Текст книги "Кровельная изоляция. Кровельное озеленение. Проблемы: Истоки, причины, опыт и решения"

2.1 Процессы старения под воздействием климатических факторов

Согласно стандарту DIN 50035, старение определяется как «совокупность всех необратимых химических и физических процессов, происходящих в материале за период его использования». Процесс старения обусловлен следующими причинами:

а) химическим старением в виде изменения химической структуры, молекулярного веса (длины полимерной цепочки) и структуры;

б) физическим старением в качестве изменения внешнего вида, физических свойств.

Различают:

● внутренние причины старения, приводящие к термодинамически нестабильному состоянию конструкционного материала, особенно при изготовлении уплотнения или его обработке;

● внешние причины старения, оказывающие влияние на уплотнительный материал из-за химических и физических воздействий окружающей среды.

Как и у металлов, термическому и инициированному светом окислительному старению материалов помогает наличие кислорода и озона. При умеренных температурах и отсутствии ультрафиолетового излучения процесс старения благодаря атмосферному кислороду идет очень медленно и становится заметным только через много лет. Под воздействием тепла и ультрафиолетового излучения окислительные реакции и, соответственно, старение сильно ускоряются.

Различные химические вещества в материалах и «искусство рецептуры» приводят к более или менее быстрому старению кровельного полотна под воздействием окружающей среды. Неблагоприятные погодные условия необратимо изменяют поверхности не только на пограничной области кровельных покрытий, но и, в зависимости от кроющей способности пигментации, в слоях толщиной несколько десятых миллиметра под поверхностью.

Старение – это совокупность всех необратимых химических и физических процессов, происходящих в материале за период его использования (DIN 50035).

Внешние причины старения кровельных покрытий обусловлены следующими климатическими факторами:

● термическим воздействием;

● атмосферными осадками;

● воздействием излучения;

● загрязнением воздуха;

● механическим воздействием (ветром).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КРОВЕЛЬНЫХ ПОЛОТЕН

ОБУСЛОВЛЕННЫЙ КЛИМАТОМ ПРОЦЕСС СТАРЕНИЯ

Рассматривая все вышеназванные климатические воздействия как факторы, вызывающие процессы старения, следует признать, что невозможно только на основе таких характеристик материала, как его устойчивость к ультрафиолету, поведение при растяжении или модуль упругости, сделать точные выводы о сроке его службы, поведении при старении, состоянии старения или работоспособности в определенной географической зоне.

Поэтому воздействие на кровельные покрытия в отдельных климатических зонах – жарких и влажных, жарких и сухих, холодных и сухих, холодных и влажных, с низкой/высокой интенсивностью излучений, с низким/высоким уровнем загрязнения окружающей среды, с сильными ветрами – едва ли можно правильно оценить, не зная опытных данных и не проводя лабораторных исследований.

В качестве подходящих критериев старения, которые играют решающую роль на практике, можно взять совокупность всех функционально важных характерных признаков, таких как относительное удлинение при растяжении, модуль упругости, устойчивость к перфорации и ультрафиолету, ломкость под воздействием низких температур.

Процесс старения материала чаще всего ведет к ухудшению параметров его работы и поэтому постоянно сокращает его функциональность.

2.1.1.1НОЧНОЕ ПОХОЛОДАНИЕ

Ночью горизонтальная поверхность плоской крыши находится в состоянии лучевого теплообмена с атмосферой, что приводит к существенному охлаждению. Из-за лучевого охлаждения температура земли почти каждую ночь опускается ниже минимальной атмосферной температуры. Согласно результатам исследований Тубироха и Пастуски (1999), на плоской кровле происходят такие же процессы, что и на земле. Из-за эффективного излучения в ночное время температура поверхности плоской кровли может опускаться ниже температуры воздуха. Так, летом на плоской крыше можно увидеть росу, а зимой – изморозь. Из практики известно, что именно это воздействие ухудшает общее состояние материала (например, на металле образуется ржавчина).

В ясные ночи из-за охлаждения температура поверхности способна опуститься ниже температуры воздуха на 10 ℃. Поэтому зимой при нормальной температуре воздуха в центральноевропейских зонах –20 ℃ (ночью на 1 марта 2005 г. она доходила до –36 ℃ в Альбштадте, Баден-Вюртемберг, и в тот же день до –24,8 ℃ в Наварре, Испания) температура на кровельном покрытии может достигать отметки –30 ℃ и ниже. Поэтому такое значение следует учитывать при разработке требований к кровельным покрытиям и проведению их испытаний. Знать о реально возможных температурах для кровельных покрытий крайне важно для оценки возникающей в них силы сжатия под воздействием низких температур.

2.1.1.2 ПОТЕПЛЕНИЕ И ИНСОЛЯЦИЯ

Инсоляция нагревает поверхности кровель. В зависимости от материала изготовления, цвета и качеств поверхности часть излучения поглощается, что ведет к повышению температуры кровли.

При использовании кровельных материалов с армированием с прокладками из стекловолокнистого холста или без них сила натяжения, прочность на разрыв и модуль упругости в зависимости от материала кровельных покрытий при потеплении заметно сокращаются, а при похолодании увеличиваются. Относительное удлинение при растяжении, или разрывное удлинение, сюда не вписывается: при потеплении растяжимость сначала увеличивается, чтобы при высоких температурах резко упасть. Похолодание сокращает растяжимость.

Кровельные покрытия, армированные синтетическим волокном и кашированные с обратной стороны холстом, также подвержены изменениям физических признаков, однако в гораздо меньшем объеме. Их поведение определяется, в сущности, свойствами текстильного материала. Знание этих свойств особенно важно при термической обработке (сваривании горячим воздухом) мембраны в местах возможного протекания и в угловых стыках.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Воздействуют на физические свойства любой гидроизоляции крыши.

Сила натяжения, прочность на разрыв, относительное удлинение на разрыв и модуль упругости изменяются в зависимости от вида материала, его структуры/армирования.

ТЕМПЕРАТУРА МАТЕРИАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУХА

ПЕРЕПАДЫ ТЕМПЕРАТУРЫ

Во время прекрасных безоблачных летних дней в июне 2002 г. и июле 2003 г. с 15:00 до 16:30 измерялась температура поверхности кровельного полотна на плоской крыше. Официально измеренные температурные показатели воздуха составили 32,5 ℃ в 14:40 и 33,8 ℃ в 16:40. Они не являются максимально допустимыми. Примерно такие и более высокие температуры встречаются на всей территории Центральной Европы.

2.1.2.1 ИСПЫТАНИЕ

Температура измерялась на разных кровельных поверхностях, изготовленных из различных материалов, обладающих разной структурой и способом армирования:

● кровельные покрытия из ПВХ (PVC) и ТПО (ТРО);

● толщина кровельного покрытия – от 1,3 до 2,2 мм;

● цветовая гамма от белого и серого до красного, коричневого, зеленого и черного.

Для определения глубины окраски наряду со цветовой гаммой согласно RAL рассчитывалась яркость цвета верхней поверхности кровельного покрытия как значение L со шкалой от 1 до 100. Большие L-значения показывают яркие, а низкие L-значения – темные цвета.

Виды кровельных покрытий:

● свободно обдуваемое, механически закрепленное;

● покрытое гравием, размер зерна 8/16, кремниево-серое, толщиной 7 см;

● экстенсивно озелененное с ржаво-коричневым субстратом Claylith толщиной около 7 см;

● интенсивно озелененное с ржаво-коричневым субстратом Claylith толщиной от 20 до 50 см, точка измерения – 21 см под верхней поверхностью субстрата.

2.1.2.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ

По результатам проведенных измерений можно сделать следующие выводы:

● кровельное покрытие из ПВХ (PVC) и ТПО (ТРО) не оказывает никакого воздействия на температуру пограничного слоя поверхности;

● различная толщина не приводит к существенным различиям в результатах измерений температуры кровельной поверхности;

● в зависимости от цвета на свободно обдуваемых кровельных поверхностях показатели температуры верхней поверхности составили от 41 до 73 ℃, что в любом случае гораздо выше температуры воздуха. При уменьшении яркости от белого к серому, а далее к черному цвету, то есть при сокращении L-значения, отмечается существенное увеличение температур на кровельных поверхностях – от 8 до 40 ℃.

На белой кровельной поверхности зафиксировано увеличение температуры только на 8 ℃. Черные тона увеличили температуру поверхности на 40 ℃. На чаще всего применяемых кровельных материалах светло-серого цвета с L-значением от 72 до 80 температуры поверхностей составили от 53 до 58 ℃, то есть увеличились по сравнению с температурой воздуха на 20–25 ℃.

На такого же рода свободно уложенных светло-серых кровельных покрытиях из ПВХ (PVC) федеральное ведомство по исследованию и испытанию материалов (ВАМ, Берлин) в одном из испытаний получило максимальную температуру поверхности кровельного покрытия 57 ℃. В американской литературе говорится, что реальные температурные показатели на светлой кровельной поверхности могут достигать 70 ℃, а на черной – 90 ℃.

Так как окислительные реакции сильно зависят от температуры, то на кровельных поверхностях с повышенными температурными показателями следует предполагать ускорение процесса фотоокисления и вместе с ним процесса старения.

Конструкция самой крыши оказывает также значительное влияние на прогревание уплотнителя. Его температура при одинаковом качестве светло-серого кровельного покрытия с L = 72 на кровельной поверхности, покрытой гравием, при внешней температуре 40 ℃ будет на 4 ℃ превышать температуру поверхности на свободно обдуваемом кровельном полотне. По результатам ВАМ при проведении испытаний в аналогичном сравнении отмечено повышение температуры на 5 ℃ на поверхности, покрытой гравием.

При измерениях в 50 см перед отражающей поверхностью белой стены зафиксировано повышение температуры под гравием на 12 ℃ по сравнению со свободно обдуваемой поверхностью. Хорошее сохранение тепла гравийным покрытием приводит к замедлению охлаждения кровельной поверхности.

Экстенсивно озелененные кровельные поверхности с растительным субстратом толщиной 7 см способствуют значительному сокращению нагревания плоского уплотнения. На закрытой растительностью кровле температура составила 49 ℃, что на 7 ℃ меньше температуры на свободно обдуваемой поверхности.

Исследуемый объект с интенсивным озеленением был покрыт растительным субстратом толщиной от 21 до 50 см. По техническим причинам температура измерялась на глубине 21 см под озеленением и достигла отметки в 27 ℃. Таким образом, температура кровельного покрытия оказалась ниже температуры воздуха, что обеспечивает сбалансированный климат внутри помещения.

Приведенные результаты испытания четко показывают, что кровельное озеленение не только понижает общую температуру всей кровли, но и замедляет процесс термического старения кровельной системы, включая гидроизоляционное полотно. Тем самым продлевается срок службы и эксплуатации уплотнения, предназначенного для плоской кровли.

УВЕЛИЧЕННЫЙ СРОК СЛУЖБЫ

Приведенные результаты испытания четко показывают, что кровельное озеленение не только понижает общую температуру всей кровли, но и замедляет процесс термического старения всей кровельной системы, включая гидроизоляционное покрытие. Таким образом продлевается срок службы и эксплуатации уплотнителя, предназначенного для плоской кровли.

ЦВЕТ ПОВЕРХНОСТИ И ОЗЕЛЕНЕНИЕ

ОЗЕЛЕНЕНИЕ ПОНИЖАЕТ ТЕМПЕРАТУРУ

2.1.2.3 ВОЗДЕЙСТВИЯ

В результате резкой перемены погоды часто происходит и резкая смена температуры. Согласно исследованиям Трубироха (1999), на свободно обдуваемых кровлях зимой при температуре поверхности –10 ℃ скорость охлаждения достигает 10 ℃ в час, а летом при 20 ℃ она может составлять от 30 до 50 ℃ в час. Такой спонтанный процесс естественного перепада температур способен в некоторых случаях, например при температуре замерзания или ниже, особенно при дополнительном динамическом воздействии (как вариант, при выпадении града), привести к повреждению уплотнителя. Для оценки возникающей у кровельных покрытий силы сжатия под воздействием низких температур необходимо знание реально возможных температур поверхности, охлаждения ее ночью, а также скорости охлаждения. На силу сжатия под воздействием низких температур в первую очередь влияет модуль упругости (эластичности) материала. На кровельных покрытиях с высоким модулем упругости, а значит с низкой гибкостью, под воздействием низких температур возникает повышенная сила сжатия, которая возрастает по мере отвердения покрытия.

Наряду с модулем упругости особое влияние имеет также коэффициент теплового расширения α. Однако он не является постоянной величиной для всего диапазона рабочих температур. Значение коэффициента α для любого гидроизоляционного полотна значительно больше, чем для изделий из металла и бетона. Это означает не только то, что длина гидроизоляционного полотна увеличивается при повышении температуры или же сокращается при ее снижении зимой, но также то, что соответствующие изменения в металлических и минеральных строительных конструкциях различны. На это стоит обратить внимание при проектировании.

Кровельные покрытия с повышенным сроком службы подвергаются из-за уменьшающейся гибкости особенной опасности в холодное время года. От одного лишь воздействия низких температур кровельное покрытие не разрушается. Однако при дополнительном динамическом воздействии, например вследствие удара предметом с острыми краями или растяжения, может произойти разрушение.

Сила сжатия под воздействием низких температур сильнее влияет на свободно уложенные покрытия или механически зафиксированные вдоль и поперек, а тем самым на все точки крепления и швы. При приклеивании по всей площади поверхности большая часть нагрузки от силы натяжения снимается.

На заново уложенных покрытиях сила натяжения достигает в среднем около 100 кгс/м, а в отдельных случаях может превысить 400 кгс/м (Эрнст, 1999, 2004). При низких температурах у затвердевших, более старых кровельных покрытий может возникать сила натяжения или сила усадки со значением от 400 до 900 кгс/м (Пастуска, Леманн, 1987).

Из-за воздействия очень высоких летних температур изначально свободно уложенные битумные, а также и синтетические гидроизоляционные материалы могут спечься с теплоизоляционными плитами из полистирола. Изменение формы теплоизоляционных плит приводит к переносу силы на уплотнитель, что может усилить воздействие на него, особенно если он старый.

В области швов утепленного кровельного покрытия, по мнению Пастуски, между синтетическими изоляционными вспененными плитами и кровельным покрытием возникают противоположные движения. Гидроизоляционное полотно при потеплении растягивается, а при похолодании сжимается. Зазоры между теплоизоляционными плитами при нагреве из-за термического расширения закрываются, а при похолодании открываются. Таким образом, движения обоих системных компонентов противоположны. При похолодании у кровельного покрытия появляются напряжения из-за растяжения. Если кровельное покрытие разогревается, то образуется складка, и тогда покрытие работает на изгиб. Такие переменные воздействия повторяются в зависимости от погодных условий. У покрытий с недостаточной гибкостью или эластичностью на поверхности могут образовываться трещины, которые затем способны нарушить гидроизоляцию.

Каменноволокнистая теплоизоляция благодаря свободному строению не удлиняется и не сжимается при колебании температур. Даже при максимальной температуре 80 ℃ на ней не образуется никаких проявлений. Если ее герметично уложить, то она останется на своем месте, никуда не съедет и не приведет к изгибу кровельного покрытия из-за изменения ширины зазора. Из-за сниженной стойкости к истиранию и ограниченной устойчивости к нагрузкам ее применение, однако, ограничивается свободно обдуваемой поверхностью без дополнительных пригрузок.

Из-за естественного нагрева солнечными лучами до 70 ℃ и выше у кровельных покрытий, уложенных без дополнительной пригрузки, могут быстрее и легче сокращаться напряжения, возникающие вследствие необратимых процессов, таких как термоусадка или потеря объема, вызванная процессом старения. Дольше всего действует только обратимое сжатие под воздействием холода, зависящее от температуры и выражаемое коэффициентом растяжения. У кровельных покрытий на плоских крышах сила сжатия, обусловленная температурой, должна быть как можно меньше. Наряду с выбором подходящего материала этого можно достичь, применяя подходящую технику для укладки покрытий. Хорошо подходит свободная укладка без использования дополнительной пригрузки. Регулярное ослабление кровельного покрытия при естественном потеплении будет в таком случае благоприятным.

СЖАТИЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ХОЛОДА

Согласно результатам исследований ВАМ, у более старых кровельных покрытий возникает сила натяжения или сила сжатия, которая может достигать значений от 400 до 900 кгс/м.

Поэтому Эрнст с 1999 г. ставит ограничение на величину силы сжатия под воздействием холода для новых материалов в пределах 200 кгс/м. Результаты контрольной проверки приведены в перечне требований (AfP, ddDach, 2005).

ВЛАЖНОСТЬ И СЫРОСТЬ КАК ФАКТОРЫ ВЛИЯНИЯ

ОБРАЗОВАНИЕ РОСЫ – ЭТО ТОЖЕ ВЛАЖНОСТЬ

Атмосфера может принимать в свой объем до 4 % воды в форме пара и отдавать ее обратно при изменении температуры или давления в жидкой (туман, облака, дождь) или твердой форме (иней, снег, град).

Дождевые воды содержат и такие газообразные компоненты воздуха, как азот, кислород, углекислый газ, а также частицы загрязненного воздуха в форме газов, аэрозолей и пыли.

2.1.3.1 ВОЗДЕЙСТВИЯ

На горизонтальных и почти горизонтальных поверхностях, какими и являются плоские крыши, продолжительность смачивания, так же как и дождевания, определяется по ночной росе. В наших среднеевропейских климатических зонах она может вызвать примерно в 2/3 случаев интенсивное смачивание, даже если в течение всего дня не было дождей. Поверхности крыш без пригрузки остаются мокрыми в течение примерно полугода.

2.1.3.2 ПОСЛЕДСТВИЯ

Появление на поверхности крыш капель, образовавшихся из-за высокой влажности воздуха, могут вызвать эффект линзы, тем самым ускорив процесс фотоокисления.

Роса проникает в поры и микротрещины гидроизоляционного полотна. При сильном похолодании это может привести к расширению трещин и возникновению эрозии. Считается, что влажность от росы причиняет вреда больше, чем кратковременные дожди. Сохраняющаяся влажность вызывает набухание и ускоряет процесс старения материала.

При чрезмерных и долго продолжающихся осадках существует вероятность очень быстрого выщелачивания материалов. К сожалению, еще мало что известно о разрушении компонентов материала из-за выщелачивания под воздействием влажности и дождей. Оба эти фактора могут воздействовать как экстрагенты, особенно в отношении функциональных инертных материалов, и тем самым привести к истощению гидроизоляционного полотна. Известно выщелачивание определенными биоцидами, пестицидами, гербицидами, антиоксидантами, светостабилизаторами, разрушающими первоначальную защиту. Благодаря выбору и применению нерастворимых функциональных инертных материалов можно избежать разрушения и обеспечить долговременную защиту.

Среди твердых форм осадков наиболее разрушающее воздействие оказывает в первую очередь град, особенно крупные градины, выпадающие во время бурь. Градины от 5 до 50 мм в диаметре и падающие со скоростью более 30 м/с могут причинить огромный ущерб кровельным покрытиям. Свободно обдуваемые кровельные покрытия без дополнительной пригрузки в большей степени подвержены ущербу, в особенности складки, желобки и стяжки. Покрытые гравием или озелененные кровли, однако, хорошо защищены.

МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ

Для продолжительного срока службы плоские крыши должны быть устроены таким образом, чтобы дождевая вода не скапливалась, а стекала с них. Это достигается благодаря достаточному уклону в размере 1,5 % согласно минимальным требованиям стандартов (или, по Р. Пробсту, минимум 5 %).

ГИДРОЛИЗ – КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ

РАЗЛОЖЕНИЕ ВСЛЕДСТВИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДЫ = ГИДРОЛИЗ

2.1.3.3 ГИДРОЛИЗ

В химии под гидролизом понимается разложение химических соединений под воздействием воды. Гидролизные реакции (часто их называют «омылением») возникают прежде всего со сложноэфирными соединениями, которые содержатся, например, в таких полимерах, как ацетаты, акрилаты или в добавках – сложном эфире алифатических или ароматических размягчителей, стабилизаторов и антиоксидантов. Даже большое число жидких синтетических кровельных покрытий подвержены этому процессу старения. Реакция протекает ускоренно во влажных и теплых условиях при наличии основных соединений (известь, раствор, цемент, бетон), то есть в условиях, особенно характерных для плоской крыши, покрытой гравием.

В техническом отношении это расслоение полярных групп соединений сложного полимерного эфира становится заметным по сниженным механическим свойствам уплотнителя. Поэтому инструкции FLL требуют для уплотнителей озелененных крыш доказательства их стойкости к гидролизу. К сожалению, это правило не закреплено для всех уплотнителей с пригрузкой. По вышеназванным причинам при выборе уплотнителя следует особое внимание уделить его устойчивости к гидролизу. В списке AfP/ddD, 1992–2005, это требование оправданно отнесено ко всем видам уплотнителя.

2.1.3.4 ВЫВОДЫ

Поверхностный нетканый материал, предназначенный для применения в качестве уплотнителя, служит для решения актуальных строительных задач и проблем и приобретает все большее значение. Способы его использования описаны в различных стандартах, инструкциях, а также в технических предписаниях и рекомендациях.

Для гидроизоляции зданий используют только холсты из синтетических волокон. Приоритет отдается холстам, которые преимущественно прошиваются или крепятся термически, холстам из полиэфирных, а также из полипропиленовых волокон, когда прямое попадание солнца на них исключено. Холсты из природных волокон показывают недостаточную механическую устойчивость и подвержены воздействиям микроорганизмов.

Холсты защищают, изолируют, выравнивают, фильтруют, дренируют кровельные уплотнители и препятствуют их повреждениям. Подходящие и правильно уложенные холсты продлевают срок службы и работоспособность кровельных покрытий. Основные качества хороших холстов – это малое впитывание воды, надежная фильтрация, нормальные дренажные функции и быстрая влагоотдача. Такие функции, как защита и фильтрация, предотвращают развитие микроорганизмов.

Исследования принесли следующие результаты:

● холсты с большей плотностью имеют лучшие защитные функции;

● с увеличением плотности холст вбирает больше воды;

● холсты с меньшей плотностью высыхают быстрее.

Полиэфирные и полипропиленовые волокнистые холсты при термической фиксации или фиксации путем прошивания служат защитными слоями на плоской крыше. Для этой цели не подходят химически связанные нетканые материалы из-за их неопределенной совместимости, высокого поглощения воды и длительного периода высыхания.

Проектировщики и укладчики часто прибегают к дополнительным мерам, чтобы продлить срок эксплуатации кровельных покрытий. На крышах с гравийным покрытием используются пестрые защитные холсты, кашированные с обратной стороны полиэтиленовой пленкой. При этом сторона с полиэтиленовой пленкой укладывается прямо на кровельное покрытие, а сторона с холстом покрывается гравием.

ИНСТРУКЦИИ ПО КРОВЕЛЬНОМУ ОЗЕЛЕНЕНИЮ (FLL, 2002)

4.10. Устойчивость материала

Гидроизоляция кровли и защита от прорастания корней должны быть устойчивы к гидролизу. Свойства материалов для озеленения следует также испытать на предмет долговременного воздействия воды и при необходимости предъявить доказательства.

Из-за биологического воздействия микроорганизмов, а также из-за растворимых в воде веществ не должно происходить никаких изменений, которые вредили бы функции материалов.

ЗАДЕРЖАНИЕ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛОТЕН

Являясь превентивным средством для защиты от старения, холсты, кашированные пленкой и находящиеся под гравием, выполняют множество функций:

● Механическая защита от перфорации, ломаного гравия.

● Уменьшение:

■ процесса старения мембраны под воздействием низких температур;

■ летучести дополнительных компонентов;

■ ущерба, причиняемого микроорганизмами.

● Предотвращение:

■ миграции в скопления грязи;

■ вымывания осадками;

■ окисления путем исключения доступа кислорода;

■ омыления содержащим известь гравием;

■ ущерба от загрязненного воздуха.

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ