Слоистый композиционный материал для повышения тепловой изоляции зданий

Слоистый композиционный материал для повышения тепловой изоляции зданий

А.А. Пак, Р.Н. Сухорукова

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, Апатиты

Аннотация. Выполнен анализ состояния проблемы энергосбережения и теплозащиты зданий в Российской Федерации, сделан вывод о назревшей необходимости ужесточения требований по тепловой изоляции при их проектировании и строительстве. Обосновывается эффективность изготовления двухслойных стеновых изделий на основе ячеистого бетона и пенополистирола. Излагаются особенности и новизна способа изготовления изделий с послойной укладкой в форму газозолобетона и бисерного плистирола с последующим вспучиванием газобетонной смеси и вспениванием полистирола в процессе тепловлажностной обработки изделий в пропарочной камере. Приводятся результаты определения физико-механических и теплотехнических свойств нового слоистого материала.

Abstract. The paper analyses the problem of the power saving and housing heat insulation in the Russian Federation. The necessity of more exacting requirements on heat insulation at both designing and construction stages has been confirmed and emphasized. The authors substantiate the advisability of employing double-layer wall articles based on cellular concrete and polystyrene foam. The novelty of the method and production features of the articles with a lit-par-lit pouring of aerated-ash-concrete and beady polystyrene into moulds followed by bloating up of the gas-concrete mixture and foaming of polystyrene during heating and wetting in the steam-curing cell have been described. The data on physical, mechanical and heat-engineering features of the new lamellar material have been given.

1. Введение

Российская Федерация относится к числу основных производителей и поставщиков топливно-энергетических продуктов в мире, однако сама их расходует очень неэкономно. Из общего количества производимой в стране тепловой энергии около 34 % расходуется на отопление зданий, тогда как в западных странах - не более 20-22 % (Бондаренко и др., 2001). Принятые в 1996 г. Федеральный Закон "Об энергосбережении" и связанные с ним Постановления Правительства РФ предусматривали введение ряда кардинальных мер в этом направлении во всех отраслях промышленности, в том числе и в строительстве. В первую очередь были существенно изменены нормативные требования к тепловой защите зданий. 11.08.1995 г. Госстрой России издал Постановление №18-81 "О принятии изменения № 3 строительных норм и правил СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника»", которым предусматривалось ужесточение нормативных требований к теплозащитным свойствам наружных ограждающих конструкций зданий. Введение новых нормативов производилось в два этапа: с 1.07.1996 г. - в 1.7 раза, с 1.01.2000 г. - в 3.0-3.5 раза. При этом к началу 2000 г. уровень энергопотребления строящихся и реконструируемых зданий должен был быть снижен не менее чем на одну треть.

Однослойные стены, выполняющие несущие и теплозащитные функции, наиболее просты в изготовлении и эксплуатации. При соответствующем качестве сырьевых материалов, требуемых физико-механических и теплотехнических характеристиках они обеспечивают необходимые параметры микроклимата в здании, формирующие комфортные условия в помещениях. Однако толщина однослойных стен зданий, рассчитанная согласно новым требованиям СНиП 11-3-79 применительно к климатическим условиям Мурманской области, исходя из расчетных нормируемых показателей градусо-суток отопительного периода и требуемого приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий, должна быть значительно увеличена (табл. 1).

Как видно из табл. 1, по теплотехническим требованиям предпочтительны стены из ячеистого бетона, хотя и их толщина (при средней плотности бетона 600-700 кг/м3) приближается к 1 м. Возможным выходом из создавшегося положения является производство конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных изделий средней плотностью не более 500 кг/м3, маркой по прочности М35-50 при расчетном значении коэффициента теплопроводности менее 0.15 Вт/(м-°С), что позволяет снизить толщину стен до 0.5 м. Для достижения таких показателей требуются высококачественное исходное сырье, новейшее оборудование, прогрессивные технологические решения, высокая культура производства.

Таблица 1. Толщина ограждающих конструкций зданий в зависимости от вида стенового материала

Материал Толщина стены по СНиП 11-3-79, м

до введения Изменений № 3 после введения Изменений № 3

1. Кирпич: -глиняный обыкновенный 0.64 2.67

-силикатный 0.69 2.87

2. Шунгизитобетон

плотностью, кг/м3: 1200 0.40 1.65

1100 0.35 1.45

1000 0.30 1.25

3. Ячеистый бетон

плотностью, кг/м3: 700 0.27 1.05

600 0.22 0.87

Одним из наиболее реальных и эффективных путей повышения тепловой защиты зданий является возведение многослойных (двух- и трехслойных) стен. Двухслойные стены состоят из несущего (конструкционного) и ненесущего (теплоизоляционного) слоев. Наиболее распространенный способ изготовления двухслойных конструкций, когда к несущему слою (бетон, кирпич) прикрепляют специальными дюбелями со стальными распорными элементами или гибкими связями из полиамида предварительно изготовленные теплоизоляционные элементы из минераловатных или пенополистирольных плит. В двухслойных стенах теплоизоляционный слой может быть расположен как с внутренней, так и с наружной стороны. Недостаток такой конструкции двухслойной стены, когда теплоизоляционный слой устраивается из предварительно изготовленных плит, состоит в неизбежном образовании зазора между разноплотными конструктивными слоями, что приводит к накоплению влаги в зазоре и возникновению "мостиков холода" при замерзании стены.

Расположение теплоизоляционного слоя с внутренней стороны стены требует специального теплотехнического расчета по защите от увлажнения и накопления влаги в толще утеплителя вследствие диффузии водяного пара через ограждающую конструкцию из помещения наружу. Ограждающие конструкции с наружным расположением теплоизоляции имеют ряд преимуществ (высокая теплотехническая однородность, простота реконструкции теплозащиты стен, разнообразие архитектурного оформления фасада здания и др.) и находят широкое применение в строительной практике. Однако утеплитель необходимо надежно защищать от внешних атмосферных воздействий, для чего используют различные клеевые слои, армированные стеклосеткой, и декоративные покрытия (штукатурка, окраска). Теплоизоляционный слой также защищают паропроницаемой пленкой и фасадными плитами. Между фасадными плитами и утеплителем устраивают воздушный зазор толщиной 60 мм.

Примером трехслойной стены может служить широко известная колодцевая кладка с наружными стенками из мелкоштучных изделий (кирпич, мелкие камни и блоки), соединенных между собой вертикальными и горизонтальными перемычками с образованием колодцев, которые в процессе кладки заполняются утеплителем. Невысокая теплотехническая однородность (менее 0.5) из-за устройства рассекающих утеплитель кирпичных перемычек, снижение конструктивной прочности ограждения ограничивают применение колодцевой кладки в условиях новых требований по энергосбережению.

В середине 80-х годов прошлого столетия, в период интенсивного развития у нас в стране крупнопанельного домостроения, становятся широко известны так называемые сэндвич-панели, изготавливаемые в заводских условиях на стационарном технологическом оборудовании. В этих панелях между наружными несущими слоями (металл, железобетон) располагается слой утеплителя (минеральная вата, пенополиуретан, пенополистирол). Однако указанные выше недостатки, характерные многослойным конструкциям - наличие зазора между слоями и образование "мостиков холода", соединение слоев между собой с помощью различных гибких связей, усложняющих конструкцию и усиливающих ее теплотехническую неоднородность, сохранились и в сэндвич-панелях, так как слои в конструкциях образуются из разнородных несовместимых материалов в виде предварительно изготовленных компонентов.

Для избежания этих недостатков нужен принципиально иной подход к изготовлению слоистого материала, такой, в котором конструктивный и теплоизоляционные слои создавались бы одновременно, при одной технологической операции, а не применялись в виде отдельно изготовленных элементов.

2. Способ изготовления слоистого конструкционно-теплоизоляционного материала с улучшенными теплотехническими и физико-механическими свойствами

Нами предложено изготавливать стеновые и теплоизоляционные изделия на основе газобетона и пенополистирола. Сущность способа заключается в формировании изделия из двух материалов,

последовательно увеличивающихся в объеме в процессе тепловой обработки: сначала - вспучивания газобетонной смеси, а затем - вспенивания бисерного полистирола. После укладки компонентов изделия форма закрывается крышкой с жесткими захватами. Ячеистый бетон после твердения выполняет функции несущего конструкционного слоя, а бисерный полистирол после вспенивания в форме - утеплителя.

Идея совмещения процессов вспенивания полистирола и пропаривания бетона реализовывается в известных способах приготовления полистиролбетонной смеси путем введения в бетонную смесь бисерного полистирола и формования изделий в закрытых формах (Зыскин и др., 1974; Крылов и др., 1992). Это намного упрощает процесс перемешивания смеси и позволяет увеличить процент насыщения смеси пенополистирольными гранулами. Для вспенивания гранул полимера производится форсированный разогрев бетонной смеси до 86-94°С со скоростью 400-800°С/ч (Крылов и др., 1992). При этом сама смесь не должна потерять пластические свойства, в противном случае бурно расширяющиеся гранулы полимера могут разрушать затвердевающую структуру бетона. То есть эти два процесса -вспенивание полистирола и затвердевание бетонной смеси - должны быть четко разделены. Причем такую высокую скорость подъема температуры можно достигнуть сегодня одним только известным способом: электроразогревом бетонной смеси с применением специального электрооборудования. Все это довольно сложно, энергоемко и не гарантирует от брака продукции.

Отличия и особенности предложенного нами способа состоят в следующем:

- компоненты укладываются в форму послойно: сначала бетонная смесь, затем бисерный полистирол;

- используется газобетонная смесь, которая в процессе структурообразования расширяется (увеличивается в объеме);

- газобетонная смесь затворяется холодной (неподогретой) водой.

В отличие от традиционной газобетонной технологии, в предложенном способе отсутствуют этапы предварительной выдержки газобетонной смеси перед термообработкой для ее вспучивания, набора критической прочности и срезки "горбушки" (излишка газобетонной смеси над бортами открытой формы), а от традиционной пенополистирольной - исключены этапы предварительного подвспенивания бисерного полистирола и прессования плит. Процессы вспучивания газомассы, вспенивания гранул полистирола и ускорения твердения бетона происходят во время одной технологической операции -пропаривания бетона, только в разной последовательности и интенсивности: с повышением температуры в начале (в зоне 30-45°С) довспучивается газобетонная смесь, затем, при достижении более высоких температур (свыше 80°С) бурно, в течение 2-3 мин., вспенивается полистирол. Оба этих процесса проходят на фоне постепенного набора прочности газобетона.

Новизна процесса формирования разработанного композиционного материала состоит в том, что оба контактирующих материала - и газобетонная смесь, и полистирольный полимер - с началом температурного воздействия резко и многократно увеличиваются в объеме. И так как эти процессы протекают в жесткозамкнутом пространстве закрытой формы, происходят самопрессование и прижатие слоев друг к другу. Образующиеся гранулы пенополистирола вдавливаются в контактную поверхность твердеющего газобетона и обеспечивают прочное сцепление взаимодействующих слоев изделия. Кроме того, вследствие взаимного прессования слоев в структуре газобетона образуются газовоздушные поры не круглой, как в традиционном газобетоне, а преимущественно эллипсоидной формы. В результате этого увеличивается механическая прочность несущего газобетонного слоя относительно нагрузки, направленной в общем и целом вдоль больших осей эллипсоидных пор.

Раздельная укладка слоев позволяет легко управлять плотностью и другими свойствами изделия, изменяя толщину бетонного и полистирольного слоев, тем самым обеспечивая изготовление изделий широкой номенклатуры - от особо легких теплоизоляционных материалов плотностью 100-300 кг/м3 до конструкционно-теплоизоляционных плотностью 500-1000 кг/м3 с улучшенными физико-механическими показателями. Плотность и прочность композиционного материала в основном регулируются плотностью и толщиной газобетонного слоя.

Особо стоит вопрос о долговечности бетона с полистиролом. Относительно полистиролбетона с равномерно распределенными гранулами вспененного полистирола доказано, что, поскольку полистирольные гранулы находятся в цементной оболочке и не подвергаются ультрафиолетовому облучению, они гарантированы от старения и пожаробезопасны (Ожигбесов и др., 1996). В разработанной двухслойной конструкции полистирольный слой закрыт от лучевого и высокотемпературного воздействия с внешней стороны защитным слоем бетона, а с внутренней стороны

- отделочным штукатурным слоем, например, листом сухой штукатурки, либо другим таким же двухслойным блоком, повернутым бетонным слоем наружу (т. е. трехслойная ограждающая конструкция с наружным бетонным слоем и внутренним теплоизоляционным слоем из пенополистирола). В таком положении долговечность двухслойных полистиролгазобетонных композиций будет обеспечена.

В то же время различия в деформативных свойствах бетона и полимера могут привести со временем к отслоению, отставанию соединяемых материалов друг от друга. Для исключения этого явления, а также для увеличения сцепления между слоями, предлагается на поверхность свежеуложенной газобетонной смеси насыпать тонкий слой армирующего материала из коротких синтетических волокон, например, капроновых, полиамидных и других (фибровое армирование).

Двухслойное полистиролгазобетонное изделие изготавливается следующим образом. Отдозированные на замес твердые компоненты бетонной смеси: минерального вяжущего в виде смеси цемента с известью и кремнеземистого заполнителя в виде молотого кварцевого песка или золошлаковых отходов - засыпаются в бетоносмеситель и перемешиваются в течение 2-3 мин. с требуемым количеством воды. Затем в бетонную смесь вводится расчетное количество газообразующей добавки в виде водной суспензии алюминиевой пудры и перемешивается еще 1.0-1.5 мин. Приготовленная таким образом бетонная смесь заливается в форму. На открытую поверхность бетонной смеси присыпается тонким слоем армирующий материал в виде распушенных синтетических волокон длиной 20-50 мм, а на него насыпается ровным слоем расчетное количество бисерного полистирола. После этого форма закрывается жестко фиксируемой крышкой. Между засыпанным слоем полистирола и внутренней поверхностью крышки образуется свободное пространство, которое заполняется впоследствии расширяющимися материалами. Расход всех компонентов бетонной смеси и толщина заливаемого слоя подбираются таким образом, чтобы после твердения получился бетонный слой с требуемой механической прочностью. После закрытия крышкой форма помещается в пропарочную камеру, и начинается тепловая обработка компонентов изделия в две стадии. На первой стадии компоненты изделия нагревают до 35-45°С и выдерживают при этой температуре 20-30 мин. для вспучивания и стабилизации газобетонной смеси. На второй стадии температуру в пропарочной камере повышают до 80-100°С и затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 6-8 ч. Как только температура в камере приблизится к 80°С, начинается интенсивное вспенивание полистирола с заполнением свободного пространства формы до ее крышки. После окончания изотермической выдержки температуру в камере снижают до 35-40°С в течение 3-4 ч.

По завершении охлаждения форму выгружают из пропарочной камеры, разбирают и извлекают из нее изделие, которое затем подвергают сушке при температуре 50-60°С.

3. Физико-механические и теплотехнические свойства полистиролгазобетона

Для определения свойств полистиролгазобетона были изготовлены двухслойные образцы различной плотности с нижним слоем из газозолобетона и верхним слоем из пенополистирола: кубы с ребром 7.07 см - для определения водопоглощения, прочности при сжатии и морозостойкости, балочки 4x4x16 см - для определения прочности на растяжение при изгибе, призмы 7x7x21 см - для определения капиллярного подсоса, плиты 25x25x5 см - для определения теплопроводности. Параллельно изготавливались контрольные образцы из одного газозолобетона. Определения свойств проводились в соответствии с действующими стандартами. Плотность и прочность двухслойных образцов регулировались толщиной газобетонного слоя расчетной плотностью 800 кг/м3. Количество засыпаемого в форму бисерного полистирола рассчитывалось в зависимости от объема заполнения и коэффициента вспенивания полистирола. В экспериментах использовался бисерный полистирол марки ПСВ-С ОСТ 301-05-202-92Е, производимый ОАО "Пластик" (Тульская обл.). Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний свойств полистиролгазобетона и традиционного газобетона

Полистиролгазобетон Газобетон

Наименование свойств расчетной плотностью, кг/м3 расчетной плотностью, кг/м

300 400 500 400 500 700 800

Фактическая плотность, кг/м3 302 426 491 384 504 707 851

Водопоглощение, %

- по массе 48.7 50.4 55.5 123.8 83.7 57.4 48.3

- по объему 11.9 13.5 13.3 45.8 41.3 37.5 37.8

Капиллярный подсос, % 1 9.8 15.8 8.9 25.5 14.5 14.4 -

Прочность при сжатии, МПа - фактическая 1.5 2.8 2.6 1.0 2.0 4.7 7.9

- приведенная 1.5 2.5 2.7 1.0 1.9 4.6 6.9

Прочность при изгибе, МПа - фактическая 0.87 1.48 1.77 0.48 0.98 1.55 1.19

- приведенная 0.86 0.83 1.84 0.52 0.96 1.52 1.05

Морозостойкость, циклы 25 50 75 5 25 50 75

Теплопроводность, Вт/(м -°С) 0.058 0.060 0.063 0.078 0.100 0.148 0.175

Анализ результатов выполненных испытаний показывает, что двухслойный композиционный материал превосходит традиционный газобетон в 1.5-2.0 и более раз, причем, что важно отметить, по всем испытанным показателям свойств.

На рис. 1 представлена кинетика капиллярного подсоса (а) и водопоглощения по объему (б) двух видов бетонов в зависимости от их расчетной плотности.

а)

б)

га ü ю о

s ü с

30 25 20 15 10 5 0

, - --- --

zrzr. .--

/О V .— —

50

40

ш 3"

о g

о с

а

о со

30

20

10

a j — — --jr-j.

L* >

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Время, час

180

01

3 4 5 6

Время, сут

Рис. 1. Кинетика капиллярного подсоса (а) и водопоглощения (б) бетонов в зависимости от плотности: 1, 3, 5 - традиционный газобетон плотностью 400, 500, 700 кг/м3; 2, 4, 6 - полистиролгазобетон плотностью 300, 400, 500 кг/м3, соответственно.

6

2

4. Заключение

Введение с 1.01.2000 г. в строительную практику повышенных нормативных показателей по теплозащите зданий определяет необходимость принципиально нового подхода к формированию структуры и конструкции стенового материала. Предложенный новый способ изготовления строительных изделий на основе газобетона и бисерного (невспененного) полистирола позволяет получать двухслойный композиционный материал с улучшенными физико-механическими и теплотехническими свойствами.

Литература

Бондаренко В.М., Ляхович Л.С., Хлевчук В.Р., Матросов Ю.А., Бутовский И.Н., Могутов В.А., Беляев B.C., Лаковский Д.М., Волынский Б.Н., Шпетер А.К., Семенюк П.Н. О нормативных требованиях к тепловой защите зданий. Строительные материалы, № 12, с.2-8, 2001.

Зыскин A.B., Кальчик Г.С., Сабалдырь В.П., Колесников Е.П. Способ изготовления бетонных изделий. A.c. № 409863 СССР, МКИ В 28 b 1/10, Б.И., № 1, 1974.

Крылов Б.А., Титова A.A., Кузьмин A.B., Абакумова А.П. Способ приготовления полистиролбетонной смеси. A.c. №1778095 СССР, МКИ С 04 В 38/08, Б.И., № 44, 1992.

Ожигбесов Ю.П., Хабибулин К.И., Калядин Ю.А. Предложения по улучшению теплозащитных характеристик стеновых конструкций. Бетон и железобетон, № 1, с.21-23, 1996.