В результате натурных обследований керамзитобетонных панелей, проведенных научно-исследовательскими и проектными организациями - ЦНИИСК, МНИИТЭП, НИИМосстроем, Моспроек-том и др., установлено, что наиболее распространенным дефектом в домах массовых серий является повышенное трещинообразование наружного слоя панели. Наблюдается часто раскрытие трещин до 0,2-0,3 мм.
Исследования действительной работы наружных стен показали, что они испытывают постоянные как обратимые, так и необратимые деформации. Обратимые деформации вызываются колебаниями температуры и изменением влажностного режима, и вследствие этого панели и стыки между ними находятся в постоянном движении, испытывая деформации растяжения и сжатия (рис. 6.3). При этом раскрытие трещин в вертикальных стыках достигает значительных величин - порядка 1-2 мм, а в наружном слое панелей, при повышенной жесткости стыков,- до 0,3 мм. Температурные деформации имеют развитие по высоте здания и достигают максимума в верхних этажах. Так, измерения температурных деформаций наружных стен одного из панельных домов серии 1-515 показали, что при наружной температуре -18° С общая длина стены в верхнем этаже уменьшалась на 6,5 мм, а при температуре +22° С стена удлинилась на 2 мм. Таким образом, при разнице наружных температур в 40° длина стены изменилась на 8,5 мм.
В то же время отмечались деформации изгиба панелей из плоскости. При понижении наружной температуры панель изгибается из плоскости, концы панели поворачиваются, в результате чего раскрываются швы между наружными гранями. Этому препятствуют поперечные связи. Так как средняя часть панели жестко опирается на перекрытие, в связях возникают усилия растяжения (см. главу 8). При температуре -18° шов между панелями с наружной стороны увеличился на 1 мм.
Фундаменты здания практически не испытывают температурных деформаций вследствие стабильности температур в грунте, поэтому длина стены на границе с фундаментами почти не изменяется. В результате, панели, особенно вблизи к торцам здания, испытывают значительный перекос.
Необратимые деформации вызываются усадкой и ползучестью материала самих панелей, а также неравномерной осадкой зданий; эти деформации приводят к развитию в панелях растягивающих или сжимающих усилий. Наиболее действенная мера борьбы с деформациями- повышение общей пространственной жесткости панельного дома и, как важнейшая мера, - создание конструктивно замоноличенных стыков, равнопрочных сечению панелей.
Вследствие местной концентрации напряжений во входящих углах проемов возникают характерные косые трещины (в тех случаях, когда при армировании панелей не учитывается характер этого явления).
Рассмотрим основные особенности температурно-влажностного состояния панельных стен.
Характерное снижение фактического сопротивления теплопередаче на 10- 20% против проектного происходит вследствие того, что при проектировании не учитываются две технологические особенности: повышенная производственная влажность изделий и неоднородность материала по объемному весу.
Фактические значения влажности в первые годы эксплуатации превышают нормативные на 15-20%, поскольку начальная влажность стенового материала существенно выше равновесной; соответственно заниженным оказывается и фактическое сопротивление теплопередаче. Скорость снижения влажности материала стен до равновесных значений зависит от структуры материала и технологии производства панелей, определяющих их начальную влажность, а также от надежности водоизоляции наружной поверхности и стыков.
В керамзитобетонных стенах, имеющих начальную весовую влажность 15%. а часто и более, при водонепроницаемой поверхности и при удовлетворительной заделке стыков высыхание происходит интенсивно: влажность бетона достигает равновесных значений (4-6%) через 2- 3 года эксплуатации.
Однако надежная водоизоляция может быть обеспечена только в тех случаях, когда плотный растворный слой не только расположен со стороны фасадной поверхности стен, но и переходит на оконные и дверные откосы и на наружную зону торцов панелей, а также при надежной герметизации мест примыканий деревянных коробок к бетону панелей.
При недостаточной плотности (или толщине) отделочных слоев и плохой заделке стыков начальная влажность бетона не снижается из-за поглощения поверхностью панели атмосферной влаги. Так, натурными исследованиями зафик-
сированы повышенные значения средней влажности (10-13%) керамзитобетонных стен ряда зданий серии 1-515 через 4-5 лет эксплуатации.
Объемный вес керамзитобетона в панелях зачастую превышает нормативную величину (в сухом состоянии) на 5- 10%,достигая 1000кг/м3 вместо900кг/м3. При этом объемный вес керамзитобетонных панелей, изготовленных методом, вибропроката, изменяется и по толщине панелей. Увеличение плотности идет от внутренней поверхности панели к наружной. Разница в объемных весах превышает 200 кг, или 20%, при нормативном допуске 7%*.
По теплотехническим свойствам конструкции многослойных панелей существенно отличаются от однослойных. Для слоистых стен характерна резкая нестабильность фактических значений сопротивления теплопередаче и значительно большее число случаев выпадения конденсата на внутренней поверхности стен. Фактические значения сопротивления теплопередаче слоистых стен обычно превышают в 1,5-2 раза требуемые. Образование конденсата и промерзание на участках внутренней поверхности стен против мест расположения теплопроводных включений отмечаются в стенах с общим сопротивлением теплопередаче, превышающим требуемое (иногда в 1,5 раза). Сопротивление теплопередаче по плоскости панели, утепленной минераловатными плитами на фенольной связке, изменяется в пределах 35% как из-за колебаний толщины утепляющего слоя, которое достигает 30%. так и из-за падения его теплозащитной способности вследствие увлажнения при формовании.
Большое влияние на ухудшение теплотехнических качеств оказывает произвольное утолщение соединительных бетонных ребер, особенно в панелях с мягким утеплителем, поскольку опалубкой при формовании ребер служат рыхлые плиты утеплителя. Значительное улучшение дает применение жесткого утеплителя, например: пеностекла или цементно-фибролитовых плит, а также решение панелей с утолщенным внутренним бетонным слоем. При этом сопротивление теплопередаче между ребрами должно быть не менее 1,5 ккал/м2 -ч-град. Благодаря высокой теплоемкости внутреннего утолщенного бетонного слоя влияние теплопроводных включений на распределение температур снижается и температурный градиент на поверхности стен по полю ограждения между ребрами и против ребер падает с 3-6° С (при толщине внутреннего слоя 4-5 см) до 1-3°С (при толщине внутреннего слоя 8- 10 см).
Помимо искажений проектных толщин ребер на теплозащитных свойствах слоистых стен отражается начальная влажность конструкций. В этом отношении решающей оказывается влажность утепляющего слоя, так как бетонные слои обычно имеют небольшую толщину и начальную влажность (5-8%) и поэтому очень быстро высыхают.
Существенное влияние на теплозащитные качества наружных стен оказывают размеры окон, которые значительно увеличились в последних архитектурных решениях жилых домов. В общем балансе теплопотерь слоистой стены соотношение теплопотерь ее отдельными элементами в среднем таково: 60-50% через оконные проемы, 20-25% через плоскость стены и 20-25% через теплопроводные включения (соединительные ребра).
В настоящее время в СНиП П-А.7-62 введен поправочный коэффициент, учитывающий повышенные теплотехнические требования к панельным стенам, равный 1,1 Rlp . Этот коэффициент учитывает главным образом качественную неоднородность изготовления панели. Влияние ветра должно быть учтено введением при расчете сопротивления теплопередаче стен зданий повышенной этажности дополнительного коэффициента 1,15.
Существенное влияние на фактические теплотехнические качества наружных ограждений оказывает правильный учет инфильтрации, которая приобретает особое значение в зданиях повышенной этажности. С увеличением высоты здания в связи с ростом гравитационного давления усиливается инфильтрация через ограждение нижних этажей. В верхних этажах увеличивается воздействие ветрового напора и усиливается экс-фильтрация.
Рядом исследований' выявлено влияние инфильтрации на температуру внутренней поверхности стены в зоне вертикального стыка и определены дополнительные теплопотери за счет инфильтрации для вариантов стыков однослойных и трехслойных панелей.
Для определения влияния воздухопроницаемости стыка на температуру внутренней поверхности в его зоне во время теплотехнических испытаний одновременно с температурным перепадом по обеим сторонам опытной конструкции создавался перепад давлений.
На первом этапе испытаний имитировалось состояние стыков между наружными стеновыми панелями только что выстроенного здания, когда соединения еще не претерпели деформаций, приводящих к появлению трещин в стыковых швах. Коэффициенты фильтрации опытных стыков не превышали нормируемой величины, которая составляла для стыка однослойных панелей 0,298 кг/м3 o ч o мм вод. ст. и стыка трехслойных панелей
0,27 кг/м3-ч- мм. вод. ст. Таким образом, предназначенные для испытания стыки, с точки зрения их воздухопроницаемости, удовлетворяли требованиям СНиП, не-
! Испытания проводились МНИИТЭП, ЦНИИЭП жилища и НИИМосстроя.
смотря на то что никаких специальных мер по их герметизации не было принято: стыки заполнялись утепляющим вкладышем и замоноличивались плотным бетоном, наружный шов между панелями оставался незаполненным. На втором этапе испытания имитировалось состояние стыка в процессе эксплуатации здания, когда вследствие плохого качества работ или в результате различного рода воздействий (неравномерной осадки здания, температурных деформаций и т. д.) в стыках могут появиться трещины. В опытных стыках искусственно были созданы трещины размером около 1 мм.
Анализ температурных полей стыков, полученных на втором этапе испытания, показал, что стык керамзитобетонных панелей был неудовлетворительным уже при минимальной величине перепада давлений между камерами стенда - 0,15 мм; температура внутренней поверхности у трещины равнялась 7,6° С, т. е. ниже допустимой 8,8° С. Наблюдалось резкое смещение нулевой изотермы в сторону внутренней поверхности по мере возрастания перепада давления, вызывающего фильтрацию холодного воздуха через трещину в стыке. Так, с увеличением перепада давлений от 0,15 до 14,6 мм вод. ст., минимальные температуры внутренней поверхности понизились: у стыков трехслойных фрагментов с 11,6 до 5,8° С и с 10,8 до 4,3° С, у стыков керамзитобетонных фрагментов с 10,3 до 4,6° С и с 7,6 до 2° С.
Исследования ЦНИИСК, проведенные в последние годы, показали, что наружные панели помимо температурных деформаций испытывают также периодические и непериодические влажностные деформации. Величина деформаций под влиянием температуры и влажности в панелях может превышать деформации элемента от действия полезных нагрузок.
Наличие нестационарного температурного поля, а также градиента влажности и температуры по сечению конструкции приводит к развитию знакопеременных деформаций, что в свою очередь вызывает образование внутренних напряжений, которые могут превышать
предел прочности материала панелей и стыков.
В крупнопанельных зданиях нарушение стыков в основном происходит из-за влажностных деформаций. Внутренние напряжения при температурных деформациях по абсолютной величине меньше, чем при влажностных деформациях, и в определенных условиях могут совпадать или не совпадать с ними по направлению.
Стены зданий при температурно-влажностных воздействиях деформируются как пластинки, заделанные по одной стороне. Анализ данных измерений позволил установить, что при этом стены зданий испытывают несколько независимых деформаций, которые вызываются: годовыми колебаниями температуры воздуха; годовыми колебаниями относительной влажности воздуха; усадочными явлениями, которые возникают при постепенном высыхании стен от высокой начальной (строительной) до равновесной влажности; периодическим увлажнением стен.
При совместном действии нескольких факторов (что наблюдается в реальных условиях эксплуатации зданий) соответствующие напряжения и деформации, исходя из принципа независимости действия сил, суммируются с учетом фаз колебаний.
Влажностные деформации наиболее интенсивно развиваются на сравнительно небольшом интервале изменения влажности: от 0 до 2,5-3% по весу для тяжелых бетонов и до 4-20% для легких бетонов.
Весовая влажность материала стен панельных зданий в момент ввода здания в эксплуатацию бывает, как правило, выше предела сорбционного насыщения и достигает 15-20%, а потом постепенно снижается до постоянной равновесной влажности, изменения которой уже связаны с периодическими колебаниями относительной влажности воздуха (рис. 6.4,а). Однако влажность стен, достигнув равновесного состояния, по толщине распределяется неравномерно. Для легких бетонов она может в средних слоях достигать 15-35%, а в наружных слоях снижается до 1,5-3%. Большой градиент влажности по сечению панели приводит к ее изгибу. Наиболее интенсивны процессы десорбции при нагреве до 50-60° С наружной поверхности панели в летнее время. При таких условиях фактически происходит сушка материала, в результате резко сокращаются размеры наружнои части панели и раскрываются стыки. В этом случае температурные деформации противоположны по знаку, но по абсолютной величине значительно меньше влажностных.
При замоноличенных стыках стеновая панель под действием переменных деформаций работает как балка-стенка с усилиями, приложенными в местах замоно-личивания.
Во время эксплуатации здания возможно резкое изменение влажности и температуры материала. В частности, внутри помещения относительная влажность воздуха может повышаться от 30 до 80-90%, а температура материала панели от 10 до 25° С. В этих условиях при ограничении свободы деформации от изменения влажности и температуры, как
показывают расчеты, могут возникнуть внутренние напряжения в бетоне панелей до 12-15 кГ/см2. Эти усилия могут приводить к возникновению в углах косых трещин, раскрытие которых у растянутого края панели может составлять 2- 3 мм. Во избежание разрушения углов стеновых панелей по наклонным трещинам необходимо панели дополнительно армировать с учетом возникающих напряжений от влажностных и температурных деформаций.
По данным натурных измерений, непериодические влажностные деформации связаны с необратимой потерей начальной влажности, а периодические влажностные деформации связаны с увлажнением стен вследствие годовых колебаний относительной влажности воздуха и термодиффузии. Основные результаты этих измерений показаны на рис. 6.4, а. Кривые деформаций свидетельствуют о затухающем характере развития усадки во времени. Период относительной стабилизации деформаций (после ввода зданий в эксплуатацию) наступил для керамзи-тобетонных стен через 2-2,5 года. К моменту стабилизации абсолютная величина усадочных деформаций была равна 5-5,5 мм.
Исследование деформаций стен и динамики развития трещин на их поверхности показало, что непериодические усадочные деформации - основная причина появления и развития в стенах трещин.
Вторым характерным видом влажностных деформаций являются периодические деформации (см. рис. 6.4,6), которые представляют собой сумму двух составляющих: деформаций, связанных с годовыми колебаниями относительной влажности наружного воздуха, и деформаций, связанных с периодическим увлажнением стен в сезон отопления и последующим высыханием в летний период. Периодические влажностные деформации, как это видно из рис. 6.4,6, не затухали во времени. Амплитуда этих деформаций в домах, построенных 4-5 лет назад, была примерно такой же, как и в зданиях, построенных год назад. Периодические влажностные деформации наружных стен зданий были по величине примерно в 2-3 раза меньше температурных.
Из приведенных данных следует, что периодические и непериодические влаж-ностные деформации могут существенно влиять на работу стен и их следует учитывать при проектировании зданий в целях снижения трещинообразования и повышения их надежности и долговечности.
Рассматривая динамику развития поверхностных сетчатых трещин, следует отметить, что растягивающие напряжения, вычисленные в предположении упругой работы материала, значительно превосходят прочность бетона при растяжении. В связи с этим в поверхностных слоях неизбежно должны появляться сетчатые трещины, развитие которых может происходить в течение значительного периода времени до тех пор, пока усадочные напряжения, постепенно уменьшаясь, не достигнут предела прочности бетона при растяжении.
Количество сетчатых трещин на поверхностях панелей несравненно больше, чем так называемых "силовых", вызываемых внешними силовыми воздействиями.
Основной вывод, который должен быть сделан из анализа приведенных явлений,- следует применять материалы с небольшим коэффициентом линейного расширения а, к которым относятся прежде всего керамические материалы (в частности, керамзит и т. п.), а также материалы с высокой предельной растяжимостью еР и большим коэффициентом теплопроводности Я.
Наиболее благоприятными конструкциями оказываются керамзитобетонные панели, а также трехслойные с наружными слоями из тяжелого бетона.
Важное значение для повышения тре-щиностойкости имеет правильное армирование панелей. Работа армированных стен при температурно-влажностных воздействиях резко отличается от неармиро-ванных. Введение продольной арматуры, воспринимающей растягивающие напряжения, значительно уменьшает (но не исключает) раскрытие трещин на длине армированного участка.
Рассмотренные явления учитываются в рекомендуемых схемах армирования ке-рамзитобетонных панелей, которые приведены на рис. 6.1, и трехслойных железобетонных- на рис. 6.2.
Деформации панелей, связанные со сложным температурно-влажностным характером их работы, должны с особой тщательностью учитываться при переходе к более длинным наружным панелям - с разрезкой на две или три комнаты. В больших по размерам панелях значительно увеличиваются деформации удлинения и укорочения. Так, если в панелях шириной 3,2 м максимальное укорочение при перепаде температур 60° в совокупности с влажностными деформациями составляет 2,2 мм, то при ширине 6,4 и 9,6 м - соответственно 4,5 и 6,7 мм. Это создает существенные колебания размеров швов между панелями и может привести к потере эффективности герметизации стыков, особенно при применении жгутовых материалов - пороизола и гернита.
