Реферат: Теплоизоляционные экологически безопасные материалы для ограждающих конструкций зданий

Теплоизоляционные экологически безопасные материалы для ограждающих конструкций зданий


http://www.stroinauka.ru/biblio.asp?d=12&dc=26&dpc=0&dr=5647


Часть 1

Рассматриваются основные свойства и области применения в строительстве материалов на минеральной основе, использование которых обеспечивает надежность и повышенные теплозащитные свойства наружных стен без увеличения их толщины.

Проблема энергосбережения в строительстве остается актуальной. Ее решение в большой мере сосредоточено на повышении теплозащитных свойств ограждающих конструкций, несмотря на то, что теплопотери через них при базовом уровне тепло-сопротивление не превышают 28..30% и 20% - с учетом рекуперации тепла от сбросов горячей воды и вентилируемого воздуха. Нормативное повышение уровня теплозащитных свойств наружных стен в три раза и более привело к повсеместному возведению слоистых стен с внутренним или наружным расположением малотеплопроводных утеплителей из пенополистирольных или минераловатных плит, но это не решает проблему в целом. Такая конструкция стен, с учетом природной изменчивости свойств утеплителей в период эксплуатации, их повышенной толщины и множества креплений, снижающих конструктивную и теплотехническую однородность стен до 0,6...0,7 и менее, потенциально не может быть и не является долговечной [1]. Это означает, что теплозащитные свойства наружных стен постепенно снижаются, а теплопотери через них увеличиваются, что недостаточно учитывается при проектировании [1]. Несмотря на это, сохраняется необходимый минимум теплосопротивления стен, обеспечивающий безопасные санитарно-гигиенические условия для жизни и здоровья людей, так как определяемый по формуле (1) СНиП 11-3-79 он в 2...3 и более раз меньше энергосберегающего, определяемого по СНиП 23-02-2003, исходя из количества градусосуток отопительного периода (ГСОП). В частности, для Москвы и Московской области соотношение необходимого и энергосберегающего уровней теплозащитных свойств наружных стен составляет 1:3,5. Дополнительное тепло-сопротивление наружных стен функционально не связано с обеспечением безопасных санитарно-гигиенических условий для жизнедеятельности людей и поэтому, согласно закону «О техническом регулировании» [2], не является обязательным. Таким образом, энергосберегающая составляющая теплосопротивления наружных стен имеет рекомендательный характер и регулируется рынком.

Разделение теплосопротивления наружных стен на обязательное и рекомендательное открывает большие возможности использования в строительстве традиционных строительных материалов, возрождения их массового производства, упрощения и повышения надежности ограждающих конструкций, снижения их стоимости. Сравнительно невысокие потери тепла и минимально-необходимого теплосопротивления через наружные стены из условий безопасности для жизни и здоровья людей, позволяет делать стены однослойными из кирпича, легких бетонов, на пористых наполнителях и поробетона, как и до введения Изменений № З к СНиП 11-3-79.

Однако до разработки и введения в 2010 г. в действие предусмотренных законом [2] «Технических регламентов» требования к энергосбережению остаются также обязательными. Одновременное обеспечение повышенных теплозащитных свойств и надежности наружных стен без увеличения их толщины требует применения легких и недорогих материалов на минеральной основе со сравнительно невысоким сроком окупаемости их производства и использования, не превышающим 10 лет. Такими материалами на сегодняшний день являются: газо- и пенобетоны, полистиролбетон, а также пустотелые крупноформатные керамические материалы из пористой керамики, производство которых освоено отечественными кирпичными заводами («Победа/Кнауф», Голицынским, Норским, Железногорским). Пониженная теплопроводность такой стеновой керамики позволяет возводить из них однослойные наружные стены толщиной 0,64 м с приведенным сопротивлением теплопередаче 3,2 м2°С/Вт, т.е. такой же, как из полнотелого кирпича до введения новых норм СНиП 11-3-79. Гарантированные прочность, долговечность и функциональная надежность таких стен, несмотря на их более высокую стоимость и срок окупаемости, обеспечивает им безремонтный срок службы от 80 до 100 лет. Экономия на ремонте позволит компенсировать начальное удорожание кирпичных стен и снизить срок их окупаемости.

Пенобетон неавтоклавного твердения достаточно широко применяется в малоэтажном индивидуальном и сельском строительстве и частично при возведении ненесущих стен в монолитном капитальном строительстве. При пониженной средней плотности 500...600 кг/м3 из него можно делать однослойные и двухслойные наружные стены с облицовкой кирпичом, удовлетворяющие современным нормам теплозащиты. Возможно использование его также в качестве теплоизоляционного материала в слоистых стенах, перекрытиях и покрытиях при монолитной укладке.

Однако его технологический и технический уровни уступают газобетону и полистиролбетону, особенно малой плотности 500 кг/м3. Он медленно твердеет, оседает и расслаивается при формовании, особенно при монолитной укладке, требует длительной выдержки перед распалубкой и, несмотря на это, имеет невысокую прочность, являющуюся причиной повреждения углов и ребер сборных изделий. Срок достижения его проектной прочности значительно превышает 28 суток. Готовые изделия имеют повышенную влажность и усадку, снижающие трещиностойкость. Медленное обезвоживание удлиняет сроки достижения пенобетоном равновесной влажности, что вызывает дополнительный расход тепловой энергии, необходимой для компенсации сверхрасчетных теплопотерь в период достижения пенобетоном равновесной влажности, особенно при монолитном строительстве. Наблюдается нестабильность показателей плотности, прочности и других свойств пенобетона.

Эти недостатки пенобетона, отмечаемые многими исследователями [3-6], во многом обусловлены экранирующим действием поверхностно-активных веществ (ПАВ), адсорбирующихся на активных центрах частиц вяжущего, песка и других компонентов, а также продуктах гидратации вяжущих, что затрудняет и замедляет возникновение фазных контактов между ними. Слабое взаимодействие гидрофобизированных минеральных частиц между собой, водой и гидрофильным коагелем оболочек воздушных пузырьков пены снижает устойчивость пеномассы, вызывает её осадку и расслоение. На эти негативные обстоятельства технологии пенобетона указывал еще П.А. Ребиндер [7, 8]. Для повышения устойчивости пеномассы, ускорения твердения, снижения усадки и увеличения прочности пенобетона, особенно при снижении средней плотности, в исходные смеси вводят волокна различной природы, ускорители твердения, пластификаторы для снижения В/Т и полимерные эмульсии. Технология при этом усложняется и требует строгого контроля.

Более рациональным и продуктивным является совмещение отдельно приготовленной пены с сухими компонентами бетона, так называемый способ «сухой минерализации пены» при перемешивании [9]. Это позволяет сократить продолжительность выдержки пенобетона перед распалубкой, снизить влажность, повысить прочность. Но устранить недостатки, обусловленные нестабильной несущей способностью пены, «отравляющим» действием ПАВ и стабилизаторов пены в большей мере не удается.

Преодоление «отравляющего» действия ПАВ в технологии пенобетона представляет актуальную проблему, которая требует более глубокого изучения физико-химических процессов, происходящих на границе раздела твердой, жидкой и газообразной фаз пеномассы с целью разработки эффективных пенообразователей, лишенных известных недостатков и способов формирования микро- и макроструктуры пенобетона с заданными свойствами.

Наиболее перспективным способом формирования такой структуры пенобетона является разработанный в 1971 г. на кафедре строительных материалов МИСИ (МГСУ) так называемый пенофлотационный способ, основанный на теории и практике пенной флотации, совмещающий процессы поризации, перемешивания и активации исходной смеси, содержащей флотореагенты (собиратели, пенообразователи и регуляторы) в быстроходном смесителе типа флотомашины [8]. Эффективность этого способа проявляется в существенном снижении расхода пенообразователя и водопотребности смеси, повышении устойчивости и скорости твердения пеномассы, в улучшении всех свойств пенобетона, которые при автоклавном его твердении оказываются аналогичными свойствам автоклавного газобетона средней плотности 500...700 кг/м3.

Пенофлотационный способ хорошо зарекомендовал себя при изготовлении неавтоклавного пенобетона. Совмещение перемешивания и поризации исходных смесей в едином процессе, в частности, широко используется в научно-производственной деятельности НИИЖБ в области ячеистых бетонов [10, 11]. Достижение положительных результатов при производстве неавтоклавного пенобетона этим способом в заводских и построечных условиях в разных регионах России подтверждают его преимущество перед традиционной технологией производства пенобетона, основанной, как известно, на раздельном приготовлении пены и строительного раствора и последующем их смешивании. Однако полностью нейтрализовать тормозящее действие пенообразователей на процессы структурообразования пеномассы не удается, это требует введения в аэрируемые смеси стабилизаторов и ускорителей твердения, особенно при снижении средней плотности неавтоклавного пенобетона менее 400...500 кг/м3.

По прочности, жесткости и однородности неавтоклавный пенобетон в разном исполнении уступает автоклавному поробетону, что предопределяет его использование в малоэтажном строительстве, ненесущих конструкциях, вынуждает увеличивать среднюю плотность до 800...900 кг/м3 для повышения прочности и снижения усадки и ползучести.

Полистиролбетон имеет определенные технологические преимущества перед пенобетоном и газобетоном. Формирование его ячеистой структуры осуществляется готовыми порами - полидисперсными вспененными гранулами полистирола размером 0,б....20 мм при насыпной их плотности 10...35 кг/м3. Промежутки между ними заполняются поризованным цементным тестом при В/Ц=0,65...0,35, объединяющим гранулы пенополистирола в единое целое - полистиролбетон средней плотности 150...500 кг/м3. Таким образом, последний представляет собой двухфазную систему, состоящую из вспененных гранул пенополистирола и цементной матрицы. Примечательно, что при её небольшой прочности полистиролбетон средней плотности 200-500 кг/м3 достигает прочности неавтоклавного пено- и газобетона, имеющего значение плотности и прочности матрицы в несколько раз большее. При прочности цементной матрицы, например, 1....2,5 МПа и плотности 320...450 кг/м3 прочность полистиролбетона средней плотности 200 кг/м3 составляет 0,35...0,5 МПа, а при прочности матрицы 7,4....15,7 МПа и плотности 820...1160 кг/м3 прочность полистиролбетона средней плотности 500 кг/м3 достигает 2,3...3,44 МПа [12]. Это говорит о преобладающей конструктивной роли гранул пенополистирола в создании прочности полистиролбетона, закономерно проявляющейся при изменении насыпной и средней плотности пенополистирольных гранул, их размеров, прочности и межзерновой пустотности. Влияние перечисленных свойств гранул настолько велико, что плотность и прочность полистиролбетона могут изменяться в 2-4 раза независимо от прочности и плотности цементной матрицы. В связи с этим ГОСТ Р 51263-99 устанавливает три уровня качества полистиролбетона, которые зависят от качества пенополистирольных гранул. Для получения высококачественных гранул требуется исходный фракционированный бисерный полистирол постоянного химического состава и степени полимеризации, обеспечивающий получение в оптимальных условиях вспенивания пенополистирольных гранул постоянных размеров, структуры и плотности, что практически недостижимо при масштабном производстве полистиролбетона в регионах. Имеются технологические ограничения по длительности предварительной выдержки и температуре твердения отформованных изделий из полистиролбетона, обусловленные деструктивными процессами расширения пенополистирольных гранул при повышении температуры более 40 oС на стадии формования и 70...75oС - при тепловой обработке. Теплоизоляционный монолитный полистиролбетон средней плотности 150...250 кг/м3, заливаемый в ограниченные конструкционными слоями пазухи наружных стен, дает осадку и имеет повышенную влажность, которая медленно снижается в период эксплуатации, что ухудшает теплозащитные свойства ограждающих конструкций и вызывает перерасход тепловой энергии. Аналогичными недостатками обладает заливочный полистиролбетон средней плотности 350...400 кг/м3 в трехслойных панелях наружных стен и плитах покрытий, изготавливаемых в едином технологическом процессе. Это снижает эффективность в целом прогрессивного конструктивно-технологического решения проблемы сцепления слоев разнородных материалов и повышения долговечности указанных изделий.

Дальнейшее совершенствование этого решения возможно путем замены полистиролбетона аэрированным пенобетоном, обладающим высокой устойчивостью пеномассы.

Вследствие неполной и неоднородной полимеризации остаточное количество стирола в гранулах пенополистирола выделяется в окружающую среду, превышая допустимую его концентрацию в воздухе (0,002 мг/м3). Снижение уровня вредных выделений пенополистирола в воздушную среду может осуществляться диффузионным способом и химической детоксикацией стирола.

Принципиальное значение имеют пожарная и экологическая безопасность полистиролбетона. Допускается использование полистиролбетона при соблюдении требований пожарной и экологической безопасности, предусмотренных ГОСТ 51263-99 и инструкцией по обеспечению экологической безопасности в различных конструкциях зданий. Однако долговечность пенополистирола, по разным оценкам, не превышающая 20-50 лет, делает проблематичным его использование в многоэтажном и капитальном строительстве зданий со сроком службы 100 и более лет.

Многофакторная зависимость свойств полистиролбетона от входных параметров исходных материалов и технологии, отклоняющихся в большинстве случаев от оптимальных значений, а также противоречивые данные натурных наблюдений за поведением пенополистирола разных видов в ограждающих и других конструкциях не позволяют в настоящее время прогнозировать с допустимой степенью риска достижение в период эксплуатации «порога накоплений» его дефектов, способных вызвать нарушение работоспособности конструкций на его основе и комфортного микроклимата в помещениях и тем самым ухудшить условия жизни и здоровье людей. Закон [2] в этом случае не запрещает производство и применение пенополистирола, но требует информирования потребителей о возможном в дальнейшем ухудшении здоровья людей, связанном с применением материала, не обладающего достаточной долговечностью, экологической и пожарной безопасностью, нарушающего комфортный микроклимат внутри помещений и функциональное состояние конструкций.

Таким образом, проблема стабилизации на оптимальном уровне качественных показателей зерен суспензионного полистирола и вспученных гранул на его основе является основополагающей для получения полистиролбетона с высокими строительно-эксплуатационными свойствами.

Библиографический список:

Взгляд на энергосбережение сквозь стены. Лобов ОМ., Ананьев AM., Кувшинов Ю.Я. и др./Строительный эксперт, № 5 (168),.2004 г.

Федеральный закон «О техническом регулировании». - М.: Ось - 89, 2003-48с.

Величко Е.Г., Комар А.Г. Рецептурно-технологические проблемы пенобетона//Строительные материалы, №3, 2004 г. - с.26-29.

Мартыненко В.А. Тенденции развития формовочно-резательного оборудования для производства мелкоштучных ячеисто-бетонных изделий// Строительные материалы, №3, 2004 г. - с.18-19.

Ахундов А.А., Гудков Ю.В. Состояние и перспективы развития производства пенобетона // Вестник БГТУ им ВТ. Шухова. «Пенобетон», №4, 2003 г. - с. ЗЗ-39.

Сахаров ГЛ., Стрельбицкий В.П. Поробетон и технико-экономические проблемы ресурсоэнергосбережения //Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. Научно-технический журнал. Темат. вып. №4, 2003 г. - с.25-32.

7. Ребиндер П.А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем //Известия АН СССР, серия хим., №5, 639,1936 г.

Ребиндер П.А., Петрова A.M., Смирнова A.M., Положинцева Е.Н. Поверхностные явления и значение малых добавок адсорбирующихся веществ в технологии строительных материалов./Доклад на ОТН АН СССР, 21.06.1936 г.

Румянцев Б.М., Критарасов Д.С.Пенобетон, проблемы развития//Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. № 1, 2002. - с. 14-15.

 Ухова Т.А. Индустрия: Инженерная газета№37, 10.2003.

Ухова Т.А. Неавтоклавный поробетон для однослойных ограждающих конструкций//Бетон и железобетон. № 1, 1997. - с. 41-43.

 Довжиг В.Г. Факторы, влияющие на прочность и плотность полистиролбетона // Бетон и железобетон. № 3, 1997. - с. 41-43.

Технологии бетонов »

Г.П. Сахаров, профессор, д.т.н., заслуженный деятель науки РФ (МГСУ)

Концепция инновационной деятельности »

Материалы »

No. 1/2005
20.02.2006