ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОКОН
Дерево: тепло, экологично, но хлопотно
На протяжении многих веков оконные рамы
изготовлялись исключительно из дерева. Мы его любим за способность сохранять тепло
и экологичность. Последнее достоинство довольно спорное. Дерево, материал
природный, полезно не только человеку, но и другим живым организмам -
бактериям, грибкам, древесным насекомым-вредителям и прочим биоагрессорам. Для
борьбы с ними деревянные рамы обрабатывают, склеивают и окрашивают различными
химическими составами, применение которых, увы, ставит его экологическую
чистоту под сомнение.
Окна, которым сто лет.
Здание по проекту арх. П.Ф. Алешина постройки
1907-1909г.
СПб, ул. Марата, д. 72
Кроме того,
древесина от повышенной влажности гниет, от пониженной - рассыхается, со
временем теряет внешний вид. За ней нужен тщательный уход, как за нежным
цветком. При соблюдении всех технологических процессов на производстве и во
время монтажа, периодическом уходе окна из дерева одни из самых теплых и
долговечных. Применение для производства окон ценных пород древесины
существенно повышает долговечность и стоимость. В настоящее время не
существует окон, эксплуатирующихся более ста лет, кроме деревянных.
Приведенное
сопротивление теплопередаче (теплоизоляция) (Rnp) окон из дерева со
стеклопакетами может быть больше - 1,0 (м2 °С/Вт), что значительно
выше норматива в Санкт-Петербурге. Из дерева возможно изготовить окна по
индивидуальному заказу, которые не получатся из других материалов, к примеру с
художественной резьбой. Производители предлагают очень большое разнообразие
конструкций, в том числе, окна с алюминиевыми накладками (комбинированные окна)
снаружи значительно увеличивают срок эксплуатации, но не отменяют обслуживание.
Обычно накладки крепятся с зазором через пластиковые фиксаторы, поэтому нет
попадания прямых солнечных лучей и дождя, но есть воздействие влажности и
температуры.
Наилучшую шумо- и
теплоизоляцию имеют конструкции с двумя рамами остекления, которые могут быть
спаренными или раздельными (скандинавские окна). Наиболее практичный вариант
конструкции, когда наружная рама выполнена из алюминия с одинарным стеклом, а
внутренняя из дерева со стеклопакетом.
Алюминий: прочно, но холодно
Окна из алюминия надежны в эксплуатации и долговечны.
Этот материал в свое время занял небольшую рыночную нишу, и вполне приемлем для
производственных, торговых, складских помещений. Он прочен, технологичен,
неприхотлив, но как всякий металл, он теплопроводен и преспокойно уводит тепло
из помещения: зимой окна с алюминиевым профилем промерзают. Эта проблема
решается установкой в профиль «терморазрыва», или по-другому пластиковой
вставки между алюминиевыми профилями, что существенно повышает стоимость. Чем
шире «терморазрыв», тем лучше теплоизоляция и больше стоимость.
В высотном строительстве
широко применяют окна из алюминия, что обусловлено высокой прочностью и
сравнительно небольшим коэффициентом линейного расширения, отличающимся от
стекла примерно в два с половиной раза. При этом на стоимость приходится
внимания не обращать, единственная альтернатива окнам из алюминия для высоток
это стеклопластик.
Таблица 1. Коэффициент
линейного расширения
Материал
|
1×10-6/°C
|
Стекло
|
9-10
|
Стеклопластик
|
9-12
|
Поливинилхлорид (ПВХ)
|
75-80
|
Сталь
|
11-14
|
Алюминий
|
22-23
|
Коэффициент линейного
расширения в алюминиевых конструкциях единственно может сказаться в фасадах при
не внимательном проектировании и изготовлении, но это уже другая история, не относящаяся
к окнам.
Очень интересны
комбинированные окна из алюминия, которые со стороны помещения облицованы
деревом. Получаются достоинства алюминия вид и фактур дерева.
Как известно
алюминий отличный электропроводник и при малейшем повреждении краски вблизи
стального анкера образует с ним гальваническую пару. Возникает
электрохимическая коррозия, которая разрушает конструкцию и резко сокращает
срок ее службы. Так что долговечность алюминиевого профиля не бесспорна. Во
избежание коррозии следует надежно изолировать места крепления окна, иначе
придется следить за покрытием профиля - периодически зачищать и подкрашивать
при этом не известно, что будет происходить внутри не окрашенного профиля.
Кстати, кто сказал, что алюминиевые окна не требуют ухода?!
Металлопластик, ПВХ:
дешево купить, дорого владеть
Поливинилхлорид
(ПВХ) относится
к старейшим искусственным материалам. Впервые поливинилхлорид был получен в
лабораторных условиях в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри
Виктором Реньо.
В середине XX века
пластиковые оконные профили стали активно теснить деревянные и алюминиевые.
Сегодня, окна из поливинилхлоридных (ПВХ) профилей занимают свыше 60% рынка. В
перспективе их доля должна серьезно уменьшиться. По причинам, изложенным ниже.
Основное достоинство ПВХ
кроется в его химической и биологической инертности и дешевизне. Этот полимер
не гниет, не плесневеет, не коррозирует, не рассыхается, не набухает и т.п.
Однако его физико-механические свойства весьма скромны. Прочность настолько
низкая, что оконный профиль приходится армировать сталью, отчего падает его
теплоизоляционная способность.
ПВХ-профили
получают методом экструзии - непрерывного выдавливания размягченного материала
через отверстие определенного сечения, определяемого типом фильеры (детали
машины для формования химических волокон в виде колпачка или пластины) при
температуре 80-120 °С.
По своему
химической природе поливинилхлорид относится к группе термопластов, для которых
характерно быстрое снижение механических свойств при повышении температуры,
обусловленное линейным строением молекул полимера и их малой связью друг с
другом, снижающейся при нагревании. Такое строение обуславливает сильную
зависимость свойств поливинилхлорида от температуры.
В России, с
приходом на рынок фирм-производителей ПВХ профилей для окон, была разработана
методика искусственного старения и испытаны профили разных
фирм, каждая фирма получает соответствующий сертификат. Испытания доводят до 40
условных лет эксплуатации в умеренном климате. Механические качества
профилей остаются при этом в пределах норм. Но испытания профиля - это не
испытания окна.
На сколько лет вы покупаете
окна?
В головах у
всех, кто имеет отношение к оконному рынку, прочно засела цифра «40»,
понимаемая иногда по-разному (от «условных лет эксплуатации» до «гарантийного
срока на пластиковый профиль»), но находящая однозначное выражение во фразе
менеджера по продажам: «Ваши окна прослужат не менее 40 лет». Происходит
подмена понятий, испытания поливинилхлоридного профиля на старение без нагрузки
представляют как долговечность металлопластиковых окон.
В журнале
«Светопрозрачные конструкции» № 2 за 2009 год была опубликована статья: «О
долговечности окон». В которой, как и положено, в научной статье, с
соответствующими ссылками, подробно описано, что в наших ГОСТ нет ни методик
испытаний окна из ПВХ профилей, а как единой конструкции, ни обязанности это
делать производителю. Ниже приведены выдержки из статьи.
«Очень часто
понятие стойкости материала к тем или иным воздействиям подменяется понятием
долговечности. Тем самым методически неправильно объединяются в одно понятие
стойкость собственно материла (его образцов) в определенных стандартных
условиях и долговечность конструкции, изготовленной с применением этого
материала, при внешних воздействиях на него.»
«Все бы
неплохо, но в ГОСТ
30673-99 отсутствует упоминание об эксплуатационных свойствах ПВХ профиля,
вероятно, потому, что сами по себе ПВХ профили не эксплуатируются?»
«Особенность
вышеперечисленных нормативных документов состоит в том, что методически
материалы, детали и узлы из них в ходе испытаний находятся в ненапряженном состоянии,
то есть не испытывают всего комплекса эксплуатационных воздействий, как того
требует ГОСТ
27.002-89. Поэтому в этом случае показатели будут определять не
долговечность, а просто стойкость к старению.»
«Любопытно,
что в случае оконных блоков деревянных со стеклопакетами (ГОСТ
24700-99) о долговечности деревянных брусков-профилей речь не идет.»
ВЛ. Миков,
кф.-м.н., ведущий специалист НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»,
А.Ю.
Куренкова, директор НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»
Поливинилхлорид
имеет очень высокий коэффициент температурного(линейного) расширения, равный 80×10-6
[1/°С]. Для сравнения: эта величина для стали и бетона составляет порядка
10×10-6 [1/°С], а для стекла 8,5×10-6 [1/°С].
Таким образом, ПВХ имеет коэффициент в 10 раз больший по сравнению со стеклом и
с материалом примыкающих к окну наружных стен. Такое соотношение величин
приводит к тому, что температурные деформации, а соответственно, и напряжения в
профиле, остеклении и примыкающих к окну конструкциях, резко отличаются по
величине. Эта особенность, в сочетании с низким модулем упругости ПВХ практически
полностью определяет долговечность и эксплуатационные характеристики
металлопластиковых окон по сравнению с окнами из других материалов - дерева,
алюминия и стеклопластика.
«...длина
двухметрового отрезка профиля может колебаться в пределах одного сантиметра
(9,6 мм) при изменении температуры поверхности от +40 до -20 °С»
«Справочник монтажника», том 1, авторы: В.Л. Миков, А.Ю. Безруков.
В странах с
умеренным климатом (Германия, Франция, Англия) долговечность окон из ПВХ достигает
40 лет. В скандинавских странах, близких нам по климатическим условиям окна из
металлопластика практически не встречаются. Почти во всех западных странах
включая США и Канаду, существуют жесткие ограничения по применению окон,
ограничиваются размеры окон, цвет профилей, этажность.
Таблица 2. Характеристики
материалов применяемых в производстве окон
ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
Стеклокомпозит
|
Сталь
|
Алюминий
|
ПВХ
|
Дерево
|
Коэффициент линейного расширения (1×10-6/°С)
|
9-11
|
11-14
|
22-23
|
75-80
|
***
|
Коэффициент теплопроводности (Вт/м °С)
|
0,3-0,35
|
48
|
140-190
|
0,15
|
0,28
|
Плотность (кг/м3)
|
1600-2000
|
7800
|
2700
|
1400
|
500-600
|
Напряжение разрушения при изгибе (Мпа)
|
690-1240
|
400
|
275
|
80-110
|
48,5-68,0
|
Напряжение разрушения при растяжении (Мпа)
|
410-1180
|
410-480
|
80-430
|
41-48
|
20,8-78
|
Модуль упругости при изгибе (Мпа)
|
50
|
210
|
70
|
|
|
Модуль упругости при растяжении (Мпа)
|
40-55
|
210
|
70
|
2,8
|
8,7-10,3
|
Для наших условий эксплуатации не рекомендуется
устанавливать окна из ПВХ размером более 1,4×1,4 метра и выше 4-го этажа,
тем более на открытой местности. При этом реальная долговечность составит 10-15
лет.
Эксплуатация пластиковых
окон.
Эксплуатация пластиковых
окон в странах с суровым континентальным климатом, к числу которых относится и
Россия, связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными
физико-механическими свойствами поливинилхлорида.
Набор
необходимых свойств определяется в соответствии с характером напряжений,
возникающих в окне под воздействием эксплуатационных и технологических
нагрузок. ПВХ - профили при эксплуатации в окне испытывают нагрузки на
растяжение, сжатие и удар. Все это происходит под воздействием изменяющейся
температуры, ультрафиолета и других атмосферных факторов. Поэтому для
поливинилхлорида важны и такие показатели, как температура размягчения,
коэффициент линейного расширения и цветоустойчивость. Все эти воздействия и
свойства материала следует рассматривать вместе как влияющие в совокупности на
эксплуатацию и долговечность окна.
Таблица 3. Модуль упругости
различных материалов
Материал
|
Е, Н/мм2
|
Е, МН/м2
|
ПВХ твердый
|
2,7
|
0,027×105
|
Дерево вдоль волокон
|
10,0
|
0,1×105
|
Бетон
|
10,0-30,0
|
0,1...0,3×105
|
Стеклопластик
|
18,0-40,0
|
0,18...0,4×105
|
Дерево поперек волокон
|
50,0
|
0,5×105
|
Алюминий
|
67,5
|
0,675×105
|
Алюминиевые сплавы
|
71,0
|
0,71×105
|
Сталь
|
210,0
|
2,1×105
|
При понижении температуры модуль упругости
ПВХ повышается, а следовательно, растут и его прочностные характеристики на
растяжение, сжатие и изгиб. Однако, при этом увеличивается его хрупкость
(падает ударная вязкость). При понижении температуры ПВХ с 23 до 0 °С, его
ударная вязкость падает вдвое. Не случайно оконные фирмы, имеющие достаточный
опыт работы, приостанавливают монтажи окон из ПВХ в зимнее время при
температуре наружного воздуха ниже -10÷15 °С, когда риск хрупкого разрушения ПВХ при механическом
воздействии велик. При температуре ниже -20 °С следует оберегать окно от
ударных воздействий, которые могут возникнуть, в том числе от ветра при
открытой створке.
Физические
характеристики поливинилхлорида с различной стабилизацией
Характеристика
|
Методика испытаний
|
Единица измерения
|
Стабилизация (свинец)
|
Стабилизация (кальций-цинк)
|
Объемный вес
|
DIN 53479
|
кг/м3
|
1500
|
1460
|
Модуль упругости
|
DIN 53457
|
Н/мм2
|
2,98
|
2,46
|
Коэффициент температурного расширения
|
|
1/°С
|
80×10-6
|
|
Температура размягчения
|
DIN 534460/B
|
°С
|
82,5
|
79,5
|
Предел прочности при растяжении
|
DIN 53455
|
Н/мм2
|
43
|
41
|
Относительное удлинение при разрыве
|
DIN 53455
|
%
|
101
|
94
|
Ударная вязкость образца с надрезом при +23 °С
|
DIN 53753
|
КДж/м2
|
56
|
63
|
Ударная вязкость образца с надрезом при 0 °С
|
DIN 53753
|
КДж/м2
|
27
|
32
|
Твердость D по
Шору
|
DIN 53505
|
единица твердости
|
74
|
71
|
С повышением температуры поливинилхлорид постепенно размягчается - его относительное
удлинение при разрыве увеличивается, прочность на сжатие и изгиб падает. В зоне
температур от +10 °С до +40 °С механические характеристики уменьшаются очень
незначительно, и в большинстве случаев этими изменениями можно пренебречь.
Резкое падение
прочностных свойств ПВХ начинается выше температуры +40 °С, а вблизи t = +80
°С находится его точка размягчения. Таким образом, можно сделать вывод о том,
что применение ПВХ-окон недопустимо в помещениях с повышенными
тепловыделениями. Категорически не рекомендуется устанавливать ПВХ окна,
окрашенные в темные тона в силу того что, поверхность профиля может
нагреться до 80 °С под воздействием прямых солнечных лучей при температуре
атмосферного воздуха более 30 °С. Во избежание застаивания в профилях горячего
воздуха, производители окон проводят «конструктивные мероприятия» по вентиляции
наружных камер, т.е. сверлятся отверстия в профиле для вентиляции снизу
и сверху, которые зимой уменьшают теплоизоляцию окон.
В статье,
опубликованной в журнале «Светопрозрачные конструкции» № 3 за 2008 год, Павел
Коротин, управляющий партнер группы компаний «Добрые Окна» пишет:
«К сожалению,
следует отметить, что в настоящее время не существует публикаций, описывающих
реальное деформационное поведение оконного блока (с учетом температурных
расширений, наличия армирования, неравномерности прогрева и неподвижности точек
крепления)»
Попробуем
рассмотреть, что происходит с окном в процессе эксплуатации. Естественно с
изменением времени года меняется и температура атмосферного воздуха, «вступает
в свои права» коэффициент температурного расширения. Зимой наружная стенка
профиля стремится сжаться, летом удлиниться, сторона профиля находящаяся в
помещении не изменяет своих размеров. (Рис. Термические деформации ПВХ
профилей) Поэтому профиль изгибается тем больше, чем больше разница температур
между помещением и улицей. Рама деформируется меньше, ее держат крепления окна
к стене, а створка окна имеет большую степень свободы, поэтому возникают щели
между профилями.
Термические деформации ПВХ профилей
|
|
|
|
заготовка на производстве
|
зима
|
лето
|
лето
|
снаружи
|
внутри
|
снаружи
|
внутри
|
снаружи
|
внутри
|
снаружи
|
внутри
|
+20 °С
|
+20 °С
|
-20 °С
|
+20 °С
|
+40 °С
|
+20 °С
|
+80 °С
|
+20 °С
|
2000 мм
|
2000 мм
|
1993,6 мм
|
2000 мм
|
2003,2 мм
|
2000 мм
|
2009,6 мм
|
2000 мм
|
белый профиль
|
белый профиль
|
белый профиль
|
не белый профиль
|
Термические деформации ПВХ
оконного блока при закреплении в проеме
а) схема крепления оконного блока (А=700 мм;
Е=100-150мм)
б) деформирование летом
в) деформирование зимой
Кроме этого
происходит деформация оконного блока и в другой плоскости. (Рис. Термические
деформации ПВХ оконного блока при закреплении в проеме). С учетом принятой в
Германии схемы крепления оконного блока в проеме его термическое деформирование
показано на рис. б), в). Данные деформации существенно влияют на закрепленный
стеклопакет в створке, что приводит к провисанию оной и необходимости
приподнимать ее при закрывании или переставлять стеклопакет и естественно
регулировать фурнитуру. Так же происходит деформация, сжатие и разрушение не
эластичной полиуретановой пены монтажного зазора между окном и стеной. Во
избежание накопления и замерзания затекающей в щели воды, производители окон
проводят «конструктивные мероприятия» по отводу влаги из окна, т е сверлятся
отверстия в профиле снизу, которые влияют на теплоизоляцию окон.
Производители
ПВХ профилей борются за улучшение теплоизоляции окон увеличением количества
камер и толщины профиля, но его приходится армировать для повышения прочности,
что понижает теплоизоляцию. Об этом же говорит д.т.н., профессор В. Миллер,
технический директор фирмы Gealan Fenster Systeme GmbH.:»... помимо
соответствующего приведенного сопротивления теплопередаче профиль должен
обладать и необходимой механической стабильностью. Последнее почти целиком
обеспечивается стальным усилителем профиля, который, в свою очередь,
существенно снижает приведенное сопротивление теплопередаче профиля в целом»
(Стройпрофиль. 2007, № 2 (56). С. 96-98).
В статье
сотрудника ЗАО «Профайн РУС» В.А. Калабина «Тонкости проектирования ПВХ
конструкций (СК/СБ. 2004. № 2. С. 42-45) рассматривались проблемы ПВХ оконных
блоков, обусловившие необходимость использования в них армирующих усилителей. И
как совершенно справедливо отмечается в этой статье, главный компромисс при
проектировании светопрозрачных конструкций из ПВХ профилей заключается в
правильном выборе противоречащих друг другу характеристик: теплозащите и
прочности (жесткости).
При выборе окон из ПВХ
профилей следует обратить внимание не только на само окно, но и на монтаж от
которого зависит значительная часть комфорта от эксплуатации.
Выводы:
Категорически
не рекомендуется устанавливать ПВХ окна, окрашенные в темные тона.
При
температуре ниже минус 20 °С следует оберегать окно от ударных воздействий,
которые могут возникнуть, в том числе от ветра при открытой створке.
Для наших
условий эксплуатации не рекомендуется устанавливать окна из ПВХ размером более
1,4×1,4
метра и выше 4-го этажа тем более на открытой местности.
Реальная
долговечность окон из ПВХ профилей для наших климатических условий, составляет
10- 15 лет.
Окна из стеклопластика
В середине
прошлого века в СССР провели исследование, показавшее, что лучшим материалом
для изготовления оконных рам является стекло-композит (стеклопластик). На
Саратовском заводе технического стекла было освоено производство. Для
изготовления оконных профилей использовали стеклохолст и связующее,
представлявшее собой смесь жидкого бакелита, олеиновой кислоты и красителя.
Стеклохолст после пропитки связующим подсушивали при температуре 100-120 °С, а
затем разрезали на заготовки, из которых впоследствии изготавливали переплеты.
Переплеты изготавливались в пресс-формах при 135 °С с выдержкой в течение 40-50
мин под давлением.
Данная
технология отличалась большими затратами и произведенные окна высокой
себестоимостью, но при этом повышенной теплоизоляцией, неприхотливостью в
эксплуатации и непревзойденной долговечностью.
Современные
оконные профили из стеклопластика, получают методом пултрузии - протягивания
через нагретую фильеру стекловолоконного материала, пропитанного термореактивной
смолой. На выходе из фильеры получается готовое изделие - профиль. Впоследствии
на профиль может наносится окрасочное покрытие.
В настоящее
время стеклокомпозитные профили используют для изготовления окон, фасадов,
зимних садов и других светопрозрачных конструкций.
Применение
в светопрозрачных конструкциях стек- лопластиковых профилей позволило соединить
достоинства, исключив недостатки. Коэффициент линейного расширения
стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11...13×106 1/°С),
что положительно влияет на такие характеристики окон как звукоизоляция,
воздухо- и водопроницаемость (не образуются щели) и не зависят от климатических
условий, сохраняются неизменными и зимой и летом, не требуют сезонной
регулировки фурнитуры.
Благодаря армирующему
эффекту стекловолокна стек-локомпозиты отличаются очень высокой прочностью
(порядка 410-1180×106 Н/м2 при сжатии и 690 - 1240×106
Н/м2 при изгибе) профиль не нуждается в дополнительном армировании
металлом, уменьшающем теплоизоляцию, в отличие от поливинилхлорида. Низкая
теплопроводность стеклопластика (λ = 0,3 - 0,35 Вт/м °С) и заполнение
внутренней полости профиля теплоизоляционным материалом позволяет получить
лучшее сопротивление теплопередаче при равной глубине профиля.
Окна из стеклопластика
стабильно эксплуатируются в любых климатических условиях в силу свойств
материала профиля. Стеклокомпозит без изменения характеристик выдерживает
воздействие температуры от минус 70 до плюс 170°С. При этом имеет повышенную
устойчивость к агрессивным средам, что позволяет применять в зданиях со
специальными требованиями (в промышленных с агрессивной воздушной средой и
интенсивными тепловыделениями), где не могут быть установлены окна из алюминия,
дерева и ПВХ.
Стеклопластик
исключительно долговечен, и по сравнению с такими материалами, как дерево, ПВХ,
сталь и алюминий, не требует ремонта, не гниет, не ржавеет, устойчив к
ультрафиолетовым лучам. Совокупность характеристик стеклокомпозита делает его,
наиболее подходящего для изготовления окон и других светопрозрачных
конструкций.
Миронов А.Ф.
Генеральный директор компании
«BEZET»
Журнал «Ценообразование и
сметное нормирование в строительстве», ноябрь 2009 г. № 11