Влияние технологических факторов на долговечность стен, утепленных пенополистиролом

Результаты обследований зданий и сооружений с наружными стенами и покрытиями, утепленными пенополистиролом, показывают, что этот теплоизоляционный материал имеет ряд физических и химических особенностей, которые не всегда учитываются проектировщиками, строителями и эксплуатационными службами. Большой проблемой является отсутствие необходимой информации в научно-технической литературе о поведении пенополистирола в конструкциях и изменении его теплозащитных свойств во времени.
Стабильность теплофизических характеристик пенополистирола в условиях эксплуатации зависит от технологии его изготовления и совместимости с другими строительными материалами. Нельзя не учитывать и воздействия ряда случайных эксплуатационных факторов, ускоряющих естественный процесс деструкции пенополистирол. Это подтверждается совершенно различными сроками службы, устанавливаемыми отечественными специалистами в пределах от 13 до 80 лет на пенополистирол, чаще всего с одинаковыми физическими свойствами. Зарубежные специалисты устанавливают гарантированный срок службы 15-20 лет. Реже даются гарантии до 30 лет. При этом не исключается возможность более длительной эксплуатации теплоизоляции при некотором ухудшении физических свойств.
Такое существенное различие по срокам связано с отсутствием единой официально утверждённой методики определения долговечности пенополистирольных плит. Основным препятствием в её разработке является неординарное поведение пенополистирола в условиях эксплуатации. Это усложняет принятие критериев, которые необходимо использовать для моделирования физических воздействии при испытаниях. Они с достаточной степенью точности должны предсказывать частичную или полную деструкцию и снижение теплозащитных качеств пенополистирола в условиях эксплуатации. Большинством специалистов используется для этой цели критерий морозостойкости. Три цикла, а некоторые даже один цикл знакопеременного циклического воздействия приравнивают одному году эксплуатации здания. Замораживание выполняют при tH=-20°C -40 "С, оттаивание или в воде t8 = +20 °С или в паровоздушной среде tB=+60 °C. В последнем случае относительная влажность воздуха поддерживается равной φв = 97%.
Испытания, базирующиеся на температурно-влажностных циклических воздействиях, не в полной мере отражают все факторы, влияющие на старение пенополистирола в наружном ограждении. А процессы оттаивания образцов в воде при 20°С и паровоздушной среде при температуре 6О°С не соответствуют влажностному и температурному режимам в условиях эксплуатации. Они не учитывают и различия в конструктивном решении стен и панелей, особенности температурно-влажностного режима помещений и климатических воздействий. Поэтому результатами испытаний теплоизоляционных материалов на морозостойкость нельзя характеризовать долговечность наружных стен. Да и длительность процесса испытаний, составляющая 3-4 месяца, говорит не в пользу применения критерия морозостойкости для этих целей. При одинаковых теплотехнических и прочностных свойствах пенополистирола срок службы ограждающих конструкций и время наступления капитального восстановительного ремонта утеплителя могут существенно отличаться. В связи с этим долговечность наружного ограждения в отличие от утеплителя должна определяться расчетным методом. Очевидно, следует заменить термин "долговечность" теплоизоляционных материалов на термин "стойкость к эксплутационным воздействиям".
Конечно, объективная оценка стойкости пенополистирольных плит невозможна без сравнения с другими теплоизоляционными материалами. Поэтому и для минераловатных, пенополиуретановых, торфяных плит и ячеистобетонных блоков должна быть разработана методика с учетом специфических свойств каждой группы родственных материалов. Только при сравнительном подходе каждый материал сможет занять свою нишу в обеспечении долговечности наружных ограждающих конструкций, энергосберегающих зданий. До введения новых норм по теплоизоляции стен и покрытий проблема разработки методики так остро не стояла из-за малого объема производства и применения пенополистирола. Например, в трехслойных железобетонных панелях и стенах с гибкими металлическими связями было достаточным принимать толщину пенополистирольных плит 4 - 9 см в зданиях, возводимых практически по всей России от Краснодара до Якутска. И, как правило, в стенах ответственных сооружений, в капитальных жилых и общественных зданиях пенополистирол применялся в редких случаях. Согласно новым нормам толщину пенополистирольного слоя в стенах и панелях с гибкими металлическими связями приходится увеличивать соответственно до 15-30 см. При повышенной толщине утеплителей в стенах возрастают усадочные явления и температурные деформации, что приводит к образованию трещин, разрывам контактных зон с конструкционными материалами, изменяется воздухопроницаемость, паропроницаемость и, в конечном итоге, снижаются теплозащитные качества наружных ограждающих конструкций. В северных регионах страны с коротким холодным летом стены с увеличенной толщиной теплоизоляции не успевают войти в квазистационарное влажностное состояние, что приводит к систематическому накоплению влаги и ускоренному морозному разрушению, снижению срока службы и более частым капитальным ремонтам. Это подтверждает необходимость скорейшей разработки официально утвержденных методик для определения стойкости всех теплоизоляционных материалов к эксплуатационным воздействиям и методов расчета долговечности наружных ограждающих конструкций, и в первую очередь для пенополистирола.

Проведенные натурные исследования пенополистирольных плит в наружных стенах зданий и сооружений показали, что при отсутствии нарушений технологического регламента на заводе, при производстве и ремонте стен, панелей и покрытий, отобранные образцы по внешнему виду практически не отличаются от нового материала, несмотря на длительный срок эксплуатации (30-40 лет). Установлено, что прочность образцов, отобранных из стен эксплуатируемых зданий, построенных до 1990 г., несколько ниже, чем образцов, взятых непосредственно с завода (рис.1).

При этом очень трудно оценить, как изменилась плотность побывавших в эксплуатации образцов в связи с отсутствием первичных данных, соответствующих времени ввода зданий в эксплуатацию. Необходимо отметить на рисунке интервал зависимости прочности от увеличения λ выше 40 кг/м3. В   этой   области   отмечается меньшее снижение прочности от срока эксплуатации. Данные по теплопроводности (λ) образцов беспрессового пенополистирола плотностью 30-40 кг/м3, отобранных из панелей зданий с нормальным эксплуатационным режимом, показывают, что уже через 10 лет имеется тенденция к его увеличению. Через 30 лет эксплуатации значение λ при влажности 8-10% составляет 0,047-0,050 Вт/(м °С), а после 40 лет повышается до 0,053-0,055 Вт/(м °С). Сравнение экспериментальных данных с расчетными значениями действовавших СНиП П-A.7-62 и СНиП П-А.7-71 "Строительная теплотехника" показывает, что через 30 лет эксплуатационные значения теплопроводности почти не выходят за пределы требуемых значений λ =0,052 Вт/(м °С) с учетом  повышающего коэффициента, равного 1,2. Необходимо пояснить, что в то время нормами устанавливалось расчетное значение λ для у =35 кг/м3, равным 0,043 Вт/(м°С), вместе с тем в примечании № 2 к табл.1 предлагалось проектировщикам его увеличивать на 20%. Этим коэффициентом учитывалось влияние усадки, уплотнения и других факторов на снижение теплозащитных качеств в процессе длительной эксплуатации. В редакции СНиП по строительной теплотехнике 1982 г. коэффициент 1,2 был введен в расчетные табличные значения λ пенополистирола. И требуемое расчетное значение λ для условий эксплуатации Б стало составлять 0,05 Вт/(м °С) при λ = 40 кг/м3. Превышение нормативного значения λ пенополистирола наблюдается после 35 лет эксплуатации зданий. Поэтому, чтобы продлить до 50 лет безремонтный срок эксплуатации беспрессовых пенополистирольных плит, целесообразно расчетные значения коэффициентов теплопроводности дополнительно увеличить на 15-20%. Но уплотнение и усадка не являются основными факторами снижения теплозащитных качеств наружных стен. Большее влияние оказывает уменьшение толщины теплоизоляционного слоя на 15-25% в результате уплотнения пенополистирола. Так, например, увеличение коэффициента теплопроводности пенополистирола на 20% снизило термическое сопротивление теплоизоляционного слоя на 16% в панелях обследованных зданий. А происходящее при этом снижение толщины теплоизоляционного слоя на 20% дополнительно понизило термическое сопротивление на 25%.Поэтому, как правило, наружные стеновые панели, в которых в качестве утеплителя применялся беспрессовый пенополистирол плотностью 20-40 кг/м3 ("мягкий"), в результате уплотнения при изготовлении с применением вибрирования и усадки в эксплуатации имеют теплозащитные качества на 25-30% ниже проектных значений. Изменения λ могли быть вызваны и другими причинами. Нарушением регламента тепловой обработки трехслойных панелей на ДСК, приводящим к ускорению естественной деструкции пенополистирола. Нельзя исключить и влияние вида порофора, применяемого для вспенивания полистирола, газов, образующихся при этом, с низким λ  или вводимых непосредственно в вязкую жидкую массу (табл. 1 п. 2-5) Газ со временем улетучивается и освобожденный объем восполняется воздухом, что приводит к повышению теплопроводности пенополистирола. Поэтому до испытаний необходимо удалить газы, что приведет образцы в равные условия.
Зафиксированы случаи, когда значения коэффициентов теплопроводности беспрессового пенополистирола за 7-10 лет эксплуатации конструкции возросли в 2-3 раза., Это происходило, когда между гранулами в плитах полностью отсутствовало сцепление в результате нарушения технологического регламента на заводе или применения несовместимых с пенополистиролом материалов при производстве строительных работ. Существенную роль могли оказать используемые для ремонта краски, содержащие летучие углеводородные соединения.
Если учесть весь комплекс воздействий, включая случайные эксплутационные и технологические факторы, то можно сделать вывод об отсутствии корреляционной зависимости между теплопроводностью плит, теплозащитными качествами панелей и сроком их эксплуатации. Поэтому в лабораторных условиях сначала изучалось влияние систематически действующих физических факторов, т.е. отрицательных температур и влажности на изменение водопоглощательной способности, сорбционных свойств и теплопроводности пенополистирольных плит. На втором этапе изучалось влияние химических реагентов и случайных строительных факторов на процесс деструкции пенополистирола. Исследования проводились на образцах пенополистирола, изготовленных беспрессовым, прессовым способами и методом экструзии по стандартным методикам.
Образцы беспрессового пенополистирола плотностью 17 кг/м3 после   ПО   циклов  замораживания и оттаивания в воде имеют водопоглощение 350 % по массе, а прессового у = 12 кг/м3 и экструдированного у = 35 кг/м3 соответственно 20 и 25% (рис.2).

Возникла необходимость установить, является ли замораживание основной причиной увеличения водопоглощательной способности образцов пенополистирола. В результате установлено, что образцы беспрессового пенополистирола после выдерживания в воле в течение двух суток увлажнились до 18,2%, через 40 дней влажность повысилась до 257,6%, а спустя 2 года составила 353,3%. У пенополистирола, изготовленного прессовым и экструзионным методами, через двое суток водопоглощение составило соответственно 3 и 5,9%. За 2 года нахождения в воде водопоглощение по массе у них увеличилось до 21,4 и 23%. Важно отметить, что водопоглощательная способность образцов пенополистирольных плит, подвергавшихся замораживанию и выдерживаемых в воде без замораживания, отличается незначительно. Аналогичная закономерность (т.е. увеличение водопоглощательной способности образцов пенополистирола) установлена и при проведении повторных испытаний водопоглощения.

Так, если пенополистирол, изготовленный беспрессовым методом, за двое суток набрал влажность по массе 18,2%, то при повторном испытании после высушивания его водопоглощение увеличилось до 100,9%, а аналогичный образец после 110 циклов замораживания и оттаивания в воде изменил свою влажность при повторном увлажнении с 23 до 111,5%. Подобная закономерность при меньших значениях влажности наблюдается и у пенополистирола, изготовленного прессовым и экструзионным методами. Близкая сходимость результатов наблюдается и при исследовании гигроскопичности пенополистирола (табл. 2). При исследовании водопоглощательной способности образцы высушивались при температуре 60°С. Она могла оказать такое же влияние на ускорение процесса естественной деструкции пенополистирола, как и воздействие замораживания с последующим оттаиванием в воде. Вместе с тем, такое однозначное объяснение причин не согласуется с полученными данными по увеличению водопоглощательной способности пенополистирольных образцов, находившихся длительное время в воде и не подвергавшихся ни замораживанию, ни сушке при t=60°C. Очевидно, на разрушение структуры пор пенополистирола, а точнее, их тонких стенок, может оказывать влияние не только лед, процесс сушки при t=60°C, но и вода. Возможность такого влияния воды отмечается и другими исследователям и. Поэтому принимаемые критерии для моделирования процесса старения пенополистирольных плит, находящихся в стенах, должны быть максимально приближены к физическим воздействиям в условиях эксплуатации зданий. Наверное, следует в методике испытаний отказаться от оттаивания замороженных образцов в воде. В случае оттаивания образцов в паровоздушной среде необходимо температуру 40°С. Рассмотренные выше критерии воздействия (замораживание - оттаивание) не в полной мере отражают процессы, протекающие в теплоизоляционных материалах в стенах. Поэтому экспериментальные лабораторные данные по теплозащитным качествам пенополистирольных плит после замораживания существенно выше полученных в натурных условиях. Значит, в условиях эксплуатации существуют и факторы, оказывающие влияние на ускорение процесса естественной химической деструкции. Ими являются воздействие кислорода, содержащегося в воздухе, различные газы, образующиеся" в помещении в результате деятельности человека или производственных процессов, несовместимых материалов, применяемых в наружных ограждениях или для ремонта. Теплопроводность пенополистирольных плит, изготовленных беспрессовым методом, в результате температурно-влажностных воздействий увеличилась на 5%, прессовым - на 2,8%. Образцы экструдированного пенополистирола теплозащитные качества практически не изменили (табл. 3). Полученные результаты нельзя автоматически распространять на всю продукцию, выпускаемую многочисленными заводами страны. Они могут существенно отличаться. Поэтому материалы каждого завода требуют отдельного рассмотрения.