Зачем делать слой герметика "Стиз А" толщиной 5 мм? Взгляд из 2021 года

Указанный в заголовке вопрос нередко задается как менеджерами, так и специалистами компаний, имеющих отношение к монтажу оконных конструкций. Вопрос важен, так как связан с особым свойством "Стиз А" – высокой паропроницаемостью, и требует развернутого ответа, который мы и предлагаем Читателю.

Итак, в 2002 году вышла в свет первая версия ГОСТ 30971, который нормирует параметры, технологию выполнения узлов примыкания и применяемые для этих целей материалы и комплектующие.

Комплекс требований к материалу наружного слоя монтажного шва, изложенных в этом ГОСТе, был новым для нашей компании – такого материала в архиве наших химиков-разработчиков еще не было. Причем буквально все свойства "по отдельности" уже были освоены в практике технологической службы, но - не вместе.

А относительно паропроницаемости герметика ГОСТ даже не поставил нам задачу. Дело в том, что стандарт нормировал требования к конструкции, а не к материалам для ее изготовления, и перевод требований на язык материаловедов (так называемая межотраслевая трансляция норм) оказался осложненным описанными ниже обстоятельствами.

Как известно, сопротивление паропроницанию слоя герметика R есть функция толщины нанесенного слоя b и паропроницаемости материала μ: R=b/μ. Поскольку сопротивление паропроницанию слоя было задано ГОСТом, то задача поиска требуемой паропроницаемости материала сводилась к поиску наибольшей толщины слоя, который может получаться при монтаже. Размерная цепь толщины слоя состоит из трех звеньев:

1. допустимая по эксплуатационным соображениям минимальная толщина слоя,
2. технологический допуск толщины при нанесении герметика,
3. геометрия опорной поверхности.

Минимальная толщина. Герметик "Стиз А" наносится на монтажную пену. Известно, что поверхность монтажной пены во время эксплуатации зачастую покрывается трещинами из-за деформаций слоя пены. Эти трещины работают как концентраторы напряжений для поверх уложенного слоя герметика, приводя к его разрыву. Однако при достаточной большой толщине герметика разрывы в нем развиваться не будут. Испытания в наших лабораториях и в ГУП "НИИМосстрой", а также многолетняя практика применения показали, что минимальная толщина слоя герметика, при которой не происходит разрушения герметика из-за трещин в пене, составляет 3 мм¹. Это же значение появилось впоследствии и в версии ГОСТ 30971 от 2012 года в п.А.2.4.

Технологический допуск толщины нанесения находили в повседневной практике – потребителей герметиков у нашей компании всегда было много, и работа с ними велась постоянно. При поездках на объекты наши менеджеры и специалисты просто проверяли, какие отклонения в толщине слоев получаются в обычных условиях у обычных рабочих-герметчиков в разных местах применения. Поскольку условия при обработке монтажного шва – весьма стесненные как для нанесения материала, так и для контроля его толщины, то критерием для выбора допуска приняли высокую вероятность попадания в размер: чтобы и работать было легче, и контролировать. Оказалось, что с вероятностью практически 100% колебания толщины слоя после отверждения герметика не превосходят 1,5 мм.

Геометрия опорной поверхности. Герметик наносят на подрезанную монтажную пену, при этом герметик частично заполняет открытые поры пены. Соответственно, парообразной влаге в области заполненной герметиком поры необходимо преодолеть более толстый слой герметика для выхода из пены, чем в области вне поры. Это приводит к дополнительному увеличению сопротивления паропроницанию нанесенного слоя герметика. Чтобы учесть это явление, рассчитаем толщину плоского слоя герметика, имеющего такое же сопротивление паропроницанию, как исходный слой с выпуклостями в местах расположения пор, толщина b_o которого максимальна и равна 3 + 1,5 = 4,5 мм. Расчетную толщину плоского слоя будем называть эквивалентной (см. рис. 1). Расчетную толщину плоского слоя будем называть эквивалентной.

Рис. 1. Увеличение эквивалентной толщины слоя герметика на Δb из-за заполнения герметиком открытых пор пены.

Согласно ГОСТ 25898 сопротивление паропроницанию образца обратно пропорционально потоку влаги, проходящей через него при определенном перепаде парциальных давлений пара, поэтому расчет будем проводить из условия равенства суммарных потоков пара через слой герметика исходной и эквивалентной толщины.

Поток пара определяется как масса пара Δm, проходящая через образец в единицу времени Δt. Поток зависит от толщины образца b и коэффициента паропроницаемости материала образца μ:
(1)

где ΔP – это перепад парциального давления пара, вызывающий перенос влаги, S – площадь образца. Поток Q_п через слой герметика исходной толщины представим как сумму потока в местах расположения пор Q_п/п и потока вне пор Q_п/в.

Из (1) поток Q_п/в вне пор равен:

где S – это общая площадь рассматриваемого слоя герметика, ∑S_øi – это сумма площадей сечения пор, получаемых при подрезе пены.

Для оценки значения ∑S_øi, рассмотрим модель пены, поры которой на срезе диаметром 90 мм имеют распределение по размерам, как указано в таблице 1. Данная модель является оценкой "сверху", в чем мы убедились в следующем эксперименте.

Табл. 1. Распределение открытых пор на срезе пены в принятой расчетной модели.

Общую площадь сечения пор можно рассчитать, суммируя площади сечения пор разного размера с учетом их количества:
(2)

где N_i – количество пор с радиусом r_i, ρ_i = N_i/S – плотность распределения пор с радиусом r_i по образцу.

Для удобства расчета потока пара в местах расположения пор Q_п/п будем считать, что все открытые поры имеют форму половин шара. Поток через фрагмент слоя такой формы приближенно (без учета поперечного переноса пара) рассчитаем, просуммировав значения потоков dQ через бесконечно тонкие трубки с сечением радиуса x и толщиной стенок dx (см. рис. 2):

Рис. 2. Схема расчета потока пара через фрагмент слоя герметика с выпуклостью в области расположения поры.

где dS – площадь поперечного сечения трубки, b – ее высота, b_o = 4,5 мм – максимальная толщина слоя герметика после усадки (равная сумме минимальной толщины 3 мм и допуска нанесения 1,5 мм), r – радиус поры, α – угловое положение нижнего кольцевого края трубки. Тогда для общего потока через фрагмент с порой, выполнив интегрирование по угловому положению кольцевого края трубки α, получаем:

Суммарный поток Q_п/п через все фрагменты с порами разного размера с учетом (2) составит:

Согласно (1), поток пара через эквивалентный плоский слой герметика равен толщиной b_экв равен:

Приравнивая поток пара Q_п = Q_п/п + Q_п/в через слой герметика в случае нанесения на подрезанную пену и поток пара Q_экв через эквивалентный плоский слой герметика, получим выражение для эквивалентной толщины:

При принятой выше модели распределении пор величина b_экв составила 5 мм, что на ∆b = 0,5 мм больше максимальной толщины нанесения, измеряемой после усадки. Именно эти 0,5 мм необходимо "добавить" к максимально допустимой толщине для проведения испытаний на сопротивление паропроницанию слоя герметика.

Таким образом, мы установили, что герметик "Стиз А" должен обладать такой паропроницаемостью, чтобы слой толщиной 3 + 1,5 + 0,5 = 5 мм удовлетворял требованию ГОСТ 30971 по сопротивлению паропроницанию наружного слоя, что и было введено как технический показатель качества в Технические условия.

А ответ на вопрос в заголовке все тот же: наносить герметик такой толщиной не надо. Толщина нанесения герметика, измеряемая после усадки, должна составлять 4,5_-1,5 мм. Толщина 5 мм появляется только при испытании на сопротивление паропроницанию.

¹ Эта величина справедлива только для акриловых герметиков - именно их используют для монтажа окон в подавляющем большинстве случаев.