50«Инновационные аспекты развития науки и техники»
УДК 699.86
Акопян Арман Каренович Akopyan Arman Karenovich Косенков Андрей Сергеевич Kosenkov Andrey Sergeevich
Студент Student
Федюк Роман Сергеевич Fedyuk Roman Sergeevich
К.т.н., доцент PhD in technology, Associate professor Дальневосточный Федеральный Университет Far Eastern Federal University
ВОЛОКНИСТЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СОЗДАНИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ
FIBROUS THERMAL INSULATING MATERIALS IN THE CREATION OF ENERGY EFFICIENT ENCLOSING STRUCTURES
Аннотация. Обоснована необходимость энергосбережения за счет повышения энергоэффективности зданий и снижения теплопотерь через ограждающие конструкции. Представлены проблемы использования монолитных кирпичных и бетонных материалов, а также вспененных и наполненных изделий, для достижения требуемых параметров теплозащиты. Показаны достоинства многослойных конструкций с применением минеральных волокнистых утеплителей (МВУ). Выявлены ограничения применения МВУ и систематизированы современные решения по сочетанию МВУ с другими материалами.
Abstract: The necessity of energy saving by increasing the energy efficiency of buildings and reducing heat losses through the enclosing structures has been substantiated. The problems of using monolithic brick and concrete materials, as well as foamed and filled products, to achieve the required thermal protection parameters are presented. The advantages of multilayer structures with the use of mineral fiber insulation (MFI) are shown. The problems on the use of MFI have been identified and modern solutions for combining MFI with other materials have been systematized.
Ключевые слова. энергоэффективность, теплоизоляция, ограждающая конструкция, минеральная вата, стекловолокно, базальтовое волокно.
Key words: energy efficiency, thermal insulation, building envelope, mineral wool, fiberglass, basalt fiber.
XМеждународная научно-практическая конференция
Необходимость устойчивого развития экономики и поддержание
энергобезопасности страны требует сокращения потребления невозобновляемых энергоресурсов. Известно, что значительный расход энергоресурсов происходит в процессе эксплуатации зданий и сооружений, что требует внедрения современных решений при их строительстве, способствующих повышению энергоэффективности объектов. Среди всех элементов ограждающих конструкций, в частности вертикальных (наружных и внутренних стен, перегородок) и горизонтальных (различные перекрытия и крыши), именно стены являются источником существенных теплопотерь. Потери тепла через стены составляют до 35% от общих теплопотерь и повышаются с ростом этажности объекта [1].
Для достижения требований по теплозащите объектов при использовании монолитных кирпичных и бетонных конструкций необходимо существенное повышение толщины стен. Достижение заданного уровня энергоэффективности возможно за счет применения поризованных и наполненных материалов и изделий, например, пористой керамики, где поры обуславливают рост сопротивления теплопередаче до 2 раз, по сравнению с монолитом. Однако даже для пустотелого кирпича и керамзитобетона, достижение термического сопротивления 2,8-3,3 м2К/Вт требует толщины стен 1,2-2,5 метра, при этом вес 1 м2 составит 1150-4500 кг [2].
Известны возможности применения крупногабаритных 400*400*2440 мм беспесчаных керамзитобетонов с плотностью до 500 кг/м3, позволяющих получить приведенное сопротивление теплопередаче 3,23 м2*°С/Вт, что отвечает нормативным требованиям [3]. Однако следует учитывать, что пониженная плотность наполненных и пористых материалов может негативно сказаться других свойствах конструкций. Например, энергоэффективный легкий полистиролбетон обладает недостаточной морозостойкостью и низкой прочностью для несущих стен (до 1,2 МПа). Кроме того, большинство наполненных и поризованных материалов отличаются сложностью и дороговизной технологии получения [4].
«Инновационные аспекты развития науки и техники»
Альтернативой созданию наполненных и вспененных изделий, а также
дополнительным способом повышения энергоэффективности стен, выступает разработка различных многослойных конструкций с применением утеплителей. В общем виде энергоэффективный блок состоит из несущего слоя, утеплителя и внешнего запирающего слоя, который может подвергаться дополнительной отделке. Развитие рынка строительных вспененных утеплителей на основе стекла, полиуретана, полистирола, не снижает потребности в волокнистых теплоизоляционных материалах минеральной природы. Интерес представляет анализ достоинств и недостатков теплозащитных свойств минеральных волокнистых утеплителей (МВУ).
Объединяющим наименованием для МВУ, получаемых из стекла, шлаков, базальта, горных пород, а также изготавливаемых посредством их сочетания, является минеральная вата, которая в зависимости от сырья имеет названия -стекловата, шлаковата, базальтовата и каменная вата [5]. Для МВУ характерен ряд преимуществ и ограничений их использования в теплоизоляции ограждающих конструкций (рис. 1).
При использовании МВУ в составе многослойных конструкций, следует учитывать, что совокупная энергоэффективность термоблоков, сэндвич-панелей или вентилируемых фасадов определяется не простым сложением теплозащитных свойств каждого слоя. Важным является учет воздействия природно-климатических параметров на МВУ, при размещении его в наружных слоях, и параметров микроклимата помещения, при размещении МВУ в слоях с внутренней части стеновой конструкции. Ограничения использования МВУ, представленные на рисунке 1, требуют учета влияния тепло-влажностных характеристик на свойства утеплителя.
XМеждународная научно-практическая конференция
Рис.1. Перспективы и ограничения использования МВУ (составлено авторами по данным [5])
Действительно, МВУ имеют в составе расположенные хаотично сверхтонкие волокна, в результате система формирующихся пор не является замкнутой. Для снижения паро- и влагопроницаемости, которая негативно сказывается на энергоэффективности, поверхность МВУ обрабатывают гидрофобизаторами. Однако при накоплении влаги в объеме, а не на поверхности МВУ, наблюдается постепенное разрушение защитного покрытия с последующей деградацией волокнистого материала.
Дополнительное негативное воздействие термических перепадов приводит к перекристаллизации влаги, охрупчиванию волокон, потере прочностных и теплозащитных характеристик. Также необходимо отметить, что разрушенные частицы МВУ образуют пыль, являющуюся опасной для человека. Применяя МВУ необходимо создавать условия их нахождения в сухом состоянии для реализации всех преимуществ, указанных на рисунке 1, т.к. поглощение до 5 масс.% влаги приводит к падению теплоизоляционных характеристик до 50% [6].
Современные утеплители наряду с низким коэффициентом теплопроводности (0,03-0,08 Вт/мК), обладают низкими показателями паропроницаемости, плотности, высокой влаго- и хемостойкостью. На рынке представлены теплоизоляцонные плиты производства ТехноНиколь (жесткие
«Инновационные аспекты развития науки и техники» гидрофобные плиты, в т.ч. на стальном связующем и со штукатурной отделкой),
URSA (минеральные материалы), ROCKWOOL (каменные плиты) и MagmaWool
(базальтоволоконные маты) и т.д.
В исследованиях отмечено, что наряду с энергоэффективностью многослойные конструкции решают проблемы продуваемости и водопроницаемости стен в панельном домостроении, например, при использовании трехслойных панелей с базальтовым утеплителем. Известны легкие трехслойные конструкции, где внешние слои изготавливаются из алюминия, стеклопластика и пр. в виде листового материала, что обеспечивает прочность конструкции, а внутри находится энергоэффективный волокнистый утеплитель [7].
Деревянные конструкции также могут быть усилены и теплоизолированы многослойными полимерно-композитными решениями, на основе слоистых стекло-, арамидо-, углеволоконных материалов с эпоксидной или полиуретановой матрицей [8]. Аналогично используется поверхностное армирование волокнистыми композициями каменных материалов для снижения теплопотерь. Усиление и утепление полых деревянных деталей посредством пропитки эпоксидиановыми связующими, наполненными нанокластерами углерода и внешнее армирование древесины сетками из высокопрочного углеволокна с внешней мембраной «ЭпоксиПАН» используются в возведении уникальных зданий.
В условиях холодного российского климата энергоэффективным решением представляется устройство мокрого фасада с применением минеральной ваты, пенопластового утеплителя и жидкой штукатурки для наружной теплоизоляции по стеклосетке [9]. Показано, что усадка и недолговечность минеральной ваты делает предпочтительным ее сочетание с более стабильными пенополистиролами с коэффициентом теплопроводности 0,037-0,043 Вт/мК, а недостаточная прочность последних, расширяет возможности комбинации МВУ с экструзионными пенопластми с повышенными прочностными (до 0,7 МПа) и теплофизическими (0,03 Вт/мК) данными [10].
XМеждународная научно-практическая конференция При разработке конструкций следует учитывать, что избыточная герметизация
зданий при их возведении и модернизации приводит к развитию
неблагоприятных конденсационных процессов и ухудшению микроклимата в
помещениях.
Таким образом, в качестве альтернативы разработке новых каменных материалов и композитов представлены возможности снижения теплопотерь за счет создания многослойных конструкций. Обобщены достоинства и недостатки использования волокнистых утеплителей. Показана вероятность потери свойств минеральной теплоизоляцией в многослойных конструкциях под действием тепло-влажностных изменений. Рассмотрены современные многослойные решения с применением МВУ, а также их сочетания со вспененными материалами. Энергоэффективным решением представляется использование мокрого фасада с применением минеральной ваты, пенопластового утеплителя и жидкой штукатурки для наружной теплоизоляции по стеклосетке.
Библиографический список:
1. Пархоменко А.С. Проблемы и перспективы создания энергоэффективных кирпичных ограждающих конструкций // Форум молодых ученых. 2018. № 4(20) С. 1107-1110.
2. Зыков А.П., Кадыков О.В. Повышение энергоэффективности наружных стен малоэтажных зданий применением поризованных конструктивных материалов // Евразийское Научное Объединение. 2020. № 5-2 (63). С. 113-115.
3. Горин В.М., Вытчиков Ю.С., Шиянови Л.П., Беляков И.Г. Исследование теплозащитных характеристик стеновых ограждающих конструкций зданий коттеджей, построенных с применением беспесчаного керамзитобетона // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 28-31.
4. Пархоменко А.С. Сравнительный анализ современных энергоэффективных ограждающих конструкций // Форум молодых ученых. 2018. № 4(20) С. 1111-1114.
«Инновационные аспекты развития науки и техники»
5. Зыков А.П., Кадыков О.В. Причины снижения теплозащитных свойств
волокнистых теплоизоляционных материалов наружных стен в период эксплуатации малоэтажных зданий // Евразийское Научное Объединение. 2020. № 7-2 (65). С. 107-110.
6. Бовтенко В.Н. Ограждающие конструкции и деградация теплоизоляционных материалов-утеплителей в ограждающих конструкциях здания // Керамика: наука и жизнь. 2016. № 3. С. 16-29.
7. Червова Н.А., Кукушкина Г.А. Внешние ограждающие конструкции высотных зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 9 (24). С. 137-145.
8. Gribanov, A.S., Roshchina, S.I., Popova, M.V., Sergeev, M.S. Laminar polymer composites for wooden structures. Magazine of Civil Engineering. 2018. 83(7). Pp. 3-11.
9. Весова Л.М., Ефимова Е.А. Энергоэффективные материалы для ограждающих конструкций // Теория и практика актуальных исследований. 2016. № 15. С. 191-196.
10. Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов A.A. Обоснование выбора теплоизоляционных материалов для ограждающих конструкций каркасно-щитового здания // Научный вестник ВГAСУ. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2015. № 1 (10). С. 15-20.
© А.К. Акопян, A.C. Косенков, P.C. Федюк, 2021
