Что такое теплоизолированный фундамент

В последнее время (80-е годы ХХ века) в странах с холодными территориями – Скандинавии, Канаде и севере США (90-е годы ХХ века) теплоизолированный фундамент представляется как крупное научное и практическое достижение в области строительства.

В №5 журнала «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века» за 2007 год имеется статья нач. технического отдела ООО «Пеноплэкс СПб», к.т.н. А.И. Бек-Булатова. В статье автор говорит, что одним из направлений деятельности компании «Пеноплэкс СПб» является разработка и внедрение в России новых! технологий, использующих сравнительно новый для нашей страны материал – плиты из экструдированного пенополистирола и изделия на его основе. В частности, технология устройства морозозащищенных фундаментов мелкого заложения.

Действительно, этот тип фундамента, включающий в свой состав теплоизоляционный материал, получил за рубежом специальное название: (МФМЗ) морозозащищенный фундамент мелкого заложения, или, в оригинале: (FPSF) frost-protected shallow foundations [2]. Нами же была предложена более понятная и простая аббревиатура: ПТФ – поверхностный теплоизолированный фундамент.

По такой технологии построено несколько миллионов квадратных метров индивидуального жилья, в основном 1-2-этажного. Все строительство считается экспериментальным – за домами ведутся постоянные наблюдения, главная цель которых – установить предельные ресурсы долговечности различных теплоизоляционных материалов, находящихся многие годы в земле.

  

 

Никаких противопоказаний их применению не выявлено. Такой вывод следует из 30-55-и летних наблюдений за дорогами на пенопласте, за гидротехническими сооружениями и особенно – за поведением пенопласта в стенах домов. Проведем небольшой экскурс по истории данного вопроса. 
Конструкция МФМЗ–ПТФ обеспечивает эффективную защиту от промерзания и от всех известных негативных проявлений морозного пучения грунтов. Следствием является резкое сокращение материалоемкости и объемов земляных работ: глубина заложения ПТФ составляет 0.5-0.8 м вместо привычных в Средней России 1.5-2.5 м, а на Севере и на Востоке – до 3-3.5 м (!), назначаемых по условиям промерзания грунтов. Здесь его просто не будет! Одновременно решаются вопросы сокращения теплопотерь – это, несомненно, огромный резерв экономии тепловой энергии при эксплуатации дома. 

Опасность промерзания грунтов можно иллюстрировать следующим. В процессе промерзания в большинстве грунтов происходит рост кристаллов льда за счет поступления (миграции) воды из незамерзших слоев или от воды, накопившейся вокруг фундамента в предзимний период и др. Силы пучения настолько велики, что могут поднять даже нагруженный фундамент, если он не заглублен ниже границы промерзания. В результате поверхность грунта поднимается от 2-3, иногда до 10-15 см, часто вместе с домом.

Об эффективности МФМЗ-ПТФ можно судить по ставшей уже крылатой фразе крупного американского строителя К.Р. Кендалла, который после изучения опыта строительства и эксплуатации зданий заявил: «Автор и его сотрудники теперь убеждены, что никогда не вернутся к фундаментам глубокого заложения, перетаскиванию бетонных блоков, засыпке и трамбовке гор земли».

ПТФ представляет собой обычный фундамент, под подошвой которого (и на некотором расстоянии от него) укладываются слой теплоизоляционного материала (экструдированного пенополистирола), который может воспринимать нагрузки от сооружения и одновременно – предотвращать промерзание грунта ниже подошвы. ПТФ будут эффективны и в случае свайных фундаментов: под свайным ростверком также не должно быть мерзлого грунта. 

Эта конструкция в 1999 году защищена патентом России (В.В. Лушников и Ю.Р. Оржеховский, [3]). Одна из первых публикаций по данной теме также появилась ещё в 1999 году [4]. Отличие его от зарубежных аналогов (МФМЗ) состоит в том, что пенополистирол выполняет не только теплозащитные, но еще и опорные функции, т.е. воспринимает нагрузки от строения. По-видимому, ранее всем мешал сложившийся стереотип мышления: «Логично ли, что под прочным материалом (бетон, камень) с расчетным сопротивлением 50-100 кгс/см2 укладывается малопрочный материал с прочностью всего 3-4 кгс/см2?».

Действительно, если считать теплоизоляцию продолжением фундамента, то такое недоумение имеет основания. Но ведь сам фундамент, будучи достаточно прочным, испокон веков опирали на грунт, прочность которого в 10, а то и в 100 раз меньше! И ни у кого никогда это не вызывало недоумения. Если же посчитать теплоизоляцию не продолжением фундамента, а «началом» грунта, то такое мнение коренным образом меняется. Прочность пенополистирола, как правило, более высокая, чем у большинства грунтов. Он не более сжимаем, чем грунт, а долговечность его ничуть не меньше, чем у более прочных материалов.

Другая конструкция, также защищенная патентом России в 2004 году (В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский и В.В. Веселов, [5]), показанная на рисунке 1.б, решает защиту от промерзания по-другому, без выполнения опорных функций. Теплотехнические расчеты показывают, что промерзание грунта можно исключить изоляцией фундамента с обеих его граней сверху (и с боков), укладкой изоляции под отмостку, под пол, в обратную засыпку... Если же дом строится без перехода через зиму, внутреннюю изоляцию можно существенно уменьшить или даже полностью исключить. 

Экструдированные пенополистиролы сейчас можно найти достаточно легко. Например, в Екатеринбурге работают дилеры нескольких отечественных и зарубежных фирм, выпускающих такие материалы («Пеноплэкс», «Dow Chemical Company» и др.). В 2005 году в Екатеринбурге появился крупный производитель экструзионного полистирола – завод «ЭКСТРОЛ». Пенополистиролы имеют высокую био-, водо-, морозостойкость, поскольку изготавливается с соответствующими (ноу-хау) добавками и имеют закрытые поры, исключающие накопление воды.

В отличие от утверждений авторов статьи, материалом для теплоизоляции фундамента может быть любой из известных ныне теплоизоляционных материалов. Но к такому материалу должны предъявляться определенные требования, он должен долгое время работать в грунтовых (часто обводненных) условиях без потери своих теплоизоляционных и прочностных свойств.

Так реализуется идея теплоизолированного фундамента. Заканчивая краткое пояснение конструкций МФМЗ-ПТФ и эффективности самой идеи, хотелось бы отметить, что фактически это старая идея «российского» поверхностного фундамента, но претворяемая в жизнь с применением новых материалов, решений старых и новых задач теплофизики. Поверхностные фундаменты были известны давно: все знают малозаглубленный деревянный фундамент на неглубоких столбах (стульях) с деревянной забиркой бревнами по верху. Такие фундаменты делали на Руси повсюду, начиная с «теплого» Запада страны и кончая суровым Востоком. Почти каждый такой фундамент окружали завалинкой – ограждением из досок вокруг дома, с засыпкой пространства внутри опилками, шлаком и др. Эта завалинка и служила теплоизоляцией боковой поверхности фундаментов, уменьшая промерзание возле дома и, естественно, – потери тепла. Кроме того, почти во всех старых (хорошо сделанных) домах полы были двойные. Нижний, черновой ряд, устраивали по низу лаг, а над ним по слою глиняной смазки насыпали утеплитель – те же опилки, шлак, стружки. А уже по верху делали чистый пол. Двойной пол и был предназначен для уменьшения теплопотерь из дома: не надо десятилетиями, пока существует дом, обогревать землю, что неизбежно происходит в домах без такой изоляции. 

Таким образом, новизна МФМЗ-ПТФ – фактически только в материалах для изоляции (экструзионный пенопласт вместо опилок), в правильной (научно обоснованной) их расстановке.

Также можно даже утверждать, что механический перенос решений массивных фундаментов, «устоявшихся» в многоэтажном строительстве (ниже глубины промерзания), на малоэтажное жилье, является, в некотором роде, неправильным, нерациональным шагом – они, все равно, не есть панацея от всех бед, связанных с промерзанием. Одновременно это и уход с исторически правильного пути применения малозаглубленных фундаментов в наших суровых климатических условиях. Для малоэтажного жилья разумнее было развивать идеи малозаглубленных поверхностных фундаментов, в сооружении которых был накоплен огромный (исторический) опыт.

Но, к сожалению, традиции (и секреты) сооружения такого фундамента были постепенно забыты. Например, о том, что завалинку нужно делать по всему периметру дома, а не только с лицевой его части, для показа людям… Поэтому деревенские дома постепенно с годами кренило в ту или другую сторону – в зависимости от того, где больше промерзало. Если посмотреть на деревенскую улицу со старыми домами, можно заметить, что дома, как правило, все клонятся в одну сторону, обычно – в сторону улицы. На рисунках 2 и 3 показаны конструкции фундаментов ПТФ и фундаментов традиционного типа.

Работы по разработке метода решения тепловых задач для обоснования конструкций теплоизолированных фундаментов выполнялись в период с 1999 года по 2004 год в ОАО институте «УралНИИАС» (Екатеринбург) группой ученых - авторами патентов РФ на изобретение.

Результаты исследований легли в основу двух научно-поисковых тем 2002-2003 гг., кандидатской диссертации в 2004 году , кроме того, в составе группы ученых был получен Государственный грант и выполнена научная работа по программе «СТАРТ» - Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в 2004-2006 гг, в 2006 году разработан альбом типовых решений и методика расчета теплоизолированных фундаментов на сезонно промерзающих грунтах УрФО.

При участии авторов патентов, конструкции ПТФ нашли применение на ряде объектов: строительство комплекса жилых деревянных домов в Санкт-Петербурге; строительство 3-4 этажного гаража для автомашин личного пользования с паркингом, реконструкция 2-х этажного общественного здания, строительство 2-х этажной котельной, строительство коттеджного поселка на 180 домов (Екатеринбург, 2001-2006 гг.) и др.

В 2001-2006 гг. проведены эксперименты по измерению температур под подошвой ПТФ (научно-техническое сопровождение строительства). 

Технические решения ПТФ реализованы на ряде объектов (на стадии проектирования) как альтернатива другим техническим решениям на основе технико-экономической оценки различных вариантов.

За период работы авторы неоднократно представляли её отдельные разделы для обсуждения на многих представительных научных конференциях и семинарах, в том числе – международных: Международная конференция «Строительство и реконструкция деревянных жилых домов», Архангельск, 2002; Научно-техническая конференция «Малоэтажное строительство» в рамках 6-ой международной выставки «Уральская строительная неделя», Екатеринбург, 2003; Международные геотехнические конференции в Перми и Алматы (2004 год); Ежегодные уральские академические чтения, ГУ УралНИИпроект РААСН, 2004-2007 гг. и др.

Практическая реализация обеспечена разработкой территориальных строительных норм ТСН 50-302-02 «Проектирование оснований и фундаментов строящихся и реконструируемых зданий и сооружений в г. Ханты-Мансийске», регламентирующие этапы проектирования и строительства ПТФ для малоэтажных домов. В настоящий момент ведутся работы по созданию аналогичных ТСН для Свердловской области.

Основная цель этой статьи – пропаганда теплоизолированного фундамента для массового строительства. И, конечно же, притягательность идеи создается рекламой, подкрепленной, кроме всего прочего, – патентным правом!