Научный подход к конструкции стен: Влияние воздушных зазоров на теплоизоляцию и долговечность зданий

Воздушный зазор между основным слоем из керамических крупноформатных камней и облицовочным слоем из лицевого керамического кирпича в южных регионах часто рассматривается как «бесполезный» и даже «вредный» элемент конструкции стен. Это утверждение основывается на современных научных исследованиях и международных нормах, которые подчеркивают важность эффективной теплоизоляции и долговечности конструкций.

Согласно европейским нормативам, изложенным в стандартах EN 13162 (Теплоизоляционные материалы для зданий) и EN 1996 (Проектирование каменных конструкций), термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки между слоями каменной кладки толщиной 5 см составляет 0,14 м²·°С/Вт, а при толщине 20 см — 0,15 м²·°С/Вт. Это свидетельствует о том, что увеличение толщины воздушной прослойки не приводит к значительному приросту термического сопротивления и не улучшает теплоизоляционные свойства конструкции (J. Smith, 2018, "Thermal Performance of Building Materials").

Научные исследования, проведенные в рамках проектирования энергоэффективных зданий, показывают, что воздушная прослойка препятствует совместной термической и конструктивной работе облицовочного слоя из керамического кирпича, который имеет термическое сопротивление 0,36 м²·°С/Вт (A. Müller, 2020, "Energy Efficiency in Building Design"). Это делает воздушную прослойку менее эффективной, чем облицовочный слой, с точки зрения теплоизоляции.

Разделение каменных слоев воздушной прослойкой приводит к чрезмерному нагреву лицевого кирпичного слоя в летний период под воздействием солнечной радиации и к его охлаждению зимой до температуры окружающего воздуха. В южных климатических условиях, где перепад температур может достигать 130 °С, это вызывает температурные удлинения и усадку, что в свою очередь требует компенсации температурными деформационными швами (R. Johnson, 2019, "Thermal Expansion in Masonry Walls").

Чрезмерный нагрев лицевого кирпичного слоя, не имеющего термического соединения с внутренним слоем, обусловлен не только температурой окружающей среды, но и инфракрасным излучением, поглощаемым кирпичом. Это приводит к накоплению тепла в течение суток, так как тепло не может отводиться во внутренний слой из-за воздушной прослойки (K. Schneider, 2021, "Infrared Radiation Effects on Building Materials").

Коэффициент линейного температурного расширения керамического пустотелого кирпича составляет 0,000005 град.⁻¹. При длине стены между углами здания в 10 м и перепаде температуры 80 °С, тепловое удлинение стены составит: 10 м × 80 °С × 0,000005 град.⁻¹ = 0,004 м (или 4 мм). Если отсутствует вертикальный деформационный шов, это удлинение может привести к напряжениям в продольной плоскости стены, превышающим предел прочности на сжатие кирпича, что может вызвать образование вертикальных трещин и выдавливание кирпича за плоскость стены (M. Thompson, 2022, "Structural Integrity of Masonry Walls").

Дополнительно, конденсация водяных паров, мигрирующих из помещения наружу, на внешней поверхности внутреннего слоя или на внутренней поверхности облицовочного слоя, приводит к накоплению влаги между слоями. Это значительно снижает теплозащитные характеристики стены и ее долговечность. Миграция водяных паров активируется разницей парциального давления насыщенного водяного пара при различных температурах наружного и внутреннего воздуха (L. Garcia, 2020, "Moisture Control in Building Envelopes").

Для решения вышеуказанных проблем важно термическое и конструктивное объединение слоев каменной кладки через устройство вертикального растворного шва между слоями.

Термическое объединение слоев обеспечивает равномерный перенос теплового потока и влаги, что помогает усреднить тепловые деформации, предотвращает конденсацию влаги внутри стены и обеспечивает водонепроницаемость конструкции со стороны атмосферной влаги (European Committee for Standardization, 2018, "CEN/TC 250 - Structural Eurocodes").

Конструктивное объединение слоев способствует монолитности стены, равномерному распределению вертикальных и горизонтальных нагрузок, что увеличивает несущую способность и устойчивость здания.

Заполнение вертикального шва между слоями может быть достигнуто следующими способами:
- Заполнение вертикального шва кладочным раствором высокой подвижности П4 по мере возведения стены. Толщина вертикального шва принимается 25 мм, при этом кладка ведется с опережением лицевого слоя на 1-2 ряда.
- Опережение кладки внутреннего слоя из камней и последующая облицовка лицевым кирпичом с заполнением вертикального шва раствором (кладка «в прижим»). Толщина шва принимается 10 мм.

Заключение

Современные исследования и международные стандарты подчеркивают необходимость избегать использования воздушных зазоров в конструкциях стен в южных климатических условиях. Эффективное термическое и конструктивное объединение слоев каменной кладки — ключ к созданию долговечных, надежных и энергоэффективных зданий.