ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕН ИЗ РАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

​EFFECTIVENESS OF WALLS MADE OF DIFFERENT MATERIALS

Vadim Kurmanaev

student, Department of Structural Engineering, Foundations, and Substructures named after Professor Y.M. Borisov, Voronezh State Technical University,

Russian, Voronezh

Sergey Zolotukhin

scientific supervisor, PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh State Technical University,

Russian, Voronezh

АННОТАЦИЯ

В работе проведён сравнительный анализ стеновых материалов, включая традиционные и материалы повторного использования, с целью оценки их эффективности. Рассмотрены такие характеристики, как теплопроводность, звукоизоляция, прочность, долговечность и экологичность. Исследование показало, что материалы, такие как кирпич, дерево, пенобетон, газобетон, железобетон, керамические блоки и керамзитобетон, имеют различную эффективность в зависимости от условий эксплуатации и назначения зданий. Использование материалов, полученных при поэлементном демонтаже, признано целесообразным. Прочность стен из материалов повторного использования соответствует традиционным аналогам, что подтверждает их долговечность. Такие материалы снижают стоимость строительства и экологическую нагрузку, уменьшая выбросы, связанные с производством новых материалов. Повторное использование стеновых материалов является экономически и экологически оправданным.

ABSTRACT

This paper presents a comparative analysis of wall materials, including traditional and reused materials, to assess their effectiveness. Properties such as thermal conductivity, sound insulation, strength, durability, and environmental impact were considered. The study showed that materials such as brick, wood, foam concrete, aerated concrete, reinforced concrete, ceramic blocks, and expanded clay concrete have varying levels of effectiveness depending on operating conditions and the purpose of the buildings. The use of materials obtained through selective demolition is found to be reasonable. The strength of walls made from reused materials is comparable to that of traditional materials, confirming their durability. These materials reduce construction costs and environmental impact by lowering emissions associated with the production of new materials. The reuse of wall materials is both economically and environmentally justified.

Ключевые слова: строительные материалы, теплоизоляция, звукоизоляция, прочность, керамические блоки, пенобетон, керамзитобетон, энергоэффективность, устойчивость к влаге, экологичность, монолитный бетон, газобетон, технологии замкнутого цикла.

Keywords: construction materials, thermal insulation, sound insulation, strength, ceramic blocks, foam concrete, expanded clay concrete, energy efficiency, moisture resistance, environmental friendliness, monolithic concrete, aerated concrete, closed-loop technologies.

Введение. Эффективность стеновых конструкций играет ключевую роль в современном строительстве, влияя на энергосбережение, акустический комфорт, долговечность и эксплуатационные расходы зданий. Правильный выбор материала для стеновых конструкций необходим для обеспечения оптимальных условий эксплуатации и снижения затрат на эксплуатацию. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью выбора наиболее эффективных строительных материалов, который зависит от множества факторов, включая климатические условия, специфику эксплуатации и бюджет. Существующие исследования показывают, что каждый материал имеет как преимущества, так и ограничения. Например, материалы с высокой теплоизоляцией, такие как пенобетон и газобетон, могут иметь меньшую механическую прочность, в то время как лёгкие блоки могут не обеспечивать должный уровень звукоизоляции. Важно также учитывать экономические аспекты, такие как стоимость, доступность материалов и их экологическая безопасность, особенно в условиях современного строительного рынка, где важен баланс между эффективностью и устойчивым развитием. До 1990-ых годов в строительстве активно использовались стеновые материалы повторного применения, которые сыграли важную роль в восстановлении городов в послевоенный период. Проведём исследование причин прекращения использования таких материалов в настоящее время. Цель данной статьи — провести комплексный анализ эффективности стеновых конструкций из различных материалов, а также материалов повторного применения, предложить рекомендации по их выбору с учётом особенностей эксплуатации и экологических факторов.

1. Основные факторы, влияющие на эффективность

При выборе материала стен необходимо учитывать ряд важных факторов, которые влияют на комфорт, безопасность и долговечность. Рассмотрим основные из них:

         -Теплоизоляция

Является ключевым параметром, который влияет на комфорт проживания, энергоэффективность и эксплуатационные расходы на отопление и охлаждение здания.

Теплоизоляционные свойства стен определяются коэффициентом теплопередачи, который измеряется в Вт/м²·К. Чем ниже этот показатель, тем лучше стена сохраняет тепло. Показатель зависит от:

а) Теплопроводность материалов: способность материала проводить тепло, измеряемая в Вт/(м·К).

б) Толщина стены

в) Слоистая структура (сочетание разных материалов может значительно улучшить теплоизоляционные свойства.) [3]

- Звукоизоляция

         Различают следующие виды шума и способы его контроля:

а) Воздушный шум (распространяется по воздуху. Для защиты от такого шума используются материалы, которые препятствуют прохождению звуковых волн через стены.)

б) Ударный шум (передается через вибрации в конструкциях. Вызывает необходимость применения материалов, способных гасить вибрации.)

в) Структурный шум (возникает, когда звук распространяется через строительные конструкции. Уменьшение структурного шума требует создания преград и разрывов между элементами конструкций.)

Рассмотрим основные принципы звукоизоляции:

а) Плотность и масса (чем массивнее стена, тем труднее звуковым волнам проникнуть сквозь неё.)

б) Многослойность (использование стен из нескольких слоев с разными материалами позволяет эффективно поглощать и отражать звуковые волны

в) Поглощение звука (применение материалов с высокой способностью к поглощению звука).

- Прочность и долговечность.

От прочности материала зависит способность стен выдерживать нагрузки от собственного веса, нагрузки от кровли, а также внешних воздействий. Долговечность стен зависит от того, как материал будет вести себя в процессе эксплуатации, а также от способности материала сохранять свои свойства на протяжении долгого времени.

- Экологичность и безопасность.

Экологичность материалов включает в себя использование природных, безопасных для здоровья веществ, а также минимальное влияние на окружающую среду. Безопасность стен подразумевает не только их способность выдерживать механические нагрузки, но и отсутствие опасных элементов в составе материалов. [3] Стеновые конструкции должны обладать необходимой степенью огнестойкости для обеспечения защиты от воздействия высоких температур и предотвращения распространения огня. Материалы повторного использования снижают объем строительных отходов и сокращают потребление природных ресурсов, что положительно влияет на экологическую обстановку.

- Стоимость и доступность.

Необходимо учитывать не только стоимость самого материала и его монтажа, но и долгосрочные расходы на обслуживание, ремонт и отопление.  Доступность материала на местном рынке также важна, поскольку она может существенно повлиять на сроки строительства. Материалы повторного использования отличаются низкой стоимостью и широкой доступностью, что делает их экономически и выгодным и экологически правильным решением.

2. Основные материалы стен и их факторы эффективности

1) Кирпич

Кирпич — один из самых распространенных материалов в строительстве. Существует несколько видов кирпича, каждый из которых обладает своими особенностями (облицовочный, керамический полнотелый, керамический пустотелый, силикатный (рис. 1))

а)                                                  б)                                                 в)

г)

Рисунок 1. Кирпич и керамические блоки

а) Керамический полнотелый кирпич; б) Керамический пустотелый кирпич; в) Силикатный кирпич; г) Керамические блоки

- Теплоизоляция: Коэффициент теплопроводности полнотелого керамического кирпича составляет 0,6-0,8 Вт/(м·°С), керамических блоков 0,18-0,25 Вт/(м·°С).  Для пустотелого керамического кирпича этот показатель уменьшается до 0,3-0,5 Вт/(м·°С) (удельное тепловое сопротивление стены из полнотелого кирпича толщиной 380 мм составляет 0,63 (м²·°С)/Вт, что требует дополнительного утепления для соответствия СП50.13330.2012) Удельное тепловое сопротивление стены из керамических блоков толщиной 380 мм достигает 1,5-1,8 (м²·°С)/Вт. Повторно используемый кирпич сохраняет теплотехнические показатели, сопоставимые с новым материалом, так как структура кирпича и его способность к теплоаккумуляции не изменяются при разборке и повторной укладке, важным здесь становится провести правильный демонтаж и укладку.

- Звукоизоляция: Средний индекс звукоизоляции кирпичной стены толщиной 250 мм составляет 52-55 дБ, а для стены толщиной 380 мм — 60-65 дБ, что обеспечивает надежную защиту от внешних шумов. Керамические блоки с плотностью 1200-1400 кг/м³ обеспечивают звукоизоляцию около 40-45 дБ при толщине стены 200-250 мм для воздушного шума Акустические характеристики повторно используемого кирпича остаются неизменными, поскольку материал сохраняет исходную плотность и массу, что определяет его способность поглощать и отражать звуковые волны.

- Прочность и долговечность: Полнотелый кирпич имеет класс прочности М75-М300, что означает способность выдерживать нагрузки от 7,5 до 30 Мпа. Прочность на сжатие керамических блоков варьируется от 7,5 до 15 МПа (М75-М150). Морозостойкость полнотелого кирпича (F35-F50) позволяет выдерживать 35-50 циклов замораживания и оттаивания без потери прочностных характеристик. Для северных регионов применяются кирпичи с повышенной морозостойкостью (до F100). Прочностные характеристики кирпича зависят от технологии его производства, поэтому повторно используемый кирпич, если его демонтирован аккуратно и не подвергали механическим повреждениям, сохраняет свою несущую способность.

- Экологичность и безопасность: Керамический кирпич изготавливается из натуральной глины, без применения токсичных добавок. Он устойчив к воздействию высоких температур, не выделяет вредных веществ и обладает температурой плавления свыше 1000 °С, что делает его огнестойким. Кирпич содержит естественные радионуклиды, такие как калий-40, радий-226 и торий-232, которые присутствуют в глинах, используемых для его производства. Уровень радиоактивности кирпича зависит от исходного сырья и региона добычи глины. Для оценки радиоактивности строительных материалов используется показатель удельной эффективной активности природных радионуклидов. В большинстве случаев этот показатель у кирпича значительно ниже предельно допустимых значений. Производство керамического кирпича сопровождается значительными выбросами парниковых газов, в первую очередь диоксида углерода. Точные цифры выбросов могут варьироваться в зависимости от используемых технологий и источников энергии. В среднем при производстве кирпича из глины (обжиг в печах) выбросы CO₂ могут составлять от 0,2 до 0,5 тонн CO₂ на 1000 кирпичей. Повторное использование кирпича снижает объёмы отходов и уменьшает потребность в добыче новых ресурсов [1]. Кроме всего прочего остающийся бой каменных материалов, который образуется при применении технологии замкнутого цикла, можно использовать при укреплении грунтов основания методом механогидрохимической активации, что приводит к повышению модуля упругости основания, а также использовать при сооружении подъезных путей.

- Стоимость и доступность: Средняя стоимость полнотелого кирпича составляет 20-40 рублей за штуку. Для строительства дома площадью 100 м² потребуется около 30 000 кирпичей, что эквивалентно затратам от 600 000 до 1 200 000 рублей на материал. Средняя стоимость повторно используемого кирпича составляет 4-7 рублей, что эквивалентно затратам от 120 000 до 210 000 рублей на материал. Средняя цена керамического блока (510×250×220 мм) составляет 150-250 рублей за штуку. Для дома потребуется около 1 500-2 000 блоков.

2) Газобетон, пенобетон, керамзитобетон

Блоки (рис. 2) становятся все более популярными благодаря своей легкости и удобству монтажа.

а)                                                     б)                                       в)

Рисунок 2. Строительные стеновые блоки

а) Газобетон б) Пенобетон в) керамзитобетон

- Теплоизоляция: Коэффициент теплопроводности газобетона составляет 0,09-0,18 Вт/(м·°С), что в 3-4 раза эффективнее кирпича. Удельное тепловое сопротивление стены толщиной 400 мм из газобетона плотностью D400 достигает 2,5 (м²·°С)/Вт, что модет позволить отказаться от дополнительного утепления. Повторное использование газобетонных блоков может снизить его теплоизоляционные свойства. Это связано с возможными повреждениями и утратой пористости в процессе эксплуатации (микротрещины в материале). Все это может ухудшить термическую проводимость (λ), увеличивая теплопотери. Коэффициент теплопроводности пенобетона составляет 0,12-0,14 Вт/(м·°С). Удельное тепловое сопротивление стены из пенобетона толщиной 400 мм достигает 2,0-2,2 (м²·°С)/Вт. Коэффициент теплопроводности керамзитобетонных блоков составляет 0,14-0,18 Вт/(м·°С). Удельное тепловое сопротивление стены из керамзитобетона толщиной 400 мм достигает 2,2 (м²·°С)/Вт.

- Звукоизоляция: Индекс звукоизоляции стены из газобетона толщиной 300 мм составляет 40-45 дБ, что ниже, чем у кирпича. Пенобетон обладает хорошими звукоизоляционными свойствами благодаря своей пористой структуре. Плотность 500-600 кг/м³ обеспечивает звукоизоляцию около 40-45 дБ при толщине стен 200 мм. Он эффективно поглощает воздушный шум, но хуже справляется с ударными звуками. Для улучшения звукоизоляции часто применяют дополнительные материалы, такие как минеральная вата, что может повысить уровень изоляции на 10-15 дБ. Керамзитобетон с плотностью 800-1400 кг/м³ обеспечивает звукоизоляцию около 35-45 дБ при толщине стены 200-250 мм для воздушного шума. Он менее эффективен против ударного шума

- Прочность: Прочность на сжатие газобетонных блоков варьируется от 2,5 до 5 МПа (D400-D600), что делает их менее прочными, чем кирпич, но достаточными для малоэтажного строительства. - Прочность: Прочность пенобетонных блоков на сжатие варьируется от 3 до 7 МПа, в зависимости от марки материала (D600-D800). Прочность керамзитобетонных блоков на сжатие составляет 3,5-10 МПа, что достаточно для строительства малоэтажных зданий.

- Экологичность и безопасность:

Газобетон — экологически чистый и безопасный материал, состоящий из песка, цемента, извести, воды и алюминиевой пасты, без токсичных добавок. Производство не требует обжига, что снижает углеродный след, а перерабатываемость отходов достигает 95%. Материал негорюч (класс НГ), выдерживает температуры до 1200 °C, обеспечивает пожаростойкость стен толщиной 300 мм до 4 часов. Паропроницаемость (μ = 5-10) способствует поддержанию комфортного микроклимата и предотвращает образование плесени. Радиационная активность не превышает 50-70 Бк/кг, что втрое ниже нормы. Газобетон не подвержен разрушению насекомыми и грибками, а его производство потребляет на 25% меньше энергии, чем изготовление кирпича. Повторное использование газобетона способствует снижению потребления новых природных ресурсов и сокращению отходов, что положительно влияет на экологическую ситуацию, однако безопасность материала должна быть проверена, так как в процессе эксплуатации могут быть накоплены вредные вещества (микробиологические загрязнения.) [1] Кроме всего прочего остающийся бой каменных материалов, который образуется при применении технологии замкнутого цикла, можно использовать при укреплении грунтов основания методом механогидрохимической активации, что приводит к повышению модуля упругости основания, а также использовать при сооружении подъезных путей. Пенобетон и керамзитобетон экологичен, так как состоит из природных материалов и имеет низкое воздействие на окружающую среду. Его теплопроводность составляет от 0,12 до 0,2 Вт/м·К, что способствует энергосбережению. Пенобетон и керамзитобетон не горит (класс НГ) и безопасен для здоровья при соблюдении стандартов производства. Однако использование низкокачественных добавок может привести к выделению вредных веществ.

- Стоимость: Средняя цена газобетонного блока (600×200×200 мм) составляет 80-150 рублей. Для строительства дома требуется около 2500 блоков, что делает материал более экономичным. Цена пенобетонного блока (600×300×200 мм) составляет 120-160 рублей, что делает материал экономически выгодным. Стоимость керамзитобетонных блоков варьируется от 350 до 600 рублей за кубометр для блоков плотностью 800-1200 кг/м³ и от 600 до 900 рублей для более плотных блоков (1200+ кг/м³). Цена зависит от плотности, размера, производителя и объема закупки

3) Древесина

Древесина — традиционный материал, который широко используется в строительстве домов. (рис. 3)

Рисунок 3. Деревянный дом

- Теплоизоляция: Коэффициент теплопроводности древесины составляет 0,12-0,15 Вт/(м·°С), что делает ее отличным теплоизолятором. Для достижения необходимой энергоэффективности толщина стены из бревна должна быть не менее 200-250 мм.

- Звукоизоляция: Индекс звукоизоляции деревянных стен составляет 35-40 дБ, что ниже, чем у кирпичных или бетонных стен.

- Прочность: Прочность древесины на сжатие вдоль волокон составляет 40-50 МПа, что достаточно для малоэтажного строительства.

- Экологичность и безопасность: Древесина — экологичный материал, произведённый с минимальными энергозатратами: её углеродный след в 10 раз ниже, чем у бетона. 1 м³ древесины поглощает и сохраняет до 1 тонны CO2, что делает её углеродно-нейтральной. Материал биоразлагаем, отходы перерабатываются. Древесина регулирует влажность воздуха, создавая здоровый микроклимат, и не выделяет токсинов. Древесина может содержать следы природных радионуклидов, таких как калиий-40 (K-40), радий (Ra), торий (Th) и радон (Rn), однако общий уровень радиоактивности древесины не превышает фоновых значений радиации. Срок службы обработанной древесины достигает 100 лет, а пропитка антипиренами и антисептиками увеличивает её пожаростойкость и устойчивость к грибкам и насекомым. Деревянные конструкции, если они не достигли конца своего срока службы и не имеют значительных повреждений, могут быть использованы повторно. Это возможно благодаря долговечности древесины и её способности сохранять свои эксплуатационные качества на протяжении долгого времени

- Стоимость: Стоимость профилированного бруса варьируется от 10 000 до 20 000 рублей за кубометр. Для дома площадью 100 м² потребуется около 50-70 м³ древесины.

4) Монолитный бетон (рис. 4)

Рисунок 4. Дом из монолитного бетона

- Прочность: Прочность на сжатие монолитного бетона может достигать 11-71 МПа (В15-В100), что делает его одним из самых прочных материалов.

- Теплоизоляция: Коэффициент теплопроводности бетона составляет 1,7-2,0 Вт/(м·°С), что требует обязательного утепления. Удельное тепловое сопротивление стены толщиной 300 мм составляет всего 0,15 (м²·°С)/Вт.

- Звукоизоляция: Монолитный бетон благодаря плотности 2300-2500 кг/м³ обладает индексом звукоизоляции (Rw) до 55 дБ для стены толщиной 200 мм, что эффективно защищает от воздушного шума. Ударный шум передается хуже, но для его изоляции используются демпфирующие слои, снижающие вибрации на 15-20 дБ. Увеличение толщины стены на 10 мм повышает изоляцию на 1 дБ. Однако бетон слабо поглощает внутренние звуки, требуя дополнения звукопоглощающими материалами.

- Экологичность и безопасность: Монолитный бетон состоит из природных компонентов, но его экологичность ограничена углеродным следом: производство 1 тонны цемента вызывает выброс 0,25 тонны CO2, что составляет до 8% мировых выбросов, а производство 1 тонны арматуры вызывает выброс больше 2 тонн парниковых газов.  Материал долговечен (срок службы 50-100 лет), а до 90% его объема может перерабатываться в щебень. Бетон негорюч (класс НГ), выдерживает температуры до 1200 °C и пожар до 4 часов. Радиационная активность безопасна (50-100 Бк/кг), а материал инертен, не выделяет токсинов и устойчив к плесени и насекомым. Алмазная резка позволяет эффективно перерабатывать железобетон, обеспечивая высокоточную разделку материалов без значительных повреждений. Эта технология способствует минимизации отходов и максимальному сохранению структуры железобетона, что открывает возможности для его повторного использования, например, в конструкциях фундаментов. Использование алмазной резки снижает потребность в новых строительных материалах, что в свою очередь уменьшает экологическую нагрузку и способствует более рациональному использованию ресурсов в строительной отрасли.

- Стоимость: Цена монолитного бетона составляет 5 000 - 8 000 рублей за кубометр. Для строительства дома потребуется около 50-80 м³ бетона.

3. Сравнение основных материалов по показателям их эффективности

Таблица 1.

Сравнение факторов, влияющих на эффективность стен, в зависимости от материала

Рисунок 5. Сравнение звукоизоляционных свойств различных материалов стен

Выбор материала для стен зависит от конкретных требований к зданию: тепло- и звукоизоляции, бюджета, климатических условий и экологичности. Для энергоэффективных домов подойдут газобетон, керамзитобетон, пенобетон, для звукоизоляции — керамические блоки и бетон, кирпич, а для влажного климата — керамзитобетон и монолитные конструкции.

Выводы. Выбор материала для стеновых конструкций является ключевым фактором, определяющим эксплуатационную эффективность здания. Каждый из рассмотренных материалов — кирпич, дерево, керамические блоки, пенобетон, газобетон, монолитный бетон, керамзитобетон — обладает своими преимуществами и недостатками, которые должны учитывать особенности эксплуатации, климатические условия, а также экономические и экологические аспекты. В ходе исследования было выявлено, что повторное использование строительных материалов может сыграть значительную роль в снижении материальных затрат и минимизации экологического воздействия [1], при этом не ухудшая функциональные характеристики конструкции. Правильный выбор стенового материала требует комплексного подхода, На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что оптимальный выбор зависит от специфики конкретных условий строительства. Из-за значительного веса каменных материалов важным фактором становится дальность их транспортировки. Материалы, которые экономически выгодны в одном регионе, могут быть нецелесообразны для использования в другом. Поэтому перевозка стеновых материалов должна осуществляться в пределах местного региона, а при возможности следует стремиться к их повторному использованию.

Список литературы:

1. Золотухин, С. Н. Рациональное использование строительных отходов / С. Н. Золотухин, К. В. Макарычев, Е. О. Поваляев // Современные научные исследования и инновации. — 2020. — № 1 (105). — С. 12.
2. Золотухин, С. Н. Повторное использование строительных материалов и отходов производства в малоэтажном строительстве / С. Н. Золотухин, А. С. Льбосок // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Сер.: Высокие технологии. Экология. — 2011. — № 1. — С. 63–66.
3. Моргун, В. Н. Размышления об эффективности стеновых материалов // Журнал "Инженерный вестник Дона". — 2008. — С. 1-5.
4. В. С. Руднов, Е. В. Владимирова, И. К. Доманская, Е. С. Герасимова; под общей редакцией И. К. Доманской // Строительные материалы и изделия: учебное пособие. — Екатеринбург: УрФУ, 2018.