Михаил Леонидович Кербер, доктор химических наук, профессор кафедры переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева
Вадим Григорьевич Хозин, доктор технических наук, зав. кафедрой технологии строительных материалов, изделий и конструкцийКазанского ГАСУ
ПринятиеЗакона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности ио внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»открыло новую страницу в российском строительстве.
Производителивпервые ощутили реальный спрос на энергосберегающие, инновационные технологии, апараллельное усиление «зеленых тенденций» поставило ещё одну задачу:комбинировать эффективность технологий с безопасностью для человека иокружающей среды.
Этидва фактора стали определяющими как для производителей строительных материалов,так и для специалистов в области проектирования и строительства и заставили обазвена строительной цепочки затрачивать немало ресурсов на поиск строительныхматериалов, удовлетворяющих этим требованиям.
Приэтом часть профессионального строительного сообщества признаёт, чтоэнергоэффективные и долговечные материалы уже представлены на рынке и, соответственно,поиск инноваций — скорее дань моде и/или маркетинговая стратегия, чем реальнаянеобходимость.
Средиматериалов, чьи свойства уже были не раз доказаны, испытаны, измерены иопробованы в конструкциях по всему миру, — пенополистирол.
Несмотряна очевидные физико-механические преимущества пенополистирола по сравнению сдругими видами теплоизоляции, вокруг его применения в жилищном и гражданскомстроительстве не утихают споры, и если пенополистирол и включают в проектныерешения, то делается это с большой осторожностью.
Этосвязано, прежде всего, с недостаточной информированностью о современных данных,результатах текущих испытаний, наличии разрешительных документов, а также спутаницей, которую вносят в классификацию материала устаревшие ГОСТы инекоторые предприимчивые производители.
Даннаястатья призвана рассмотреть свойства пенополистирола, его преимущества инедостатки по сравнению с другими теплоизоляционными материалами именно вконтексте требований современности и актуальных строительных тенденций.
Преждевсего, следует отметить, что свойства пенополистирола очевидно проистекают изметода его производства и особенностей этого процесса. Пенополистирол получаютиз готового полимера — полистирола — путем его вспенивания при нагревании невыше 100 °С. Этот процесс носит чисто физический характер, какие-либохимические реакции при этом исключены. При этом важно подчеркнуть, что толькопенополистирол, пенополиэтилен и пенополивинилхлорид получаются из чистыхполимеров. Пенополиуретан и другие пенореактопласты образуются в результатехимических реакций при смешении двух реакционноспособных олигомеров, и полимерсинтезируется одновременно с его вспениванием. Справедливо сказать, что в самойтехнологии производства пенополистирола заложена его санитарно-гигиеническаябезопасность и «чистота». Согласно санитарно-гигиеническим нормампенополистирол может контактировать с любыми пищевыми продуктами, из негоизготовляют одноразовую посуду, упаковку для овощей, фруктов, рыбы и мяса.
Однимиз аргументов против использования пенополистирола в строительстве является тотфакт, что полистирол появляется путем полимеризации стирола. Считается, чтопенополистирол подвергается постоянному окислению под воздействием кислорода, ипри этом, якобы, происходит выделение стирола в окружающую среду. Однако длябольшинства представителей научного химического сообщества такие утвержденияпредставляются беспочвенными и безграмотными, так как в условиях обычнойэксплуатации пенополистирол окисляться никогда не будет. Деполимеризациястирола действительно может идти при температурах выше 320 °С, но всерьёзговорить о выделении стирола в процессе эксплуатации пенополистирольных блоковв интервале температур от –40 до +70 °С нельзя.
Данныеиспытаний Московского научно-исследовательского института гигиены им. Ф.Ф.Эрисмана показывают, что в отобранных пробах воздуха в помещениях состеновыми панелями со средним слоем из пенополистирольного утеплителя стирол необнаружен (согласно заключению Московского НИИ Гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана №03/ПМ8).
Крометого, анализ всех имеющихся мировых данных по токсикологии, в том числе самыепоследние исследования Консорциума «Стирол» в рамках европейского регламентаREACH (который суммировал результаты исследований за последние 20 лет), говорито том, что стирол не является мутагенным, канцерогенным веществом и неоказывает воздействие на репродуктивную деятельность организма.
Взависимости от состава и применяемой технологии вспенивания полимера плотностьпенополистирола, оказывающая решающее влияние на основные свойства материала, можетменяться в широких пределах. Так, плотность материала, полученного беспрессовымметодом, может меняться от 13 до 48 кг/м3; плиты, полученные методом экструзии,могут иметь плотность от 21 до 40 кг/м3, а полученные этим же методом листы —от 40 до 160 кг/мз. При получении изделий прессовым методом или методом литьяпод давлением плотность полученных изделий может достигать кг/мз.
Говоряо высоких требованиях, предъявляемых к повышению энегроэффективности зданий, следуетрассмотреть такое свойство теплоизоляционных материалов, как теплопроводность, тоесть способность материала передавать тепло от одной своей части к другой всилу теплового движения молекул. Низкие показатели теплопроводности позволяютсократить толщину утеплителя, необходимую для обеспечения нужного уровня тепла,а значит, и затраты на сам материал. Пенополистирол в этом отношении уникален, онобладает низкой тепловодностью в сочетании с малой плотностью. В зависимости отсостава материала, его структуры и метода получения теплопроводностьпенополистирола меняется от 0, 028 до 0, 045 вт/мК.
Этотпоказатель соответственно составляет 0, 058 у дерева, 0, 048 — у шлаковаты, 0, 045— у древесноволокнистой плиты, 0, 039 — у пробки; однако плотности этихматериалов соответственно 368, 35, 208 и 112 кг/м3.
Низкаятеплопроводность пенополистирола определила его широкое применение в Европе, где,что любопытно, его стоимость не уступает стоимости волокнистых утеплителей. Вусловиях экономии каждого сантиметра фасадное утепление в Германии почтиполностью ведется с использованием пенополистирола (с 1960-х годов утепленыбыли более 500 млн кв. м фасадов, по данным Института строительной физикиФраунгофера, г. Хольцкирхен), в связи с чем Германия — основной источник данныхо поведении этого материала на фасадах в течение длительного времени. В данныймомент отсутствие претензий со стороны немецкого строительного сообщества кнавесным фасадным штукатурным системам «мокрого типа» в силу положительныхдолгосрочных эксплуатационных характеристик и удовлетворительной защитой отпроливного дождя, а также с высокими теплоизоляционными качествами позволилоежегодно утеплять таким методом более 30 млн кв. м жилья по всей Германии.
Однаков России противники применения пенополистирола высказывают опасения по поводудеструкции данного материала под действием факторов внешней среды, чтообязывает нас проанализировать отечественные данные.
Большойинтерес представляют результаты испытаний образцов пенополистирола, извлеченныхиз стеновых сэндвич-панелей при разборке панельных домов со сроком эксплуатации40 лет и более. Как показали испытания этих образцов, их свойства сохранилисьна уровне 85–90% от исходных, что говорит о возможности длительной эксплуатациисооружений, построенных с грамотным использованием панелей с пенополистирольнымтеплоизоляционным слоем.
Втечение 12 лет исследователи наблюдали за теплоизоляционным слоем, изготовленнымфирмой «Пластбау», в недостроенном доме в Казани, где пенополистирольные плитытолщиной 100 мм стояли открытыми всем ветрам, дождям и солнцу. Тончайший слой, неболее 20 микрон, пожелтел, а под ним — нетронутая ни физически, ни химическибелоснежная структура. Даже в условиях, в которых он не должен применяться, аименно — в открытой атмосфере, пенополистирол не деструктирует столь заметно, чтобыможно было говорить о проблеме его старения. По истечении длительного временипенополистирол полностью сохраняет свои свойства и характеристики.
Такимобразом, доступный нам опыт исследований в данной области позволяет сделатьследующие выводы.
Пенополистирол— материал влагостойкий, более того, будучи неполярным полимером, он гидрофобен,то есть обладает плохой смачиваемостью. Пенополистирол сохраняет свои свойствапри контакте с влагой, что актуально для регионов с повышенной влажностью илидля условий проведения работ во время осадков.
Безусловно,обычный паропроницаемый пенополистирол способен накапливать влагу: она можетконденсироваться, и, если конструкция сконструирована плохо, происходитзамораживание и оттаивание влаги. Но, как и все полимеры, пенополистирол —податливый материал, поэтому такого разрушения, как в минеральных пористых материалах,не происходит.
Пенополистиролобладает также достаточной морозостойкостью, что позволяет эксплуатировать егопри весьма низких температурах (–40 °С –50 °С) (ниже –40 °С) без заметногоухудшения свойств.
Некоторыйнедостаток отечественных исследований в этой области компенсируется богатойбазой данных, например, канадских коллег, которые с 70-х годов XX векаскрупулёзно изучали свойства вспененных и экструдированных полистиролов напредмет их применимости в суровых климатических условиях.
Здесь,в Канаде, в 1973 году в «Журнале отделений механики грунтов и фундаментов»авторы статьи, озаглавленной как «Проектирование изолированных фундаментов»(Eli I. Robinsky — M. ASCE, Keith E. Bespflug), в своих выводах рекомендовалиприменение для этих целей «обыкновенного» пенополистирола: «Хотя втеоретических анализах предполагалось применение экструдированного полистиролав качестве изоляционного материала и он также использовался на строительныхплощадках, другие материалы, такие как плиты из гранулированногопенополистирола, могут столь же успешно служить для этой цели и дажеобеспечивать большую экономию. Однако там, где изоляция располагается поднагружаемой частью конструкции, например под фундаментом или под плитамиперекрытия, она должна обладать достаточной прочностью на сжатие для того, чтобывыдержать нагрузку».
Полагаем,что подобные испытания с максимальной долей объективности и научной точностидолжны быть продолжены и в России, тем более что положительный опыт примененияполимерных утеплителей в северных широтах России насчитывает не один десятоклет, однако он требует конкретных и убедительных данных о результатах такогоприменения.
Втоже время верхний предел температур его эксплуатации ограничен значениями от+60 до +70 °С, так как выше этой температуры материал начинает размягчаться, иего механические свойства заметно ухудшаются. Однако из-за низкойтеплопроводности материала кратковременные превышения этой температурыдопустимы без ухудшения свойств.
Помимоспособности противостоять влаге и воздействию низких температур, пенополистиролдемонстрирует высокую стойкость к действию агрессивных сред, в частности кдействию кислот, растворов щелочей и других химически активных продуктов, чтотакже снижает вероятность деструкции материала, однако не отменяет наличия рядаограничений его применения, так как взаимодействие пенополистирола с краскамина основе растворителей или с ароматическими и хлорированными углеводородамигубительно для материала.
Ксожалению, примеры игнорирования правил совместимости строительных материаловне единичны в современной строительной практике. Досадно, что такие проявленияхалатности нередко списываются на сам материал или несовершенство его свойств.Примером подобного развития событий может служить авария в торговом центре«Охотный ряд», где сочетание экструдированного полистирола с агрессивнымикрасками привело к деструкции материала и всей строительной конструкции. Дляснижения вероятности повторения таких эпизодов предполагаем, что должен бытьусилен контроль соответствующих органов за корректностью проведениястроительных работ, а производители пенополистирольных утеплителей должныусилить просветительскую деятельность среди строителей.
Продолжаятему применимости пенополистирола, необходимо отметить, что он легко совместимс бетонными конструкциями. По эксплуатационной совместимости с другимистроительными материалами он превосходит все другие пенопласты (фенольные, карбамидные— пеноизол, пенополиуретановые).
Всвязи с высокими требованиями к экологичности современных материалов, следуетговорить не только о безопасности самих материалов и их влиянии на окружающуюсреду, но также и о микроклимате внутреннего помещения и качестве воздуха внем. Важным фактором в данном случае является возможность предотвращения размножениябактерий, плесени и грибов и их проникновения через ограждающую конструкциюздания. Испытания, проводимые в лабораториях с идеальными для роста плесениусловиями, показали, что плесень на испытуемых образцах не образовывается, ростагрибов также не наблюдается. Отсюда можно сделать вывод о химической ибиологической нейтральности пенополистирола.
Помимоэкологичности, безопасности и энегроэффективности, пенополистирол, будучилегким, прочным и нехрупким материалом, отвечает также такому важному встроительстве требованию, как удобство монтажа. Резка пенополистирола возможнабез использования специальных режущих инструментов, простыми средствами, такимикак нож или ручная пила. Обращение с материалом не представляет опасности дляздоровья во время транспортировки, монтажа, использования и демонтажа, посколькуон нерадиоактивен, не содержит опасных волокон или других веществ.Пенополистирол может обрабатываться и резаться не вызывая раздражения, экземыили раздражения кожи, дыхательных путей и глаз. Это означает, что дыхательныемаски, защитные очки, защитная одежда и перчатки не требуются для того, чтобыработать с пенополистиролом. Монтаж пенополистирольных плит — простой процесс идоступен практически каждому человеку.
Впоследнее время в прессе широко обсуждаются вопросы, связанные спожароопасностью пенополистирола и конструкций с его участием. Следует отметить,что действительно пенополистирол — горючий материал, что накладываетопределенные ограничения на его использование. Однако эти ограничения должныбыть известны современному строителю, так как отражены в действующем пока ГОСТе15588-86, и их соблюдение не требует сверхъестественных усилий.
50-летнийопыт применения этого материала в мире очевидно свидетельствует о том, чтовклад пенополистирола в пожарный риск не больше, чем других широкораспространенных органических строительных материалов. При горениипенополистирола выделяется всего около 1000 МДж/м3. Теплота сгорания сухоголесоматериала составляет 7000–8000 МДж/м3, что при равном объеме даетзначительно большее повышение температуры при пожаре в здании, чемпенополистирол. Пенополистирол используется для тепловой изоляции в качествесреднего слоя строительных конструкций при отсутствии контакта с внутреннимипомещениями. Во многих случаях фасадные утепления с пенополистиролом показалилучшие результаты при полномасштабных пожарных испытаниях, чем навесные фасадыс минеральной ватой.
Проблемагорения пенополистирола решается сегодня за счет различных добавок антипиренов,которые резко снижают опасность возгорания и обладают способностью ксамозатуханию при удалении источника огня. До недавнего времени сырье дляпроизводства пенополистирола типа ПСБ-С пропитывали гексабромциклододеканом(ГБЦД), доля которого обычно не превышала 0, 5%.
Несмотряна то, что ГБЦД не образует токсичных диоксинов и фуранов при горении и неявляется источником формирования полибромодибензофуранов и диоксинов приразличных видах горения в диапазоне температур от 400 до 800 °C, в последние время были предъявлены новые экологические требования к его влиянию на окружающуюсреду. В связи с этим европейская полистирольная индустрия столкнулась снеобходимостью разработки безопасной альтернативы ГБЦД до 2014 года.
Вконце марта 2011 года Great Lakes Solutions (подразделение компании Chemtura)объявили об успешном создании нового антипирена. По заявлениям специалистовGreat Lakes Solutions, новая добавка не снижает теплотехнических характеристиквспененных и экструдированных полистиролов и одновременно удовлетворяеттребованиям по экологичности.
Темне менее, любая органика, включая дерево и даже шерсть, горит с выделениемопределенных газов. Следует, однако, отметить, что ни полистирол, ни входящие вего состав компоненты не образуют при горении фосгена и цианидов. Данные оподобных явлениях чаще всего на проверку ссылаются на результаты исследований1970-х годов, когда способ производства пенополистирола существенно отличался.
Продуктыгорения полистирола, используемого в качестве среднего слоя строительныхконструкций, менее опасны, чем продукты горения целлюлозы, дерева и шерсти, широкораспространенных в быту. По мнению авторов данной статьи, пожары в зданиях сприменением пенополистирола, муссирующиеся в СМИ, случаются из-за непростительноговолюнтаризма в сочетании с фактическим отсутствием контроля над проведениемстроительных работ в нашей стране.
Такили иначе, оптимизм вселяет то, что проблемы, с которыми сталкивается сейчаспенополистирольная отрасль, не связаны с самим материалом, применение которогоавторам данной статьи представляется более чем перспективным в силу отсутствияв ряде случаев достойной альтернативы этому материалу. Те проблемы, которыепроистекают из недоразвитости законодательной, строительной нормативной иисследовательской базы, безусловно, преодолимы. Самое непосредственное участиев разработке новых стандартов, активизации просветительской работы, усиленииинтеграции европейского опыта должны сыграть и деятели науки, и производителипенополистирола, и представители строительного сообщества, опыт которых можетслужить превосходным мотиватором для совершенствования этой индустрии на благожителей нашей страны.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.newchemistry.ru/