Интересные факты о строительстве: необычные вспененные материалы

Ряд вспененных материалов уже довольно давно стал привычным на строительной площадке. Это вспененные полиэтиленовые и полиуретановые утеплители, пенополистерольные и пенопластовые плиты, различные монтажные пены, газосиликатные и газобетонные блоки и т.д.

Но существует ряд совершенно удивительных вспененных материалов, некоторые из которых известны уже десятилетия, а некоторым из которых еще только предстоит занять свою нишу в строительстве. Это вспененные стекло, металл и древесина. Расскажем о каждом из этих материалов поподробнее.

Вспененное стекло (пеностекло, ячеечное стекло).

Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) - теплоизоляционный материал, представляющий собой вспененную стекломассу. Для изготовления пеностекла используется способность силикатных стёкол размягчаться и (в случае наличия газообразователя) пениться при температурах около 1000°С. По мере нарастания вязкости при охлаждении вспененной стекломассы до комнатной температуры получившаяся пена приобретает существенную механическую прочность.

Считается, что пеностекло было изобретено в 1930-х годах советским академиком И. И. Китайгородским, а в США - в начале 1940-х фирмой Corning Glass Work. Первоначально предполагалось применять пеностекло в качестве плавающего материала, но, вскоре, выяснилось, что оно дополнительно обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, легко подвергается механической обработке и склеиванию. Впервые бетонные плиты с теплоизоляционной прослойкой из пеностекла были применены в 1946 году при строительстве одного из зданий в Канаде. Этот опыт оказался настолько удачным, что материал сразу же получил всеобщее признание как долговечная изоляция для кровли, перегородок, стен и полов для всех видов построек.

В настоящее время основной технологией производства пеностекла является т. н. «порошковая»: тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы в 2-10 мкм) смешивается с газообразователем (обычно - углеродом), получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте поступает в специальную туннельную печь. В результате нагрева до 800-900°С частицы стекла размягчаются до вязко-жидкого состояния, а углерод окисляется с образованием газов CO₂ и CO, которые и вспенивают стекломассу. Механизм реакции газо- и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла. Применяют с этой целью отходы обычного стекла или легко спекающиеся горные породы с повышенным содержанием щелочей - трахит, сиенит, нефелин, обсидиан, вулканический туф. В качестве газообразователей применяют каменноугольный кокс, антрацит, известняк, мрамор. Углеродсодержащие газообразователи создают в пеностекле замкнутые поры, а карбонаты - сообщающиеся.

Не следует путать пеностекло с продуктами вспенивания водных растворов растворимого стекла. Вспенивание т. н. «жидкого стекла» происходит при температурах около 100-200°С в результате бурного удаления воды из становящегося вязким раствора. Продукт вспенивания растворимого стекла абсолютно не стоек к действию даже холодной воды, в отличие от пеностекла, химическая стойкость которого сопоставима с исходным листовым или тарным стеклом.

Пеностекло выпускают в форме блоков, плит, щебня и гранул. Пеностекло в строительстве используется главным образом в качестве универсального теплоизолятора. Наряду с отличными теплоизоляционными свойствами и полной экологической и гигиенической безопасностью, пеностекло имеет высокую прочность, негорючесть, удобство обработки и простоту монтажа, способность сохранять эти показатели на протяжении длительного времени постоянными. Материал стоек ко всем обычно применяемым кислотам и их парам, не пропускает воду и водяной пар, не подвержен поражению бактериями и грибками, непроходим для грызунов, не поддерживает горение, не выделяет дым и токсичные вещества.

Изделия из пеностекла:

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Блок из пеностекла:

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Вспененный металл (пенометалл)

Пенометалл (вспененный металл) - металл (сплав) ячеистой структуры. Это новый класс материалов, имеющих крайне низкую плотность (0,16-0,6 г/см3) в сочетании с высокой удельной жёсткостью и шумопоглощением, низкой теплопроводностью. В настоящее время наиболее распространены пенометаллы на основе сплавов алюминия и магния (Фомалюма). В качестве основы пенометаллов, в настоящее время, применяются, также, цинк, свинец, железо, медь, никель, сталь и сплавы этих металлов с магнием, титаном.

Пенометаллы производятся из различных расплавленных металлов путём впрыска газов (воздуха, инертных газов), либо путём стимулирования местного образования газов введением газовыделяющего реактива (TiН₂). Существует технология получения пенометаллов из смеси порошкообразных сплавов и газовыделяющего реактива.

Пенометаллы, по своей структуре, бывают двух видов:

• с герметичными ячейками;
• со связанными, негерметичными сообщающимися ячейками (такой материал еще называют губчатой металлической пеной).

В настоящее время освоено производство металлической пены с регулируемыми значениями пористости. В ряде пенометаллических изделий содержание воздуха по объему доводят до 93-98%.

Мелкоячеечный алюминиевый пенометалл (пеноалюминий):

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Крупноячеечный алюминиевый пенометалл (пеноалюминий):

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Латунный пенометалл со связанными (не герметичными) ячейками:

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Изделия из пенометалла:

Фотография с сайта damostar.com.

Хотя пенометаллы в своей основе являются металлическими, по свойствам они значительно отличаются от исходных металлов - это новый вид материалов. Пенометаллы обладают целым комплексом превосходных свойств: объемная масса у них ниже, чем у древесины, а прочность значительно выше; имеют повышенную коррозийную стойкость; они отлично поглощают энергию удара; легко обрабатываются резанием; в них можно вбивать крепежные детали, склеивать их с другими материалами, например со стеклом, пластиками, фанерой. Металлические пены проявляют хорошие акустические свойства. Они хорошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свойства (от немецкого слова dampfer – гаситель): способны гасить механические колебания, например вибрацию и снижать резонансные колебания, повышенную коррозионную стойкость.

Пенометаллы отличаются неожиданным и удивительным свойством - они не плавятся даже при температуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при температуре около + 560-640 °С. А пеноалюминий нагревали в электропечи до температуры + 1400 °С, но, однако, он не расплавился.

Предполагается, что изделия из пенометаллов найдут широкое применение в строительстве: из них будут делать перегородки, двери, потолочные перекрытия, облицовочные материалы, материалы для полов, декоративные плиты (у данных материалов красивая структура) и многое другое.

Вспененная древесина

Разработкой вспененной древесины занимались в немецком институте Вильгельма Клаудитца (WKI), входящем в общество Фраунхоффера. Разработка была отмечена премией Green Tec Awads - 2015. Она вручается ученым, работы которых полезны для экологии планеты. Изобретатели "древесной пены" были удостоены награды в номинации "Строительство и жизнь".

Фотография с сайта estp-blog.ru.

Производство вспененной древесины не отличается сложностью. Сначала ее измельчают до состояния тестообразной массы. Затем получившееся вещество обрабатывают газом. Образовавшаяся субстанция увеличивается в объеме и для отвердевания формуется по образу и подобию создания различных предметов из пенопласта. После отверждения изделия готовы к обработке и эксплуатации.

Предполагается, что в строительной сфере новый материал будет использоваться не только для утепления зданий, но и для создания конструкций сложной формы, когда применение других материалов невозможно из-за тяжелого веса или отсутствия достаточной гибкости.

Вспененная древесина объединяет лучшие качества уже известных природных и синтетических материалов: низкую теплопроводность, способность отталкивать воду (как большинство полимерных материалов), возможность в течение многих лет держать заданную форму.

Благодаря натуральному дереву, составляющему основу нового материала, появилась возможность вторичной переработки, а в случае отсутствия ее целесообразности - безвредной для экологии утилизации готовых жестких плит и гибких матов из древесной пены (это еще одно название нового материала).

В настоящее время идет поиск наилучшего сырья для производства материала в промышленных объемах. Дерево для производства нового материала должно быть недорогим и широко распространенным, искомая древесина должна иметь низкую теплопроводность и легко перерабатываться.