12 Июль 2016

 

В.А. ЛОТОВ, д-р техн. наук, Томский политехнический университет

 

Все теплоизоляционные материалы по характеру структуры можно разделить на три группы: материалы с жесткой, ячеистой структурой, материалы с зернистой, несвязанной структурой и материалы c волокнистой структурой. Выбор материалов для проведения теплоизоляционных работ предопределяется прежде всего характером объекта тепловой защиты, целесообразностью способа его защиты, наличием материалов и удобством их использования при проведении работ. Основным принципом при выборе утеплителя должен быть принцип соответствия долговечности утеплителя и основного строительного материала.

 

Комплексом эксплуатационных свойств, отвечающих самым высоким нормативным требованиям обладает пеностекло — жесткий, высокопористый теплоизоляционный материал с замкнутой ячеистой структурой, представляющий собой застывшую стеклянную пену с размером полиэдрических и округлых ячеек 0,5—3 мм. Пеностекло получают при термическом нагреве до температур 750—850оС тонкомолотой шихты, состоящей из стекла и газообразователя. Необходимо напомнить, что технология пеностекла разработана в России И.И. Китайгородским в 1932 г. и достаточно подробно представлена в научно-технической литературе [1—5].

 

Основные свойства пеностекла следующие:

  • плотность 120—220 кг/м3 и выше;
  • коэффициент теплопроводности 0,05—0,09 Вт/(мК);
  • прочность при сжатии 0,5—2 МПа;
  • водопоглощение 5—10 об. %.

 

Особенности структуры и удачное сочетание различных свойств пеностекла позволяет использовать его в следующих случаях:

  • для тепловой изоляции жилых и промышленных зданий, энергетических установок, тепломагистралей и другого трубопроводного транспорта;
  • в качестве звукоизоляционного материала с шумопоглощением до 56 децибел;
  • в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала, который легко обрабатывается, пилится, сверлится обычным инструментом;
  • как плавучий и водостойкий материал;
  • как биостойкий материал, не подверженный гниению, и для защиты складских помещений от грызунов;
  • как абсолютно негорючий материал, являющийся продуктом высокотемпературной обработки тонкоизмельченного стекла;
  • как химически стойкий, долговечный и экологически чистый материал;
  • как материал, способный сохранять свои основные свойства и форму в интервале температур от -190 до +450°С и в условиях с относительной влажностью среды до 97%.

 

Сопоставительный анализ функциональных свойств и технических характеристик теплоизоляционных материалов в виде жестких плит [6—7] показывает, что наиболее перспективным материалом является пеностекло.

 

Другим весьма перспективным теплоизоляционным материалом с достаточно жесткой структурой следует назвать пеносиликатный материал, получаемый на основе жидкого стекла [8]. Он также представляет собой твердую неорганическую пену, которая в процессе поризации жидкостекольной смеси при термическом или СВЧ-нагреве (t = 350—450°С) приобретает заданные размеры и форму. Целенаправленно изменяя содержание твердой фазы в жидкостекольной смеси путем введения различных тонкодисперсных минеральных наполнителей, можно получить пеносиликатные изделия с плотностью 50—200 кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,032—0,065 Вт/(мК) и прочностью при сжатии 0,08—1,5 МПа. Функциональные свойства пеносиликата аналогичны свойствам пеностекла. Этот материал сохраняет форму и свойства при нагреве до 450°С, биостоек, экологически чистый. Единственным его недостатком является довольно высокое водопоглощение (до 25%), обусловленное значительной долей сквозной пористости в структуре. Этот недостаток устраняется при нанесении на поверхность плит защитных полимерных или неорганических водостойких покрытий в виде сплошной пленки толщиной 0,1—0,5 мм. Покрытие надежно блокирует проникновение влаги в материал и переводит его в категорию долговечных.

 

Особо легкие виды пеносиликата с плотностью 50—75 кг/м3 обладают теплопроводностью, которую имеют пенопласты, получаемые на основе органических веществ, однако главное преимущество пеносиликата заключается в том, что он является негорючим материалом, сохраняющим свои свойства до высоких температур, так как в качестве исходного материала при его получении используются различные композиции на основе жидкого стекла и минеральных веществ.

 

Известно, что на основе жидкого стекла получают вспененный материал в виде легких гранул — стеклопор, из которого с помощью различных связующих материалов изготовляют изделия в виде блоков и плит. Однако в этом случае значительно снижаются теплофизические характеристики изделий по сравнению с гранулами.

 

Вспенивание при термическом или СВЧ-нагреве гранулированных жидкостекольных композиций или жидкостекольного бисера в замкнутом объеме [9] позволяет получать теплоизоляционные изделия с заданной геометрической формой и размерами. При таком способе получения формируется достаточно однородная мелкопористая структура внутри изделий, ограниченная более плотным поверхностным слоем, толщину которого можно изменять с помощью различных технологических приемов.

 

Достаточно высокая стоимость жидкого стекла, получаемого из силикат-глыбы, предопределяет и стоимость пеносиликатных изделий. Поэтому в технологии их получения целесообразно использовать жидкое стекло, получаемое методом прямого растворения измельченного кварцевого песка в щелочи [10]. В этом случае стоимость жидкого стекла снижается в 3—4 раза и появляется возможность для организации производства недорогого и высококачественного теплоизоляционного материала в различных регионах России.

 

К числу материалов, обладающих жесткой пористой структурой, относятся пено- и газобетоны автоклавного и неавтоклавного твердения. Из них наименее энергоемким является производство неавтоклавных бетонов со значительным содержанием цемента в поризуемой смеси, что обеспечивает ее твердение при температурах 40—80°С, обусловленное высоким химическим потенциалом системы цемент — вода. Существенным преимуществом неавтоклавной технологии является возможность организации производства ячеистого бетона при отсутствии автоклавов и насыщенного пара высокого давления. Основной недостаток неавтоклавных ячеистых бетонов — усадка в процессе эксплуатации (2—3 мм/м), объясняется слабой закристаллизованностью продуктов гидратации цемента и ее можно преодолеть при увеличении степени гидратации цемента за счет использования ускорителей гидратации и твердения, активных минеральных добавок и снижения начального водотвердого отношения (ПАВ). Названные технологические воздействия при приготовлении поризуемой смеси способствуют уплотнению и упрочнению межпоровых перегородок, что положительно сказывается на интегральной прочности готовых изделий, не уступающей прочности автоклавных изделий.

 

Наименование изделий

Плотность, кг/м3

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

Расчетная толщина слоя изоляции*, м

Отпускная цена производителя, р/м3

Стоимость изоляции, р/м2

Долговечность

Экструзионный пенополистирол (пеноплекс)

40

0,041

0,143

4500

643,5

Ограничена

Плиты минераловатные ППЖ-200

200

0,045

0,157

2200

345,4

Ограничена

Фиброгазобетон

300

0,076

0,266

1500

399

Необходима защита от влаги

Пеностекло

175

0,067

0,234

6000

1404

Не ограничена

Пеносиликат на основе жидкого стекла из силикат-глыбы

100

0,042

0,147

2200

323,4

Необходима защита от влаги

*Расчетная толщина необходимого слоя теплоизоляции получена исходя из значения термического сопротивления слоя R = 3,5 м2К/Вт, соответствующего 6000 градусо-суткам отопительного периода для условий Западной Сибири.

 

Сравнительные технико-экономические характеристики теплоизоляционных материалов с жесткой структурой представлены в таблице.

 

Сопоставляя уровень цен на различные изделия, можно сделать вывод о достаточно высокой стоимости 1 м2 теплоизоляционного слоя из пеностекла, с помощью несложных расчетов можно прийти к совершенно противоположному выводу. Согласно зарубежному (Германия) опыту применения теплоизоляционных плит из пенопластов и минваты нормативный срок их службы составляет 10 лет, после чего производится полная замена теплозащитного слоя. Таким образом, в течение, например, 50 лет эксплуатации здания необходимо дополнительно еще четыре раза производить замену теплозащитного слоя, и даже при условии постоянства цен в течение этого периода стоимость 1 м2 теплоизоляции из пенопласта возрастает до 3217 р, а из минплиты — до 1727 р. Необходимость проведения дополнительных строительно-монтажных работ по замене слоя теплоизоляции существенно увеличит стоимость 1 м2 теплоизоляции. При использовании пеностекла работы по замене теплоизоляции полностью исключаются на весь срок эксплуатации здания.

Анализ вышеизложенного позволяет сделать парадоксальный вывод: применение сравнительно дешевых, но недолговечных теплоизоляционных материалов в строительной индустрии крайне неэффективно и опасно.

 

Реально оценивая теплофизические характеристики и функциональные свойства теплоизоляционных материалов с жесткой структурой, со всей определенностью можно утверждать, что только пеностекло обладает уникальным сочетанием целого комплекса полезных свойств и превосходит по ним все известные утеплители, производимые в России либо ввозимые из-за рубежа (как правило, минватные и пенопластовые) в виде готовых изделий или технологических линий по их производству. Рано или поздно пеностекло станет основным видом отечественного утеплителя, который можно широко использовать в суровых климатических условиях России и особенно в районах Урала, Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока.

 

Организация производства теплоизоляционных материалов должна быть объектом заботы не только государственных структур, но и региональных органов власти, и в частности областных комиссий по энергосбережению, в программах которых обязательно должны присутствовать разделы, направленные на организацию производства высококачественных теплоизоляционных материалов в местных условиях, так как транспортировка этих материалов на большие расстояния крайне неэффективна.

 

В заключение необходимо отметить, что производство пеностекла является в настоящее время наиболее выгодной сферой вложения капиталов. Только при условии объединения усилий промышленников, финансистов, проектных организаций, специализированных фирм по производству и комплектации оборудования, научных работников возможно создание широкой сети пеностекольных производств. Применение этого негорючего, долговечного, теплого, легкого и прочного материала — залог выполнения самых жестких требований в строительстве не только при возведении новых зданий, но и при осуществлении проектов по санации устаревшего жилья.

 

Список литературы

  1. Китайгородский И.И., Качалов Н.Н. и др. Технология стекла. М.: Госстройиздат. 1951. 767 с.
  2. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. М.: Промстройиздат. 1953. 77 с.
  3. Шилл Ф. Пеностекло. М.: Стройиздат. 1965. 307 с.
  4. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника. 1972. 304 с.
  5. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника. 1975. 245 с.
  6. Орлов Д.Л. Пеностекло — эффективный фигурный теплоизоляционный материал // Стекло мира. 1999. № 4. С. 66-68.
  7. Демидович Б.К., Садченко Н.П. Пеностекло — технология и применение // Пром. строит. материалов. Сер. Стекольная промышленность / ВНИИЭСМ. М.: 1990. Вып. 9. 45 с.
  8. Патент RU № 2060238. Способ изготовления вспученного силикатного материала / В.Е. Козлов, И.В. Пасечник, А.В. Горемыкин, В.М. Пискунов // БИ № 16. 1996.
  9. Патент RU № 2173674. Состав и способ получения вспученного силикатного материала / Лотов В.А., Верещагин В.И., Стальмаков Ю.А. // БИ № 26. 2001.
  10. Патент RU № 2132871. Способ получения жидкого стекла гидротермальным методом / Лотов В.А., Верещагин В.И., Косинцев В.И., Пасечников Ю.В. // БИ № 19. 1999.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»