Новый материал для конструкций стеновых ограждений энергоэффективных зданий

Опубликовано: 02.09.2018

Проанализированы существенные конструктивные недостатки применяемых стеновых ограждений. Предложена конструкция стенового ограждения для многоэтажных энергоэффективных зданий с наружными стенами, поэтажно опирающимися на диски перекрытий на основе применения блока стенового трехслойного с гибкими связями.

Major structural drawbacks of the existing walls have been analyzed. A wall structure based on using a three-layer building block with flexible ties was offered for energy efficient multistory buildings with external walls resting upon the floor disks.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, сформулированных в концепции развития строительного комплекса Республики Беларусь на 2011–2020 гг., является строительство энергоэффективных жилых домов, объемы которого к 2015 г. намечено довести до 6 млн м2, что составит около 60 % от общей площади вводимых зданий. Удельное потребление тепловой энергии на отопление таких зданий не должно превышать 60 кВт?ч на 1 м2 в год и в перспективе до 2020 г. – до 30–40 кВт?ч на 1 м2 в год. В глобальном масштабе – это один из способов оптимизации топливно-экономического баланса страны, поскольку на отопление и горячее водоснабжение жилого фонда Республика Беларусь потребляет около 35 %–40 % энергоресурсов страны.

Наиболее эффективными мероприятиями для снижения потребления тепловой энергии в жилых домах являются: повышение термического сопротивления ограждающих конструкций вновь возводимых и эксплуатируемых зданий, установка энергоэффективных окон, утилизация тепла вентиляционных выбросов и сточных вод. Среди перечисленных мероприятий применение новых типов ограждающих конструкций с повышенным термическим сопротивлением как технически, так и экономически является приоритетным. Поэтому производство новых отечественных стеновых материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами, разработка новых конструктивных систем тепловой изоляции зданий – одна из основных задач энергоэффективного строительства. Она усложняется тем, что с учетом введенных в республике в 2010 г. в действие изменений в нормы проектирования [1] термическое сопротивление ограждаю­щих конструкций должно составлять не менее 3,2 м2?оС/Вт.

Ужесточение требований к термическому сопротивлению наружных ограждающих конструкций обусловило интенсивное строительство в Беларуси многоэтажных жилых домов с такими архитектурно-конструктивно-технологическими системами, как каркасные (сборно-монолитные, монолитные) и стеновые (поперечно-стеновые, продольно-стеновые, перекрестно-стеновые), позволяющими снять нагрузку с наружных стен, сделать их поэтажно навесными или поэтажно опертыми. Это дало возможность выполнять наружные стены с повышенным термическим сопротивлением.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В Беларуси стеновое ограждение каркасных зданий, как правило, выполняется в виде одно- или двухслойной кладки, поэтажно опирающейся на диски перекрытий. Кладка однослойных стен обычно ведется из ячеистобетонных блоков на тонких растворных швах с последующими защитно-декоративной облицовкой штукатурным раствором и окраской. Значительно реже возводятся здания, стеновое ограждение которых выполняется двухслойным – из ячеистобетонных блоков с защитно-декоративной облицовкой из кирпича [2].

На рис. 1 и 2 приведены традиционно применяемые в Республике Беларусь схемы стенового ограждения каркасных зданий с защитной облицовкой кирпичом. В соответствии с типовой серией, принятой в нашей стране, стеновое ограждение толщиной 500 мм, выполненное из газосиликатных блоков плотностью D400, должно обеспечивать для условий эксплуатации «Б» сопротивление теплопередаче 3,68 м2?оС/Вт. Однако расчеты с учетом типичных теплопроводных включений, характерных для данной конструкции стены, дают значительно более низкие значения сопротивления теплопередаче [3]. То есть здание с такими стенами не соответствует современным требованиям по теплозащите. Кроме того, приведенные на рис. 1 конструктивные решения стенового ограждения обладают рядом существенных недостатков [4–7].

а)

б)

1 – железобетонная панель перекрытия; 2 – внутренний слой; 3 – утеплитель;

4 – воздушный зазор; 5 – лицевой кирпичный слой;

6 – деформационная прокладка; 7 – керамическая плитка; 8 – вкладыши из пенополистирола

Рис. 1. Варианты сопряжения лицевого слоя с плитой перекрытия

Прежде всего, они не обеспечивают непрерывности термоизолирующего слоя по всей высоте. Выходящие на контакт с наружным воздухом диски перекрытий являются мостиками холода, которые «обеспечивают» теплопотери стен более 20 %, приводят к образованию конденсата на поверхности стен внутри помещений, являясь причиной развития плесени и грибков, отдельные виды которых имеют канцерогенный характер [2]. Декоративная облицовка торцов плит перекрытия керамической плиткой или пиленым кирпичом неэффективна – из-за разности температур расширения керамики и бетона плитка и кирпич начинают отпадать уже в первые годы эксплуатации. Снижение теплопотерь путем облицовки торцов перекрытий пенополистиролом небольшой толщины является недостаточным, так как потоки тепла не перекрываются полностью (стрелки на рис. 1а). Применение с целью устранения этого недостатка термоизолирующих вкладышей, выполняемых в краевой части перекрытий методом сквозной перфорации, малоэффективно. Согласно тепловизионным съемкам, проведенным в феврале – марте 2011 г., по плите перекрытия имеет место температурный пробой, который усиливается за счет влаги, скапливающейся за зиму в утеплителе и воздушном зазоре [2]. Это может быть причиной массированного льдообразования во внутреннем объеме конструкции со всеми вытекающими последствиями. Кроме того, термовкладыши из хрупкого пенополистирола, особенно при некачественной их установке, контактируют с рабочей продольной и поперечной арматурой плиты, защитный слой бетона которой обычно имеет недостаточную толщину. При соприкосновении арматуры с конденсатом, скапливающимся в зоне термовкладышей, а также попадающей атмосферной влагой возникает коррозия стальной арматуры. Железобетонное сечение консолей с такой арматурой не может отвечать требованиям надежности. При образовании коррозионных трещин в консолях, которые сопровождаются многократными циклами замораживания–оттаивания, разрушительные процессы могут иметь лавинообразный характер [5]. Все эти недостатки в полной мере присущи и однослойному стеновому ограждению.

Применение для облицовки пустотелого кирпича (по сравнению с полнотелым) практически не оказывает влияния на повышение теплозащитных свойств стенового ограждения, более того, нерациональное расположение пустот создает в облицовочном слое стены участки с пониженными теплозащитными свойствами и повышенной паропроницаемостью. Это способствует концентрации влаги на внутренней поверхности лицевого слоя, что приводит к его переувлажнению и преждевременному разрушению [4].

Из анализа конструктивных решений стенового ограждения каркасных зданий авторы [2] делают вывод о том, что наиболее эффективными с точки зрения сопротивления теплопередаче являются слоистые конструкции, в ко­торых утеплитель расположен непрерывно по всей площади стены. Данные конструктивные системы имеют высокий коэффициент теплотехнической однородности. Слой утеплителя может находиться внутри стены за защитно-декоративной облицовкой из кирпича и вентилируемой воздушной прослойкой или снаружи с защитой клеевым составом и декоративной штукатуркой. Последнее решение стенового ограждения имеет один существенный недостаток – низкую долговечность защитно-декоративного покрытия, поэтому его преимущественно следует применять в малоэтажном строительстве. Для энергоэффективных зданий повышенной этажности стеновое ограждение целесообразно выполнять в виде вентилируемой слоистой кладки с защитно-декоративной облицовкой из кирпича или других мелкоштучных материалов.

Приведенное выше указывает на необходимость (а с учетом значительной стоимости возведения и эксплуатации стенового ограждения в современных условиях – в кратчайшие сроки) разработки новых конструктивных решений стеновых ограждений на основе создания материалов и элементов, отвечающих всем современным требованиям нормативных документов. Причем, позволяя значительно повысить теплотехнические характеристики кладки и ее технологичность, их применение должно уменьшить материалоемкость ограждения, его массу и нагрузки на конструкции, сокращая количество бетона и железобетона, используемого для возведения фундаментов и перекрытий. Таким образом, их применение должно снизить не только стоимость выполнения стенового ограждения, но и стоимость строительства здания в целом.

Одним из типов современных конструкций ограждений многоэтажных энергоэффективных зданий с наружными стенами, поэтажно опирающи­мися на диски перекрытий, является предлагаемая авторами А. В. Геращенко и А. А. Васильевым конструкция из штучных стеновых материалов на основе применения стенового трехслойного блока с гибкими связями [8]. Блок представляет собой трехслойную конструкцию (рис. 2), в которой несущие слои выполнены из дисперсно-армированного бетона (стеклофибробетона), а теплоизолирующий слой – из пеностекла. Наружный и внутренний слои соединяются системой гибких связей, выполняемых из стеклотканевой сетки (регистрационный № 7498 в Государственном реестре полезных моделей).

Рис. 2. Общий вид стенового трехслойного блока с гибкими связями

По результатам предварительных испытаний получены следующие характеристики блока:

– габаритные размеры, мм – 280х360х220 (h);

– термическое сопротивление блока, м2?оС/Вт – не менее 3,5;

– водонепроницаемость – не ниже W8;

– огнестойкость – негорючий;

– морозостойкость, цикл – не менее 250;

– предел прочности на сжатие, МПа – не ниже 2,0;

– масса блока, кг – не более 11,5.

Применение таких материалов для ограждающей конструкции оптимально, поскольку стеклофибробетон по сравнению с традиционным железобетоном обладает существенными техническими преимуществами: повышенной трещиностойкостью, ударной прочностью, вязкостью разрушения, износо- и морозостойкостью, пониженными усадкой и ползучестью, возможностью использования в тонкостенных конструкциях без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры. При работе со стеклофибробетоном возможно снижение трудозатрат, повышение степени механизации и автоматизации производства изделий. Пеностекло, в свою очередь, является универсальным теплоизоляционным материалом с присущими только ему уникальными теплофизическими и эксплуатационными свойствами: широчайшим температурным диапазоном применения, абсолютной непроницаемостью для воды, абсолютной негорючестью, стабильностью размеров (отсутствием усадки), стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам, высокими прочностными показателями, экологической чистотой. Оригинально соединенные в единое целое, эти материалы представляют собой уникальную конструкцию, сочетающую в себе лучшие свойства каждого материала в отдельности.

Для оценки возможности использования предлагаемого стенового трехслойного блока с гибкими связями выполним сравнение применения его и наиболее часто используемых для возведения конструкций ограждения блоков ПГС при разработке проекта одноподъездного восемнадцатиэтажного монолитного жилого дома на основе проекта ОКУП «Гомельгражданпроект». При использовании блоков ПГС (плотностью 500 кг/м3) кладка выполняется двухслойной (300 + 250 мм) с толщиной швов 3 мм (рис. 3). Таким образом, ее толщина составляет 553 мм. Кладка из предлагаемых стеновых трехслойных блоков с гибкими связями – однослойная на тонких растворных швах (рис. 4), ее толщина равна толщине блока и составляет 280 мм. Обе конструкции позволяют обеспечить требуемое значение сопротивления теплопередаче (3,2 м2?оС/Вт).

1 – железобетонная панель перекрытия; 2 – кладка из блоков ПГС на тонких растворных швах;

3 – отделочный слой

Рис. 3. Конструкция стенового ограждения многоэтажного жилого здания из блоков ПГС проекта ОКУП «Гомельгражданпроект»

1 – железобетонная панель перекрытия;

2 – кладка из стеновых трехслойных блоков с гибкими связями на тонких растворных швах

Рис. 4. Конструкция стенового ограждения многоэтажного жилого здания с использованием стеновых трехслойных блоков с гибкими связями

С учетом уменьшения толщины ограждения практически в 2 раза возможны два варианта выполнения ограждающей конструкции: первый – с сохранением внутреннего контура (рис. 5), второй – с сохранением внешнего контура (рис. 6). На обоих планах (см. рис. 5 и 6) заштрихованной областью показан контур здания.

Рис. 5. Поэтажный план одноподъездного восемнадцатиэтажного монолитного жилого дома проекта ОКУП «Гомельгражданпроект» с использованием стеновых блоков с сохранением внутреннего контура здания

Рис. 6. Поэтажный план одноподъездного восемнадцатиэтажного монолитного жилого дома проекта ОКУП «Гомельгражданпроект» с использованием стеновых блоков с сохранением наружного контура здания

В первом варианте уменьшается площадь монолитной плиты перекрытия на 24,9 м2, соответственно объем бетона в уровне перекрытия – на 5,0 м3 и его масса – на 12,5 т. Во втором варианте в уровне одного этажа увеличивается общая площадь квартир на 22,3 м3. В обоих вариантах при применении стенового трехслойного блока с гибкими связями объем кладки наружных стен в уровне одного этажа уменьшается на 40 м3. Соответственно нагрузка от наружных стен для одного этажа уменьшается на 24,0 т.

Сравнение стоимости и трудоемкости возведения здания на примере проекта 267.08 «106-квартирный жилой дом по улице Строителей, 18/14 в г. Бобруйске» приведено в таблице 1.

Таблица 1. Расчет экономии применения в кладке стеновых трехслойных блоков с гибкими связями (БСТ) по сравнению с кладкой из блоков ПГС

Трудоемкость, чел./ч Стоимость в ценах 2006 г., тыс. бел. руб. Экономия, в ценах 2006 г., тыс. бел. руб. На здание На 1 м2 общей площади квартир На здание На 1 м2 общей площади квартир На здание На 1 м2 общей площади квартир
ПГС БСТ ПГС БСТ ПГС БСТ ПГС БСТ ПГС БСТ ПГС БСТ
31.912 5.980 5.0 0.94 852.285 540.219 133.63 84.7 312.066 48.93

Необходимо отметить, что экономия при возведении здания из стеновых трехслойных блоков в ценах на 01.05.2011 составляет ориентировочно 759 230 тыс. бел. руб. Таким образом, использование стенового трехслойного блока с гибкими связями позволяет значительно уменьшить стоимость не только возведения наружных стен, но и за счет существенного уменьшения объема и массы несущих конструкций – стоимость всего здания в целом.

Кроме того, необходимо отметить, что выполнение двухслойной кладки из блоков ПГС более трудоемко и сложно контролируемо (устройство швов в двухслойной конструкции), требует дополнительных отделочных работ, что также отрицательно сказывается на трудоемкости и стоимости строительства.

Помимо ранее перечисленных стеновые трехслойные блоки обладают также рядом дополнительных качеств, позволяющих эффективно их эксплуатировать: возможностью выполнения фасадной стороны блока с декоративной отделкой в заводских условиях, повышенной коррозионной стойкостью и, как следствие, – значительной долговечностью. Кроме того, предлагаемая авторами конструкция, в основе выполнения которой лежит трехслойная панель, позволяет изготавливать блоки различных размеров и конфигураций в зависимости от проектного решения.

Необходимо обратить внимание на реальные экспортные возможности применения и продвижения ограждающих конструкций на основе использования стеновых трехслойных блоков с гибкими связями. Их применение для энергоэффективных зданий с услугой возведения под ключ обладает всеми критериями для динамичного развития экспортных программ строительной отрасли Республики Беларусь, что обусловлено монополией на производство и комплексом обязательных факторов, таких как:

– инновационная новизна конструкций, направленная на удовлетворение потребительского спроса в комплексе – острая востребованность всех международных корпораций (объединений) для успешного вхождения в рынок;

– экономическая и энергоэффективность, долговечность эффективной эксплуатации, не имеющая аналогов – не менее 50 лет до капитального ремонта;

– производительность, существенно сокращающая срок возведения здания, обеспечивает значительный рост объемов выполненного строительства за период времени. Освобождая производственные мощности для эффективного выполнения экспортной программы и увеличивая объемы строительства на 20 %–30 %, что влечет значительный рост выручки и доходов, сохраняет ликвидность продукта. И, наконец, главный приоритет:

– поступления максимально возможных объемов валютной выручки от продаж полезной жилой площади, например, в России, где с учетом всех особенностей рынка Российской Федерации, стоимость в среднем в 2 раза выше стоимости объекта в Беларуси, что, без сомнений, обеспечит необходимые платежи для импортной составляющей всего процесса экономики строительной отрасли и обязательных продаж валюты в бюджет страны.

Заключение

1 Строительство энергоэффективных зданий в Республике Беларусь – один из способов оптимизации топливно-энергетического баланса страны. Однако оно невыполнимо без разработки новых конструктивных решений стеновых ограждений с повышенным термическим сопротивлением, основанных на применении стеновых материалов с высокими теплоизоляционными свойствами, стойких к атмосферным воздействиям, долговечных и экономичных.

2 Предлагаемый стеновой трехслойный блок с гибкими связями позволяет проектировать стеновые ограждения для энергоэффективных зданий с поэтажно опирающимися на диски перекрытий наружными стенами. Такие ограждения отвечают всем современным нормативным требованиям не только в удовлетворении требуемых теплотехнических свойств, но и в обеспечении необходимой коррозионной стойкости и долговечности, обеспечивая зданиям выразительный архитектурный облик весь срок эксплуатации. При этом значительно снижается стоимость возведения (по сравнению с существующими) не только ограждающих конструкций, но и зданий в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ТКП 45-2.04-43-2006(02250): Строительная теплотехника. Изменение № 1. – Введ. 07.01.2009. – 3 с.

2. Деркач, В. Н. Об энергоэффективности наружного стенового ограждения каркасных зданий / В. Н. Деркач, А. Я. Найчук // Архитектура и строительство. – 2011. – № 1. – С. 22–25.

3. Горшков, А. С. Пути повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий / А. С. Горшков, И. А. Войков // Сборник трудов II Всероссийской конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций». – СПб, 2009. – С. 45–48.

4. Ищук, М. К. Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки / М. К. Ищук. – М.: РИФ «Стройматериалы», 2009. – 360 с.

5. Лобов, О. И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий / О. И. Лобов, А. И. Ананьев // Жилищное строительство. – 2008. – № 8. – С. 48–52.

6. Гроздов, В. Т. О недостатках существующих проектных решений наружных навесных стен в многоэтажных монолитных железобетонных зданиях / В. Т. Гроздов // Дефекты зданий и сооружений. – СПб: БИТУ, 2006. – С. 15–21.

7. Орлович, Р. Б. Отечественные и зарубежные технические решения по наружному стеновому ограждению высотных зданий / Р. Б. Орлович, А. Я. Найчук, В. Н. Деркач // Архитектура, дизайн и строительство. – 2009. – № 3–4 (43). – С. 56, 57.

8. Васильев А. А. Энергоэффективная конструкция ограждения многоэтажного жилого здания / А. А. Васильев // Вестник Белорусско-Российского университета. – Могилев: ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2011. – № 1(26). – С. 89–93.

rss