Муниципальное общеобразовательное учреждение «Майская гимназия Белгородского района Белгородской области» Исследовательская работа по теме: «Из каких материалов строить дом?» Автор: Макаренко Алексей Алексеевич ученик 4А класса МОУ «Майская гимназия Белгородского района Белгородской области » Научный руководитель: Сафонова Раиса Алексеевна учитель МОУ «Майская гимназия Белгородского района Белгородской области» Место выполнения работы: МОУ «Майская гимназия Белгородского района Белгородской области » 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение...................................................................................................................................... 3 1. Результаты анкетирования................................................................................................. 3 2. Из чего строили дома раньше............................................................................................. 4 3. Современные строительные материалы.......................................................................... 4 4. Экологически чистые строительные материалы........................................................... 6 5. Энергоэффективный и пассивный дом............................................................................ 7 6.Эксперимент........................................................................................................................... 9 7. Тепловое состояние жилых домов, выполненных из разных материалов................ 13 8. Практические рекомендации.............................................................................................. 14 9. Выводы................................................................................................................................... 16 Список использованных источников................................................................................... 16 2 Введение Почему эта тема заинтересовала меня? Наша семья давно мечтала построить теплый, уютный, светлый, прочный дом. На современном рынке огромный выбор строительных материалов. Очень проблематично определиться, из какого материала строить дом. А может необходимо строить дом из нескольких материалов? На ум приходит сказка о трех поросятах. Можно построить дом быстро и недорого, но в тоже время получить недолговечную, непрочную конструкцию. А при некотором старании и терпении можно построить теплый и прочный дом, на века. Целью данной исследовательской работы стало выяснение, из каких материалов можно построить теплый, надежный дом? Для достижения цели были поставлены следующие задачи: изучить из каких материалов строились дома раньше; выяснить, какие строительные материалы и технологии используются в строительстве сегодня; выяснить, какие есть экологически чистые строительные материалы; выяснить ориентировочную стоимость постройки домов из различных материалов; выяснить, что такое энергоэффективный дом; сравнить физико-механические свойства различных материалов; провести наблюдение за тепловым состоянием жилых домов, выполненных из различных материалов. дать практические рекомендации по применению строительных материалов. Гипотеза исследования: допустим, что невозможно построить современный дом из какого-то одного вида материала. В ходе работы необходимо подтвердить или опровергнуть данную гипотезу. Объект исследования: разные строительные материалы. Предмет - их характеристики и применение в малоэтажном строительстве. Практическая значимость работы – в процессе исследования выявить оптимальные строительные материалы для возведения малоэтажного дома. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: • анализ литературы, относящейся к объекту и предмету исследования; анкетирование; физический эксперимент; • обработка данных эксперимента, анализ и теоретическое обобщение. 1. Результаты анкетирования Понаблюдав за строящимися домами, мы сделали вывод, что в качестве строительного материала в большинстве случаев используют кирпич и пеноблок. Реже возводят деревянные дома. Мы провели опрос в школе среди 30 учащихся 4-х классов и выяснили следующее: - 57 % опрошенных учащихся построили бы дом из кирпича, 20% - из дерева, 17 % - из пеноблока, 6 % - из металла; - по 17 % опрошенных учащихся считают, что лучше сохраняет тепло кирпич и дерево, 60 % - пеноблок и всего лишь 6 % - металл; 3 - по мнению 60 % опрошенных учащихся самым прочным является металл, 27 % - кирпич, 10 % пеноблок и 3 % - дерево. 2. Из чего строили дома раньше В прошлом большая часть строительных работ осуществлялась силами одной семьи. Строительные материалы обычно были природными. В ход шли те, что были наиболее доступны в данной местности: дерево, глина, камень, кость, шкуры, солома. Первые кирпичи были изготовлены в Палестине около 8 тысяч лет назад. В настоящее время выбор материала дома во многом зависит от климата местности, в которой строится дом. В более холодных районах часто используют вместе различные материалы. Например, дерево – блок – кирпич. В теплых климатических зонах нет смысла возводить мощную многослойную конструкцию и дома, как правило, строят из какого-либо одного материала: кирпича, глины, дерева, ракушечника. 3. Современные строительные материалы Современный рынок предлагает множество новых, ранее неизвестных материалов: например, безобжиговый керамический кирпич, керамический поризованный кирпич, пеностекло, торсионный газобетон, теплостен. Безобжиговый керамический кирпич может применяться при закладке фундамента, возведении несущих стен и межкомнатных перегородок, для облицовки зданий и их внутренней отделки. При этом он устойчив к различным внешним негативным воздействиям. Керамический поризованный кирпич обладает отличными теплоизоляционными свойствами, отличной звукоизоляцией, это экологически чистый материал. Стены из этого кирпича возводят в 4 раза быстрей, чем из обычного кирпича. Для кладки в 4 раза уменьшается расход раствора, так как в вертикальных швах благодаря соединению "паз-гребень" не требуется раствор. Уменьшается расход отделочных растворов за счет получения ровной поверхности кладки. Пеностекло - универсальный теплоизоляционный материал представляет собой ячеистое стекло, состоящее из множества герметически замкнутых пузырьков шарообразной формы размером 0,5-0,2 мм. Данный материал позволяет полностью уйти от теплоизоляции стен зданий и сокращает расходы на отопление. Для создания торсионного газобетона использовались разработки нанотехнологий. Торсионный газобетон - это искусственный камень, способный плавать в воде, отвечающий всем требованиям нормативных документов, предъявляемым к строительным материалам. Его теплозащитные свойства в 2-3 раза выше, чем у керамического кирпича. Стена из этого материала «дышит», создавая оздоравливающий микроклимат, особенно полезный при легочных, сердечнососудистых и суставных заболеваниях, экологически чистый и радиационозащитный. Также при отоплении 4 дома, построенного из торсионного газобетона, расход газа на отопление сокращается в 1,5 – 2 раза. Теплостен представляет собой трехслойную конструкцию шириной всего 30 см. Первый слой – несущий, внутренний – утеплитель, а наружный – защитно-декоративный. Все слои армированы специальной строительной арматурой. Материал сравнительно легкий. Вес 1 рядового блока 20 кг. В 1 м3 42 блока, что соответствует 3,3 м2 стены. Блоки кладутся на специальный клей с высокой скоростью, что практически исключает «мокрый процесс» и технологические перерывы. Материал позволяет возводить самонесущие стены домов до трех этажей включительно с использованием любых типов перекрытий. Кладка стен ведется в один ряд, что обеспечивает высокую скорость возведения зданий и, одновременно, невысокую стоимость выполнения работ, так как оплачивается только одна операция – кладка блока. К тому же стены из многослойных блоков в два-три раза легче кирпичных и поэтому создают значительно меньшую нагрузку на фундаменты. Это позволяет на 20-30% снизить стоимость и трудоемкость работ. Кроме применения новых материалов, строители часто используют и новые технологии возведения жилых зданий и других строительных конструкций. Таким примером может служить технология каркасного строительства. Каркасные сооружения применяются повсеместно, с давних времен и по сей день. В качестве основного материала для каркасного строительства, как правило, используется дерево или металл. Выбор материала в основном обусловлен назначением здания – дерево до недавних пор использовалось, как правило, в малоэтажном загородном жилищном строительстве. Относительно недавно монополии дерева в возведении каркасных сооружений пришел конец, на смену привычным доскам все более активно приходит сталь. Олимпийский стадион в Сочи Большая ледовая арена для хоккея в Сочи Новый аэровокзальный комплекс аэропорта в городе Белгороде. 5 Для металла практических ограничений по назначению не существует. Например, в Европе с успехом строятся многоквартирные жилые дома с использованием одной из наиболее наукоемких современных технологий – быстровозводимых зданий из легких металлоконструкций (ЛМК). Технологии каркасного строительства позволяют в кратчайшие сроки возводить современные здания любого назначения, которые по долговечности не уступают зданиям, построенным по традиционным технологиям, а по ряду показателей имеют неоспоримое превосходство. 4. Экологически чистые строительные материалы При строительстве любого жилого дома должны использоваться только экологически чистые строительные материалы. На современном рынке можно найти много разновидностей данных изделий. Грунтоблок В состав грунтоблоков могут входить следующие компоненты: торф; хвоя; зола; цемент; опилки. Цемент является стабилизатором для всех остальных составляющих. Он обеспечивает устойчивость всей смеси к воздействию влаги. При строительстве домов нередко применяются и нестабилизированные грунтоблоки, иначе называемые кирпичом-сырцом. Они производятся из грунта. Данный материал обладает большим количеством преимуществ, к которым относятся: низкая цена, высокий коэффициент прочности, огнеупорность, невысокая теплопроводность. Грунтоблоки зачастую имеют нестандартную форму, это придает готовому зданию свой неповторимый облик. В этом случае не потребуется декоративная облицовка стен. Геокар В настоящее время на строительном рынке продается особый материал под названием геокар. В его основе находятся следующие компоненты: переработанный в пасту торф со стружкой; рубленая солома; древесные опилки. После тщательного просушивания сырья можно изготавливать торфоблоки. Торф выступает в качестве природного антисептика и убивает вредные микроорганизмы. Геокар считается одним из лучших экологичных строительных материалов. Он может быть использован в следующих случаях: возведение многоэтажных домов и хозяйственных построек; строительство несущих стен и перегородок; утепление зданий. Геокар считается относительно недорогим материалом. К его преимуществам относятся: долговечность; биологическая устойчивость; высокий уровень теплоёмкости; непроницаемость для радиоактивных лучей. Кроме этого геокар поглощает неприятные запахи, защищает от шумов. Он устойчив к процессам гниения. Торфоблоки широко используются в ходе строительных работ по причине легкости их обработки. Воздух в доме из геокара будет чистым и легким. В зимний период в таком доме будет очень тепло, а в летнее время – прохладно. Керпен Такой строительный материал, как керпен, отличается пористой структурой. Он изготавливается из природного сырья с использованием промышленных отходов. По своим экологическим свойствам керпен соотносится с обычным стеклом. Пеноматериалы применяются при строительстве зданий как элементы теплоизоляции и облицовки стен. Керпен характеризуется: морозостойкостью; долговечностью; устойчивостью к атмосферным неблагоприятным явлениям и воздействию влаги. При возведении экологически чистых домов предпочтительнее использовать материалы растительного и осадочного происхождения. К ним относят: ракушечник; дерево; солому; известняк; саман; мел; камыш и т.д. 6 Уникальные строительные материалы В качестве особого стройматериала можно использовать розовый артикский туф. Он поддается обработке топором и пилой. Из туфа изготавливаются прямоугольные блоки для кладки. Данный материал, как и керпен, отличается морозоустойчивостью и долговечностью, однако его не следует использовать при возведении многоэтажных домов. Материалы растительного происхождения, к которым относятся соломит и камышит, часто используют в строительстве малоэтажных зданий. Их основой являются солома и камыш. Они спрессованы в прямоугольные плиты и прошиты проволокой. В целях наибольшей устойчивости блока к воздействию грызунов в него добавляется небольшое количество бура либо извести. Достаточно давно известен и такой стройматериал, как саман. В его составе присутствуют глина, песок, солома и вода. Саман отличается проверенной веками прочностью и теплоустойчивостью. Дома из самана признаются лечебными. В составе этого материала присутствует радий, который в малых количествах благотворно воздействует на наше здоровье. Древесные материалы Следует сказать об экологически чистых древесных материалах. В качестве примера изготовленных из такого сырья сооружений можно привести фахверковые дома. Они являются своеобразным видом конструкции, в которых каркас состоит из наклонных и прямых балок. Пространство между ними заполняется деревом либо глинобитным материалом. Данная технология отличается высокими показателями надежности. Зидарит При каркасно-монолитном строительстве используют зидарит. Изделия из него водонепроницаемы, огнестойки, а также устойчивы к бактериям и насекомым. На 89% материал состоит из измельченной древесины, на 10% из цемента и на 1% — из жидкого стекла и воды. Плиты из зидарита применяют в качестве опалубки. Фибролит Похожим материалом является фибролит, который обладает более широким спектром применения. В его составе присутствуют: заполнитель, затвердитель и вяжущий компонент. В качестве заполнителя выступает «древесная шерсть». Это особо обработанная стружка мягких древесных пород. Бишофит, или кристаллическая морская соль, применяется в качестве затвердителя. Оксид магния является вяжущим компонентом. Фибролит применяется в качестве опалубки при монолитном и каркасном видах строительства. Это строительный элемент перекрытий, перегородок и внутренней отделки. Этот экологически чистый строительный материал отличается механической прочностью. Его основными преимуществами выступают: звукоизоляция; огнестойкость; теплоизоляция; легкость в применении. 5. Энергоэффективный и пассивный дом Энергоэффективный дом — это дом, который расходует не более 70 % электроэнергии по сравнению со стандартным (построенным с соблюдением всем нам знакомых норм). При этом для покрытия части энергетических затрат используют источники, которые могут возобновляться (тепло солнца и земли, силу ветра). Таким домом может считаться дом, у которого толщина изоляции 15 см + механическая вентиляция. 7 Дом с низким, экономным потреблением энергии — это дом, содержание которого по сравнению со стандартной постройкой требует не более 45% энергии. Толщина теплоизоляции 20 см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор). Пассивный дом — это дом с экстремально низким потреблением электроэнергии: максимум 30 % по сравнению со стандартным. Именно этот тип зданий станет обязательным в Евросоюзе уже с 2015 года. Столь незначительное потребление электроэнергии в пассивных домах возможно благодаря превосходной изоляции всех наружных стен, окон и дверей, ликвидации мостиков холода (см. словарик), использованию естественных источников тепла (людей, осветительных и электроприборов), а также получению значительного количества тепла из системы вентиляции, которая представляет собой ключевой элемент такой постройки. Толщина теплоизоляции 30 см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор) + ветряная электростанция. Дом с нулевым потреблением энергии — это экспериментальный дом, в котором вообще не используют общепринятые источники электроэнергии. Ни для обогрева, ни для освещения, ни даже для работы электроприборов. Более того, появились дома, которые могут вырабатывать электроэнергию, а ее излишки подавать в общую сеть. Но пока эти суперсовременные технологии слишком дороги, а их применение экономически неоправданно (Дом с нулевым потреблением электроэнергии – толщина теплоизоляции 40 см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор) + ветряная электростанция + водный резервуар как аккумулятор тепла). Ориентировочная стоимость постройки загородного дома из различных материалов представлена в таблице 1. Таблица 1 - Ориентировочная стоимость постройки загородного дома из различных материалов № Средняя стоимость за кв.м. Материал дома п/п общей площади, руб. 1. Деревянные дома: -Дом из лафета от 23 000 рублей за кв.м. -Дом из клееного профилированного бруса от 21 000 рублей за кв.м. -Дом из оцилиндрованного бревна от 12 000 рублей за кв.м. 8 2. 3. 4. -Дом из бруса Кирпичные дома Дома из газобетона, пенобетона Каркасный дом от 11 000 рублей за кв.м. от 17 000 рублей за кв.м. от 15 000 рублей за кв.м. от 8 000 рублей за кв.м. 6.Эксперимент Для того, чтобы окончательно убедиться в характеристиках основных строительных материалов, мы обратились на инженерный факультет Белгородской ГСХА им. В.Я. Горина в лабораторию исследования прочности материалов и конструкций. В лаборатории нам предложили провести испытания образцов из металла, дерева, кирпича на стендах с возможностью моделирования основных видов нагрузок: растяжение, сжатие, кручение, изгиб. На фото представлены образцы для испытаний при различных видах нагрузки до испытаний и после них. Растяжение – образцы Растяжение. Образцы, разрушенный и целый, из стали 9 Сжатие – образцы Сжатие. Разрушенные образцы из дерева (вдоль и поперек волокон), кирпича, металла Кручение – образцы Кручение. Разрушенные образцы из стали, дерева и чугуна 10 Изгиб – образцы Изгиб. Разрушенные образцы из металла и дерева При испытаниях на растяжение и кручение не использовались образцы из кирпича или бетона, так как они плохо выдерживают такие виды нагрузки, но зато они выдерживают достаточные для дома нагрузки на сжатие. На основании результатов эксперимента и обработки полученных данных мы построили диаграммы, наглядно показывающие, какое место занимают исследуемые материалы по прочности. МПа 500 400 300 200 100 0 Сталь Дерево Кирпич Средний предел прочности материалов при растяжении 11 МПа 600 500 400 300 200 100 0 Сталь Дерево Кирпич Средний предел прочности материалов при сжатии МПа 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Сталь Дерево Кирпич Средний предел прочности материалов при кручении МПа 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Сталь Дерево Кирпич Средний предел прочности материалов при изгибе Нужно отметить, что наибольшая прочность по все видам нагрузки, например, как у стали, не является показателем к постройке металлического дома. Важным показателем является также теплоизоляция. 12 Теплоизоляция построенного дома зависит от теплопроводности материалов, из которых он построен. Теплопроводность – это перенос тепла за счет движения молекул. Наилучший коэффициент теплопроводности – это теплопроводность сухого воздуха (неподвижного) составляет 0,023 Вт/(м*С), другими словами молекулы медленнее всего движутся в сухом воздухе. Поэтому, при производстве строительных материалов используют основной принцип – удержание воздуха в порах или ячейках материала. И, следовательно, чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше теплоизоляция. Ниже представлена диаграмма, характеризующая коэффициенты теплопроводности строительных материалов. Нужно сказать, что коэффициент теплопроводности, например, стали составляет 52, а алюминия вообще 237. Сравнительные коэффициенты теплопроводности материалов Однако, все равно, при строительстве домов используют и сталь, и алюминий. Металлоконструкции используют для усиления фундаментов в комбинации с бетоном, как несущие конструкции потолочных перекрытий. Каждый материал хорош в определенных условиях. Например, кирпич и бетон применяют для кладки стен и фундамента, дерево чаще используется для стен, а для фундамента его не применяют, так как оно гниет. Зато дерево можно использовать в комбинации с кирпичной кладкой, так как оно хорошо сохраняет тепло, или в качестве опорных элементов крыши дома. 7. Тепловое состояние жилых домов, выполненных из разных материалов Мы решили выяснить из какого строительного материала дома будут самые теплые. В качестве объектов наблюдения были использованы частные жилые помещения общей площадью 80–100 м2. Во всех домах были пластиковые окна, что сводит к минимуму потери через оконные проемы. Достаточно утеплен фундамент. 13 Таблица 2 - Значение температуры дневной и вечерней в домах из различного материала Температура Температура Разность Материал вечером, °С утром, °С температур, °С 24 20 4 25 20 5 Древесина 25 19 6 24 19 5 24 19 5 Среднее значение 24.4 19.6 4.8 24 19 5 25 18 7 Кирпич 24 18 6 25 19 6 23 18 5 Среднее значение 24.2 18.4 5.8 25 20 5 26 20 6 Пеноблок 25 20 5 26 21 5 24 20 4 Среднее значение 25.2 20.2 5 25 21 4 24 20 4 Каркасно25 20 5 утепленные 26 22 4 25 21 4 Среднее значение 25 20.8 4.2 Анализируя данные, представленные в таблице2, мы выяснили, что самыми теплыми оказались дома, выполненные из деревянного каркаса с использованием утеплителя из минеральной ваты и оббитые дополнительными материала. Затем следует дом из дерева и пеноблока. На последнем месте оказались дома выполненные из чистого кирпича. 8. Практические рекомендации По результатам исследований предлагается информационный листок «В ПОМОЩЬ ЗАСТРОЙЩИКУ». Макет листка приведен ниже. Каркасный дом Cрок службы и технические параметры современного каркасного дома часто оставляют далеко позади традиционное деревянное домостроение. Новые материалы и технологии позволяют создать в каркасном доме такой же внутренний климат, как и в 14 традиционном деревянном, при этом сократить затраты на отопление в несколько раз. В каркасном доме изначально удается заложить хорошие теплотехнические и влажностные характеристики. Каркасный дом - экологически чистый, комфортный и энергоэффективный. Облицовку каркасного дома можно выполнить таким образом, что он не будет отличаться от дома из кирпича или, например, от дома из цельных бревен. Дом из бруса Основным достоинством домов из бруса является то, что они «дышат» и удерживают тепло лучше, чем каменные дома. В таких домах складывается более приятный микроклимат для человека. В строительстве домов из бруса чаще используются хвойные породы: ель, лиственница, сосна, пихта, кедр. А для строительства несущих конструкций дома больше подходит сосна или лиственница. Особое значение имеет низкая теплопроводность древесины, поскольку, чем она ниже, тем будет теплее в вашем доме. Дом из бревна Дома из оцилиндрованного бревна имеют практически те же достоинства и недостатки, что и брусовые дома, кроме того, их нельзя утеплить, так как наружная поверхность стен является лицевой. Благодаря своим теплоизолирующим, энергосберегающим и экологическим характеристикам дерево снискало славу лучшего строительного материала. Дом из кирпича Дома из кирпича десятки лет будут сберегать тепло, приносить уют их хозяевам. Кирпичный дом - сооружение, которое вполне может передаваться по наследству на протяжении жизни нескольких поколений, как минимум в течении 100-150 лет. Основные достоинства кирпичных домов: долговечность, низкая подверженность атмосферным влияниям, не подверженность биологическим факторам, высокая прочность конструкции, высокая степень защищенности от возгорания. Дом из пеноблоков Качественные пеноблоки - это современный, эффективный, экологически чистый и экономичный при строительстве и эксплуатации материал. Их популярность в последнее время, обусловлена рядом преимуществ перед другими материалами. Обладая плотностью древесины, они абсолютно не горючи, химически нейтральны. По сравнению с традиционными строительными материалами (камень, кирпич, бетон) пеноблоки превышают их по тепло и звукоизоляционным характеристикам. Имея большие 15 размеры, они позволяют значительно уменьшить время и трудо-затраты на возведение наружных стен и внутренних перегородок. Монолитно-каркасный дом Монолитное малоэтажное строительство занимает мало времени по сравнению с тем сроком, который уходит на возведение кирпичных домов. Практика показывает, что строительство каркасно-монолитных домов можно завершить в 10 раз быстрее. Монолитно-каркасное строительство является одним из самых технологичных способов возведения домов. Гибкость технологии монолитного строительства коттеджей позволяет реализовать любой архитектурный замысел, создать любую форму постройки и рельеф фасада. Монолитное индивидуальное строительство выгодно – сокращенные сроки возведения здания позволят существенно сократить затраты. 9. Выводы Наша гипотеза о том, что невозможно построить современный дом из какого-то одного вида материала, нашла свое подтверждение. Как выяснилось, все строительные материалы имеют различные физико-механические свойства. Применение того или иного материала зависит от многих факторов, таких как климат, место постройки дома, назначение, то есть в каком конкретном месте дома будет применен материал – при постройке фундамента, стен, пола, перекрытий, крыши. В ходе работы мы выяснили, что самыми теплыми оказались каркасные дома, они же и самые дешёвые. Мы считаем, что данная работа поможет в выборе строительных материалов для постройки собственного дома. Список использованных источников 1. Востриков В.М. Строительные материалы. Изд: Вече 2004. – 176 с. 2. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов / Перевод с испанского. – М.: Эксмо, 2009. – 512 с. 3. Шепелев А. М. Как построить сельский дом. Изд: Стройиздат 1995. – 202 с. 4. Симонов Е. Н. Проектируем и строим дома сами. Питер 2011.- 208 с. 5. www. doma.ru 6. www. stroyportal.ru 7. www. bibliotekar.ru 8. www. deti74.ru 9. www. stroyu-dom-sam.ru 10. www. stroim31.ru 11. www. ppu.zp.ua 16