История появления полистиролбетона на рынке строительных материалов

В практике современного строительства одной из важнейших задач на сегодняшний день является обеспечение качественной теплозащиты зданий, надежной и обеспечивающей энерго и ресурсосбережение. 

В условиях выполнения поставленных задач основным стал вопрос о возможности получения новых высококачественных теплоизоляционных материалов для ограждающих конструкций, отвечающих требованию современных стандартов ( в частности, требованиям СНиП II-3-2000 «Строительная теплотехника» ), с целью применения их при строительстве зданий и сооружений.

Новый материал должен иметь следующие преимущества: быть простым в получении, производиться из доступных материалов, обладать улучшенными физико-механическими показателями и быть конкурентоспособным среди широкого ассортимента продукции мирового строительного рынка.
Современный этап развития науки о строительных материалах позволяет на практике воплотить в жизнь и усовершенствовать теорию о совместной работе бетонов и легких теплоизоляционных полимеров, объединенных в единое целое. 
Целью такого объединения является получение универсального «гибрида», обладающего всеми положительными свойствами исходных компонентов – цементного камня (как представителя бетонного начала) и пенополистирола – одного из современных теплоизоляционных материалов.
В течение многих лет приводились исследования по получению подобного материала, и выход был найден!
Решением данного «уравнения» стало сравнительно недавнее (около 10 лет назад) появление на рынке строительных материалов полистиролбетона. 
Новый высококачественный композит в мире строительной индустрии – полистиролбетон - по праву стремится к первенству среди прочих теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов. 
За относительно небольшой период полистиролбетон приобрел широкомасштабную известность в сфере строительства как перспективный строительный материал будущего. 
Учитывая повышенный интерес производителей к увеличению спроса на данный материал, а потребителей – к повышению его качества, происходит постоянное усовершенствование технологий и оборудования для производства полистиролбетона и изделий на его основе

Полистиролбетон – прогрессивный теплоизоляционный материал современного строительства

Полистиролбетон является композиционным материалом, близким по своему функциональному значению к ячеистым бетонам. Основой состава этого бетона является цементное вяжущее и сверхлегкий заполнитель – вспученный полистирол.
Благодаря составу, свойствам и постоянно совершенствующимся технологиям производства данный материал обладает многими достоинствами и имеет ряд преимуществ перед остальными бетонами и изделиями ЖБИ.
Полистиролбетон при низкой плотности имеет удовлетворительные прочностные характеристики, не деформируется под нагрузкой, обладает низкой теплопроводностью и высокой звукоизоляцией. Полистиролбетон пожаробезопасен и на порядок долговечнее других теплоизоляционных материалов, так как имеет улучшенные показатели по морозостойкости, водонепроницаемости, химической и биологической стойкости.
Полистиролбетон паро- и воздухопроницаем, не токсичен и обладает пониженной сорбционной влажностью. 
В отличие от ячеистого бетона (пенобетона) полистиролбетон имеет меньшие требования к сырьевым материалам. Свойства полистиролбетона в меньшей степени колеблются при применении разных партий одного и того же заполнителя, нежели в пенобетоне, где свойства смеси меняются в зависимости от вида пенообразователя, и даже при постоянном использовании одного и того же пенообразователя в пределах одной партии отсутствует стабильность его показателей. Так же, в отличие от ячеистых бетонов, полистиролбетон не имеет проблемы ограничения вариантов отделки.
Кроме того, полистиролбетон распиливается, легко транспортируется и укладывается (товарная смесь) и уменьшает трудозатраты при возведении конструктивных элементов зданий (сборные изделия).

Физико-механические показатели полистиролбетона

Марка по средней плотности, D, (кг/м3): 150 - 600
Предел прочности на сжатие, R, Мпа: 0,5 – 2,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/м*оС: 0,055 – 0,145
Марка по морозостойкости, F, циклы: 25 – 100
Сорбционная влажность: 4–6%
Группа горючести: Г1

Кроме вышеперечисленных преимуществ, полистиробетон имеет приемлемую себестоимость, что стимулирует производителей к выпуску новых объемов изделий.

Сравнительные характеристики стеновых строительных материалов

Область применения полистиролбетона

Полистиролбетон может применяться в строительстве по следующим направлениям:
1. обеспечение монолитной теплоизоляции кровель, полов, мансард (утепляющие плиты); 
2. производство легких теплоизоляционных изделий для возведения самонесущих элементов зданий различных назначений (наружные стеновые блоки, внутренние перегородочные блоки, кровельные плиты и др.); 
3. производство несъемной опалубки монолитных конструкций; 
4. для приготовления «теплого» раствора; 
5. изготовление монолитных конструкционных, тепло- и звукоизоляционных покрытий, противопожарных рассечек; 
6. выполнение наружных облицовок фасадов зданий и элементов конструкций (изделия с готовой «офактуренной» поверхностью); 
7. изготовление внутренних ненесущих перегородок (монолитный полистиролбетон, перегородочные панели); 
8. изготовление звукоизоляционных изделий (блоки, панели). 
Наиболее эффективным является комплексное применение полистиролбетона, что связано с существенным снижением затрат на отопление зданий.

Рекомендуемые области применения полистиролбетона согласно ГОСТ Р 51263-99 приложения Б

Рекомендуемые области применения полистиролбетона

Полистиролбетон как один из видов цементно-полимерного бетона

Полистиролбетон (далее П-бетон) – это бетон на основе цементного вяжущего и заполнителя из высокомолекулярного органического соединения – пенополистирола.
Приготовление полистиролбетона осуществляется путем интенсивного перемешивания гранулированного вспененного пенополистирола с насыпной плотностью 7-30 кг/м3, цемента, воды, воздухововлекающих и, при необходимости, других химических добавок.
Готовый (затвердевший) полистиролбетон представляет собой искусственный материал, по объему цементного камня которого равномерно распределены сферические гранулы вспененного полистирола.
Основной проблемой получения качественного полистиролбетона, как и легких и ячеистых бетонов, является оптимизация соотношения между его плотностью и необходимой прочностью в проектном возрасте. 
В первую очередь, конечно, прочность полистиролбетона зависит от его плотности, на что оказывают влияние следующие факторы:
1. Характеристики цемента. 
2. Свойства пенополистирольного заполнителя. 
3. Соотношение цемента и заполнителя в бетоне.

Полистиролбетон – двухкомпонентная система.
Рассмотрим полистиролбетон как двухкомпонентную систему, состоящую из гранул заполнителя и поризованной цементной матрицы, заполняющей его межзерновые пустоты.
По сравнению с легкими бетонами на пористых заполнителях, полистиролбетон обладает следующей особенностью: плотность его заполнителя – пенополистирольных гранул составляет всего 0,02-0,06 г/см3, что в 20-30 раз меньше плотности цементного камня. Изменение плотности заполнителя не оказывает существенного влияния на плотность полистиролбетона, поэтому получение необходимой плотности композита осуществляется за счет регулирование его состава и структуры, а так же плотности цементного камня изменением содержания цемента в матрице и ее поризацией путем введения воздухововлекающих добавок, увеличивающих объем вовлеченного воздуха.

Влияние вяжущего на свойства полистиролбетона.
По аналогии с практикой ячеистых бетонов, для приготовления качественного полистиролбетона следует выбирать высокоактивные цементы с целью обеспечения необходимых прочностных характеристик бетона при относительно низком расходе вяжущего. 
Это объясняется тем, что зависимость прочности полистиролбетона от активности цемента носит линейный характер, то есть прочность полистиролбетона повышается с увеличением марки цемента.
Согласно опытным данным, при приготовлении полистиролбетона на цементах разных марок наблюдается следующая картина: при замене марки «500» цементом марки «400» прочность полистиролбетона уменьшается в среднем на 20%; при замене марки «500» цементом марки «600» прочность полистиролбетона на 20% увеличивается.
То есть независимо от свойств заполнителя и его содержания в бетоне, с увеличением прочности цементной матрицы прочность полистиролбетона всегда повышается. Однако осуществление данного приема за счет увеличения расхода цемента ограничено в связи с повышением плотности полистиролбетона.

Влияние заполнителя на свойства полистиролбетона.
Изготовления пенополистирола осуществляется вспениванием фракционированного бисерного стирола постоянного химического состава, обеспечивающего постоянство размеров гранул, их структуры и плотности.
Для получения полистиролбетона в качестве заполнителя применяют шарообразные пенополистирольные гранулы размером от 0,3 до 20 мм и плотностью от 0,02 до 0,06 г/см3. При плотности полимера, составляющей твердую среду вспененных гранул порядка 2 г/см3, их пористость составляет 97-98 % при плотности 0,02-0,06 г/см3.
Высокая пористость обуславливает линейную зависимость между плотностью пенополистирола и его прочностью на растяжение, а также величиной усилия для деформации на 10 %. При прочности твердой фазы пенополистирола до 20 МПа прочность гранул плотностью 0,02 г/см3 равна 0,01 – 0,02 МПа, гранул плотностью 0,06 г/см3 –0,04 – 0,06 Мпа, то есть увеличивается в 3 – 4 раза.
Экспериментальные исследования показывают, что повышение плотности пенополистирольных гранул при одновременном уменьшении их размера увеличивают прочность полистиролбетона на 35 –80%. Следует заметить, что при этом отсутствует фактор влияния прочности цементного камня.
Установлено, что для повышения эффективности полистиролбетона, необходимо применять заполнитель с оптимальным размером гранул 0,3 – 1,2 мм.
Согласно опытным данным, снижение пустотности при одинаковой средней плотности зерен заполнителя снижает прочность полистиролбетона от 10 % ( при средней плотности пенополистирола 0,06 г/см3) до 30% ( при средней плотности пенополистирола 0,02 г/см3). 
Кроме того, снижение пустотности пенополистирола, не улучшая свойств, увеличивает стоимость полистиролбетона, так как содержание пенополистирола по массе повышается на 4-11 кг/м3, а стоимость этого компонента составляет 60-80% стоимости материалов на 1 м3 бетона.
Следует отметить, что твердая фаза гранул полимера при одинаковой плотности может обладать разной прочностью, размерами и однородностью пор. Это зависит от свойств сырья для производства полистирола и режима его вспенивания.
Влияние свойств и содержания пенополистирола на прочность полистиролбетна в корне отличается от влияния обычных пористых заполнителей на прочность легких бетонов.
В отличие от последних, для полистиролбетона характерными являются пластические деформации, обусловленные большой деформативностью гранул пенополистирола, релаксирующих напряжения, создаваемые в бетоне при его нагружении. Чем меньше размеры гранул пенополистирола, различия в их размерах и плотности, а также выше плотность и прочность гранул, тем выше прочность полистиролбетона.

Влияние соотношения «цемент – заполнитель» на свойства полистиролбетона.
Таким образом, прочность полистиролбетона может рассматриваться как прочность цементной матрицы с включением в ее объем шарообразных гранул полимера (пенополистирола) различного размера, плотности и прочности.
С увеличением содержания пенополистирола в составе полистиролбетона, увеличивается роль его влияния на свойства композита. При использованиии полистирольных гранул с низкими характеристиками получение требуемой прочности полистиролбетона достигается увеличением плотности пенополистирола и (или) увеличением прочности цементной матрицы за счет повышения расхода цемента.
Увеличение расхода цемента с целью повышения марочной прочности полистиролбетона может привести к обратному эффекту: образование значительного количества гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) на единицу объема полистиролбетона приводит к растрескиванию структуры и, как следствие, способствует сниежнию прочности в поздние сроки твердения.
Подобное влияние оказывает и выделение гидроокиси кальция (одного из соединений, появляющихся в результате реакции цемента с водой).
Дабы компенсировать негативное влияние данных продуктов гидратации цементного клинкера, ускорить твердение и повысить марочную прочность полистиролбетонов, следует выполнить два условия:
1. Значительно приостановить или исключить полностью реакции образования гидросульфоалюмината кальция – эттрингита. 
2. Обеспечить проебразование гидроокиси кальция в более прочные и водостойкие соединения.

Для выполнения данных условий на ранних стадиях твердения полистиролбетона в его состав вводят жидкое стекло (силикат натрия) в количестве до 2,5%. 
В присутствии данной добавки гидратация портландцементного клинкера протекает гораздо быстрее, нежели в чистой воде.
Однако из-за наличия в составе портландцемента гипса в системе образуется соединение – мирабилит, которое, увеличиваясь в объеме, препятствует усадке цементной матрицы, вызывает внутренние напряжения, и тем самым тормозит набор прочности и способствует разупрочнению структуры бетона. 
Для устранения отрицательного влияния мирабилита силикат натрия вводят совместно с добавками, блокирующими гипс или связывающими гидроокись натрия, содержащуюся в жидком стекле, или оказывающими оба этих воздействия одновременно.
При выполнении вышеперечисленных условий добавление силиката натрия в состав полистиролбетона способствует получению системы с повышенной прочностью. 
Во избежание увеличения расхода цемента, и, следовательно, плотности полистиролбетона, прочность его цементной матрицы можно повысить (особенно в ранние сроки твердения) путем введения добавок-ускорителей твердения, а также посредством применения активации вяжущего (например, метод виброактивации с использованием виброактиватора «Навигатор-Вибро» разработанного специалистами фирмы г. Тула). Но в этом случае, для сохранения объема системы, данные способы требуют обязательного увеличения объема вовлеченного воздуха (добавки СДО, СНВ и др.).

Полистиролбетон – номенклатура направлений применения.

Монолитный теплоизоляционный полистиролбетон.
Монолитный теплоизоляционный полистиролбетон – это высококачественный материал для монолитной теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и инженерных сооружений различного назначения. 
Монолитный полистиролбетон обладает самыми низкими для бетонов на цементном вяжущем коэффициентами теплопроводности при плотности 150 – 250 кг/м3, низкой эксплуатационной влажностью (4% и 8% для условий эксплуатации А и В по СНиП II-3-79*), несгораемостью (группы Г1), долговечностью, высокой технологичностью.
Монолитный теплоизоляционный полистиролбетон применяют в следующих област ях строительства:
1. для возведения наружных стен в несъемной опалубке для каркасных зданий; 
2. для теплоизоляции слоистых наружных стен, комплексных плит покрытия, полов; 
3. для теплоизоляционного заполнения колодцевой кирпичной кладки; 
4. для утепления наружных стен и покрытий реконструируемых зданий; 
5. для теплоизоляции ограждений промышленных холодильников.

Основные преимущества монолитного полистиролбетона:
1. Возможное снижение марки по средней плотности (до 200 кг/см3),тогда как при изготовлении блоков применяется полистиролбетон с плотностью в сухом состоянии не мене 300 кг/см3 с целью уменьшения брака при транспортировании. 
2. Возможность отказа от кладочных швов, что повысит сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций до 20% при равных прочих условиях. 
3. Возможность уменьшения толщины стены до 25 % в сравнении с кладкой из полистиролбетонных стеновых блоков; при этом происходит увеличение полезной площади здания при снижении стоимости 1 м2 ограждения .

Мелкоштучные стеновые блоки из полистиролбетона.

Данные блоки относятся к конструкционно-теплоизоляционному строительному материалу, имеют различную несущую способность, и, в зависимости от марки предназначены:
1. для возведения ненесущих стен и перегородок (D 250-D400); 
2. для возведения самонесущих стен (D 350-D450); 
3. для возведения несущих стен в малоэтажном строительстве (D 400-D600);

Основные преимущества мелкоштучных стеновых блоков из полистиролбетона:
1. Самый низкий коэффициент теплопроводности по сравнению со всеми видами конструкционных материалов, включая легкие и ячеистые бетоны. 
2. Снижение количества швов, а следовательно, и мостиков холода в кладке благодаря значительным размерам блоков (595х195х295 ) мм. 
3. Повышение производительности возведения кладки из полистиролбетонных блоков (в 10 раз) при снижении трудозатрат по сравнению с кирпичной кладкой, и как следствие, ускорение сроков строительства. 
4. Возможность выбора любой отделки поверхности (оштукатуривание, нанесение фактурного слоя, облицовка кирпичом и т. д. ) благодаря цементной составляющей в основе полистиролбетонных блоков. 
5. Простота и легкость механической обработки полистиролбетонных блоков позволяют возводить практически любые конструкции разных конфигураций.

Изделия из полистиролбетона с готовой фасадной поверхностью.

Стеновые блоки (рядовые и оконные) и перемычки из полистиролбетона с готовой фасадной поверхностью предназначены для возведения наружных самонесущих стен зданий с поэтажной разрезкой. Для из изготовления применен модифицированный полистиролбетон со средней плотностью 300-350 кг/м3 и пониженным значением коэффициентом теплопроводности, сорбционной влажности и усадки.
Кладка элементов стен из полистиролбетона производится с использованием «теплого» раствора.
Основные преимущества изделий из полистиролбетона с готовой фасадной поверхностью: 
Наличие готового фактурного слоя изделий позволяет исключить трудоемкие процессы по устройству штукатурки и покраски наружной поверхности стеновой кладки.
Широкий выбор различной фактуры и цветовой гаммы изделий из морозостойкого и водонепроницаемого материала обеспечивает высокую производительность работ по возведению наружных стен, долговечность и надежность стеновой кладки в процессе эксплуатации.