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 конструкций Казанского ГАСУ
Принятие Закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» открыло новую страницу в российском строительстве.
Производители впервые ощутили реальный спрос на энергосберегающие, инновационные технологии, а параллельное усиление «зеленых тенденций» поставило ещё одну задачу: комбинировать эффективность технологий с безопасностью для человека и окружающей среды.
Эти два фактора стали определяющими как для производителей строительных материалов, так и для специалистов в области проектирования и строительства и заставили оба звена строительной цепочки затрачивать немало ресурсов на поиск строительных материалов, удовлетворяющих этим требованиям.
При этом часть профессионального строительного сообщества признаёт, что энергоэффективные и долговечные материалы уже представлены на рынке и, соответственно, поиск инноваций — скорее дань моде и/или маркетинговая стратегия, чем реальная необходимость.
Среди материалов, чьи свойства уже были не раз доказаны, испытаны, измерены и опробованы в конструкциях по всему миру, — пенополистирол.
Несмотря на очевидные физико-механические преимущества пенополистирола по сравнению с другими видами теплоизоляции, вокруг его применения в жилищном и гражданском строительстве не утихают споры, и если пенополистирол и включают в проектные решения, то делается это с большой осторожностью.
Это связано, прежде всего, с недостаточной информированностью о современных данных, результатах текущих испытаний, наличии разрешительных документов, а также с путаницей, которую вносят в классификацию материала устаревшие ГОСТы и некоторые предприимчивые производители.
Данная статья призвана рассмотреть свойства пенополистирола, его преимущества и недостатки по сравнению с другими теплоизоляционными материалами именно в контексте требований современности и актуальных строительных тенденций.
Прежде всего, следует отметить, что свойства пенополистирола очевидно проистекают из метода его производства и особенностей этого процесса. Пенополистирол получают из готового полимера — полистирола — путем его вспенивания при нагревании не выше 100 °С. Этот процесс носит чисто физический характер, какие-либо химические реакции при этом исключены. При этом важно подчеркнуть, что только пенополистирол, пенополиэтилен и пенополивинилхлорид получаются из чистых полимеров. Пенополиуретан и другие пенореактопласты образуются в результате химических реакций при смешении двух реакционноспособных олигомеров, и полимер синтезируется одновременно с его вспениванием. Справедливо сказать, что в самой технологии производства пенополистирола заложена его санитарно-гигиеническая безопасность и «чистота». Согласно санитарно-гигиеническим нормам пенополистирол может контактировать с любыми пищевыми продуктами, из него изготовляют одноразовую посуду, упаковку для овощей, фруктов, рыбы и мяса.
Одним из аргументов против использования пенополистирола в строительстве является тот факт, что полистирол появляется путем полимеризации стирола. Считается, что пенополистирол подвергается постоянному окислению под воздействием кислорода, и при этом, якобы, происходит выделение стирола в окружающую среду. Однако для большинства представителей научного химического сообщества такие утверждения представляются беспочвенными и безграмотными, так как в условиях обычной эксплуатации пенополистирол окисляться никогда не будет. Деполимеризация стирола действительно может идти при температурах выше 320 °С, но всерьёз говорить о выделении стирола в процессе эксплуатации пенополистирольных блоков в интервале температур от –40 до +70 °С нельзя.
Данные испытаний Московского научно-исследовательского института гигиены им. Ф. Ф.Эрисмана показывают, что в отобранных пробах воздуха в помещениях со стеновыми панелями со средним слоем из пенополистирольного утеплителя стирол не обнаружен (согласно заключению Московского НИИ Гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана № 03/ПМ8).
Кроме того, анализ всех имеющихся мировых данных по токсикологии, в том числе самые последние исследования Консорциума «Стирол» в рамках европейского регламента REACH (который суммировал результаты исследований за последние 20 лет), говорит о том, что стирол не является мутагенным, канцерогенным веществом и не оказывает воздействие на репродуктивную деятельность организма.
В зависимости от состава и применяемой технологии вспенивания полимера плотность пенополистирола, оказывающая решающее влияние на основные свойства материала, может меняться в широких пределах. Так, плотность материала, полученного беспрессовым методом, 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 литья под давлением плотность полученных изделий может достигать кг/мз.
Говоря о высоких требованиях, предъявляемых к повышению энегроэффективности зданий, следует рассмотреть такое свойство теплоизоляционных материалов, как теплопроводность, то есть способность материала передавать тепло от одной своей части к другой в силу теплового движения молекул. Низкие показатели теплопроводности позволяют сократить толщину утеплителя, необходимую для обеспечения нужного уровня тепла, а значит, и затраты на сам материал. Пенополистирол в этом отношении уникален, он обладает низкой тепловодностью в сочетании с малой плотностью. В зависимости от состава материала, его структуры и метода получения теплопроводность пенополистирола меняется от 0, 028 до 0, 045 вт/мК.
Этот показатель соответственно составляет 0, 058 у дерева, 0, 048 — у шлаковаты, 0, 045 — у древесноволокнистой плиты, 0, 039 — у пробки; однако плотности этих материалов соответственно 368, 35, 208 и 112 кг/м3.
Низкая теплопроводность пенополистирола определила его широкое применение в Европе, где, что любопытно, его стоимость не уступает стоимости волокнистых утеплителей. В условиях экономии каждого сантиметра фасадное утепление в Германии почти полностью ведется с использованием пенополистирола (с 1960-х годов утеплены были более 500 млн кв. м фасадов, по данным Института строительной физики Фраунгофера, г. Хольцкирхен), в связи с чем Германия — основной источник данных о поведении этого материала на фасадах в течение длительного времени. В данный момент отсутствие претензий со стороны немецкого строительного сообщества к навесным фасадным штукатурным системам «мокрого типа» в силу положительных долгосрочных эксплуатационных характеристик и удовлетворительной защитой от проливного дождя, а также с высокими теплоизоляционными качествами позволило ежегодно утеплять таким методом более 30 млн кв. м жилья по всей Германии.
Однако в России противники применения пенополистирола высказывают опасения по поводу деструкции данного материала под действием факторов внешней среды, что обязывает нас проанализировать отечественные данные.
Большой интерес представляют результаты испытаний образцов пенополистирола, извлеченных из стеновых сэндвич-панелей при разборке панельных домов со сроком эксплуатации 40 лет и более. Как показали испытания этих образцов, их свойства сохранились на уровне 85–90% от исходных, что говорит о возможности длительной эксплуатации сооружений, построенных с грамотным использованием панелей с пенополистирольным теплоизоляционным слоем.
В течение 12 лет исследователи наблюдали за теплоизоляционным слоем, изготовленным фирмой «Пластбау», в недостроенном доме в Казани, где пенополистирольные плиты толщиной 100 мм стояли открытыми всем ветрам, дождям и солнцу. Тончайший слой, не более 20 микрон, пожелтел, а под ним — нетронутая ни физически, ни химически белоснежная структура. Даже в условиях, в которых он не должен применяться, а именно — в открытой атмосфере, пенополистирол не деструктирует столь заметно, чтобы можно было говорить о проблеме его старения. По истечении длительного времени пенополистирол полностью сохраняет свои свойства и характеристики.
Таким образом, доступный нам опыт исследований в данной области позволяет сделать следующие выводы.
Пенополистирол — материал влагостойкий, более того, будучи неполярным полимером, он гидрофобен, то есть обладает плохой смачиваемостью. Пенополистирол сохраняет свои свойства при контакте с влагой, что актуально для регионов с повышенной влажностью или для условий проведения работ во время осадков.
Безусловно, обычный паропроницаемый пенополистирол способен накапливать влагу: она может конденсироваться, и, если конструкция сконструирована плохо, происходит замораживание и оттаивание влаги. Но, как и все полимеры, пенополистирол — податливый материал, поэтому такого разрушения, как в минеральных пористых материалах, не происходит.
Пенополистирол обладает также достаточной морозостойкостью, что позволяет эксплуатировать его при весьма низких температурах (–40 °С –50 °С) (ниже –40 °С) без заметного ухудшения свойств.
Некоторый недостаток отечественных исследований в этой области компенсируется богатой базой данных, например, канадских коллег, которые с 70-х годов XX века скрупулёзно изучали свойства вспененных и экструдированных полистиролов на предмет 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 рекомендовали применение для этих целей «обыкновенного» пенополистирола: «Хотя в теоретических анализах предполагалось применение экструдированного полистирола в качестве изоляционного материала и он также использовался на строительных площадках, другие материалы, такие как плиты из гранулированного пенополистирола, могут столь же успешно служить для этой цели и даже обеспечивать большую экономию. Однако там, где изоляция располагается под нагружаемой частью конструкции, например под фундаментом или под плитами перекрытия, она должна обладать достаточной прочностью на сжатие для того, чтобы выдержать нагрузку».