Автор — Д-р Рональд Флэйг, менеджер проекта по инновациям в Dörken GmbH & Co. KG, Хердеке
* — Для упрощения под термином «пленки» указаны полимерные подкровельные изоляционные материалы — диффузионные мембраны, водозащитные плёнки.
Евростандарт DIN EN 13859-1 устанавливает основные качественные характеристики плёнок и методы их испытаний. Это гарантирует, что технические характеристики, указанные в декларациях о свойствах (DoP) различных мембран сопоставимы.
В стандартах на продукцию длительного применения, к которой относятся и водозащитные плёнки, одной из самых больших проблем является определение параметра «долговечность после искусственного старения». Свойства долговечности также определяются в соответствии со стандартизированными методами испытаний, однако методика испытаний должна включать в себя факторы старения, их параметры и периоды воздействия на продукт, специфичные для условий применения именно этого продукта. К тому же, естественный процесс старения должен быть смоделирован в искусственных условиях таким образом, чтобы его можно было провести в относительно короткие сроки.
Во время разработки стандарта на гидроизоляционные плёнки было получено мало результатов о долгосрочном старении этих материалов. Версия от 2010 года, которая все еще актуальна сегодня, для искусственного старения учитывает относительно короткую фазу испытаний, когда материал подвергается воздействию ультрафиолетового излучения (336 часов УФ-облучения / 55 МДж/м²), а также термическому воздействию в закрытом состоянии без УФ-облучения (90 дней хранения при 70 °C). Эти методы моделирования старения не изменились и по сей день.
На протяжении многих лет было установлено, что не все продукты, проходящие нормативный процесс искусственного старения, имеют достаточную стойкость при реальной эксплуатации. Среди них были выявлены многочисленные случаи, когда плёнки не подвергались воздействию ультрафиолетового излучения, поскольку монтаж кровельного покрытия был выполнен очень быстро. Поэтому УФ-повреждение в качестве основного аргумента исключается. Следовательно, причина повреждений должна находиться под кровельным покрытием. Стало очевидно, что действующий стандарт на искусственное старение отражает реальные процессы лишь частично и недостаточно.
Определяющие факторы на уровне контробрешетки
Рис.1 Полностью разрушенная мембрана в реальных условиях
Обладая более чем 60-летним опытом в разработке подкровельных плёнок, компания Dörken несколько лет назад начала глубоко изучать климатические условия на уровне контробрешётки на различных крышах в Германии и влияние этих условий, а также более подробно исследовать процесс старения подкровельных мембран. В дополнение к температуре и влажности, также измерялось и регистрировалось движение воздуха в вентиляционном зазоре. Регулярно отмечалось, что с появлением солнечного света на поверхности крыши скорость воздуха под кровлей увеличивалась. Скорости воздушного потока до 1 м/с не были редкостью. Одной из причин относительно высоких скоростей воздуха был нагрев кровельного покрытия из-за солнечной радиации. С другой стороны, сопоставимые скорости воздуха наблюдались даже в пасмурные дни. В этих условиях ветер усиливает движение воздуха в вентиляционном зазоре, проникая через отверстия на карнизном свесе и создавая разряжение в зоне конька. Это вызывает эффект дымохода между кровлей и подкровельным слоем.
Такие выводы о воздушном движении на уровне контробрешётки не новы и уже были описаны Лиершем[i] в 1986 году. Holzforschung Austria недавно взялся за эту тему и более подробно исследовал движение теплых масс и их влияние на материалы конструкции скатной крыши[ii].
Как движение воздуха влияет на процесс старения?
После исследований на крыше образцы нескольких мембран были подвергнуты горячему хранению при 70 °C и различных скоростях воздуха. В течение почти двух лет пробы отбирались через регулярные промежутки времени и исследовались на устойчивость под давлением динамического водного столба. Такое воздействие использовалось в качестве средства визуализации явлений старения. Прогрессирующие процессы старения в полимерах сопровождаются потерей пластичности и прочности на разрыв, обычно также называемой охрупчиванием, и поэтому могут быть распознаны в тонких пленках или мембранах по снижению их устойчивости к давлению водяного столба. В конечном счете, водонепроницаемость является решающим свойством продукта, и она должна поддерживаться в достаточной степени в течение срока службы крыши.
На графике показано снижение водонепроницаемости мембран со временем при трех различных скоростях воздуха. В качестве примера была выбрана стандартная 3-слойная мембрана, которая теряет водонепроницаемость (W1, высота водяного столба 200 мм свыше 2 ч) уже через три года в реальных условиях эксплуатации. Красная кривая изображает старение образца с незначительной скоростью воздуха <0,05 м/с., что в целом соответствует условиям DIN EN 13859-1 (2010). Последствия разрушения можно увидеть уже через 70 недель испытаний. Из-за начала процесса старения мембрана больше не может выдерживать такое же давление водяного столба, как это было на новом образце и начинает протекать при все более низких столбах воды. Примерно через два года искусственного старения по действующей методике испытаний мембрана полностью выходит из строя. Установленная на крыше, она имеет фактический срок службы всего три года.
Если скорость воздуха увеличивается до 0,3 м/с (максимальная скорость воздуха в стандартных испытательных установках старения), то огромное влияние движения воздуха на срок службы мембраны становится уже очевидным (зеленая кривая). Теперь, спустя всего полгода искусственного старения, начинается качественный распад мембраны, что затем приводит к потере водонепроницаемости примерно через год. Такая методика испытаний на искусственное старение имеет большое ограничение по длительности: требуется один год испытаний для подтверждения функциональной долговечности всего в три года. Экстраполируя на срок службы крыши в 25 лет, это будет означать продолжительность испытаний не менее восьми лет, что является неприемлемо долгим сроком.
Создание урагана в печи
Рис.2 Печь старения со скоростью воздуха 5 м/с («ураганная печь»)
Для решения этой проблемы в сотрудничестве с ведущим производителем промышленного оборудования была разработана специальная печь для ускоренного старения, которая обеспечивает значительно более сильное движение воздуха со средней скоростью 5 м/с, чем стандартные испытательные печи. В этих условиях (синяя кривая) выбранный образец мембраны теряет функциональность (водонепроницаемость) уже после непродолжительного периода испытаний от шести до восьми недель.
Рис.3 Воздушные отсеки печи
Деградация продукта, который выйдет из строя после трех лет практического использования, становится очевидной уже в этот короткий промежуток времени. Но при использовании стандартной методики старения такие повреждения могут быть достигнуты только через два года испытаний. А как насчет мембран, которые выходят из строя через 10 или 15 лет? Сколько времени теперь должен занимать тест на искусственное старение при средней скорости воздуха 5 м/с, чтобы продемонстрировать достаточную устойчивость к старению на реальной крыше? Если три года старения на реальной крыше отражаются в шести-восьми неделях искусственного старения, то для подтверждения срока службы 25 лет потребуется тест на старение в течение 64 недель!
Компания Dörken закрепила такое испытание на долгосрочную устойчивость к движению воздуха в вентиляционном зазоре в качестве дополнительного метода к существующей характеристике «долговечность после искусственного старения» стандарта в EAD**. Тест уже предлагается независимым испытательным институтом. Это дает каждому производителю возможность сертифицировать устойчивость своей продукции к старению для подтверждения клиентам заявленной долговечности.
Остается надеяться, что движение воздуха, которое до сих пор было полностью недооценено, будет учтено как важный фактор, влияющий на процесс старения подкровельных мембран при будущем пересмотре стандарта и станет неотъемлемой частью доказательства «долговечности после искусственного старения».
** Примечание: Европейский оценочный документ, или сокращенно EAD, представляет собой гармонизированную техническую спецификацию, разработанную EOTA в качестве основы для европейских технических оценок (ETA).
Рис.4 Контейнер с крепежным устройством для образцов
EAD предоставляет производителям возможность маркировать знаком CE строительные изделия, которые не подпадают под действие или не полностью подпадают под действие согласованного европейского стандарта (hEN) в соответствии с Регламентом о строительных изделиях (ЕС) 305/2011. Маркировка СЕ позволяет производителю свободно продавать свою продукцию во всей Европейской экономической зоне, а также в Швейцарии и Турции.
Предыстория и перспективы:
Как движение воздуха влияет на процесс старения?
Полимеры, входящие в состав подкровельных плёнок, подвергаются процессу окисления различной силы. Процессы окисления известны, например, по образованию ржавчины на железных поверхностях. Так называемое сжигание калорий в организме человека также является процессом окисления с участием вдыхаемого кислорода. Во время занятий спортом более быстрое дыхание еще больше ускоряет процесс окисления, способствуя расщеплению жировых клеток. В дровяных печах дрова также окисляются быстрее или медленнее в зависимости от впуска воздуха, который можно регулировать с помощью заслонки. Чем больше свежего воздуха подается, тем быстрее идет процесс окисления. Этот простой принцип применим и к подкровельным плёнкам.
Что это означает для использования и развития подкровельных мембран?
Казалось бы, логичным отказаться от принципа вентиляции подкровельного зазора как ключевого конструктивного элемента скатных крыш и заглушить карнизные и коньковые проемы. Однако это было бы худшим решением, так как привело бы к еще более серьезным проблемам из-за увлажнения конструкции. Вместо этого в будущем производители подкровельных материалов должны будут учитывать движение воздуха в вентилируемом зазоре как важный фактор при разработке продуктов, устойчивых к старению. При научном понимании взаимосвязей и последующем выборе подходящих материалов и добавок, таких как стабилизаторы, можно разрабатывать продукты, способные выдерживать реальные условия эксплуатации в различных климатических зонах. Эти продукты доступны уже сегодня.
Рис.5 Рамка для фиксации образцов
Рис.6 Образец после испытаний: повреждение от старения через 24 недели, кромка по периметру – без повреждений
Рис.7 Образец после испытаний: Типичное повреждение, окисленный функциональный слой, полная потеря класса водонепроницаемости W1
Рис.9 Положительный пример мембраны: даже после 84 недель искусственного старения нет потерь прочности при тесте динамическим столбом воды
Рис.8 Гидротестер FX3000-IV для определения стойкости к давлению динамического водяного столба высотой до 20 м
Графика и фотографии: Dörken GmbH & Co. KG
[i] К.В.Лирш, Belüftete Dach- und Wandkonstruktionen, Band 3: Dächer, Bauphysikalische Grundlagen des Wärme- und Feuchtschutz / Вентилируемые кровельные и стеновые конструкции, том 3: Кровли, строительная физика, основы тепловлагозащиты. Bauverlag Wiesbaden 1986
[ii] Й.Бахингер, Й.Тибен, Б.Нуссер, Деревянное строительство 1/2020 с.50-53