Физические свойства теплоизоляционных материалов и конструктивные способы теплоизоляции помещений

УДК 536.212.3

Т. Н. Михайлусова, Е. А. Огольцова, А. А. Шульгин, Ю. Э. Сон

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ

Составлен обзор физических свойств современных теплоизоляционных материалов и методов теплоизоляции помещений. Приводятся технические характеристики, оцениваются недостатки и преимущества однослойных и многослойных конструкций.

Ключевые слова: теплоизоляция, утеплитель, влажность.

При проектировании зданий различного назначения решается комплекс задач для создания комфортных условий пребывания человека, обеспечение нормального протекания производственных процессов, сохранности и долговечности конструкций самого здания. Одно из направлений для достижения этих условий — соблюдения теплового режима, как в летний, так и в зимний периоды.

Не так давно для теплосбережения использовались преимущественно материалы растительного происхождения, на сегодняшний день материалы утепления — это широкий спектр разновидностей полимеров, минераловатных изоляций, керамических блоков и т. д.

Физические свойства теплоизоляционных материалов (ТИМ) применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами.

Важнейшей технической характеристикой ТИМ является теплопроводность — способность материала передавать количество теплоты сквозь свою толщу, так как именно от этого напрямую зависит термическое сопротивление ограждающей конструкции. Количественно эта характеристика определяется коэффициентом теплопроводности X, выражающим количество теплоты, проходящее за единицу времени через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на противолежащих поверхностях 1 градус. Единицей измерения величины X служит 1 Вт / (м-К). В справочной и нормативной документации принято выделять три класса ТИМ по величине коэффициента теплопроводности:

класс А — низкой теплопроводности — теплопроводность при средней температуре 298 К до 0,06 Вт / (м-К);

класс Б — средней теплопроводности — теплопроводность при средней температуре 298 К от 0,06 до 0,115 Вт / (м-К);

класс В — повышенной теплопроводности — теплопроводность от 0,115 до 0,175 Вт / (м-К).

На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т. д. (табл. 1). Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и особенно его влажность.

Методики измерения теплопроводности в различных странах значительно отличаются друг от друга, поэтому при сравнении теплопроводностей различных материалов необходимо указывать, при каких условиях проводились измерения.

Таблица 1

Плотность Отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке

Прочность на сжатие Величина нагрузки (кПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10 %

Сжимаемость Способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 кПа

Водопоглощение Способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой

Сорбционная влажность Равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность

Морозостойкость Способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения

Паропроницаемость Способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара. Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной

Воздухопроницаемость Теплоизолирующие свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью

Огнестойкость Способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств. По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие

Химическая стойкость Минеральные теплоизоляционные материалы обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ, таких как масла и растворители

Для обеспечения оптимальной температуры внутри помещения используют теплозащитные ограждения, которые подразделяются на однослойные и многослойные.

Однослойные конструкции. Примеры однослойных конструкций: кирпичная кладка, керамзитобетонная панель, деревянная обшивка.

По формальным признакам однослойными считают только стены без отделки, влияющей на теплосбережение и эксплуатационные качества основного материала самонесущей или несущей стены. Таким образом, отделка, улучшающая теплофизи-ческие свойства стены, формально считается слоем стены.

В России нормы по теплоэффективности зданий в настоящее время ужесточились в несколько раз.

По новым нормам для достижения требуемых теплоизоляционных характеристик однослойная стена должна быть следующей толщины:

• из керамического кирпича (коэффициент теплопроводности X = 0,80 Вт / (м^К)) — от 1,1 до 4,5 м;

• из силикатного кирпича (X = 0,87 Вт / (м-К)) — от 1,2 до 4,8 м;

• из керамического пустотного кирпича (X = 0,50 Вт / (м^К))--от 0,7 до 2,9 м;

• из пеноблоков при плотности 800 кг/ куб. м (X = 0,37 Вт / (м-К)) — от 0,5 до 2 м, при плотности 400 кг/ куб. м (X = 0,15 Вт / (м-К)) — от 0,2 до 0,8 м;

• из керамзитеботона при плотности 1 800 кг/ куб. м (X = 0,90 Вт / (м-К)) — от 1,25 до 5 м;

• из него же при плотности 500 кг/ куб. м (X = 0,23 Вт / (м-К)) — от 0,3 до 1,2 м;

• из железобетона (X = (1,80^2,10) Вт / (м-К)) — от 2,2 до 11,5 м.

Получается, что только из пенобетонов с плотностью меньшей 500 кг/ куб. м

можно получить «удобоваримую» толщину стены.

Кроме того, однослойные стены имеют следующие недостатки:

• высокую влажность материала, т. е. теплосопротивление стены ниже проектной, а в доме холоднее;

• нерациональный расход материалов, т. к. толщина стены значительно больше нужной для ее прочности.

Однослойные ограждения находят свое применение в районах с мягким климатом и не морозной зимой и в тех случаях, когда материалы дают возможность построить теплосберегающую стену нужной прочности и приемлемой толщины. При этом используют пено-, газо-, шлако-, керамзитобетонные, крупноформатные блоки.

Многослойные конструкции. В общем случае многослойная конструкция состоит из трех основных слоев, а также внутреннего и внешнего фактурных слоев:

1) Конструктивный (несущий) слой состоит из плотного, значительной теплопроводности и плохо проницаемого для водяного пара и воздуха материала.

2) Теплоизоляционный слой — пористый, рыхлый малотеплопроводный и хорошо пропускает водяной пар и воздух.

3) Паро- или гидроизоляционный слой.

Поэтому для соответствия стен теплотехническим требованиям нужно использовать два, три и более слоя, один из которых даст стене прочность, второй защитит дом от холода, третий обеспечит быструю просушку стены после строительства, четвертый защитит от непогоды, УФ — излучения или просто сделает стену красивой.

Известная в РФ компания — «Кселла-Аэроблок-Центр» в своем каталоге только из газобетона дает более десятка вариантов многослойных стен.

С учетом других материалов, обеспечивающих основную нагрузку на стену, конструктивных вариантов многослойных стен будет несколько десятков.

Одна из попыток классифицировать многослойные стенные конструкции дала такой результат — в РФ чаще всего используются четыре основных типа многослойных стен:

• колодцевая кладка;

• внутренняя теплоизоляция (изнутри помещения);

• вентилируемый фасад;

• наружная теплоизоляция «мокрого типа».

Первыми колодцевую кладку начали российские каменщики под руководством русского инженера А. И. Герарда в 1829 г. На этой основе были разработаны около десятка вариантов трехслойных конструкций стены.

Выделим некоторые достоинства и недостатки многослойных конструкций.

Достоинства многослойных стен:

• стена легче, т. к. прочность обеспечивает сравнительно небольшое количество материала, а теплоизоляция, по определению, весит мало;

• высокоэффективный утеплитель обеспечивает с запасом тепловые параметры, а облицовочный (наружный слой) — внешний вид;

• огнестойкость;

• простые материалы;

• строить можно весь год (в том числе — зимой).

Недостатки многослойных стен:

• неоднородность средней плотности материала стены (мостики холода от связей, бетонных диафрагм и т. п.), что дает разную теплоэффективность стены в разных местах;

• нужна высокая квалификация исполнителей;

• нагрузка от перепадов температуры — бетон перекрытий всегда в тепле, а лицевая кладка в зоне замерзания / оттаивания;

• возможно случайное неумышленное повреждение тонких прослоек;

• велики объемы скрытых работ и возможны дефекты: неправильная или не полная установка утеплителя, неправильная установка пароизоляции и др.;

• высокая трудоемкость;

• стоимость дома больше, чем с двухслойными стенами, и тем более с однослойными.

Для возведения несущей и самонесущей стены, обеспечивающей нагрузку от собственного веса, перекрытий и всех вышележащих этажей используют:

• кирпич керамический полнотелый, пустотный, пористый;

• кирпич силикатный полнотелый 3, 11 и 14-пустотный и т. п.

При небольшой этажности до 3, иногда до 5 этажей используют также следующие материалы:

• керамические блоки — теплые пустотно-поризованные;

• арболитовые и бризолитовые блоки, твинблоки;

• пено- , газо- , шлако- , полистирол- , опилко-, керамзитобетонные и другие виды крупноформатных блоков.

В качестве теплоизоляционных материалов применяют высокоэффективные утеплители, перечисленные ниже.

A. Пеноматериалы:

• Э1II 1С — экструдированный пенополистирол;

• другие вспененные пластики — пенополиэтилен, пенопропилен, пенополиуретан;

• пеностекло, керамзит и др. вспененные материалы.

Б. Минеральные ваты — базальтовые, стекловолоконные, габбро-базальтовые, мергелевые и т. п.

B. Природные органические материалы:

• эковата — измельченная целлюлоза, пропитанная антипиренами и пр.;

• измельченные отходы древесины, коры, веток и т. п.;

• измельченные волокна и стебли растений и пр.

Появление новых теплоизоляционных материалов и конструкций позволяет повысить эффективность защиты здания от внешней среды, снизить энергозатраты и продлить время эксплуатации самого объекта.

Литература

1. Шильд Е. и др. Строительная физика: М.: Стройиздат, 1982. 296 с.

2. Основы строительной физики / Ред. Н. М. Гусев. М.: Стройиздат, 1975. 370 с.

3. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. СПб.: Изд-во «Авок Северо-Запад», 2006. 400 с.

Об авторах

Михайлусова Татьяна Николаевна — кандидат технических наук, доцент кафедры физики, физико-математический факультет, Псковский государственный университет, Россия.

E-mail: kafedra_fizika@mail.ru

Огольцова Елизавета Александровна — студентка 2 курса факультета инженерных и строительных технологий, Псковский государственный университет, Россия. E-mail: lizawiy109@mail.ru

Шульгин Алексей Александрович — студент 2 курса факультета инженерных и строительных технологий, Псковский государственный университет, Россия. E-mail: aleksejrus51@rambler.ru

Сон Юлия Эдуардовна — студентка 2 курса факультета инженерных и строительных технологий, Псковский государственный университет, Россия. E-mail: yulya-son@mail.ru

Т. Mikhajlusova, Е. Ogoltsova, А. Shulgin, Y Son

PHYSICAL PROPERTIES OF HEAT-INSULATING MATERIALS AND CONSTRUCTIVE METHODS OF THERMAL INSULATION OF BUILDINGS

A review on physical properties of modern heat-insulating materials and methods of thermal insulation of buildings has been composed. The technical characteristics as well as the advantages and disadvantages of single-layer and multi-layer structures are evaluated.

Key words: heat insulation, heat insulator, humidity.

About the authors

Tatyana Mikhajlusova, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at Physics Department, Pskov State University, Russia. E-mail: kafedra_fizika@mail.ru

Elisabeth Ogoltsova, second-year student, Engineering and Construction Technologies Department, Pskov State University, Russia. E-mail: lizawiy109@mail.ru

Aleksei Shulgin, second-year student, Engineering and Construction Technologies Department, Pskov State University, Russia. E-mail: aleksejrus51@rambler.ru

Yuliya Son, second-year student, Engineering and Construction Technologies Department, Pskov State University, Russia. E-mail: yulya-son@mail.ru