О технических требованиях к волокнистым
теплоизоляционным материалам в строительстве

Б. М. Шойхет, канд. техн. наук, зав. отделом,

Л. В. Ставрицкая, гл. специалист,

Е. Г. Овчаренко, канд. техн. наук, генеральный директор АО «Теплопроект»

В отечественной практике все более широкое применение находят строительные конструкции с утеплителями из минеральной ваты и стекловолокна. Применение в строительстве теплоизоляционных изделий из базальтового тонкого и супертонкого волокна пока ограничено в связи с небольшими объемами его производства и высокой стоимостью.

Минераловатные изделия для строительства производятся предприятиями АО «Термостепс» (гг. Тверь, Омск, Пермь, Самара, Салават, Ярославль), АКСИ (г. Челябинск), АО «Тизол», Назаровским ЗТИ, заводом «Комат» (г. Ростов-на-Дону), ЗАО «Минеральная Вата» (г. Железнодорожный, Московской обл.) и др., применяются импортные материалы фирм Rockwool, Paroc, Izomat и др.

Номенклатура используемых в строительстве минераловатных изделий включает маты прошивные марок М75, М100, М125 по ГОСТ 21880, плиты теплоизоляционные на синтетическом связующем марок П75, П125, П225 по ГОСТ 9573-96 и ТУ 5762-010-04001485-96, гофрированные плиты по ТУ 5762-001-05299710-94, плиты повышенной жесткости по ГОСТ 22950-95.

Теплоизоляционные изделия из стекловолокна в центральном регионе России производятся ОАО «Флайдерер-Чудово», ЗАО «Мостермостекло». Импортные изделия представлены фирмой Isover.

Теплоизоляционные изделия из базальтового супертонкого волокна выпускаются Дмитровским ЗТИ, Лианозовским ЭМЗ и АО «Тизол» (г. Нижняя Тура).

Физико-технические свойства используемых в строительстве теплоизоляционных материалов оказывают определяющее влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций, трудоемкость монтажа, возможность ремонта в процессе эксплуатации. Основными показателями, характеризующими свойства материалов, являются: плотность (не более 200–250 кг/м³), теплопроводность (расчетный коэффициент теплопроводности не выше 0,06–0,07 Вт/(м•К)), паропроницаемость, прочность на сжатие при 10% деформации для жестких изделий, сжимаемость и упругость для мягких и полужестких материалов, горючесть, морозостойкость, гидрофобность и водостойкость, биостойкость и отсутствие токсичных выделений при эксплуатации.

Эксплуатационные свойства волокнистых теплоизоляционных материалов зависят от состава используемого различными производителями исходного сырья и технологического оборудования и изменяются в достаточно широком диапазоне.

Анализ cравнительных физико-технических характеристик некоторых видов волокнистых теплоизоляционных материалов, используемых в строительных конструкциях, показывает, что коэффициенты теплопроводности аналогичных по назначению и области применения волокнистых теплоизоляционных материалов различных производителей могут отличаться более чем на 20%. Водопоглощение гидрофобизированных и негидрофобизированных изделий может отличаться в 2, 3 и более раз. При этом очевидно, что эти показатели при прочих равных условиях в значительной мере определяют сравнительную энергоэффективность и эксплуатационную надежность как самих материалов, так и конструкций на их основе.

Теплоизоляционные материалы в конструкциях утепления зданий должны соответствовать требованиям пожарной безопасности по СНиП 2.01.02-85, иметь гигиенические сертификаты, не выделять токсичные вещества в процессе эксплуатации и при горении.

Горючесть теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна определяется содержанием органического связующего. Минераловатные изделия на синтетическом связующем с содержанием органических веществ менее 4% относятся к группе НГ (негорючих), а при большем содержании органических веществ к группе Г1 (слабо горючих) или Г2 (умеренно горючих) при испытаниях по ГОСТ 30244.

Теплоизоляционные изделия из минерального и стеклянного волокна на синтетическом связующем относятся к группам материалов, не распространяющих пламя, с малой дымообразующей способностью и малоопасных по токсичности по СНиП 21-01-97.

Изделия из минерального и стеклянного волокна обладают хорошими звукопоглощающими и звукоизолирующими свойствами, что дает возможность их применения в конструкциях подвесных потолков, перекрытиях, полах и перегородках зданий различного назначения.

Долговечность теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях, помимо свойств самих материалов, зависит от воздействия внешних факторов, к которым следует отнести: степень увлажнения теплоизоляционного материала в конструкции, ветровые нагрузки, механические нагрузки от собственного веса в конструкциях стен и нагрузки при перемещении людей в конструкциях крыш и перекрытий. Очевидно, что к общим влияющим факторам добавляются дополнительные, обусловленные спецификой работы материала в конструкции.

Специфика условий эксплуатации определяет состав технических требований к применяемым теплоизоляционным материалам. Так, например, минераловатные плиты повышенной жесткости, используемые в качестве теплоизоляционного слоя в покрытиях с рулонной кровлей, при эксплуатации подвергаются сжимающим нагрузкам, поэтому для них одним из основных показателей является прочность на сжатие при 10% деформации.

Для минераловатных плит, используемых в конструкциях дополнительной тепловой изоляции стен со штукатурным покрытием, существенно важным является показатель прочности на отрыв слоев. Этот показатель в соответствии с требованиями зарубежных стандартов должен иметь значение не ниже 15 кН/м². Следует отметить, что показатель прочности на отрыв слоев для волокнистых теплоизоляционных материалов является определяющим лишь для конструкций со штукатурным покрытием типа DAMMSYSTEM HECK, в которых утеплитель приклеивается к утепляемой стене и испытывает механические нагрузки от веса штукатурного покрытия через закрепленную к его наружной поверхности армирующую сетку.

В конструкциях типа ОPTIROC или FESCOTERM армирующая сетка закреплена к утепляемой стене с помощью специальных крепежных деталей. При этом нагрузка от веса штукатурного покрытия передается непосредственно на стену, а утеплитель не имеет клеевого соединения с утепляемой стеной и не подвергается воздействию нагрузок, вызывающих послойное разрушение материала.

В трехслойных железобетонных панелях утеплитель испытывает в процессе изготовления сжимающую нагрузку и влажностные воздействия от верхнего слоя бетона, поэтому важными показателями в этом случае являются сжимаемость и водопоглощение материала.

В ненагруженных конструкциях теплоизоляции, к которым относится, например, теплоизоляция скатных крыш в малоэтажном строительстве и конструкции наружного утепления стен с вентилируемым зазором, материал подвергается аэродинамическим воздействиям, способствующим выветриванию материала, поэтому учитываются показатели его плотности и упругости.

Для теплоизоляционных материалов из минерального и стеклянного волокна, применяемых в наружных ограждающих конструкциях зданий, особенно важным является показатель водостойкости. Учитывая возможность периодического увлажнения теплоизоляционных материалов в конструкции, показатель водостойкости в значительной степени определяет их долговечность.

Данные о сравнительной водостойкости и, соответственно, долговечности минеральных, стеклянных и базальтовых волокон отсутствуют, т. к. эти материалы в соответствии с техническими условиями испытываются по разным методикам.

Водостойкость минеральной ваты зависит от модуля кислотности (отношение суммы кислотных окислов (SiO₂+ Al₂O₃) к сумме щелочных окислов (CaO+MgO)) и по ГОСТ 4640 характеризуется показателем рН. Модуль кислотности продукции различных производителей имеет значения в диапазоне от 1,2 до 2–2,5. Водостойкость минеральной ваты возрастает с увеличением модуля кислотности волокна.

Водостойкость стеклянных волокон существенно зависит от химического состава и диаметра волокна. Увеличение содержания щелочных окислов до значений более 15–16% и уменьшение диаметра волокна приводит к снижению водостойкости материала.

Водостойкость теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна зависит от свойств применяемого при их изготовлении связующего. При изготовлении минераловатных изделий наиболее широко используется синтетическое связующее на основе фенолоспиртов с модифицирующими добавками, а также связующее на основе карбамидных смол. Изделия на синтетическом связующем характеризуются более высокими показателями водостойкости, чем на карбамидном связующем.

Учитывая возможность деструкции минеральных волокон с низким модулем кислотности и стеклянных волокон щелочного состава при контакте с влагой, при разработке конструкций с применением этих теплоизоляционных материалов следует предусматривать технические решения, ограничивающие деструктивное воздействие влаги на материал в процессе эксплуатации.

К таким решениям относится гидрофобизация материалов в процессе производства и применение конструктивных решений, предотвращающих или ограничивающих возможность конденсации влаги в конструкции.

За счет гидрофобизации волокнистых материалов снижается их смачиваемость, т. е. уменьшается поверхность взаимодействия волокон с капельной влагой, что приводит к повышению водостойкости и, соответственно, долговечности материала. Для обеспечения долговременной стабильности свойств теплоизоляционные материалы из стекловолокна и минеральной ваты, применяемые в наружных ограждающих конструкциях зданий, должны быть гидрофобизированы в процессе производства.

Предотвращение конденсации паров воды в конструкции достигается конструктивными решениями, а именно: соответствующим расположением слоев материалов с различной паропроницаемостью и введением при необходимости дополнительных паровых барьеров, предотвращающих или ограничивающих конденсацию.

Институтом «Теплопроект» разработана компьютерная программа для расчета возможности выпадения и количества выпадающего в конструкции конденсата при стационарных условиях теплопередачи и диффузии водяного пара. Расчет выполняется по принятой в практике проектирования инженерной методике, позволяющей с достаточной степенью достоверности установить возможность выпадения и накопления конденсата в конструкции в процессе ее эксплуатации. Исходными данными при расчете являются температура и относительная влажность воздуха снаружи и внутри здания, термическое сопротивление и сопротивление паропроницанию отдельных слоев и конструкции в целом. Распределение температур по толщине конструкции рассчитывается по формулам стационарной теплопередачи. По термодинамическим таблицам определяются значения максимальной упругости водяного пара при расчетных температурах в конструкции.

 По заданным значениям влажности воздуха внутри и снаружи здания и сопротивлению паропроницанию отдельных слоев конструкции рассчитывается изменение парциального давления по толщине конструкции. Если рассчитанное значение парциального давления пара в каком-либо сечении превышает значение максимальной упругости пара для этого сечения, то возникают условия для выпадения конденсата. Одновременно, с учетом сорбционных характеристик использованных материалов, рассчитывается сорбционное увлажнение материалов в конструкции. В расчете определяется протяженность зоны выпадения конденсата и количество образующегося конденсата в единицу времени.

Температурно-влажностный режим рассчитывается для периода возможного выпадения конденсата (холодное время года) и для периода его сушки (теплое время года) при среднемесячных температурах и влажностях воздуха. По результатам расчета определяется материальный баланс влаги в конструкции и возможность ее накопления в круглогодичном цикле. Результаты расчета выдаются в графическом и табличном виде.

Рисунок 1. Результаты расчета влажностного режима конструкции для наиболее холодного месяца – февраля (Кликните на картинки для увеличения)

На рис. 1, 2 приведены результаты расчета температурно-влажностного режима наружной стены из керамзитобетона толщиной 250 мм с дополнительной наружной теплоизоляцией из волокнистого теплоизоляционного материала (d=120 мм, l=0,045 Вт/(м•К)) с покрытием штукатуркой (d=20 мм) для климатических условий Санкт-Петербурга. На рис. 1 кривая 1 показывает распределение температур по толщине стены для наиболее холодного месяца года – февраля, кривые 2, 3 и 4 соответственно характеризуют изменение максимальной упругости водяного пара (2) и парциального давления пара в конструкции без учета (3) и с учетом (4) конденсации в слое. Кривая 5 отражает изменение относительной влажности воздуха в конструкции. На рис. 2 приводится изменение суммарного количества конденсата в конструкции ограждения в годичном цикле.

Рисунок 2. Изменение количества конденсата в конструкции в годичном цикле

Анализ результатов расчета показывает, что в зимний период года в стене на границе утеплителя с облицовочным слоем наблюдается конденсация влаги, которая удаляется из стены за счет сушки в теплое время года.

Разработанная методика и программа расчета температурно-влажностного режима строительных конструкций позволяют производить анализ и экспертизу принимаемых проектных решений по тепловой изоляции зданий и сооружений. Расчет влажностного режима работы утеплителя в конструкции является необходимым условием для обоснованного анализа долговечности и оценки эксплуатационного ресурса утеплителя в конструкции. Результаты расчетов влажностного режима различных вариантов ограждающих конструкций зданий с применением эффективных утеплителей позволяют делать обобщенные выводы о необходимости дополнительной парозащиты и обоснованности принимаемых технических решений.

Работы по исследованию долговечности минераловатных материалов в различных условиях эксплуатации проводились в разные годы в институтах «Теплопроект», ВНИИТеплоизоляция (г. Вильнюс), МИСИ, ВНИИСТРОМ и др. Однако вопросы достоверного определения или прогнозирования долговечности применяемых теплоизоляционных материалов в различных условиях эксплуатации до настоящего времени остаются проблематичными, т. к. фактически отсутствуют утвержденные методики определения и официальные документы, нормирующие значение этого показателя. Следует отметить также, что на сегодняшний день в России отсутствуют нормативно закрепленные правила выбора и применения теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях.

Общие технические требования к волокнистым теплоизоляционным материалам, предназначенным для тепловой изоляции зданий и сооружений, промышленного оборудования и трубопроводов предусматривается изложить в ГОСТ «Материалы и изделия теплоизоляционные волокнистые. Общие технические условия», разрабатываемом в настоящее время институтом «Теплопроект» по заданию Госстроя России.

Учитывая значимость проблемы, представляется целесообразной разработка нового нормативного документа, в котором были бы детально изложены технические требования к теплоизоляционным материалам с учетом условий их применения в конкретных видах строительных конструкций. Таким документом может быть «Свод правил по применению теплоизоляционных материалов в строительстве», развивающий положения СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» и дополняющий СП 23-101-2000 «Проектирование тепловой защиты зданий» в части рекомендаций по номенклатуре, допустимой или наиболее рациональной области применения различных видов теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях. После принятия соответствующего решения этот документ может быть разработан институтом «Теплопроект», являющимся головной организацией Госстроя России по тепловой изоляции в промышленности и строительстве, совместно с другими заинтересованными организациями.

Таким образом, необходимым условием широкого применения волокнистых теплоизоляционных материалов в строительстве является создание нормативной и совершенствование информационной базы в этой области, повышение качественных характеристик применяемых материалов, разработка и введение в действие методов оценки их долговечности в различных условиях эксплуатации.

Увеличение объемов применения высококачественных теплоизоляционных изделий на основе минерального и стеклянного волокна повышает энергоэффективность ограждающих конструкций жилых, общественных и производственных зданий и является реальным вкладом в решение задачи энергосбережения в строительном секторе экономики России.

Тел. (095) 471-3226