следует избегать условий, при которых существует риск полного или частичного увлажнения стеновых конструкций, особенно опасного при достижении газобетоном критического значения влажности, при котором происходит заполнение водой не только капилляров, но и резервных пор.

Рекомендации по применению

Не рекомендуется использование изделий из автоклавного газобетона в помещениях с влажным (с влажностью внутреннего воздуха свыше 60 до 75 %) и мокрым (с влажностью внутреннего воздуха свыше 75 %) режимами эксплуатации.

Не рекомендуется использование газобетонных блоков без дополнительного утепления в климатических районах с ГСОП ≥ 4 200 ⁰C•сут./год.

При соответствующем теплотехническом и прочностном обосновании допускается применение изделий толщиной 300–400 мм без дополнительного утепления для районов с ГСОП < 4 200 ⁰C•сут./год. Коэффициент теплотехнической однородности наружных стен, выполненных кладкой из газобетонных блоков на цементных составах без дополнительного утепления, без соответствующего теплотехнического обоснования следует принимать не выше 0,65.

Не рекомендуется при определении расчетных теплотехнических показателей ячеистых бетонов автоклавного твердения использовать данные из ГОСТ 31359 (табл. 1 и А.1) как недостаточно обоснованные.

Основную область применения газобетонных блоков рекомендуется сосредоточить в сегменте малоэтажного (коттеджного) строительства. При этом при возведении индивидуальных жилых домов с сезонным (летним) режимом проживания допускается возведение наружных стен из газобетонных блоков толщиной от 300 мм без дополнительного утепления. При строительстве индивидуальных малоэтажных жилых домов, предназначенных для круглогодичного проживания (в том числе в отопительные периоды), рекомендуется дополнительное утепление стен с использованием эффективных теплоизоляционных материалов (например, теплоизоляционных изделий из стеклянного или каменного волокна, пенополистирола фасадных марок и пр.). Толщину кладки из газобетонных блоков при этом следует назначать только из обеспечения требований по прочности и устойчивости.

Литература

1. Немова Д. В., Спиридонова Т. И., Куражова В. Г. Неизвестные свойства известного материала // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1.
2. Корниенко С. В. Проблемы теплозащиты наружных стен современных зданий // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2013. № 1 (25).
3. Корниенко С. В. Комплексная оценка энергоэффективности и тепловой защиты зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 11 (26).
4. Корниенко С. В. Многофакторная оценка теплового режима в элементах оболочки здания // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 8 (52).
5. Корниенко С. В. Метод решения трехмерной задачи совместного нестационарного тепло- и влагопереноса для ограждающих конструкций зданий // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. № 2.
6. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Ватин Н. И. О теплотехнической однородности двухслойной стеновой конструкции // Энергосбережение. 2014. № 7.
7. Гагарин В. Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5.

 

¹См. начало статьи в журнале «Энергосбережение» № 2, 2016.

²СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02–2003». ГОСТ 31359–2007 «Бетоны ячеистые автоклав- ного твердения. Технические условия».

³EN 1745:2002 «Masonry and masonry products – Methods for determining design thermal values».

⁴ISO 10456 «Building materials and products – Hygrothermal properties – tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values».

⁵Квантиль в математической статистике – значение, которое заданная случайная величина не превышает с фиксированной вероятностью.

⁶А ранее в СП 23-101–2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».

⁷В рамках проекта ПРООН-ГЭФ «Энергоэффективность на Северо-Западе России».