Истинные деформации в монтажном шве

Предполагаемые результаты

Мы ожидали величину деформации в монтажном шве около 10% – такое значение обычно называют «лидеры мнений» в оконной индустрии. Кроме того, именно столько получается при расчете, например, по методике из немецкого стандарта RAL. В п. 7.2.1 этот стандарт предлагает рассчитать деформацию по формуле:

где l – длина оконной коробки, ΔT – перепад температуры, α – коэффициент температурного расширения. Для оконного блока 1500 х 1800 и при температуре монтажа 25°С получаем абсолютную деформацию при температуре холодной пятидневки в г. Новосибирске:

где 30°С – это температурный интервал, на котором, согласно RAL, получили фактическое изменение длины в 1,9 мм для окна длиной 1,5 м. Искомая относительная деформация для монтажного шва шириной 25 мм получается равной:

где коэффициент 0,5 введен для учета того, что вся деформация окна «ложится» на два монтажных шва (по одному с каждой стороны окна)¹.
При условии установки окна в холодное время года – например, при 5°С – относительная деформация при прогреве цветного профиля летом до 80°С получается еще больше:

Описание эксперимента

Эксперимент проводился на оконном блоке из ламинированного профиля Brusbox с размерами 1370 х 970 мм при ширине рамы 70 мм. Окно было смонтировано так, что выполняло функцию «двери» в климатической камере, то есть разделяло пространство лаборатории и внутреннее пространство нагретой или охлажденной камеры. Внутри камеры по периметру был выложен стеновой проем, внутрь которого вставляли окно (рис. 1). Чтобы исследуемый монтажный шов по ширине соответствовал обычному шву в 30 мм, получаемому в условиях строительного объекта на окне с размерами 1500 х 1800 мм, было решено уменьшить его по принципу подобия до 20 мм.
Перемещения оконного блока измерялись с помощью индикаторов часового типа, к которым прикреплялась нить (рыболовная «плетенка»). С другой стороны нить привязывали к внутренней относительно климатической камеры поверхности оконной рамы – либо напрямую, либо через ушко, которое вставлялось в стеновой проем (рис. 2). Это было сделано, чтобы измерять перемещения оконного блока как в продольном, так и в поперечном направлении. В серии экспериментов индикаторы располагали в разных точках по периметру оконного блока. Наибольшие перемещения были отмечены в середине вертикального шва.

Монтаж окна производили на минеральную вату, чтобы не возникало нежелательного трения между нитью и более удобной в применении монтажной пеной. Оконный блок закрепляли на анкерные пластины, причем чтобы смоделировать «неаккуратность» монтажников в новом строительстве, в середине вертикальных швов анкерные пластины в большей части экспериментов не устанавливали. Впрочем, отличие в результатах составило не более 50%, что, как мы покажем далее, не влияет на итоговый вывод.
Кроме указанных выше температур +80°С, +20°С и -37°С, измерения проводили еще и при температуре +5°С, таким образом имитируя условия на смене сезонов «осень/зима» и «зима/весна».

Результаты эксперимента и расчет

Показания индикаторов при снятых в середине вертикальных швов анкерных пластинах представлены в таблице 1.
Индикаторы показывают перемещение нити, а не оконного блока. Например, при изменении температур от +20°С до +85°С по датчику «вдоль» удлинение нити в середине вертикальной стороны составило 1,23 мм, по датчику «поперек» – укорочение на 0,78 мм. Чтобы получить перемещение оконного блока, воспользуемся геометрической программой Solidworks. С ее помощью определим искомое смещение края оконного блока – на 0,63 мм влево и на 1,23 мм вверх.
На рис. 3 изображено полное смещение во время всего температурного цикла. Видно, что точки, соответствующие разным температурам, не лежат на одной прямой. Кроме того, во время эксперимента отмечено, что после нагрева или охлаждения индикаторы не всегда возвращаются в начальное «нулевое» положение. Объясняется этот своеобразный гистерезис тем, что оконный блок проскальзывает по анкерным пластинам.
Программа Solidworks также позволяет рассчитать деформацию наружной поверхности теплоизоляционного шва (рис. 4). Изменение длины составляет 19 – 18,37 = 0,63 (мм), что соответствует относительной деформации в 3,3%. Но почему тогда эластичные акриловые штукатурки при нанесении на монтажную пену трескаются в первый же годовой цикл, хотя способны выдерживать деформацию около 5%? Потому что мы не учли деформацию «в теле» теплоизоляционного шва, которая частично передается на наружный слой.
Чтобы рассчитать деформацию «внутри» теплоизоляции, воспользуемся программой Abaqus, которая позволяет с помощью метода конечных элементов оценить деформацию каждого интересующего нас элемента шва (рис. 5-7). При нагреве от +20°С до +85°С в угловой точке справа (у окна) происходит растяжение на 4,6%, в угловой точке у стены происходит сжатие на 25% (в основном теле – сжатие 5%). При охлаждении от +20°С до -39°С в углах растяжение составляет 25%, сжатие – 7% (в основном теле – растяжение 7%). При охлаждении от +85°С до -39°С³ в углах растяжение составляет 37%, сжатие – 12% (в основном теле растяжение – 12%).

Выводы

Полученная деформация в теле монтажного шва в 37% многократно превышает ее относительное удлинение на разрыв⁴ (около 8%), что означает неминуемое образование трещин внутри теплоизоляционного слоя. В эти трещины будет проходить холодный воздух, а также попадать вода, что негативно скажется на работоспособности монтажной пены и комфортности в помещении. Поэтому для предотвращения этих проблем необходим гидроизоляционный наружный слой, желательно – с небольшой воздухопроницаемостью⁵.
Возникает закономерный вопрос: если в любой монтажной пене, применяемой в монтажном шве, возникают разрывы, то почему не все окна «холодные»?
Во-первых, потому что часто при монтаже окон используют герметики, которые перекрывают поток холодного воздуха. Во-вторых, современные монтажные пены имеют достаточно малые ячейки (поры). После возникновения разрыва в пене отдельные ее части начнут истираться друг об друга в процессе суточных температурных деформаций монтажного шва, что приведет к дальнейшему разрушению пены. Продукты истирания будут осыпаться под действием гравитации и постепенно заполнят ячейки пены (если эти ячейки имеют малый размер). В итоге путь для прохождения холодного воздуха будет перекрыт, поэтому продуваний не возникнет (см. рис. 8). Если же ячейки пены имеют большой размер, то продукты истирания не смогут заполнить ячейки: будут возникать продувания (см. рис. 9). Отсюда возникает логичный вывод: нельзя продолжать удешевлять монтажные пены, если это удешевление будет приводить к дальнейшему увеличению размера пор, так как это будет сказываться на теплоизоляционных свойствах не только монтажного шва, но и всего окна.

¹Вообще говоря, опорные колодки препятствуют смещению оконного блока, поэтому обычно деформация распределяется на верхний и нижний горизонтальный шов неравномерно.
²Из-за погрешности в работе климатической камеры измеренные значения температур немного отличаются от тех, которые задавались при испытании.
³Такой полный цикл соответствует распространенной поэтапной практике монтажа оконных блоков в новостройках, когда между закреплением окна в проеме и заполнением монтажного шва пеной проходит достаточное количество времени, поэтому летом окно успевает прогреться и «выгнуться».
⁴Более того, эта деформация превышает деформации в фасадном шве (20 – 30 %)!
⁵Подробнее об этом можно прочитать в статье «О несовершенстве монтажного шва» (выпуск № 54, январь 2018 г.).