Введение
На протяжении примерно 40 лет системы теплоизоляционных фасадов с тонким штукатурным слоем используются в качестве наружной фасадной изоляции. Благодаря новизне этих изоляционных систем, которые поначалу выполнялись только с использованием пенопластовых плит и штукатурки на синтетических смолах, их распространение уже с начала 1970х годов сопровождалось научными исследованиями. Изза растущего значения этих систем внешней изоляции и их проникновения на рынок на протяжении следующих десятилетий возникали все новые вопросы, относящиеся к области строительной теплофизики, например: в 1980е годы – влияние трещин в штукатурке; в 1990е годы – перекрытие деформационных швов при санировании зданий с фахверковыми или бетонными конструкциями; в последнее время – проблема образования водорослей и применение теплоизоляционных фасадов в других климатических зонах.

м. тем в Германии более 700 млн м2 фасадов были теплоизолированы с применением теплоизоляционных фасадов с тонким штукатурным слоем. Говоря о таком количестве, никак нельзя, конечно, не отметить, что в отдельных случаях были отмечены повреждения, вызываемые некачественным монтажом, применением непригодных материалов, и слишком интенсивными температурновлажностными воздействиями. Применение теплоизоляционных фасадов с самого начала сопровождалось сомнениями в их работоспособности и долговечности. И на данный момент по каждой системе теплоизоляционных фасадов должно предъявляться разрешение Немецкого института строительной техники, т. к. даже через 40 лет после начала их применения, не есть никакого стандарта для этих систем.

Цель данной работы заключается в реалистичной оценке срока службы теплоизоляционных фасадов с учетом климатических условий их эксплуатации. Для этого на ряде примеров анализируются температурновлажностные воздействия и изменения во времени характеристик теплоизоляционных фасадов, на основании чего делаются практические выводы.

Температурновлажностные воздействия
Климатические условия
Температурновлажностные воздействия на теплоизоляционные фасады определяются климатическими условиями. В настоящей аналитической статье рассматриваются климатические условия поселка Хольцкирхен не далеко от Мюнхена (Германия) (680 м над уровнем моря), которые являются до известной степени репрезентативными для Центральной Европы.

На 1 слева можно увидеть изменение среднемесячных значений температуры наружного воздуха, влажности наружного воздуха и атмосферных осадков (средние величины, полученные обработкой данных более чем за десятилетний период) в течение года. Справа на этом рисунке представлены изменения этих величин в течение суток, осредненные для летних (июнь, июль, август) и зимних (декабрь, январь, февраль) месяцев. средние зимние сутки характеризуется температурами около 0 °C (по ночам несколько ниже, а днем несколько выше этого значения). Отсюда вытекает весьма частое переменное замораживание и оттаивание, которое может оказать соответствующее воздействие на отделку фасада или окраску.

Для образования конденсата на наружной поверхности конструкции имеет значение так же один параметр – абсолютная влажность воздуха. Вскоре после восхода солнца абсолютная влажность, а с ней и точка росы наружного воздуха, ощутимо возрастают, в то время как относительная влажность воздуха изза нагревания солнцем резко падает. Этот эффект известен благодаря испарению капель тумана или росы на лугах и полях. В ноябре наблюдается самая высокая относительная влажность воздуха, как максимум абсолютной влажности воздуха совпадает с максимумом температуры воздуха в июле.

В условиях континентального климата, как, например, в Хольцкирхене, наибольшее количество атмосферных осадков выпадает в летние месяцы, причем во второй половине суток идет явно больше дождей, чем в первой. Это связано с более сильной грозовой активностью во второй половине суток. Зимой не приходится наблюдать учащения атмосферных осадков в какоелибо время суток.

Наряду с параметрами климата, показанными на 1, важную роль для температурного и влажностного режима конструкций фасадов играет солнечная радиация. Однако, так как действие солнечной радиации существенно определяется ориентацией фасада, то и данные о годовом изменении солнечной радиации менее информативны. Например, измеряемая суммарная солнечная радиация в летний период, естественно, наибольшая, в то время как прямое облуч. южной стены достигает максимума зимой. Кроме того, отражение от снежного покрова соответствующим образом усиливает облучение.

Воздействие климатических факторов в суточном цикле (день/ночь)
Воздействие описанных климатических факторов на наружную стену с теплоизоляционными фасадами применительно к типичному суточному циклу схематически изображено на 2.

В солнечный день штукатурка и теплоизоляция, и находящаяся за ними конструкция стены нагреваются солнечной радиацией. Связанное с этим увеличение парциального давления пара ведет к высыханию поверхности штукатурки изза влагоотдачи в наружный воздух, и изза диффузии пара в теплоизоляции к поверхности несущей стены. Последнее обстоятельство имеет силу почти исключительно для теплоизоляционных фасадов с минераловатной теплоизоляцией. При использовании в качестве теплоизоляции плитного пенополистирола диффузия пара внутрь конструкции пренебрежимо мала.

v высыхания слоя штукатурки зависит от температуры поверхности. Эта температура получается из баланса теплопоступлений и теплоотдачи:

– коротковолнового облучения солнечной радиацией;

– длинноволнового излучения конструкции;

– теплоотдачи на границе с наружным воздухом в результате конвекции и испарения пара;

– теплопереноса посредством теплопроводности внутрь конструкции.

Ночью, когда солнечное облуч. отсутствует, доминирует длинноволновое излуч. конструкции. Обусловленное этим обстоятельством охлаждение поверхности конструкции может привести к охлаждению штукатурки до температуры, которая даже ниже точки росы наружного воздуха. В этом случае конденсированная вода (роса) осаждается на штукатурку или краску, где, в зависимости от поверхностных свойств, она всасывается или остается в форме капель.

В случае использования в качестве теплоизоляции минеральной ваты внутренняя сторона штукатурного слоя может дополнительно увлажняться вследствие диффузионного переноса водяного пара из более теплой толщи конструкции к наружному слою.

Знакопеременные климатические воздействия на нестационарный температурновлажностный режим теплоизоляционных фасадов могут быть показаны точнее на основе данных непрерывных измерений температуры поверхности фрагментов конструкции на полигоне для натурных испытаний.

На 3 (вверху) представлены для летних и зимних месяцев осредненные кривые изменения в течение суток температуры поверхности штукатурки теплоизоляционного фасада, ориентированного на запад и покрашенного белой и черной краской, и кривые изменения температуры наружного воздуха. На этом же рисунке внизу представлены кривые изменения в течение суток влажности поверхности штукатурки, рассчитанные на основании изменения температуры поверхности и условий окружающей среды. При этих расчетах пренебрегалось влагоемкостью поверхностного слоя штукатурки, что представляется оправданным, если речь идет о системах с тонким штукатурным слоем.

Независимо от окрашивания средняя температура поверхности экспериментального фрагмента конструкции в ночное время ниже температуры наружного воздуха. Соответственно, высока и средняя влажность на поверхности фасада. В дневное время черная поверхность нагревается, естественно, сильнее, чем белая. Средний подъем температуры за день составляет зимой до 9–17 °С (в зависимости от окраски поверхности), а летом до 18–28 °С. В то же время изменение значений относительной влажности при осредненном суточном ходе составляет от 30 до 45 % зимой и от 50 до 65 % летом. С этими суточными колебаниями температуры и влажности связаны температурные и влажностные деформации и соответствующие внутренние напряжения, если основание противодействует перемещению поверхностного слоя.

В ходе лабораторных измерений 24 видов штукатурки для теплоизоляционных фасадов, изготовленных различными производителями, при сохранении свободной подвижности исследованных образцов штукатурки, получены значения коэффициента температурного расширения, которые находятся в диапазоне от 0,007 до 0,013 мм/(м • °С). Измеренные величины усадки при высыхании образцов штукатурки – от полного насыщения водой до их равновесной влажности при 65 % относительной влажности воздуха – показывают существенно более широкий диапазон от 0,1 до 1,1 мм/м.

На 4 представлены обусловленные климатом температурновлажностные деформации для всех исследуемых видов штукатурки.

Отсюда можно сделать вывод о том, что ежедневно повторяющееся повышение температуры на 28 °С, которое было измерено, например, летом на черной поверхности экспериментального фрагмента конструкции с теплоизоляционными фасадами, имеет следствием расширение слоя штукатурки фактически на 0,3 мм/м и соответствующие внутренние напряжения.

В результате наступающего одновременно изменения влажности поверхности штукатурки от соответствующей 98 % до соответствующей 33 % относительной влажности воздуха потенциальное влажностное изменение размеров составляет ровно двойную величину от температурного изменения, достигая 0,6 мм/м. Так как изменение температуры происходит быстрее, чем изменение влажности изза высыхания поверхностного слоя, то и соответствующие напряжения, как правило, возникают с временны’м смещением. Трещины возникают в тех случаях, если результирующие температурновлажностные внутренние напряжения превосходят прочность армированной штукатурной системы.

Источники влаги
Наряду с циклической нагрузкой на конструкции с теплоизоляционными фасадами под действием изменения температуры воздуха и влажности в суточном цикле, дополнительную нагрузку представляют собой спорадически возникающие источники влаги. Такие источники влаги могут воздействовать на фасад как извне, так и изнутри.

В качестве внутренних источников влаги здесь имеются в виду те источники, которые подводят влагу к теплоизоляционным фасадам изнутри. К ним относится диффузия пара из воздуха в помещении в наружный воздух, но воздействие этого явления часто переоценивается, оно не составляет проблемы Совершенно подругому обстоят дела со строительной влажностью2.

Влага из возведенной несущей стены перемещается по направлению температурного градиента через теплоизоляционный фасад к наружной штукатурке. В случае когда фасад смонтирован с теплоизоляцией из минеральной ваты, водяной пар перемещается из кирпичной кладки через слой теплоизоляции с малым сопротивлением паропроницанию и конденсируется на границе с наружным отделочным слоем, так что зимой есть опасность морозного повреждения штукатурки. Строительная влажность может и без мороза вызвать неприятные побочные последствия, что доказывается появлением грибковой плесени черного цвета на теплоизоляционных фасадах вновь построенных жилых зданий. С помощью более точного исследования показано, что микробное поражение объяснялось увлажненностью теплоизоляционных фасадов изза строительной влажности конструкции.

Косые дожди, потоки воды или брызги, а в ясные ночи и роса – это примеры внешних источников влажности. Количество дождевой воды, попадающей на поверхность конструкции, зависит от ориентации и наклона поверхности, и от окружающей застройки. Это относится и к росе, которая образуется на поверхности фасада, если ее температура ниже точки росы воздуха. В обоих случаях соответствующий свес крыши уменьшает ист. влажности. Водяные брызги большей частью появляются в области цоколя, которая поэтому часто должна иметь особенно стойкую штукатурку.

Косые дожди
Воздействие, вызываемое косыми дождями, оказывается наиболее интенсивным с наветренной стороны. Особенно сильно затрагиваются высоко находящиеся поверхности фасадов и поверхности в области углов и кромок здания. Эркер и другие выступающие из стен конструкции также подвержены повышенному воздействию от косых дождей. Часто недооценивается влияние наклона поверхности фасада. Наклонное положение фасада, вызванное выпуклостью участка стены, и при утолщающейся книзу каменной кладке, может привести к увеличению воздействия осадков, так как в этом случае дождь попадает на фасад даже при безветренной погоде.

Чтобы иметь принцип. возможность более точно исследовать данные обстоятельства, обычные измерения воздействия косых дождей на вертикальные поверхности фасадов были дополнены измерениями воздействий на наклонную поверхность (при наклоне в 5°); исследования проводились в климатическом зале полигона натурных испытаний в Хольцкирхене осенью 2004 года. Для этого дождемер, встроенный в фасад зала, был расположен так, чтобы нижняя часть его приемного сосуда на несколько сантиметров выступала от наружной поверхности стены.

Результаты этих измерений в сравнении с обычными измерениями косого дождя на том же фасаде в течение двухмесячного периода представлены в нижней части на Можно вполне ясно увидеть, что относительно малое отклонение приемной поверхности дождемера (всего на 5°) приводит к повышению нагрузки от косого дождя примерно в четыре раза по сравнению с нагрузкой на вертикальный фасад.

Сопоставление этих результатов с представленными на верхней части 5 измеренными количествами нормального дождя (количество осадков, выпавших на горизонтальную поверхности в открытом поле) и скоростью ветра, направление которого перпендикулярно поверхности испытуемого фасада, демонстрирует, что количество осадков, попадающих от косого дождя на вертикальную поверхность, при некотором ветре фактически достигает нормального количества дождя.

Маловероятно, что непропорционально высокое увеличение воздействия от косого дождя при малом отклонении от вертикали вызывается только дополнительно уловленным компонентом нормального дождя. Скорее приходится предположить, что изза наклона улавливается и часть брызг, происходящих от попадания косого дождя на области фасада над дождемером. Часть (около 30 %) количества дождевой воды, сталкивающейся с фасадом, отражается от него в виде брызг.

В какой мере эти брызги вызывают сильное повышение воздействия атмосферных осадков на немного наклоненные части фасада – так же следует выяснить при дальнейших исследованиях. В целом, однако, можно констатировать, что наклонные поверхности подвержены существенно более высокому воздействию косого дождя, чем вертикальные поверхности фасада. Даже современные водоотталкивающие виды штукатурки не выдерживают столь интенсивного воздействия в течение длительного времени, как это показали испытания на полигоне наклонно расположенных фрагментов теплоизоляционных фасадов ( . Поэтому в испытаниях, проводимых в настоящее время, обращается внимание на строго вертикальное расположение фрагментов.

Конденсация влаги из наружного воздуха (роса)
В то время как воздействие косых дождей на фасад зависит от его ориентации, но не зависит от его теплотехнических свойств, теплоемкость и теплопроводность наружной стены определяют количество конденсированной влаги (росы) на ее наружной поверхности в безоблачные ночи. Как уже было разъяснено с использованием 2, поверхность теплоизоляционного фасада пребывает в состоянии лучистого теплообмена (обмена длинноволновым излучением) с окружающей ее средой. Так как ночью отсутствует облуч. солнечной радиацией, а излуч. атмосферы при ясной погоде (отсутствие облаков) гораздо меньше излучения поверхности фасада, то наружная поверхность фасада лишается теплоты. Охлаждение ниже точки росы наружного воздуха является предпосылкой для образования конденсата на поверхности, однако, выпадение конденсата (росы) может наступить лишь в том случае, если теплота будет добавляться изнутри в весьма малой степени, а внешний поверхностный слой будет обладать относительно малой теплоемкостью. Поэтому теплоизоляционные фасады, сильнее подвержены образованию на поверхности конденсата (росы) в течение ночи, чем большинство других конструкций стен. Правда, образование конденсата отнюдь не ограничивается конструкциями с теплоизоляционными фасадами.

До сих пор нет свидетельств по поводу повреждений наружных стен в связи с ночным охлаждением. но несомненно, что связанное с этим образование конденсата на поверхности теплоизоляционного фасада может привести к биологическому обрастанию фасада, которое можно видеть на Показанный на рисунке узор при обрастании теплоизоляционного фасада, часто называемый «эффектом леопарда», представляет собой однозначный признак микробиологического роста (например, водорослей, грибов и т. д.) изза образования конденсированной воды. Уже в конце 1990х годов это явление было исследовано в Швейцарском институте по проверке и исследованию материалов. В цикле исследования выяснилось, что указанное явление характерно, прежде всего, для наиболее новых систем теплоизоляционных фасадов. Точный анализ с помощью инфракрасной термографии показал, что ночная температура поверхности представляет собой индикатор обрастания. В областях, где по сравнению с обросшими поверхностями наблюдалась более высокая температура, не обнаруживалось обрастания, как, например, на поверхности штукатурки над дюбелями, являющимися тепловыми мостиками. Подобное явление (отсутствие обрастания) имеет силу и для систем теплоизоляционных фасадов старого типа с меньшей толщиной теплоизоляционного слоя (около 40 мм), так как температуры на их поверхностях изза более значительного теплопереноса изнутри конструкции к штукатурке остаются выше точки росы наружного воздуха. Тем самым наблюдавшийся узор обрастания мог быть однозначно объяснен ночным образованием конденсированной воды (росы).

В соответствии с исследованиями, начало и продолжение микробиологического роста сильно зависят то того, как долго сохраняются соответствующие условия роста. Сравнение внешних влажностных воздействий, обусловленных косым дождем и росой, изображено на 8, применительно к теплоизоляционным фасадам западной ориентации на испытательном полигоне в Хольцкирхене. Очевидно, месячная продолжительность образования конденсированной воды на поверхности фасада явно больше соответствующей продолжительности косых дождей. Это, однако, так же не означает, что и средняя влажность поверхности фасада, обусловленная косым дождем, должна быть меньше. Так как интенсивность ливня на наветренной стороне далеко превосходит интенсивность образования росы – ежегодное количество ливня в Хольцкирхене примерно в десять раз больше ежегодного количества конденсированной воды на высоко теплоизолированных фасадах, – то условия возникновения влажности на фасаде главным образом зависят от влагоемкости фасадного поверхностного слоя. Поэтому теплофизические свойства материалов поверхностных слоев (штукатурки и краски) и находящегося за ними изоляционного материала являются в настоящее время предметом интенсивной исследовательской и технологической деятельности.