Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
ВАК 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.14 Управление жизненным циклом объектов строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 692.232 Наружные стены и облицовка. Части зданий, подвергаемые атмосферным воздействиям
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Целью данной статьи стало выявление эффективных систем материалов на основе известковых вяжущих для отделки фасадов кирпичных зданий. Задачей исследований являлось определение степени влияния вида накрывочного слоя и финишного покрытия на паропроницаемость и поверхностное водопоглощение, которые напрямую или косвенно определяют эксплуатационные характеристики отделки и ограждающих конструкций. В исследованиях рассмотрены трехслойные штукатурные системы, включающие: штукатурный грунт, накрывку или шпаклевочный состав, а также минеральную краску. Произведена экспериментальная сравнительная оценка систем отделки, отличающихся способами финишного выравнивания и видом краски, по величине паропроницаемости и поглощающей способности поверхности отделки. Паропроницаемость определялась стандартным методом, а поглощающая способность поверхности – на основе применения градуированных стеклянных трубок (трубки Карстена). Показано, что устройство шпаклевочных слоев взамен мелкозернистых накрывочных штукатурных способствует снижению паропроницаемости и замедлению скорости миграции влаги через слои отделки. Это обусловливает риск повышения влажности и, соответственно, снижения энергоэффективности ограждающих конструкций. Выявлено, что гидрофобизация окрасочного слоя не оказывает значительного влияния на паропроницаемость. При этом существенно снижается впитывающая способность поверхности, что может быть использовано для систем отделки, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенной атмосферной влажности Результаты проведенных исследований являются основой для выработки научно обоснованных рекомендаций по подбору систем отделочных материалов, обеспечивающих требуемый межремонтный срок эксплуатации отделки кирпичных фасадов, а также поддерживающих в ограждающих конструкциях уровень влажности, не превышающий допустимых эксплуатационных значений.
известковая штукатурка, кирпичные фасады, системы отделочных материалов, минеральная краска, паропроницаемость, водопоглощение поверхности.
Введение
Долговечность отделки фасадов кирпичных зданий во многом определяется совместимостью с основанием и сбалансированностью характеристик элементов применяемых штукатурных систем. Традиционные известковые растворы характеризуются высокой паропроницаемостью, что способствует эффективному отводу влаги из ограждающих конструкций [1-3]. Однако, низкая прочность и недостаточная водоотталкивающая способность приводят к преждевременному появлению трещин, высолов и биопоражений. На практике дефекты штукатурного слоя фиксируются уже через 5-7 лет после ремонта, тогда как нормативный межремонтный срок для фасадных покрытий составляет не менее 25-30 лет [4]. Такой дисбаланс между ожидаемым и фактическим сроком службы фасадных отделок обусловлен несовершенством существующих методик подбора материалов и отсутствием комплексной оценки их взаимодействия в составе целостной системы, включающей основание.
Рост эксплуатационных нагрузок и ужесточение требований в части энергетической эффективности ограждающих конструкций обусловливает актуальность разработки комплексного подхода, обеспечивающего одновременно достаточный уровень прочности, оптимальную паропроницаемость и повышенную водостойкость штукатурных систем. Немаловажным также является улучшение технологичности известковых материалов для повышения производительности отделочных работ.
В основе такого подхода лежит согласование физических, механических и гигрометрических характеристик каждого слоя от основания до финишного покрытия, а также учет климатических условий эксплуатации. Интеграция пуццолановых добавок, силикатных покрытий и гидрофобизирующих компонентов позволяет существенно расширить функциональные возможности традиционных составов с сохранением их положительных качеств, например, паропроницаемости [5-7].
В настоящей работе представлены результаты исследований влияния на гидрофизические свойства известковых отделочных систем применения шпаклевочных составов взамен традиционных накрывочных, использования силикатных окрасочных покрытий вместо известковых. Кроме этого, оценивалась возможность применения гидрофобизирующих добавок в составе силикатных красок и нанесения гидрофобизироющих составов на поверхность известковой краски.
Актуальность исследований
Опыт применения для отделки фасадов кирпичных зданий систем материалов, включающих цементные штукатурные растворы и краски на основе синтетических пленкообразующих, показал чрезвычайную важность совместимости отделки и основания по величине паропроницаемости, а также деформативности [8, 9]. Этот факт заставляет вновь обратить внимание на традиционные отделочные материалы для подобных зданий – известковые растворы и минеральные краски.
Известно, что растворы на основе извести имеют модуль упругости порядка 0,5-1,0 ГПа и прочность при сжатии до 2 МПа, а их паропроницаемость варьируется от 0,11 до 0,18 мг/(м·ч·Па) [10], что соответствует характеристикам кирпичной кладки и позволяет обеспечить сов-местность деформаций и эффективно миграцию из конструкций избы-точной влаги. Вместе с тем, отсутствие водостойкости у известковых составов ведёт к быстрому насыщению водой при атмосферных осадках, что ускоряет не только разрушение структуры раствора и образованию трещин в штукатурном слое, но и к насыщению кирпича влагой.
При решении указанной проблемы основное внимание уделяется применению пуццолановых добавок, которые при дозировках 10-20% от массы вяжущего способствуют увеличению прочности раствора до 3-4 МПа, повышению водостойкости и химической стойкости к агрессивным средам (CO₂, SO₂) [11]. При этом не происходит существенного снижения паропроницаемости растворов: значения данного показателя находятся в диапазоне 0,10-0,15 мг/(м·ч·Па).
В качестве финишного покрытия для известковых штукатурных систем на протяжении веков применялись известковые краски [12]. Несмотря на исторически доказанную эффективность, применение известковых красок в современных условиях сталкивается с рядом существенных ограничений, которые снижают их актуальность. Известковые краски требуют строгого соблюдения технологии нанесения и достаточно высокого уровня квалификации исполнителя [13]. Процесс нанесения трудоемкий и чувствителен к погодным условиям. Всё вышеперечисленное делает их неприемлемым для массового интенсивного строительства.
На наш взгляд, наилучшей физико-химической совместимостью с известковыми штукатурными системами характеризуются силикатные грунты и краски. Силикатные составы образуют на поверхности прочную мембрану с высокими адгезионными свойствами и паропроницаемостью [6], а применение в составе красок гидрофобизирующих добавок позволяет снизить поверхностное водопоглощение на 20-30%. Сочетание пуццолановых добавок и силикатных покрытий с гидрофобизирующими компонентами позволяет обеспечить баланс между паропроницаемостью отделки и её защитными функциями в отношении атмосферных факторов.
К настоящему времени выполнены многочисленные исследования по определению влияния различных факторов на работоспособность штукатурной фасадной отделки [14], однако представляется недостаточной систематизация полученных результатов для формирования единой методики комплексного подбора системы отделочных материалов. Существующие стандарты регламентируют методы испытаний паропроницаемости, прочности и водопоглощения, но не предлагают алгоритма оценки совместимости материалов. Это обусловливает необходимость проведения экспериментальных исследований с целью обобщенной оценки эффективности системы материалов, для различных климатических условий и типов фасадов, учитывая взаимодействие отделочных слоёв и эксплуатационных особенностей кирпичных ограждающих конструкций.
Материалы и методы
Для проведения испытаний применены два варианта отделочных систем:
Системы 1, 2: крупнозернистый известковый выравнивающий раствор, мелкозернистый известковый накрывочный раствор;
Система 3: крупнозернистый известковый выравнивающий раствор, мелкодисперсный известково-пуццолановый накрывочный раствор;
В каждой системе принято четыре вида подсистем:
a — отделочная система без покрытия краской;
b — отделочная система, покрытая силикатной грунтовкой;
c — отделочная система, покрытая силикатной грунтовкой и окрашенная силикатной краской (для системы 1 – известковая краска);
d — отделочная система, покрытая силикатной грунтовкой и окрашенная силикатной краской с добавлением 1% гидрофобизирующей добавки (система 1 — покрыта гидрофобизатором на основе метилсиликоната калия).
Примечание: Грунтовка разбавленнная водой в соотношении по объему 1:1.
Толщины слоёв: выравнивающий 20±2 мм, накрывочный 4±1 мм, покрытие 0,1-0,2 мм.
Для сбора статистических данных каждый вид образца изготавливался в количестве 3 шт.
Испытание на паропроницаемость
Для проведения исследования изготовлены образцы 100×100 мм, твердевшие 28 суток в естественных условиях. Испытание на паропроницаемость проводилось методом «мокрой чашки» по ГОСТ 25898-2020. Для проведения исследования использовалась климатическая испытательная камера «Тепло-Влага М 0/100-80 КТВ», при поддержании в камере постоянной температуры 23℃ и влажности 50% (см. Рис. 1).
Рис. 1. Проведение испытания на паропроницаемость
Испытание на поверхностное водопоглощение
Для испытаний на водопоглощение были изготовлены образцы 200×200×24±1 мм, твердевшие естественных условиях 28 суток. Определение водопоглощения проводилось с применением трубок Карстена. Данный прибор в соответствии с европейскими стандартами (DIN 4117 и DIN 1048) рекомендован для определения степени водопоглощения. Регистрация объёма поглощённой воды проводилось через фиксированные интервалы времени: 1, 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120 минут и далее через каждые 60 минут. Испытание продолжается до момента достижения поглощения равного 4 мл или прекращения роста водопоглощения в течение 360 минут.
Поскольку образцы обладают разной впитывающей способностью, для удобства обработки и анализов результатов рассчитывалась средняя скорость впитывания (10-3·мл/см²·мин), на отметке времени в 30 мин по формуле:
где S — средняя скорость впитывания (мл/см²·мин); V — водопоглощение за каждый временной интервал (мл), A — площадь контакта трубки с поверхностью (8 см²), t — время испытания (30 мин).
Водопоглощение каждого образца определялось в трех точках поверхности, поэтому для каждой серии было получено по 9 значений (см. Рис. 2).
Рис. 2. Проведение испытания на определение водопоглощения
Результаты исследования
Паропроницаемость
Средние значения паропроницаемости исследованных образцов подсистем представлены в Таблице 1 и в графическом виде отражены на Рис. 3.
Таблица 1
Результаты проведения испытаний на паропроницаемость
|
Система |
Паропроницаемость, мг/(м·ч·Па), для подсистемы |
|||
|---|---|---|---|---|
|
a |
b |
c |
d |
|
|
Система 1 |
0,149 |
0,142 |
0,137 |
0,134 |
|
Система 2 |
0,149 |
0,142 |
0,134 |
0,131 |
|
Система 3 |
0,124 |
0,120 |
0,114 |
0,111 |
Рис. 3. Паропроницаемость образцов исследованных систем отделочных материалов
Поверхностное водопоглощение
Результаты определения скорости впитывания (10-3·мл/см²·мин) представлены в Таблице 2 и на Рис. 4.
Таблица 2
Скорость впитывания образцов на отметке времени 30 минут
|
Система |
Скорость впитывания (10-3·мл/см²·мин), для подсистемы |
|||
|---|---|---|---|---|
|
a |
b |
c |
d |
|
|
Система 1 |
17,5 |
9,4 |
6,7 |
0 |
|
Система 2 |
17,5 |
9,4 |
0,6 |
0 |
|
Система 3 |
2,5 |
1,1 |
0,2 |
0 |
Рис. 4. Скорость впитывания образцов на отметке времени 30 минут
Система 1
Образцы подсистемы a обладают наибольшей скоростью водопоглощения поверхности, что является ожидаемым результатом в условиях отсутствия финишных покрытий. Средняя скорость впитывания на отметке времени 30 минут для них составила 17,5 10-3·мл/см²·мин. Впитывание 4 мл воды для данной подсистемы произошло в интервале времени от 30 до 45 минут.
У образцов подсистемы b, средняя скорость впитывания на отметке времени
в 30 мин – 9,4 10-3·мл/см²·мин, что на 54% ниже, чем у образцов подсистемы a, это говорит о том, что применение силикатной грунтовки (разведенной 1:1 с водой) положительно влияет на устойчивость к водопоглощению. Достижения предельного значения водопоглощения (4 мл) произошло в интервале времени от 90 до 180 минут.
Результаты проведения подсистемы c близки к результатам образцов подсистемы b, но в отличии от образцов подсистемы b, при проведении испытания водопоглощение по поверхности у данной подсистемы было более равномерным. Средняя скорость впитывания на отметке времени 30 мин составила 6,7 10–3·мл/см²·мин, что не значительно меньше, чем у образцов, покрытых силикатной грунтовкой. Впитывание 4 мл воды произошло в интервале времени от 120 до 180 минут.
У образцов подсистемы d, покрытых гидрофобизатором, испытание продлилось 360 мин, а максимальное впитывание к данной отметке времени составило 0,5 мл. Средняя скорость впитывания 0,1 10–3мл/см²·мин образовалась к моменту времени 240 мин.
Система 2
Результаты испытаний на водопоглощение подсистем a, b аналогичны результатам системы 1 соответствующих подсистем.
Образцы подсистемы c также показали разные результаты. Впитывание воды в образцы началось в среднем на отметках времени 15, 30 мин. На отметке времени в 30 мин образцы данной подсистемы показали среднюю скорость впитывания 0,6 10-3·мл/см²·мин, но к отметке времени в 90 мин данный показатель возрос до 1,1 10-3·мл/см²·мин и наблюдался в данном значении до окончания проведения испытания.
У образцов подсистемы d к этапу времени 360 мин среднее значение поглощенной воды составляло 0,29 мл, при этом максимальное поглощение воды составило 0,5 мл. Скорость впитывания на отметке в 30 мин составляла 0 мл/см²·мин и только моменту времени 240 мин данный показатель вырос до 0,1 10-3·мл/см²·мин
Система 3
У образцов подсистемы a, поглощение 4 мл воды было достигнуто к отметке времени 300 мин. На отметке времени 30 мин скорость впитывания равнялась 2,5 10-3·мл/см²·мин, что соответствовало средней скоростью впитывания на всей длительности испытания. Данные результаты говорят о том, что применение тонкодисперсных известково-пуццолановых шпатлевок позволяет в значительной степени обеспечить защиту фасада от воздействия влаги, даже без применения финишного покрытия.
Все образцы подсистемы b выдержали испытание в течение 360 минут, при этом максимально поглощенное количество воды составило 3,25 мл, а минимальное значение составило 1,2 мл. На отметке времени 30 мин скорость впитывания равнялась 1,1 10-3·мл/см²·мин, но по достижении отметки времени в 60 мин этот показатель снизился до 0,9 10-3·мл/см²·мин и удерживался в этом показателе до окончания испытания.
У образцов подсистемы c начало поглощения воды в образцы наблюдалось в промежутке времени от 30 до 90 мин. К отметке времени 360 мин максимальное поглощение составило 0,7 мл, минимальное — 0,2 мл, среднее — 0,46 мл. Скорость впитывания на отметке времени 30 мин — 0,2 10-3·мл/см²·мин. Данные показатели указывают на то, что тонкодисперсная известково-пуццолановая шпатлевка в сочетании с силикатной краской способны защитить фасад от воздействия атмосферной влаги без применения гидрофобизаторов.
Образцы подсистемы d выдержали испытание на водопоглощение в 360 мин с средним показателем поглощения 0,29 мл, наибольшее поглощение составило 0,6 мл. Скорость впитывания на отметке времени 30 мин — 0 мл/см²·мин, а изменение данного показателя до 0,1 10-3·мл/см²·мин произошло на отметке времени 120 минут.
График водопоглощения образцов серии 2 в графическом виде отражен на рисунке 3. Значения средней скорости впитывания (10-3·мл/см²·мин)) на промежутке времени в 30 минут представлены в табл. 2 и графически на Рис. 4.
Заключение и обсуждение
Рассмотренные системы удовлетворяют условию совместимости с кладкой по величине паропроницаемости (0,11-0,15 мг/(м·ч·Па)). Во всех исследованных системах нанесение силикатной грунтовки сопровождается снижением проницаемости на 3-5%. Силикатная краска, как и известковая, дополнительно понижает паропроницаемость
на 7-9%. Нанесение на известковую краску гидрофобизатора, как и использование гидрофобизирующей добавки в составе силикатной краски, незначительно уменьшает величину проницаемости (не более чем на 2%).
Водопоглощение образцов, покрытых мелкозернистой классической известковой накрывкой достигает 4 мл за 30-45 мин, тогда как применение тонкодисперсной известково-пуццолановой значительно повышает водостойкость системы, снижая показатель средней скорости впитывания в 7 раз, по отношению к образцам покрытых мелкозернистой накрывкой. Применение силикатной грунтовки снижает водопоглощение ~50 %, при этом не значительно влияет на паропроницаемость, что обосновывает их обязательное применение при разработке штукатурных систем с содержанием извести. Известковая краска не оказывает значительного влияния на показатель водопоглощения, ее действие заключается лишь в распределении поглощаемой влаги по поверхности фасада. Использование силикатных красок значительно снижает водопоглощение в целом, а особенно на период до 90 минут непрерывного воздействия влаги, после 90 мин воздействия показатель скорости впитывания в среднем 1·10-3·мл/см²·мин, что с течением времени может оказывать негативное влияние на конструкцию. Применение гидрофобизаторов практически полностью исключает поверхностное водопоглощение, что свидетельствует о высокой эффективности данных составов для защиты известковой отделки фасадов от атмосферной влаги.
Таким образом, на основе интегральной оценки можно заключить, что для условий Санкт-Петербурга для отделки фасадов кирпичных зданий наиболее подходящей (по эксплуатационным качествам) из исследованных является система 2, подсистема d: известковый штукатурный грунт и накрывка, покрытая силикатной грунтовкой и окрашенная силикатной краской с добавлением 1% гидрофобизирующей добавки.
1. Шангина Н.Н. и др. Сравнительный анализ комплекса тепловлагофизических свойств цементного и известкового штукатурных растворов / Н.Н. Шангина, А.М. Харитонов, С.В. Корниенко, В.Я. Ольшевский, С.Н. Фомин, А.С. Горшков А.С. // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2025. № 2(99). С. 67-76. DOI:https://doi.org/10.35211/18154360_2025_2_67. EDN: https://elibrary.ru/IEEUUK
2. Горшков Р.А., Корниенко С.В. Влияние климата и наружной штукатурки на влажностный режим каменных стен // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. Вып. 6. С. 971–981. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.6.971-981. EDN: https://elibrary.ru/MATOQI
3. Pavia S. et. al. RILEM TC 277-LHS report: How hot are hot-lime-mixed mortars? A review. / S. Pavia, R. Veiga, J. Hughes, G. Pesce, J. Valek, J. I. Alvarez, P. Faria, A. Padovnik // Materials and Structures. 2023. V. 56. Art. number 87. DOI: https://doi.org/10.1617/s11527-023-02157-1 EDN: https://elibrary.ru/TSTDAK
4. Медяник Ю.В. Классификация и анализ дефектов и повреждений штукатурных покрытий фасадов зданий // Известия КГАСУ. 2018. №2(44). С. 231-238. EDN: https://elibrary.ru/XQCNNB
5. Эмралиева С.А., Хомич В.А. Влияние морфологических особенностей пуццолановых добавок на эксплуатационные свойства строительных растворов // Вестник ЮУрГУ. 2009. № 35.
6. Мажитов Е.Б. Золь-силикатная краска для отделки стен зданий : дис. … кандид. техн. наук. Пенза. 2021. 165 с.
7. Махамбетова К.Н., Булгаков А.В. Исследование влияния современных гидрофобизирующих добавок на прочность при сжатии и водопоглощение цементно-песчаных растворов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6. Ч. 2
8. Шангина Н.Н. и др. / Н.Н. Шангина, А.М. Харитонов, С.В. Корниенко, В.Я. Ольшевский, А.И. Еникеев, С.Н. Фомин, А.С. Горшков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2025. № 1(98). С. 407-417. DOI:https://doi.org/10.35211/18154360_2025_1_407. EDN: https://elibrary.ru/ARSNDZ
9. Хабибулина А.Г., Сулейманов А.М., Бабенко Р.Н. Фасады исторических зданий с каменной кладкой: обзор методов и способов реставрации // Известия КГАСУ. 2023. № 4(66). С. 96-108. DOI:https://doi.org/10.52409/20731523_2023_4_96, EDN: https://elibrary.ru/HKFLOE
10. Галунин А.А., Гапеев А.А., Поспичал В. Оценка зависимости динамических модулей упругости от пористости образцов известняка методом импульсной диагностики // ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021. (4-1). Сс. 98-107. DOI:https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_41_0_98 EDN: https://elibrary.ru/QAWXXX
11. Ramalingam Malathy et al. Lime based concrete and mortar enhanced with pozzolanic materials – State of art / Ramalingam Malathy, Ragav Shanmugam, Deepalakshmi Dhamotharan, Dhivya Kamaraj, Mayakrishnan Prabakaran, Jongpil Kim // Construction and Building Materials. 2023. Volume 390, 1. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131415
12. Loganina V.I., Davydov O.A., Grintsova O.V. Lime finishing recipes for restoration of buildings and structures // International Journal of Civil Engineering. 2014. Vol. 3. Issue 1.Pp. 95-98.
13. Зайцева М.В. Обеспечение качества известковых составов для отделки и реставрации стен зданий : дис. … кандид. техн. наук. Пенза, 2023. 174 с.
14. Орлович Р.Б., Горшков А.С., Шангина Н.Н., Харитонов А.М. Причины и механизмы повреждения штукатурного покрытия фасадов исторических каменных зданий // Социология города. 2023. № 2. С. 59-77. DOI:https://doi.org/10.35211/19943520_2023_2_59. EDN: https://elibrary.ru/OAJHLR
