Причины возникновения дефектов в облегченной кладке

.

Осмотр нескольких десятков зданий, возведенных с применением указанной технологии и находящихся несколько лет в эксплуатации (что, конечно же, очень мало для того, чтобы делать какие либо серьезные выводы), позволил обнаружить значительное количество разнообразных дефектов наружной части кладки, определяемых визуально. В какой-то степени их можно сгруппировать следующим образом:

• растрескивание внешних плоскостей облицовочных кирпичей наружной части кладки с последующим выпадением отдельных фрагментов (фото 2);
• растрескивание значительных участков наружной части кладки в местах ее опирания или примыкания снизу к плитам перекрытий или несущим стальным опорным кронштейнам с последующим обрушением этих участков (фото 3);
• долговременные (многолетние) высолы на значительных площадях поверхности кладки, ведущие к эрозии раствора кладочных швов и самого кирпича под воздействием накапливаемых солей (фото 4);
• вертикальные трещины значительной протяженности вдоль внешних и внутренних углов (фото 5);
• трещины различной ориентированности и степени раскрытия в кладке вокруг проемов (фото 6);
• размораживание участков внешней кладки, примыкающих к перекрытиям (фото 7);
• обрушение облицовочной плитки или штукатурки с торцов плит перекрытий (фото 8);
• многочисленные трещины оштукатуренных и окрашенных стен (фото 9; 9.1);
• разрушение (разложение) кирпича оштукатуренной и окрашенной наружной кладки в результате размораживания с последующим выпадением фрагментов наружной кладки (фото 10; 10.1).

Для того чтобы можно было попытаться определить причины возникающих дефектов, вспомним немного историю вопроса, а также наиболее распространенные варианты устройства наружных стен с применением технологии облегченной кладки.

Данная технология достаточно давно известна в отечественном строительстве под названием «колодцевая» кладка и применялась до 70-х годов прошлого века во всех климатических регионах СССР. При этом не раз проявлялись деструктивные процессы, происходящие в стенах зданий, построенных по этой технологии и находящихся в эксплуатации от 5 лет и более. Особенно часто такие процессы фиксировались в регионах с тяжелыми климатическими условиями, определяемыми большими сезонно-суточными температурными перепадами при относительно высокой влажности воздуха (Дальний Восток, Прибайкалье, ряд регионов Восточной и Западной Сибири). Определенная нехватка строительных материалов со специальными свойствами (кирпич повышенной паропроницаемости при высоких марках морозостойкости, нержавеющая сталь для гибких связей, эффективные виды утеплителя с высокими сроками службы) и широкое распространение панельного домостроения на некоторое время сократили объемы применения указанной технологии при устройстве наружных стен зданий.

Однако с середины-конца 90-х годов подобные технологии вновь стали достаточно широко применяться, что обусловливается появлением на рынке широкой номенклатуры современных стройматериалов, прежде всего различных видов утеплителей, изделий из коррозионно-устойчивых сталей и различных видов облицовочного кирпича, а также резким увеличением объемов монолитного домостроения. Также в это время изменилась нормативная база в области строительства в части повышения требований к показателям энергоэффективности ограждающих конструкций.

Тем не менее, нормативная база, определяющая правила и требования к проектированию и условиям производства работ по технологии облегченной кладки, не претерпела сколько-нибудь существенных изменений, соответствующих современным требованиям к ограждающим конструкциям. В первую очередь это касается требований по безопасности в условиях долговременной эксплуатации зданий. Например, общий объем текста, посвященного требованиям к возведению стен из облегченной кладки, в СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» и в СНиП 11-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции» составляет всего около 50 (!) строк. Это весь объем нормативной документации по данному вопросу на сегодня. При этом существуют различные альбомы типовых решений, выпущенные рядом проектных институтов по данной тематике, имеющих справочно-рекомендательный статус. Значительное количество из этих решений не имеют обоснования или трактуются неоднозначно, что приводит к ситуации, когда заказчику-застройщику, еще на стадии проектирования, закладывают относительно дешевые, но технически не обоснованные решения по устройству наружных стен без учета реальных теплотехнических процессов, происходящих внутри ограждающих конструкций и значительно влияющих на срок их службы. Положение усугубляется тем, что результаты вышеуказанных ошибок выявляются далеко не сразу, а только после нескольких лет эксплуатации зданий и, как правило, после окончания действия гарантийных сроков.

Наиболее распространены два варианта устройства наружных стен с применением технологии облегченной кладки.

Вариант А: опирание наружной кладки из кирпича на железобетонные монолитные перекрытия. При этом в монолите «краевой» части перекрытия выполняется сквозная перфорация прямоугольными отверстиями, куда закладывается утеплитель из пенополистирола (ПСБ-С) или минераловатных плит (МВП). Отверстия располагаются вдоль основной, внутренней стены с шагом 300-400 мм и, как правило, имеют длину 350-500 мм, а ширина соответствует толщине утеплителя (ПСБ-С или МВП), крепящегося к внешней плоскости внутренней стены. Называется это «термоизолирующие вставки». Иногда ширина вставок превышает толщину утеплителя на величину воздушного зазора (20-50 мм) между внешней поверхностью утеплителя и внутренней поверхностью наружной кладки.

Внутреннюю стену выполняют из монолитного бетона, кладки или ячеистобетонных блоков. Реже — из керамзитобетонных или шлакобетонных блоков. Кладку наружной части стены выполняют из кирпича. Толщина кладки — 120 мм (в полкирпича). При этом, в зависимости от вариантов внешней отделки здания, для наружной кладки применяют или различные виды кирпича под штукатурку с окраской, или облицовочный кирпич (зачастую с глазурованной поверхностью) — под расшивку. Торцы перекрытий, на которые опирается внешняя кладка, отделывают либо той же штукатуркой с окраской (а иногда — просто шпаклевкой с окраской), либо специальной керамической плиткой «под кирпич». Крепление наружной части кладки к внутренней стене осуществляется гибкими связями, как правило, стальными, иногда — из коррозионностойкой стали, но, к сожалению, крайне редко.

Вариант Б: опирание наружной кладки из кирпича на несущие стальные конструкции, закрепленные анкерами в торцы монолитных перекрытий или во внутреннюю часть наружных стен, если они выполнены из монолитного бетона. Все остальное — примерно так же, как и в варианте А.; Внешняя отделка таких стен также выполняется в двух принципиально разных вариантах: кладка из облицовочного кирпича с расшивкой швов или то же, но с последующей штукатуркой и окраской или облицовкой керамической плиткой.

Для наглядности при дальнейшем обсуждении вопроса представлены два рисунка сечений наружной стены из облегченной кладки, где внутренняя часть кладки выполнена из кирпича, утеплитель (V) по стене и в теплоизолирующих вставках (IV) — МВП. Ширина вставки соответствует толщине основного утеплителя, наружная кладка — из облицовочного кирпича на цементно-песчаном растворе «под расшивку» или с последующей штукатуркой и окраской (показано условно) и опирается на монолитную плиту перекрытия (I и II). III — воздушный зазор между утеплителем и наружной частью кладки стены. Рисунок 1 — сечение по участку перекрытия с теплоизолирующей вставкой (IV). Рисунок 2 — сечение по участку перекрытия без вставки, по сплошному участку монолитного бетона.

Рассмотрим некоторые теплофизические процессы, происходящие внутри стены на примере рис. 1.

Изнутри на стену воздействует тепло (эксплуатационная расчетная температура, как правило, от +18 до +22°С) и водяной пар (от эксплуатации помещений биологическими объектами и различным техническим оборудованием), стремящийся выйти наружу, так как парциальное давление водяного пара внутри помещения обычно выше, чем снаружи. Извне на конструкцию стены воздействует отрицательная расчетная зимняя температура (для разных регионов, согласно СНиП — разная). Для упрощения не будем принимать во внимание воздействие на внешнюю кладку влаги межсезонных осадков в сочетании с ночными заморозками.

Паровоздушная смесь, при относительно высокой температуре помещения, достаточно легко проходит через внутреннюю часть кладки, с небольшим снижением температуры и давления водяного пара на выходе из стены. Далее на пути — утеплитель из МВП, пропускающий пар намного лучше, чем кирпич кладки, но «поглощающий» своим массивом часть положительной температуры. Таким образом, на выходе из массива утеплителя, то есть на границе участков V и III, мы получаем относительно насыщенную паровоздушную смесь (почти такую же, что и при входе в стену из помещения), с определенным снижением температуры. При отрицательной температуре окружающей среды, в холодное время года, наружная кладка полностью промораживается, и значительно понижается температура воздушного зазора III. При снижении температуры до +8... +10°С создаются благоприятные условия для выпадения конденсата из насыщенной паровоздушной смеси. И это при нормальном парциальном давлении водяного пара. А в данной ситуации давление неизбежно будет расти, так как скорость прохождения пара через относительно холодную наружную кладку из облицовочного кирпича на обычном растворе существенно ниже той скорости, с которой этот пар двигался до сих пор (уместнее — до этой границы). И «деваться» этому избыточному давлению некуда, так как воздушный зазор замкнут (и именно поэтому обязательно учитывается в теплотехнических расчетах). Рост давления пара, в свою очередь, повышает расчетную температуру возможного выпадения конденсата. Таким образом, происходит выпадение конденсата (постепенно, конечно) во всем объеме наружной кладки, далее — в воздушном зазоре и в глубине массива утеплителя. Насколько глубоко в утеплителе, когда и в каком количестве — это зависит от множества характеристик конкретных примененных материалов, конкретных особенностей погоды (не только холодного, но и теплого периодов года), и рассчитывается в каждом отдельном случае индивидуально.

Но это все пока что достаточно понятно и прогнозируемо стандартными методами теплотехнических расчетов. Гораздо более сложная ситуация складывается на границе прямого контакта утеплителя с охлажденным бетоном перекрытия (участки VI и VII). Температура резко охлаждаемого монолитного участка II значительно ниже температур участков IV и III, и на границе между этими участками очень быстро начинает выпадать конденсат, причем гораздо раньше, а значит и больше по объему, чем в остальном массиве конструкции стены. Особенно на участке VI. При этом конденсат начинает активно впитываться утеплителем, имеющим более высокую температуру, чем бетон. Утеплитель начинает намокать, теряет свои теплоизолирующие свойства, граница выпадения конденсата сдвигается все глубже внутрь утеплителя, что вызывает все большее его намокание, и т.д. Процесс развивается по принципу: чем дальше, тем больше. При этом образовывается наледь из замерзающего конденсата, находящегося на поверхности бетона, так как намокший утеплитель уже не в состоянии обеспечивать положительную температуру во всем объеме воздушного зазора, особенно на границе участков II и III. Наличие льда на поверхности бетона в воздушном зазоре, в свою очередь, приводит к резкому охлаждению как окружающего воздуха, так и материала утеплителя. Это увеличивает скорость выпадения конденсата и скорость образования наледи. При определенных погодных условиях (резкие суточные или многодневные перепады с относительно низкими ночными и относительно высокими (немного выше ОС) дневными температурами) вышеописанный процесс может принимать лавинообразный характер «со всеми вытекающими последствиями».

Конечно, вышеописанный процесс происходит не так уж быстро. Тем более что до определенного времени сказывается влияние положительных температур теплоизолирующей вставки IV. Но это все «до поры, до времени». Как только из-за погодных «чудес» начнется выпадение конденсата, то остановить процесс может только резкое и долговременное потепление. Причем, «сработает» оно только на стенах, выполненных из относительно паропроницаемого, то есть не глазурованного облицовочного кирпича «под расшивку», предпочтительно на специальном, так называемом «пористом» растворе. Тогда, при резком повышении температуры поверхности стены под прямыми солнечными лучами, избыток влаги в виде пара начнет выходить из стены даже в зимний период. А вот во всех остальных случаях, к сожалению, вряд ли.

Теперь рассмотрим процессы, происходящие в сечении без теплоизолирующей вставки (рис. 2). Все, практически, то же самое, только встреча «зимы» и «лета» в массиве монолита плиты произойдет гораздо раньше, и условия для конденсатообразования возникнут тоже раньше и на большей площади поверхности бетона.

А, значит, для быстрого намокания не только утеплителя, но и самого бетона создаются самые благоприятные условия. Соответственно, шансов на образование льда (с соответствующим влиянием на соседние участки со вставками) во внутреннем объеме наружной стены становится существенно больше.

Конечно, вышеописанная ситуация несколько утрирована. На самом деле, схемы происходящих процессов намного сложнее. Взаимное влияние участков со вставками и участков без них носит сложный характер. Однако все примерно так и происходит на самом деле, что подтверждается результатами материалов немногочисленных обследований, а также многочисленными визуальными наблюдениями. К тому же для проведения анализа был рассмотрен действительно достаточно тяжелый случай с точки зрения комбинации материалов кладки и утеплителя. Например, если внутренняя стена выполнена из монолитного бетона с соблюдением всех норм и правил, в качестве утеплителя применен ПСБ-С, жестко выдержаны параметры воздушного зазора, несколько по-другому организовано устройство вставок, для внешней кладки «под расшивку» применен высокопористый облицовочный кирпич, то, как правило, проблем не возникает. Пока, во всяком случае.: И наоборот, если внутренняя стена выполнена из высокопаропроницаемых ячеисто-бетонных блоков, то вообще непонятно, какой утеплитель можно применять, чтобы избежать или паробарьера на выходе из внутренней стены, или огромного количества конденсата на поверхности утеплителя по всей площади воздушного зазора. Тогда ситуация становится даже хуже описанной в примере.

И еще одно. Если посчитать коэффициент теплотехнической неоднородности вышеописанных конструкций с применением теории «температурных полей», то по прямой стене (при определенных показателях материалов стены) он может достигать значения 0,5, а по внешним углам зданий и того меньше — до 0,2. Отсюда делается вывод о необходимости значительного увеличения толщины утеплителя. А это уже совсем другая экономика строительства и другая конструкция стен, и многое, многое другое...

Анализ некоторых фактов и обстоятельств, которые удается выяснить при определении причин возникновения вышеперечисленных дефектов, позволяет сделать вывод, что основными причинами являются следующие:

1. Нарушения при производстве теплотехнических расчетов. Отсутствие учета процессов паропереноса в объеме ограждающих конструкций, что влечет за собой ошибки в оценке объемов выпадающего конденсата и показателей увлажнения материалов стен. А показатели влажности материалов как раз и определяют их устойчивость и долговечность в условиях замораживания-оттаивания конструкции.
2. Ошибки в части устройства температурно-деформационных швов в наружной кладке ввиду отсутствия точных и технически обоснованных требований и рекомендаций, учитывающих особенности работы наружной кладки под воздействием различных климатических воздействий с учетом возможных вариантов ее опирания и крепления к несущей внутренней стене. При этом надо учитывать, что по Центральному региону уже сейчас не редкость пиковые температурные нагрузки: зимой — до -40°С, летом — более +30сС, а долговременные прогнозы синоптиков обещают ежегодное увеличение пиковых нагрузок при общем увеличении среднегодовой температуры.
3. Отсутствие технических решений, гарантированно устраняющих проблемы «мостиков холода», локально возникающих поэтажно и по всему периметру здания в местах опирания наружной кладки на перекрытия. Этот процесс, в условиях отсутствия миграции конденсата в виде насыщенного водяного пара, носит лавинообразный характер и развивается, как представляется, по принципу цепной реакции. Данная проблема мало изучена и требует серьезнейших исследований и соответствующих изменений в применяемых технологиях.
4. Отсутствие технических решений, устраняющих проблему выпадения конденсата в объеме утеплителя и на внутренней поверхности наружной кладки в условиях отсутствия конвективных процессов переноса воздуха в замкнутом воздушном зазоре при резких перепадах температуры (суточные — в межсезонье ранней весной и поздней осенью, сезонные пиковые падения температуры ниже -30°С). Указанный процесс с соответствующими последствиями возникает практически во всех случаях, когда внешняя поверхность наружной кладки оштукатуривается и окрашивается или облицовывается керамической плиткой.
5. Отсутствие подтвержденных испытаниями показателей степени долговечности теплоизолирующих материалов, позволяющих выбрать материалы, обеспечивающие безаварийную работу всей конструкции в течение всего нормативного срока эксплуатации зданий и сооружений.
6. Применение материалов для устройства наружной кладки, не обеспечивающих необходимую степень паропроницаемости конструкции (непоризованные кладочные растворы, практически паронепроницаемый облицовочный кирпич с глазурованной стекловидной поверхностью).

Надежность и качество стен, выполняемых по данной технологии, во многом зависит от так называемого «человеческого фактора». Монтаж утеплителя, устройство воздушного зазора, монтаж гибких связей и несущих кронштейнов — весь комплекс этих работ относится к скрытым работам, поэтому роль постоянного контроля буквально за каждым квадратным метром фронта работ становится определяющей в борьбе за итоговое качество конструкции. Так как доступ к ранее выполненным работам после кладки наружной части стены резко ограничен, а чаще просто невозможен, представляется сомнительной 100%-ная гарантия качества перечисленных видов работ, нарушения в которых даже в незначительных объемах через некоторое время неизбежно приводят к тяжелым последствиям. Например, некачественный монтаж плит утеплителя или неправильный выбор их марки обязательно приведут к массированному выпадению конденсата внутри конструкции с последующим льдообразованием и разрушением внешней кладки на значительных площадях. Положение осложняется и тем, что на сегодняшний день отсутствуют доступные для широкого применения методы инструментального контроля, которые позволяли бы проводить выборочный осмотр состояния элементов внутреннего объема выполненной кладки. Необходимо заметить здесь, что применение тепловизионной съемки в данном случае оказывается малоэффективным, причем по двум причинам:

• Первое. Реальные показатели качества и эффективности выполненных работ по устройству наружного утепления съемка может определить только через 1,5-3 года после окончания всех общестроительных и отделочных работ, так или иначе связанных с большими объемами мокрых процессов. Как правило, именно такое время требуется, чтобы в ограждающих конструкциях под воздействием эксплуатационных нагрузок установился «истинный» температурно-влажностный баланс.
• Второе. Выполнение тепловизионной съемки наружных стен из облегченной кладки в любое другое время года, кроме периода окончания зимы и начала весны (как правило, это 2-3 недели) не имеет смысла, и результаты такой съемки просто могут ввести в заблуждение заказчика съемки. А причина-то проста: процессы, описанные выше, в том числе процесс набора влаги утеплителем, достигают «наивысших» показателей именно к концу так называемого холодного периода года.

В итоге, как всегда, извечный русский вопрос: «Что делать?». Наверное, что-то уже пора делать, пока события в г. Железнодорожном не стали повседневным явлением, как провалы грунта в Москве. Наверное, заинтересованные организации должны обеспечить проведение широкомасштабных технических обследований «дефектных» зданий. Наверное, надо систематизировать результаты этих обследований и серьезно анализировать. Только подход должен быть действительно серьезным, а не таким, как у нас обычно бывает: спали, спали, а потом по команде «сверху» проснулись и побежали, лишь бы отрапортовать. Представляется, что на бегу эту проблему решить будет сложновато. Хотя, конечно, можно и еще подождать. Пока само отвалится. «Процесс», как говорил в свое время один очень уважаемый политический деятель, «пошёл»...