Японська глиняна черепиця: типи Kawara, виготовлення та довговічність

Японська глиняна черепиця , відомий під загальною назвою kawara , — це обпалені глиняні елементи покрівлі, які понад 1400 років вкривали японські храми, замки та будинки. Їх визначальними технічними характеристиками є рівень водопоглинання нижче 3%, міцність на стиск, яка зазвичай перевищує 20 МПа, і взаємозв’язана геометрія, яка протистоїть як зливовим опадам у сезон дощів, так і підйомним силам вітру тайфуну, що перевищує 60 метрів на секунду. На відміну від плоскої глиняної черепиці, поширеної в середземноморській покрівлі, японська кавара формується в характерний тривимірний профіль — опуклу криву над увігнутою каструлею, — що створює структурно жорстку, самодренуючу поверхню. Темно-сріблясто-сірий колір традиційної димчастої черепичної покрівлі — це не глазур, нанесена на поверхню; це вуглець, що осідає в мікроскопічних порах глиняного тіла під час процесу відновного випалу, який хімічно перетворює зовнішній шар плитки на непористу керамічну оболонку, що пропускає воду.

Глина: вибір і підготовка сировини

Основою продуктивності японської черепиці є глиняний корпус, який повинен задовольняти трьом конкуруючим вимогам: пластичність для формування, достатня міцність у сухому стані для обробки в необробленому стані та склування при температурі випалу для досягнення низької пористості. Поклади глини, які історично використовувалися для виробництва кавари, є вторинними глинами — глинами, які транспортувалися з джерела вивітрювання та відкладалися в алювіальних басейнах — багаті як на каолініт для вогнетривкості, так і на іліт або монтморилоніт для пластичності. Типове тіло з глини кавара містить 40-50% каолініту, 20-30% іліту і 15-25% тонкого кварцу , із вмістом оксиду заліза, як правило, від 2% до 5%, що сприяє випаленому кольорі від блідо-коричневого до темно-червоного залежно від атмосфери випалу.

У сучасному виробництві кавари використовується очищена глиняна маса, де необроблена глина витримується на відкритому повітрі протягом шести-дванадцяти місяців — процес, який називається нераші японською — під час циклів заморожування-відтавання та дії бактерій розщеплюють органічні речовини та гомогенізують вміст вологи. Витриману глину потім подрібнюють, просівають, щоб видалити каміння та коріння, і змішують з водою та невеликою кількістю дрібного грогу (попередньо обпаленого, подрібненого тіла плитки) для контролю усадки при висиханні. Додавання грогу, як правило, від 5% до 10% за вагою, зменшує лінійну усадку при висиханні приблизно з 8-10% для чистої глиняної маси до контрольованих 5-7%, що запобігає розтріскування, коли сформована плитка висихає перед випалюванням. Пластичність препарованого тіла вимірюють за межами Аттерберга; межа пластичності 18-25% і межа рідини 35-45% забезпечують придатність до обробки, необхідну для процесів екструзії та пресування без надмірної чутливості до сушіння.

Типи плиток та їх відмінна геометрія

Японська покрівля складається із системи черепиці різних форм, кожна з яких виконує певну функцію в загальній погодостійкій та естетичній композиції. Взаємозв’язана геометрія між цими формами – це те, що надає даху kawara здатність пропускати воду, протистоячи підйому вітру без використання клею чи механічних кріплень на кожній плитці. Нижче наведено три основних типи черепиці, які утворюють поле даху.

Окрім польової черепиці, повна система даху kawara включає спеціалізовані кінцеві та перехідні черепиці: нокігавара (карнизна черепиця) з декоративною підвісною поверхнею, яка переносить воду з даху за лінію стіни та часто має піднятий сімейний герб або храмову емблему; оніґавара (конькова черепиця), виліплена у формі міфологічного звіра або рослинного мотиву, який завершує коньок і захищає фронтон від вітру; суміґавара (кутова черепиця), що повертає кут на перетині карниза і конька; і мунегавара (конькова черепиця), що перекриває вершину даху. Гребінь додатково зміцнюється за допомогою a shikkui mortar cap — традиційна штукатурка на основі вапна, змішана з конопляним волокном і екстрактом морських водоростей — яка скріплює конькову черепицю в монолітну атмосферостійку балку.

Копчена обробка: ібуші-гавара та редукційний випал

Знаковий темно-сріблясто-сірий колір традиційної японської черепиці є результатом спеціальної техніки випалу, яка називається ibushi (димлення), що створює поверхню, яка одночасно забарвлюється, запечатується та хімічно змінюється. Процес ibushi – це контрольоване відновлювальне спалювання, яке відбувається на завершальній стадії циклу печі. Плитки спочатку обпалюються в окислювальній атмосфері приблизно до 1000-1100°C , який спікає глиняне тіло до його остаточної міцності та розвиває основний колір із вмісту оксиду заліза — зазвичай теплий оранжево-червоний під час окислення. Під час максимальної температури пальник печі налаштовується на багату паливом суміш, а подача повітря обмежується. При спалюванні з браком кисню утворюється чадний газ і вільні частинки вуглецю. Атмосфера печі змінюється від окислювальної до відновної, і вуглець осідає у все ще відкритих порах гарячої поверхні плитки.

Одночасно відновна атмосфера хімічно перетворює червоний оксид заліза (Fe₂O₃, гематит) на поверхні плитки на чорний оксид заліза (Fe₃O₄, магнетит) і далі відновлює частину заліза до металевого заліза в дрібнодисперсній формі. Комбінований ефект - приблизно щільний, насичений вуглецем поверхневий шар Товщина 0,1-0,3 мм непористий і гідрофобний. Водні кульки на поверхні плитки ibushi, а не змочують її, і водопоглинання копченої поверхні знижується до рівня нижче 1%, навіть якщо тіло плитки під ним має поглинання 2-3%. Процес копчення припиняється герметизацією печі та охолодженням у відновній атмосфері, що запобігає повторному окисленню сполук вуглецю та заліза. Отримана поверхня має тонку, сяючу якість — не гладку чорну, а насичено-вугільну зі слабким металевим блиском, — яка витончено вивітрюється протягом десятиліть, утворюючи м’яку, приглушену патину.

Глазурована плитка: Yusen-gawara та варіанти кольорів

Поряд з копченою плиткою ібуші виробляють японські печі юсен-гавара —глазурована керамічна плитка — де склоутворююче покриття наноситься на поверхню плитки перед випалюванням і плавиться у склоподібне непроникне покриття під час циклу випалювання. Глазур виготовлена ​​на основі польового шпату, кремнезему та глини з додаванням оксиду металу для кольору: міді для зеленого, кобальту для синього, заліза для коричневого та бурштинового та марганцю для фіолетово-чорного. Глазур наноситься розпиленням або зануренням на висушену необпалену плитку, і вона дозріває під час того самого циклу випалу, який спікає глиняне тіло. Шар глазурі, як правило Товщина 0,2-0,5 мм , має фактично нульове водопоглинання та забезпечує плитці глянсову, світловідбиваючу поверхню, яка самоочищається під час дощу.

Найбільш історично значущим кольором глазурованої черепиці є синьо-зелена мідна глазур, яку можна побачити на дахах храмів у Кіото та Нарі, отримана за допомогою додавання оксиду міді 2% до 5% за вагою до партії глазурі. Ця глазур, випалена під час окислення, створює блискучий бірюзово-зелений колір, який став символом сакральної архітектури в Японії. Сучасна глазурована плитка для житлових приміщень доступна в широкій палітрі — матово-чорна, шоколадно-коричнева, теракотово-помаранчева, мохово-зелена та шиферно-блакитна — і часто має напівматове покриття, яке зменшує відблиски, зберігаючи переваги глазурованої поверхні, що не вимагають догляду. Глазур також додає відчутний приріст до міцності плитки на вигин; попереднє напруження стиснення, яке глазур чинить на підстилаюче глиняне тіло, коли вони охолоджуються з дещо різними темпами, збільшує модуль розриву приблизно на 10-15%.

Механічні характеристики: землетруси, тайфуни та система блокування

Покрівля з японської глиняної черепиці є важкою системою: квадратний метр покрівлі Kawara, включаючи черепицю, глиняний розчин для підстилки та дерев’яну підкладку, створює постійне навантаження. 50-70 кг на квадратний метр . Ця вага, яка може здатися невигідною в сейсмічному проекті, насправді сприяє сейсмостійкості даху завдяки принципу налаштованого масового демпфування. Важкий дах знижує основну власну частоту будівлі, і, коли дах належним чином прив’язаний до конструкції стіни, інерційна маса допомагає протистояти бічним силам землетрусу, збільшуючи загальну жорсткість конструкції. Традиційні дерев’яно-каркасні будівлі з важкими дахами з кавари пережили століття сейсмічних подій у Японії, хоча сучасні будівельні норми тепер вимагають надійного механічного кріплення кожної черепиці на додаток до традиційного встановлення на основі сили тяжіння та тертя.

Стійкість до тайфуну є більш вимогливою конструкцією черепиці. Вітер, що тече над дахом, створює негативний тиск (всмоктування) на підвітряному схилі, а також на карнизах і конику, а підйомна сила на глиняну черепицю може перевищувати її власну вагу при швидкості вітру вище 35 метрів за секунду . Традиційна кавара протистояла підйому через взаємопов’язану геометрію сковороди та накривної черепиці та значну вагу самих черепиць, причому карнизна черепиця додатково закріплювалася мідними дротяними стяжками до обшивки даху. Сучасний монтаж відповідно до Закону про будівельні стандарти Японії вимагає, щоб кожна черепиця була механічно закріплена за допомогою стійкого до корозії металевого затискача або дротяної стяжки з нержавіючої сталі, яка міцно зачіпає черепицю та кріпиться до обрешітки даху. Система кріплення повинна витримувати силу підйому не менше 1,2 кН на квадратний метр для будівель в зонах сильного вітру. Повномасштабні випробування в аеродинамічній трубі в Японському науково-дослідному інституті будівництва підтвердили, що правильно встановлений дах з кавари з механічними кріпленнями може витримати швидкість вітру понад 60 м/с, що еквівалентно тайфуну категорії 4.

Стандарти стійкості до замерзання-відтавання та водопоглинання

Глиняна черепиця в регіонах із зимовими промерзаннями чутлива до пошкодження морозом, якщо її водопоглинання перевищує критичний поріг. Вода, яка проникла всередину плитки, розширюється приблизно на 9% при замерзанні, і гідравлічний тиск, що виникає в результаті, може розколоти поверхню плитки або повністю її зламати. Японський промисловий стандарт JIS A 5208 для глиняної черепиці вказує максимальне водопоглинання 3% для глазурованої черепиці та 5% для неглазурованої (димленої) черепиці при випробуванні шляхом 24-годинного занурення в киплячу воду. Ці порогові значення навмисно консервативні щодо європейського стандарту EN 1304, який допускає до 6% для плитки з низьким навантаженням і 10% для плитки із середнім навантаженням у помірному кліматі.

Суворість японського стандарту відображає кліматичну реальність: більша частина Японії, включаючи історичні регіони виробництва черепиці на острові Аваджі та узбережжя Сан'ін, відчуває значні снігопади та циклічне заморожування та відтавання взимку. Плитка з водопоглинанням понад 5% буде накопичувати пошкодження протягом послідовних зимових сезонів, причому несправність зазвичай починається з відколювання поверхні на опуклій плитці, де тала вода скупчується та знову замерзає. Димлена поверхня плитки ibushi забезпечує додаткову стійкість до замерзання-відтавання, оскільки наповнений вуглецем низькопористий поверхневий шар запобігає потраплянню рідкої води в тіло плитки на відкритій поверхні, ефективно створюючи сортований матеріал із щільним, гідрофобним зовнішнім виглядом і більш пористим, але захищеним внутрішнім.

Регіональні печі та походження глиняних плиток

Виробництво японської глиняної черепиці зосереджено в кількох історичних регіонах печі, кожен з яких пов’язаний з характерним глиняним тілом, особливим профілем черепиці та впізнаваним естетичним характером. Три найбільш значущі виробничі центри:

• Острів Аваджі (префектура Хього): Найбільший і найвідоміший регіон виробництва кавара, на який припадає приблизно 60% японського внутрішнього виробництва плитки. Глина Awaji — це дрібнозернисте морське алювіальне родовище з чудовою пластичністю та низьким вмістом заліза, яке дає блідо-червоне тіло, ідеальне для процесу копчення ibushi. Ібуші-гавара Awaji вважається стандартом, за яким оцінюють інші копчені плитки.
• Саншу (префектура Айті): Другий за величиною виробничий регіон, відомий за Саншу-гавара бренд. Глина саншу містить більше заліза, що дає більш насичене червоне тіло, а регіон спеціалізується на глазурованих плитках. Місто компанії Mitsubishi Такахама в регіоні Саншу було місцем народження інтегрованої черепиці S-профілю, яка зараз є найпоширенішим матеріалом для покрівлі житлових будинків у Японії.
• Секішу (префектура Сімане): Відомий історичний виробничий регіон на узбережжі Японського моря Секішу-гавара , які випалюються з глини, що містить природний високий вміст дрібного кремнеземного піску. Піщана текстура надає черепиці Sekishu виразну зернистість поверхні та виняткову морозостійкість, що робить її кращим вибором для сильних снігових регіонів на узбережжі Японського моря.

Печ походження зазвичай вибита або тиснена на нижній стороні кожної плитки разом із знаком сертифікації JIS і датою виробництва. Для проектів реставрації історичних будівель відповідність оригінального профілю черепиці печі та обробки поверхні має важливе значення як для естетичної безперервності, так і для технічної сумісності з існуючою конструкцією даху.

Монтаж: дерев’яна основа та система кріплення

Покрівля з японської глиняної черепиці встановлюється на дерев’яну підконструкцію, що складається з крокв, горизонтальних лат і суцільного обшивки даху з кедрових дощок або, в сучасному будівництві, конструкційної фанери. Ухил даху для покрівлі Кавара типовий між 4/10 і 6/10 (приблизно від 22 до 31 градусів) . Більш дрібні ділянки підвищують ризик проникнення води в умовах вітру; більш круті кроки вимагають додаткового механічного обмеження для запобігання ковзанню плитки. Черепиця укладається горизонтальними рядами, починаючи від карнизу і вгору до конька. Кожна черепиця закріплена на решітці за допомогою формованого наконечника на нижній стороні, і кожна плитка кріпиться в невеликій кількості глиняного розчину або, у сучасній практиці, закріплюється пружинним затискачем з нержавіючої сталі, який зачіпає рейку.

Карнизна черепиця є першим шаром, який встановлюється, і вона задає вирівнювання для всього даху. Кромка крапельника з міді або нержавіючої сталі кріпиться до передньої дошки, а плитки карнизу підключаються до обшивки через попередньо сформовані отвори в тілі плитки. Коньок — це остаточне складання: піднята дерев’яна конькова дошка покривається безперервним шаром вапняного розчину shikkui, конькова черепиця встановлюється в розчин за допомогою мідних дротяних стяжок, а на черепиці формується остаточний шар розчину для створення плавного аеродинамічного переходу, який запобігає проникненню вітру під конькову черепицю. Коньковий вузол є частиною покрівлі, найбільш вразливою до штормових пошкоджень, і сучасна практика зміцнює його коньковою стрічкою з нержавіючої сталі, яка механічно прив’язує конькову черепицю до конструкції даху.

Технічне обслуговування, боротьба з мохом і термін служби

Добре виготовлений і правильно встановлений дах з японської глиняної черепиці має термін служби, який може перевищувати Від 50 до 100 років для самого корпусу черепиці, хоча підкладка, оздоблення та коньковий розчин мають коротші інтервали обслуговування. Основною проблемою догляду є ріст моху та лишайників, які є особливо агресивними у вологих, затінених середовищах Японії. Ризоїди моху проникають у мікроскопічні поверхневі пори неглазурованої копченої плитки та протягом десятиліть можуть спричиняти розшарування поверхні, оскільки коріння розширюються та стискаються під час циклів вологи. Традиційний догляд передбачав періодичне ручне зішкрібання моху, трудомістку практику, яка все частіше замінюється застосуванням сульфату міді або хлориду бензалконію біоцидом, який пригнічує відростання моху протягом кількох років.

Коньковий розчин, що піддається найсильнішим циклам змочування та висихання, потребує повторного наведення приблизно кожного разу. 20-30 років . Стяжки з мідного дроту на карнизі та хребті мають подібний термін служби до корозії, особливо в прибережних середовищах із насиченим сіллю повітрям, тому їх слід перевіряти та замінювати, коли гребінь буде повторно загострений. Тріснуті або розколоті окремі черепиці можна замінити, не порушуючи навколишній дах, висунувши пошкоджену черепицю та вставивши нову черепицю, за умови, що профіль черепиці ще у виробництві. Для історичної плитки, яка більше не виробляється, врятована плитка зі знесених будівель є основним джерелом заміни матеріалу, і для цієї мети слід зберегти запас запасної плитки з початкової установки.