ТВОЙ ДОМ / Аналитика / 3. Технология / Обоснование критериев выбора материалов для МЖС
Комментарии: Комментарии (0)
Рейтинги:
Автор: ОИ КЛЮЧ
Опубликовано: dmitriy   Дата: 2010-04-11 12:40
 
При проектировании и строительстве поселений XXI века особое значение необходимо уделить выбору материалов, из которых будут возводиться жилые дома. Традиционно в России дома и общественные здания преимущественно возводились из дерева. Это обуславливается характером местности, на которой находится наша страна и запасом деловой древесины. Однако сегодня в России используется при строительстве жилья в 20 раз меньше дерева, чем в регионах со схожими климатическими условиями в европейских странах. Для того, чтобы понять причины сложившейся ситуации обратимся к рассмотрению истории деревянного строительства.

История строительства из дерева началась намного раньше, чем из камня - как минимум, на десять тысяч лет. Около 8 тысячелетия до нашей эры деревянное домостроение стало массовым в Средиземноморье. Тогда здесь еще росли густые леса и строительного материала было вдоволь. Позднее лесные пространства стали редеть и строительного материала стало не хватать. В это время начинается использование фахверковых (каркасных) деревянных домов с заполнителем - впервые их применили в Древнем Египте. Греки начинают строить из камня, римляне - из бетона. К концу Средневековья запасы леса стали сокращаться и на севере Европы. В Германии и Австрии переходят на экономичные фахверковые конструкции, популярные здесь до сих пор. В Польше вообще на какое-то время запретили строить из дерева. Много древесины уходило на топку и кораблестроение. В ограниченности территории и нехватки лесных ресурсов и заключается причина популярности в Европе строительных конструкций, альтернативных дереву .

Русь всегда считалась и остается до сих пор страной лесов. И традиции деревянного зодчества здесь уходят в глубокую древность. Мастера срубного строительства достигли небывалых высот. Один из наиболее ярких примеров чего является Кижский погост, известный на весь мир. По легенде, 22-главая Церковь Преображения Господня была построена одним топором, без других инструментов. Известно также, что на Руси строили без гвоздей вплоть до 19 века. Одних только врубок знали более 50 типов: в "чашу", "в лапу", "в ласточкино гнездо", "в ус" и т.д.

Уже в 18-19 веках, в подражание странам Европы, в России начинают строить больше каменных зданий, традиционные для Руси технологии деревянного домостроения постепенно вытесняются европейскими, в частности применением распиловочных инструментов. В 20 веке деревянное строительство уже ассоциируют с тонкостенными бараками, гниением и горением. Эти распространенные стереотипы до сих пор препятствует возрождению деревянного строительства, хотя, как показывает исторический опыт, дерево является наиболее экономичным и долговечным строительным материалом.

Целесообразность выбора дерева в качестве основного строительного материала в средней полосе России и в районах Севера состоит в том, что дерево имеет целый ряд преимуществ перед другими строительными материалами. Оно имеет уникальные экологические свойства, экономически выгодно на территории России, сроки возведения деревянных домов значительно меньше, чем кирпичных и монолитных.
Ниже приведены основные преимущества деревянных конструкций:
    1. Дерево способно «дышать», пропускать через себя воздух, в деревянном доме всегда оптимальный воздушный и влагообменный режим. Это становится невозможным, если в деревянной конструкции используется полимерный утеплитель, поскольку его способность сохранять тепло основана на изоляции внутренней воздушной среды от наружной.
    2. Дерево имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения, небольшой вес, высокую прочность, устойчиво к воздействию солей, кислот, масел, обладает низкой теплопроводностью. Деревянная стена толщиной 45 см удерживает такое количество тепла, как кирпичная толщиной 2 м. Кроме того, деревянный дом протапливается быстрее кирпичного.
    3. Ресурс деревянного дома, построенного с учетом всех особенностей работы с деревянными материалами, неукоснительном соблюдении требований технологии заготовки древесины и строительства составляет 150-200 лет. То, что некоторые дома из дерева имеют низкую долговечность, быстро становятся подвержены гниению и деструкции – является результатом нарушения технологии деревянного строительства, а не недостатком самого материала.
    4. Деревянный дом не требует дополнительных затрат по его внутренней и внешней отделке.
    5. Средний объемный вес сухой древесины составляет 500 кг/м3, в то время как объемный вес силикатного кирпича превышает эту цифру более чем в три раза и составляет 1700 кг/м3.
    6. Благодаря легкости древесного материала достигается существенная экономия средств при закладке фундамента. Бревенчатый дом можно строить на сравнительно мягких грунтах.
    7. Транспортировка готовых пакетов домов не представляет трудностей, благодаря малому весу древесных материалов. Благодаря "эластичности" элементов, небольшие бревенчатые дома можно транспортировать в собранном виде, не боясь их разрушения.
    8. Потребность в тепловой энергии для бревенчатых домов меньше по сравнению с другими материалами (за исключением синтетических утеплителей, применение которых недопустимо ввиду санитарно-гигиенических требований и недолговечности). По коэффициенту теплопроводности древесина имеет преимущества перед другими материалами. Например, кирпичная стена в 32,5 см и штукатурка 1,5 см с наружной и внутренней стороны (общая толщина стены 35,5 см) имеет теплопроводность 0,735 Вт/м2. Теплопроводность стены из бревен диаметром 20 см составляет 0,7 Вт/м2.
    9. За счет сравнительно тонких стен увеличивается полезная жилая площадь дома. Из бревен образуется готовая поверхность стены. Не требуется наклеивание обоев или других облицовочных материалов.
    10. Деревянный дом выдерживает усадку фундамента. В результате исследований, проведенных в Японии, на территории где произошло землетрясение, установлено, что бревенчатый дом оказался наиболее крепкой конструкцией, устойчивой против землетрясения .
    11. В деревянном доме очень приятно жить, так как влажность воздуха в нем наиболее оптимальна для человека - 45-57%.
От влажности зависит также и интенсивность развития микроорганизмов, которые воздействуют на качество воздуха и, соответственно, на здоровье человека. Исследования ученых показали, что если для оценки уровня комфортности атмосферы помещении в качестве эталона выбрать деревянный дом и обозначить его 1, то комфортность в доме из бетона составит 0,05, а из керамического кирпича - 0,7. Уникальные свойства бревна позволяют в сухую погоду отдавать накопленную влагу, а в сырую, наоборот, впитывать в себя ее излишки в жилом помещении. Живица и другие смолистые вещества, которые выделяют бревна из сосны, благоприятно влияют на организм человека, улучшают тонус, сон, имеют бактерицидные и антиаллергенные свойства. Ярким примером долговечности деревянных рубленых домов является остров Кижи на Онежском озере с его великолепными образцами русского деревянного зодчества. Весь остров – это своеобразный музей деревянного зодчества под открытым небом, который включает в себя памятники Кижского Погоста (Церковь Преображения Господня - 1714 г., Церковь Покрова Пресвятой Богородицы - 1764 г., Колокольня Кижского погоста - 1874 г. Преображенская церковь- 1714 г., 9-главая Покровская церковь - 1764 г.).

Рис. 1. Памятники русского деревянного зодчества на о. Кижи

Почему эти памятники деревянного зодчества сохранились и спустя 300 лет после возведения? Причина такого долголетия заключается в соблюдении всех технологических особенностей работы с деревом, в частности его заготовки и обработки. В современном деревянном домостроении бревно обрабатывается механизированным способом, с применением распиловочных инструментов. Однако для обеспечения длительного срока службы конструкции из дерева обрабатывать бревна нужно вручную, топором и другими ручными инструментами, исключая пиление, потому что поперечные удары лезвия топора закупоривают поры и капиллярные сосуды в стволе, что обеспечивает лучшую влагостойкость брёвен уже в конструкции сруба, нежели поперечный распил, порождающий продольные трещины и рвущий поры и сосуды, которые остаются открытыми капиллярами, тянущими влагу внутрь бревна.

В наши дни понимания необходимости обеспечения такого качества домов у многих строителей деревянных конструкций нет. Вследствие этого ресурс деревянных конструкций снижается, в том числе и тем, что в них используются синтетические полимерные водонепроницаемые клеи. Слои такого клея препятствуют фильтрации влаги сквозь дерево по его капиллярам, и деревянные конструкции начинают гнить изнутри, сохраняя вполне приятный вид снаружи.

Аналогичные процессы протекают и при использовании вставок из синтетических утеплителей. Наилучшими для утепления деревянного дома являются естественные утеплители (солома, камыш, льняная костра). Кроме того, что они имеют наилучшие для человека экологические характеристики, низкие энергозатраты на производство, легко заменяются и утилизируются, не нанося ущерба окружающей среде.
В современном строительстве все более широкое применение находят полимерные строительные материалы (их насчитывается свыше 100 наименований). В том числе они используются в качестве элементов деревянных конструкций. В частности, широкое распространение получила слоистая кладка стен с расположением утеплителя внутри. Построенные по такой технологии панельно-каркасные быстровозводимые дома имеют большую популярность в настоящее время и широко рекламируются в различных СМИ.
Однако строительство домов по такой технологии нельзя рекомендовать в качестве основы массового малоэтажного жилищного строительства в XXI веке. Для того, чтобы обосновать данное утверждение необходимо сформулировать критерии выбора материалов, рекомендуемых для жилищного строительства, а также упорядочить эти критерии иерархически. Указанные критерии можно сформулировать и проранжировать следующим образом:
    1. Безопасность строительного материала для здоровья человека в преемственности поколений и биосферы Земли (безопасность с медицинской точки зрения: соблюдение санитарно-гигиенических требований к стройматериалам в процессе производства, эксплуатации и утилизации, а также экологическая безопасность).
    2. Минимальные энергоемкость материалов в процессе производства и затраты на эксплуатацию и утилизацию. Т.е минимальный расход ресурсов, основанный на осознанном и бережном отношение к природе, стремление к ненанесению вреда окружающей среде .
    3. Максимальный срок службы.
    4. Способность к замене и ремонтопригодность материала.
    5. Повторное использование в качестве строительного материала или энергоносителя при соблюдении п.2.
    6. Высокий показатель энергоэффективности при соблюдении условий изложенных в п.1,2,3,4.

Таким образом, важнейшим показателем, применяемым для выбора строительного материала должна быть его безопасность для здоровья человека и биосферы Земли. При несоответствии материала этому требованию он не может быть применяем для строительства, тем более жилищного, вне зависимости от своих иных характеристики свойств, в том числе цены.
Вопросы экологической безопасности конструкций с использованием полимерных материалов
Многочисленные научные исследования показывают, что практически все полимерные строительные и отделочные материалы, созданные на основе низкомолекулярных соединений, в процессе использования могут выделять токсичные летучие компоненты, которые при длительном воздействии могут неблагоприятно влиять на живые организмы, в том числе и на здоровье человека.

Например, материалы на основе карбамидных смол, в частности древесностружечные плиты (ДСП) выделяют формальдегида в 2,5—3 раза и больше допустимого уровня. В свободном состоянии формальдегид представляет собой раздражающий газ, обладающий общей токсичностью. Он подавляет действие ряда жизненно важных ферментов в организме, приводит к заболеваниям дыхательной системы и центральной нервной системы.

Материалы на основе фенолформальдегидных смол, а именно древесноволокнистые (ДВП), древесностружечные (ДСП) и древеснослоистые (ДСП) выделяют в воздушную среду помещений фенол и формальдегид. Концентрация формальдегида в жилых помещениях, оборудованных мебелью и строительными конструкциями, содержащими ДСП, может превышать ПДК в 5—10 раз. Особенно высокое превышение допустимого уровня отмечается в сборно-щитовых домах.

Материалы на основе эпоксидных смол содержат летучие токсичные вещества: формальдегид, дибутилфтолат, эрихлоргидин и др. Например, полимербетон (ПБ) на основе эпоксидной смолы Эд-6 с введением в его состав пластификатора МГФ-9 снижает выделение ЭХГ и может быть рекомендован только для промышленных зданий.

Поливинилхлоридные материалы (ПВХ) общей токсичностью, в процессе эксплуатации могут создавать на своей поверхности статическое электрическое поле напряженностью до 2000—3000 В/см. При использовании поливинилхлоридных плиток в воздушной среде помещений обнаруживают фталаты и бромирующие вещества. Весьма отрицательное свойство плиток — низкие теплозащитные свойства, что приводит к простудным заболеваниям. Рекомендуются только во вспомогательных помещениях и коридорах.

Стиролосодержащие полимеры выделяют в процессе деструкции стирол. Поливинилацетатные покрытия (ПВА) при недостаточном проветривании выделяют в воздушную среду помещений формальдегид и метанол в количестве, превышающем ПДК в 2 раза и более.

Еще одна экологическая угроза, исходящая из полимерных строительных материалов — противопожарные вещества — антипирены, содержащиеся в негорючих пластиках. Установлена связь вредных веществ, выделяющихся из них, и с заболеванием населения аллергией, бронхиальной астмой и др.
Проведенные в последние годы научные исследования показали, что полимерные строительные материалы могут оказаться источником выделения и таких вредных веществ, как бензол, толуол, ксилол, амины, акрилаты и др.

Ученые Института строительной экологии в Швеции к числу наиболее опасных химических соединений, выделяющихся в атмосферу жилища из полимерных строительных материалов, относят изоцианты, кадмий и антипирены. Изоцианты — опасные токсичные соединения, проникающие в жилые помещения из полиуретановых материалов (уплотнителей, соединений и др.). Как отмечают шведские специалисты, полиуретановая пена очень удобна в работе, но может оказаться небезопасной для будущего жилища. Вредное воздействие изоциантов, приводящих к астме, аллергии и к другим заболеваниям, усиливается при нагревании полиуретановых материалов солнечными лучами или теплом от отопительных батарей.
Приведенные данные говорят об опасности для здоровья человека и состояния окружающей среды применения в строительстве полимерных синтетических материалов.

Пожаробезопасность конструкций с использованием полимерных материалов

В настоящее время широко распространена реклама различных теплоизоляционных строительных материалов, таких как пенополистирол, пенополиуретан, минеральная вата, и т.д. Производители этих материалов утверждают, что данная продукция является экологически чистой, долговечной, пожаробезопасной и безвредной для людей, живущих в домах, построенных на основе этих материалов.
Однако, поскольку пенопласты представляют собой дисперсные полимерные системы, они не только являются органическими соединениями, но и имеют весьма высокую поверхность контакта конструкции с кислородом воздуха. Из школьного курса химии известно, что возможность реакции определяется так называемой энергией Гиббса, а для любых реакций органических соединений с кислородом значение этой энергии будет отрицательным. Иными словами, если органическое соединение находится на воздухе, то оно будет неизбежно окисляться кислородом. Причем, так как пенопласты имеют максимально возможную поверхность, то и окисляться они будут с максимальной скоростью по сравнению с аналогичными, но монолитными - массивными - полимерами. Поэтому для любого пенопласта неизбежно следует предположить некое конечное и весьма ограниченное время эксплуатации, когда его эксплуатационные свойства будут еще в допустимых пределах. Естественно, что с ростом температуры скорость окисления будет только возрастать. Поэтому все пенопласты являются пожароопасными материалами. И, наконец, если пенопласты неизбежно окисляются даже при комнатных температурах, то продукты такого окисления негативно воздействуют на окружающую среду.

Вопросы окислительной деструкции полимеров рассматривались многими авторами. И.С. Филатов не только приводит обширный экспериментальный материал по испытаниям различных полимеров в различных климатических условиях, но и подробно рассматривает механизмы окисления и деструкции большинства из обычно используемых полимеров. Павлов Н.Н систематизировал данные исследований советских и зарубежных исследователей в области старения полимерных материалов, рассмотрел влияние условий хранения и эксплуатации на изменение свойств полимеров различных классов.

Использование стройматериалов из синтетических полимеров, таких как пластиковые панели, пенопласт, минеральная вата и т.п. недопустимо, поскольку эти материалы не позволяют дому «дышать», препятствуют созданию благоприятного микроклимата, а также выделяют ядовитые вещества при горении, не разлагаются естественным образом. В процессе своей деструкции с течением времени (этот процесс начинается с момента изготовления и продолжается в течение всего периода эксплуатации) эти материалы выделяют в воздух ядовитые вещества, вредные для здоровья человека. На малых интервалах времени это воздействие может и не быть заметным, но, тем не менее, оно оказывает системное воздействие на организм и в некоторых случая даже генетику живущих таких домах.

В России большое распространение в качестве наполнителя для сэндвич панелей получила минеральная вата. Это связано с тем, что по нормам пожарной безопасности минеральная вата считается безопасным и негорючим материалом. На самом деле это не совсем так – негорючим материалом является минеральная вата как таковая. При производстве сэндвич панелей вату пропитывают специальными органическими добавками, которые в свою очередь горючи. Опасность возгорания существует также со стороны полиуретанового клея, который используется для скрепления наполнителя с покровными листами. Таким образом, если рассматривать панель с наполнителем из минеральной ваты как конструкцию, то между листами металла содержатся до 10% горючих составляющих.

Известно, что во время пожара в московской гостинице «Россия» в конце 70-х гг. основной причиной смертельного исхода для многих проживающих там людей были не термические ожоги, а отравление токсичными газами при горении облицовочных полимерных и лакокрасочных материалов.
Таким образом, полимерные материалы в строительстве не только нельзя считать пожаробезопасными, но наоборот, их воспламенение или тление и термическое разложение представляет потенциальную опасность для здоровья и жизни людей.

Срок службы конструкций с использованием полимерных материалов

Любой эффективный утеплитель: полимерный или из минеральной ваты стареет и подлежит деструкции. В течение первых 8 – 12 лет эксплуатации утеплитель теряет около 35% своих теплосберегающих свойств, что снижает надёжность здания, то есть способность его конструкций сохранять проектные показатели в течение всего расчётного срока эксплуатации. И заменить его без разбора наружной версты кладки невозможно, то есть обслуживанию подобная конструкция не подлежит.
В монографии С.В. Александровского «Долговечность наружных ограждающих конструкций» приводятся показатели долговечности трёхслойных стен с пенополистирольным утеплителем в г. Москве. Согласно материалам данной работы снижение прочности утеплителя на 20% в стенах северной ориентации происходит в течение 54 лет, а в стенах южной ориентации – за 32 года. Ю.Д. Ясин (НИИ Строительной Физики») в своей работе «Ресурс и старение материала» приводит такие сроки службы ограждающих конструкций :
    • пенополистирпол внутри стены – от 15 до 50 лет;
    • минеральная вата вата – от 20-50 лет;
    • стеклопакеты клеёные – 10-15 лет;
    • панели из тяжёлого бетона с утеплителем внутри – 50 лет;
    • однородные стены из пустотелого керамического кирпича – от 100 до 150 лет.
Строительная индустрия в России затрачивает огромные материальные, энергетические и трудовые ресурсы на производство утеплителей и строительство с его применением внутри кладки или панели, в результате чего возводятся объекты, надёжность и долговечность которых невозможно гарантировать более чем на 25 – 30 лет. Подобный подход не только не даёт энергоресурсоэффективности, а наоборот, приводит к необоснованному перерасходу энергии и ресурсов .

Энергоемкость конструкций с использованием полимерных материалов и проблемы их утилизации

Для того, чтобы определить насколько экономичны дома на основе вышеперечисленных полимерных и синтетических строительных материалов и какой народнохозяйственный эффект дает их массовое производство и эксплуатация необходимо установить энергоемкость процессов по их производству и утилизации измеряемую в кВт*ч/н.е. За н.е. (натуральную единицу) принимается м.куб. материала или м.кв. при одинаковой установленной теплопроводности материала (материалов).
Одним из основных критериев энергетической эффективности в соответствии с государственным стандартом РФ является критерий полной энергоемкости продукции или услуг (Эпр.у) в мегаджоулях на натуральные единицы (МДж/н.е.) измерения (шт., тыс. руб., часов и др.) определяемый по формуле:

Эпр.у=Эе + Эм + Эф + Эр + Эо,

где Эе - полная энергоемкость ТЭР, необходимых для производства продукции, исполнения услуг;
Эм - полная энергоемкость исходных сырья, веществ, материалов, комплектующих изделий, необходимых для производства продукции, исполнения услуг;
Эф - полная энергоемкость основных производственных фондов (ОПФ), амортизированных при производстве продукции, исполнении услуг;
Эр - полная энергоемкость воспроизводства рабочей силы при производстве продукции, исполнении услуг;
Эо - полная энергоемкость мер по охране окружающей среды при производстве продукции, исполнении услуг.

Предлагаемый в государственном стандарте подход по учету потребления всех видов топливно-энергетических ресурсов ориентируясь на условное топливо, в настоящее время не соответствует устоявшейся мировой тенденции по переводу всех затрат в кВт*ч. Что подтверждается периодическими публикациями в иностранной прессе и в том числе на сайте ЦРУ США различных данных по годовым объёмам выработки электроэнергии в мире и других сведений измеряемых в кВт*ч, которыми пользуются управленцы разных уровней при принятии решений.

Что касается термина «тонна условного топлива» имеет ограниченное право на существование при анализе энергетического комплекса отраслей, но она не пригодна для долгосрочного экономического анализа, прогнозирования и планирования потому, что характер её связи с реальными энергоносителями меняется вместе с изменением технологической базы производства и, прежде всего, энергетических отраслей. В отличие от неё «килоВатт*час электроэнергопотребления» остаётся одним и тем же вне зависимости от того, какой спектр первичных энергоносителей лежит в основе его получения, и как этот спектр изменяется в результате научно-технического прогресса .

В таблице 1 приведена Энергоемкость основных используемых в строительстве материалов, а в таблице 2 - Значения энергетических эквивалентов для строительных материалов.

Таблица 1
Энергоемкость основных используемых в строительстве материалов .

Материалы кВт*ч / м3
1Алюминий 72500
2Изозяционные материалы из полистиролов 18900
3Минеральная вата 10000
4Цемент 1700
5Клинкер 900
6Древесно-стружечные плиты 800
7Кирпич 500
8Газобетон 450
9Силикатный кирпич 350
10Древесина 180
11Осока/солома 9



Таблица 2
Значения энергетических эквивалентов

Наименование объекта МДж/кг кВт*ч/кг* кВт*ч/м3
1Алюминий (из глинозема) 343 95,354 257351
2Медь 83,7 23,2686 207789
3Сталь (прокат) 45,5 12,649 99295
4Цемент 7,0 1,946 5643
5Кирпич 8,5 2,363 4135
6Известковые материалы 3,8 1,0564 2430

По данным таблиц 1 и 2 можно сделать вывод, что натуральные, природные строительные материалы обладают наименьшей энергоемкостью производства. Сочетание этого факта с наилучшим соответствием указанных материалов критерию экологической безопасности делает их использование для жилищного строительства наиболее приоритетным.

При выборе стройматериалов необходимо учитывать что, суммарные удельные энергозатраты на строительство здания (в том числе на добычу и переработку сырья, производство строительных материалов и изделий-полуфабрикатов, строительно-монтажные работы, транспорт, оборудование здания и пр.) могут существенно превышать удельные эксплуатационные энергозатраты на отопление здания за весь расчетный срок службы дома и затраты на дельнейшую утилизацию здания.

Следовательно, критерием оптимальности выбранных проектных решений, в том числе и по выбору строительного материала, на ряду с критериями экологической безопасности, должны служить совокупные удельные энергозатраты на строительство здания, его эксплуатацию (отопление, ремонт и т.п.) за весь расчетный срок службы этого здания и дальнейшую утилизацию.

Выводы

На основе анализа санитарно-гигиенических, физических и эстетических свойств полимерных строительных материалов или конструкций с их использованием можно утверждать, что все синтетические и полимерные строительные материалы неизбежно обладают четырьмя негативными эксплуатационными свойствами: недолговечностью, пожароопасностью , экологической небезопасностью и высокими энергозатратами на производство и утилизацию, вследствие чего их применение при строительстве любых типов жилых домов недопустимо.

Некорректным также является использование термина «деревянный дом» по отношению к конструкциям с применением синтетических полимерных материалов, клеев и пропиток. Для таких конструкций следует использовать название в полной мере отражающее весь спектр материалов, используемых в них.
Под деревянным домом следует понимать рубленый дом из неоцелиндрованного круглого леса с применением в качестве утеплителей только натуральных материалов. Такие дома должны быть рекомендованы для строительства на всей территории России в качестве основы для формирования сельских поселений XXI века, за исключением южных регионов, менее богатых лесными ресурсами и в которых возможно более целесообразным является использование местных натуральных строительных материалов.

Презентация по данному докладу: Загрузить: Презентация к докладу




 
Комментарии отсутствуют
Страница создана за 0.017 секунды