Монтажные швы. Системы монтажа. Сертификация в оконной индустрии РФ

Глава 13. О вогнутом шве герметика. С «умными» формулами

В предыдущей главе мы продемонстрировали, что менискообразная форма шва вызывает чрезмерное растяжение в центральной тонкой части шва. Деформация герметика в этом опасном сечении будет больше той, которой подвергается сам шов и на которую рассчитан герметик. Мы указали, что «без всяких „умных“ формул» разрушается «привычное представление о преимуществах вогнутого шва» и отметили, что «тезис про вогнутость еще проще опровергается с помощью „умных“ формул». Итак, приведем строгий расчет для доказательства нашей позиции.

Постановка задачи

В данном случае деформацию слоя герметика мы будем оценивать через его относительное удлинение. В практике это понимается как отношение изменения ширины шва к первоначальной ширине. Назовем это отношение «кажущейся деформацией» шва. При неравномерной толщине шва – например, при исполнении шва в форме «мениска» – отдельные его части будут испытывать разную деформацию. Поэтому уместно ввести понятие «истинной деформации» шва как деформации опасного сечения. Если истинная деформация больше кажущейся деформации, то это отличие важно учитывать при проектировании и исполнении монтажных, фасадных и других строительных швов. Таким образом, цель данного расчета состоит в оценке отношения истинной и кажущейся деформации для менискообразного шва.

Расчет

Исходя из рекомендаций для конструкционных швов (см. рис.33) примем, что ширина шва L в два раза больше минимальной толщины h слоя (3):

Локальную толщину H шва будем находить из формы кривой, которая определяет «мениск». Начало системы координат расположим в центре поперечного сечения шва, ось z направим вдоль ширины шва. Будем считать, что шов ограничен симметричными дугами окружностей некоторого радиуса R, что соответствует условию:

Тогда получаем уравнение верхней границы шва в виде:

С учетом (3) формула примет вид (4):

Мысленно разобьем шов на тонкие слои. Согласно закону Юнга относительное удлинение ε каждого слоев составляет (5):

где l – ширина рассматриваемого слоя шва, ∆l – его абсолютное удлинение, F – сила, растягивающая шов, σ – возникающее в данном слое напряжение, E – модуль Юнга, S – площадь поперечного сечения данного слоя, z – положение центра слоя во введенной системе координат, a – длина шва в направлении, перпендикулярном рисунку.

Рисунок 33. Типовая схема конструкционного шва

Удлинение шва ∆l_Σ складывается из удлинения его отдельных сечений, поэтому рассчитаем ∆l_Σ интегрированием локальных деформаций по ширине шва. Растягивающее усилие F для всех слоев шва одинаково, в противном случае происходило бы движение слоев под действием разницы сил натяжения, действующих на левые и правые стороны. При переходе к дифференциально малым слоям начальную ширину слоя l обозначим как dz:

где ∆l (z) – удлинение дифференциально малого слоя шва.

Подставляя полученное ранее выражение для толщины шва (4), получим:

Данный интеграл можно взять аналитически, выполнив сначала переход от интегрирования по z к интегрированию по углу φ (рис. 33), а затем универсальную тригонометрическую подстановку. Получим:

где

откуда

Из (5) следует, что максимальное относительное удлинение развивается в сечении с минимальной толщиной шва H (0) = h. В этом критическом сечении деформация составит (6):

Для шва постоянной толщины растяжение на ∆lΣ вызывает равномерное относительное удлинение всех слоев на (7):

Из (6) и (7) с учетом (3) искомое отношение истинной и кажущейся деформаций для шва в форме мениска составляет (8):

При R→∞ рассмотренный менискообразный шов превращается в шов равномерной толщины, а выражение (8) действительно становится равным единице. При уменьшении R выражение (8) растет, достигая максимума при минимально возможном R (9):

Тогда

Получается, что если заложить в проект деформацию монтажного шва в 15%, то при использовании «мениска» (с размерами, соответствующими (3) и (9)) истинная деформация будет равна 1,32 × 15% ≈ 20%. Таким образом, использование менискообразной формы шва увеличивает истинную деформацию и, следовательно, уменьшает срок службы шва. Насколько именно? Исследования на акриловых герметиках не проводились, но для полиуретановых герметиков, которые применяют в высокодеформативных швах, повышение амплитуды деформации в среднем пропорционально уменьшает срок службы герметика. Если для акриловых герметиков сохраняется такая же зависимость, то менискообразный монтажный шов при заданных параметрах прослужит на 25% меньше, чем плоский.

Выводы и лирическое отступление

Итак, с помощью «умных формул» мы подтвердили, что тонкое сечение при использовании менискообразной формы шва испытывает повышенные нагрузки. Отметим, что некоторые производители монтажных лент не оставляют попыток навязать использование забутовочных шнуров (а, значит, и «мениска») при использовании герметиков, потому что «так делают в Европе». Расчет показывает, что такая позиция неверна. Можно было бы предположить, что такое стремление вызвано единственно желанием упомянутых производителей получить конкурентное преимущество²², но мы считаем, что в данном случае это не так. Они попросту заблуждаются.

Глава 14. Как менискообразный профиль позволяет устранить концентрацию напряжений в угловых точках шва

Обеспечение долговечности монтажного шва требует не только высокого качества используемых материалов, но и оптимизации формы его профиля (поперечного сечения). В Главах 12—13 мы теоретически показали, что применение шва менискообразной формы, имеющего тонкую центральную часть, «шейку», приводит к повышенным деформациям и напряжениям в этой тонкой части.

При этом в практике применения «плоского» шва в других областях строительства подрядчики иногда замечают отрывы герметика от стенок (рис. 34). Обычно это объясняется некачественно проведенной работой по подготовке поверхности, из-за которой не развивается достаточная прочность сцепления герметика (адгезия).

Но недавно в результате проведенных нами экспериментальных испытаний на разрыв швов различного профиля мы обнаружили, что менискообразный шов может выдерживать даже большее относительное удлинение, чем шов равномерной толщины.

Для объяснения полученных экспериментальных результатов, а также выявления преимуществ и недостатков менискообразного шва мы выполнили расчетное моделирование процесса растяжения шва методом конечных элементов. Решалась двумерная задача. Ширина шва L была взята равной 20 мм, максимальная толщина шва H (у стенок) также равной 20 мм. Границы менискообразного профиля задавались как дуги окружностей, при этом величина мениска определялась отношением толщины шва в «шейке» h к максимальной толщине шва H (рис. 35):

Рисунок 35. Принятая форма шва: (а) без мениска; (б) с мениском

При моделировании растяжения профиль шва разбивался на множество (около 1500) четырехугольных элементов, которые видны на рис. 36, 37, 38. Были заданы параметры материала, в частности, коэффициент Пуассона был принят равным 0,5, что соответствует отсутствию изменения объема тела при его деформациях (это характерно для резиноподобных материалов). Далее задавалось условие смещения правой стенки на 10 мм вправо, то есть расстояние между стенками увеличивалось в 1,5 раза, и рассчитывалось соответствующее напряженное состояние шва. Исходная форма шва и его форма при растяжении в 1,5 раза для менискообраного шва с относительной толщиной «шейки» 0,5 показаны на рис. 36.

Для растянутого состояния шва цветом отображена величина локальной относительной деформации. В действительности полная информация о имеющихся деформациях шва может быть передана значениями тензора деформаций в каждой его точке. Тензор деформаций показывает относительное изменение длин сторон и изменение углов между ними для дифференциально малого кубика вещества, расположенного в рассматриваемой точке. Поскольку на рисунке одновременно можно визуализировать лишь одну скалярную величину, показано максимальное значение относительной деформации по главным осям тензора деформаций, то есть по тому направлению, по которому относительная деформация в рассматриваемой точке максимальна по модулю.

Из рис. 36 видно, что максимальные деформации для менискообразного шва возникли в «шейке» и составили 64%, хотя расстояние между стенками увеличилось лишь на 50%. То есть наличие мениска действительно приводит к повышению деформаций в центре шва.

А что же происходит для шва равномерной толщины, почему по экспериментальным данным его прочность ниже? Из рис. 37 видно, что для него величина деформаций в центре приблизительно соответствует изменению расстояния между стенками, однако существенная концентрация напряжений и деформаций наблюдается в угловых точках шва. Именно в этих местах и происходило разрушение шва в экспериментах. По расчету, относительная деформация в углах доходит до 88% (при увеличении расстояния между стенками на 50%). Таким образом, максимальные деформации для шва равномерной толщины в результате концентрации напряжений в углах оказались еще больше, чем для менискообразного шва в «шейке» (64%).

Рисунок 36. Менискообразный шов с относительной толщиной «шейки» 0,5: исходная форма и форма после растяжения в 1,5 раза

Рисунок 37. Те же данные для шва равномерной толщины

Повышенные деформации в угловых точках можно объяснить следующим образом. Для резиноподобных материалов объем при деформациях не меняется. Соответственно, при растяжении шва он стремиться сжаться по толщине, что, в частности, видно из расчетных форм растянутого шва. Шов равномерной толщины при растяжении становится тоньше в центре (рис. 37). Если бы шов мог скользить вдоль стенки, не отрываясь от нее, то после растяжения мы получили бы равномерно уменьшившийся по толщине шов. Однако края шва жестко соединены со стенкой, в результате возникают дополнительные усилия взаимодействия между материалом шва, стремящимся стянуться к его оси, и удерживающей его стенкой. Это и приводит к дополнительным напряжениям в угловых точках. Данный эффект будет тем интенсивнее, чем больше относительная толщина шва (отношение толщины к ширине).

Важно понимать, что наблюдаемое при испытаниях разрушение шва равномерной толщины в угловых точках не является следствием плохой адгезионной прочности соединения шва со стенкой. Причина разрушения в этих местах – значительная концентрация напряжений вблизи угловых точек.

Рассмотренный метод расчетного моделирования можно применить для оптимизации относительной толщины мениска шва. Целью оптимизации будем считать минимизацию максимального значения относительной деформации, возникающей в шве. Проведение расчетов при различных значениях относительной толщины «шейки» мениска показало, что ее оптимальное значение h̅ составляет около 0,85 (т.е. для шва с максимальной толщиной 20 мм толщина «шейки» должна составлять 17 мм). Соответствующие данные приведены на рис. 38. Видно, что при такой толщине «шейки» значение деформаций в центре шва и в угловых точках практически совпадают и соответствуют изменению расстояния между стенками.

Рисунок 38. Те же данные для шва с относительной толщиной «шейки» 0,85

Таким образом, применение шва равномерной толщины может приводить к снижению его прочности из-за значительной концентрации напряжений и деформаций в угловых точках шва. Эта концентрация напряжений может быть устранена путем использования менискообразного профиля шва. При этом достаточно, чтобы толщина центральной части шва была лишь немного (по расчету на 15—20%) меньше, чем у стенок. Дальнейшее уменьшение толщины «шейки» будет приводить к постепенному повышению максимальных деформаций в центральной части шва и снижению его прочности. В частности, к ухудшению долговечности определенно будет приводить использование для его проектирования формулы:

где А – минимальная толщина шва, B – ширина шва.

Кроме того, расчет показывает, что использовать шнуры из вспененного полиэтилена как подложку для нанесения герметика, например, в монтажном шве, нельзя. Возникающий из-за шнура мениск будет иметь чрезмерно малую толщину «шейки», что неизбежно скажется на эксплуатационных характеристиках такого шва.

В связи с вышеизложенным возникает вопрос – почему же в монтажном шве, который делают как раз плоским и с попытками применить в котором полиэтиленовые шнуры мы боремся последние 20 лет, не возникают разрывы, подобные тем, которые мы видим на рис. 34? На это есть две причины. Во-первых, нагрузки на слой герметика в монтажном шве определенно меньше, чем в фасадном шве. Во-вторых, в монтажном шве используются в основном акриловые герметики, усадка которых составляет около 15%. То есть форма их шва после усадки герметика как раз и будет идеальной для предотвращения чрезмерных нагрузок в центре шва или в его угловых точках (рис. 39).

Рисунок 39. Форма шва акрилового герметика в монтажном шве (h₀ – толщина плоского шва герметика до усадки, h₁ – толщина «шейки» шва после усадки). Стрелками показано направление усадки

Глава 15. Процесс полимеризации акриловых герметиков

В этой главе мы покажем особенности высыхания акриловых герметиков. Это будет важно для объяснения, зачем вместо Стиз В иногда используют Стиз PU.

Начнем с состава материала. Рецептура акрилового герметика состоит из трех основных элементов:

– дисперсия, которая обеспечивает эластичность материала, его «резиноообразность». Еще дисперсию называют «полимером» или «латексом». Дисперсия для акриловых герметиков состоит на 50% из воды;

– наполнитель (обычно мраморная крошка или мел), который создает «объем» герметика, определяет его физико-механические свойства и снижает его цену: без наполнителя герметик состоял бы, по сути, только из дисперсии, а она ощутимо дороже наполнителя;

– пластификатор, который работает как смазка: без него дисперсия «перетирается» о достаточно острый в таких масштабах наполнитель.

Процесс высыхания в учебниках описан следующим образом (рис. 40). «Полимерные частицы дисперсии сближаются и по мере испарения воды, контактируя друг с другом, образуют гель. На этой стадии резко повышается вязкость материала, содержание жидкой фазы не превышает 30%, а процесс носит обратимый характер, так как скорость испарения воды примерно постоянна и близка к скорости ее испарения со свободной поверхности. При дальнейшем испарении воды из пленки адсорбционно-гидратные оболочки на поверхности глобул разрушаются, капиллярное давление и поверхностное натяжение прижимают частицы друг к другу, сильно деформируя их. Частицы теряют шарообразную форму и принимают вид плотно уложенных многогранников; образуется так называемая „псевдопленка“. До этой точки хорошо видны границы деформированных частиц. На последней стадии полимерные цепи диффундируют через границы соприкосновения частиц. В результате межфазная граница ликвидируется, полимерные частицы коалесцируют в точках соприкосновения, образуя сплошную пленку».

То есть акриловой полимеризации как таковой на самом деле нет. Полимеризацией называют процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера), который происходит через многократное присоединение молекул низкомолекулярного вещества (олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. В случае же акрилового герметика пленка образуется, потому что теряется граница раздела между различными элементами зарождающейся пленки. Схематично процесс можно изобразить в таком виде:

Рисунок 40. Процесс формирования полимерной пленки

Что из этого следует? Следует то, что на скорость отверждения герметика влияют следующие факторы:

– толщина покрытия;

Чем больше толщина слоя герметика, тем дольше этот слой будет отверждаться, так как количество воды, испарение которой приводит к сближению полимерных частиц, в герметике прямо пропорционально толщине наносимого слоя.

– температура окружающего воздуха;

Увеличение температуры окружающего воздуха уменьшает время полного отверждения, так как ускоряется процесс испарения воды.

– тип подложки, на которую нанесен герметик;

Слой герметика, нанесенный на пористую подложку (бетон, кирпич, дерево), имеет меньшее время отверждения, чем слой герметика, нанесенный на непористую подложку (ПВХ, алюминий, стекло), так как пористые материалы способны впитывать влагу из герметика, ускоряя тем самым отверждение материала.

– влажность окружающего воздуха.

Чем выше влажность воздуха, тем меньшее количество пара он может принять. Поэтому при увеличении влажности воздуха время полного отверждения увеличивается. При относительной влажности, 100% отверждение герметика практически прекращается.

Из последнего следствия Читатель может сделать вывод, что в некоторых регионах РФ (например, в Москве или Санкт-Петербурге) работать с акриловым герметиком в период с октября по февраль не получится, так как в этот период относительная влажность воздуха долгое время держится в диапазоне 95 ÷ 100%. Это не так. Для ускорения процесса в этих условиях есть два способа.

Во-первых, некоторые производители уменьшают количество дисперсии. Логика простая: чем меньше дисперсии, тем меньше содержащейся в нем воды, а чем меньше воды, тем быстрее она испарится. Кроме того, при замене части дисперсии на наполнитель уменьшается стоимость конечного продукта. Но дисперсия отвечает за физико-механические свойства герметика (относительное удлинение, прочность при разрыве, стойкость к циклическим деформациям), то есть уменьшение ее количества приведет к уменьшению долговечности герметика. Поэтому обычно быстрее сохнут те акриловые герметики, которые в итоге и служат меньше. В итоге выигрывают производители работ, но те, кто с этими окнами потом живет, могут столкнуться с последствиями: промерзанием и/или продуванием шва. Так что при использовании первого способа ускорения процесса скорость высыхания и долговечность герметика являются в некоторой степени «конфликтующими» техническими показателями.

Разумеется, уменьшать количество дисперсии мы не стали (и не станем). Поэтому мы используем второй способ. Чтобы не предлагать своим потребителям выбирать между скоростью высыхания и долговечностью, наш исследовательский центр подобрал специальные вещества, которые обеспечивают достаточную скорость высыхания акриловых герметиков даже с высоким количеством полимера в нем. В результате увеличение скорости высыхания Стиз А и Стиз В не повлияло на их эксплуатационные характеристики.

Глава 16. Применение монтажных герметиков при высокой влажности

Одним из материалов для исполнения внутреннего слоя монтажного шва является Стиз PU. Это двухкомпонентный полиуретановый герметик, специально разработанный для применения внутри жилых помещений²³. По назначению и необходимым потребителю свойствам Стиз PU (рис. 41) совпадает с акриловым герметиком Стиз В. Основное отличие между ними заключается в скорости образования внутреннего пароизоляционного слоя монтажного шва узла примыкания оконного блока к стеновому проему по ГОСТ 30971.

Рисунок 41. Внешний вид упаковки Стиз PU

Известно, что многие акриловые герметики, и в их число входит герметик Стиз В, после нанесения довольно долго набирают эластичные свойства, что воспринимается потребителями как неудобство в использовании. Причиной этого является то, что акриловые герметики отверждаются за счет испарения влаги из материала. Скорость испарения, в свою очередь, зависит как от внешних факторов – например, влажности воздуха в области нанесения герметика – так и от паропроницаемости самого материала, то есть насколько быстро влага, содержащаяся в материале, может мигрировать из него к поверхности испарения. Таким образом, процесс набора эксплуатационных показателей слоя Стиз В оказывается сравнительно медленным из-за пароизоляционных свойств герметика и дополнительно тормозится высокой влажностью воздуха, особенно осенью и весной в «мокрых» регионах страны.

В герметике Стиз PU принципиально иной процесс отверждения герметика: возникает химическая реакция между двумя компонентами материала, которые смешиваются непосредственно перед применением. Поэтому скорость набора свойств у Стиз PU практически не зависит от внешних условий. Вне зависимости от влажностного режима в области нанесения герметика полимеризация происходит полностью по всему слою и на порядок быстрее, чем в акриловых материалах.

Здесь нужно отметить характеристику поведения герметика, влияющую на его применение – время жизнеспособности смеси компонентов. Так как полимеризация происходит за счет взаимодействия двух компонентов герметика, он начинает отверждаться сразу после смешивания, причем равномерно по всей массе. В первые часы после смешивания нанести Стиз PU в стык не составит труда. А вот после окончания периода жизнеспособности (для Стиз PU это 6 часов) нанести герметик невозможно – он станет настолько вязким, что его уже «не взять». Это требует большей технологической дисциплины при работе монтажников, чем при работе с однокомпонентным акриловым материалом. Поэтому двухкомпонентный материал создан не для маленьких объемов работ – например, при выполнении заказа на герметизацию одного окна для предотвращения перерасхода и потерь придется в отдельную тару выкладывать четко отмеренные на весах пропорции компонентов. А вот при остеклении крупных объектов таких трудностей не возникнет – материал расфасован уже отмеренными порциями по несколько килограммов, но полученное в результате смешивания количество герметика рассчитано на время выработки меньшее, чем жизнеспособность смеси.

Пара слов о необходимых для работы таким материалом инструментах. Так как полимерная основа Стиз PU отличается от акрилов, то несколько меняется и набор технологических средств. Для смешивания компонентов понадобится низкооборотная дрель с лопастной насадкой. Герметик, как обычно, можно наносить при помощи шпателя и кисти, но очистить инструмент от остатков материала водой, как в случае использования акриловых герметиков, может оказаться затруднительным, а по прошествии времени – невозможным. Нужно иметь под рукой органический растворитель типа уайт-спирита.

Герметик Стиз PU – двухкомпонентный материал: в таре раздельно расфасованы основная паста (компонент А) и отвердитель (компонент B). Соотношение компонентов подобрано так, что не требуется дополнительных расчетов и взвешиваний. Для подготовки герметика к работе достаточно перелить отвердитель в тару с основной пастой и смешать оба компонента при помощи дрели с насадкой. Важным моментом является выполнение условия герметичности и целостности упаковки – на открытом воздухе компоненты быстро приходят в негодность, что вновь возвращает нас к требованию технологической дисциплины.

Таким образом, данный герметик идеально подходит для создания внутреннего слоя монтажного шва узла примыкания оконных блоков к стеновому проему на объектах с большим объемом работ, отсутствием возможности обеспечить необходимые условия высыхания акриловых герметиков и в регионах с высокой естественной важностью воздуха.