повышение долговечности лицевого керамического кирпича и
advertisement
На правах рукописи Ананьев Алексей Алексеевич ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЛИЦЕВОГО КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА И КАМНЯ В НАРУЖНЫХ СТЕНАХ ЗДАНИЙ Специальность: 05.23.05. Строительные материалы и изделия Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва 2007 Работа выполнена в ОАО “Всероссийский научно-исследовательский институт строительных материалов и конструкций им. П. П. Будникова”. Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Дуденкова Галина Яковлевна Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хромец Юрий Николаевич кандидат технических наук, доцент Бычков Александр Сергеевич Ведущая организация: ЦНИИСК им. В. А. Кучеренкофилиал ФГУП НИЦ “Строительство” Защита состоится “ ” мая 2007 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К.303.001.01 при ОАО “ВНИИСТРОМ им. П. П. Будникова” по адресу 140050, Московская обл., пос. Красково, ул. Карла Маркса, 117. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО “ВНИИСТРОМ им П. П. Будникова”. Автореферат разослан “ Учёный секретарь диссертационного совета “ 2007г. Бурмистров В. Н. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность. Решение проблемы повышения долговечности наружных стен зданий является одним из направлений в реализации национального проекта “Доступное и комфортное жилище – гражданам России”. В большинстве возводимых для этих целей жилых домов наружные стены будут облицовываться керамическим кирпичом. Сроки эксплуатации построенных зданий до первого капитального ремонта стен будут зависеть от долговечности применённого лицевого керамического кирпича. Поэтому, выполняемая работа, направленная на повышение долговечности лицевого кирпича, по своей научной и практической значимости является весьма актуальной. Рост требований по энергосбережению, согласно СНиП II-3-79* обусловил повышение теплозащитных качеств наружных стен в 3-3,5 раза. Это привело к изменению температурно-влажностного режима стен, увеличению количества циклов промерзания и оттаивания облицовочного слоя, что со временем существенно снизит его долговечность. В сегодняшней практике проектирования и строительства, в соответствии с СНиП II-22 «Каменные и армокаменные конструкции», облицовочные слои продолжают изготавливать из кирпича, требования к которому по морозостойкости были сформулированы из условий его работы в стенах без учета повышения уровня теплоизоляции и специфики климатических условий районов строительства. Недостаточная изученность физических процессов, происходящих в облицовочных слоях современных конструкций стен с повышенным уровнем теплоизоляции, обусловила необходимость проведения комплексных исследований долговечности лицевых кирпичей и камней в наружных стенах зданий. Цель и задачи. Целью работы является разработка конструкций керамических изделий, обеспечивающих облицовочного слоя наружных стен. повышение долговечности Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи: - изучить в натурных условиях долговечность лицевого пустотелого керамического кирпича и камня в различных конструкциях кирпичных стен при длительных условиях эксплуатации. - определить фактическую морозостойкость и прочность лицевого пустотелого керамического кирпича и камня, отобранных из наружных стен эксплуатируемых зданий. - определить термическое сопротивление воздушных прослоек ограниченных размеров в кирпичах и камнях при различной температуре наружного воздуха до минус 400С. - исследовать влияние формы пустот на термическое сопротивление кирпича. - установить технологические параметры формования пустотелого лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот. - выпустить экспериментальную партию лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот, повышенной морозостойкостью, прочностью и теплозащитными свойствами. - установить требуемый уровень морозостойкости лицевого кирпича, обеспечивающий долговечность облицовочного слоя современных конструкций стен до первого капитального ремонта. Научная новизна. Изучен механизм и вскрыты причины разрушения лицевых кирпичей и камней в облицовочном слое наружных сплошных стен. Впервые установлено влияние повышения уровня теплоизоляции наружных стен на увеличение количества циклов замораживания и оттаивания облицовочного слоя в осенне-зимний и зимне-весенний периоды года. Разработана новая методология определения требуемой морозостойкости лицевого керамического кирпича для облицовочного слоя конструкций стен с различным уровнем теплоизоляции и с учётом климатических воздействий. Разработаны новые конструкции стеновых керамических материалов с рациональным расположением пустот и основные технологические параметры их производства. Практическая морозостойкости значимость. лицевого Установлен кирпича, требуемый обеспечивающий уровень долговечность облицовочного слоя современных конструкций стен до первого капитального ремонта. Разработана методика определения рационального расположения пустот в кирпичах, для повышения долговечности облицовочного слоя стены. Установлены расчётные значения термического сопротивления воздушных прослоек ограниченных размеров в лицевых керамических кирпичах при отрицательных температурах наружного воздуха до - 40 оС. Разработаны рекомендации по технологическим параметрам, вытекающим из особенностей формования пустотелого керамического кирпича с рациональным расположением пустот и повышенными морозостойкостью, прочностью и теплозащитными свойствами. На защиту выносятся: - рекомендации по морозостойкости лицевого кирпича для облицовочного слоя наружных стен в зависимости от их уровня теплоизоляции и планируемого срока эксплуатации до первого капитального ремонта. - зависимость долговечности облицовочного слоя наружных стен от расположения пустот в лицевых кирпичах. - теплотехнические свойства воздушных прослоек ограниченных размеров в лицевых керамических кирпичах и камнях при положительных и отрицательных температурах. - предложения по выбору типа лицевого кирпича и камня для облицовки наружных стен в зависимости от их конструктивного решения. - технологические параметры, вытекающие из особенностей формования лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот и повышенными морозостойкостью, прочностью и теплозащитными свойствами. Реализация результатов исследования: 1. Осуществлено опытное промышленное производство лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот на ОАО “Голицынский керамический завод”. 2. В стандарт организации СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий” включены данные уровню морозостойкости лицевого кирпича, по требуемому обеспечивающего долговечность облицовочного слоя современных конструкций стен до первого капитального ремонта. 3. В стандарт организации СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий” введены данные по термическому сопротивлению замкнутых воздушных прослоек (ограниченных размеров) в керамических камнях и кирпичах, при температурах 12,50С; 0,00С; минус 400С. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: - Шестой научно-практической конференции НИИСФ 26-28 апреля 2001 года. “Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях”. - Седьмой научно-практической конференции 18-20 апреля 2002 года. “Актуальные проблемы строительной теплофизики”. - Международной научно-практической конференции “Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ”, МГСУ, М, 2006. - Всероссийской конференции “Существующие проблемы и пути повышения качества строительной продукции”, 9 августа 2006г. в ВК “Крокус-Экспо”. - Пятой международной научно-практической конференции “Развитие керамической промышленности России: Керамтекс-2007”, Строительные материалы №2, М. 2007. Публикации: результаты работы опубликованы в 11 научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах по списку ВАК. Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5ти глав, общих выводов, списка литературы из 110 наименований и 2х приложений. Общий объём: 120 страниц машинописного текста, 48 рисунков и таблиц. Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований. В первой главе представлен анализ литературы, посвящённой технологии пустотелых керамических материалов и методам оценки их долговечности в наружных стенах. Проанализированы основные технологические факторы, влияющие на качество готового изделия. Работы ведутся в направлении улучшения качества подготовки глин и шихты с целью повышения прочности кирпича. Второе направление вытекает из необходимости создания морозостойкого кирпича с пористой структурой и рациональной пустотностью, снижающих теплопроводность. Значительный вклад в развитие исследований рассматриваемой проблемы внесли: Беркман А. С., Будников П. П., Воробьёв Х. С., Садунас А. С., Кашкаев., Александровский С. В., Богословский В. Н., Лыков А. В., Хромец Ю. Н., Ушков Ф. В., Фокин К. Ф., Ильинский В. М. и другие учёные. Лицевой пустотелый керамический кирпич применяется для облицовки сплошных стен, выполненных из кирпича, мелких и крупноблочных элементов, а также утеплённых минераловатными, пенополистирольными и другими мягкими плитными утеплителями. Натурными обследованиями зафиксировано, что в кирпичных стенах, облицованных одним и тем же кирпичом с одинаковой морозостойкостью, фасады в одних случаях начинают разрушаться на 25-30 году эксплуатации, а другие более 50 лет не имеют ни малейших признаков разрушения. В некоторых случаях разрушение керамического лицевого пустотелого кирпича и камня при коротком сроке эксплуатации связаны с нарушением правил проектирования или возведения наружных стен. Это, как правило, касается наружных сплошных кирпичных стен, в которых перевязку лицевой и основной кладки выполняют по многорядной системе. Преждевременное разрушение облицовочного слоя наружных стен происходит и по причине нерационального расположения пустот в лицевых кирпичах или камнях. Несбалансированное расположение пустот в продольном (тычковом) и поперечном (ложковом) направлениях создают отличающиеся температурно-влажностные условия в ложковых и тычковых рядах кладки облицовочного слоя стены. При морозостойкости кирпича (F 25 ÷ F35), это со временем приводит к появлению на фасаде здания кирпичей с разной степенью разрушения. Наибольшие зафиксированы в ложковых рядах. Кирпичи и камни тычковых рядов разрушаются в очень редких случаях. В стенах с повышенным уровнем теплоизоляции, т.е. утеплённых минераловатными и пенополистирольными плитами и с вентилируемыми фасадами, зафиксировано влияние конструктивного решения стен на температурно-влажностный режим облицовочного кирпичного слоя. Это оказывает разное влияние на долговечность лицевого кирпича при одинаковых его прочностных и теплофизических свойствах. Выполненный анализ опубликованных работ показал недостаточность данных, объясняющих причины разрушения лицевого пустотелого керамического кирпича в наружных сплошных кирпичных стенах, что затрудняет решение вопроса по повышению долговечности лицевых пустотелых керамических кирпичей и камней. Отсутствие данных по влиянию уровня теплоизоляции наружных стен на температурно-влажностный режим облицовочного слоя не позволяет осуществлять дифференцированный подход к выбору типа лицевого керамического кирпича для наружных стен с отличающимися конструктивными решениями. Во второй главе приведены результаты исследований долговечности лицевого керамического пустотелого кирпича и камня в наружных стенах различных зданий. Наружные стены толщиной 640 мм обследованных административных и общественных зданий были выполнены из полнотелого керамического кирпича с облицовочным слоем из семищелевого кирпича или девятищелевого камня. В помещениях поддерживалась относительная влажность воздуха 5055%, температура внутреннего воздуха составляла 25 оС. Режим эксплуатации, при превышении влажности до 60% переходил из нормального во влажный. Стены в душевых и ванных с внутренней стороны облицованы глазурованной керамической плиткой. Проектное значение Rо стен составляло 1,16-1,21 м2·оС/Вт, замеренное фактическое – 0,96-0,92 м2·оС/Вт. Снижение Rо стен на 17-24% вызвано повышением влажности кирпичной кладки стены до 2,4-2,9%, что на 0,4-0,9% превысило нормативное, составляющее 2%. Причиной существенного переувлажнения конструктивной части стены явилось влияние образующегося конденсата при сильных морозах на внутренней поверхности стен, особенно углов и других узлов их сопряжений с конструкциями здания. При этом необходимо отметить существенное перераспределение влаги в зоне контакта основной конструктивной части кирпичной стены с лицевым кирпичом и камнем. Так влажность в стене, облицованной керамическим кирпичом на границе с тычковыми камнями, на 0,9% выше, чем на границе контакта с ложковыми рядами. Значение же влажности наружной керамической диафрагмы, контактирующей с наружным воздухом в сильные морозы февраля на 1,2% выше у ложковых рядов (Рис. 1). В стенах, облицованных щелевым пустотелым камнем с перевязкой с основной частью стены, также зафиксировано заметное увеличение влажности на границе с лицевым кирпичом. Рис. 1 Влажностный режим кирпичной стены, облицованной семищелевым кирпичом: а – в плоскости расположения тычковых лицевых кирпичей; б – в плоскости расположения ложковых лицевых кирпичей; 1 – в феврале; 2 – в апреле; Влажностный режим наружных керамических стенок лицевых кирпичей и камней в ложковых рядах кладки стен не стабилен во времени. Особенно это заметно в феврале-апреле. С наступлением осенне-зимних и зимне-весенних периодических похолоданий и потеплений происходит сначала увеличение, а потом снижение влагосодержания наружных стенок ложковых рядов кирпичей и камней. Влагосодержание керамических наружных стенок изменяется от 2,3% до 0,2%. Для наружных стенок тычковых рядов кирпичей и камней оно более стабильно и составляет 0,6-0,2%. Большему влагосодержанию кирпичей и камней тычковых рядов облицованного слоя способствует частичное его нахождение в плоскости максимального увлажнения стены, проходящей на расстоянии 160 – 210 мм от наружной поверхности. Следует отметить, что в данном случае она совпадает и с плоскостью минимальных температур в стене при температуре наружного воздуха, равной -20÷-25 оС, т.е. приближенных к расчётной температуре самой холодной зимней пятидневке, равной -28 оС (Рис. 2). При температуре наружного воздуха, равной -10,5 оС, соответствующей средней температуре трёх зимних месяцев, отрицательная изотерма в них проходит на расстоянии 16 см от наружной поверхности стены. Ложковые же кирпичи облицовочного слоя в обоих наружных температурных условиях находятся полностью в зоне отрицательных температур. При вскрытии пустот в лицевых кирпичах и камнях ложковых рядов кладки в зимний период с установившейся температурой наружного воздуха -20÷-28оС на поверхности керамических стенок было обнаружено наличие инея. В кирпичах и камнях тычковых рядов наличие инея не зафиксировано. Рис. 2 Температурный режим кирпичной стены, облицованной восьмищелевым керамическим камнем: 1 – (tн=-10,5 оС, tв=25 оС); 2 - (tн=-28 оС, tв=25 оС); 3 – распределение температур по границе несущей части стены с ложковым рядом облицовочного слоя; 4 – то же с тычковым рядом облицовочного слоя. I – слой облицовочных керамических камней; II – кладка из рядового кирпича; III – внутренний отделочный слой. Отобранными пробами керамики из наружных стенок камней совместно с инеем зафиксирована их влажность, равная 2,3%. Такое же влагосодержание установлено при потеплении, когда иней растаял, и влага была поглощена порами и мелкими трещинами керамических стенок. При очередном похолодании часть поглощённой влаги в керамических стенках перешла в твёрдую фазу (лёд). Возникшие физические усилия в результате увеличения объёма влаги на 9,2% при переходе из жидкого состояния в лёд привело к разрушению наружных стенок ложковых рядов лицевых керамических камней и кирпичей. Наступившее после этого потепление и воздействие солнечной радиации способствует таянию льда и высушиванию наружных стенок лицевых керамических материалов. Степень снижения влагосодержания керамических стенок обусловлена длительностью периода наступившего потепления, активностью солнечной радиации и относительной влажностью наружного воздуха. Отобранные пробы после двухнедельного потепления при отсутствии дождя показали, что влагосодержание наружных керамических стенок лицевых кирпичей и камней понизилось до 0,2-0,6%. Циклические наружные температурные воздействия не оказывают такого существенного влияния на изменение влажностного режима стенок камней тычковых рядов. Поэтому наружные стенки лицевых камней тычковых рядов практически не разрушаются. Проведённые испытания по ГОСТ 7025 на морозостойкость кирпичей и камней, отобранных из наружных стен подвальных помещений, не подвергавшихся воздействию отрицательных температур, показали, что они выдерживают 30-35 циклов объёмного замораживания и оттаивания. Вместе с тем установлено, что долговечность одних и тех же керамических лицевых материалов при одинаковой марке по морозостойкости в условиях эксплуатации наружных стен может существенно отличаться. На различие в сроках службы оказывает влияние расположение пустот в кирпичах и камнях, а также их расположение в кладке стены. Происходящие криогенные фазовые переходы влаги пар→иней→вода→лёд→вода в лицевом слое стены в зимне-весенний и осеннезимний периоды года, приводят к ускоренному разрушению наружных керамических стенок лицевых камней и кирпичей ложковых рядов. По данным натурных исследований теплопроводность девятищелевого керамического камня и семищелевого кирпича в тычковом направлении составляет 0,35-0,40 Вт/(м2·оС), в ложковом – 0,6 Вт/(м2·оС). Это приводит к снижению термического сопротивления облицовочного слоя наружной стены в зоне ложковых рядов на 48-68% по сравнению с наружным слоем из тычковых кирпичей или камней. Причина заключается в разном количестве пустот, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока. У тычковых лицевых материалов в кладке количество пустот в лицевом слое составляет 7-9 шт, а у тычковых – 1 шт. Наличие большего количества поперечных керамических диафрагм в камнях и кирпичах тычковых рядов повысило и сопротивление паропроницанию в этой зоне кладки до 0,757-0,846 по сравнению с образованной ложковыми рядами, равного 0,476 м2·ч·Па/мг. Пониженное сопротивление паропроницанию и теплозащитных свойств кирпичей и камней ложковых рядов лицевого слоя по сравнению с тычковыми привели к повышению диффузии водяного пара и ухудшению температурновлажностного режима лицевого слоя кладки стены. Из представленной модели диффузии водяного пара (Рис. 3) видно, что движение водяного пара через лож- Рис. 3. Модель диффузии водяного пара через лицевой слой кладки сплошной кирпичной стены с облицовочным слоем из лицевого семищелевого кирпича: 1 – лицевые семищелевые керамические кирпичи тычкового ряда; 2 – то же ложкового ряда; 3 – полнотелые керамические кирпичи несущей части стены; 4 – горизонтальный растворный шов: 5 – то же, вертикальный. ковые ряды существенно отличается от проходящего через тычковые ряды. В тычковых рядах кирпичей продвижению водяного пара к наружной поверхности стены препятствуют четыре керамические диафрагмы и четыре воздушных прослойки с общим сопротивлением паропроницанию Rп=0,846 м2·ч·Па/мг. При той же толщине слоя, равного 130 мм, в ложковых рядах продвижению водяного пара к наружной поверхности стены препятствуют две керамические диафрагмы, одна воздушная прослойка и одна диафрагма из цементно-песчаного раствора с общим сопротивлением паропроницанию 0,476 м2·ч·Па/мг. Температура водяного пара на расстоянии 130 мм от наружной поверхности стены в обоих случаях при tн=-10,5 оС; tв=25оС имеет одинаковое значение равное -2 оС (Рис. 2). В тычковом ряду количество водяного пара, проходящего через четыре диафрагмы и четыре воздушные прослойки, постепенно уменьшается в результате потерь на их увлажнение. И поэтому наружная керамическая диафрагма тычкового кирпича увлажняется исследований термического незначительно, т.е. до 0,6% (Рис. 1). В третьей главе приведены результаты сопротивления воздушных прослоек ограниченных размеров в керамических кирпичах и камнях. Они использованы для определения рационального размещения пустот в кирпичах и камнях с целью обеспечения равнозначных коэффициентов теплопроводности и паропроницаемости в тычковом и ложковом направлениях. Имеющиеся в нормативной литературе данные по термическому сопротивлению пустот для кирпичей и камней неприемлемы, т.к. они относятся к воздушным прослойкам неограниченных размеров по высоте и ширине, т.е. соответствуют теплообменным процессам, происходящим в окнах, витражах, панелях. Кроме того, они определены при температуре воздуха, равной 0 оС. Пустоты лицевых кирпичей, находясь в облицовочном слое наружных стен, подвергаются воздействию наружных температур до -40оС, а в некоторых климатических регионах России и более низким. Поэтому термическое сопротивление воздушных прослоек определялось при температурах 12,5 оС, 0 оС, и -40 оС. Изучение теплообмена в воздушных прослойках ограниченных размеров осуществляли с использованием теории подобия. Экспериментальные результаты обобщены и представлены в критериальном виде. Исследованиями установлены значения термического сопротивления воздушных прослоек при положительных и отрицательных температурах наружного воздуха. Увеличение R при tн= -20 оС и tн= -40 оС может составлять более 20% по сравнению с результатами, полученными при tн=0 оС. Повышение термических свойств воздушных прослоек происходит в результате снижения коэффициента теплопроводности воздуха с 0, 053 Вт/(м·оС) при tн=10 оС до 0, 024 Вт/(м·оС) при tн= -40 оС и ряда других причин. Обобщённые результаты исследований термического сопротивления воздушных прослоек в керамических кирпичах и камнях приведены в таблице. Толщина воздушной прослойки, м 0,006 0,01 0,02 0,03 Rв.п., м2·оС/Вт, при средней температуре воздуха в прослойке, оС 12,5 0,0 -40 0,12 0,14 0,19 0,14 0,16 0,22 0,16 0,18 0,26 0,17 0,19 0,27 Четвёртая глава посвящена изучению влияния формы пустот и их расположения на термическое сопротивление лицевого керамического кирпича и камня, созданию керамического лицевого кирпича с рациональным расположением пустот, установлению технологических параметров формования керамического кирпича с рациональным расположением пустот и выпуску экспериментальной партии кирпичей на заводе. При производстве пустотелых керамических материалов обычно применяют пустоты круглого, квадратного, прямоугольного, треугольного и ромбовидного сечения. Принимаемая форма пустот и их расположение в плоскости кирпича, как правило, носит случайный характер. Вместе с тем, от этого в значительной степени зависят долговечность, прочностные и теплотехнические свойства лицевых керамических материалов. Решение задачи осуществлялось расчётом температурных полей на моделях кирпичей с пустотами, заполненными пенополистиролом. Опорной моделью был принят кирпич с круглой пустотой. Площадь всех пустот была приведена в моделях в равные значения с квадратной. Расчётное значение коэффициента теплопроводности пенополистирола было принято равным 0,04 Вт/(м·оС), а керамики – 0,5 Вт/(м·оС). Расчёты выполнялись при одинаковых граничных условиях: tв=20 оС, tн=-20 оС, αв=8,7 Вт/(м·оС), αн=8,7 Вт/(м·оС). Результаты расчётов теплотехнической показали, точки зрения что самыми являются неэффективными пустоты круглого с сечения. Термическое сопротивление модели кирпича составило 0,62 м2·оС/Вт, что на 9,8% ниже аналогичной модели с квадратными пустотами (0,68 м2·оС/Вт). Применение пустот треугольного сечения при расположении стороны параллельно внутренней поверхности повысило термическое сопротивление кирпича по сравнению с квадратными на 9,3% и составило 0,75 м 2·оС/Вт. При расположении пустот углом к внутренней поверхности термическое сопротивление по сравнению с квадратными возросло на 4%. Существенно меняется значение термического сопротивления кирпича при прямоугольных (щелевых) пустотах. Расположение щелевых пустот параллельно направлению теплового потока приводит к снижению R до 0,64 м2·оС/Вт, т.е. на 6,3% по сравнению с квадратной той же площади, а при перпендикулярном расположении с тремя тонкими поперечными керамическими диафрагмами, расположенными “в разбежку”, значение R составляет 1,1 м2·оС/Вт, т.е. увеличивается на 72% по сравнению с параллельно расположенными по отношению к направлению теплового потока и на 62% в сравнении с квадратными пустотами. Исследование влияния эффективности кирпича расположения пустот на повышение выполнялось в климатической камере на моделях камней, изготовленных из керамики и картона. Применение керамических моделей позволило установить влияние керамических диафрагм на теплопроводность камней. Исследования выполнялись при положительных температурах (tв=18 оС, tн=0,0 оС) и отрицательных (tв=18 оС, tн=-30 оС). Внешние размеры моделей соответствовали размерам керамических камней 250х120х188 мм. Первый, казалось бы, очевидный вывод, который напрашивается на основании полученных результатов на картонных моделях – это целесообразность устройства возможно большего количества пустот. Но практическая реализация этого вывода возможна только в случае устройства очень тонких керамических диафрагм. При увеличении толщины керамических диафрагм существенно повышается материалоёмкость камня и теплопроводность. Устройство широких пустот с поперечными диафрагмами, расположенными в шахматном порядке, приводит к снижению плотности на 30 кг/м3 и теплопроводности на 10-11% по сравнению с камнем, содержащим сквозные поперечные диафрагмы. Значения коэффициентов теплопроводности, полученные при отрицательных температурах (-300С), на 12-18% лучше результатов, полученных при положительных температурах. Выполненные исследования показывают, что для лицевого керамического кирпича и камня, используемого с перевязкой с кирпичами кладки стены, целесообразно размещать пустоты таким образом, чтобы их коэффициенты теплопроводности и паропроницаемости были одинаковыми в тычковом и ложковом направлениях. Это позволяет повысить теплозащитные качества и морозостойкость кирпича. Конструкция такого кирпича представлена на рис. 4. Выпуск кирпича с рациональным расположением пустот, отвечающим вышеизложенным требованиям, освоен на ОАО “Голицынский керамический завод” (Рис. 5). Выпущенный кирпич при испытаниях на морозостойкость по ГОСТ 7025 выдержал 100 циклов замораживания и оттаивания при незначительной потере массы и без существенного изменения внешнего вида. В работе приведены технологические параметры используемые при формовании пустотелого лицевого керамического кирпича из суглинок Введенского месторождения Московской области. По пластичности глины относятся к умеренно пластичным, с числом пластичности 12,25. По количеству, размеру и виду крупнозернистых включений, проба глины относится к группе со средним содержанием включений (остаток на сите с размером отверстий 0,5 равен 1,5%). По содержанию тонкодисперсных фракций проба глины относится к группе низкодисперсных. Содержание частиц размером 10 мкм – 72,5%, 1 мкм – 32,18%. По чувствительности к сушке проба глины относится к группе средне чувствительных (К чувств=1,45). По механической прочности образцов на изгиб в сухом состоянии проба глины относится к группе с умеренной механической прочностью (Р изг.сух.= 5,0 МПа). Воздушная усадка составила 8,3%. Характеристика образцов, обожжённых при температуре 1000 оС: общая усадка – 9,6; водопоглощение образцов – 12,7; предел механической прочности при сжатии – 30МПа, при изгибе – 12,1 МПа. Рис. 4. Конструкция лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот. Рис. 5. Лицевой керамический кирпич с рациональным расположением пустот, выпущенный ОАО “Голицынский керамический завод”. Одним из основных показателей формовочных свойств масс является отношение между внутренним и внешним трением. Формование возможно, если внутреннее трение массы (когезия) больше, чем трение о формующий орган машины (аутогезия). В свою очередь основные свойства пластичной формовочной массы зависят от минерального состава, формы и размеров частиц твёрдой фазы, вида и количества временной технологической связки, интенсивности образования гидратных слоёв на поверхности частиц. При формовании семищелевого и пустотелых разработанной изделий конструкции (керамического пустот) были кирпича получены следующие данные. При одинаковой формовочной влажности 18,5% (отн.) давление прессования кирпича с экспериментальными пустотами возрастает с 1,8 до 2,3 МПа. С увеличением содержания жидкой фазы коэффициент внутреннего трения растёт, уменьшается давление в головке пресса. Наиболее эффективно в этом случае пароувлажнение массы (например, в смесителе перед прессом), т.к. в этом случае возрастает интенсивность образования гидратных слоёв на поверхности частиц и уменьшается содержание свободной воды в системе. При оптимальной формовочной влажности получен брус с пластической прочностью 1,7 МПа и после сушки и обжига керамический кирпич, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 7484-78 “Кирпич и камни керамические лицевые”, марки – 125, морозостойкостью более 100 циклов. В пятой главе приведено обоснование выбора типа керамического кирпича для облицовки различных конструкций наружных стен из условий повышения их долговечности и теплозащитных качеств. Разрушение лицевых керамических материалов происходит в наиболее активные климатические периоды года. Это в осенне-зимний и зимне-весенний, при которых происходят частые периодические похолодания и потепления и переходы температуры наружного воздуха через 0 оС. Выполненные расчёты температурного режима наружных стен с отличающимся уровнем теплоизоляции (от 1,21 до 3,5 м2·оС/Вт) показали, что чем выше сопротивление теплопередаче наружной стены, тем большее количество циклов замораживания и оттаивания проходит через наружный облицовочный слой наружной стены. Так, например, в сплошной кирпичной наружной стене с Rо=1,12 м2·оС/Вт в зимне-весенний период года при оттепели только наружная поверхность облицовочного слоя находится в зоне отрицательных температур (τн=-3,8 о С), а температура внутренней поверхности кирпичей облицовочного слоя не опускается ниже +4,3 оС. При заморозках в этот период температура наружной поверхности облицовочного слоя снижается до -8,1 оС, но на границе с основной частью стены остаётся положительной, равной 1,6 о С. Можно считать, что при заморозках облицовочный слой полностью не промерзает. При увеличении сопротивления теплопередаче наружных стен до 2,2 м2·оС/Вт во время заморозков в зимневесенний период года облицовочный слой полностью промерзает, поскольку температура на наружной поверхности составляет – 4,2оС, а на внутренней 1,4оС. В осенне-зимний период года температура облицовочного слоя снижается соответственно до –7,8 оС и -4,3 оС. Т.е. воздействие наружной температурной волны в этот период привело и к промерзанию некоторой части основной конструкции стены. Полное промерзание облицовочного слоя стен происходит и при полупериоде похолодания, не превышающем трёх суток, и, тем самым, подвергается увеличенному количеству циклов замораживания и оттаивания. Повышение теплоизоляции стен до Rо=3,2 м2·оС/Вт, достигаемого обычно применением минераловатных и пенополистирольных плит, приводит к более глубокому промерзанию не только облицовочного слоя, но и утепляющего. Отрицательная температура на внутренней поверхности облицовочного слоя зафиксирована и при двухсуточном полупериоде похолодания. Температурный режим облицовочного слоя наружных стен с вентилируемым фасадом в связи с его независимым режимом от утеплённой части стены, практически полностью зависим от воздействия даже суточных периодических похолоданий. Поэтому он в осенне-зимнем и зимне-весеннем периодах года подвергается значительно большим циклам замораживания и оттаивания по сравнению с облицовочными слоями рассмотренных выше конструкций наружных стен. Учитывая конструктивные особенности сплошных кирпичных, трёхслойных и стен с вентилируемыми фасадами, и их влияние на температурно-влажностный режим предложен дифференцированный подход к выбору типа лицевого керамического кирпича и камня для обеспечения повышенной долговечности облицовочного слоя. Для облицовочного слоя, связанного перевязкой с основной кирпичной сплошной стеной, целесообразно лицевой керамический кирпич или камень применять с рациональным расположением пустот, обеспечивающим равнозначные коэффициенты теплопроводности и паропроницаемости в тычковом и ложковом направлениях с маркой по морозостойкости F25, или обычный пустотелый лицевой кирпич (кроме щелевого) с маркой по морозостойкости F35. Для трёхслойных наружных стен и сплошных кирпичных с повышенным уровнем теплоизоляции от 2,0 до 3,2 м2·оС/Вт при устройстве облицовочного слоя на металлических гибких или других связях рекомендуется применять лицевой керамический кирпич или камень с многорядными продольными пустотами в ложковом направлении с поперечными диафрагмами, расположенными в “разбежку”, с маркой по морозостойкости F50. Для облицовочного слоя наружных стен с вентилируемым фасадом следует применять полнотелый керамический лицевой кирпич с маркой по морозостойкости F60÷F70. Основные выводы. 1. Исследованиями в натурных условиях облицовочных слоёв из щелевых кирпичей и камней сплошных кирпичных стен некоторых зданий установлено, что они в ложковых рядах разрушаются на 25-30 году эксплуатации. На поверхности лицевых материалов тычковых рядов в тех же стенах после пятидесятилетнего срока эксплуатации не обнаружено ни малейших признаков разрушения. 2. Разработана модель, демонстрирующая процесс диффузии водяного пара через облицовочный слой из пустотелого лицевого кирпича, объясняющая причины разрушения наружных керамических стенок в условиях эксплуатации. 3. В лабораторных условиях в результате экспериментального определения теплозащитных свойств, паропроницаемости и морозостойкости лицевых керамических кирпичей и камней в ложковом и тычковом направлениях установлено, что причиной разрушения является нерациональное расчётные значения коэффициентов расположение пустот. 4. Определены и установлены теплопроводности и термического сопротивления воздушных прослоек ограниченных размеров в кирпичах и камнях при положительных и отрицательных температурах. 5. Разработаны конструкции лицевых керамических кирпичей с рациональным расположением пустот, обеспечивающих равнозначные коэффициенты теплопроводности и паропроницаемости в ложковом и тычковом направлениях, повышающих долговечность облицовочного слоя наружных сплошных кирпичных стен. 6. Установлены технологические параметры формования лицевого керамического кирпича с рациональным расположением пустот. 7. На заводе ОАО “Голицынский керамический завод” осуществлено опытное промышленное внедрение выпуска кирпича с рациональным расположением пустот с маркой по прочности на сжатие М125, на изгиб М12 и морозостойкотью более 100 циклов. 8. Установлено влияние уровня теплоизоляции наружных стен на температурный режим и долговечность облицовочного слоя. 9. Разработаны предложения по выбору лицевого кирпича и камня для облицовки наружных стен с различным конструктивным решением. 10. Технико-экономическая эффективность от применения разработанной методологи определения керамического кирпича требуемой заключается морозостойкости в повышении лицевого нормативного межремонтного срока службы наружных стен с 50 до 80 лет. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Ананьев А. А., Козлов В. В., Дуденкова Г. Я. и др. Долговечность керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Доклад на V Международной керамической научно-практической промышленности конференции России. “Развитие КЕРАМТЭКС-2007”. Строительные материалы №2 М.,2007 с. 56 - 58. 2. Ананьев А. И., Дуденкова Г. Я., Ананьев А. А. О долговечности и теплозащитных качествах виброкирпичных панелей. Жилищное строительство №7, М., 2006. с. 7 – 10. 3. Ананьев А. А., Дуденкова Г. Я. Тепловлаговоздушный режим и долговечность пенополистирольных плит в виброкирпичных панелях. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. №7(90), М., 2006. с. 39 – 41. 4. Хоров О. А., Кувшинов Ю. Я., Батинич Р., Батинич М., Ананьев А. А. и др. Стандарт организаций СТО 00044807-001-2006 “Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий”, М., 2006. 64 с. 5. Ананьев А. А, Ананьев А. И. Экскурс в прошлое и взгляд в будущее кирпичного строительства нашей страны. В сборнике докладов VI научнопрактической конференции “Проблемы строительной теплофизики систем отопления и энергосбережения в зданиях” НИИСФ, М., 2001. с. 175 – 178. 6. Ананьев А. А., Козлов В. В., Дуденкова Г. Я Долговечность лицевого керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Жилищное строительство №3, М.,2007 с. 15 – 17. 7. Дуденкова Г. Я., Ананьев А. А. Состояние лицевого керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Стены и фасады, фасадные системы №3-4 (42-43), М.,2006. с. 27 – 28. 8. Ананьев А.И., Дуденкова Г.Я., Ананьев А.А. Эксплуатационные свойства наружных стен из лицевого керамического кирпича и бетона, утеплённых пенополистиролом. В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ». МГСУ, М.,2006. с.242-252. 9. Ананьев А. А. Керамический кирпич – материал для строительства комфортного жилья с долговечными стенами. Строительная орбита №10, М., 2006. с. 46. 10. Ананьев А. А., Гояева Т. Н. и др. Долговечность и теплозащитные качества наружных ограждающих конструкций утеплённых пенополистиролом. В сборнике докладов VII научно-практической конференции “Актуальные проблемы строительной теплофизики”, НИИСФ, М., 2002. с. 124 – 132. 11. Евсеев Л. Д., Ананьев А. И., Ананьев А. А., Евсеев П. Л. Наружная стена многоэтажного здания (варианты). Патент на полезную модель №53331, опубликовано Бюл. №13, 10.05.2006.
