Сэндвич панели: эволюция теплоизоляции

Концепция строительства быстровозводимых зданий с применением металлических конструкций и легких сэндвич панелей с каждым годом находит в России все более широкое применение. Для того чтобы соответствовать требованиям конкретного бизнеса – современное здание при сооружении оснащается различными коммуникациями, сложным технологичным оборудованием. Чем сложнее уровень строительства, тем дольше технологический процесс и тем важнее становятся сроки. Затягивание строительства не удовлетворяет заказчика не только из-за высокой скорости развития конкурентов, но и сулит значительное увеличение собственных затрат.

Быстровозводимое здание из металлических конструкций и сэндвич панелей отвечают всем современным требованиям бизнеса. Скорость и качество очень важны как в условиях строительного бума, когда тут и там возникает потребность быстро и недорого соорудить свиноферму, промышленный холодильник, производственное помещение или склад, так и во время кризиса, когда суровая реальность требует предельно сократить капитальные расходы. Здания из сэндвич панелей можно монтировать на любую поверхность без капитального фундамента даже в зимнее время года. При производстве данного типа зданий значительная часть технологического процесса уходит со строительной площадки в заводской цех, где изготавливаются сэндвич панели.

Сэндвич панели впервые появились на территории СССР еще в 60-х годах прошлого века. Особенно они были актуальны при строительстве объектов на крайнем севере. Там требовалась высокая скорость возведения. Северное лето коротко, времени на устройство и изготовление стен из кладочных материалов мало, поэтому здесь сэндвич панели оказались незаменимы. Сэндвич панели 60-х были достаточно громоздки. Монтаж гигантов мог осуществляться только при помощи тяжелых кранов. Наполнителем служила стекловата, которая мало соответствовала санитарным нормам, постоянно пылила, быстро осыпалась, а самое главное – обладала слишком высокой теплопроводностью, что приводило к неоправданно большой толщине конструкций. Такие конструкции можно было видеть в России еще в начале 2000-х годов, тогда как в Европе сэндвич панели уже давно производили по-другому.

На рубеже 70-х годов прошлого века строители начали применять сэндвич панели с использованием пенополиуретана (ППУ) в качестве теплоизоляционного слоя. Как правило, для изготовления профильного листа использовался листовой прокат толщиной от 0,8 до 1,2мм, на который впоследствии наносился цинк. Данные стеновые панели обладали очень низким коэффициентом теплопроводности и малым весом, что позволяло строить здания еще быстрее и использовать менее громоздкие панели. Сэндвич панели из ППУ, которые производились в 70-х годах в СССР, до сих пор встречаются на некоторых эксплуатирующихся сегодня объектах, хотя прошло уже более 40 лет. В настоящее время сэндвич панели из ППУ находят свое применение там, где основным требованием к изоляционному материалу является низкая теплопроводность (холодильные и морозильные камеры, склады, логистические комплексы). Сэндвич панель из ППУ толщиной 100мм заменяет кирпичную кладку в полтора метра толщиной или сэндвич панель из каменной ваты толщиной 200мм.

После перестройки, в 90-х, по причине отсталости противопожарного законодательства и низкой стоимости сырья, завоевали популярность сэндвич панели из пенополистирола. После нескольких трагических пожаров, Государственной Думой был принят ФЗ-123 – «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», который с 22 июля 2008 года ввел высокие требования к пожарной безопасности зданий в РФ и серьезно ограничил использование пенополистирола в строительстве зданий.

В настоящее время, в 90% произведенных в мире сэндвич панелей используется либо пенополиуретан (PUR), либо огнестойкий пенополиизоцианурат (PIR), разработанные на основе ППУ и сохранившие главное его свойство – крайне низкую теплопроводность. Сэндвич панели с теплоизоляцией из огнестойкого полиизоцианурата PIR, при сохранении высоких теплоизоляционных качеств, отличаются более высокими огнестойкими качествами, чем традиционные панели PUR. Температура эксплуатации сэндвич панелей PIR доходит до 140 градусов по Цельсию, и они, согласно Федеральному закону №123 от 22 июля 2008 года, могут применяться при строительстве любых зданий в РФ.

Рассмотрим подробнее характеристики используемых в современных сэндвич панелях теплоизоляционных материалов

*Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал площадью 1 м2 за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Измеряется в Вт/м2 * К;

Минеральная вата - теплоизоляционный материал с волокнистой структурой. Открытое пространство между волокнами заполнено воздухом, который, по сути, и является теплоизолятором. Основными недостатками этого материала являются:

• достаточно высокая теплопроводность (коэффициент теплопроводности 0,066 Вт/м2 * К);
• высокая влаговпитываемость;
• значительная масса (в панелях применяется вата с плотностью не менее 100 кг/м3);
• утеплитель создается отдельно от панели, что увеличивает риски разрушения конструкции и затрудняет использование герметичного замкового соединения.

Опыт использования мин. ваты в районах с резкими колебаниями температуры и влажности показал, что эффективную теплозащиту этот материал обеспечивает на 1-2 сезона, после чего набирает влагу и теряет свои теплоизоляционные свойства. Однако применение этого теплоизолятора достаточно широко распространено в России, так как у него есть одно преимущество - по нашим нормам он является негорючим материалом. Несомненно, что чистая мин. вата является таковым материалом, но та ее разновидность, что применяется при производстве сэндвич панелей отнюдь. Для обеспечения уменьшения влаговпитываемости волокна пропитывают специальными органическими добавками, которые в свою очередь (как и вся органика) горючи, при производстве панелей для скрепления наполнителя с покровными листами используют полиуретановые клеи (до 2-х кг на м2), которые в свою очередь тоже являются горючими. Таким образом, если рассматривать панель с наполнителем из минеральной ваты, как конструкцию, то между листами металла содержится до 10% горючих составляющих, что еще раз заставляет задуматься о широко разрекламированной безусловной негорючести.

Есть еще один аспект, который редко рассматривается при разговоре о пожарной опасности минераловатных и стекловатных панелей. При пожаре, под воздействием огня покровный лист достаточно быстро скатывается, оголяя утеплитель, который под воздействием ветра, тлея, разлетается на достаточно большую площадь. При этом куски тлеющей ваты являются дополнительными источниками возгорания, в том числе и соседних зданий.

Пенополистирол – материал класса пенопласты на основе полистирола, его производных (полимонохлорстирол, полидихлорстирол) или сополимеров стирола с акрилонитрилом и бутадиеном.

• химически нестоек;
• имеет достаточно низкие механические свойства;
• имеет низкую (порядка 70 градусов) температуру деструкции;
• часто является местом нахождения грызунов, что ограничивает его применение в пищевой промышленности;
• коэффициент теплопроводности материала 0,04 Вт/м2 * К;
• материал создается отдельно от панели, что несет риски разрушения конструкции и не позволяет использовать герметичное замковое соединение;

Современные полистиролы могут быть трудногорючими материалами (группа Г3), но в составе конструкции сэндвич панели делают ее крайне неудачной с точки зрения противопожарных норм. Предел огнестойкости конструкции практически равен нулю. При достаточно низкой температуре (65-70 градусов) пенополистирол превращается в обычный полистирол, который естественно не обладает хорошими теплоизоляционными свойствами.

Пенополиуретан или ППУ - говоря об этом материале, прежде всего, хочется отметить, что 90% всех сэндвич панелей выпускаемых в мире имеют именно этот наполнитель. Обладая:

• превосходными теплоизоляционными характеристиками (коэффициент теплопроводности 0,022 Вт/м2 * К является самым низким среди распространенных строительных материалов);
• небольшой массой (средняя плотность 40 кг/м3);
• высокой экологичностью (по гигиеническим нормам разрешено применение ППУ в холодильной технике для продовольственных продуктов)
• высокой химической стойкостью к воздействию агрессивных сред;
• ППУ вспенивается сразу в сэндвич панели, благодаря чему, конструкция получается монолитной и высокопрочной;

Благодаря тому, что пенополиуретан создается сразу внутри панели, сэндвич панели из ППУ возможно производить с прецизионным замковым соединением, обеспечивающим надежную стыковку панелей и отсутствие мостиков холода в здании. В настоящее время, ППУ является абсолютным лидером среди материалов, используемых в качестве наполнителя сэндвич панелей:

• в ППУ не живут насекомые и грызуны;
• он не подвержен гниению и распространению грибков и плесени;
• пенополиуретан гарантированно не теряет своих характеристик в течение 10 лет. В последующие 5 лет потеря теплоизолирующей способности составит не более 3-5%.

Возможность использования более тонких панелей, легкость конструкции позволяет закладывать в проекты более легкие и дешевые несущие конструкции, облегчать фундамент, уменьшать расходы по транспортировке и монтажу панелей. В среднем, при использовании этих панелей, можно достичь экономии до 30%.

Разработка огнестойкого пенополиизоцианурата PIR сняла основные вопросы по горючести, которые были у проектировщиков. В настоящее время, согласно Федеральному закону Российской Федерации №123 от 22 июля 2008 года, сэндвич панели с теплоизоляцией из пенополиизоцианурата PIR могут использоваться в строительстве любых зданий.

Пенополиуретан (PUR) и полиизоцианурат (PIR) – это два класса родственных полимеров, имеющих структуру из мелких закрытых ячеек, наполненных вспенивающим газом с крайне низкой теплопроводностью. Особенностью пенополиизоцианурата является обугливание наружного слоя материала при воздействии пламени с образованием «пористой» углеродной матрицы. Данная матрица препятствует горению внутренних слоев полимера. Таким образом, сэндвич панели PIR отличаются более высокими огнестойкими качествами, чем традиционные панели PUR. Температура эксплуатации сэндвич панелей PIR доходит до 140 градусов по Цельсию.