Японская глиняная черепица , известные под общим названием кавара , представляют собой кровельные элементы из обожженной глины, которые укрывают японские храмы, замки и дома более 1400 лет. Их определяющими техническими характеристиками являются степень водопоглощения ниже 3%, прочность на сжатие, обычно превышающая 20 МПа, и геометрия соединения, которая выдерживает как проливные дожди в сезон дождей, так и подъемную силу тайфунов, скорость которых превышает 60 метров в секунду. В отличие от плоской глиняной черепицы, распространенной в средиземноморской кровле, японская кавара имеет характерный трехмерный профиль — выпуклую кривую над вогнутым поддоном — который создает структурно жесткую, самодренирующуюся поверхность. Темный серебристо-серый цвет традиционной крыши из дымчатой ​​черепицы — это не глазурь, нанесенная на поверхность; это углерод, отложившийся в микроскопические поры глиняного тела во время процесса восстановительного обжига, который химически превращает внешний слой плитки в непористую, водоотталкивающую керамическую оболочку.

Глина: выбор и подготовка сырья

Основой характеристик японской черепицы является глиняное тело, которое должно удовлетворять трем конкурирующим требованиям: пластичность для формования, достаточная прочность в сухом состоянии для обработки в сыром состоянии и остекловывание при температуре обжига для достижения низкой пористости. Отложения глины, исторически использовавшиеся для производства кавары, представляют собой вторичные глины - глины, которые были перенесены из источника выветривания и отложены в аллювиальных бассейнах - богатые как каолинитом для огнеупорности, так и иллитом или монтмориллонитом для пластичности. Типичное тело из глины кавара содержит 40-50% каолинита, 20-30% иллита и 15-25% мелкозернистого кварца. , с содержанием оксида железа обычно от 2% до 5%, что придает цвет обжига от бледно-желтого до темно-красного в зависимости от атмосферы обжига.

В современном производстве кавары используется очищенная глиняная масса, при которой сырая глина выдерживается на открытом воздухе в течение шести-двенадцати месяцев — процесс, называемый нераши по-японски — во время которых циклы замораживания-оттаивания и действие бактерий расщепляют органические вещества и гомогенизируют содержание влаги. Затем выветрившуюся глину измельчают, просеивают для удаления камней и корней и смешивают с водой и небольшим количеством мелкого грога (предварительно обожженная измельченная плитка), чтобы контролировать усадку при высыхании. Добавление грога, обычно от 5% до 10% по весу, снижает линейную усадку при высыхании примерно с 8-10% для тела из чистой глины до приемлемых 5-7%, что предотвращает растрескивание при высыхании сформированной плитки перед обжигом. Пластичность подготовленного тела измеряют с использованием пределов Аттерберга; предел пластичности 18-25% и предел жидкости 35-45% обеспечивают технологичность, необходимую для процессов экструзии и прессования, без чрезмерной чувствительности к сушке.

Типы плитки и их отличительная геометрия

Японская крыша состоит из системы различных форм черепицы, каждая из которых выполняет определенную функцию в общей защите от атмосферных воздействий и эстетической композиции. Геометрия взаимосвязи между этими формами — это то, что дает крыше кавара способность отводить воду, одновременно сопротивляясь подъему ветра, без использования клея или механических креплений на каждой черепице. Ниже приведены три основных типа черепицы, образующих поле крыши.

Помимо полевой черепицы, полная кровельная система Kawara включает в себя специализированные концевые и переходные черепицы: Нокигавара (карнизная черепица) с декоративной подвесной поверхностью, которая отводит воду с крыши за линию стены и часто имеет приподнятый фамильный герб или храмовую эмблему; онигавара (коньковая плитка), вылепленная в виде мифологического зверя или цветочного мотива, закрывающего конек и защищающего фронтон от дождя с ветром; Сумигавара (угловые плитки), поворачивающие угол в месте пересечения карниза и конька; и Мунегавара (коньковая черепица), закрывающая верхушку крыши. Гребень дополнительно укреплен сиккуи растворная шапка — традиционная штукатурка на основе извести, смешанная с конопляным волокном и экстрактом морских водорослей, — которая скрепляет коньковые плитки в монолитную устойчивую к атмосферным воздействиям балку.

Копченый финиш: Ибуши-гавара и восстановительный обжиг

Знаменитый темный серебристо-серый цвет традиционной японской черепицы является результатом специальной техники обжига, называемой ибуси (курение), которое создает поверхность, которая одновременно окрашивается, герметизируется и химически изменяется. Процесс ибуси — это контролируемый восстановительный обжиг, который происходит на заключительном этапе цикла печи. Плитку сначала обжигают в окислительной атмосфере примерно до 1000-1100°С , который спекает глиняное тело до его окончательной прочности и придает основной цвет за счет содержания оксида железа - обычно теплый оранжево-красный при окислении. При пиковой температуре горелка печи перестраивается на богатую топливом смесь, а подача воздуха ограничивается. Сгорание с недостатком кислорода приводит к образованию угарного газа и частиц свободного углерода. Атмосфера печи меняется от окислительной к восстановительной, и углерод откладывается в еще открытых порах поверхности горячей плитки.

Одновременно восстановительная атмосфера химически превращает красный оксид железа (Fe₂O₃, гематит) на поверхности плитки в черный оксид железа (Fe₃O₄, магнетит) и далее восстанавливает часть железа до металлического железа в мелкодисперсной форме. Совокупный эффект представляет собой плотный, насыщенный углеродом поверхностный слой примерно Толщина от 0,1 до 0,3 мм он непористый и гидрофобный. Вода капает на поверхность плитки ибуси, а не смачивает ее, и водопоглощение копченой поверхности снижается до уровня ниже 1%, даже если тело плитки под ней впитывает 2-3%. Процесс копчения прекращают, герметизируя печь и давая ей остыть в восстановительной атмосфере, что предотвращает повторное окисление соединений углерода и железа. Полученная поверхность имеет тонкое, сияющее качество — не ровный черный цвет, а глубокий угольный цвет со слабым металлическим блеском — который изящно выветривается на протяжении десятилетий, образуя мягкую, приглушенную патину.

Глазурованная плитка: юсен-гавара и варианты цвета

Помимо копченой плитки ибуси, японские печи производят Юсен-гавара — глазурованная керамическая плитка — стеклообразующая шликер наносится на поверхность плитки перед обжигом и плавится в стекловидное непроницаемое покрытие во время цикла печи. Глазурь состоит из полевого шпата, кремнезема и глины с добавками оксидов металлов для придания цвета: меди для зеленого, кобальта для синего, железа для коричневого и янтарного и марганца для пурпурно-черного цвета. Глазурь наносится путем распыления или погружения высушенной необожженной плитки, и она созревает в течение того же цикла обжига, при котором спекается глиняное тело. Слой глазури, как правило, Толщина от 0,2 до 0,5 мм , имеет практически нулевое водопоглощение и придает плитке глянцевую, светоотражающую поверхность, которая самоочищается под дождем.

Наиболее исторически значимый цвет глазурованной плитки — это сине-зеленая медная глазурь, которую можно увидеть на крышах храмов в Киото и Наре, полученная с добавлением оксида меди. от 2% до 5% по весу в партию глазури. Эта глазурь, обожженная в результате окисления, дает блестящий бирюзово-зеленый цвет, который стал символом священной архитектуры в Японии. Современная глазурованная плитка для жилых помещений доступна в широкой палитре — матовый черный, шоколадно-коричневый, терракотово-оранжевый, мохово-зеленый и сланцево-синий — и часто имеет полуматовую поверхность, которая уменьшает блики, сохраняя при этом преимущества глазурованной поверхности, не требующие особого ухода. Глазурь также значительно повышает прочность плитки на изгиб; предварительное сжимающее напряжение, которое глазурь оказывает на нижележащее глиняное тело, когда они охлаждаются с несколько разной скоростью, увеличивает модуль разрушения примерно на 10-15%.

Механические характеристики: землетрясения, тайфуны и система блокировки

Крыша из японской глиняной черепицы представляет собой тяжелую систему: квадратный метр кровли кавара, включая черепицу, глиняный раствор и деревянное основание, создает собственную нагрузку 50-70 кг на квадратный метр . Этот вес, который может показаться невыгодным при сейсмическом проектировании, на самом деле способствует сейсмостойкости крыши благодаря принципу демпфирования настроенной массы. Тяжелая крыша снижает основную собственную частоту здания, и, когда крыша правильно прикреплена к конструкции стены, инерционная масса помогает противостоять боковым силам землетрясения, увеличивая общую жесткость конструкции. Традиционные здания с деревянным каркасом и тяжелыми крышами кавара пережили столетия сейсмических событий в Японии, хотя современные строительные нормы и правила теперь требуют надежного механического крепления каждой черепицы в дополнение к традиционной установке, основанной на гравитации и трении.

Устойчивость к тайфунам является более требовательным вариантом конструкции черепицы. Ветер, обтекающий крышу, создает отрицательное давление (всасывание) на подветренном склоне, у карнизов и конька, а подъемная сила на глиняной черепице может превышать ее собственный вес при скорости ветра выше 35 метров в секунду . Традиционная кавара сопротивлялась подъему благодаря взаимосвязанной геометрии поддона и крышки, а также значительному весу самих плиток, а карнизные плитки дополнительно крепились медными проволочными стяжками к обшивке крыши. Современная установка в соответствии с Законом о строительных стандартах Японии требует, чтобы каждая плитка была механически закреплена с помощью коррозионностойкого металлического зажима или проволочной стяжки из нержавеющей стали, которая надежно зацепляется с замком черепицы и крепится к обрешетке крыши. Система крепления должна выдерживать подъемную силу не менее 1,2 кН на квадратный метр для зданий в зонах сильного ветрового воздействия. Полномасштабные испытания в аэродинамической трубе, проведенные в Японском научно-исследовательском институте строительства, подтвердили, что правильно установленная крыша кавара с механическими креплениями может выдержать скорость ветра, превышающую 60 м/с, что эквивалентно тайфуну 4-й категории.

Стандарты стойкости к замораживанию-оттаиванию и водопоглощения

Глиняная черепица в регионах с зимним замерзанием подвержена повреждению от мороза, если ее водопоглощение превышает критический порог. Вода, проникшая в тело плитки, при замерзании расширяется примерно на 9%, и возникающее в результате гидравлическое давление может расколоть поверхность плитки или полностью разрушить плитку. Японский промышленный стандарт ДЖИС А 5208 для глиняной черепицы указано максимальное водопоглощение 3% для глазурованной черепицы и 5% для неглазурованной (дымчатой) черепицы при испытании путем 24-часового погружения в кипящую воду. Эти пороговые значения намеренно консервативны по сравнению с европейским стандартом EN 1304, который допускает до 6% для плиток с низкой нагрузкой и 10% для плиток со средней нагрузкой в ​​умеренном климате.

Строгость японского стандарта отражает климатическую реальность: на большей части территории Японии, включая исторические регионы производства плитки, такие как остров Авадзи и побережье Санъин, зимой случаются обильные снегопады и циклические заморозки-оттаивания. Плитка с водопоглощением выше 5% будет накапливать повреждения в течение последующих зимних сезонов, при этом тип разрушения обычно начинается с растрескивания поверхности выпуклой покровной плитки, где талая вода скапливается и повторно замерзает. Дымчатая поверхность плитки ибуси обеспечивает дополнительную устойчивость к замораживанию-оттаиванию, поскольку наполненный углеродом низкопористый поверхностный слой предотвращает попадание жидкой воды в тело плитки на открытую поверхность, эффективно создавая градиентный материал с плотной гидрофобной внешней поверхностью и более пористой, но защищенной внутренней частью.

Региональные печи и происхождение глиняной плитки

Производство японской глиняной черепицы сосредоточено в нескольких исторических регионах, каждый из которых связан с характерным глиняным телом, особым профилем черепицы и узнаваемым эстетическим характером. Три наиболее значимых производственных центра:

• Остров Авадзи (префектура Хёго): Крупнейший и самый известный регион производства кавары, на долю которого приходится около 60% внутреннего производства плитки в Японии. Глина Авадзи представляет собой мелкозернистый морской аллювиальный отложения с превосходной пластичностью и низким содержанием железа, благодаря чему получается бледно-желтая масса, идеально подходящая для процесса курения ибуси. Ибуси-гавара Авадзи считаются стандартом, по которому оцениваются другие копченые плитки.
• Сансю (префектура Айти): Второй по величине производственный регион, известный Саншу-гавара бренд. Глина Саньшу содержит больше железа, поэтому ее тело имеет более глубокий красный цвет, а регион специализируется на производстве глазурованной плитки. Город компании Mitsubishi Такахама в регионе Сансю стал родиной черепицы с интегрированным S-профилем, которая в настоящее время является наиболее распространенным кровельным материалом для жилых домов в Японии.
• Сэкисю (префектура Симанэ): Исторический производственный регион на побережье Японского моря, известный Секишу-гавара , которые обжигаются из глины, содержащей большое количество мелкого кварцевого песка. Песчаная текстура придает плитке Sekishu характерную текстуру поверхности и исключительную морозостойкость, что делает ее предпочтительным выбором для регионов с обильным снегом на побережье Японского моря.

Место происхождения печи обычно выштамповано или тиснено на нижней стороне каждой плитки вместе со знаком сертификации JIS и датой производства. Для проектов реставрации исторических зданий соответствие оригинальному профилю черепицы и отделке поверхности имеет важное значение как для эстетической непрерывности, так и для технической совместимости с существующей конструкцией крыши.

Установка: деревянная подложка и система крепления

Крыша из японской глиняной черепицы устанавливается на деревянное основание, состоящее из стропил, горизонтальных реек и сплошной обшивки крыши из кедровых досок или, в современном строительстве, из конструкционной фанеры. Уклон крыши кавара обычно составляет между 4/10 и 6/10 (приблизительно от 22 до 31 градуса) . На более мелких участках существует риск попадания воды в условиях сильного ветра; более крутые уклоны требуют дополнительных механических ограничений, чтобы предотвратить скольжение плитки. Плитка укладывается горизонтальными рядами, начиная от карниза и поднимаясь вверх к коньку. Каждая плитка для поддона крепится к обрешетке с помощью формованного наконечника на ее нижней стороне, а каждая покрывающая плитка покрывается небольшим количеством глиняного раствора или, в современной практике, фиксируется пружинным зажимом из нержавеющей стали, который зацепляется за обрешетку.

Карнизная черепица устанавливается в первую очередь и определяет выравнивание всей крыши. К облицовочной панели крепится отлив из меди или нержавеющей стали, а карнизные плитки прикрепляются к обшивке через заранее сформированные отверстия в теле плитки. Конек представляет собой окончательную сборку: приподнятая деревянная коньковая доска покрывается непрерывным слоем известкового раствора шиккуи, коньковые плитки устанавливаются в раствор с помощью медных проволочных стяжек, а поверх плиток формируется окончательный колпачок из раствора, чтобы создать плавный аэродинамический переход, который предотвращает попадание ветра под коньковые плитки. Конек в сборе является частью крыши, наиболее уязвимой к повреждениям от урагана, и современная практика усиливает его коньковым ремнем из нержавеющей стали, который механически связывает коньковую черепицу с конструкцией крыши.

Техническое обслуживание, борьба с мхом и срок службы

Хорошо изготовленная и правильно установленная крыша из японской глиняной черепицы имеет срок службы, который может превышать от 50 до 100 лет для самой плитки, хотя подкладочный слой, отливы и коньковый раствор имеют более короткие интервалы обслуживания. Основной проблемой при обслуживании является рост мха и лишайника, который особенно агрессивен во влажной и затененной среде Японии. Ризоиды мха проникают в микроскопические поверхностные поры неглазурованной копченой плитки и в течение десятилетий могут вызывать растрескивание поверхности, поскольку корни расширяются и сжимаются в результате циклов влажности. Традиционный уход включал периодическое соскабливание мха вручную — трудоемкую практику, которая все чаще заменяется применением биоцидной обработки сульфатом меди или хлоридом бензалкония, которая подавляет повторный рост мха на несколько лет.

Коньковый раствор, подвергающийся самым суровым циклам увлажнения и высыхания, требует повторного нанесения примерно каждые от 20 до 30 лет . Медные проволочные стяжки на карнизе и коньке имеют одинаковый срок службы до появления коррозии, особенно в прибрежных районах с соленым воздухом, и их следует проверять и заменять при перенастройке конька. Треснутые или расколотые отдельные черепицы можно заменить, не повреждая окружающую крышу, выдвинув поврежденную черепицу и вставив новую, при условии, что профиль черепицы все еще находится в производстве. Для исторической плитки, которая больше не производится, утилизированная плитка из снесенных зданий является основным источником заменяющего материала, и для этой цели следует сохранить запас запасной плитки от первоначальной укладки.