Сочетание высоких теплоизоляционных свойств при пожарной безопасности, долговечности и экологической чистоте ставит пеностекло практически вне конкуренции с другими материалами.
Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) — теплоизоляционный материал, представляющий собой вспененную стекломассу.
Пеностекло представляет собой легкий пористый материал. Строение пеностекла напоминает твердую мыльную пену. Размер ячеек пены может быть от долей миллиметра до сантиметра. Цвет материала от светло-кремового до черного (обычно зеленовато-серый), но в зависимости от состава стекла и примесей может приобретать практически любые цвета.
Пеностекло представляет собой ячеистое стекло, состоящее из множества герметически замкнутых пузырьков шарообразной формы размером 0,5-0,2мм.
Из статьи анализа рынка теплоизоляционных материалов доктора технических наук, профессора А. А. Кетова (г. Пермь):
❝Какие свойства потребитель ожидает от строительных теплоизоляционный материалов
1. Во-первых, по определению, — низкую теплопроводность.
2. Во-вторых, так как речь идет о строительных материалах, подразумевается, что теплоизоляционный материал должен сохранять свои свойства неизменными в течении, как минимум, проектного времени эксплуатации здания, а это не менее ста лет.
3. В-третьих, материал для жилища должен быть безопасным, то есть не только не разрушаться в силу случайных причин, будь то кратковременный нагрев или попадание воды, но и не выделять при этом каких-либо компонентов, прямо или косвенно ухудшающих качество жизни в здании.
Так, среди строительных материалов предпочтение отдается таким, которые при прочих равных условиях легко обрабатываются и использование которых не требует создания дополнительных сложных систем монтажа и эксплуатации. В соответствии с общепринятой классификацией теплоизоляционными материалами можно считать материалы с теплопроводностью до 0,175 Вт/(м К).
— ТЕПЛОФИЗИКА ИЗОЛЯЦИИ
Если обратиться к теплофизике, то становится очевидным , что собственно теплоизоляционными свойствами обладает обычно не твердое вещество материала теплоизолятора, а воздух, заключенный между структурными элементами твердого каркаса. Действительно, теплопроводность твердых веществ обычно на несколько порядков превосходит теплопроводность газов.
Поэтому все теплоизоляционные материалы представляют собой пористые тела, где структурные элементы твердого вещества — волокна, пленки и тд. — разделяют воздушное пространство на более или менее изолированные части. И чем меньше эти изолированные части воздуха, тем меньше перенос тепла за счет конвективных потоков и тем меньше теплопроводность.
-Конве́кция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.
❝ Но главной задачей при создании теплоизоляционного материала является заполнение объема минимальным количеством твердого материала при максимальном количестве воздуха.❞
Поэтому все теплоизоляционные материалы имеют малый удельный вес — обычно не выше 600 кг/м³, а зависимость теплопроводности практически для всех материалов однозначно, с примерно 10%-ным отклонением, определяется удельным весом.
-Уде́льный ве́с — физическая величина, которая определяется как отношение веса вещества P к занимаемому им объёму V.
Человечеством в качестве теплоизоляции были испробованы практически любые легкие материалы, начиная от хвои и соломы и заканчивая вулканическим туфом и металлургическими шлаками. Вопросы использования того или иного материала определились обычно исключительно доступностью и простотой использования.
Поэтому, если оценивать теплоизоляционные материалы только по критерию теплопроводности, то до сих пор следовало бы использовать солому с кизяком. Но слишком очевидна пожарная опасность первой и недолговечность второго, причем сомнительность экологической безопасности последнего очевидна по запаху. Поэтому возникшие было в начале 90-х годов теперь уже прошлого века, в эпоху кооперативного движения, кустарные заводики по переработке продуктов целлюлозы (соломы, скопа, опила, торфа и т.д) в теплоизоляционные материалы потерпели неудачу.
Вернемся к тому, что сегодня реально предлагается на рынке. В указанные выше границы теплопроводности входят три основных типа теплоизоляционных материалов: пенопласты, минеральные ваты и пено-, газобетоны. И если у первых двух типов теплоизоляции с термическим сопротивлением, декларируемым в сопроводительных документам и реальным, дело обстоит (по крайней мере в начальный период времени) более или менее нормально, то в трактовке результатов определения теплопроводности пено- и газобетонов есть некоторое лукавство. Возьмите характеристики наиболее типичного газобетона плотностью 600 кг/м 3 . Большинство производителей указывают значение теплопроводности в пределах 0,140-0,145 Вт/(м*К). Так оно и есть, но только для сухого материала. А с завода он обычно отпускается с влажностью до 20-25%. Естественно, что теплопроводность такого материала не укладывается даже в рамки требований к теплоизоляционным материалам. Мне могут возразить, что со временем влажность блоков упадет. Так оно и есть, но погодные условия средней полосы России и Урала характеризуются высокой относительной влажностью или условиями эксплуатации «Б», а значит , сорбционная влажность для изделий с высокой микропористостью, к таковым относятся пено- и газобетоны, не позволил добиться равновесной влажности ниже 5-10%. Естественно, что и теплопроводность в реальных условиях эксплуатации оказывается значительно выше той, которая декларируется.
…
Подводя промежуточный итог сказанному, можно констатировать, что ни один из трех типов наиболее широко используемых в настоящее время теплоизоляционных материалов — пено-, газобетон, пенопласты и минераловатные изделия — не может считаться качественным. Так, все перечисленные материалы нельзя признать долговечными, а минераловатные изделия и пенопласты имеют серьезные проблемы с точки зрения экологии и пожарной безопасности.
Особо подчеркну, что к таким выводам можно прийти, опираясь исключительно на знания о химическом строении и структуре данных материалов. Однако анализ перечисленных проблем позволяет сделать определенные выводы о том, какими же характеристиками и структурой должен обладать теплоизоляционный материал, лишенный указанных недостатков.
Во-первых, такой материал не должен содержать в своем составе органических соединений, а, в идеале, может успешно существовать на воздухе при температурах 500-700℃ во избежание возможных повреждений при пожарах. Этому условию, в принципе, удовлетворяют пено-га зобетоны, но они обладают нежелательной микропористостью. А минеральные волокна не имеют микропористости, но у них отсутствует пространственная жесткость. Вот если бы удалось совместить плавленую структуру минеральных волокон и пространственно-жесткую структуру ячеистых бетонов! Оказывается, это возможно, просто минеральная ячеистая структура должна получаться из расплава, и тогда все необходимые условия будут соблюдены.
Но, оказывается, сделав вывод о структуре теплоизоляционного материала как минерального ячеистого материала, получающегося из расплава, мы тем самым пришли к выводу о том, что материалом, лишенным недостатков пенопластов, ячеистых бетонов и минеральных ват, является пеностекло.
Какую теплоизоляцию надо использовать
Почему же пеностекло сегодня практически не имеет конкурентов на рынке теплоизоляционных материалов Об основных причинах уже сказано выше, оно практически не имеет ограничения по срокам эксплуатации, потому что стекло не взаимодействует ни с воздухом, ни с водой, ни с подавляющим большинством известных веществ. А ячеистая структура пеностекла не допускает изменения формы. Что касается возможных выделений твердых или газообразных компонентов, то непрерывность ячеистой структуры исключает образование твердых микрочастичек, а термическая обработка материала при производстве приводит к завершению любых химических процессов, связанных с газовыделением еще на стадии синтеза при 700-800℃.
На фото в альбоме показана структура пеностекла. Очевидно, что стенки стекла, разделяющие ячейки, структура пеностекла получены в результате плавления материала и не обладают микропористостью, а, значит, не могут сорбировать влагу, снижающую морозостойкость изделия.
Другой особенностью плавленого материала, в отличие от полученного из вяжущего и поэтому микропористого, является его высокая прочность. Действительно, сравнение прочности пеностекла и ячеистого бетона одинаковой плотности показывает более высокое значение показателя прочности у пеностекла (как минимум, в три-четыре раза).
И единственным показателем, по которому пеностекло уступает другим, описанным выше теплоизоляционным материалам, является его стоимость. Но теплоизоляцию мы покупаем не ради объема, а ради достижения определенного термического сопротивлении ограждающих конструкций. Вот тут и оказывается, что при существующем сопротивлении пеностекла количество материала, необходимое для теплоизоляции квадратного метра, перекрывает эффект кажущейся высокой стоимости кубического метра. В результате стоимость квадратного метра теплоизоляции в ограждающей конструкции становится сопоставима со стоимостью других материалов, а в большинстве случаев и ниже их стоимости. А если прибавить к этому выигрыш от снижения массы конструкции, упрощения монтажа, повышения безопасности, уменьшения толщины конструкций, то преимущества от использования пеностекла становятся совершенно очевидными
Использование тех или иных материалов в промышленности вообще и в строительстве, в частности, — вопрос времени и развития общества. Когда-то жилища утепляли соломой и кизяком, потом им на смену пришли пенопласты и минеральные ваты. На мой взгляд, сегодня они не отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, претендующим на использование в современном строительстве. Тем более, если мы хотим строить качественное и долговременное жилье, а не времянки.
Я не возьму на себя смелость утверждать, как это делают многие сторонники того или иного вида теплоизоляции, что пеностекло является идеальным теплоизоляционным материалом на все случаи жизни и на все времена. Может быть, проще теплоизолировать ящик с мороженым пенополистиролом или войлоком, а в будущем, может быть создадут некий материал, превосходящий по теплоизоляционным свойствам, плотности и устойчивости пеностекло. Вполне возможно. Но сегодня, смею утверждать, что по комплексу эксплуатационных свойств пеностекло не имеет конкурентов. ❞
-ИСТОРИЯ
Считается, что пеностекло было изобретено в 1930-х годах советским академиком И. И. Китайгородским и в США — в начале 1940-х фирмой Corning Glass Work.
-ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Стеклянный гранулят и стеклянный бой размалывают, используя шаровые мельницы в смеси с газообразователем (каменный уголь) в тонкий порошок 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, оправляют на опиловочном оборудовании и упаковывают. В результате данных этапов производства и получаются блоки из пеностекла. Химический состав пеностекла 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°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, 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.
— ТИПЫ ПЕНОСТЕКЛА
С конструкционной точки зрения материал может выпускаться в трех принципиально отличающихся видах:
блоки (или плиты);
гранулы (строительный песок или гравий);
бесформенные куски (строительный щебень).
— ПРЕИМУЩЕСТВА
• высокие тепроизоляционные свойства;
• полная экологическая и гигиеническая безопасность;
• высокая прочность (от 5 до 75 кг на см2);
• безусадочность;
• низкая плотность;
• долговечность;
• высокая морозостойкость;
• негорючесть;
• удобство обработки;
• простота монтажа;
• стоек ко всем обычно применяемым кислотам и их парам;
• не пропускает воду и водяной пар;
• не подвержен поражению бактериями и грибами;
• непроходим для грызунов;
• не поддерживает горения;
• не выделяет дыма и токсичных веществ;
• способность сохранять эти показатели на протяжении длительного времени постоянными;
-НЕДОСТАТКИ
• высокая стоимость;
— ПРИМЕНЕНИЕ
Пеностекло используется главным образом в качестве универсального теплоизолятора:
в строительном комплексе; жилищно-коммунальном комплексе; в сельском хозяйстве; энергетике; машиностроении; химической и нефтехимической отраслях; пищевом; бумажном; фармацевтическом и других производствах.