Стратегии предотвращения термического треска в каменных стенах

Понимание термического треска в масонстве

Каждый твердый материал меняет размер при изменении температуры. Масонские блоки не являются исключением. Глиняный кирпич обычно демонстрирует коэффициент теплового расширения (CTE) между 4 и 6 × 10-6 в / в / ° F (7-11 × 10-6 мм / мм / ° C), в то время как бетонные кирпичные блоки (CMU) варьируются от 5 до 7 × 10-6 в / в / ° F (9-13 × 10-6 мм / мм / ° C). Мортар часто имеет немного более высокий CTE, и дифференциальное расширение между блоками и раствором может само по себе генерировать внутренние напряжения, особенно в длинных, непрерывных стеновых пробегах. Глиняные кирпичи также подвергаются необратимому расширению влаги после обжига - постоянный рост от 0,1% до 0,2%, который происходит в течение месяцев до лет - в то время как бетонные блоки сжимаются, когда они сушат и карбонат с течением времени. Эти постоянные изменения объема взаимодействуют с термическим движением, создавая сложную среду, которая требует тщательного размещения с самых ранних этапов проектирования.

Рассмотрим физическое накопление напряжения: когда стена нагревается прямым солнечным излучением, ее внешняя выемка может стать значительно горячее, чем внутренняя, в результате чего открытая поверхность расширяется больше, чем резервная. Перепады температуры от 50°F до 70°F (28°C до 39°C) между наружной поверхностью и внутренней резервной копией распространены на фасадах, обращенных к югу и западу, в летние дни. Если движение ограничено - жесткими соединениями со стальными или бетонными рамами, пересекающимися стенами, неправильно расположенными углами полки или каменной кладкой, плотно уложенной против колонн - напряжение накапливается до тех пор, пока материал не расколется. Прочность на растяжение кладки низкая, обычно только от 50 до 100 фунтов на квадратный дюйм (0,3 до 0,7 МПа), намного ниже прочности на сжатие. Как только растяжение напряжение превышает этот порог, растрескивание неизбежно.

Эти трещины часто появляются как тонкие вертикальные трещины через регулярные промежутки времени вдоль длинных прямых стен, на углах отверстий или в головных стыках над окнами. Без надлежащего размещения движения трещины расширяются с течением времени, что позволяет проникать влаге, что снижает долговечность, ускоряет ухудшение замерзания-оттепели и ставит под угрозу изоляционную ценность. Вода, которая поступает через даже трещины волосяной линии, может вызвать свечение, коррозию встраиваемых связей и окрашивание, которое портит внешний вид здания. Финансовые последствия значительны: ремонт теплового растрескивания в типичном коммерческом фасаде может стоить от 50 до 150 долларов за линейный фут, а преждевременная замена всей системы стен проходит намного выше.

Факторы риска варьируются в зависимости от ориентации, климата и выбора материала. Стены, обращенные к югу и западу в солнечном климате, поглощают самую лучистую энергию и могут испытывать температуры поверхности 50°F (28°C) или более выше окружающей среды. Темная кладки поглощает больше солнечного излучения, чем светлые поверхности, увеличивая тепловую экскурсию. Плохо изолированные стены, которые позволяют большие градиенты температуры внутри и снаружи, как правило, склоняются и трескаются. Региональный климат также имеет значение: в засушливом климате с широкими суточными колебаниями, тепловое движение может быть экстремальным, в то время как во влажном климате, расширение влаги может доминировать. Признание этих факторов помогает дизайнерам предвидеть, где суставы движения будут наиболее важными и какие материалы будут лучше всего работать в течение срока службы здания.

Ключевые стратегии профилактики

Предотвращение термических трещин требует комплексной стратегии, которая уважает присущее движение материалов. Следующие пять категорий - подвижные соединения, выбор материала, структурный дизайн, экологический контроль и качество строительства - образуют полную основу для прочной кладки. Каждая категория усиливает другие; пренебрежение любым отдельным элементом может поставить под угрозу иначе звуковой дизайн.

Проектирование и установка движимых суставов

Наиболее прямой способ избежать термических трещин заключается в обеспечении правильно спроектированных подвижных соединений, которые позволяют стене расширяться и сжиматься без удерживания. Для глиняной кирпичной кладки вертикальные расширяющие соединения являются основным инструментом. Эти мягкие соединения, заполненные сжимаемым задним стержнем и герметизированные прочным эластомерным герметиком, расположены через регулярные промежутки времени и в любых точках, где геометрия в противном случае блокировала бы движение. Уплотнитель должен быть способен вмещать полный расчетный диапазон движения - обычно от 25% до 50% ширины соединения - и должен иметь низкий модуль, чтобы избежать передачи напряжения обратно к каменной кладки.

Согласно технологическому примечанию 18A Промышленной ассоциации кирпича , вертикальные расширительные соединения должны быть размещены на всех углах, смещениях и настенных перекрестках; на максимальных расстояниях от центра до центра 25 футов (7,6 м); и на возвратах, где длина стены за углом превышает 15 футов (4,6 м). Тот же источник рекомендует, чтобы расширительные соединения были непрерывными через полную толщину кирпичного унитаза, без помета из раствора и должным образом рассчитаны для размещения расчетного движения. Общая ширина соединения для малоэтажного кирпичного шпона составляет 1⁄2 дюйма (13 мм), хотя более высокие здания требуют более широких соединений - иногда до 1 дюйма (25 мм) для структур более шести этажей - и конструкция должна учитывать как тепловое движение, так и необратимое расширение влаги. Для зданий в регионах с экстремальными температурными колебаниями, выполняйте расчет движения, специфичного для участка, а не полагаться на значения интервала по умолчанию.

«Стыки вертикального расширения должны быть расположены на всех углах, смещениях и настенных перекрестках; при максимальном расстоянии 25 футов (7,6 м) от центров; и при возвратах в стене, где длина стены, выходящей за угол, превышает 15 футов (4,6 м.» — Brick Industry Association, Technical Note 18A

Горизонтальные подвижные стыки одинаково важны в многоэтажной конструкции. Углы углов, которые поддерживают кирпич на каждой линии пола, должны быть детализированы мягким стыком под углом, чтобы обеспечить вертикальное расширение кирпичной кладки ниже. Стык должен быть оставлен открытым и заполнен герметиком; стык не должен быть плотно зажат под углом. Зазор от 1⁄2 до 3⁄4 в. (13 мм до 19 мм) является стандартным, с сжимаемым наполнителем, таким как пена из полиэтилена с закрытыми ячейками, установленная перед размещением кирпича выше. Гибкие галстуки или якоря, которые позволяют сохранять целостность вертикального скольжения, обычно с использованием двухкомпонентных регулируемых якорей с щелью или рукавом, который позволяет 1⁄2 в. (13 мм) вертикальное движение без связывания.

In concrete masonry walls, the analogous feature is the control joint—a weakened plane designed to attract cracking to a predetermined, caulked location. The National Concrete Masonry Association’s TEK 10-2B recommends maximum control joint spacing of 20 ft (6.1 m) on center, or 1.5 times the wall height (whichever is less). Joints must be placed at openings, changes in wall height or thickness, and intersections. Horizontal joint reinforcement in the mortar bed can be interrupted at the joint to allow movement, and the joint is then sealed with backer rod and high-performance sealant. For long walls where drying shrinkage is expected to exceed 0.03%, consider intermediate control joints every 12 ft to 15 ft (3.7 m to 4.6 m) during the first year after construction, then seal or retrofit after most shrinkage has occurred.

Оптимизация выбора материала

Выбор материалов с хорошо подобранными свойствами теплового и влагодвижения минимизирует внутренние напряжения до того, как они когда-либо разовьются. Глиняные кирпичи с низким CTE и умеренным необратимым расширением влаги вызывают меньше проблем, чем сильно расширяющиеся блоки. Укажите кирпичи, проверенные на эти свойства в ASTM C67 и C216, и запросите данные производителя о конкретном CTE для рассматриваемого кирпича. Храните кирпичи на месте сухими и защищенными от дождя, чтобы предотвратить поглощение влаги перед размещением, что может усугубить расширение после установки.

Конструкция смеси минометов играет роль. Миномет типа N — с его хорошим балансом работоспособности, прочности связи и гибкости — предпочтителен для наиболее открытой кирпичной кладки выше уровня. Минометы с высоким содержанием извести придают большую расширяемость, позволяя сборке слегка двигаться без трещин. Минометы с высоким содержанием цемента (тип S или M) являются более хрупкими и усиливают образование трещин, часто приводя к когерентным отказам внутри самого миномета. Используйте хорошо сортированный песок с чистыми угловыми частицами для улучшения характеристик пасты и уменьшения усадки сушки. Соотношение агрегата к цементу раствора должно поддерживаться между 2,25 и 3,0 частями песка до 1 части цементного материала по объему для оптимальной производительности.

Для бетонной кладки выберите агрегаты с низким CTE, такие как известняк или некоторые легкие агрегаты, такие как расширенный сланец или глина. Это уменьшает общее движение стен, особенно в регионах с экстремальными колебаниями температуры. Затирка и бетон, используемые в пучках связи, должны соответствовать тепловым свойствам блока, чтобы избежать дифференциального движения. Кроме того, укажите блок ASTM C90 для согласованности размеров и прочности на сжатие, и попросите производителя предоставить данные испытания на усадку в ASTM C426. Для проектов, где задействована чувствительная к движению облицовка, рассмотрите возможность использования блоков с автоклавным газобетонным (AAC) блоком, которые имеют CTE примерно 4,5 × 10-6 в / в / ° F и значительно более низкую усадку сушки, чем обычные CMU.

Цвет является недооцененной переменной. Темно-красный, коричневый или черный кирпич поглощает гораздо больше солнечного излучения, чем буфф или белые единицы, что приводит к более высоким температурам поверхности и большему расширению. Измерения показывают, что светлый фасад кирпича может достигать 160°F (71°C) в летний полдень, в то время как светлый фасад на том же здании остается ниже 120°F (49°C) - разница в 40°F (22°C), что означает примерно 0,02 дюйма. (0,5 мм) меньшее расширение на 10 футов (3 м) стены. Где темные фасады желательны, используйте внешнее затенение, вентилируемые полости или значения высокой излучательной способности могут направлять выбор материала; Покрытия с SRI 29 или выше значительно снижают температуру поверхности; и значения SRI выше 50 доступны для светлых отделок. Для полного списка утвержденных материалов, обратитесь к стандарту ASTM C216 для облицовочного кирпича [[FLT: 1]].

Структурный дизайн и подробная практика

Помимо соединений движения, общая конфигурация конструкции может либо сдерживать, либо приспосабливать тепловое движение. Тонкие, высокие, непересекающиеся стены более восприимчивы к крену при дифференциальной температуре, которая открывает горизонтальные трещины на линиях средней высоты или пола. Обеспечить адекватное соотношение толщины к высоте на строительный код и Руководство по изменению объема бетона . Например, код TMS 402/602 Архитектурного института Америки определяет минимальную номинальную толщину стен 6 дюймов для несущих стен и 4 дюйма для не несущих стен, но более толстые секции могут потребоваться для высоких, стройных возвышений.

Усилитель сдерживает движение и увеличивает растягивающее напряжение, поэтому его необходимо тщательно детализировать. Правильно расположенная вертикальная и горизонтальная арматура контролирует ширину трещин и удерживает линию волос трещины - обычно ограничивая ширину трещины менее чем 0,01 дюйма (0,25 мм) - что предотвращает попадание воды. Совместная арматура - лестница или трусы типа, размещенные в каждом другом стыке кровати - распределяет напряжения и должна быть непрерывной на всех этапах строительства. Двухсекционные регулируемые шпоновые связи позволяют дифференциальное движение между кирпичной вышивкой и задней стенкой, предотвращая перемещение рамы в шпон. Связки должны быть разнесены максимум на 24 дюйма (610 мм) горизонтально и 16 дюйма (406 мм) вертикально, с перекрытием по меньшей мере 11⁄2 дюйма (38 мм) для регулировки.

На критических перекрестках (масонская стена, встречающая бетонную колонну или стальной балку), установите выключатель связи: строительная бумага, самоклеющаяся мигающая или изготовленный изоляционный стык, такой как предварительно сформированная резиновая или ПВХ полоса. Эта плоскость скольжения предотвращает запирание и передачу удерживающего устройства несходными материалами. Линтелы и углы полки нуждаются в достаточной длине подшипника - по крайней мере 4 дюйма (102 мм) для стандартных отверстий - поэтому их концы могут вращаться, не повреждая соседний кирпич. Непрерывность расширительных стыков вокруг углов не подлежит обсуждению; стык, который останавливает короткие силы, трескающиеся на повороте, часто производя вертикальный шаг трещины на углу. В L-образных зданиях обеспечивают стык на обеих ногах поворота, разнесенный по крайней мере на одну ширину сустава.

Отверстия для окон и дверей являются общими местами инициирования трещин, поскольку стеновая панель над и под отверстием движется иначе, чем панели по бокам. Поместите вертикальное соединение движения с одной стороны каждого крупного отверстия или обрамьте отверстие с мягким суставом в голове, чтобы разместить дифференциальное движение между панелями. Объединение между стенкой парапета и крышей также требует горизонтального расширения соединения, часто в сочетании с продольным вспышкой, чтобы освободить дифференциальное движение, которое вызывает растрескивание парапета. Для парапетов выше 3 футов (0,9 м) обеспечивают дополнительный вертикальный сустав с интервалами не более 20 футов (6,1 м) для предотвращения качания и отделения от конструкции крыши.

Управление воздействием окружающей среды

Снижение температурных экстремумов, которые испытывает стена, является активной, экономически эффективной стратегией. Свесы, навесы и проецирующие карнизы оттеняют фасад и снижают пиковую температуру поверхности на солнечных сторонах. Правильно размерный свес, простирающийся на 2 фута (0,6 м), может уменьшить прирост солнечного тепла на южной стене на 30-50% в летние месяцы. Озеленение лиственными деревьями оттеняет стены на южной стороне летом, позволяя солнечному приросту зимой, но избежать повреждения корней вблизи фундаментов, посадив деревья не менее 10 футов (3 м) от стены.

Светоцветные покрытия или краски с высокой солнечной отражательной способностью могут снижать температуру поверхности на 20°F (11°C) или более по сравнению с темной непокрытой кладки. Эластомерные, пригодные для дыхания покрытия, подходящие для кладки, обеспечивают также гидроизоляцию, предотвращая попадание влаги в стену, позволяя остаточной влаге выходить. Эти покрытия должны иметь проницаемость не менее 5 перм, чтобы избежать задерживания воды за пленкой, что может вызвать шелушение или волдыри. В конструкции стенки полости оставляют воздушную полость, проветриваемую с помощью вентиляционных отверстий внизу и вентиляционных отверстий вверху; дымоходный эффект рассеивает тепло и уменьшает тепловой градиент по внешней выемке. Пламенные отверстия должны быть разнесены максимум на 24 дюйма (610 мм) по центру и быть не менее 3/16 дюйма (4,8 мм) в диаметре, чтобы предотвратить засорение.

Размещение первичной теплоизоляции на внешней стороне структурной резервной копии удерживает кладку ближе к температуре наружного воздуха в течение дня. Наружные изоляционные и отделочные системы (EIFS) или жесткие изоляционные плиты за кирпичным шпоном в стенках полостей служат этой функции, поддерживая кладку при более стабильной температуре и уменьшая чистое тепловое движение. При стабильной температуре суточный цикл расширения кладки минимизируется, а долгосрочный риск растрескивания уменьшается. Для проектов модернизации добавление внешней изоляции или вентилируемого дождевого экрана может значительно улучшить термическую стабильность существующей кладки, часто уменьшая изменение температуры поверхности на 30 ° F (17 ° C) или более. Подход дождевого экрана также уменьшает накопление влаги, что может усугубить повреждение отморозки на участках термической трещины.

Холодный климат создает проблемы с замораживанием. Когда насыщенный влагой кирпич замерзает, расширение льда рассыпает поверхность и расширяет тепловые трещины. Обеспечить хорошие дренажные детали: плаксивые отверстия в основании каждой полости, мигающие полости, которые простираются по крайней мере на 2 дюйма (51 мм) за стеной, наклонные подоконники с уклоном не менее 2% и непрерывный водостойкий барьер за каменной кладкой. Нагретый интерьер, который предотвращает достижение температуры замерзания на внутренней поверхности, также снижает тепловой градиент, хотя необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать конденсации в стене. В суровом климате, укажите глиняный кирпич со скоростью поглощения менее 8% и используйте раствор типа N или типа O с удерживанием воздуха для улучшения сопротивления замораживанию.

Качество строительства и мастерство

Наиболее тщательно сконструированный сустав выходит из строя, если он не построен правильно. Обучить каменщиков понимать, почему суставы размещаются там, где они находятся, и держать их свободными от минометных завалов. Вставить предварительно сформированный, неабсорбирующий задний стержень для коррекции глубины - обычно от одной трети до половины ширины сустава - перед нанесением герметика; если сустав частично заполнен пометом раствора, пропускная способность герметика скомпрометирована на 50% или более. Инструмент герметик для вогнутого профиля против задней стержня, чтобы обеспечить растяжение и сжатие без шелушения, и обеспечить соотношение герметика ширины к глубине, по крайней мере, 2:1 для надлежащей производительности. Расписание герметика применение после по крайней мере 28 дней отверждения кладки, чтобы обеспечить первоначальное расширение влаги и избежать герметизации во время дождя или когда температура ниже 40°F (4°C).

Свежие кладки уязвимы для термического растрескивания во время отверждения. В жаркую, сухую погоду раствор может слишком быстро терять воду, вызывая трещины усадки, которые становятся локусами термического трещины. Покройте стену влажным рылом, используйте туманное туманение с интервалами от 2 до 4 часов и избегайте прямого солнечного света в самую жаркую часть дня - обычно между 10 утра и 4 вечера летом. В холодную погоду, тепловые материалы по крайней мере до 40°F (4°C), и используйте низкотемпературные примеси, такие как хлорид кальция (ограниченный до 2% по весу цемента), и возводите временные вольеры с нагревателями, чтобы держать раствор над замораживанием и обеспечить надлежащее отверждение в течение минимум 72 часов. Международный институт масонства предоставляет учебные ресурсы и полевые руководства, которые усиливают эти стандарты, включая подробные процедуры строительства холодной и горячей погоды.