Строительство и архитектура / 4. Современные строительные материалы

Д.т.н., профессор Местников А.Е.

Северо-Восточный федеральный университет, Россия

Влияние климатических факторов на свойства

материалов ограждающих конструкций

При проектировании необходим комплексный учет климатических и других воздействий среды на конструкции здания или сооружения. Особенностью климата Центральной Якутии является его резкая континентальность, проявляющаяся в значительных колебаниях температуры при небольших количествах выпадающих осадков. По многолетним наблюдениям в Центральной Якутии для зимнего периода характерна ясная и тихая погода, штиль или очень слабые ветры, не превышающие 1 м/сек [1]. Зима почти на всей территории стоит сухая и малоснежная. Годовое количество осадков не превышает 200 мм, из которых 80% приходится на летние месяцы. Средняя относительная влажность воздуха самого холодного месяца в 13 часов составляет 76%, самого жаркого месяца в 7 часов – 69% и в 13 часов – 46%. В летние и в зимние месяцы нередко появляются густой туман и иней. Несмотря на малое количество выпадающих в течение года осадков, имеются условия для сорбционного увлажнения материалов наружных ограждений.

Возможные явления в строительных материалах и изделиях в составе конструкций при их эксплуатации в суровых климатических условиях Крайнего Севера вызваны следующими видами атмосферных воздействий:

1) большое количество солнечных дней Севера (г. Якутск) с глубоким ультрафиолетом приводит к двум процессам в строительных материалах - деструкции за счет доли поглощенного ультрафиолетового излучения и радиационному нагреву за счет поглощения света в целом; для ряда материалов это приводит к уменьшению массы, появлению хрупкости и быстрому ухудшению эксплуатационных свойств;

2) резкие суточные перепады температур воздуха и дополнительный нагрев образцов лучистой энергией, особенно в весеннее и осеннее время, вызывают появление больших термических напряжений, которые за счет больших времен релаксации структурных элементов макромолекул, например, высокополимеров, накапливаются при циклических перепадах температур, что способствует появлению микротрещин в материалах;

3) переходы через 0°С дважды в сутки в весеннее и осеннее время приводят к сорбции и десорбции влаги, ее замораживанию и размораживанию; за счет повышения объема поглощенной воды при замораживании происходит увеличение микро- и макропустот в материалах; этот процесс при частом переходе воды в лед и обратно в конце концов вызывает появление критических трещин и хрупкое разрушение материала при действии определенных нагрузок;

4) значительная продолжительность холодного периода года (более 8 месяцев) и низкие отрицательные температуры наружного воздуха (минимум до -71°С) могут способствовать накоплению влаги в материалах ограждающих конструкций; известно, что максимальная сорбционная влага большинства строительных материалов соответствует количеству прочносвязанной воды и не замерзает при отрицательных температурах порядка -10…-78°С; значительное количество сорбционной влаги, замерзающей при низких отрицательных температурах, может привести к понижению теплозащитных свойств ограждающих конструкций и ускоренной деструкции теплоизоляционных материалов, применяемых в качестве «шубы» зданий и сооружений в условиях Севера.

Обработанные многолетние сводки погодных изменений в районе г. Якутска, вследствие незначительных колебаний, в исследованиях приняты за основные характеристики климата Центральной Якутии. В результате анализа многолетней информации получено представление о разнообразии характера воздействия климата на наружные ограждения жилых зданий (табл. 1) [2].

Обеспечение долговечности ограждающих конструкций возможно при правильной оценке интенсивности воздействий среды и осуществлении мероприятий по увеличению стойкости стенового материала.

Таблица 1 – Интенсивность и частота колебаний температуры воздуха в г. Якутске

Наблюдаемый период	Абсолютные значения			Количество циклов
	макс. полож. темп-ра, ºС	миним. отриц. темп.-ра, ºС	годового хода температуры, ºС	замораживание-оттаивание с переходом через 0ºС	нагревание-охлаждение без перехода через 0ºС
					в области отриц. температуры	в области положит. температуры
1 год	35	56	91	61/68*	90	51
50 лет (прогноз)	38	65	103	3050/3400*	4500	2550

* над чертой – по наблюдениям; под чертой – с учетом тепла прямой солнечной радиации

Анализ повреждаемости зданий в условиях холодного климата показывает, что характер износа материалов и конструкций в значительной степени определяется не только датой возведения зданий, но и конструктивной схемой надземной части и фундаментов.

История каменного строительства на вечной мерзлоте имеет давнее начало. Первое каменное здание из местного обожженного кирпича было построено еще в начале ХVIII века. В 1706-1707 гг. было сооружено одноэтажное каменное административное здание Воеводской канцелярии в г. Якутске, которое эксплуатировалось вплоть до конца 70-х гг. 20-го столетия. Длительный срок службы стен из неморозостойкого кирпича старинных зданий, в частности, объясняется их хорошей защитой наружными и внутренними штукатурными слоями из мелкозернистого известкового бетона, а также в ряде случаев активной вентиляцией сухого (горячего) воздуха в пустотных конструкциях, что видно из разобранных фрагментов стен.

Для кирпичных зданий, возведенных после 1950 г., долговечность стеновых конструкций аварийных зданий составила всего 21-33 года, причиной разрушения которых явились чрезмерное увлажнение кирпичной кладки и знакопеременные температурные воздействия. Причем крупные аварии кирпичных зданий происходят закономерно, как правило, с началом наступления устойчивого теплого сезона - в период с 29 мая по 9 июня в результате оттаивания замерзшей кладки.

Незначительный срок эксплуатации крупнопанельных зданий в климатических условиях Крайнего Севера не позволяет судить об эксплуатационной стойкости слоистых ограждающих конструкций. Первые стеновые панели представляют собой однослойные конструкции из керамзитобетона толщиной 0,6 м, отвечающие требованиям строительных норм до 1995 г. После принятия новых требований по тепловой защите зданий стеновые панели были представлены в виде слоистых конструкций с термовкладышем из пенополистирола.

Основным недостатком многоэтажных зданий являются неприспособленность инженерных сетей к аварийным утечкам и недоработки конструкций сборников атмосферных вод в кровельном покрытии, которые приводят к попаданию влаги на ограждающие и несущие конструкции. Надежность конструкций зданий снижается не только из-за недостатков проектирования, но и иногда из-за низкого качества готовой продукции заводского изготовления, а также упущений при проведении строительно-монтажных работ. Однако на примере Домостроительного комбината г. Якутска следует отметить, что индустриальный подход при надлежащем качестве позволяет достигнуть высокого темпа строительства и ввода в эксплуатацию многоквартирных жилых зданий, конкурентоспособных в условиях рыночных отношений.

Литература

1. Гаврилова М.К. Климат Центральной Якутии. – Якутск: Кн. изд-во, 1973. – 119 с.

2. Абрамова П.С. Исследование морозостойкости керамзитобетона для ограждающих конструкций: дис… канд. техн. наук. – М.: МИСИ, 1973. – 137 с.