Монтажные швы. Системы монтажа. Сертификация в оконной индустрии РФ

Глава 6. Эффективная толщина слоя нанесения герметика Стиз А

В 2002 году вышла в свет первая версия ГОСТ 30971, который нормирует параметры, технологию выполнения узлов примыкания и применяемые для этих целей материалы и комплектующие. Комплекс требований к материалу наружного слоя монтажного шва, изложенных в этом ГОСТе, был новым для нашей компании – такого материала в архиве наших химиков-разработчиков еще не было. Причем буквально все свойства «по отдельности» уже были освоены в практике технологической службы, но – не вместе. А относительно паропроницаемости герметика ГОСТ даже не поставил нам задачу. Дело в том, что стандарт нормировал требования к конструкции, а не к материалам для ее изготовления, и перевод требований на язык материаловедов (так называемая межотраслевая трансляция норм) оказался осложненным описанными ниже обстоятельствами.

Как известно, сопротивление паропроницанию слоя герметика СП есть отношение толщины нанесенного слоя Т и паропроницаемости материала П:

Поскольку сопротивление паропроницанию слоя было задано ГОСТ (не менее 0,25 Па∙м²∙ч/мг), то задача поиска требуемой паропроницаемости материала сводилась к поиску наибольшей толщины слоя, которая может получаться при монтаже. Размерная цепь толщины слоя состоит из трех звеньев:

– допустимая по эксплуатационным соображениям минимальная толщина слоя,

– технологический допуск толщины при нанесении герметика,

– геометрия опорной поверхности.

Минимальная толщина. Герметик Стиз А наносится на монтажную пену. Известно, что поверхность монтажной пены во время эксплуатации зачастую покрывается трещинами из-за деформаций слоя пены. Эти трещины работают как концентраторы напряжений для поверх уложенного слоя герметика, приводя к его разрыву. Однако при достаточно большой толщине герметика разрывы в нем развиваться не будут. Испытания в наших лабораториях и в ГУП «НИИМосстрой», а также многолетняя практика применения показали, что минимальная толщина слоя герметика, при которой не происходит разрушения герметика из-за трещин в пене, составляет 3 мм⁹. Это же значение появилось впоследствии и в ГОСТ 30971—2012 в п.А.2.4.

Технологический допуск толщины нанесения находили в повседневной практике – потребителей герметиков у нашей компании всегда было много, и работа с ними велась постоянно. При поездках на объекты наши менеджеры и специалисты просто проверяли, какие отклонения в толщине слоев получаются в обычных условиях у обычных рабочих- герметчиков в разных местах применения. Поскольку условия при обработке монтажного шва – весьма стесненные как для нанесения материала, так и для контроля его толщины, то критерием для выбора допуска приняли высокую вероятность попадания в размер: чтобы и работать было легче, и контролировать. Оказалось, что с вероятностью практически 100% колебания толщины слоя после отверждения герметика не превосходят 1,5 мм.

Геометрия опорной поверхности. Герметик наносят на подрезанную монтажную пену, при этом герметик частично заполняет открытые поры пены. Соответственно, парообразной влаге в области заполненной герметиком поры необходимо преодолеть более толстый слой герметика для выхода из пены, чем в области вне поры. Это приводит к дополнительному увеличению сопротивления паропроницанию нанесенного слоя герметика.

Чтобы учесть это явление, рассчитаем толщину плоского слоя герметика, имеющего такое же сопротивление паропроницанию, как исходный слой с выпуклостями в местах расположения пор, толщина b_o которого¹⁰ максимальна и равна 3 +1,5 = 4,5 (мм). Расчетную толщину плоского слоя будем называть эквивалентной (рис. 16).

Рисунок 16. Увеличение эквивалентной толщины слоя герметика на Δb из-за заполнения герметиком открытых пор пены

Согласно ГОСТ 25898 сопротивление паропроницанию образца обратно пропорционально потоку влаги, проходящей через него при определенном перепаде парциальных давлений пара, поэтому расчет будем проводить из условия равенства суммарных потоков пара через слой герметика исходной и эквивалентной толщины.

Поток пара Q определяется как масса пара Δm, проходящая через образец в единицу времени Δt. Поток зависит от толщины образца b и коэффициента паропроницаемости μ материала образца (1):

где ΔP – это перепад парциального давления пара, вызывающий перенос влаги, S – площадь образца.

Поток Q_п через слой герметика исходной толщины представим как сумму потока в местах расположения пор Q_п/п и потока вне пор Q_п/в. Из (1) поток Q_п/в вне пор равен:

где S – это общая площадь рассматриваемого слоя герметика, ∑ S_øi – это сумма площадей сечения пор, получаемых при подрезе пены.

Для оценки значения ∑ S_øi рассмотрим модель пены, поры которой на срезе диаметром 90 мм имеют распределение по размерам, как указано в табл. 2. Данная модель, как мы покажем далее, является оценкой «сверху».

Таблица 2. Распределение открытых пор на срезе пены в принятой расчетной модели

Общую площадь сечения пор можно рассчитать, суммируя площади сечения пор разного размера с учетом их количества (2) :

где N_i – количество пор с радиусом r_i, ρ_i = N_i /S – плотность распределения пор с радиусом r_i по образцу.

Для удобства расчета потока пара в местах расположения пор Q_п/п будем считать, что все открытые поры имеют форму половин шара. Поток через фрагмент слоя такой формы приближенно (без учета поперечного переноса пара) рассчитаем, просуммировав значения потоков dQ через бесконечно тонкие трубки с сечением радиуса x и толщиной стенок dx (рис. 17).

Рисунок 17. Схема расчета потока пара через фрагмент слоя герметика с выпуклостью в области расположения поры

где dS – площадь поперечного сечения трубки, b – ее высота, b_o = 4,5 мм – максимальная толщина слоя герметика после усадки (равная сумме минимальной толщины 3 мм и допуска нанесения 1,5 мм), r – радиус поры, α – угловое положение нижнего кольцевого края трубки.

Тогда для общего потока через фрагмент с порой, выполнив интегрирование по угловому положению кольцевого края трубки α, получаем:

Суммарный поток Q_п/п через все фрагменты с порами разного размера с учетом (2) составит:

Согласно (1), поток пара через эквивалентный плоский слой герметика равен толщиной b_экв равен:

Приравнивая поток пара Q_п = Q_п/п + Q_п/в через слой герметика в случае нанесения на подрезанную пену и поток пара Q_экв через эквивалентный плоский слой герметика, получим выражение для эквивалентной толщины:

При принятой выше модели распределении пор величина b_экв составила 5 мм, что на ∆b = 0,5 мм больше максимальной толщины нанесения, измеряемой после усадки. Именно эти 0,5 мм необходимо «добавить» к максимально допустимой толщине для проведения испытаний на сопротивление паропроницанию слоя герметика.

Таким образом, мы установили, что герметик Стиз А должен обладать такой паропроницаемостью, чтобы слой толщиной 5 мм (3+1,5+0,5=5) удовлетворял требованию ГОСТ 30971 по сопротивлению паропро- ницанию наружного слоя, что и было введено как технический показатель качества в Технические условия. При этом важно отметить, что наносить герметик такой толщиной не надо! Толщина нанесения герметика, измеряемая после усадки, должна составлять 4,5_—1,5 мм. Толщина 5 мм «появляется» только при испытании на сопротивление паропроницанию.

Обоснование принятых выше геометрических размеров

Обоснуем допустимость принятой выше системы геометрических размеров образца пены и распределения пор в образце. Для этого сравним использованную в расчете модель с реальными монтажными пенами.

Производители монтажных пен разделяют пены на бытовые (имеющие множество пор больших диаметров) и профессиональные (с малыми размерами пор). Для выполнения работ по монтажу окон рекомендуется использовать профессиональные пены, так как их «выход» из баллона больше, а вторичное расширение и усадка меньше. Мы сравним использованную в расчете модель с образцами бытовых пен, потому что если наша расчетная модель окажется более «жесткой» в этом сравнении, то ее тем более можно использовать для сравнения с профессиональными пенами.

Был изготовлен эскизный макет (рис. 18, 19) использованной в расчете модели. Также были изготовлены образцы подрезанных монтажных пен (рис. 20, 21, 22) с такими же геометрическими размерами, что и в использованной в расчете модели – диаметром 90 мм, по размеру имеющейся опалубки. Фотографии образцов пен наглядно показывают, что использованная в расчете модель имеет более высокую плотность распределения и большие диаметры пор, чем реальные бытовые пены (при условии соблюдения указаний производителя по эксплуатации). Таким образом, использование для расчета вышеописанной модели обоснованно.

Рисунок 18. Заготовка макета с использованными в расчете геометрическими размерами. Радиус 0,5 мм не использован

Рисунок 19. Бумажный макет использованной в расчете модели. «Поры» с радиусом 1, а также часть «пор» с радиусом 2 не размещены на «образце» пены

Рисунок 20. Срез образца бытовой пены №1. Диаметр образца 90 мм

Рисунок 21. Срез образца бытовой пены №2. Диаметр образца 90 мм

Рисунок 22. Срез образца бытовой пены №3. Диаметр образца 90 мм

Глава 7. Использование понятия «сопротивление паропроницанию» в процессе устройства монтажного шва

Акриловые герметики нашего производства (Стиз А и Стиз В) выделяются среди других герметиков для монтажа окон. В том числе – своей ценой. Более высокая цена – это плата за их характеристики: во-первых, удовлетворяющую требованию ГОСТ 30971 долговечность в 20 условных лет, а во-вторых, удовлетворяющие тому же ГОСТ значения сопротивления паропроницанию на рабочих толщинах. И если долговечность обычно вопросов не вызывает, то про сопротивление паропроницанию стоит поговорить подробнее.

Сопротивление паропроницанию – это характеристика, которая показывает, насколько сильно изделие «сопротивляется» проникновению парообразной влаги сквозь него. Для чего она указана в ГОСТ 30971? Требование по сопротивлению паропроницанию установлено, чтобы обеспечить долговечную работу монтажного шва. Объясним. В монтажном шве теплоизолятор (пена) должна быть защищена от влаги: вода имеет в 20 раз больший коэффициент теплопроводности, поэтому, попадая в пену, резко ухудшает ее свойства. Наши испытания показывают, что набор пеной воды в количестве 13% по массе приводит зимой к снижению температуры на внутренней стороне шва на 10 °С (по сравнению с сухим швом). Понятно, что даже 1% влаги в пене повысит ее коэффициент теплопроводности, поэтому температура на внутренней стороне даже такой, слегка намокшей пены будет зимой меньше, чем у сухой пены. Но вряд ли температура на шве снизится в этом случае так, чтобы это было заметно. А 10 градусов заметны будут. Поэтому 13% мы считаем критическим уровнем влагосодержания¹¹.

Как именно вода может попасть в монтажную пену? Во-первых, во время дождя, поэтому снаружи пену закрывают гидроизоляционным слоем. Во-вторых, в пене может конденсироваться влага, содержащаяся в воздухе, поток которого в зимнее время направлен из помещения на улицу (так как абсолютная влажность помещения зимой всегда выше, чем на улице). Чтобы существенно уменьшить этот эффект, изнутри пену закрывают пароизоляционным слоем. В-третьих, влага может попасть в пену из стены: если в ней есть микротрещины, то во время дождя влага из намокшей стены будет через эти микротрещины попадать в пену. Оконные компании обычно не занимаются восстановлением стеновых проемов, и даже если занимаются, то это не гарантирует отсутствие таких трещин, ведь они могут появиться во время эксплуатации здания. Впрочем, монтажная пена быстро высыхает – в среднем за 4 дня, если ничто не препятствует ее высыханию. Поэтому наружный слой делают таким, чтобы он не «сопротивлялся» испарению влаги из пены, то есть имел низкое сопротивление паропроницанию. Согласно п. А.2.2 ГОСТ 30971—2012 необходимо, чтобы наружный слой имел значение сопротивления паропроницанию не более 0,25 Па∙м²∙ч/мг.

Важно отметить, что сопротивление паропроницанию слоя материала прямо пропорционально толщине этого слоя (так как при увеличении толщины слоя парообразной влаге надо преодолеть большее расстояние). Поэтому изменяя толщину наружного слоя, можно получить выполнение условия «не более 0,25 Па∙м²∙ч/мг» на любом материале. Другими словами, для каждого материала существует своя собственная максимально допустимая толщина нанесения. Как было показано в предыдущей главе, для герметика Стиз А максимально допустимая толщина нанесения составляет 5 мм. Ближайший к нам конкурент, исходя из имеющихся на оконном рынке заключений независимых лабораторий, имеет на толщине 5 мм значение сопротивления паропроницанию, равное 0,5 Па∙м²∙ч/мг, то есть, с учетом прямо пропорциональной связи сопротивления слоя и его толщины (подробнее – в Главе 8), максимально допустимую толщину, равную 2,5 мм¹². Формально, это не удовлетворяет требованию ГОСТ 30971. Но нас часто спрашивают: «И что такого? Что плохого может случиться?». Вопрос резонный, ведь сопротивление паропроницанию – это не масса или температура. Тела с разной массой или температурой легко отличить друг от друга, взяв их в руки. А как «пощупать» сопротивление паропроницанию? Мы подумали и нашли способ.

Сопротивление паропроницанию слоя наружного герметика показывает, по сути, скорость высыхания монтажной пены, которую этот слой закрывает со стороны улицы. Значит, эту скорость высыхания и надо замерить. Мы подготовили несколько образцов монтажных пен, промочили их до максимального влагосодержания и поместили в пароизоляционные контуры. Первую группу образцов закрыли сверху слоем Стиз А (рис. 23).

Рисунок 23. Схема образца для испытаний

Вторую – закрыли слоем конкурентного материала с максимально допустимой толщиной нанесения в 2,5 мм (назовем его для удобства

«строительным акрилом»), при этом наносили его тоже толщиной 5 мм. Третью группу образцов не стали ничем закрывать. Далее измеряли скорость высыхания образцов пены (табл. 3).

Таблица 3. Зависимость влагонакопления в монтажной пене от времени

Существенна ли полученная разница? Чтобы ответить на этот вопрос, построим графики (рис. 24) высыхания образцов пен и посмотрим, за какое время они высохнут до критического уровня влагосодержания, который был выбран нами равным 13%.

Рисунок 24. Зависимость влагосодержания в монтажной пене от времени

Мы видим, что оставленная открытой пена высыхает до критического уровня влагосодержания через 6,1 дня после начала испытаний. Пена, закрытая Стиз А – через 9,4 дня, а пена, закрытая строительным акрилом – через 15,6 дней. А что это означает для реальной эксплуатации герметиков? Рассмотрим такой случай: установлены окна, в стене есть микротрещины, в ноябре пошел дождь, и пена промокла. А через 10—12 дней температура опустилась сильно ниже 0 °С. Тогда если пена была закрыта Стиз А – проблем нет¹³. А если строительным акрилом – то проблемы у жильцов будут, так как шов промерзнет. Вот такую разницу уже можно «пощупать». Добавим сюда разную долговечность герметика (у Стиз А она подтверждена, например, независимым испытанием в ГУП «НИИМосстрой», выполненным при условии свободной¹⁴ выборки образцов для испытаний) и получим ответ, почему Стиз А дороже обычных акрилов. Мы полагаем, что повышенная вероятность промерзания шва и его пониженная долговечность (а значит, и пониженный срок эксплуатации всего окна) не стоит экономии 20—30 рублей на одном окне (то есть всего 0,2—0,3% от его стоимости при цене в 10 000 руб.). Поэтому мы никогда не производили и не будем производить более дешевые акрилы, не имеющие необходимые по ГОСТ 30971 долговечность и сопротивление паропроницанию на рабочей толщине слоя. И что-то нам подсказывает, что клиенты оконных компаний – жильцы квартир и домов, в которых устанавливают окна эти компании – согласились бы доплатить дополнительные 20—30 рублей на окне, если бы поняли, за что именно они доплачивают.

Глава 8. Взаимосвязь толщины слоя нанесения герметика и показателя сопротивления паропроницанию

При установке оконного блока крайне важным этапом является обеспечение сопряжения окна со стеновым проемом. Действительно, в полученной конструкции этот элемент сопряжения, называемый монтажным швом, считается самой проблемной зоной: с ним связано до половины всех рекламаций по работе окна.

Вообще, ГОСТ 30971 «Швы монтажные узлов примыканий оконных блоков к стеновыми проемам» задает требования к различным элементам монтажного шва. В том числе и к наружному слою. Например, он должен быть водонепроницаемым при определенном давлении воды, иначе при сильном дожде под давлением ветра влага попадет внутрь шва. Еще он не должен препятствовать естественному движению пара изнутри наружу, а для этого материал наружного слоя должен быть паропроницаемым. Но в ГОСТ прописано требование не к материалу наружного слоя, а именно к самому слою: наружный слой должен иметь сопротивление паропроницанию не более 0,25 Па∙м²∙ч/мг. Вот тут и возникает основная путаница. Чем же отличаются эти параметры?

Обратимся к ГОСТ 25898—2020 «Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию», на который ссылается ГОСТ 30971 в вопросе паропроницаемости. Согласно п.2.2 этого ГОСТ паропроницаемость материала – это величина, численно равная отношению толщины образца материала к сопротивлению паропроницанию, измеренному при установившемся стационарном потоке водяного пара через этот образец. Проще говоря, паропроницаемость характеризует материал следующим образом: если паропроницаемость материала высокая, то он легко пропускает сквозь себя пар. Если же паропроницаемость низкая, то он плохо пропускает сквозь себя пар. Например, у минеральной ваты паропроницаемость равна 0,6 мг/Па∙м∙ч, а у рубероида – 0,001 мг/Па∙м∙ч. Соответственно, минеральная вата за одно и то же время пропустит при прочих равных условиях в 600 раз больше водяного пара, чем рубероид. Под прочими равными условиями согласно определению выше понимаются разность парциального давления водяного пара у противоположных сторон образца, температура воздуха, площадь и, что особенно важно для нашего разговора, толщина образца. Толщина, как мы увидим дальше, и отличает паропроницаемость от сопротивления паропроницанию. Но для начала стоит определиться, что же такое сопротивление паропроницанию.

Согласно п.2.3 ГОСТ 25898—2020 сопротивление паропроницанию изделия – это величина, численно равная разности парциального давления водяного пара у противоположных сторон изделия с плоскопараллельными сторонами, при которой через площадь изделия, равную 1 м², за 1 ч проходит 1 мг водяного пара при равенстве температуры воздуха у противоположных сторон слоя. Отметим, что это уже характеристика не материала, а слоя материала. Она показывает, насколько сильно слой материала «сопротивляется» движению паров воды сквозь него. И чем больше толщина слоя, тем больше его сопротивление паропроницанию.

Обратим внимание, что в приведенном определении, в отличие от определения паропроницаемости, ничего не сказано про толщину. В самом деле, толщина слоя является непосредственной характеристикой слоя. Например, слой минеральной ваты в 10 см будет в 10 раз сильнее «сопротивляться» движению паров воды, чем слой в 1 см. И при этом слой минеральной ваты в 10 см за одно и то же время при прочих равных условиях¹⁵ пропустит в 10 раз меньше пара, чем слой в 1 см. Буквально то же самое (с другими цифрами, разумеется) мы говорили при сравнении рубероида и минеральной ваты. То есть сопротивление паропроницанию – это та же паропроницаемость, только отнесенная к толщине. И действительно, согласно п.7.4 ГОСТ 25898—2020 сопротивление паропроницанию R вычисляется как толщина слоя b, деленная на паропроницаемость μ:

Из вышесказанного можно сделать один важный вывод: некорректно указывать сопротивление паропроницанию слоя материала без указания толщины слоя, так как регулируя толщину слоя, можно получить на нем любое сопротивление паропроницанию.

Например, если бы можно было использовать в качестве материала для наружного слоя монтажного шва минеральную вату (но, конечно же, этого делать нельзя!), то при всей ее очевидной проницаемости для пара мы бы получили не удовлетворяющий по ГОСТ 30971 наружный слой монтажного шва, в случае если толщина слоя минваты была бы более 15 см. С другой стороны, слой рубероида толщиной менее 0,25 мм удовлетворил бы требованию ГОСТ 30971 по сопротивлению паропроницанию.

Еще более некорректно говорить о сопротивлении паропроницанию герметика (рис. 25): можно говорить либо о сопротивлении паропроницанию слоя герметика, либо о паропроницаемости герметика. К сожалению, фраза «сопротивление паропроницанию герметика» пока еще встречается в описаниях свойств материалов у некоторых производителей. Учитывая, кто и в каких случаях «забывает» сказать про толщину, мы полагаем, что причина такой забывчивости – желание скрыть несоответствие своего материала ГОСТ по этому показателю на разумных толщинах материала. Дело в том, что чем меньше толщина слоя такого материала, тем меньше его способность деформироваться без разрыва, то есть тем меньше его долговечность! Чтобы узнать, корректна ли информация о герметике, необходимо проверить, на какой толщине проводились испытания на долговечность (это есть в протоколах испытаний материала), и сравнить ее с толщиной образцов для испытаний на сопротивление паропроницанию (если, конечно, получиться «вытянуть» из производителя эту информацию).

Кроме уменьшения срока службы, есть еще одна проблема с использованием герметиков малой толщины: их попросту не получится наносить столь тонким слоем на практике! Как мы уже обсуждали в Главе 6, герметик часто наносят на поверхность подрезанной пены, а в ней ГОСТ 30971—2012 допускает поры диаметром до 6 мм, которые при нанесении герметика практически полностью им заполняются. Поправка на образующийся рельеф слоя в пересчете на плоский слой увеличивает его эффективную толщину на 0,5 мм, что будет сводить на нет усилия по выполнению паропроницаемого шва при использовании малопроницаемых герметиков. Кроме того, погрешность толщины слоя герметика при изготовлении шва «в промышленных масштабах» достигает 1,5 мм. Поэтому для получения слоя не более, например, 3 мм придется «обойтись» практически миллиметровой минимальной толщиной слоя, что, конечно же, недопустимо.

Рисунок 25. Пример некорректного заключения