3. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕН РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

Условия долговечности.

Долговечность конструкций стен определяется сроком их службы без потери требуемых эксплуатационных качеств в данных климатических условиях при заданном режиме эксплуатации. Требуемая степень долговечности конструкций приведена в СНиП и нормах проектирования производственных зданий различного назначения в зависимости от их класса. Она обеспечивается применением материалов, имеющих необходимую морозостойкость, влагостойкость, стойкость против коррозии, высоких температур, циклических температурных колебаний и других разрушающих воздействий среды, а также решением конструкций стен, учитывающим агрессивность среды и предусматривающим специальную защиту.

Условия применения металлических стен, исходящие из требований долговечности, в большей мере определяются тем, что в отапливаемых зданиях стены представляют собой единственную конструкцию, соприкасающуюся с внешней воздушной средой стальной или алюминиевой поверхностью. Поэтому для наружной поверхности стен всегда требуется достаточно надежная защита металла, обеспечивающая его атмосферостойкость. При наличии же в атмосфере паров или пыли, вызывающих коррозию металла, защита наружной и внутренней поверхностей стен должна быть усилена соответственно характеру агрессивных воздействий. Если таких воздействий нет, то для антикоррозионной защиты внутренней поверхности стен из стальных листов можно ограничиться цинковым покрытием (толщиной 20—25 мкм). Для внешней поверхности такой защиты недостаточно. Исследования, проведенные в разных странах, и в частности в Швеции фирмой «Стора Коппарбарг Домнарвет», показывают, что в условиях городской атмосферы для внешней поверхности необходимо было бы цинковое покрытие толщиной 100—150 мкм. Однако такая защита не отвечала бы ни экономическим, ни архитектурным требованиям и поэтому вместо нее используются другие средства.

К высококачественным видам защиты и отделки металлических поверхностей стен относится, в частности, покрытие их стеклянной (или фарфоровой) эмалью. Этот вид защиты характерен большой долговечностью и высокими архитектурными достоинствами, однако техника нанесения такого покрытия сложна и стоимость значительно выше ряда других видов покрытий. Более простыми в технологическом отношении и дешевыми являются покрытия различными водостойкими красками (по оцинковке), но они, как правило, недостаточно эффективны по защитным свойствам, срокам службы и декоративности. В зарубежной практике встречаются и другие виды покрытий тонколистового металла, имеющие ограниченное распространение. Чаще всего для защиты внешней поверхности наружных стальных листов используют комбинированные покрытия, состоящие из обычной оцинковки (толщиной 20—25 мкм) и наносимого по ней слоя пластмассы или полимерной пленки. Вторая (обращенная в толщу стены) поверхность этих листов покрывается по оцинковке только тонкой (10—15 мкм) грунтовкой или лаком.

Создание механизированной и автоматизированной технологии нанесения пластмассовых покрытий на рулонированный тонколистовой металл позволило широко использовать в строительстве металлические стены. В различных странах эта технология и наносимые покрытия, отличаясь иногда несущественно, имеют свои фирменные названия, которые нередко присваиваются и профилированному металлу с такими покрытиями. Но практически имеющиеся разновидности такой технологии определяются общим международным названием «Койл Коутинг» («Coil Coating»), что означает «покрытие рулонов». Металл, покрытый пластмассами по этой технологии, называют часто плакированным или металлопластом. Покрытия по декоративным свойствам близки к отделке кузовов легковых автомобилей. Выпуском металла с покрытием по технологии «Койл Коутинг» и производством необходимых для этого оборудования и материалов занимаются многие фирмы во всех развитых странах.

В нашей стране покрытие рулонированного тонколистового металла пластмассами осуществляется с 1976 г. на двух предприятиях: Челябинском заводе профилированного настила Минтяжстроя и заводе «Электрощит» Минэнерго в Куйбышеве. На этих предприятиях установлены технологические линии английской фирмы «Редман», на которых может производиться покрытие с одной или двух сторон рулонированного металлического листа шириной в пределах 500—1500 мм и толщиной от 0,3 до 1,5 мм. С помощью этого оборудования на металл могут наноситься покрытия на основе различных видов синтетических смол, а также полимерные пленки.

Покрытия, наносимые по технологии «Койл Коутинг», обладают физико-механическими свойствами (и в том числе адгезией к металлу), при которых возможны различные виды обработки рулонированной стали и алюминия, включая профилирование, штамповку, глубокую вытяжку без каких-либо нарушений защитно-отделочного слоя. Для получения таких свойств и требующихся эксплуатационных качеств покрытия важное значение имеет предокрасочная обработка поверхности металла, включающая нанесение особо тонкого (0,5 мкм) первичного слоя специальных химикалиев. Рецептурами этих химикалиев и режимами их нанесения владеют лишь несколько фирм в мире. Оборудование и технология «Койл Коутинг» позволяют наносить на две поверхности металлического рулона одинаковые или различные по составу, толщине и цвету покрытия. Возможны, в частности, следующие варианты (дробью показано сочетание элементов: Г — грунтовка, П — покрытие, К — клей, Пл — пленка, 3 — защитный лак).

Рецептуры всех покрытий основаны на различных видах полимерных смол, которые могут применяться во многих сочетаниях, и включают такие компоненты, как растворители, пластификаторы, стабилизаторы и др., в соответствии с заданными условиями предстоящей механической обработки покрытого металла, а также эксплуатационными и архитектурными требованиями.

В качестве основного компонента этих рецептур используются обычно алкидные, акриловые, эпоксидные, полиэфирные, силиконовые, фенольные, фтористые углеродсодержащие и некоторые другие смолы, а также виниловые системы алкидных смол, поливинилхлоридные органозоли и пластизоли. Для покрытий пленками используются больше поливинилхлориды, иногда поливинилфториды, применение которых ограничивается их относительно высокой стоимостью. Однако вид смолы, составляющей основной компонент покрытия, не полностью характеризует его свойства, которые зачастую зависят также от принятых в рецептурах видов и количеств растворителей, пластификаторов, стабилизаторов, пигментов и специальных фирменных добавок, определяющих особенности покрытия, обозначенного конкретной торговой маркой или названием.

Выбор вида (рецептуры) покрытия, соответствующего условиям обработки и эксплуатации металла, представляет собой достаточно сложную задачу. Критериев для этого выбора много. Одни из них относятся к обрабатываемости и долговечности материала. Это — сцепление покрытия с металлом, его упругость, твердость, стойкость против абразивных воздействий и появления царапин, действия химикатов, обычного и морского воздуха (воздуха с повышенным содержанием солей). При этом действие химикатов может дифференцироваться по основным группам (кислотные, щелочные) и видам. Другие требования носят архитектурно-эстетический характер. Они включают цвет и блеск покрытия, стабильность (сохранение) окраски, стойкость к появлению пятен и др.

При выборе покрытия для конкретного объекта необходимо в ряде случаев рассмотрение указанных критериев с целым рядом дополнений их, учитывающих различные эксплуатационные требования, а также свойства конкретных видов (марок) покрытий. Но иногда можно обойтись характеристиками, которые публикуются фирмами, производящими покрытие металла. Характеристики материалов покрытий, выпускаемых австрийской фирмой «Вольфинг», приведены в табл. 11.

Многие зарубежные фирмы создали свои марки покрытий, такие как «Калеркот» и «Стелветит» (фирма «Бритиш стил корп.» и др., Англия), «Колорасье» (фирма того же названия, Франция), «Дебел» (фирма «Стора стил», Швеция). Эти названия присваиваются не только покрытию но и рулонированному металлу, на который оно нанесено, а Также изготовленным из него листам различных профилей. Ряд эффективных видов покрытий и материалов для них производится в США: «Кинар-500» (фирмы «Пенуолт») на основе винилиденфторидной смолы; «Корад А» (фирмы «Ром и Хаас») на акриловой основе; «Дуракрон» (фирмы «ППГ Индастриз») на основе термоустойчивых акрилов, выпускаемый для различного назначения под многими марками («Дуракрон 100», «Дуракрон супер 610», «Дуракрон супер 600», «Дуракрон супер 630», «Дуракрон 700», «Дуракрон супер 800»), а также производимые той же фирмой материалы «Дуранар» на фторполимерной основе и «Дуранар-200» из особого сочетания смол акриловых и «Кинар». Действующая в США, Англии и других странах строительная и промышленная фирма «Робертсон» создала два своеобразных вида покрытия тонколистового металла, которому она присвоила названия «Галбестос» и «Версакор» [71].

Покупатели изделий из защищенного металла обычно не в состоянии оценить все оттенки свойств покрытий многочисленных марок и названий, а также соответствие их своим требованиям. Поэтому в зарубежной практике установилось, что требования к покрытию и выбор его определяются заказчиком с обязательным участием химиков и других специалистов предприятия-изготовителя.

Общее представление об основных свойствах покрытий названных видов можно иметь по приведенным данным табл. 11, исходя из аналогии применения исходного вида смолы.

Подробнее рассмотрим лишь покрытие марки «Версакор», поскольку подобное ему будет производиться на одном из отечественных предприятий — Челябинском заводе профилированного настила Минтяжстроя. Это покрытие отличается от других, производимых методом «Койл Коутинг», введением дополнительного слоя из эпоксидной смолы, наносимой по оцинкованному металлу, под окраску; использованием для внешнего слоя модифицированной окрашенной термореактивной полиэфирной смолы (в зарубежной практике), а также большой толщиной внешнего слоя (200— 220 мкм). Заметим, что большинство покрытий «Кош Коутинг», кроме пластизолей и органозолей, имеют общую толщину 25—30 мкм. Каждый слой покрытия металла на своей поверхности имеет невидимые трещины, способствующие разрушению покрытия, поэтому наличие в «Версакоре» трех слоев (цинка, эпоксидной смолы и покраски) значительно повышает надежность покрытия Наличие в покрытии слоя эпоксидной смолы обеспечивает улучшение связи между цинком и покрасочным слоем Большая толщина внешнего слоя объясняется стремлением усилить его защитные свойства, а также связано с тем, что под воздействием эксплуатационных факторов этот слой утоньшается («мелеет»). Однако стоимость «Версакора» существенно выше стоимости металла другими покрытиями. Одновременно необходимо отметить, что технологической особенностью покрытия «Вер сакор» является то, что его профилирование должно про изводиться, когда сравнительно толстое покрытие еще и полностью остыло после его нанесения. Поэтому «Версакор» нельзя, подобно металлу с более тонкими покрытия ми, отправлять в рулонах на другие предприятия для профилирования.

Рецептуры и технология нанесения многих из указанных зарубежных покрытий известны и могут быть использованы на Челябинском и Куйбышевском заводах. Кроме того, для этих предприятий институтом «Лакокраспокрытие» (ГИПИ ЛКП) создан и исследован ряд отечественных рецептур с различным предполагаемы», сроком службы покрытий в атмосферных условиях. Так ожидается, что 10—15 лет смогут служить разработанные акрилсиликоновые эмали (АС-1171, АС-1171г АС-1171А) и полиэфирсиликоновые эмали в комплекте с грунтовкой; 5—10 лет — акриловая эмаль АС-5122 и поливинилхлоридный пластизоль ПЛХВ-122; 20—25 лет — алкидно-акриловая смола, используемая в горячем расплаве. Разработано несколько видов грунтовок — эпоксидных (ЭП-0140, ЭП-155, ЭП-0200) и акриловая (АК-0138), а кроме того, покрытий, предназначенных для других целей (не для наружных поверхностей). По данным исследований, физико-механические свойства указанных покрытий удовлетворительные, но значительную часть этих материалов производят как опытные партии. На куйбышевском заводе «Электрощит» приняты, по техническим условиям Минэнерго (ТУ 34-13-4630- 76), разработанные ГИПИ ЛКП покрытия металлического листа акрилсиликоновыми и акриловыми эмалями по эпоксидной грунтовке. В дальнейшем предусмотрено покрытие металлического листа поливинилхлоридным органозолем по акриловой грунтовке, которое может применяться только для конструкций, расположенных внутри зданий. Толщина слоев грунтовки составляет 4—5 мкм, эмалей 25 и органозоля 50 мкм. Для названных эмалей возможны белый, серый, бирюзовый и голубой цвета, для органозоля — белый.

Сторона листа, обращенная внутрь стены, может не иметь покрытия или иметь такое же, как с лицевой стороны, но в большинстве случаев она покрывается слоем алкидного лака толщиной 5 мкм.

На Челябинском заводе профилированного стального настила по техническим условиям Минтяжстроя (ТУ 67-85-75) с изменением № 1 приняты два основных вида покрытий: пластизоль и покрытие типа «Версакор». Пластизоль (наружный) представляет собой диспергированный (измельченный) в пластификаторе поливинилхлорид с 5%-ной добавкой быстро испаряющегося растворителя. Пластизоль наносят на алкидную грунтовку слоем 170 мкм. По такому слою можно наносить рисунок или тиснение. Для нанесения покрытия типа «Версакор» завод имеет специальную технологическую линию. Указанное покрытие — комплексное многослойное на основе алкидно-акриловой смолы, наносимой по эпоксидной грунтовке и слою эпоксидного лака. На той же линии производят резку листа и его профилирование. Производительность линии при скорости нанесения покрытия (движения металла) 30—35 м/мин составляет в расчете на лист 1100х1 мм 30 тыс. т при двухсменной работе.

На Челябинском заводе технологической оборудование позволяет также покрывать металл поливинилхлоридным органозолем или алкидным лаком.

В Технических условиях (ТУ 67-85-75) указано, что при заказах Челябинскому заводу тип покрытия металла, его цвет и тиснение устанавливаются по соглашению между поставщиком и потребителем. В этом документе, так же как в ТУ 34-13-4630-76 Минэнерго, приведены для каждого типа покрытия показатели твердости пленки, ее прочности, адгезии к металлу и др.

При выборе покрытия для наружных металлических поверхностей необходимо учитывать многие требования, основными из которых является обеспечение достаточной стойкости и долговечности покрытия. Этим требованиям удовлетворяют не многие виды покрытий. К ним относятся: поливинилхлоридные пластизоли, силикономодифицированные акрилаты, алкиды и полиэфиры, термореактивные акрилатопродукты, «Версакор», «Галбестос». Сюда же можно отнести, пока дорогостоящие, покрытия из жидкого поливинилиденфторида и пленки поливинил фторида (типа «Тедлер» фирмы «Дюпон», США). Однако следует отметить, что стойкость покрытия в воздушной среде является необходимым, но недостаточным условием выбора его для конкретных условий. Для примера можно указать, что пластизоли и органозоли, хорошо противостоящие атмосферным, химическим и абразивным воздействиям, будучи термопластичными материалами, могут при нагреве выше 70 °С размягчаться, что ограничивает их применение по климатическим условиям. Кроме того, они подвержены более быстрому и сильному загрязнению, чем некоторые другие покрытия. Тем не менее пластизоли и органозоли применяются очень широко. Этому способствуют, наряду с атмосферостойкостью, свойства, благоприятные для механической обработки окрашенного металла, а также удовлетворяющие архитектурным и другим требованиям. Современное производство по нанесению покрытий на рулоны тонколистового металла оснащено автоматизированной технологической линией (рис. 77). Окраска металлической полосы производится со скоростью 40—45 м/мин или при ширине полосы 1300 мм — 3500 м²/ч.

В зарубежной практике осуществляется систематический контроль качества покрытия, который заключается в проверке физико-механических, химических и других показателей, включая чистоту цвета и блеск.

Блеск имеет четыре измеряемые фотоэлектрическим способом (по системе Гарднера) уровня: матовый, полуматовый, шелковый и сатинированный. Проверяется и равномерность блеска — отсутствие «мраморности». Долговечность покрытия контролируют различными методами: лабораторными испытаниями, натурными наблюдениями и др. Так как для покрытий облицовок стен нет общепризнанного понятия долговечности, то она характеризуется по-разному: в частности, временем, в течение которого покрытие сохраняет свой внешний вид при определенных условиях ухода за ним; сроком эксплуатации, после которого требуется ремонт покрытия; периодом службы до полной или основательной эрозии или другого вида износа покрытия, не подвергавшегося ремонту; продолжительностью эксплуатации до появления признаков коррозии на поверхности металла (под слоем защиты).

Характеризуя по одному из этих признаков долговечность своей продукции, фирмы обычно указывают, что она может быть определена достоверно только для конкретных объектов и условий и что при такой оценке срок службы покрытий, как правило, значительно больше гарантируемого для осредненных условий применения изделий. Ряд натурных обследований подтвердил это. Тем не менее для большинства упомянутых выше видов покрытий фирмами гарантируется сравнительно небольшой срок службы — 10 лет. Для отдельных видов, в частности поливинилхлоридных пластизолей, этот срок составляет 15 лет, а для фторсодержащих (окрасочных пленочных) он достигает 20—25 лет.

Кроме долговечности металлических облицовок стали необходимо также знать и контролировать срок службы других элементов конструкций: утеплителей, уплотнителей стыков и герметиков, креплений к несущим конструкциям.

По результатам отечественного и зарубежного опыта установлено, что такие теплоизоляционные материал как пенополиуретан и пенополистирол, в отличие от некоторых других пенопластов, и в частности фенолынорезольных, характеризуются замкнутостью пор, что обусловливает их низкое водопоглощение и хорошую морозостойкость. Пенополиуретан, используемый в ряде стран, и в частности в ФРГ [60], для трехслойных панелей, не подвержен гниению и заплесневению, достаточно стоек против действия микроорганизмов, масел, бензина и других алифатических углеводородов, многих растворителей, красок и лаков, разбавленных кислот и щелчей. В стенах пенопласты надежно защищены металле от разрушающих ветровых, абразивных и других атмосферных воздействий, а также от ультрафиолетово: облучения, ускоряющего старение пластмасс. Необходимо, однако, учитывать, что при неблагоприятном сочетании интенсивности и продолжительности солнечного нагрева облицовок в панелях «сэндвич» возможно размягчение пенополиуретана и пенополистирола вблизи металла и ослабление адгезии между ними, что снижает жизнеспособность конструкций.

Нередко у конструкторов возникает вопрос о долговечности (выносливости) панелей, утепленных пенопластами, под воздействием пульсации ветровых нагрузок. Исследования, проведенные в ЦНИИСКе, показали, что собственные частоты таких панелей находятся в диапазоне 10—15 Гц, в то время как преобладающие частот пульсации ветровых нагрузок не превышают 0,1 Гц, т. значительно ниже, что позволяет рассматривать такие нагрузки как квазистатические (циклические). Было проведены испытания образцов панелей на поперечны изгиб под воздействием циклической нагрузки при частоте 80—120 циклов в минуту (около 2 Гц), при постоянном коэффициенте асимметрии цикла, равном 0,4. Б; за циклических испытаний была принята равной 5•10 циклов, что соответствует примерно одному году эксплуатации панелей (при частоте пульсации ветровых нагрузок 1—2 в минуту). Параллельно проводили испытан на кратковременную статическую нагрузку.

Испытывали образцы панелей с металлическими о лицовками (профилированными и плоскими) и с тремя видами пенопласта — полистирольным ПСБ-С, фенолформальдегидным «Виларес 5» и пенополиуретановы Разрушение образцов как при кратковременных, так при циклических испытаниях происходило вследствие разрушения пенопласта вблизи опоры по поверхностной слою, прилегающему к обшивке, либо по всей высоте стечения с образованием наклонных сквозных трещин, процессе испытаний образцов с полиуретановым и пол стирольным пенопластом не было обнаружено каких-либо нарушений структуры среднего слоя вплоть до момента разрушения образцов, тогда как в образцах с фенолформальдегидным пенопластом примерно после 3•10⁵ циклов нагружения появлялись и развивались локальные трещины.

По определенным в результате испытаний величина разрушающих нагрузок при циклическом и кратковременном нагружении было установлено, что образцы пенополиуретаном имели значительно более высокое о ношение циклической прочности к статической, чем oбрразцы с полистирольным и фенолформальдегидным пенопластом. Это связано с большей эластичностью пенополиуретана и меньшей его чувствительностью к развитию усталостных микротрещин. По результатам исследований, эластичность пенопласта, выраженная величиной предельной деформации (отношением предела прочности к модулю упругости), оказалась для пенополиуретана объемной массой 48—50 кг/м³ примерно вдвое выше, чем для полистирольных и фенольных пенопластов.

Довольно долго сохраняют свои свойства применяемые в стенах послойной сборки стекловолокнистые минераловатные рулонированные маты, простеганные двусторонним покрытием стеклотканью или специально бумагой. Что касается минераловатных плит — полу жестких и жестких, производимых нашей промышленностью для другого назначения, то их долговечность в стенах еще не определена. Весьма вероятна утрата довольно короткий срок упругости этих плит и, следовательно, эффекта обжатия их металлическими обшивками Следует также опасаться того, что эти плиты под воздействием собственного веса скоро обомнутся, осядут, что их мелкие волокна выветрятся и все это повлечет за собой неблагоприятные изменения различных свойств материала. Заметим, что при некоторых способах производства минераловатных плит в этих изделиях оказываются кислотные компоненты, способствующие развитию коррозии металлических обшивок.

Степень долговечности уплотнителей стыков и герметиков отечественного производства вполне определена для стен из железобетонных панелей. Поскольку в нашей практике техника устройства металлических стен находится еще в стадии становления, для стыков в этих конструкциях применялись в основном те же материалы, что и в железобетонных стенах. Однако в металлических стенах условия службы таких материалов иные, что определяется многими особенностями этих конструкций, и в частности большей их деформативностью по сравнению с железобетонными, особенно под воздействием температуры. Поэтому, очевидно, ассортимент уплотнителей? и герметиков будет расширяться применительно к конструкциям металлических стен.

Крепления металлических элементов стен должны удовлетворять двум условиям долговечности. Первое из них относится к антикоррозионной защите крепежный деталей, заключающейся в использовании нержавеющих металлов или нанесении на них слоя кадмия, цинка, алюминия и других стойких покрытий. Второе условие состоит в предотвращении расстройств креплений: потери плотности соединений и прочности крепежных деталей под действием пульсации ветра, вибрации, возбуждаемой технологическим оборудованием и кранами, измерений температуры металлических обшивок. Учет этих воздействий важен и для прогноза изменений структуры и свойств утеплителей, для обеспечения длительного сохранения сцепления металлических облицовок с утеплителем (в панелях «сэндвич») и уплотнителями стыков, а также с герметиками. Однако влияние переменности воздействий и вибрации на состояние конструкций металлических стен исследовано мало. Работы в этой области ведутся в ЦНИИСКе и в Уральском Промстрой ниипроекте.

На долговечность стен влияет также выбор рациональных архитектурных решений фасадов зданий. На стенах из любых материалов, а на металлических особенно, не рекомендуется делать поясов, сливов, сандриков, у которых ускоренно развиваются эрозия и коррозия материала поверхности. Наружных водостоков — желобов на кровле и водосточных труб — следует вообще избегать.

Арон Шаевич Дехтяр
Облегченные конструкции металлических стен промышленных зданий
1979