ПЕНОСТЕКЛО – уникальный эффективный теплоизоляционный материал

Пеностекло, как уникальный, состоящий на 100% из стеклянных ячеек материал, было создано в 1930-е гг.: в СССР — МХТИ им. Д.И. Менделеева (Москва) и в США — в начале 1940-х фирмой Corning Glass Work. Вначале предполагалось применять пеностекло в качестве плавающего материала. Но вскоре выяснилось, что оно дополнительно обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, легко подвергается механической обработке и склеиванию. Впервые бетонные плиты с теплоизоляционной прослойкой из пеностекла были применены в 1946 г . при строительстве одного из зданий в Канаде. Этот опыт оказался настолько удачным, что материал сразу же получил всеобщее признание как долговечная изоляция для кровли, перегородок, стен и полов для всех видов построек. К началу 1950-х гг. пеностекло стало активно применяться и в нашей стране. Оказалось, что новый материал способен с успехом конкурировать в отрасли промышленной теплозащиты и строительной теплоизоляции. При теплоизоляции стен пеностеклом использовалось такое его полезное свойство, как возможность обработки обычным инструментом. Пористая, шероховатая поверхность материала способствовала хорошему сцеплению со штукатуркой, мастиками, клеями, битумом и т.п. А такие свойства пеностекла, как влагонепроницаемость, постоянство объема, гигиеничность, устойчивость к температурному и химическому воздействию обусловили широкое использование его не только в обычном строительстве, но и при теплоизоляции холодильных сооружений, теплозащите агрегатов в нефтехимической, химической, пищевой, фармакологической промышленности не только у нас в стране, но и за рубежом.

Уникальные свойства пеностекла в значительной степени обусловлены, как химическим составом конечного продукта (на 100% совпадающем с составом обычного посудного, бутылочного или оконного стекла), так и термическим процессом вспенивания и отжига при котором образуются сферические и гексагональные ячейки границами которых служат стеклянные стенки и составляющие твердую матрицу такого материала как пеностекло. Алгоритм технологического процесса, вкратце, выглядит следующим образом:

 

Технология производства пеностекла:

спекание стеклянного порошка с одновременным вспучиванием его под действием газообразователя.

 

Сырье для производства пеностекла:

стеклянный гранулят, стеклянный бой, каменный уголь.

 

Технологический процесс производства пеностекла:

стеклянный гранулят и стеклянный бой размалывают используя шаровые мельницы в смеси с газообразователем (каменный уголь) в тонкий порошок и загружают в формы из жароупорной стали с каолиновой обмазкой. Формы на вагонетках и по роликовому конвейеру подают в туннельную печь. Под действием высокой температуры происходит размягчение частиц стеклянного порошка и его спекание. Газы, выделяющиеся при сгорании и разложении газообразователя, вспучивают вязкую стекломассу. При охлаждении образуется материал с ячеистой структурой. Медленное охлаждение (отжиг) способствует равномерному остыванию изделий по объему. Поэтому в них не возникают внутренние напряжения и не образуется трещин. Охлажденные изделия распиливают и оправляют на опиловочном оборудовании и упаковывают.

 

 

В результате данных этапов производства и получаются блоки из пеностекла. Химический состав пеностекла полностью, на 100%, совпадает с химическим составом классического стекла и включает в себя оксиды кремния, кальция, натрия, магния, алюминия. Газовая среда полностью замкнутых стеклянных ячеек не взаимодействует с атмосферой и представляет собой, в основном, оксиды и соединения углерода. Давление газовой среды в ячейках на порядок ниже атмосферного давления т.к. процесс вспенивания происходит за счет выделения газов коксом, антрацитом и сажей при температуре порядка 1000 0 С. Благодаря газообразованию и вспениванию стекла объем стекла увеличивается в 15 раз.

«Сотовая» структура пеностекла, где стенки и узлы ячеек состоят из такого прочного материала как стекло и обусловили уникальную прочность пеностекла и способность противостоять механическим нагрузкам. Матрица узлов и связей структуры пеностекла представляет собой наиболее оптимальную пространственно-объемную конфигурацию способную при минимальной плотности выдерживать максимальные нагрузки. Основные параметры ячейки пеностекла характеризуются следующими показателями: при среднем диаметре ячейки 2 000 мкм – толщина стенок ячеек варьируется в интервале от 20 до 100 мкм.

 

Рассматривая более подробно свойства и преимущества пеностекла, как эффективного теплоизоляционного материала, следует особенно выделить следующие параметры и характеристики где этот материал, фактически, не имеет себе равных и обладает значительными преимуществами над остальными классами теплоизоляционных материалов:

 

Долговечность эксплуатации пеностекла.

Гарантированный срок эксплуатации блоков из пеностекла с сохранением значений физических характеристик материала равен сроку эксплуатации здания и превышает 100 лет.

Экспериментальные исследования объектов утепленных пеностеклом более 50 лет назад показали отсутствие сколь либо существенных изменений в структуре пеностекла. Фактор сохранения теплозащитных свойств на протяжении всего существования здания особенно важен ввиду недоступности теплоизоляционного материала после завершения работ. Используя пеностекло в качестве теплоизоляционного материала можно избежать дорогостоящих ремонтных работ и замены утеплителя в течение всего срока эксплуатации.

 

Пеностекло не подвержено старению по ряду причин т.к. его уникальные свойства противостоят активным факторам, проявляющим себя с течением времени:

 

Окисление . Активный кислород, содержащийся в атмосфере, не оказывает ни малейшего воздействия на пеностекло по причине того, что этот материал состоит исключительно из высших оксидов кремния, кальция, натрия, магния, алюминия.

Эрозия. Поскольку пеностекло не имеет растворимых компонентов в своей структуре, не происходит растворения и размыва материала водой.

Температурные перепады. Пеностекло имеет очень низкий коэффициент линейного температурного расширения, что позволяет пеностеклу без ущерба для структуры материала переносить суточные и годовые колебания температуры.

Замерзание воды. При замерзании вода расширяется и может разрушать, затекая в трещины, даже такие прочные минералы как базальт и гранит. Поверхность пеностекла состоит из полусфер, сам материал представляет собой замкнутые ячейки вовсе исключающие попадание воды внутрь, и поэтому расширение воды при замерзании не разрушает пеностекло.

Деформация. Пеностекло по своей совершенно не деформируемый и очень прочный для своей плотности материал, что полностью исключает возможность его усадки, провисания, съеживания и т.п. последствий длительного воздействия силы тяжести и механического воздействия.

Активность биологических форм. Пеностекло не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями деревьев поэтому активность биологических форм не наносит вреда структуре материала в течение сколь угодно долгого времени.

 

Прочность пеностекла.

 

Пеностекло самый прочный из всех эффективных теплоизоляционных материалов. Прочность пеностекла на сжатие в несколько раз выше чем у волокнистых материалов и пенопласта. Фактор прочности особенно важен для монтажно-конструкционных решений по обустройству теплоизоляции, а также при теплозащите эксплуатируемых поверхностей (кровель и полов).

 

Насколько важна прочность, и особенно прочность на сжатие, для теплоизоляционных материалов в строительстве? Прежде всего, чем выше прочность на сжатие, тем менее (что логично) сжимается материал, подвергшийся внешнему воздействию. В то же время сжатие теплоизоляционного материала приводит к увеличению его теплопроводности и снижению теплозащитных свойств конструкции. Пеностекло уникально тем, что является абсолютно не сжимаемым материалом. Более того, менее прочный, чем пеностекло, теплоизоляционный материал требует анкерного и штыревого крепления к несущей конструкции сооружения и, чем он менее прочен, тем больше элементов крепления необходимо использовать для фиксации теплоизоляционного слоя и, тем самым увеличивать количество инородных высокотеплопроводных включений создающих дополнительные «мостики холода». Более прочный теплоизоляционный материал может нести часть нагрузки, за счет собственных физических свойств, позволяя, в некоторых случаях, и вовсе не применять дополнительных металлических креплений уменьшающих сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя.

 

Существует целый класс архитектурных решений, где фактор прочности на сжатие имеет для теплоизоляционного материала столь же актуальное значение, как и низкий коэффициент теплопроводности. Это особенно важно при обустройстве теплоизоляционного слоя на эксплуатируемых поверхностях, а также криволинейных поверхностях, где давление на теплоизоляционный материал распределено неравномерно.

 

Стабильность размеров блоков из пеностекла.

 

Благодаря тому, что пеностекло состоит исключительно из стеклянных ячеек этот материал не дает усадки и не изменяет, геометрические размеры с течением времени под действием веса строительных конструкций и эксплутационных нагрузок. Все это имеет очень существенное значение, как для всей строительной конструкции в целом, так и для сохранения эксплутационных свойств теплоизоляционного слоя.

 

Фактор стабильности геометрических размеров блоков из пеностекла позволяет осуществлять монтаж теплоизоляционного слоя с плотным прилеганием блоков и отсутствием зазоров, что, в свою очередь, позволяет исключить образование «мостиков холода» в теплоизоляции. Данный фактор имеет очень существенное значение т.к. материалы размеры, которых не стабильны из-за теплового расширения/сжатия или усадки во время эксплуатации могут вызывать повреждение гидроизоляционного и отделочного слоев, образовывать «мостики холода» из-за усадки, провисания или сжатия при охлаждении.

 

Пеностекло сделано из стекла и имеет коэффициент температурного линейного расширения сопоставимый с коэффициентом температурного линейного расширения материалов из которых состоят классические несущие конструкции: бетон, сталь, кладка из керамического или силикатного кирпича. Эта близость значений гарантирует стабильность размеров пеностекла, уложенного или смонтированного на стальную или бетонную конструкцию.

 

Тот факт, что блоки из пеностекла не коробятся и сохраняют свою форму, позволяет создавать уникальные по своей надежности и долговечности системы теплоизоляции зданий и сооружений эффективные во время эксплуатации, экономичные по капиталовложениям при обустройстве и не требующие значительного ухода с минимальным уровнем материальных и трудовых затрат на ремонт.

 

Устойчивость физических параметров пеностекла.

Пеностекло представляет собой материал, состоящий из герметично замкнутых гексагональных и сферических ячеек. Такая структура материала исключает взаимодействие газовой среды ячеек с атмосферой и обуславливает неизменность во времени характеристик материала.

То есть, во время эксплуатации не происходит изменения таких параметров блоков из пеностекла как теплопроводность, прочность, стойкость, форма и т.д. Фактор сохранения свойств теплоизоляционного материала с течением времени особенно важен при эксплуатации зданий и сооружений ввиду недоступности материала после завершения работ.

На территории бывшего СССР, а также в Европе и Северной Америке пеностекло использовалось в качестве утеплителя более 50 лет. Натурные обследования, результаты лабораторных испытаний, замеры физико-технических параметров блоков из пеностекла, взятых из строительных конструкций со сроком эксплуатации, исчисляемым 40-50 годами, показали, что характеристики пеностекла практически не изменились т.к. результаты измерений совпали с первоначальными значениями.

Актуальность сохранения первоначальных значений параметров утеплителя во время эксплуатации здания и сооружения имеет в современном строительстве первостепенное значение, как по причине повышенных требований заказчиков и потребителей предъявляемых к эксплутационным качествам всего здания или сооружения, гарантии их неизменности во времени, так и архитектурного усложнения конструкций здания где затраты на капитальный ремонт и замену утратившего свои свойства утеплителя сопоставимы с затратами на возведение и постройку.

Устойчивость пеностекла к химическому и биологическому воздействию.

Стекло, из которого на 100% и состоит пеностекло, не разрушается химическими реагентами (за исключением плавиковой кислоты). Пеностекло, как и стекло, не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями растений.

Пеностекло абсолютно «непроходимо» для насекомых и грызунов и представляет собой идеальный барьер для подобных вредителей.

 

Стойкость пеностекла к гниению и отсутствие «почвы» для распространения плесени и грибков особенно важно при использовании пеностекла в замкнутом, невентилируемом пространстве кровли, стен, цоколя и фундамента. Отсутствие органики в таком материале как пеностекло позволяет гарантировано избежать ситуаций связанных с разрушением и деструкцией теплоизоляционного материала под влиянием биологически активной среды.

Самой интересной особенностью пеностекла при взаимодействии с биологическими формами является абсолютная (и уникальная – присущая только пеностеклу) способность быть «непроходимым» для всех грызунов и насекомых. Пеностекло, помимо всего прочего, - очень хороший абразивный материал. В то же время природа еще не создала ни одной биологической формы, способной грызть и точить абразивы без быстрой потери естественных «грызущих приспособлений». Эту особенность пеностекла активно используют при теплозащите зернохранилищ, промышленных пищевых холодильников, складов т.к. при использовании пеностекла, помимо теплозащитного слоя, удается создать надежный барьер на пути вредителей.

Устойчивость пеностекла к химическому воздействию, как теплоизоляционного материала, в некоторых отраслях промышленности и строительства, является не менее важным фактором, чем совокупность остальных свойств материала. Особенно это актуально для химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой и металлургической отрасли промышленности, теплоизоляции некоторых специальных сооружений.

 

Не горючесть и огнестойкость пеностекла.

 

Пеностекло полностью негорючий материал, не содержащий окисляющихся или органических компонентов. Технология производства пеностекла такова, что готовое изделие получается в результате изготовления в печах при температуре близкой к тысяче градусов Цельсия и поэтому при нагреве пеностекла до высоких температур оно лишь плавится как обычное стекло без выделения газов или паров. Этот фактор важен для противопожарных свойств конструкции.

Основные критерии пожарной безопасности – негорючесть материала и отсутствие поглощающей способности. Пеностекло не горюче и не является абсорбентом, и, следовательно, способно обеспечить наилучшую противопожарную защиту изолируемых объектов. Теплоизоляционные материалы, не являющиеся горючими, но при этом поглощающие горючие жидкости или легковоспламеняющиеся газы, повышают риск возгораемости всего здания или сооружения. Пеностекло, в отличие от прочих теплоизоляционных систем из минерального волокна или пенопласта, не адсорбирует ни масла, ни другие жидкие и газообразные вещества или углеводородные соединения повышенной воспламеняемости.

Закрытая структура ячеек пеностекла гарантирует отсутствие фитильного эффекта, способного привести к спонтанному возгоранию. Пеностекло не выделяет ни дым, ни токсичные газы, поскольку в его химический состав входит только чистое стекло.

 

Влагонепроницаемость, водостойкость и не гигроскопичность пеностекла.

 

Вода не оказывает на пеностекло никакого воздействия по двум причинам: пеностекло состоит из герметично замкнутых ячеек, материал стенок которых, обычное силикатное стекло. Пеностекло не впитывает влагу и не пропускает ее.

При применении в ограждающей конструкции создает дополнительный гидробарьер. При повреждении гидроизоляции не допускает распространения воды, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

Водостойкость пеностекла позволяют ему в течение длительного времени предотвращать образование льда, обеспечивать полную защиту от коррозии и отличную терморегуляцию. Пеностекло устойчиво к воздействию, как пресной, так и соленой воды.

Водонепроницаемость пеностекла обеспечивает его применение не зависимо от существующих внешних климатических условий.

Применение пеностекла исключает всякие проблемы, связанные с конденсацией водяного пара внутри теплоизоляционного материала.

 

Экологическая чистота и санитарная безопасность пеностекла.

 

Пеностекло состоит исключительно из стекла сходного по своему химическому составу с бутылочным, посудным и оконным стеклом. Пеностекло разрешено к использованию без санитарных и гигиенических ограничений.

Широко применяется в таких отраслях как пищевая и фармакологическая промышленность за исключительную безопасность. Производство и применение пеностекла не наносит вред природе, позволяя утилизировать стеклобой.

Экологическая и санитарная безопасность пеностекла позволяет осуществлять утепление ограждающих конструкций не только для помещений, в которых необходима повышенная чистота воздуха (здания здравоохранения, образования; спортивные сооружения; музеи; высокотехнологичные производства и т.п.), но и здания со специальными санитарно-гигиеническими требованиями (пищевая и фармакологическая промышленность; бани и сауны; бассейны; кафе, рестораны, столовые и т.п.).

Экологический аспект производства и применения пеностекла также имеет немаловажное значение. Пеностекло это единственный эффективный теплоизоляционный материал производимый на 100% из рециркулируемых утилизируемых стекольных отходов (стеклобоя). После эксплуатации блоки из пеностекла могут быть использованы вновь (пройдя стадию дробления) в качестве засыпного теплоизоляционного материала или добавки в легкие бетоны. Пеностекло отличается от всех эффективных теплоизоляционных материалов минимальным выбросом в атмосферу во время производства оксидов серы, азота, а также полностью исключает выброс летучих органических компонентов, формальдегидов, стиренов, хлорфторуглеродов и т.п. соединений.

У пеностекла самый экономичный и эффективный коэффициент отношения срока эксплуатации материала к расходам энергии на его производство.

 

Простота обработки пеностекла.

Пеностекло легко обрабатывается столярным инструментом под любые необходимые размеры и форму. Связывается и склеивается любым типом строительной смеси, битума или клея. Все это позволяет осуществлять монтаж пеностекла с использованием различных вариантов крепления.

Пеностекло как самый прочный эффективный теплоизоляционный материал способно безо всякого дополнительного крепления выдерживать давление, обусловленное собственным весом. Это позволяет производить теплоизоляционные работы простым и недорогим методом обычной облицовки. В дополнение к этому следует отметить тот факт, что пеностекло отлично клеится, крепится и связывается любым штукатурным составом, клеем, мастикой и т.п. Обусловлено это тем, что прилипание происходит не столько за счет адгезии (которая, тем не менее, присутствует), а за счет чрезвычайно развитой поверхности пеностекла и механического сцепления поверхностей при помощи затвердевающего состава. Кроме того, пеностекло отлично обрабатывается столярными инструментами. Данное свойство применяется при теплоизоляции пеностеклом не только простых плоскостей, но и сложным фасонных изделий, а также криволинейных поверхностей. В таком случае блокам из пеностекла путем механической обработки придаются необходимые геометрические параметры.

И в заключение:

Изучая вопросы зарубежного применения пеностекла в качестве теплоизолятора, следует отметить, что в Европейском Союзе оно является признанным и одним из самых эффективных теплозащитных строительных материалов. Параметры строительного пеностекла оговорены в общеевропейском специальном нормативно-техническом документе EN 13167 Thermal insulation for buildings – Factory made cellular glass (CG) products. Здесь стоит отметить, что в ЕС существует всего десять подобных документов, касающихся свойств и применения в строительстве различных типов эффективных теплоизоляционных материалов (на самом деле их количество может быть значительно больше). Причина этого в том, что по всем остальным теплоизоляционным материалам, не имеющим общеевропейских нормативно-технических документов, существуют те или иные ограничения в различных странах Евросоюза. Как видите, пеностекло в ЕС (во всех входящих в Евросоюз странах) не имеет каких бы то ни было ограничений и является общепризнанным строительным теплоизоляционным материалом.

Евгений Сосунов.