Подавляющее большинство современных стеновых строительных материалов характеризуются наличием определенной зависимости между такими показателями как — термическое сопротивление, масса, плотность (объемный вес) и прочность на сжатие. В самом упрощенном виде эта зависимость может быть сформулирована следующим образом: чем больше собственный вес и плотность материала, тем выше его прочность, но при этом ниже теплопроводность. Соответственно, менее теплопроводный материал обычно оказывается более легким и менее прочным по отношению к сжимающим усилиям.

На практике данная закономерность проявляется в том, что стены верхних этажей зачастую имеют излишние запасы прочности (несущей способности), в то время как стены нижних этажей обладают избыточным термическим сопротивлением. Следствием же этого дисбаланса становится неоправданное утяжеление, а следовательно – и удорожание надземных и подземных конструкций (стен и фундаментов). Вторым негативным моментом является потеря полезной площади помещений нижних этажей, что особенно актуально для многоэтажных жилых зданий, в которых каждый квадратный метр сегодня стоит навес золота.

Таким образом, массивные капитальные стены сплошной кладки из полнотелого красного или силикатного кирпича считаются неэффективным решением и их применение в современном жилищном строительстве в большинстве случаев оказывается экономически нецелесообразным.

Чтобы избежать этого, следует везде, где имеется избыток прочности, проектировать так называемые облегчённые стены из более лёгких и потому менее теплопроводных материалов, позволяющих уменьшить толщину ограждающих стен настолько, чтобы проектная прочность материала была максимально использована.

Рассмотрим наиболее распространенные и проверенные в российских климатических условиях варианты конструктивного исполнения ограждающих каменных стен облегченной конструкции.

СТЕНЫ ИЗ ЭФФЕКТИВНОГО (ОБЛЕГЧЕННОГО) КИРПИЧА

Простейшим способом рационализации кирпичной кладки стен отапливаемых зданий является использование «эффективных» видов кирпича, которые обладают существенно меньшим объемным весом и более низкой теплопроводностью, чем обыкновенный полнотелый обожжённый или силикатный кирпичи плотностью 1800 кг/м3.

К этой категории кирпича относятся:

• Пенодиатомитовый (трепельный) кирпич типа КПД, получаемый путём обжига глины с добавкой специальной вспененной смеси — «пенодиатомита» (см. Рис.1 (а)).

—  Плотность – 350-500 кг/м³
—  Пористость (пустотность) – 77-81%
—  Теплопроводность — 0,05 — 0,12 Вт/м°С.

• Пористый (поризованный) кирпич, получаемый в результате искусственной поризации глиняной смеси путем добавления в нее при формовании мелкодисперсных органических заполнителей (угольной пыли, полистирола, опилок, сечки и т.п.), которые выгорая в процессе обжига, образуют в теле кирпича огромное количество микропор (см. Рис.1 (б)).

—  Плотность – 800-1000 кг/м³
—  Пористость (пустотность) – 46%
—  Теплопроводность – 0,15 — 0,25 Вт/м°С.

• Известково-зольный и известково-шлаковый кирпич, получаемые по аналогии с силикатным кирпичом технологии из гранулированных доменных шлаков и золы с добавлением извести безобжиговым способом (см. Рис.1 (в)).

—  Плотность – 1400 — 1600 кг/м³
—  Теплопроводность – 0,21 – 0,48 Вт/м°С.

Перечисленные разновидности эффективного (облегченного) кирпича имеют те же форму и размеры, что и обыкновенный керамический, однако средняя прочность на сжатие их на порядок меньше (как правило не более М100).

Рис.1 (а, б, в). Виды эффективного кирпича
а) — пенодиатомитовый кирпич; б) — поризованный кирпич; в) — известково-зольный кирпич.

Конструктивно и технологически процесс возведения каменных стен из эффективного кирпича принципиально ничем не отличается от традиционной кладки с использованием рядового глиняного камня плотностью 1800 кг/м3, но при этом облегченная кладка позволяет добиться весьма ощутимой экономии средств за счет уменьшения толщины стен на 1/2 кирпича (130 мм) и более. Однако имеются и ограничения: такую кладку следует вести только на легких цементных растворах марки не выше М15 и применять исключительно для малоэтажных строений (высотой не более 3 этажей) или верхних этажей высотных зданий. Для возведения стен «мокрых» помещений, а также для устройства печей, дымоходов и т.п. применение эффективных сортов кирпича – крайне нежелательно.

СТЕНЫ ОБЛЕГЧЕННОЙ КЛАДКИ

Более значительного снижения веса каменных стен можно добиться путем замены части внутреннего объема сплошной кладки более легким и менее теплопроводным материалом, выполняющего роль «термовкладыша».

Впервые конструктивное решение стен облегченного типа было предложено в конце XIX века известным французским архитектором Герардом фон Риле, который реализовал свою идею в проекте невиданного ранее по размерам и высоте Кельнского собора. «Стена Герарда» состояла из двух внешних стенок толщиной в полкирпича каждая, расположенных на расстоянии 180-330 мм друг от друга. Пространство между стенками заполнялось засыпным теплоизоляционным материалом: шлаком, золой и т.д. Для обеспечения устойчивости и жесткости в продольном направлении стенки «связывались» между собой поперечными вертикальными диафрагмами, образованными выпусками тычковых рядов (через 1 ряд по высоте) из каждой стенки в шахматном порядке. Дополнительное крепление стенок обеспечивалось металлическими скобами. Для предотвращения отсыревания засыпки вследствие проникающего из помещений конденсата, стены отделывались изнутри плотной штукатуркой. Принципиальная конструкция облегченной кладки наружных стен, выполненной по системе Герарда, представлена ниже на Рис.2.

Рис.2. Облегченная кладка стен по сист. Герарда. Принципиальная конструкция

Кладка по системе Герарда давала значительную экономию кирпича, но отличалась большей трудоемкостью, чем кладка сплошной стены. Связано это было, в первую очередь, со сложностью исполнения поперечных вертикальных диафрагм. К тому же она не позволяла добиться существенной экономии, т.к. требовала дополнительных затрат на изготовление и монтаж металлических связей (скоб). Еще один серьезный недостаток кладки Герарда состоял в неизбежной усадке со временем рыхлой шлаковой засыпки (особенно на глухих и высоких участках стен) вследствие ее большой высоты, что приводило к нарушению теплозащитной функции ограждающих стен и образованию зон продувания. Ну и наконец подобная конструкций стен имела небольшой запас прочности и могла использоваться для зданий высотой не более 3-х этажей.

Придуманная Герардом идея по прошествии лет много раз дорабатывалась и совершенствовалась учеными разных стран, пытавшимся устранить вышеотмеченные недостатки и добиться максимальной рационализации кирпичной кладки. Но наиболее значимые для современной строительной индустрии достижения в этой области принадлежат российские инженеры-разработчики Н.А. Попову и С.А. Власову. Последний окончательно довел до ума технологию возведения облегченных кладок, придумав так называемую «колодцевую кладку», которая до сих считается самым эффективным и рациональным решением стен облегченной конструкции.

Колодцевая или колодезная кладка все также состояла из двух кирпичных стенок с вертикальными пустотами, разделенными диафрагмами, — «колодцами», которые могли иметь разную ширину в зависимости от природно-климатических условий участка строительства и этажности здания. Изначально пустоты заполнялись засыпным теплоизоляционным материалом. Такая кладка позволяла возводить здания высотой до 5 этажей. Впоследствии в качестве теплоизоляционного слоя стали использовать легкие ячеистые бетоны и керамзитовый гравий (для малоэтажных зданий), которые не дают усадку, имеют отличные теплоизоляционные показатели и к тому же значительно повышают несущую способность стен.

Рис.3. Разновидности облегченной кладки наружных стен
А — кирпично-бетонная кладка; Б — кладка с вкладышами из легкого ячеистого бетона; В — кладка с засыпкой шлаком и горизонтальными диафрагмами.

Замена засыпного заполнения облегченных стен легким бетоном или керамзитом позволяет сэкономить до 45% кирпича без ухудшения теплоизоляционных показателей стен. Также большой популярностью сегодня пользуются различные комбинированные модификации «колодцевой» кладки, в которых вместо полнотелого используются эффективные (облегченные) разновидности кирпича. Современные примеры реализации таких кладок приведены ниже.