A NEW TECHNOLOGY OF THERMO-EFFECTIVE WALL BLOCKS FROM COMPOSITE POLYSTYRENE GAS CONCRETE

Пак А.А.¹, Сухорукова Р.Н.²

¹Старший научный сотрудник, кандидат технических наук, ²научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (г.Апатиты Мурманской обл.)

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМОЭФФЕКТИВНЫХ СТЕНОВЫХ БЛОКОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИСТИРОЛГАЗОБЕТОНА

Аннотация

С целью повышения термического сопротивления  ограждающих конструкций зданий предложена технология многослойных стеновых блоков из композиционного материала на основе газобетона и пенополистирола. Приведены результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний, рекомендации по практической реализации.

Ключевые слова: технология, газобетон, пенополистирол, свойства, прочность, теплопроводность. 

Pak A.A.¹, Sukhorukova R.N.²

¹Senior Research Associate, Ph.D.(Engineering), ²Research Associate, A Federal state budgetary institution of science, I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre, the Russian Academy of Sciences (Apatity, Murmansk region)

A NEW TECHNOLOGY OF THERMO-EFFECTIVE WALL BLOCKS FROM COMPOSITE POLYSTYRENE GAS CONCRETE

Abstract

It is proposed to enhance the heat resistance of  building envelopes using maltilayer wall blocks from a composite material based on gas concrete and  polystyrene  foam produced by a new technology. Laboratory and pilot-scale experiment results and guidelines for practical realization are provided.

Keywords: technology, gas concrete, polystyrene foam, properties, strength, heat conductivity.

На современном этапе развития строительной науки и производства проблемы обеспечения требуемых температурно-влажностных условий проживания в помещениях и снижения энергетических потерь имеют первостепенное значение. В связи с введением с 1.10.2003 года на территории Российской Федерации СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», согласно которому нормируемые значения коэффициента теплопередаче ограждающих конструкций увеличены в 3-3,5 раза по сравнению с действовавшими ранее значениями, толщина наружных стен из известных материалов в однослойном варианте (керамический и силикатный кирпичи, легкий и ячеистый бетоны) также должна быть существенно увеличена.

Из всех известных видов бетонов наиболее эффективны по теплотехническим показателям ячеистые бетоны (пено- и газобетоны). В настоящее время по ряду технико-экономических показателей преимущественное развитие как в России, так и за рубежом, получили строительные изделия из газобетона автоклавного и неавтоклавного твердения. За последнее десятилетие в Российской Федерации объем производства  автоклавного газобетона возрос до 6,9 млн м³, неавтоклавного - до 2,6 млн м³, а к 2020 году планируется увеличение соответственно до 15,1 и 8,1 млн м³ [1,2]. Опережающие темпы роста объемов производства газобетонных изделий по сравнению с другими стеновыми материалами объясняются их высокими эксплуатационными характеристиками: при наименьшей по сравнению с другими бетонами средней плотности (300-700 кг/м³) и теплопроводности (0,08-0,15 Вт/м·ºС) газобетон обладает достаточно высокой прочностью на сжатие (В1,5-В5,0) и морозостойкостью (F75-100). Для получения газобетона не требуется дефицитный во многих регионах крупный заполнитель (щебень, гравий) и возможно максимальное использование местных минеральных промышленных отходов (золы, шлаки ТЭС, хвосты переработки природных руд). Тем не менее, даже из такого эффективного материала, как газобетон, в суровых климатических условиях Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока России невозможно возводить однослойные наружные стены экономически приемлемой толщины (0,35-0,50 м), соответствующие требованиям СНиП.

В последнее десятилетие получил широкое распространение в строительной практике новый композиционный материал – полистиролбетон, полученный рациональным сочетанием цементно-песчаной матрицы и вспененных гранул полистирола, в котором успешно используются высокие прочностные качества цементного камня и теплоизоляционные свойства  пенополистирола. Этот эффективный материал разработан творческим коллективом ученых и строителей под руководством чл.-корр. РАН Б.В.Гусева и позволяет возводить однослойные наружные стены энергоэффективных 30-ти этажных жилых домов. На основе их разработок в стране созданы производственные линии мощностью 520-570 тыс. м³ сборного и монолитного полистиролбетона  в год [3]. Однако у полистиролбетона недостаточно высокая механическая прочность (гранулы пенополистирола мягкие), а цементные межгранульные перегородки не способствуют значительному снижению теплопроводности.

На практике для достижения требуемой теплоизоляции наружных стен как вновь строящихся, так и эксплуатируемых домов чаще применяют  утепление стен дополнительными слоями эффективного теплоизоляционного материала из предварительно изготовленных плит, матов, т.е. делают ограждение многослойным. Недостаток такой конструкции состоит в образовании зазора между основной несущей частью стены и утеплителем, что приводит к накоплению влаги в зазоре и возникновению «мостиков холода».

Широко распространены в строительной практике трехслойные ограждающие конструкции типа «сэндвич». Однако и в трехслойных панелях и блоках с внутренним теплоизоляционным слоем из минераловатных или прессованных пенополистирольных плит неизбежен зазор между конструктивными слоями и, кроме того, они практически не имеют естественной связи между слоями. Поэтому для обеспечении соединения конструктивных слоев устанавливают различные гибкие связи, либо металлические или полимерные стержни, проходящие через теплоизоляционный слой, что затрудняет установку теплоизоляционных плит и увеличивает теплотехническую неоднородность изделия. Перспективным направлением совершенствования технологии и улучшения эксплуатационных свойств трехслойных изделий является использование в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя полистиролбетона [4]. В разработанной технологии укладка наружных слоев и внутреннего слоя производится в едином технологическом цикле формования изделия с образованием монолитного соединения, благодаря чему исключаются «мостики холода» и отпадает необходимость установки связей между слоями. Однако, как видно из табл.1 статьи  [4], показатели теплопроводности у нового материала не меньше, чем требуется по ГОСТ 25485-89 (табл.2).

На основе анализа известных способов получения термоэффективных стеновых материалов нами исследована и разработана новая технология многослойного композиционного материала (патенты РФ №2259272, 2286249, 2472615). Полученный нами материал имеет, помимо всех необходимых физико-механических и эксплуатационных характеристик (механических, гидротехнических, санитарно-гигиенических и др.), теплопроводность, значительно меньше требований ГОСТ. Кроме того, по предложенной технологии обеспечивается монолитное бесшовное соединение конструктивных слоев.

Для получения нового композиционного материала были взяты газобетон и пенополистирол. Для этих материалов характерно то, что они на разных температурных уровнях увеличиваются в объеме: газобетонная смесь вспучивается в 1,5-2 раза газом (водородом), образующимся в результате химической реакции между газообразователем (алюминиевая пудра) и известью, входящей в состав вяжущего (оптимальная температура газообразования 35-45ºС); гранулы суспензионного полистирола при 85-100ºС вспениваются и увеличиваются в объеме в 30 и более раз.

Как известно, на большинстве предприятий стройиндустрии для ускорения твердения бетонов на минеральном вяжущем применяется тепловлажностная обработка заформованных изделий методом пропаривания при атмосферном давлении и температуре паровоздушной среды 85-100ºС. Т.е. в режиме пропаривания бетонных и железобетонных изделий содержатся температурные интервалы, необходимые для расширения газобетона и полистирола. Особенность разработанной технологии заключается в послойной укладке в форму холодной газобетонной смеси и невспененного или частично вспененного полистирола, закрытии формы крышкой и последующей тепловлажностной обработке в пропарочной камере. Во время пропаривания самопроизвольно, без внешнего воздействия, происходят в разной последовательности пять операций: 1 – вспучивание газобетонной смеси, 2 – вспенивание полистирола, 3 – окончательное формообразование изделия, 4 – монолитное прижатие конструктивных слоев, 5 – ускорение твердения газобетона.

В зависимости от количества конструктивных слоев изделия могут изготавливаться в двух- и трехслойных вариантах. Свойства полученного композиционного многослойного материала – полистиролгазобетона (ПГБ) могут регулироваться в широких пределах и зависят от толщины конструктивных слоев (таблица).

 

Таблица 1 - Результаты сравнительных испытаний свойств ПГБ и газобетона

Наименование свойств	Полистиролгазобетон расчетной плотностью, кг/м3				Газобетон расчетной плотностью, кг/м3
	300	400	500	600	400	500	700	800
Фактическая средняя плотность, кг/м3	302	426	491	636	384	504	707	851
Прочность при сжатии, МПа: - фактическая - приведенная	1.5 1.5	2.8 2.5	2.6 2.7	5.2 4.6	1.0 1.0	2.0 1.9	4.7 4.6	7.9 6.9
Водопоглощение, %: - по массе - по объему	48.7 11.9	31.9 12.1	28.3 12.8	25.0 15.6	92.8 40.1	72.6 35.3	40.4 31.5	28.7 25.3
Капиллярный подсос, %	19.8	13.8	14.2	8.9	25.3	19.6	18.1	-
Морозостойкость, циклы	35-50	50-75	50-75	75-100	5	25	50	75
Теплопроводность, Вт/(м·ºС)	0.058	0.060	0.063	0.072	0.088	0.100	0.148	0.175

Как видно из таблицы, по основным свойствам ПГБ значительно превосходит традиционный газобетон. Благодаря бесшовному соединению конструктивных слоев с четким функциональным назначением получают изделия с улучшенными эксплуатационными характристиками: коэффициент конструктивного качества А_сж =120-160, теплопроводность 0,06-0,08 Вт/м·ºС, морозостойкость – более 100 циклов.

На рисунке приведен фрагмент кладки стены из трехслойных блоков ПГБ.

Рис. 1 - Фрагмент кладки стены из трехслойных блоков ПГБ

Литератра

1. Гринфельд Г. И. Производство автоклавного газобетона в России: состояние рынка и перспективы развития / Строительные материалы. 2013. №2. С.76-77.
2. Сажнев Н.П., Сажнев Н.Н., Галкин С.Л. Опыт производсьва и примнения ячеистобетонных изделий автоклавного твердения в Республике Беларусь / Строительные материалы. 2008. №1. С.6-10.
3. Б.Гусев. Утеплитель на основе пенополистирольных гранул в цементной матрице / Строительство: новые технологии – новое оборудование. 2011. №5. С.22-25.
4. Кириченко В.А., Крылов Б.А. Новая технология изготовления трехслойных панелей для наружных стен с высокими теплозащитными свойствами /Технология бетонов. 2013. №6. С.45-47.