УДК 69. 699.865

В.Т. Шаленный, доктор техн. наук, профессор кафедры технологии, организации и управления строительством;
Л.Н. Смирнов, доцент кафедры технологии, организации и управления строительством;
О.И. Древетняк, студент, Академия строительства и архитектуры, КФУ им. В.И. Вернадского, г. Симферополь

Ключевые слова: энергоэффективность, технологии наружного утепления и отделки, изделия и гранулы на основе пеностекла
Keywords: energy efficiency, technology and external insulation finishing, products and granules based on foam glass

В статье изложена эволюция представлений об энергоэффективности и конкурентоспособности современных систем наружного утепления и отделки гражданских зданий. Представлены усовершенствованные конструкции утепления и отделки стен гражданских зданий блоками и штукатурными составами на основе гранул пеностекла – эффективного, экологически чистого и долговечного строительного материала. Показаны преимущества и технологические особенности выполнения работ по предложенным конструктивно-технологическим системам.

Как известно, через конструкции наружных стен возводимых и тем более ранее построенных гражданских зданий происходят наибольшие потери тепла. Потери компенсируются дополнительными затратами на отопление в зимний период и кондиционирование летом [1, 2]. По этой причине актуальной остается научно-прикладная задача развития ресурсосберегающих технологий утепления и отделки этих стен как при модернизации существующих, так и при новом строительстве зданий и сооружений различного назначения.

Следует отметить, что негативный опыт использования относительно дешевых, но недолговечных (нередко подверженных разложению с выделением ядовитых веществ в экстремальных ситуациях) распространенных «энергоэффективных» материалов и конструкций предопределяет необходимость дальнейшего поиска иных конструктивно-технологических систем. Перспективными в применении для утепления и отделки строительных конструкций нам представляются конструктивно-технологические системы на основе материалов из пеностекла [3, 4], хорошо извест­ного профессионалам.

Анализ исследований и публикаций

Как уже отмечалось в работе [5], энергосберегающая модернизация строительных объектов до сих пор происходит под нажимом государственных структур, поскольку заинтересовать российского частного инвестора вложениями в энергосбережение достаточно сложно потому, что «развитые страны имеют более выгодные условия для развития энергоэффективности» [6, 7]. Несмотря на то что, например, в г. Санкт-Петербурге за последние десять лет цены на энергоносители выросли более чем в два раза [8], сроки окупаемости вложений в энергосберегающие мероприятия до сих пор не устраивают потенциальных инвесторов.

По мнению многих авторитетных специалистов, важное значение имеют выбор и последовательность осуществления теплозащитных мероприятий. Так, в работах [9, 10] обращается внимание на оценку экономической эффективности утепления и отделки ранее построенных строительных объектов в виде суммарной чистой дисконтируемой экономии средств (ЧДЭС) за весь срок службы теплозащитных материалов. Замена наихудшей последовательности реализации данных мероприятий на наилучшую дает повышение ЧДЭС на 8,53%. Причем иногда подразумеваются даже большие инвестиционные вложения при утеплении жилого дома серии 1-447С, которые необходимо как минимум окупить за срок службы реализуемых теплозащитных мероприятий.

Продолжаются дискуссии по вопросам рационального значения необходимого термического сопротивления ограждающих конструкций после их термомодернизации. Ссылаясь на публикацию [11] в статье [12], делается вывод о том, что «при проектировании наружных стен из однослойных ограждающих конструкций экономически целесообразно добиваться уровня их теплозащиты, соответствующего потребительскому подходу, то есть в пределах от 2 до 2,5 м^{2 о}С/Вт для большинства районов европейской части России». Представленная аргументация понадобилась авторам для того, чтобы доказать, что применение новых разработок в материаловедении и технологии производства керамзитобетона позволяет его применять в однослойных ограждающих конструкциях, выполняя при этом нормативные теплотехнические требования. Но так поступать можно только при новом строительстве и с использованием инновационных разработок в технологии заводского производства керамзитобетонных конструкций.

Доктор технических наук, профессор Н.И. Ватин в известной статье в очередной раз обратил внимание на отсутствие целесообразности чрезмерного увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций: «При увеличении сопротивления теплопередаче с 0,5 до 3°С·м²/Вт тепловой поток уменьшается на 46 Вт/м², а при увеличении показателей с 2,5 до 3 – только на 3,1 Вт/м²» [13, с. 56]. Далее, пользуясь приведенными аргументами, авторы определяют оптимальную толщину утеплителя из минеральной ваты для известной системы навесного вентилируемого фасада (НВФ) в условиях реконструкции зданий обследованных детских садов г. Санкт-Петербурга.

Следует отметить, что системы утепления и отделки, относящиеся к группе НВФ и обладающие рядом неоспоримых преимуществ, имеют ряд существенных недостатков. Один из них – себестоимость их устройства, в несколько раз превышающая стоимость устройства «скрепленных» или штукатурных систем [2, 14]. По этой причине мы далее сделаем акцент на совершенствование менее затратных штукатурных систем утепления наружных стен. В качестве утеплителя – исключительно изделия из пеностекла.

Подчеркнем, что использование пеностекла в качестве долговечного, надежного и абсолютно несгораемого утеплителя пропагандируется многими авторскими коллективами, например [15-17].

Последний действующий российский патент в этой области предлагает применение блоков из пеностекла для заглубленных сооружений оборонного назначения в суровых климатических условиях. Аналогичные работы выполняются на Украине под руководством докторов наук, профессоров Савицкого Н.В. и Пшинько А.Н. Эти работы стали составной частью докторской диссертации Никифоровой Т.Д., защищенной в 2016 году, практическая реализация которой заключалась в том числе в экспериментальном проектировании и строительстве в Днепропетровской области первого на Украине энергоэффективного заглубленного жилого дома «EGG» с его наружным утеплением блоками из пеностекла средней плотностью 100 кг/м³ [18].

Единственный, но существенный и до сих пор трудноустранимый недостаток конструктивно-технологических систем наружного утепления стен материалами из пено­стекла – большая себестоимость устройства данных систем. Это объясняется высокой стоимостью самих материалов, недостатками конструктивных решений многослойной стены во взаимосвязи со свойствами пеностекла и технологией производства работ по ее утеплению и отделке. Поэтому цель нашей статьи – показать преимущества пеностекла как материала для утепления наружных стен с учетом его уникальных свойств, а также возможные направления совершенствования технологии производства работ, позво­ляющие повысить ее конкурентоспособность.

Результаты исследования и их анализ

Известный на постсоветском пространстве завод-изготовитель «Гомельстекло» разработал типовую технологическую карту на производство работ по утеплению фасада данным материалом (ТТК №887/6т-2003) [19]. Узким местом технологии стало механическое крепление утеплителя из блоков пеностекла путем дюбелирования. Проблема в том, что дюбелирование блоков разрушает пеностекло вокруг крепления из-за его хрупкости, что непозволительно для подобных теплоизоляционных материалов. Чтобы ограничить механическое воздействие на материал хрупкого утеплителя, с нашим участием был разработан усовершенствованный способ крепления плитных утеплителей без дюбелей при помощи специальных кронштейнов, защищенный патентом РФ на полезную модель №162256 U1 и представленный на рис. 1а.

Отличительными особенностями первой конструктивно-технологической системы теплоизоляции-прототипа являются крепления к стене 2 блоков 1 из пеностекла при помощи стартового углепластикового кронштейна 3 снизу и рядового кронштейна сверху по размерам блока. Они расположены в горизонтальном направлении и прикреплены к стене с помощью оцинкованных анкеров-дюбелей 4. При использовании такой системы предполагается дополнительно закреплять армирующий слой из стеклосетки 5 традиционным приклеиванием к ранее устроенному слою утеплителя и только затем, после твердения клеевого состава, можно приступать к устройству тонкослойной цементно-песчаной штукатурки 6 и окончательной отделке поверхности стены. Но подобные крепежные изделия из углепластика, к сожалению, достаточно дорогостоящие и дефицитные, поэтому их использование в нашей системе утепления и отделки не всегда будет оправданным. В некоторых случаях, ориентируясь на срок службы системы в пределах 20-25 лет, кронштейны из углепластика можно заменить на подобные или усовершенствованные, но произведенные из дешевой и повсеместно распространенной пластмассы.

Исходя из анализа недостатков конст­руктивной системы-прототипа, в ее дальнейшее развитие разработана и патентуется как полезная модель (решение о выдаче патента по заявке №2017143853 от 28.12.17) усовершенствованная конструктивно-технологическая система наружного утепления и отделки стеновыми блоками из пеностекла, представленная на рис. 1б.

Такая система теплоизоляции стеновых конструкций 1 блоками 2 из пеностекла содержит снаружи блоков ­армирующий слой 3 из стеклосетки и облицовочный слой цементно-песчаной штукатурки 4. Рядовой кронштейн крепления блоков 2 к стене 1 ранее был прикреплен к стене при помощи оцинкованного анкера-дюбеля 5 и выполнен разъемным из двух частей: уголка 6 с горизонтальной полкой 7 по горизонтальному шву между блоками 2 и вертикально расположенной шайбой 8. На расстоянии, близком к толщине блока 2 от конструкции стены 1, в полке 7 выполнены вырезы, а в шайбе 8 имеется паз по размерам, превышающим сечение полки 7. Как вариант, вместо круглой шайбы 8 можно использовать аналогичные элементы другой, например прямоугольной, формы пластины.

На нижерасположенном блоке 2 из пеностекла предполагается монтаж горизонтальной полки 7. В стене 1 образуют отверстие, куда устраивают оцинкованный анкер 5, прикрепляя таким образом уголковую часть кронштейна 6 с полкой 7 к стене 1. Далее на полку 7 укладывают вышерасположенный блок 2 из пеностекла и приступают к его фиксации вместе с нижерасположенной и армирующей стекло сеткой 3, для чего сетку прорезают и одевают на полку 7 кронштейн 6 до прижатия к блокам 2. Чтобы надежно зафиксировать такое положение блоков 2, через паз нужно надеть шайбу 8, повернуть на 900, а затем переместить по пазу вниз до его окончания. Затем процесс монтажа блоков 2 и сетки 3 аналогичным образом распространяется вдоль и вверх стены 1. С некоторым отставанием от монтажных работ устраивается цементно-песчаная штукатурка 4, полностью скрывающая элементы утепления, крепления и ее армирования.

Как альтернатива облицовке мелкоштучными стеновыми блоками из пеностекла дальнейшего развития требует и традиционная технология «мокрой» штукатурки с использованием сухих штукатурных смесей с заполнителем в виде гранул, песка или щебня. Эти работы предлагается выполнять как с предварительным провешиванием поверхностей и устройством растворных марок и маяков ([20], рис. 2), так и с установкой и выверкой инвентарных маяков из оцинкованной стали.

Для повышения надежности и точности регулирования, сокращения трудоемкости и продолжительности работ, а также повышения качества данного процесса предложен усовершенствованный способ установки и выверки маячно-штукатурного уровня при устройстве маяков. Сущность предложенного инструмента поясняется на рис. 2, где слева показан общий вид штукатурного уровня, а справа – его разрез 1-1, иллюстрирующий установку и регулировку положения этого уровня на стене.

Правило-уровень может быть выполнен в виде отрезка легкой трубы 1 прямоугольного сечения. Вблизи концов этой трубы устроены отверстия 2 большего диаметра и меньшего 3. Через данные отверстия установлен винт 4. На нем, внутри трубы 1, смонтирована пружина 5 таким образом, что один ее конец выходит наружу, а другой опирается на противоположную внутреннюю стенку трубы. Около середины правила 1 прикреплена обычная ампула-уровень 6. В стене 7, на которую предстоит наносить штукатурный раствор, предварительно просверливаются отверстия 8, забивают пробки 9, а в них закрепляют винты 4. Последующим их вращением в двух направлениях правило 1 приводится в вертикальное положение, которое контролируется с помощью ампулы-уровня 6. Таким образом рейка-правило 1 фиксируется на стене 7 на технологически необходимое время. В это время пространство между стеной 7 и правилом 1 заполняют строительным раствором, в том числе с пеностекольным заполнителем, после твердения которого и образуется маяк, необходимый для дальнейшего качественного оштукатуривания требуемой толщины.

Трудоемкость и сроки подготовительных работ можно также существенно снизить при использовании вместо растворных маяков специальных профилей из оцинкованной стали или других материалов, оригинальным способом закрепляемых и выверяемых на поверхности стены ([21], рис. 3).

В случае необходимости дополнительного штукатурного утепления стен толщиной более 50 мм перспективным представляется использование съемных разборно-переставных опалубочных систем, устанавливаемых, выверяемых и временно закрепляемых на этой стене при помощи анкерных устройств (рис. 4). Смесь приготавливается в смесительно-насосном агрегате и по шлангу подается в вертикальную полость, где уплотняется и твердеет. После чего производится распалубка и щиты перемещаются на вышележащий ярус бетонирования. Слабоизученным до сих пор остается вопрос подбора оптимального состава смеси с заданными теплотехническими и прочностными свойствами дополнительно устраиваемого слоя утепления и отделки. Хотя известно, что конструкционно-теплоизоляционный бетон с плотностью порядка 1000 кг/куб. м на основе гранул пеностекла оказывается вполне конкурентоспособным по отношению к аналогичному керамзитобетону [22].

В пользу устройства дополнительного защитно-отделочного слоя на основе монолитного бетона из гранул пеностекла следует отнести тот факт, что в процессе такой термомодернизации существующих гражданских зданий решается проблема разгерметизации стыков панельных конструкций. Под новой монолитной облицовкой можно скрыть (в случае необходимости) стальные или пластиковые элементы усиления конструкций реконструируемых объектов. Преобразится и внешний облик малопривлекательной застройки 60-70-х годов прошлого столетия.

Для сравнения вариантов утепления с устройством традиционной «скрепленной» системы теплоизоляции плитами из пенополистирола и системы теплоизоляции блоками из пеностекла для одного и того же объекта (десятиэтажного жилого дома в г. Феодосия при работе с навесных люлек) магистром Лесниковой Е.И. были запроектированы технологические карты с определением удельных технико-экономических показателей. Конечная стоимость устройства утепления фасада из пенополистирольных плит на рассмотренном доме ожидаемо оказалась ниже себестоимости утепления блоками из пеностекла из-за высокой стоимости самого материала и комплектующих, а трудоемкость, наоборот, выше (табл. 1).

Таблица 1. Результаты экономического сравнения рассмотренных вариантов утепления и отделки в расчете на 100 м² фасада десятиэтажного жилого дома в г. Феодосия

Наименование показателей	Единицы измерения	«Скрепленная» теплоизоляция из пенополистирола	Теплоизоляция блоками из пеностекла
Стоимость материалов	руб.	128 964	194 268
Стоимость производства работ	руб.	100 394	52 017
Общая стоимость	руб.	229 358	246 285
Трудоемкость единицы продукции	чел.-дней/м2	0,57	0,4

Но при этом совсем не учитывались другие характеристики конкурирующих вариантов, важнейшими из которых, безусловно, являются долговечность будущей эксплуатации, пожаробезопасность и экологичность используемых материалов, а также их изготовления. Частично разрешить отмеченное противоречие можно сравнением вариантов технологии по известному методу профилей и радаров, хорошо зарекомендовавшей себя в машиностроении [23]. «Профиль» позволяет разноразмерные показатели конечной продукции графически представить на одном оценочном поле и объединить их интегральным показателем, который определяется соотношением площадей «профиля» и оценочного прямоугольного поля. Каждый из отобранных показателей оценивался по пятибалльной системе и фиксировался на этом поле и в полярных координатах (рис. 5).

Из результатов следует, что технология утепления наружных стен блоками из пеностекла при помощи крепежа из пластика имеет более высокий интегральный показатель конкурентоспособности с учетом ее эксплуатационных качеств. Она, безусловно, имеет свою рациональную область применения, которую можно уточнить еще и с учетом результатов экспертной оценки весомости каждого из включенных в модель составляющих.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

Таким образом, обоснованы и в комплексе представлены усовершенствованные конструктивно-технологические системы утепления и отделки наружных стен, существующих и строящихся гражданских зданий с использованием мелкоштучных изделий и монолитной штукатурки из пеностекла. Хотя себестоимость устройства предложенных конструктивно-технологических систем существенно выше по сравнению с традиционными (на основе пенополистирола и минеральной ваты), они становятся вполне конкурентоспособными с учетом факторов экологичности, долговечности, а также огнестойкости и технологичности производства отделочно-изоляционных работ. Отметим целесообразность применения предложений при реконструкции существующих гражданских зданий, имеющих дефекты стыков стеновых панелей, необходимость усиления конструкций наружных стен. Монолитная штукатурка позволит скрыть и отремонтировать указанные признаки износа для последующей долговременной эксплуатации реконструируемых объектов. Представленные конструктивно-технологические приемы можно использовать и при устройстве монолитных стяжек полов и кровель изделиями из пеностекла. Обращаем внимание и на решаемую таким путем проблему утилизации стекольного боя, актуальную как для Крыма [24], так и других регионов России.

Библиографический список

1. Технико-экономическая оценка термомодернизации жилых зданий /Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 182 с.
2. Ресурсозбереження в технології влаштування та відновлення властивостей зовнішніх стін цивільних будівель: Навчальний посібник /В.Т. Шаленний, А.М. Березюк, І.Ф. Огданський, К.Б. Дікарев, А.О. Скокова. – Дніпропетровськ: «Акцент ПП», 2014. – 264 с.
3. Минько Н.И., Пучка О.В., Евтушенко Е.И., Нарцев В.М., Сергеев С.В. Пеностекло – современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал // Фундаментальные исследования. 2013. №6. С. 849-854.
4. Шелихов Н.С., Рахимов Р.З. Производство и применение пено­стекла в тепловой изоляции: учебное пособие / Н.С. Шелихов, Р.З. Рахимов – Казань: Издательство Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2016. – 331 c.
5. Шаленный В.Т., Мороз В.В. Возможность сокращения сроков окупаемости инвестиций в энергосбережение путем учета и совершенствования и других ресурсосберегающих мероприятий при реконструкции //Строительство и реконструкция. 2016. №6(67). С. 108-115.
6. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» //Жилищное строительство. 2011. №8. С. 2-6.
7. Горшков А.С., Ливчак В.И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям //Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. №3(30). С. 3-30.
8. Горшков А.С., Ватин Н.И., Рымкевич П.П., Кудревич О.О. Период возврата инвестиций в энергосбережение //Инженерно-строительный журнал. 2018. №2(78). С. 65-75.
9. Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. Анализ влияния изменения временных условий на экономическую эффективность термомодернизации группы жилых зданий //Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2016 году. Сборник научных трудов РААСН. – Москва, 2017. С. 191-202.
10. Езерский В. А. Последовательность термомодернизации жилых зданий и ее влияние на экономическую эффективность /В.А. Езерский, П.В. Монастырев, Р.Ю. Клычников //Жилищное строительство. 2015. №6. С. 27-31.
11. Бакрунов Г.А., Вытчиков А.Ю., Полонский В.М. Особенности расчета расхода тепла на отопление энергоэффективных зданий //Технологии, материалы, конструкции в строительстве. 2003. №5(15). С. 33-39.
12. Горин В.М., Токарева С.А., Вытчиков Ю.С. Современные ограждающие конструкции из керамзитобетона для энергоэффективных зданий //Строительные материалы. 2011. №3. С. 34-36.
13. Ватин Н.И., Немова Д.В. Повышение энергоэффективности зданий детских садов //Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. №3. С. 52-76.
14. Романенко Т.Н., Федоркин С.И., Шаленный В.Т. Утепление ограждающих конструкций: Монография /Романенко Т.Н., Федоркин С.И., Шаленный В.Т.; Под редакцией Шаленного В.Т. – «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH, Am Gestade 1, 1010 Vienna, Austria, 2016. – 365 с.
15. Пат. № 162256 U1, Российская Федерация, МПК E04В01/76, Е04F13/75 (2006.01). Система теплоизоляции стеновых конструкций /Т.Н. Романенко, В. Т. Шаленный, Е.И. Лесникова. – ­заявка №2015154841/03. – Заявл. 21.12.2015; опубл. 10.06.2016, Бюлл. №16.
16. Чебышев М.В. Конструктивные особенности вентилируемого ­фасада с утеплителем из пеностекла //Жилищное строительство. 2015. №7. С. 27-28.
17. Долговечность ограждающих и несущих конструкций каркасно-панельных зданий серии 1-335АС в условиях г. Сочи /Е.Е. Юрченко, Е.А. Юрченко, А.А. Какосьян, С.А. Кирия //Материалы IХ междунар. науч.-практич. конф. «Строительство в прибрежных курортных регионах», – 23-27 мая 2016 г. – Сочи: РИЦ ФГБОУ ВО «СГУ». 2016. С. 103-107.
18. Пат. № 175267 U1, Российская Федерация, МПК Е04Н9/00. Войсковое фортификационное сооружение для Заполярья /Г.И. Тыцкий, А.В. Широков и др. – Заявл. 01.08.2017; опубл. 29.11.2017, Бюлл. №34.
19. Nikiforova Tatiana. Methods and results of experimental researches of thermal conductivity of soils /Nikiforova Tatiana, Mykola Savytskyi, Karim Limam, Walter Bosschaerts, Rafik Belarbi //Energy Procedia, 2013. – Volume 42. – Pages 775–783 (Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021301847X?np=y).
20. Тепловая изоляция ограждающих конструкций зданий и сооружений с использованием материалов из пеностекла. Технический кодекс установившейся практики. – Минск, 2006. – 97 с.
21. Герман А.С., Шаленный В.Т., Чубукчи Э.С., Тупицын Д.А. Развитие технологии мокрой штукатурки стен путем создания нового инструмента для провешивания поверхностей и установки маяков //Строительство и техногенная безопасность. 2013. №46. С. 81-84.
22. Пат. № 151746, Российская Федерация, МПК F16B 13/00 (2014.01) Устройство для крепления маячкового профиля /В. Т. Шаленный, Э. С. Чубукчи, Д. А. Тупицын. — патент № 89517 (UA); опубл. 10.04.2015, Бюлл. №10.
23. Семейных Н.С., Сопегин Г.В., Федосеев А.В. Оценка физико-механических свойств пористых заполнителей для легких бетонов //Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 2 (113). С. 203-212.
24. Фасхиев Х.А. Оценка экономической эффективности качества и конкурентоспособности изделий / Х.А. Фасхиев //Вестник машиностроения. 2000. №10. С. 59-66.
25. Шаленный В.Т. О целесообразности создания в Крыму цикла переработки отходов стекла в пеностекло – экологически чистый и долговечный утеплитель /XXII международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы инновационного развития экономики», г. Алушта, 10-16 сентября 2017 г. / ­Издательство «Отечество»: Казань – Симферополь – Алушта, 2017. С. 392-397.