|
|
Снижение расхода топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации кирпичных зданий - важнейшая народнохозяйственная задача, успешное решение которой неразрывно связано с повышением теплозащитных качеств наружных стен. Достижение этого традиционными способами приводит к увеличению материалоемкости кирпичных стен. Если же руководствоваться методами, применяемыми в панельном, каркасном и монолитном бетонном строительстве, т. е. введением в стены минеральных, фенолоформальдегидных и других подобных утеплителей, нарушаются капитальность, долговечность и огнестойкость кирпичных зданий. Но самое главное, нарушается экологическая чистота помещений, обусловленная природой используемого сырья и технологией изготовления керамических стеновых материалов.
Комплексные исследования теплозащитных качеств кирпичных стен позволили выявить особенности теплофизических свойств керамических стеновых материалов на стадиях их изготовления и эксплуатации и их преимущества по сравнению с другими мелкоштучными местными материалами. Результаты этих исследований послужили основой для создания нового поколения эффективных пористых керамических материалов, позволяющих в 2-3 раза повысить теплозащитные качества наружных кирпичных стен без увеличения их толщины.
Пустотелые и полнотелые кирпичи в наружных стенах одновременно выполняют теплоизоляционные и конструкционные функции. Теплофизические свойства этих материалов во взаимосвязи с кладочным раствором и утеплителем обеспечивают требуемый уровень теплоизоляции наружных стен при определенной их толщине. По своей структуре кирпичи, как и другие мелкоштучные материалы, являются капиллярно-пористыми телами. Пористость, например, керамического и силикатного кирпича и бетонных камней составляет 26-70%. При этом керамический кирпич в своем объеме содержит значительно большее количество закрытых пор по сравнению с силикатным и бетонными камнями. Это обусловлено технологией производства стеновых материалов. Если силикатный кирпич, подобно бетону, после автоклавной обработки в результате химической гидратации приобретает кристаллическую структуру на основе гидросиликатов кальция, то керамический кирпич после обжига в процессе химических превращений содержит в своем составе кроме кристаллической фазы и аморфную (стекловидную), которая способствует закрытию пор при термообработке.
Отличительной особенностью керамического кирпича является его абсолютно сухое состояние при завершении технологического процесса. Результаты исследований послужили основой для создания нового поколения эффективных пористых керамических материалов, позволяющих в 2-3 раза повысить теплозащитные качества наружных кирпичных стен без увеличения их толщины. Содержащаяся в шихте гигроскопическая влага полностью удаляется в диапазоне температур 120-180°С. Химически связанная вода из шихты (кристаллизационная) удаляется во время обжига при 480-580°С. Небольшое увлажнение до воздушно-сухого состояния (0,1-0,2%) керамический кирпич приобретает в процессе доставки на стройплощадку. Бетонные камни и силикатный кирпич после автоклавной обработки имеют влажность 16-18%. Поскольку кладку выполняют на цементно-песчаном растворе - материале, 'родственном' бетонным камням и силикатному кирпичу, то стены из них, практически дополнительно не увлажняясь, продолжают сохранять технологический уровень влажности еще длительное время после окончания строительства. Керамический же кирпич, наоборот, в процессе укладки в стену приобретает дополнительное увлажнение от кладочного раствора, но тем не менее влажность стены из него значительно ниже, чем из бетонных камней и силикатного кирпича.
Различие физических свойств рассматриваемых материалов проявляется и в способности поглощать и удерживать влагу в стене при эксплуатации зданий. Вода, попавшая в поры, способствует развитию деформаций, то есть разрушению матрицы материала и повышению теплопроводности. Поэтому при получении качественного стенового строительного материала необходимо по возможности создавать закрытую структуру пор, чтобы уменьшить количество свободной воды, химически не связанной. Оставшиеся после изготовления стенового материала открытые поры при заполнении водой или паром в условиях эксплуатации зданий являются причиной, снижающей морозостойкость изделий, долговечность и теплозащитные качества наружных стен.
Сорбционное (равновесное) влагосодержание материала исследованных мелкоштучных стеновых изделий значительно меньше максимального влагосодержания, которое материал может приобрести при погружении в воду. Как видно, материал мелкоштучных стеновых изделий имеет большой диапазон влагосодержания. От степени насыщения материала влагой зависит его теплопроводность. При этом сорбционная влага, находящаяся в порах с радиусом 10-5 см, и влага эксплуатационная (сверхсорбционная), заполнившая более крупные поры, при положительных или отрицательных температурах наружного воздуха оказывают разное влияние на теплозащитные качества наружных ограждающих конструкций.
Керамический кирпич имеет количество пор с радиусом 10-6 - 10-4 см, значительно большее по сравнению с другими материалами. На втором месте по величине пор находится пористая керамика. Керамзитобетон, силикатный кирпич и цементно-песчаный раствор содержат наибольшее количество пор с радиусом 10-4 - 10-1,5 см. Это обусловливает и их существенно различающиеся сорбционные свойства и водопоглощение.
Например, у кладки из керамического кирпича наиболее заметный рост коэффициента теплопроводности наблюдается в интервале влажности 0-1 %. Это объясняется тем, что в обожженных материалах, к которым относится и керамический кирпич, при увлажнении в первую очередь заполняются мелкие поры и капилляры. В результате увеличиваются размеры контактных площадок между частицами материала. Образование контактной зоны с повышенным значением теплопроводности обусловлено появлением так называемого 'дефектного участка' с неэквивалентными связями. Подобный эффект наблюдается при введении примесных концентраций ионов в структуру кристаллических и аморфных соединений, вызывающих интенсификацию ряда свойств. С повышением концентрации воды заполняются крупные поры вне зоны контакта теплопроводных частиц. Поэтому рост теплопроводности с увеличением влажности замедляется.
Отсутствие скачкообразного роста теплопроводности у кладки из силикатного кирпича и бетонных камней объясняется в первую очередь меньшим количеством пор с радиусом до 10-5 см. Во-вторых, гидросиликаты, связывающие кварцевый песок в силикатном кирпиче и бетонных камнях, имеют коэффициент теплопроводности значительно выше, чем пористые пленки из стеклофазы, находящиеся в контактных зонах частиц из керамического кирпича. Поскольку в обоих случаях влага с одинаковым значением коэффициента теплопроводности заполняет поры соединительных пленок, отличающихся теплопроводностью, то и результирующий эффект в связи с изменением значения начальной точки отсчета роста l керамического кирпича выше, чем у бетонных материалов на начальном диапазоне влажности 0-1%.
Выполненные исследования показали, что в интервале влажности 0-1% для кирпичной кладки из обыкновенного глиняного кирпича плотностью 1800 кг/м3 теплопроводность повышается с 0,53 до 0,70 Вт/(м °С), то есть на 32% (рис.2). Дальнейшее увлажнение кирпичной кладки заполнением крупных пор менее интенсивно повышает теплопроводность. Например, при увлажнении с 2 до 6% теплопроводность увеличивается на 8 - 10% на каждый процент влажности. Для кладки же из силикатного кирпича и керамзитобетонных камней зависимости коэффициента теплопроводности от влажности во всем диапазоне влажности имеют более плавный характер.
В работах ряда исследователей эта закономерность объясняется различием форм связи влаги с капиллярно-пористыми телами. Можно также полагать, что причиной интенсивного подъема кривой l= f(w) в керамическом кирпиче является влага, расположенная в местах стыка зерен в виде водных манжеток, соприкасающихся между собой. При увеличении влагосодержания керамики в местах стыка зерен происходит увеличение сечения водных манжеток, играющих в теплопередаче роль тепловых мостиков. В связи с этим происходит значительное увеличение коэффициента теплопроводности керамического кирпича.
Снижение темпа роста кривой в интервале влажности 1-8% для кладки из керамического кирпича вызвано тем, что накопление влаги в порах, удаленных от контактных зон теплопроводных частиц, несмотря даже на более высокий ее объем, уже не оказывает такого активного влияния на повышение теплопроводности.
У бетонных и силикатных материалов при увлажнении, в отличие от керамики, не наблюдается интенсивного роста коэффициента теплопроводности на участке влажности 0-1 %. Это можно объяснить тем, что в этих материалах влага частично уходит на образование гидросиликатов. Оставшаяся же свободная влага, поскольку ее количество уменьшилось, в меньшей степени оказывает влияние на увеличение теплопроводности.
При отрицательных температурах наружного воздуха наблюдается более интенсивное увеличение теплопроводности кирпичной кладки. Причем при увлажнении до 1% количественная зависимость почти не изменяется от рассмотренной выше. При увеличении же влажности от 1 до 8% прирост l увеличивается почти вдвое. На интенсивное возрастание l оказывает влияние образовавшийся в порах лед. Теплопроводность льда ( 2,3 Вт/(м°С)) в 4 раза больше теплопроводности воды (0,55 Вт/(м°С)) и в 80 раз - воздуха.
Наибольшее количество льда образуется в керамическом кирпиче, затем его концентрация уменьшается в ряду: керамзитобетон - цементно-песчаный раствор - силикатный кирпич. Приведенная последовательность соответствует максимальному их водопоглощению. При этом необходимо отметить, что чем выше первоначальное влагосодержание, тем больше замерзает влаги в материале, тем ниже температура ее окончательного замерзания. При начальной влажности керамического кирпича ? 6 % процесс образования льда продолжается и ниже -11°С, и практически заметное образование льда приостанавливается при снижении температуры до -20°С. При начальной влажности 4-6% этот процесс наблюдается уже при -10°С.
Высокая начальная влажность кирпича обычно отмечается в локальной зоне на глубине 0,33 стены от наружной поверхности. Необходимо отметить, что замерзание влаги в порах происходит медленно и при эксплуатации ограждения длительное время при низких температурах наружного воздуха на стенках наружных пор начинает выпадать иней. Теплопроводность инея составляет 0,07-0,08 Вт/(м°С), что в 25-30 раз ниже данного параметра для льда. В результате уменьшается и теплопроводность кирпичной кладки (рис.2). Установленная закономерность относится к кирпичной кладке, в 1 м3 которой находится 0,23 - 0,24 м3 кладочного раствора и максимальное сорбционное увлажнение которой составляет 5 - 6%, что значительно превышает это значение для керамического кирпича. Причем максимальные значения сорбционной влажности материалы приобретают постепенно.
В наружных кирпичных стенах и стенах из бетонных камней, удовлетворяющих нормам теплоизоляции, относительная влажность воздуха в порах материалов, находящихся при отрицательных температурах в зимний период ( tн = -10,2°С для Москвы), составляет 88 - 93%. При таких условиях керамический кирпич должен увлажняться значительно меньше максимального сорбционного значения. На самом деле влажностное состояние стены значительно выше максимальной сорбционной величины увлажнения. Основная причина этого явления заключается в том, что свободные капилляры керамического кирпича всасывают жидкость из широких капилляров прикасающегося цементно-песчаного раствора, имеющего более высокую влажность. Этот процесс обусловлен разностью капиллярных потенциалов, который зависит от коэффициента поверхностного натяжения, радиуса капилляра ( r ) и свойств поверхности стенок капилляра (cos Q).
Таким образом, влажностное состояние керамического материала в стене в основном формирует не его сорбционные свойства, а высокое влажностное состояние цементно-песчаного раствора. Для снижения эксплуатационной влажности керамики необходимо стремиться к снижению расхода цементно-песчаного раствора в кладке.
Рассмотрим распределение эксплуатационной влажности в однородной стене из полнотелого кирпича и в стене из крупноразмерных пустотелых керамических камней, изготовленных из пористой керамики на заводе ЗАО 'Победа/Кнауф'. Камни расположены в зоне возможного максимального влагонакопления. Применение этих материалов позволило снизить максимальное значение эксплуатационной влажности с 5 до 1,7%. При этом среднее значение эксплуатационной влажности в стене с крупноразмерными керамическими камнями в период максимального влагонакопления понизилось до 1,3%, что на 65% ниже средней эксплуатационной влажности стены из полнотелого керамического кирпича, равной 2%.
Следует обратить также внимание на отсутствие накопления влаги на границе крупноразмерного керамического камня с лицевым наружным кирпичом. Причиной этого является значительно большая воздухопроницаемость наружного лицевого слоя по сравнению с основной кладкой, что способствует интенсивной сушке стены.
Полученные экспериментальные результаты позволили выработать основные направления достижения более высокого уровня теплозащитных качеств наружных кирпичных стен без увеличения их толщины. Предложено заводам перейти на выпуск керамических камней повышенных размеров, снизить плотность керамических камней созданием пустот с рациональными размерами, повысить пористость черепка введением в шихту комплекса выгорающих добавок.
На кирпичном заводе ЗАО 'Победа/Кнауф' эти предложения нашли свое отражение при выпуске керамического камня размером 250х120х142 мм и плотностью 950 кг/м3, применение которого в строительстве позволило почти вдвое повысить теплозащитные качества наружных стен без увеличения их толщины, равной 0,64 м.
В настоящее время на том же заводе отработана технология и налажен массовый выпуск крупноформатных камней 15 NF из пористой керамики размером 510х260х219 мм с объемом в 15 условных кирпичей. Плотность камня составляет 790 кг/м3, плотность черепка 1400 кг/м3, пустотность 46%, ширина пустот в уровне среза 10-12 мм. Расход раствора на 1 м3 стены составляет 0,045 м3, что в 5 раз меньше расхода раствора на 1 м3 кладки из одинарного полнотелого кирпича, равного 0,23 м3. Теплопроводность кладки равна 0,195 Вт/(м°С). Камень выпускается с маркой по прочности не ниже М50, М75 и М100, по морозостойкости - не ниже F50.
Приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены из крупноформатных камней в сочетании с лицевым кирпичом и внутренним штукатурным слоем общей толщиной 655 мм составляет 3,17 м2°С/Вт, что удовлетворяет второму этапу требований СНиП П-3-79* 'Строительная теплотехника. Нормы проектирования' для климатических условий С.-Петербурга и Москвы.
А. Ананьев, докт. техн. наук,
ИИСФ РААСН, г. Москва
Л.Иванов, канд.техн.наук,
ген.директор ЗАО 'Победа/Кнауф',
г. С.-Петербург В. Комов, ЗАО 'Победа/Кнауф',
г. С.-Петербург тел. 461-42-12 461-09-90.
  |