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