Целлюлозный композит в гофростройке

Целлюлозный композитный элемент (Cellulose Composite Element – CCE) – это инновационный, перспективный изолирующий элемент, который был представлен на конференции Zellcheming, проходившей во Франкфурте-на-Майне в июне 2016 года, в тематической области «Будущие города и архитектура», в рамках проекта «Волокна и бумага 2030», инициированного Papiertechnische Stiftung (PTS). Природосберегающая, экологичная изоляция зданий становится все более важной на сегодняшний день, особенно в контексте защиты климата и энергосбережения. Правительство Германии запустило несколько схем финансирования для повышения экологичности, ресурсной и энергоэффективности зданий. Программы открыты для любого потребителя, заинтересованного в здоровом образе жизни и экологичном строительстве.

Исходная ситуация

С долей более чем 60% отопление помещений в жилых и офисных зданиях требует наибольшего потребления энергии. Для предотвращения утечки большей части тепловой энергии через большие строительные конструкции, такие как стены, крыши, потолки или полы, необходимо эффективно их изолировать. Поправки к Закону об энергосбережении от 2009 года (EnEV 2009) в Германии сделали обязательным сокращение ежегодного потребления первичной энергии в старых и новых зданиях на 30% и повышение эффективности теплоизоляции на 15%. В результате многим зданиям оказалась необходима модернизация: около 87% жилых домов и 60% офисных зданий, построенных до 1990 года, не дотягивали до стандартов, принятых в законе. Аналогичная ситуация и с новыми зданиями, которые должны соответствовать еще более строгим требованиям и быть построенными как «не оказывающие влияния на климат» дома к 2020 году. С 2014 года первичное потребление энергии должно быть уменьшено на 25% дополнительно, в то время как теплоизолирующий эффект наружной обшивки зданий должен быть улучшен на 20%. Нормы закона еще сильнее ужесточались в 2016 году: коэффициент теплового пропускания или U-значения верхних этажей не должны превышать U = 0,24 Вт/(м²K).

Имплементация EnEV увеличила количество энергоэффективных реставраций и участила использование теплоизоляции. Постоянно растущие затраты на электроэнергию вынуждают как пользователей и владельцев зданий, так и инвесторов задуматься о снижении затрат на отопление и инвестировании в теплоизоляцию, а продолжающиеся дискуссии о здоровом образе жизни и ограничениях на выбросы CO2 для защиты климата привлекают все больше внимания к экологически чистым продуктам.
Начиная с середины 90-х годов доля рынка изоляционных материалов из возобновляемых ресурсов медленно, но неуклонно растет. С долей 32% (рис. 1) целлюлоза является вторым наиболее широко используемым натуральным изоляционным материалом после дерева. Рост спроса на природную изоляцию обеспечивают два основных фактора: глобальное изменение климата, сокращение ресурсов и более жесткие требования законодательства по утилизации и удалению отходов; растущее понимание свойств и возможностей экологических и устойчивых строительных материалов в сочетании с потребностью в более здоровых условиях жизни среди потребителей. Строительный сектор все чаще меняет свои приоритеты, чтобы использовать более экологичные и устойчивые изоляционные материалы и принципы построения.

Цель исследования

Взаимодействие между различными природными, экологическими материалами и их структурно-физическими свойствами будет играть ключевую роль в конструкциях будущего.

Среднего размера компания Betz Holzbau, расположенная в Германии, земля Гессен, ответила на этот вызов, разработав целлюлозный композитный элемент (CCE). В основе лежит идея естественного изоляционного элемента, появившаяся в 2008 году. За прошедшие годы CCE успел выйти на рынок и занять определенные позиции, открыв новые, более экологичные и устойчивые возможности для изоляции. Стоит отметить, что в этом сегменте на рынке традиционно доминировали такие материалы, как пенополистирол (EPS), экструдированный пенополистирол (XPS), стекло и каменная вата, полиуретан (PUR) или природные материалы, такие как волокна из мягкой древесины и древесная шерсть, конопля, лен и шерсть ягненка.

Продукт

CCE (рис. 2) был награжден «Немецкой инновационной премией» Федерального министерства экономики и энергетики в 2009 году и защищен патентом. В сентябре 2010 года была подана международная заявка на договор о патентной кооперации РСТ, и немецкий институт структурного проектирования (Deutsches Institut fur Bautechnik, DIBT) предоставил свое общее техническое одобрение 21 января 2016 года (номер официального утверждения: Z-23.11-2022).

CCE – это самонесущий изолирующий элемент, состоящий из листов 5-слойного гофрокартона толщиной 1,5 см (рис. 3) с профилем гофры CAA-n. Листы склеены поперек или параллельно в нескольких слоях экологическим способом при помощи экологического клея на основе картофельного и кукурузного крахмала. Профиль А имеет хороший амортизирующий эффект и большую высоту гофры, а также ширину шага (расстояние от пика до пика), чем профиль С. Листы склеиваются при помощи крахмала или клея на основе силиката натрия, в зависимости от предполагаемого назначения CCE.
В результате CCE имеют среднюю плотность ? = 125 кг/м³; они проницаемы и соответствуют Baustoffklasse (группа классификации огнеупорности) B2. Самонесущие стандартные элементы могут быть изготовлены длиной l = 125 см, шириной b = 62,5–245 см и толщиной d = 14,5–50 см. Это делает их пригодными для обычных модульных размеров стандартных секционных легковесных и деревянных конструкций. Благодаря волнистой структуре гофролиста в продольном и поперечном направлении имеются пустоты для воздушного пространства, которые обеспечивают хорошую теплоемкость и изолирующий эффект. При 0,045 Вт/мК теплопроводность CCE равна величине теплопроводности обычных изоляционных материалов.

По сравнению с обычными изолирующими материалами CCE имеют следующие преимущества:

• экологические клеи / адгезивные соединения;
• хорошая теплоизоляция;
• отсутствие пропитки связующим веществом;
• отсутствие минеральных волокон и химикатов;
• производятся из возобновляемого сырья;
• меньшее потребление ископаемых видов топлива;
• пригодны для переработки и многоразового использования;
• обеспечивают здоровый климат в помещении.

Кроме того, позитивные механические свойства, такие как малый вес конструкции, формоустойчивость, хорошая прочность и жесткость, облегчают изготовление CCE. Они могут быть произведены на заводе-изготовителе в виде готовых модулей, которые можно легко и быстро установить на месте. По сравнению с обычными изолирующими материалами CCE можно более легко и экономично утилизировать, поскольку они не являются опасными отходами.

Конкурентоспособность

Сравнительная оценка параметров изоляционных материалов, выполненных PTS и компанией Betz Holzbau, показала, что CCE представляют собой высококонкурентную, благоприятную альтернативу другим официально утвержденным изоляционным материалам (рис. 4). Со счетом 40 CCE равно шерсти ягненка и проигрывает только целлюлозе (оценка – 42).

CCE набрал очки в основном благодаря малому весу конструкции, благоприятному влиянию на потребление первичной энергии, экологическим адгезивам и полной перерабатывемости. Предусмотренная модифицированная версия – CCE plus – обеспечит еще более высокую устойчивость к влаге и плесени при более низких производственных издержках. Со счетом 47 CCEplus может стать лидером рынка в сегменте экологических изоляционных материалов.

Применение

CCE был одобрен для установки в качестве изоляционного материала для внутренних стен и потолков во всех зданиях классов 1–5. Автономный изоляционный элемент может быть установлен на крышах, потолках, полах и стенах (рис. 5 и 6), а также в виде изолирующего слоя на стенах из железобетона и кирпича, установлен как изолирующий слой между конструкционными опорами в деревянной, металлической и стальной стенках. В крышах или потолочных перекрытиях CCE может устанавливаться между балками или сверху стропил.

Кроме того, CCE могут использоваться для звукоизоляции, в качестве звукопоглощающих и огнестойких панелей или же изоляционных прокладок. Также CCE можно использовать для изоляции таких компонентов конструкции, как нагревательные трубы. Их применение возможно в многослойных стенах и элементах крыши в промышленных зданиях и выставочных залах, лестничных конструкциях, на солнечных станциях и фотоэлектрических системах. Для повышения звукопоглащающего, теплосберегеющего и пр. эффектов CCE могут быть усилены дополнительными деревянными компонентами или внешними покрытиями и/или настилом.

Материалами, усиливающими характеристики, могут служить цементная или гипсовая древесностружечная плита, ОСП, древесная или гипсокартонная плита и гипсокартон. Также возможно дополнительное покрытие из синтетических материалов, таких как акриловые листы, металлы, лаки, цветные гранулы, изоляционные обои или пленки и т. д.

Будущие исследования

Настоящее основное исследование компании Betz Holzbau фокусируется на:

1. модернизации целлюлозного композитного элемента (Cellulose Composite Element – CCE) до CCEplus. Betz Holzbau вместе с PTS Munich работает над улучшением влаго-, плесне- и огнестойкости, чтобы сделать будущий продукт CCEplus лидером рынка в области изоляционных материалов (рис. 4). Кроме того, планируется настроить технологические свойства изоляционного элемента, чтобы сделать его пригодным для серийного производства и эффективно выполнять крупные заказы клиентов;
2. улучшении моногибридного целлюлозного элемента (MHCE). MHCEs – это стабильные экологические элементы стены, разработаные Betz Holzbau в сотрудничестве с отделом структурного проектирования и строительной физики Технического Университета Дармштадта и компанией TSB Ingenieurgesellschaft mbH. Проект AiF финансировался Федеральным министерством экономики и энергетики в рамках Центральной инновационной программы для МСП.

Основным элементом продукта является ядро из гофрокартона с деревянной обшивкой с обеих сторон. Базовые элементы могут быть дополнительно улучшены при помощи покрытий. Элемент имеет как структурные, так и структурно-физические функции, позволяющие ему выдерживать нагрузки до 400 кН в зависимости от толщины стенки. MHCE могут быть расположены последовательно, чтобы образовывать легкие несущие перегородки или конструкционные стены для зданий классов 1–3.

Такие элементы могут производиться в различных модульных размерах на заводах по сборке и устанавливаться без деревянных, металлических или стальных подконструкций, необходимых для обычных каркасных конструкций. Они могут быть собраны на месте путем соединения отдельных модулей последовательно с помощью язычков из одного и того же материала. Для стен MHCE необходимы лишь в верхних и нижних пластинах сверху и снизу для обеспечения правильного распределения нагрузки и фиксации или для фрикционного соединения их с соседними компонентами. Транспортировку и установку значительно упрощает легкий вес элементов.

Следующим шагом должно стать официальное техническое одобрение стен MHCE в Немецком Институте Структурного Проектирования.

Резюме и перспективы

В результате поправки к Закону об энергосбережении (EnEV) 2014 года, продолжения политики низких процентных ставок и стабильного европейского строительного сектора ожидается, что доля рынка экологических изоляционных материалов в ближайшем будущем будет расти. Напомним, сейчас этот показатель равен 5%. Экологические, устойчивые изоляционные и строительные материалы лежат в основе нынешней и будущей культуры строительства зданий. CCE как экологические изоляционные элементы и MHCEs как структурные экологические стены – это продукты, которые будут одновременно и благом, и вызовом для будущего легкого строительства.