Эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях

Все чаще в современном строительстве применяются легкие конструкции из «сэндвич»-панелей на основе волокнистых теплоизоляционных материалов или пенопластов с металлической наружной и внутренней облицовкой. Рациональным способом повышения теплозащиты эксплуатируемых зданий является дополнительное наружное утепление ограждающих конструкций. Существующие варианты утепления зданий отличаются как конструктивными решениями, так и используемыми в конструкциях материалами. В отечественной практике в строительных конструкциях наибольшее применение нашли теплоизоляционные изделия из минеральной ваты, стекловолокна и пенополистирола. Минераловатные изделия для применения в строительных конструкциях представлены на отечественном рынке продукцией предприятий ЗАО «Минеральная Вата» (Московская обл.), «�зоплит» (г. Тверь), ОАО «АКС�» (г. Челябинск), АО «Тизол» (Н.Тура), ОАО «Термостепс МТЛ» (г. Самара), Назаровского ЗТ�, завода «Комат», ЗАО «�зорок», импортными теплоизоляционными материалами фирм: «Роквул», «Партек», «�зомат» и др. Наиболее крупными производителями теплоизоляционных изделий из стекловолокна на территории России являются: ОАО «Флайдерер-Чудово» и ЗАО «Мостермостекло». �нофирмы представлены компанией «�зовер». Теплоизоляционный пенополистирол выпускается предприятиями: СП «Т�Г�-Кнауф» (Моск. обл.), NESTE «ПеноПласт» (Санкт-Петербург), АО «Стройпластмасс» (Моск. обл.). Эффективным материалом для утепления покрытий зданий является пока еще мало применяемое в отечественном строительстве пеностекло «Фомглас», выпускаемое фирмой «Питтсбург Корнинг» (Pittsburgh Corning), и его отечественный аналог — пеностекло концерна «БелТ�СМ» (г. Старый Оскол). Физико-технические свойства используемых в строительстве теплоизоляционных материалов оказывают определяющее влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций, трудоемкость монтажа, возможность ремонта в процессе эксплуатации. Основными показателями, характеризующими свойства материалов, являются: плотность, теплопроводность, прочность на сжатие для жестких изделий, сжимаемость и упругость для мягких и полужестких материалов, паропроницаемость, горючесть, морозостойкость, водопоглощение и водостойкость, биостойкость и отсутствие токсичных выделений при эксплуатации. Теплоизоляционные материалы в конструкциях утепления зданий должны соответствовать требованиям пожарной безопасности по СНиП 2.01.02-85, иметь гигиенические сертификаты, не выделять токсичные вещества в процессе эксплуатации и при горении. Горючесть теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна определяется содержанием органического связующего. Минераловатные изделия на синтетическом связующем с содержанием органических веществ менее 4% относятся к группе НГ (негорючие), а при большем содержании органических веществ к группе Г1 (слабо горючие) или Г2 (умеренно горючие) при испытаниях по ГОСТ 30244. Теплоизоляционные изделия из минерального и стеклянного волокна на синтетическом связующем относятся к группам материалов, не распространяющих пламя, с малой дымообразующей способностью и малоопасных по токсичности по СНиП 21-01-97. �зделия из минерального и стеклянного волокна обладают хорошими звукопоглощающими и звукоизолирующими свойствами, что дает возможность их применения в конструкциях подвесных потолков, перекрытиях, полах и перегородках зданий различного назначения. Долговечность теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях, помимо свойств самих материалов, зависит от увлажнения теплоизоляционного материала в конструкции, воздействия ветровых нагрузок, механических нагрузок от собственного веса в конструкциях стен и нагрузок при перемещении людей в конструкциях крыш и перекрытий. Очевидно, что, кроме общих факторов, существуют дополнительные, обусловленные спецификой работы материала в конструкции. Специфика условий эксплуатации определяет состав технических требований к применяемым теплоизоляционным материалам. Для теплоизоляционных материалов, применяемых в наружных ограждающих конструкциях зданий, особенно важным является показатель водостойкости. Учитывая возможность периодического увлажнения теплоизоляционных материалов в конструкции, показатель водостойкости в значительной степени определяет их долговечность. Данные о сравнительной водостойкости и, соответственно, долговечности минеральных, стеклянных и базальтовых волокон отсутствуют, т.к. эти материалы в соответствии с техническими условиями испытываются по разным методикам. Так, водостойкость минеральной ваты зависит от модуля кислотности (отношение суммы кислотных окислов (SiO2+ Al2O3) к сумме щелочных окислов (CaO+MgO)) и по ГОСТ 4640 характеризуется показателем рН. Модуль кислотности продукции различных производителей имеет значения в диапазоне от 1,2 до 2-2,5. С увеличением модуля кислотности волокна водостойкость минеральной ваты возрастает. Водостойкость стеклянных волокон существенно зависит от химического состава и диаметра волокна. Увеличение содержания щелочных окислов до значений более 15-16% и уменьшение диаметра волокна приводят к снижению водостойкости материала. Показатель водостойкости теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна зависит от свойств применяемого при их изготовлении связующего. Например, изделия на синтетическом связующем на основе фенолоспиртов с модифицирующими добавками характеризуются более высокими показателями водостойкости, чем на карбамидном связующем. Учитывая возможность деструкции минеральных волокон с низким модулем кислотности и стеклянных волокон щелочного состава при контакте с влагой, при разработке конструкций с применением этих теплоизоляционных материалов предусматривают технические решения, ограничивающие деструктивное воздействие влаги на материал в процессе эксплуатациии. К таким решениям относятся гидрофобизация материалов в процессе производства и применение конструктивных решений, предотвращающих или ограничивающих возможность конденсации влаги в конструкции. За счет гидрофобизации волокнистых материалов снижается их смачиваемость, т.е. уменьшается поверхность взаимодействия волокон с капельной влагой, что приводит к повышению водостойкости и, соответственно, долговечности материала. Для обеспечения долговременной стабильности свойств теплоизоляционные материалы из стекловолокна и минеральной ваты, применяемые в наружных ограждающих конструкциях зданий, должны быть гидрофобизированы в процессе производства. �з пенопластов наибольшее применение в строительстве получил пенополистирол. В ограниченном объеме выпускаются и применяются в строительных конструкциях зданий теплоизоляционные пенополиуретаны, карбамидоформальдегидные пенопласты (пеноизол), фенольные пенопласты, пенополиэтилен. По оценке, авторов статьи [1], применение пенопластов в строительстве имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относят низкий коэффициент теплопроводности (0,03 – 0,04 Вт/м К), низкую плотность (15 – 50кг/м3), технологичность получения и применения в строительных конструкциях. К недостаткам относят пожароопасность, экологическую опасность, отсутствие достоверных данных по долговечности. Теплоизоляционные пенопласты относятся к горючим или трудногорючим материалам (группы Г1 – Г4) по ГОСТ 30244, что ограничивает область их применения и требует принятия специальных технических решений, обеспечивающих пожаробезопасность зданий. Экологическая опасность связана с выделением вредных для человека веществ как при нормальных условиях эксплуатации, так и с выделением токсичных продуктов разложения полимера при горении, которые представляют большую опасность для человека, чем сам пожар. Фактическая долговечность вспененных полимеров в строительных конструкциях, по мнению авторов статьи[1], ниже декларируемой производителями материалов, а применяемая в настоящее время методика ее оценки не отражает реальные условия эксплуатации. Технические требования к материалам зависят от этажности здания, конструкции утепления и условий эксплуатации, что должно быть учтено при определении рациональной области применения того или иного материала. Вопрос соответствия долговечности теплоизоляционных материалов расчетному сроку службы зданий является на сегодняшний день весьма актуальным в связи с повышением требований к теплозащите зданий и расширением объемов применения теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях. Следует отметить, что уже имеются рекламации по недостаточной долговечности некоторых теплоизоляционных пенопластов в строительных конструкциях. Возможность использования того или иного вида теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях зданий должна определяться на основании результатов исследования его эксплуатационных характеристик, позволяющих произвести сравнительную оценку его долговечности и эксплуатационной надежности, включая: значения эксплуатационной влажности материала в конструкции с учетом его паропроницаемости, сорбционной влажности и водопоглощения; морозостойкость материала при эксплуатационной влажности; влагостойкость; атмосферостойкость (старение, химическая деструкция); выделение токсичных веществ в процессе эксплуатации. Следует отметить, что наиболее высокие требования по долговечности предъявляются к теплоизоляционным материалам, используемым в качестве среднего слоя в многослойных конструкциях из кирпича и бетона, так как в этих конструкциях фактически исключена возможность замены утеплителя в процессе эксплуатации здания. В последние годы на отечественном рынке появилась широкая гамма теплоизоляционных изделий на основе пенополиэтилена с покрытием из алюминиевой фольги. Производители этой продукции развернули широкую рекламную кампанию, в которой утверждается, что эффективность применения этих материалов с отражательным покрытием в строительстве чуть ли не в 10 раз превышает эффективность традиционно применяемых волокнистых теплоизоляционных материалов. Следует отметить, что это является либо заблуждением, основанным на непонимании физики процессов переноса тепла, либо недобросовестной рекламой. Тепловой поток через наружные ограждения зданий определяется их сопротивлением теплопередаче, которое в зависимости от продолжительности отопительного периода и вида зданий имеет значения порядка 1,5 – 4 м2 К/Вт . Сопротивление теплоотдаче на внутренней и наружной границе ограждения составляет лишь незначительную часть общего термического сопротивления конструкции и имеет значения порядка 0,1 – 0,4м2 К/Вт. Поэтому нанесение покрытия с хорошими отражающими свойствами как изнутри, так и снаружи здания увеличивает граничное термическое сопротивление, но не оказывает определяющего влияния на величину теплового потока через ограждение. Значения теплотехнических характеристик строительных материалов, в т.ч. теплоизоляционных в конструкциях под воздействием эксплуатационных факторов изменяются во времени и могут существенно отличаться от значений, получаемых при лабораторных испытаниях и указанных в технических условиях. Поэтому при проектировании используют расчетные значения коэффициента теплопроводности материалов, учитывающие изменение этого показателя при увлажнении конструкции в эксплуатационных условиях. Значения расчетного коэффициента теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов, включенных в приложение 3 СНиП II-3-79* для условий эксплуатации А, превышает его значение в сухом состоянии в 1,1 – 1,15раза, а для условий эксплуатации Б в 1,2 – 1,25 раза. Для новых в российской практике теплоизоляционных материалов значение расчетных коэффициентов теплопроводности при расчетной массовой влажности определяется на сертификационных испытаниях методом стационарного теплового потока по ГОСТ 7076 «Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». Следует отметить, что использование этого метода для испытания влажных теплоизоляционных материалов является некорректным, т.к. при измерениях возникают значительные погрешности, обусловленные протеканием нестационарных процессов фазовых превращений и влагопереноса в испытуемых образцах. Кроме того, для материалов плотностью менее 50 кг/м3 различие между теплопроводностью в сухом и увлажненном состоянии при расчетном массовом отношении влаги в условиях эксплуатации А и Б, соответственно – 2% и 5%, часто не превышает погрешность измерений по ГОСТ 7076, что также исключает возможность применения этого метода для влажных теплоизоляционных материалов. В зарубежной практике значения этого показателя принимаются методом экспертной оценки для групп материалов, близких по структурным и физическим характеристикам. Так, например в Германии, для волокнистых теплоизоляционных материалов расчетное значение коэффициента теплопроводности принимается с учетом его увеличения на 2% при увеличении влажности по массе на 1%. Аналогичный подход, учитывающий условия применения, принят и в Дании, являющейся крупнейшим производителем минераловатных теплоизоляционных материалов. Представляется целесообразным в отечественной практике при определении расчетных коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов ввести аналогичный подход, что исключит необходимость проведения большого количества ненужных испытаний и повысит достоверность рекомендуемых для использования при проектировании данных. Практически этот подход может быть реализован при пересмотре СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника». Таким образом, необходимым условием широкого применения теплоизоляционных материалов в строительстве является создание нормативной и совершенствование информационной базы в этой области, повышение качественных характеристик применяемых материалов, разработка и введение в действие методов оценки их долговечности в различных условиях эксплуатации. Реализация новой для России концепции строительства с использованием эффективных утеплителей должна осуществляться на основе детального анализа как свойств рекомендуемых к применению материалов, включая их долговечность и эксплуатационную надежность, так и применяемых конструктивных решений с учетом эксплуатационных особенностей конструкций, протекающих в них физических и химических процессов и требований экологической и пожарной безопасности. �спользованные источники: 1. Б.С. Баталин, академик МАНЭБ, д.т.н., профессор. Ю.А. Урюков, главный специалист по строительству ПО «Фатрис», А.А. Кетов, д.т.н., профессор. «Применение ячеистых пластиков в строительстве: плюсы и минусы». Журнал «Пермские строительные ведомости», май 2001г.