Высокопористые материалы: структура и тепломассоперенос

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ 

А.Д. Жуков 

ВЫСОКОПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ: 
СТРУКТУРА И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС 

Москва 2017 

2-е издание (электронное)

УДК 517.28+536.491+699.86 
ББК 22.161+22.317+38.637 
Ж86 

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ 

Рецензенты: 

доктор технических наук, профессор В.Ф. Коровяков, 
заместитель директора НИИМосстрой; 
кандидат технических наук И.В. Бессонов, 
ведущий научный сотрудник НИИСФ РААСН 

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ 

Жуков, А.Д. 

Высокопористые материалы: структура и тепломассоперенос [Электронный ресурс]: монография / А.Д. Жуков ; М-во образования и науки Рос. 
Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые 
дан. (1 файл pdf : 209 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — 
(Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ). —  Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1536-9 

Тепло- и массоперенос в высокопористых материалах проявляется как на стадии 
формирования высокопористой структуры материалов, так и на стадии их эксплуатации. 

Рассмотрены основные законы тепло- и массопереноса. Раскрыты закономерности проявления этих законов в капиллярно-пористых коллоидных телах. Проанализированы условия и особенности формирования свойств высокопористых теплоизоляционных материалов и предложены критерии оценки этих свойств, а также 
конструктивных или технологических приемов, направленных на их оптимизацию. 
Для инженерно-технических и научных работников строительной отрасли, отрасли производства строительных материалов, изделий и конструкций, а также аспирантов и студентов магистратуры. 

УДК 517.28+536.491+699.86 
ББК 22.161+22.317+38.637 

ISBN 978-5-7264-1536-9 
© ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2014 

Ж86 

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Высокопористые материалы: структура и тепломассоперенос : монография / А.Д. Жуков ; 
М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : 
Издательство МИСИ—МГСУ, 2014. — 208 с. — ISBN 978-5-7264-0923-8.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать 
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ВВЕДЕНИЕ 

Высокопористые строительные материалы относят к трем широким группам: теплоизоляционно-конструкционным, теплоизоляционным и акустическим материалам. Независимо от группы высокая пористость обеспечивает 
изменение условий передачи энергии в материале. Эти условия обусловлены 
типом пористости (открытой, замкнутой, комбинированной), характером распределения пор по размерам, размерами и формой этих пор, состоянием 
внутренней поверхности пор, рядом других факторов [3]. 
В отечественном производстве наибольшее распространение получили 
теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные высокопористые материалы [4]. По типу матрицы, а следовательно, и по характеру пористости, материалы подразделяют на волокнистые, ячеистые, зернистые и 
комбинированной структуры. Материалы зернистой структуры практически 
не выпускаются промышленностью [12]. Вместе с тем высокие теплофизические свойства таких материалов (на основе вспученного перлита, например) делают целесообразным их рассмотрение наравне с материалами других структур [5]. 
Для всех рассматриваемых материалов условием, обосновывающим их 
существование, является энергетическая эффективность, т. е. направленность 
на экономию энергии, сокращение вредных выбросов и повышение комфортности среды обитания. Высокопористые материалы должны соответствовать критериям экологического стандарта Eco Material, который состоит из 
трех разделов. В первом разделе стандарта оценивается, насколько материал 
безопасен для человека. Проводятся радиологические, электромагнитные, 
химические, токсикологические измерения и лабораторные исследования. 
Второй раздел оценивает комплексное воздействие материала и его производства на окружающую среду. В третьем разделе содержатся критерии по 
пропаганде «зеленых» решений и тенденций, поддержке социальных экопроектов и т. д. Существует несколько уровней стандарта: EcoMaterial Basis — 
материал безопасен для человека; EcoMaterial Green — материал безопасен 
для человека и окружающей среды; EcoMaterial Absolut — экологически чистый материал; EcoMaterial Natural — абсолютно натуральный материал. 
Структура, и следовательно, свойства высокопористых материалов формируются на стадии производства, и большинство технологий является энергоемкими. Ключевым технологическим переделом является тепловая обработка. Особенности создания высокопористой структуры таковы, что в боль

шинстве технологий формованный сырец подвергают сушке — в чистом 
виде или осложненной сопутствующими процессами (отверждением связующего, тепловлажностным воздействием и пр.). 
Проектные режимы сушки теплоизоляционных изделий эффективны, 
если обеспечено постоянство управления всем технологическим процессом 
на всех предшествующих сушке операциях [7]. Непостоянство фракционного состава рабочих смесей и соотношений между компонентами, свойств 
и количества связующего, условий формования может привести к резкому 
снижению характеристик изделий после сушки. Грамотная организация 
процесса сушки позволяет получить материал с требуемыми свойствами, 
снизить энергетические затраты на этот процесс, оптимизировать длительность сушки, уменьшить и материальные затраты. 
Отметим, что свойства высокопористых материалов в наибольшей степени проявляются в специальных строительных системах, формирующих оболочку здания [2]. Долговечность подобных систем обусловливается как эксплуатационной стойкостью самих высокопористых материалов, так и условиями их работы в конструкциях: правильностью проектирования самих 
конструкций и корректностью выполненного монтажа этих систем. 
Для того чтобы прогнозировать энергетическую эффективность высокопористых материалов, их эксплуатационные свойства и соответствие экологическим критериям, необходимо изучение закономерностей формирования 
их пористости и изучение особенностей теплопередачи в высокопористых 
материалах, которое можно провести на примере теплоизоляционных материалов различной структуры. Оптимизационные решения для материалов 
волокнистой структуры были рассмотрены в работах, изданных ранее [17; 
20; 21]. Основной акцент исследований сделан на рассмотрение технологий 
(ТИМ), получение которых основано на способах удаления порообразователя и формирования неплотной упаковки, а также на анализ особенностей 
поведения теплоизоляционных изделий в строительных конструкциях. 
Изучение процессов переноса вещества и энергии в высокопористых, в 
частности в теплоизоляционных материалах, является комплексной задачей. 
В практическом плане при решении этой задачи можно использовать две 
подсистемы: тепло- и массоперенос в теплоизоляционном материале, расположенном в строительной конструкции теплоизоляционных материалов, и 
тепло- и массоперенос в материале в процессе его тепловой обработки. В первой подсистеме процессы происходят в интервалах влажностей, близких к 
равновесным и характерным для материалов в условиях эксплуатации. Во второй подсистеме тепло- и массопереноса процессы начинаются при влажностях, во много раз превосходящих равновесные, эти процессы осложнены 
фазовыми переходами и химическими превращениями в матрице. 

1. ВЫСОКОПОРИСТЫЕ 

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

1.1. Производство 
теплоизоляционных материалов 

1.1.1. Теплоизоляционные материалы 

Теплоизоляционные материалы (ТИМ) и теплоизоляционные изделия классифицируют по следующим основным признакам (ГОСТ 16381–77): 
 по виду исходного сырья: неорганические, органические. Смеси из неорганических и органических материалов относят к неорганическим, если количество неорганических материалов в смеси превышает 50 % по массе; 
 по структуре: волокнистые, зернистые, ячеистые; 
 по форме и внешнему виду: штучные, рулонные и шнуровые, рыхлые и 
сыпучие; 
 по содержанию связующего вещества: материалы и изделия, содержащие связующее вещество и не содержащие связующее вещество; 
 по плотности (кг/м3): марки 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 
225, 250, 300, 350, 450 и 500 (табл.1). Для изоляции объектов с отрицательными температурами применяют материалы плотностью не более 200 кг/м3 
и теплопроводностью не более 0,06 Вт/(мК); 
 по жесткости — остаточной деформации сжатия: мягкие (М) — относительное сжатие более 30 %; полужесткие (П) — относительное сжатие 
6—30 %; жесткие (Ж) — относительное сжатие до 6 % при удельной нагрузке 1,96 кН/м2; 
 по теплопроводности при 25 °С: класс А — низкой теплопроводности — 
до 0,06 Вт/(мК); класс Б — средней теплопроводности — свыше 0,06 до 
0,115 Вт/(мК); класс В — повышенной теплопроводности — свыше 0,115 
до 175 Вт/(мК); 
 по горючести: негорючие (НГ); слабогорючие (Г1); умеренно горючие 
(Г2); горючие (Г3); опасногорючие (Г4). 
Современные теплоизоляционные изделия характеризуются показателями 
качества, изложенными в стандарте EN 13162. Данный стандарт действует в 
Европе и относится ко всем теплоизоляционным изделиям из минеральной 
ваты. Стандарт EN 13162 определяет шесть важнейших свойств, которые 

Таблица 1 
Классификация теплоизоляционных материалов по плотности 

Наименование 
ТИМ 
Марка 
Материал 

Особо низкой 
плотности 
15, 25, 
35, 50, 
75 

Минеральная вата марки 75 и менее; каолиновое волокно; пенопоропласты; ультра- и супертонкое стекловолокно; базальтовое волокно; вспученный перлит, мягкие 
минераловатные и стекловолокнистые плиты и др. 

Низкой плотности 
100, 125, 
150, 175 
Минеральная вата марки более 75; стеклянная вата из 
непрерывного стекловолокна; полужесткие и жесткие 
минераловатные плиты на синтетическом связующем; 
прошивные минераловатные маты и др. 

Средней 
плотности 
200, 225, 
250, 300, 
350 

Совелитовые, вулканитовые, известковокремнеземистые, перлитоцементные изделия; минераловатные плиты на битумном связующем; минераловатные 
шнуры и др. 

Плотные 
400, 450, 
500, 600 
Пенодиатомитовые, диатомитовые, трепельные изделия 
из ячеистого бетона; монолитный битумоперлит и др. 

должны декларироваться производителями теплоизоляционных материалов вне 
зависимости от того, в какой конструкции применяется данный материал. Эти 
свойства: теплопроводность, геометрические размеры, прямоугольность и плоскостность, стабильность размеров, прочность на растяжение, пожаробезопасность. Пожаротехнические характеристики продукции должны обеспечивать безопасность на конкретном объекте, в конкретной конструкции. 
Распределение объемов выпуска ТИМ по стране характеризуется значительной неравномерностью. Ряд крупных регионов, таких как Архангельская, Калужская, Костромская, Орловская, Кировская, Астраханская, Пензенская, Курганская и другие области, Республика Марий Эл, Чувашская республика, Калмыкия, Адыгея, Карелия, Бурятия и другие, не имеют крупных 
производств эффективных ТИМ. Многие регионы страны производят утеплители в явно недостаточном количестве. Относительно благополучным является Северо-Западный регион, а наибольшие проблемы с утеплителями 
собственного производства в Северном, Поволжском, Северо-Кавказском и 
Западно-Сибирском регионах. 
В Российской Федерации за последнее десятилетие фактически создано 
заново производство самых современных видов теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон (каменной и стеклянной ваты, базальтового волокна), а также на основе вспененных пластмасс (табл. 2). 
В период 2005—2008 гг. в РФ были открыты десятки мощных производств 
и средних производств (табл. 2) [5; 22]. Российский рынок теплоизоляционных 
материалов характеризовался как стабильно растущий. Темпы прироста составляли от 10—15 % в год. К 2008 г. объем российского рынка составлял 

Таблица 2 
Введение новых производств теплоизоляционных материалов (2005—2013 гг.) 

Производитель 
Торговая 
марка 
Город и год введения 

GRUPPO URALITA 
URSA 
Серпухов, 
Московская обл., 2005 

ПЕНОПЛЭКС 
ПЕНОПЛЭКС Пермь, 2005  

Компания «Экстрол» 
ЭКСПОЛ 
Екатеринбург, 2005 

«Сен-Габен Строительная 
продукция Рус» 
ISOVER 
Егорьевск, 
Московская обл., 2006 

ОАО «Тизол» 
EUROТИЗОЛ Свердловская обл., 2006 

ЗАО «Изорок» 
ISOROC 
Тамбовская обл., 2006 

ЗАО «Завод «Минплита» 
LINEROCK 
Челябинская обл., 2006 

ЗАО «Дмитровская теплоизоляция» 
— 
Московская обл., 2006 

ООО «Изомин» 
ИЗОМИН 
Ступино, 
Московская обл., 2006 

ПЕНОПЛЭКС 
ПЕНОПЛЭКС Новосибирск, 2006 

ОАО «Белгородский комбинат 
теплоизоляционных материалов» 
ИЗОВОЛ 
Белгородская обл., 2006 

ГК «ТехноНИКОЛЬ», завод «Техно» ТЕХНО 
Рязанская обл., 2006  

ОАО «Термостепс» 
ТЕРМО 
Салават, Республика 
Башкортостан, 2007 

ГК «ТехноНИКОЛЬ» 
ЭПС 
ТехноНИКОЛЬ 

Рязанская обл., 2007  

ОАО «Ульяновский завод теплоизоляционных изделий» 
ЕВРОИЗОЛ 
Ульяновская обл., 2007 

ЗАО «Завод «Минплита» 
LINEROCK 
Новосибирская обл., 2007 

ГК «ТехноНИКОЛЬ», завод «Техно» ТЕХНО 
Рязанская обл., 2007  

ПЕНОПЛЭКС 
ПЕНОПЛЭКС Таганрог, 
Ростовская обл., 2007 

Компания «Rockwool» 
ROCKWOOL Выборг, Ленинградская обл., 
2007 

КНАУФ  
«Кнауф Инсулейшн» 
Ступино, 
Московская обл., 2007 

ДАУ ЮРОП 
STYROFOAM Крюково, 
Московская обл., 2007 

ДАУ ИЗОЛАН 
ИЗОЛАН 
Владимир, 2008 

ГК «ТехноНИКОЛЬ»,ТЗМП 
ТЕХНО 
Троицк, Московская обл., 2009 

Окончание таблицы 2 

Производитель 
Торговая 
марка 
Город и год введения 

«Эковер» 
«Эковер» 
Свердловская обл., 2010 

ООО «Агидель» 
Baswool 
Башкирия, 2011  

ООО «Базальт» 
Hitrock 
Смоленская обл. , 2011  

Компания «Rockwool» 
ROCKWOOL Елабуга, Татарстан, 2012 

ГК «ТехноНИКОЛЬ» 
ЭПС 
КАРБОН 
Рязанская обл., 20013 

«Paroc Group» 
ИЗОПЛИТ 
пгт. Изоплит, 
Тверская обл., 2013 

Таблица 3 
Производители минераловатных изделий 

Федеральный 
округ 
Производители 

Центральный ЗАО «Минеральная вата» (РОКВУЛ), ООО «Завод Техно», 
ЗАО «Изорок», Завод нестандартного оборудования (Izovol, Izobel), 
ООО «Изомин», ООО «Базальт-Мост», ЗАО «Дмитровская теплоизоляция» (Экобазальт), ООО «Луховицкая базальтовая вата», ООО «НПФ 
«Изомат», ООО «Базальт» (HITROCK), ООО «Базальт-Экология», 
ОАО «Фирма Энергозащита», Завод минераловатных изделий 

Уральский 
ЗАО «Завод Минплита» (Linerock), ОАО «АКСИ» (ТехноНИКОЛЬ), 
ООО «ЧЗТИ», ОАО «Тизол», ЗАО «Троицкий ЗМП» (РОКВУЛ-Урал), 
ЗАО «Нижнетагильский ЗТИ», ОАО «Билимбаевский ЗТМ», «Эковер» 

Приволжский ООО «Техно», «Термостепс-МТЛ» (Teplant), ОАО «Стройизоляция», 
ООО «Евроизол-Термо», ГК «Электрощит-ТМ Самара», ОАО «Комбинат теплоизоляционных изделий», ООО «Агидель» (BASWOOL), 
ЗАО «Базальтовое волокно», «Мелеузовский кирпичный завод», 
«Алабуга «Роквул-Татарстан» 

Сибирский 
«ТехноНИКОЛЬ-Сибирь», ОАО «Назаровский ЗТИ» (ГК «Энергозащита»), «Норильский обеспечивающий комплекс», ЗАО «КЗМИ 
«Минвата», ООО «ТД «БАТИЗ» 

СевероЗападный 
ООО «РОКВУЛ-Север», ОАО «НПО Стеклопластик», 
ПТК «Судогда» (Термобазальт), 
ООО «Строительные материалы (Изотек)», ООО «Лотос» 

Дальневосточный 
ОАО «Базалит-ДВ» (ТехноНИКОЛЬ), 
ООО «Завод базальтовых материалов», 
Благовещенский завод «Минпласт» 

Южный 
ООО «Термостепс», ОАО «Конструкционные материалы» 

25,8 млн м3 в год, причем этот объем полностью «закрывался» отечественными производителями (28,5 млн м3 в год). 
Экономический кризис, а также ужесточение норм пожарной безопасности, применяемых к ТИМ, внесли коррективы в структуру их производства 
в нашей стране. По статистике на долю волокнистой теплоизоляции приходится 78 %, доля полистирольных пенопластов составляет 17 %, пенополиуретанов — 3 %. Высокопористые ячеистые бетоны этой статистикой не 
учитываются, так как являются более теплоизоляционно-конструкционными, 
чем теплоизоляционными материалами. 
Производство минеральных волокнистых материалов сосредоточено в основном в ЦФО — около 57,2 %, СЗФО (12,9 %), УФО (14,9 %) и ПФО (10 %). 
Небольшие производства имеются в ЮФО, СФО и ДФО (табл. 3). Почти 91 % 
производства теплоизоляционных изделий из пенопластов сосредоточено в Европейской части России и в Сибири, причем доля ЦФО составляет 46,5 %, 
СФО — 43,3 %. В СЗФО выпускается всего 1 %, в ЮФО — 8,2 %. Доля ДФО 
и того меньше — 0,9 %; в Приволжском федеральном округе отсутствуют производства по выпуску теплоизоляционных материалов из пенопластов. 

1.1.2. Производство волокнистых 
теплоизоляционных материалов 

Основой промышленности теплоизоляционных материалов является производство теплоизоляционных изделий из минеральной ваты (рис. 1): каменной и стеклянной ваты и базальтового волокна — в небольших объемах. Значительное внимание уделяется созданию волокнистых материалов, имеющих 
высокий уровень экологической безопасности и улучшенные эксплуатационные показатели [9; 23]. 
Анализ применяемых в отечественной и зарубежной практике сырьевых 
материалов показывает, что наиболее качественную, долговечную минеральную вату, соответствующую мировому уровню, можно получать из шихт 
на основе горных пород габбро-базальтового типа с небольшой добавкой 
карбонатных пород (известняков или доломитов) при доведении их модуля 
кислотности до 1,7—2,5. Использование этого сырья дает возможность получать минеральное волокно и изделия на его основе, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами (химически- и водостойкие, 
температуростойкие), с высокими физико-механическими и теплотехническими показателями [18; 24]. Переход на производство минеральной ваты 
из горных пород габбро-базальтовой группы, а не из доменных шлаков, позволит существенно увеличить срок эксплуатации утеплителей из минеральной ваты, повысить их температуро- и водостойкость. 
В России насчитываются семь заводов, выпускающих стеклянную вату. 
Объемы производства ТИМ из стекловолокна на территории страны значительно выросли после запуска предприятий, принадлежащих иностранным 

Рис. 1. Производство теплоизоляционных изделий из минеральной ваты в РФ 

компаниям. Три крупнейших производителя этого сегмента рынка — концерн «Uralita Group», «Сен-Габен Строительная продукция Рус» и «Кнауф 
Инсулейшн» выпускают около 70 % от общего объема производства ТИМ 
на основе стекловолокна [26]. Продукция других относительно небольших 
производств ограничивается товарным стекловолокном, прошивными матами или матами на синтетическом связующем. 
Между официальной статистикой производства ТИМ, в том числе минеральной ваты, и реальными объемами ее производства имеет место разница, обусловленная наличием большого числа небольших компаний, не отраженных в официальных документах. Если в 2005 г. эта разница составляла 600 тыс. м3 (8000 против 7400 тыс. м3), то 2011 г. — уже 5100 тыс. м3 
(18100 против 13000 тыс. м3). 
Некоторые из этих компаний растут, предпринимают более активные маркетинговые усилия на рынке, что делает возможным их обнаружение «в ручном режиме». Всего в РФ (по различным подсчетам) работают 40—50 заводов 
различного масштаба (табл. 3). 
Уже в разгар кризиса стало понятно, что не всем предприятиям удастся 
его пережить. Основной объем банкротства пришелся на 2009—2010 гг., но 
закрытия наблюдались и в 2011 г. 
Самая крупная потеря — холдинг «Термостепс». В результате его банкротства встали Екатеринбургский, Ярославский, Омский, Салаватский заводы. 
Держится только Волгоградский завод. Еще одна компания (Термостепс-МТЛ), 
входившая в холдинг, успела сменить собственника (октябрь 2008 г.) и начала 
самостоятельную карьеру в производстве сэндвич-панелей. 
В 2009 г. процедуру банкротства пережило ООО «Теплоизоляция», оставив в Белгородской области одного, но крупного производителя — «Завод