Перспективы применения аэрогеля в строительстве

"Научный аспект №6-2024" - Строительство и арх.

УДК 624

Краснов Дмитрий Кириллович – студент Санкт-Петербургского Государственного Архитектурно-строительного университета.

Аннотация: С каждым годом в технологии строительства внедряются новые материалы. Главной задачей инновационных материалов стоит улучшение механических, химических, физических и технологических свойств строительных материалов. Одним из таких материалов является аэрогель. Его область применения в строительстве расширяется из года в год. В будущем проектирование зданий и инженерных систем с использованием этого материала позволит добиться существенной экономии энергии и уменьшения воздействия на окружающую среду, что делает его одним из важнейших направлений развития на текущий момент.

Ключевые слова: аэрогель, применение аэрогеля в строительстве, теплоизоляция, современные технологии в строительстве, перспективность аэрогеля.

В современном мире чаще всего используемые для теплоизоляции материалы, например, пенополистерол и минеральная вата, являются не экологичными, в отличие от аэрогеля, значительно превосходящего их не только в показателе экологичности, но и в главном показателе для теплоизоляционных материалах – теплопроводности.   Аэрогель относится к наноматериалам, его структуру образуют сферические кластеры диаметром примерно 2-5 нм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом.

В ходе исследования был проведен обширный анализ существующих литературных источников с целью выявления перспектив применения аэрогелей в строительстве. Данный метод способствовал формированию теоретической базы исследования. Произведен сравнительный анализ различных типов аэрогелей с целью выявления их преимуществ и недостатков. Также были проведены испытания различных марок аэрогелей. Использования именно этих методов позволило выявить перспективы использования аэрогеля в строительстве.

Аэрогели делятся на три категории в зависимости от состава и специальных добавок:

  1. Кварцевые. С плотностью 1,9 кг/м³ они пропускают солнечный свет и обладают низкой теплопроводностью. Температура плавления — около 1200 °C.
  2. Углеродные. Высокая электропроводность делает их пригодными для использования в качестве электродов конденсаторов. Эффективно поглощают солнечный свет.
  3. Кремниевые. Изготавливаются из оксида алюминия с добавлением других металлов. Используются в качестве катализаторов.

Чаще всего в строительстве используют именно кварцевые аэрогели.

Технология создания кварцевого аэрогеля выглядит следующим образом:

  1. Подготовка реакционной смеси: необходимо подготовить реакционную смесь, содержащую тетраэтоксисилан (TEOS) в качестве исходного материала, этанол в качестве растворителя, воду для гидролиза и катализатор. Соотношение этих компонентов важно для контроля размера пор и плотности аэрогеля.
  2. Гидролиз TEOS: TEOS+4H2O→Si(OH)4+4C2H5OHTEOS+4H2O→Si(OH)4+4C2H5. Гидролиз TEOS приводит к образованию силанола (Si(OH)4), который является основой для дальнейшей полимеризации.
  3. Конденсация силанола: 2 Si(OH)4→Si-O-Si+4H2OSi(OH)4→Si-O-Si+4H2. Во время конденсации силанолы соединяются, образуя сетчатую структуру кремнезёма с высвобождением воды.
  4. Формирование и старение геля: после образования геля он должен пройти процесс старения, который может длиться от нескольких часов до нескольких дней. Во время этого процесса происходит укрепление связей в сетчатой структуре, что повышает прочность и стабильность аэрогеля.
  5. Сушка: самая критическая стадия, которая определяет качество аэрогеля, — это сушка. Существует несколько методов сушки:
  • Суперкритическая сушка: самый распространённый метод, при котором гель помещается в автоклав и подвергается воздействию суперкритического флюида (чаще всего CO2) при высоком давлении и температуре. Это позволяет избежать разрушения пористой структуры.
  • Амбиентная сушка: более дешёвый и менее сложный метод, но он может привести к уменьшению пористости и увеличению плотности аэрогеля.
  • Последующая обработка: после сушки аэрогель может подвергаться различным видам обработки, таким как:
  • Гидрофобизация: обработка поверхности аэрогеля для придания ему водоотталкивающих свойств.
  • Упрочнение: добавление компонентов для увеличения механической прочности.

Кварцевый аэрогель обладает следующими положительными свойствами (За основу для испытаний были взяты следующие марки аэрогеля: аэрогель Evergel, аэрогель Joda):

Физическими:

  1. Малая плотность, от 1 до 200 кг/м3. В следствии этого материал обладает малым весом
  2. Крайне высокая пористость, которая может достигать 99%. В следствии этого кварцевый аэрогель обладает низкой теплопроводностью (около 0,02 Вт/мК)
  3. Гидрофобность
  4. Низкая гигроскопичность
  5. Высокая огнеупорность
  6. Относится к классу НГ, что означает наличие керамической основы, или к классу Г1. Эти характеристики позволяют ему сохранять оптимальные рабочие свойства даже при повышенных температурах.

Механическими:

  1. Предел прочности на сжатие 30-50 кПА при сжатии на 10%.
  2. Прочность на отрыв параллельно лицевым плоскостям 100-600кПА
  3. Прочность на отрыв перпендикулярно лицевым плоскостям 8-300кПА

.В следствии своих свойств аэрогель в основном применяется в качестве гидро-, тепло- и шумоизоляции. Долговечность, эластичность и высокая прочность позволяет использовать изделия из аэрогеля на протяжение большого количества времени без потери его свойств. В современном строительстве аэрогель чаше всего применяется для теплоизоляции трубо- и нефтепроводов. Показатель теплопроводности аэрогеля значительно меньше, чем у привычных материалов, используемых для теплоизоляции, например, пенополистерола (λ = 0,03 Вт/мК) или минеральных ват (λ = 0,035 – 0,04 Вт/мК). В данный момент аэрогель не целесообразно применять в зданиях в качестве утеплителя, так как требуемое для утепления жилого здания количество аэрогеля будет стоить значительно дороже других видов теплоизоляции. Еще одним вариантом применения аэрогеля в строительстве является использование его в качестве включения в полость остекления для улучшения теплоизоляции стеклопакета. Он не ухудшает светопропускаемость стеклопакета, так как его коэффициент преломления меньше, чем у стекла (1,05 и 1,5 соответственно).

Двойное остекление с воздушной полостью 14 мм обычно имеет U-значение около 2,86 Вт/(м2К); нанесение покрытий с низким коэффициентом излучения (low-e) и заполнение аргоном (Ar) может еще больше снизить значение U до ~ 1,20 Вт/(м2К). Напротив, аналогичное значение U ~ 1,19 Вт/(м2К) может быть легко достигнуто путем заполнения воздушной полости обычного двойного остекления гранулами аэрогеля. Что еще более важно, тепловые характеристики остекления также можно контролировать путем модификации используемых материалов аэрогеля. Например, при увеличении толщины слоя аэрогеля с 14 до 30 мм соответствующие значения U могут быть дополнительно уменьшены до примерно 0,60 Вт/(м2К). Следовательно, тепловые характеристики аэрогелевого остекления могут быть предварительно разработаны, что многообещающе по сравнению с другими технологиями остекления [1].

Такое остекление применяется в Мюнхенском стадионе «Allianz arena».  Аэрогель, вставленный между слоями ETFE (панели остекления стадиона), помогает уменьшить теплопотери и поддерживать комфортные условия для зрителей внутри стадиона, не блокируя при этом естественный свет. Это инновационное решение позволило стадиону не только сэкономить на энергозатратах, но и создать уникальный визуальный эффект, благодаря прозрачности аэрогеля. Таким образом, «Allianz Arena» стала одним из первых примеров использования аэрогеля в крупномасштабных строительных проектах, демонстрируя потенциал этого материала в современной архитектуре. Также аэрогель может применяться при создании кирпича. Пустоты кирпича заполняются аэрогелем в следствии чего улучшаются его теплоизоляционные, прочностные и огнеупорные свойства. Очевидно, что аэрогель еще не занял лидирующие места среди теплоизоляционных материалов, но это обязательно произойдет.

В ходе исследования не преследовалась цель предложения новых методов применения тепловых насосов, скорее, рассматривались уже существующие варианты и анализировалась их эффективность. Исследование подтверждает, что область применения аэрогеля в строительстве расширяется с каждым годом. Результаты исследования, представленные в статье, способствуют дальнейшим исследованиям новых перспектив в применение аэрогеля.

В результате проведенного анализа можно сказать, что аэрогель является перспективным строительным материалом, который в будущем может произвести революцию в материалах теплоизоляции, за счёт своей низкой теплопроводности, легкого веса, высокой прочности и долговечности. Уже сейчас мы можем увидеть удачное применение аэрогеля в строительстве. Несмотря на главную проблему в его использовании – высокую стоимость, он уже сейчас является полезным материалом для проектировщиков.

Список литературы

  1. Копылов Андрей Борисович, Любин Никита Сергеевич, Герасимова Виктория Олеговна Применение аэрогеля при остеклении фасадов зданий // Вестник евразийской науки. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-aerogelya-pri-osteklenii-fasadov-zdaniy
Автор: Краснов Дмитрий Кириллович