Введение новых требований по теплозащите зданий (СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий», СП 23-101–2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», СТО 00044807-001–2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий») привело к широкому использованию различных теплоизоляционных материалов в строительстве. На российском рынке представлен большой спектр этих материалов, отличающихся видом исходного сырья, структурой, формой и техническими характеристиками. При этом потребителям достаточно тяжело сориентироваться в существующем ассортименте. Сравнение утеплителей поможет максимально приблизиться к единственно верному решению при выборе эффективной теплоизоляции. В каждом конкретном случае это решение обуславливается эксплуатационными характеристиками материала и параметрами условий его эксплуатации.
В работе [1] рассмотрены такие распространенные теплоизоляционные материалы, как минеральная вата, беспрессовый и экструзионный пенополистирол. Сравнительные характеристики названных материалов приведены в табл. 1.1. Эти материалы наиболее часто используются на практике и их сравнение позволит более четко обозначить области применения каждого из них.
1.1. Сравнительные характеристики теплоизоляционных материалов [1]
| Показатели | Материалы | ||
| Плиты из минеральной (базальтовой) ваты | Беспрессовый пенополистирол ПСБ-С | Экструдированный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС® | |
|
Плотность , кг/м3
Плотность - отношение массы к объему для данного вещества, обычно выражаемое в единицах СИ как килограммы на кубический метр (кг/м³). Эта величина является показателем концентрации частиц в материале (http://dic.academic.ru).
Кажущаяся плотность - отношение массы пенопласта к общему объему (http://dic.academic.ru). |
37…190 (±10%) | 12…50 (±10%) | 28…53 (±10%) |
| Прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации, МПа | 0,018…0,045 | 0,02…0,20° (при нагреве до 60 °С прочность уменьшается до 30%) | 0,25…0,70° (при нагреве до 60 °С прочность уменьшается до 30%) |
| Предел прочности при статическом изгибе, МПа | – | 0,04…0,35 | 0,2…0,7 |
| Предел прочности на отрыв, МПа | ≤0,01 | ≤0,08 | ≤0,08 |
|
Сжимаемость, %
Сжимаемость - обратимое изменение объема тел под действием всестороннего давления. Количественно сжимаемость описывается относительным изменением удельного (мольного) объема при возрастании давления или коэффициентом объёмного сжатия. Различают изометрический, адиабатический и др. виды сжимаемости (http://dic.academic.ru).
|
До 30 | ≤30 | ≤1,5 |
| Усадка, % | ≤10 (без нагрузки) | 0 (без нагрузки); ≤30 (под расчетной нагрузкой) |
0 (без нагрузки); ≤0,5 (под расчетной нагрузкой) |
| Сорбционная влажность, %
Сорбция - поглощение твердым телом или жидкостью какого либо вещества из окружающей среды. Основные разновидности сорбции адсорбция, абсорбция, хемосорбция. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое сорбтивом (сорбатом) (http://dic.academic.ru).
Сорбционная влажность - равновесная относительная влажность материала в воздушной среде с постоянной относительной влажностью и температурой (http://dic.academic.ru). |
2…5 | 2…12 | 2…3 |
| Водопоглощение за 24 ч, % по объему | ≤40 (для гидрофобизир.) | 2…4 | 0,2…0,4 |
| Паропроницаемость, мг/(м·ч·Па) | 0,300…0,032 | 0,050 | 0,007…0,012 |
| Теплопроводность,Вт/(м·К),при t = 25 °С | 0,036…0,038 | 0,037…0,042 | 0,030…0,033 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К), при t = 75…80 °С | 0,052 (при t = 125 °С) | 0,2 | 0,034 (средняя по испытаниям при t = 75 °С) |
| Теплопроводность, Вт/(м·К), при условиях эксплуатации | «А»: 0,042…0,045; «Б»: 0,045…0,048 | «А»: 0,041…0,042; «Б»: 0,043…0,050 |
«А»: 0,029…0,031; «Б»: 0,030…0,032 |
| Температура применения, °С | –180 до +650 °С. При t ≥ 250 °С – испаряется связующее. Плавится при 1000 °С | –50 до +75 °С. При t ≥ 200…250 °С – разлагается с выделением токсичных веществ (стирол), температура самовоспламенения 435…475 °С |
–50 до +75 °С. При t ≥ 200…250 °С – разлагается с выделением токсичных веществ (стирол) |
| Горючесть | НГ, Т2 | Г3, В2, Д3, Т2, Т3, РП4 (ядовитые газы: монооксид углерода, стирол, ароматические соединения, бромоводород) |
Г1, В2, Д3, РП1 или Г4, В3, Д3, РП4 (ядовитые газы: монооксид углерода, стирол, ароматические соединения, бромоводород) |
| Выделение вредных веществ, при насыщенности 1 м2/м3, в мг/м3 | Пыль минерального волокна – ≤2; фенол – ≤0,1; формальдегид – ≤0,05; ензол – ≤0,1; толуол – ≤0,6; диметилбензол – ≤0,2; класс опасности 2 (аллерген) |
Стирол – ≤0,002; бутилацетат – ≤0,1; ацетон – ≤0,35; формальдегид – ≤0,01; бензол – ≤0,1; толуол – ≤0,6; ксилол – ≤0,2; класс опасности 4 |
Стирол – ≤0,002; бензол – ≤0,1; толуол – ≤0,6; этилбензол – ≤0,02; ксилол – ≤0,02; изопропилбензол – ≤0,014; формальдегид – ≤0,003; этиловый спирт – ≤0,1; класс опасности 4 |
| Химическая стойкость | Водостойкость – слабая (вымывается связующее, без которого материал дает усадку и разрушается). Обладает фитильным эффектом | Стойкий к слабым кислотам, щелочам. Водостойкость слабая (разбухает, крошится). Разрушается от: ароматических углеводородов, формальдегида, бензина, керосина, дизельного топлива, масляных красок, растительного масла | Стойкий к кислотам, растворам солей, щелочам, спиртам, воде, аммиаку. Разрушается от: ароматических углеводородов, формальдегида, ацетона, бензина, керосина, дизельного топлива, масляных красок, солнца и др. |
| Долговечность заявленная, годы | 50 – экспериментально | 30 – экспериментально | 50 – экспериментально |
| Долговечность фактическая, годы | 10…15, частые ремонты (потери в массе – пыление в вентилируемом фасаде от 2 до 8% в год) | 15…20 (до разрушения) | Не менее 20 |
| Цена за 1 м3, р. (ноябрь 2012 г.)* | 1650…6300 | 1500…8600 | 4100…4300 |
Минеральная вата представляет собой неорганический теплоизоляционный материал, получаемый из расплава горных пород или металлургических шлаков и состоящий из стекловидных волокон и различных неволокнистых включений в виде капель силикатного расплава и микроскопических обломков волокон.
Ее положение среди ведущих теплоизоляционных материалов обусловлено негорючестью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами (коэффициент теплопроводности 0,036…0,038 Вт/(м·К), малой гигроскопичностью, возможностью изоляции поверхностей с температурой от –200 до +600 °С. Однако применение минеральной ваты затруднено присущими ей специфическими недостатками. Ввиду низкой прочности (0,018…0,045 МПа) она должна быть защищена от механических воздействий. Под нагрузкой вата уплотняется и дает усадку, часть волокон ломается и превращается в пыль, что делает ее экологически небезопасной. Установлено, что при 80% относительной деформации теплопроводность минеральной ваты увеличивается на 30% [2].
По данным [3], потеря массы минераловатных плит применительно к вентилируемым фасадам за 25 условных лет эксплуатации может достигать 18,78% – для плит плотностью 74 кг/м3 и 3,32% – для плит плотностью 156 кг/м3.
В качестве основного критерия долговечности минераловатных плит в [4] принята сохранность во времени их теплоизоляционных свойств. Проведенные испытания показали, что действие эксплуатационных факторов в течение 16 условных лет привело к разрыхлению материала (толщина плиты увеличилась на 40%), снижению его прочности и двукратному увеличению теплопроводности.
Полученные в работе [5] результаты свидетельствуют о существенном изменении линейных размеров минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий: происходит усадка по длине и ширине (после 25 условных лет эксплуатации при размерах плит 1000×500×50 мм швы между соседними плитами при их плотности 74 кг/м3 могут раскрыться на 20…40 мм, а при плотности 156 кг/м3 – на 5…10 мм), что приводит к существенному снижению теплозащитных свойств в связи с образованием «мостиков холода». Также происходит набухание плит по толщине, что приводит к сокращению воздушной прослойки в системе вентилируемого фасада и, как следствие, существенному ослаблению вентиляции и процесса удаления влаги из утеплителя.
Начиная с середины XX столетия в качестве утеплителя активно используется пенополистирол, который и сегодня удерживает лидирующие позиции на рынке теплоизоляционных материалов, обладая рядом положительных характеристик, например: сохранением теплоизоляционных свойств в условиях несовершенной паро- и гидроизоляции, при циклических температурно-влажностных воздействиях; высокой химической стойкостью и экологичностью. Кроме того, при производстве теплоизоляционного материала большое внимание уделяют улучшению характеристик огнестойкости, вводя на стадии производства специальные добавки, подавляющие самостоятельное горение, возможное только при непосредственном контакте с огнем.
Широкое распространение получили полистирольные пенопласты, произведенные по беспрессовой технологии, которая заключается в сплавлении между собой отдельных предварительно предвспененных гранул вспенивающегося полистирола, полученных периодическим методом суспензионной полимеризации. Это объясняется достаточно большими запасами сырья, относительно простой технологией производства, его хорошими физико-механическими характеристиками. Так, при сравнительно низкой плотности (15…50 кг/м3) его прочность на сжатие при 10% линейной деформации составляет 0,02…0,20 МПа, коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,037…0,043 Вт/(м·К), а температурный диапазон эксплуатации от –50 до +75 °С.
Такое сочетание физико-механических и теплофизических свойств позволяет применять его не только для изоляции стен, пола и кровли, но и в качестве несъемной опалубки при изготовлении монолитных конструкций.
Однако особенность строения беспрессового пенополистирола сказывается на его свойствах. Относительно низкая прочность спекания гранул приводит к разрушению материала по межгранульным поверхностям в случае поперечного изгиба или растяжения. Так же в пространство между гранулами может попадать влага, которая постепенно разрушает плиту.
Свой вклад вносят и атмосферные воздействия.
В работе [6] в лабораторных условиях изучалось влияние систематически действующих физических факторов, т.е. отрицательных температур и влажности на изменение водопоглощающей способности, сорбционных свойств и теплопроводности пенополистирольных плит. В результате исследований установлено, что образцы беспрессового пенополистирола после выдерживания в воде в течение двух суток увлажнились до 18,2%, через 40 дней влажность повысилась до 257,6%, а спустя 2 года составила 353,3%. Теплопроводность пенополистирольных плит, изготовленных беспрессовым методом, в результате температурно-влажностных воздействий увеличилась на 5%.
Результаты экспонирования образцов пенополистирола в условиях атмосферных воздействий в течение 5 лет показали его достаточную стойкость. Прочностные характеристики несколько понизились: предел прочности при сжатии на 5…11%, при растяжении – на 17…25%, изменения структуры, потери веса, эрозии не обнаружено. Для пенопластов в незащищенном виде наблюдается изменение цвета поверхностного слоя и внутригранульная эрозия. Таким образом, пенополистирол нестоек к непосредственному атмосферному воздействию, но защищенный от дождя, ветра и ультрафиолета (условий, близких к эксплуатации) сохраняет стабильность [6].
Активное развитие строительной индустрии требует новых, более прочных материалов, поэтому на смену пенополистиролу, изготовленному по беспрессовой технологии, приходит материал, изготовленный методом экструзии.
Такой пенопласт обладает более высокими прочностными (0,2…0,7 МПа) и теплофизическими (0,03 Вт/(м·К)) характеристиками за счет упорядоченной закрытопористой фазовой структуры, обеспечивающей повышенную прочность межмолекулярных связей. Кроме того, ему свойственна практически нулевая паропроницаемость и очень низкое водопоглощение (в 10 раз меньше, чем у беспрессового пенопласта и в 200 раз меньше, чем у минеральной ваты). Экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС® не подвержен биологическому разложению в условиях окружающей среды и не представляет никакой опасности для экологии и здоровья людей, что подтверждено соответствующими заключениями и сертификатами.
Вместе с тем при эксплуатации данного материала необходимо учитывать диапазон его рабочих температур (от –50 до +75 °С), подверженность действию широко употребляемых растворителей (ацетон, этилацетат, нефтяной толуол), возможность деструкции верхнего слоя при длительном воздействии интенсивного солнечного света.
Следует отметить, что в отличие от беспрессового для экструзионного пенополистирола влияние систематически действующих отрицательных температур и влажности практически не сказывается на изменении водопоглощающей способности, сорбционных свойствах и теплопроводности. Образцы экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® плотностью 35 кг/м3 после 110 циклов замораживания и оттаивания в воде имеют водопоглощение по массе всего 25%. При этом их теплозащитные качества практически не изменились [6].
В работе [7] отмечается небольшое увеличение теплопроводности данного материала в течение 10 – 20 лет эксплуатации. Связано это с процессами диффузии, заменяющими тяжелые и менее теплопроводные газы вспенивающих агентов на более легкий и теплопроводный воздух. Также к снижению теплозащитных свойств экструзионного пенополистирола приводит действие прямых ионизирующих излучений, нагревание выше 70 °С, воздействие несовместимых химических реагентов. Для обеспечения сохранности теплозащитных свойств необходимо защищать пенополистирол от указанных воздействий.