С момента принятия новых теплотехнических требований к ограждающим конструкциям в виде СНиП-II-3-79, а затем СНиП-23-02-2003 прошло несколько лет. Необходимость увеличения в несколько раз термического сопротивления зданий стала реальностью, и рынок оказался завален большим количеством изделий, претендующих называться теплоизоляционными строительными материалами.
В соответствии с общепринятой классификацией теплоизоляционными материалами можно считать материалы с теплопроводностью до 0,175 Вт/(м·К).
Теплоизоляционными свойствами обладает не твердое вещество материала теплоизолятора, а воздух, заключенный между структурными элементами твердого каркаса. Теплопроводность твердых веществ на несколько порядков превосходит теплопроводность газов. Поэтому все теплоизоляционные материалы представляют собой пористые тела, где структурные элементы твердого вещества – волокна, пленки и т.д. – разделяют воздушное пространство на изолированные части. И чем меньше эти изолированные части воздуха, тем меньше перенос тепла за счет конвективных потоков и тем ниже теплопроводность. Но главной задачей при создании теплоизоляционного материала является заполнение объема минимальным количеством твердого материала при максимальном количестве воздуха. Поэтому все теплоизоляционные материалы имеют малый удельный вес – обычно не выше 600 кг/м3, а зависимость теплопроводности практически для всех материалов однозначно, с примерно 10%-ным отклонением, определяется удельным весом.
Все известные теплоизоляционные материалы, применяемые на сегодняшний день в мировой строительной практике могут быть разделены на три группы:
Пористые полимерные материалы – пенопласты: пенополиуретаны, пенополиизоцианураты, пенополистиролы, пенофенопласты, пенополивинилхлориды, пенополиэтилены;
Минераловатные материалы: на основе доменных шлаков, из горных пород(базальты, диабазы и др.);
Минеральные неволокнистые материалы: пеностекло, кремнепор, перлитофосфогелиевые плиты, перлитопластобетон, пено(газо)бетоны и т. д.
Пористые полимерные материалы
Технологии использования пенопластов в жилом строительстве широко распространены. Особенно часто применяются экструдированный и вспененный полистиролы.
Большая часть пенополистирола производится на импортных линиях из зарубежного сырья. Наиболее активными производителями являются отечественные предприятия с линиями BASF и Knauf (Германия), Neste (Финляндия).
Однако существенным недостатком пенополистирола является отсутствие огнестойкости: при температуре более 80°C он расплавляется, превращаясь в высокотоксичные горючие газы и жидкости.
Пенопласты представляют из себя дисперсные полимерные системы. Это означает, что в структуре пенопласта взаимно распределены в пространстве собственно полимер и газовая среда, которая вне зависимости от начального состава со временем неизбежно замещается на воздух. На рис.3.2 представлена фотография типичной структуры пенополистирольного пенопласта (левая фотография). Хорошо видно, что ячейки воздуха разделены тонкими пленками полимерного материала. Очевидно, что в связи с незначительной толщиной пленок, значительная доля материала полимера всегда доступна для газовой фазы. Но особенно интересно посмотреть, что случается с пенополистиролом даже после незначительного искусственного старения. Для этого материал выдержали в термостате при 60°C всего 10 часов (правая фотография). Хорошо видно, что многие пленки превратились в ажурную сетку-паутину. Естественно, что такое изменение необратимо и не улучшает теплоизоляционные свойства материала. То есть даже при таком незначительном и непродолжительном тепловом воздействии полимерная пена изменила свою структуру, начался процесс разрушения, который со временем будет только усиливаться.
 |
 |
| Рис.3.2. Фотографии структуры пенополистирола: свежего и искусственно состаренного | |
Кроме того, пенопласты не только являются органическими соединениями, но и имеют весьма высокую поверхность контакта поверхности с кислородом воздуха. Если органическое соединение находится на воздухе, то оно будет неизбежно окисляться кислородом. Так как пенопласты имеют максимально возможную поверхность, то и окисляться они будут с максимальной скоростью по сравнению с аналогичными, но монолитными - массивными - полимерами. Поэтому для любого пенопласта неизбежно следует предположить конечное и ограниченное время эксплуатации, когда его эксплуатационные свойства будут еще в допустимых пределах. Естественно, что с ростом температуры скорость окисления будет только возрастать. Поэтому все пенопласты являются пожароопасными материалами. И, наконец, если пенопласты окисляются даже при комнатных температурах, то продукты такого окисления негативно воздействуют на окружающую среду. Исходя из изложенного, все пенопласты неизбежно обладают тремя негативными эксплуатационными свойствами: недолговечностью, пожароопасностью и экологической небезопасностью.
На практических примерах пенопластов конкретных производителей показано, что долговечность ограждающих конструкций с использованием пенопластов варьируется от 13 до 43 лет.
Поэтому процесс старения и деструкции полимеров является неизбежным и необратимым вследствие того, что в основе его лежат естественные процессы, в первую очередь окисление. Естественно, что в таком случае продукты такой деструкции должны выделяться в окружающую среду, причем такой «окружающей средой» будут являться жилые помещения.
Вопросы экологической опасности пенопластов с теоретической точки зрения непосредственно вытекают из возможности их окислительной деструкции, чему, способствует высокая удельная поверхность пен и выделения в ходе этого процесса различных продуктов, преимущественно органического типа.
Гигиене и токсикологии полимерных материалов вообще и пенопластов в частности посвящен ряд монографий. Все авторы обсуждают состав и количество выделяемых продуктов, но сам факт обязательного газовыделения из полимерных материалов вообще не ставится под сомнение.
На практике необходимость тщательного экологического контроля нашла свое отражение в Методических Указаниях по санитарно-гигиеническому контролю полимерных материалов, предназначенных для применения в строительстве жилых и общественных зданий (Министерство здравоохранения СССР, нормативный документ № 2158-80, 28 марта 1980 г.), где приведен перечень веществ, подлежащих обязательному определению при санитарно-химических исследованиях основных типов полимерных строительных материалов, включая пенопласты. К сожалению, в настоящее время необходимость такого контроля обычно игнорируется хотя результаты санитарного надзора за внедрением полимерных материалов, показывают, что многие химические соединения даже в минимальных количествах вызывают различные по течению и характеру действия (генетическое, токсическое, аллергенное, эмбриотоксическое, иммунодепрессивное и др.).
Уже имеются первые результаты по признанию в судебном порядке домов не соответствующими санитарно техническим нормам вследствие использования в строительстве экологически опасных теплоизоляционных материалов. Так еще в 1995 году ордера на квартиры в Новокузнецке по адресу Мира признаны недействительными.
Одной из основных причин выделения токсичных компонентов из пенополистирола является окислительная деструкция органических соединений на поверхности полимерной пены. Естественно, что в полном соответствии с законами химии скорость окисления с ростом температуры растет не просто быстро, а по экспоненте. Поэтому всегда при определенной температуре любое органическое соединение и полимер в том числе начнет окисляться самопроизвольно, а попросту говоря – гореть. В рекламе пенопластов производители, описывая данное свойство, несколько лукавят, утверждая, что какой-либо пенопласт не горит или самостоятельно затухает. Факт такого поведения пенопласта не говорит о пожарной безопасности данного материала. Дело в том, что официально классификация всех строительных материалов на пожарную опасность производится согласно стандартной методике в ходе которой учитывается убыль массы материала при нагревании на воздухе, а совсем не возможность самостоятельно гореть после удаления источника пламени. Подробное описание методики описано в соответствующем ГОСТе. Отметим, следующую фразу из данного документа: «Строительные материалы относят к негорючим при следующих значениях параметров горючести:
- прирост температуры в печи не более 50°C;
- потеря массы образца не более 50 %;
- продолжительность устойчивого пламенного горения не более 10 сек.
Строительные материалы, не удовлетворяющие хотя бы одному из указанных значений параметров, относятся к горючим.» Причем температура в печи при испытаниях должна достигать 745-755°C (пункт 6.4.3. указанного ГОСТа). Пока не придумано органических соединений, которые бы на воздухе выдерживали такую температуру. Поэтому по классификации на пожарную опасность все пенопласты относятся к классу «Г», то есть горючих материалов.
Исследования Российского научно-исследовательского центра пожарной безопасности ВНИИПО МВД РФ, представленные на сайте www.aab.ru/sertif однозначно говорят о высокой пожарной опасности полимерных материалов. Например, в приведенном отчете об испытаниях на пожарную опасность полистирольного пенопласта указано, что значение показателя токсичности образцов близко к граничному значению класса высокоопасных материалов.
Если суммировать те проблемы, которые возникают при использовании пенопластов в качестве теплоизоляционных материалов в строительстве, то их можно свести к ограниченному сроку эксплуатации, неопределенности с экологической безопасностью и высокой пожарной опасностью в случае возникновения экстремальной ситуации.
Исходя из этого, вполне логичным представлялось решение по созданию теплоизоляционного материала из неорганического материала. Такой материал должен также обладать высокой удельной поверхностью для вовлечения в свою структуру максимального количества воздуха, но при этом основу его должен составлять материал, не взаимодействующий с кислородом воздуха. Естественно, что таким материалом является большинство природных неорганических соединений, преимущественно силикатной природы. Технологически при работе с силикатными расплавами наиболее простым способом создания высокой удельной поверхности является получение тонких нитей. Исторически сложилось, что наиболее широко исследованными и представленными на рынке теплоизоляционных материалов оказались минеральные волокнистые материалы.
Минераловатные материалы
Применительно к минераловатной продукции, наиболее популярному среди строителей виду теплоизоляционных материалов, следует отметить, что технический уровень большинства российских предприятий значительно отстает от современных требований. Наши заводы по производству теплоизоляционных изделий были ориентированы на промышленную теплоизоляцию и сегодня требуют серьезной реконструкции и модернизации. Так что номенклатура отечественных плитных утеплителей расширяется медленно и все еще скудна.
Рынок России испытывает недостаток в плитных утеплителях повышенной жесткости для утепления фасадов зданий. Явно ощущается дефицит отечественных жестких негорючих плит малой толщины для изоляции кровель, полов.
Среди минеральных ват следует выделить материалы на базальтовой (каменная вата) и кварцевой основе (стекловата). Достоинством базальтовой ваты является ее незначительный вес (50–200 кг/м3). Базальтовый утеплитель в основном используется для теплоизоляции жилых и административных зданий.
Технологии минераловатных утеплителей целесообразно применять на тех участках здания, где требуется обеспечить теплоизоляцию без существенного увеличения нагрузки на здание. В настоящее время широко применяются две технологии утепления наружных стен с этими материалами.
Первый вариант заключается в устройстве конструкции из теплоизоляционных плит и облицовочных элементов с вентилируемым пространством между ними. При этом воздушное пространство между плитами и отделкой обеспечивает требуемую вентиляцию слоистой конструкции, предотвращая образование и накопление влаги в элементах.
Второй вариант теплоизоляции заключается в устройстве конструкции безвоздушного зазора — «теплошубы». В данном случае установки минераловатные плиты должны быть защищены паронепроницаемой пленкой.
При внутреннем утеплении плиты крепятся к стене и закрываются плотной отделкой, например, гипсокартоном.
Для технологии индивидуального жилищного строительства минераловатные материалы применяют как в панельной, так и в каркасной схеме.
Основные проблемы по использованию минеральных ват оказались связанными не с их химическим строением или сырьевым происхождением, а со структурой.
Фотография типичной базальтовой ваты (рис.3.3). Хорошо видно переплетение многочисленных нитей, причем сами по себе нити выглядят гладкими. Последнее обстоятельство объяснимо, учитывая использование расплава при формировании волокон, то есть их поверхность оплавлена. Это хорошо с точки зрения микропористости – микропор нет у оплавенных материалов, поэтому минеральной вате не страшна капиллярная конденсация и связанная с ней низкая морозостойкость. Но, это обстоятельство имеет и негативную сторону.
 |
| Рис.3.3. Фотография структуры минерального волокнистого материала без связки |
Отсутствие шероховатости на поверхности волокон приводит к невысокому коэффициенту трения между волокнами. Проще говоря, ничто не препятствует изменению формы изделия, изготовленного из волокон. А учитывая значительный объем воздуха между волокнами, очевидно, что изменять форму всему изделию достаточно просто. Поэтому волокнистые материалы без связки никогда не имеют такой характеристики как прочность на сжатие. Вернее они имеют такую характеристику, но она принципиально отличается от аналогичной характеристики для жестких материалов. Если жесткий материал при испытаниях сжимают до момента разрушения, то волокнистый материал сжимают на какую-либо величину начального объема и фиксируют значение приложенной силы при таком сжатии. При сжатии волокна смещаются друг относительно друга и не возвращаются в исходное состояние. Материал необходимо тщательно закреплять на конструкции, но всегда существует ряд воздействий, смещающих волокна друг относительно друга. Это может быть и вибрация от проезжающего транспорта, и конвективные потоки в вентилируемых фасадах, и даже неизбежное сезонное термическое расширение и сжатие волокон. На практике это приводит к проседанию материала и появлению участков, свободных от теплоизоляции. Поэтому волокнистые минеральные материалы нельзя считать долговечной теплоизоляцией.
При рассмотренной структуре волокнистого материала возникает понятное желание закрепить, связать волокна между собой в местах их соприкосновения для получения пространственно жесткого материала, который был бы не подвержен усадке со временем. И такое техническое решение было найдено и было успешно использовано на практике практически немедленно после получения первых волокнистых минеральных материалов. Действительно, добавление связки позволяет закрепить волокна в местах их пересечения и материал получается достаточно жестким. На рис. 3.4. приведена фотография жесткой минераловатной плиты. Те бесформенные «лепешки», в которых закреплены игольчатые волокна – это и есть та полимерная добавка, которая призвана придать жесткость минераловатному изделию. Хорошо видно, что полимер закрепил, хотя бы частично, волокна и препятствует их взаимному смещению. То есть в принципе жесткость достигнута.
 |
| Рис.3.4. Фотография структуры полужесткой минераловатной плиты на полимерной связке |
По такой схеме создаются все жесткие и полужесткие минераловатные изделия. Но беда состоит в том, что в качестве связки используют опять же полимерные материалы, причем характер их распределения в минераловатном изделии предполагает опять же высокую удельную поверхность этого полимера. А что такое полимер с высокой удельной поверхностью уже сказано выше. Это опять недолговечность, выделения в воздух и проблемы при пожарах, тем более, что количество вводимого полимера может достигать значительных величин. При этом необходимо заметить, что характер распределения полимера внутри изделия весьма далек от равномерного, что создает дополнительные проблемы и требует увеличения количества полимера для достижения приемлемой жесткости.
В научно-технической литературе прогнозируемый срок эксплуатации для различных минераловатных плит не превышает тридцати лет.
Что касается экологических проблем, не связанных с полимерной связкой, а касающихся собственно минеральных волокон, то в настоящее время идет дискуссия относительно влияния волокон, особенно супертонких.
пено-газобетоны
Большинство производителей газобетона плотностью 600 кг/м3 указывает значение теплопроводности в пределах 0,140-0,145 Вт/(м·К), но только для сухого материала. С завода он обычно отпускается с влажностью до 20-25%. Теплопроводность такого материала не укладывается в рамки требований теплоизоляционных материалов. Считается, что со временем влажность блоков упадет, но погодные условия средней полосы России характеризуются высокой относительной влажностью или условиями эксплуатации «Б», а значит сорбционная влажность для изделий с высокой микропористосью, к каким относятся пено- и газобетоны, не позволит добиться равновесной влажности ниже 5-10%. Естественно, что и теплопроводность в реальных условиях эксплуатации оказывается значительно выше той, которая декларируется.
На фотографии структуры типичного газобетона (рис.3.5) очевидно, что структура твердого материала выглядит пористой. Помимо крупных ячеек, которые собственно и образуют «пену», сам материал пронизан большим количеством микропор размером менее 10 мкм.
 |
 |
| Рис.3.5. Фотографии структуры газобетона | |
Из курса физической химии хорошо известно, что даже при невысокой относительной влажности в капиллярах происходит конденсация влаги, что объясняет явление сорбционной влажности пористых тел. Именно такая структура пено- и газобетона делает неизбежной существенное значение сорбционной влажности. То есть в пено- и газобетонах обязательно в естественных условиях присутствует сконденсированная в микропорах вода, причем значительное количество микропористости предполагает и значительную конденсацию влаги. А это приводит к снижению теплоизоляционных свойств.
Главные проблемы возникают при замерзании и оттаивании сконденсированной влаги. Естественно, что влага, заключенная в жестком капилляре при замерзании увеличивает объем и разрушает капилляр. Поэтому морозостойкость пено и газобетонов не может быть высокой.
Подводя промежуточный итог сказанному, видно что ни один из трех типов наиболее широко используемых в настоящее время теплоизоляционных материалов – пено-(газо)бетон, пенопласты и минераловатные изделия – не может считаться качественным. Так все перечисленные материалы нельзя признать долговечными, а минераловатные излелия и пенопласты имеют серьезные проблемы с экологической и пожароопасной точек зрения.
К таким выводам можно прийти опираясь исключительно на знания о химическом строении и структуре данных материалов. Однако анализ перечисленных проблем позволяет сделать определенные выводы о том, какими же характеристиками и структурой должен обладать теплоизоляционный материал, лишенный указанных недостатков. Во-первых, такой материал не должен содержать в своем составе органических соединений, а в идеале материал может успешно существовать на воздухе при температурах 500-700 ?С, во избежание возможных повреждений при пожарах. Этому условию в принципе удовлетворяют пено- газобетоны, но они обладают нежелательной микропористостью. А минеральные волокна не имеют микропористости, но у них отсутствует пространственная жесткость. Вот если бы удалось совместить плавленую структуру минеральных волокон и пространственно-жесткую структуру ячеистых бетонов! Оказывается это возможно – просто минеральная ячеистая структура должна получаться из расплава – и тогда все необходимые условия будут соблюдены.
Но, оказывается, сделав вывод о структуре теплоизоляционного материала как минерального ячеистого материала, получающегося из расплава, мы тем самым пришли к выводу о том, что материалом, лишенным недостатков пенопластов, ячеистых бетонов и минеральных ват является пеностекло.
Пеностекло
Почему же пеностекло является тем материалом, которое сегодня практически не имеет конкурентов на рынке теплоизоляционных материалов? Об основных причинах уже сказано – оно практически не имеет ограничений по срокам эксплуатации, потому что стекло не взаимодействует ни с воздухом, ни с водой, ни с подавляющим большинством известных веществ. А ячеистая структура пеностекла не допускает изменения формы. Что касается возможных выделений твердых или газообразных компонентов, то непрерывность ячеистой структуры исключает образование твердых микрочастичек, а термическая обработка материала при производстве приводит к завершению любых химических процессов, связанных с газовыделением еще на стадии синтеза при 700-800°C.
На рис. 3.6 показаны фотографии структуры пеностекла Пеноситал®. Очевидно, что пленки стекла, разделяющие ячейки получены в результате плавления материала и не обладают микропористостью, а, значит, не могут сорбировать влагу, снижающую морозостойкость изделия. Другой особенностью плавленого материала в отличие от полученного из вяжущего и поэтому микропористого, является его высокая прочность. Действительно, сравнение прочности пеностекла Пеноситал® и ячеистого бетона одинаковой плотности показывает более высокое значение показателя прочности у пеностекла Пеноситал® как минимум в три-четыре раза.
 |
 |
| Рис.3.6. Фотографии структуры пеностекла | |
И единственным показателем по которому пеностекло уступает другим, описанным выше теплоизоляционным материалам, является стоимость его кубометра. Но теплоизоляцию мы покупаем ни ради объема, а ради достижения определенного термического сопротивления ограждающих конструкций. Вот тут и оказывается, что при существующем сопротивлении теплопередаче пеностекла Пеноситал®, количество материала, необходимое для теплоизоляции квадратного метра перекрывает эффект кажущейся высокой стоимости кубического метра. В результате стоимость квадратного метра становится сопоставима, а в большинстве случаев и ниже, чем для других материалов. А если прибавить к этому выигрыш от снижения массы конструкции, упрощения монтажа, повышения безопасности, уменьшения толщины конструкций, то преимущества от использования пеностекла становятся очевидными.
Использование тех или иных материалов в промышленности вообще и в строительстве, в частности, - вопрос времени и развития общества. Когда-то жилища утепляли соломой и опилом, потом им на смену пришли пенопласты и минеральные ваты. Сегодня они не отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, претендующим на использование в современном строительстве. По комплексу эксплуатационных свойств пеностекло не имеет конкурентов.
