Структурная деградация утеплителя в конструкциях вентилируемых фасадов

В процессе исследований навесных вентилируемых фасадов было сделано несколько вскрытий обследуемых конструкций вентфасадов и сняты плиты облицовки. При проведении вскрытий было обнаружено большое количество пыли в вентилируемом воздушном пространстве на высоте 7 -22 этажей (рисунки 3.38-3.43) [167, 168, 173, 174].

Для исследований был использован метод хроматомасс-спектрометрии на установке GX-МС «Clarus 600». В результате исследований образцов собранной пыли были простроены хроматограммы (рисунок 3.10), позволяющие определить

Рисунок 3.5 — Поверхность плит утеплителя из минеральной ваты на основе

каменного волокна через 14 лет эксплуатации. Видна пыль на поверхности плиты утеплителя, обращенной в воздушное пространство вентфасада

Рисунок 3.6 — Поверхность плит утеплителя при вскрытии навесного вентилируемого фасада через 11 лет эксплуатации

Рисунок 3.7 - Вид минераловатного утеплителя на основе каменного волокна в конструкции вентилируемого фасада после 14 лет эксплуатации (слева светлый только что установленный кусок минераловатного утеплителя)

Рисунок 3.8 - Вид минераловатного утеплителя на основе каменного волокна в

конструкции вентилируемого фасада после 11 лет эксплуатации (справа показан светлый кусок минераловатного утеплителя, не находившийся в эксплуатации)

Рисунок 3.9 - Поверхность плит утеплителя в месте вскрытия вентилируемого

фасада с установленным в теплоизоляционный слой новым куском плиты из минеральной ваты на основе базальтового волокна (со светлой незапыленной поверхностью)

Рисунок 3.10 - Хроматограмма определения состава пыли, осевшей на

поверхностях вентилируемого воздушного пространства вентфасада, через 14 лет эксплуатации здания [174, 175].

химический состав пыли, и выделить вещества, содержащиеся в наибольших количествах.

Таблица 3.3 —Состав и средняя концентрация химических веществ, обнаруженных в образцах пыли в воздушном пространстве вентфасада [179].

Таким образом, проведенные исследования позволили установить химический состав загрязняющих веществ, находящихся на поверхности утеплителя и элементах вентфасада, обращенных в вентилируемое воздушное пространство.

Проведенные натурные исследования эксплуатируемых навесных вентилируемых фасадов подтвердили значительную запыленность плит утеплителя. Известно, что в системах вентилируемых фасадов основную теплоизоляционную функцию выполняет утеплитель из минеральной ваты на основе базальтового волокна или стекловолокна. На теплозащитные свойства конструкций навесных вентилируемых фасадных систем оказывают влияние многие составляющие, но основная теплозащита приходится на теплоизоляционные плиты из минеральной ваты или стекловолокна. Поэтому представляет большой интерес, как в процессе эксплуатации изменяются их теплозащитные свойства с учетом воздействия частиц пыли.

Условия эксплуатации утеплителя в конструкциях вентилируемых фасадов в большинстве городов России достаточно сложные. Теплоизоляционный материал конструкций вентфасадов подвергаются различным атмосферным воздействиям: под действием солнечной радиации в летнее поверхность вентфасада нагревает достаточно сильно, поэтому диапазон температур, при которых эксплуатируется утеплитель в зимнее и летнее время колеблется от минус 40 ^оС до +40 ^оС и более; знакопеременным колебаниям температур, при которых количество переходов через температуру 0⁰С составляет в Московском регионе 70 и более раз [109, 192]; воздействию загрязняющих веществ, поступающих в воздушное пространство вместе с атмосферным воздухом. Последние могут оседать на поверхности минераловатного утеплителя и проникать в его толщу, вызывая деструкцию волокон и ухудшение эксплуатационных характеристик утеплителя.

Все эти воздействия могут привести к изменению первоначальных теплоизоляционных характеристик минераловатных плит. При сроке службы зданий 50 лет и более большой интерес представляет оценка теплозащитных

качеств утеплителя в процессе эксплуатации через годы после введения здания в эксплуатацию.

Как уже было отмечено в главе 2, были обследованы вентилируемые фасады зданий, расположенные в Москве около транспортных магистралей на пересечении с Садовым и Бульварным кольцом и находящиеся в эксплуатации в течение 5, 11 и 14 лет.

Рисунок 3.11 - Вскрытие фасадной облицовки конструкции навесного

вентилируемого фасада

Вскрытия гранитных плит вентфасадов, анализ которых проведен в работах [169, 174], «показали, что на фасадах поверхность плит утеплителя находится в удовлетворительном состоянии (рисунки 3.5-3.9). Визуально деструкция минеральной ваты на поверхности утеплителя не обнаружена, поверхность плит плотная, рельефный рисунок на поверхности сохранился (рисунок 3.12). Сползание утеплителя в зоне крепежных дюбелей не обнаружено, щелей между выше- и ниже расположенными плитами утеплителя нет, распушение

минеральной ваты на поверхности утеплителя не наблюдается. Цвет поверхности плит утеплителя практически не изменен, кроме отдельных узких полосок на поверхности плит утеплителя шириной 1,5-2 см, расположенных под зазором между плитами гранитной обшивки. В этих местах на ширину 15-20 мм поверхности утеплителя несколько осветлилась и приобрела сероватый оттенок.

Рисунок 3.12 - Вскрытие конструкции вентилируемого фасада после 14 лет эксплуатации. Видна сильная запыленность поверхности теплоизоляции.

Деструкция плит утеплителя не наблюдается

В ходе лабораторных исследований образцов минераловатных плит, взятых из вентфасадов, были определены следующие характеристики теплоизоляционных плит:

- весовая влажность утеплителя, которая определялась в соответствии с ГОСТ 17177-94;

- теплопроводность материала методом стационарных тепловых потоков по ГОСТ 7076-99.

Анализ результатов измерений относительной влажности образцов утеплителей показал, что влажность всей образцов, взятых в октябре, декабре и в

конце февраля - начале марта, колеблется от 0,26 до 0,65%, т.е.

Рисунок 3.13 - Весовая влажность образцов утеплителя из минеральной ваты на основе базальтового волокна, взятых из конструкций, эксплуатируемых вентилируемых фасадов:

На основе результатов измерений теплопроводности образцов утеплителя, взятых в местах вскрытия вентфасадов, методами стационарных тепловых потоков и зондовым методом установлена очень высокая сходимость результатов.

Рисунок 3.14 - Теплопроводность образцов утеплителя из минеральной

ваты на основе базальтового волокна, взятых из конструкций эксплуатируемых вентилируемых фасадов

На рисунке 3.14 приведены значения теплопроводности образцов утеплителя из минераловатных плит из каменного волокна. Как видно, эти значения ниже расчетных, рекомендуемых строительными нормами для условий эксплуатации Б.

Таким образом, проведенные исследования теплозащитных качеств утеплителя из минеральной ваты, находящегося длительное время в эксплуатации и отраженные в работах [167-169, 171-175, 179], позволили сделать следующие выводы:

- На основе визуального обследования утеплителя в месте вскрытий установлено, что внешние признаки старения и деструкции плит из минеральной ваты на основе базальтового волокна за 5, 11 и 14 лет эксплуатации вентилируемого фасада не обнаружены;

- В ходе лабораторных исследований образцов утеплителя, взятых из фасадной системы, установлено, что влажность утеплителя находятся в пределе допустимых величин и не превышает 1%;

-Полученная в ходе лабораторных испытаний образов минераловатных плит на основе каменного волокна плотностью 70-100 кг/м³ теплопроводность утеплителя в течение годового цикла составляют 0,035-0,043 Вт/(м^^оС), что удовлетворяет расчетным значениям, предъявляемым в [150] к утеплителям из минеральной ваты, уставленным в навесных вентилируемых фасадах.

Для оценки состояния утеплителя через 5, 11 и 14 лет эксплуатации большой интерес представляют сорбционные свойства материалов. Особый интерес представляют для строительной практики данные по сорбции водяного пара, если они получены для минеральной ваты, не только что выпущенной на заводе, а находившейся в эксплуатируемых конструкциях вентфасадов в течение десятка лет в условиях г. Москвы.

В связи с этим, автором были проведены экспериментальные исследования по определению сорбционных свойств утеплителя из минеральной ваты на основе базальтового волокна, находившегося в эксплуатации в конструкциях навесных вентилируемых фасадов в течение 5-14 лет, по методике, приведенной в [41].

Пробы материала были взяты из поверхностного слоя утеплителя, обращенного в вентилируемое воздушное пространство, из толщи утеплителя, а также пробы пыли, осевшей на конструкциях крепежных элементов в вентилируемом воздушном пространстве.

Для оценки сорбционной влажности образцы минеральной ваты помещались в бюксы, а затем устанавливались в специальную климатическую камеру для санитарно-химических исследований КСХИ-0,15, где при температуре +20 °С и искусственно созданной относительной влажности воздуха 40, 60, 80, 90 и 97% происходило определение сорбционной влажности этих образцов путем взвешивания до постоянного веса.

По результатам определения сорбционной влажности построены изотермы сорбции пара для образцов утеплителя из плит минеральной ваты на основе базальтового волокна, взятых из эксплуатируемых ограждающих конструкций вентфасада.

На рисунках 3.16, 3.17 приведены изотермы сорбции водяного пара для минераловатного утеплителя плотностью 70 кг/м³, который находился в конструкции вентфасада в течение 14 и 11 лет в здании на Ленинском проспекте в г. Москве. На рисунке 3.18 даны изотермы сорбции водяного пара минераловатного утеплителя плотностью 100 кг/м³, взятого из конструкции вентфасада через 5 лет эксплуатации [182].

Из анализа изотерм сорбции водяного пара на графике видно, что сорбционная влажность минераловатного утеплителя на ее поверхности, обращенная в вентилируемое воздушное пространство и в его толщине, отличаются друг от друга.

Учитывая, что утеплитель, находящийся в конструкции вентфасада, был сильно запылен, были исследованы сорбционные качества пыли, взятой с поверхностей вентфасада, обращенных в вентилируемое воздушное пространство. Для проб пыли были построены изотермы сорбции водяного пара (рисунок 3.19).

Рисунок 3.16 - Изотермы сорбции водяного пара минеральной ваты из базальтового волокна плотностью γ = 70 кг/м³, взятой из вентилируемого фасада здания на Ленинском проспекте (г. Москва), находившегося в эксплуатации в течение 14 лет..

Рисунок 3.17 - Изотермы сорбции водяного пара минеральной ваты из базальтового волокна плотностью γ = 70 кг/м³, взятой из вентилируемого фасада здания на Ленинском проспекте (г. Москва), находившегося в эксплуатации в течение 11 лет

135

Рисунок 3.18 - Изотермы сорбции водяного пара минеральной ваты из базальтового волокна плотностью γ = 100 кг/м³, взятой из вентилируемого фасада здания на Арбатской площади (г. Москва), находившегося в эксплуатации в течение 5 лет

Рисунок 3.19 - Изотермы сорбции водяного пара пыли, взятой из вентилируемого фасада здания, расположенного на Ленинском проспекте, г. Москва

Как видно из графика (рисунок 3.19), предел сорбционного увлажнения у пыли значительно выше, чем у минераловатного утеплителя из базальтового волокна.

Максимальная сорбционная влажность слоя минераловатного утеплителя, обращенного в вентилируемое воздушное пространство, и в его толще приведена в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Экспериментальные данные максимальной сорбционной влажности минераловатного утеплителя у наружной поверхности и в его

толщине

Проведенные исследования позволили установить [182], что

«теплоизоляционные плиты из минеральной ваты из базальтового волокна имеют большое количество воздушных полостей и состоят из тончайших каменных волокон. Длина каменных волокон изменяется от 1 мм до 20 мм, но 90% всех волокон имеет длину от 3 до 5 мм. Стандартная толщина каменных волокон колеблется от 3 до 4 мкм. Иногда она достигает 8 мкм. В утеплителе они хаотично расположены в горизонтальном направлении и под разными углами друг к другу, между ними находятся полости-«поры», размеры которых в несколько раз больше толщины каменных волокон. Плотность утеплителя из минеральной ваты, находящаяся в конструкции вентфасада, колеблется от 70 до 100 кг/м³, а ее пористость может достигать 95-97% [179].

В процессе эксплуатации конструкции навесных фасадов в вентилируемом воздушном пространстве, как установлено в работе [179], находятся частицы пыли размером от 1 до 40 мкм, которые под действием гравитационного давления проникают не только в поверхностный слой утеплителя из каменной ваты, но и в его толщу. Поэтому исследуемые образцы утеплителя состояли не из двух компонентов: волокон каменной ваты и связывающего, а практически из трех: волокон каменной ваты, связующего и частицы пыли.

Это подтверждается высокой воздухопроницаемостью утеплителя. Так коэффициент воздухопроницаемости минераловатных плит из каменных волокон в зависимости от плотности 40-60 кг/м³ изменяется от 0,4-0,6 кг/(мПчППа) [71]. Если сравнить этот показатель с другими традиционными строительными материалами, то для бетона плотностью 2150 кг/м³ коэффициент воздухопроницаемости составляет 0,044∙10^-6кг/(мПчППа), для керамзитобетона плотностью 1100 кг/м³ - 0,032∙10^-3кг/(мПчППа) и для цементного фибролита плотностью 370 кг/м³ - 4,8∙10^-3кг/(мПчППа).

Из-за высокой пористости утеплителя твердые частицы аэрозолей под действием гравитационного давления из вентилируемого воздушного пространства проникают в поры минераловатного утеплителя из каменной ваты. При этом, часть твердых частиц аэрозолей проникает во внутренние поры в толще утеплителя, другая часть заполняет поры поверхностного слоя утеплителя. Этим можно объяснить более высокую сорбционную способность минеральной ваты из базальтового волокна, находящейся в эксплуатируемом вентфасаде в поверхностном слое утеплителя по сравнению с толщей утеплителя» [179]. Следует отметить, что проведенные исследования сорбционных свойств минераловатных утеплителей [33] , только что выпущенных на производстве, показали, что для плит из минеральной ваты из каменного волокна плотностью 100 кг/м³ при относительной влажности воздуха 97% сорбционная влажность составляет порядка 0,5%, в то время как для утеплителя из минеральной ваты на основе базальтового волокна, находящегося в эксплуатации несколько лет (5 - 14

лет) что максимальная сорбционная влажность утеплителя колеблется от 1,4% до 4,02% [182], что значительно выше.

С повышением влажности утеплителя увеличивается его теплопроводность, и запыленные твердыми частицами аэрозолей образцы утеплителя при повышении влажности будут иметь больший коэффициент теплопроводности по сравнению с только что установленным в конструкцию и не запылённым утеплителем. Поэтому при назначении расчетных значений теплопроводности минераловатных плит из базальтового волокна следует учитывать увеличение его теплопроводности на 0,0016-0,002 Вт/(м ^оС) на 1% увеличения влажности по массе.

Известно, что нормирование расчетных теплофизических показателей производится из условий эксплуатации строительных материалов. Однако в нормативных документах ничего не говорится о том, что его сорбционная влажность должна определяться на образцах, только что изготовленных на производстве или взятых из эксплуатируемых ограждающих конструкций. При этом нельзя не учитывать, что значение сорбционной влажности минераловатных плит на основе базальтового волокна в процессе эксплуатации увеличивается. Для защиты волокнистого утеплителя от проникновения в него твердых частиц пыли целесообразно установить на его поверхности перфорированную отражательную теплоизоляцию на основе алюминиевой фольги. Такое конструктивное решение вентфасада не только защитит утеплитель от запыления твердыми частицами аэрозолей, но и позволит повысить тепловую защиту воздушного пространства вентфасада.

Таким образом, приведенные в данной работе материалы достаточно обосновано показали, что в конструкциях вентфасадов с утеплителем, состоящем из трех композиционных материалов: волокон каменной ваты, связующего и твердых частиц аэрозолей, нормированные значения по массовому отношению влаги в материале должны соответствовать условиям эксплуатации «А» и «Б», приведенным в актуализированной редакции СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02­2003 Тепловая защита зданий», и теплопроводность материала должна

определяться для этих условий эксплуатации, а не по изотермам сорбции для только что выпущенного материала.