Caramizile izolante constituie o alternativa interesanta la abordarea obisnuita a unei constructii stratificate, deoarece acestea incorporeaza atat functiile structurale, cat si pe cele termice ale anvelopantei cladirii. Produsele respective sunt disponibile in diferite variante, folosind ca solutie de izolare (material de umplutura) aerul, vata minerala, EPS sau perlitul. Astfel, se obtin conductivitati termice de pana la 70 mW/mK - 90 mW/mK ale produsului finit. O varianta care castiga tot mai mult teren in ultima perioada, a carei utilizare este deocamdata limitata de pretul ridicat, este constituita de caramizile in care perlitul este inlocuit cu un compus denumit aerogel, foarte izolant, care reduce si mai mult conductivitatea termica a materialului. Rezultatele cercetarilor comparate intre cele doua variante au indicat o scadere pronuntata a conductivitatii termice, de la nivelul de 91 mW/mK, pana la 59 mW/mK, ceea ce corespunde unei valori U (a coeficientului de transfer termic) de numai 0,157 W/mpK. Astfel, in cazul insertiei de aerogel, grosimea caramizilor izolante poate fi redusa in mod substantial, cu efecte benefice in materie de spatiu si libertate arhitecturala. 

 

Dupa cum se stie deja, arhitectura monolitica, definita prin constructia unei cladiri sau a unor parti ale acesteia dintr-un singur material, este o abordare care captiveaza constructorii si proiectantii, datorita simplitatii sale si evitarii detaliilor complicate, precum si a unor anumite probleme de fizica a constructiilor. In zonele caracterizate printr-o clima rece, insa, este dificil sa se gaseasca materiale care sa indeplineasca, in acelasi timp, cerintele structurale si pe cele de izolare impuse de legislatia moderna in ceea ce priveste anvelopanta cladirii. Acesta este motivul pentru care abordarea stratificata este foarte frecvent utilizata in prezent. In cadrul sistemului respectiv, functiile structurale si cele de termoizolare sunt separate si atribuite unor materiale diferite. O astfel de abordare necesita, de obicei, derularea in mai multe etape a procesului de constructie, ceea ce poate duce la cresterea destul de semnificativa a costurilor de executie. In plus, proiectarea deschiderilor si a articulatiilor din anvelopanta cladirii este mai complexa. Din acest motiv, cercetatorii au dezvoltat o serie de materiale monolitice, cele mai comune fiind, probabil, betonul izolant, betonul aerat autoclavizat (BCA) si caramizile izolante. Adesea, solutiile mentionate anterior sunt realizate la grosimi mai mari, pentru a atinge aceleasi performante structurale si termice precum cele aferente unei constructii stratificate. Prin inlocuirea umpluturii de perlit a unei caramizi izolante cu una pe baza de aerogel, a fost deschisa calea reducerii semnificative a conductivitatii termice, cu efect direct in sensul cresterii performantei anvelopei sau diminuarii grosimii acesteia.

 

De regula, aceasta categoria de produse asigura un compromis destul de bun intre proprietatile mecanice si cele termice, fiind recomandate inclusiv pentru cladirile multietajate. Pentru atingerea obiectivelor de termoizolare este necesar un singur strat, nu este nevoie de lucrari de cofrare (spre deosebire solutiile pe baza de beton), se ating conductivitati termice relativ scazute, iar caramizile permit difuzarea optima a vaporilor. Unele variante prezinta un numar ridicat de mici cavitati umplute cu aer sau cu un alt material, altele prezinta goluri mai mari in care se introduc diverse materiale ce indeplinesc functia de termoizolare. Ca masura a performantei termice, de obicei se ia in considerare conductivitatea termica echivalenta, reprezentand conductivitatea termica efectiva a unui material compozit, care este alcatuit din doua sau mai multe elemente. In cazul caramizilor izolante disponibile in comert, conductivitatea termica echivalenta declarata de producator se bazeaza de obicei pe simulari ale transferului termic in caramizi si nu pe o masurare a fluxului de caldura aferent intregului produs. Blocurile ceramice umplute cu aer au valori declarate ale conductivitatii termice echivalente de pana la 90 mW/mK, in timp ce variantele ce contin in structura lor materiale izolante prezinta valori declarate de pana la 70 mW/mK. O serie de cercetatori au elaborat rapoarte privind performanta termica a caramizilor obisnuite si a celor izolante, folosind, de exemplu, o instalatie cu placa fierbinte pentru a studia diferite modele din lut si beton cu sau fara umplutura, iar in urma masuratorilor au identificat conductivitati termice echivalente situate intre 260 mW/mK si 980 mW/mK. 

 

Principala concluzie este ca majoritatea caramizilor nu au fost optimizate in mod deosebit in ceea ce priveste proprietatile lor termice. Alti experti au determinat conductivitatea termica echivalenta a caramizilor izolante cu cavitati mici cu diferite umpluturi - si anume aer, spuma poliuretanica, EPS si vata minerala - iar pentru aceasta, ei au folosit un dispozitiv de tip hot-box, adica doua camere cu temperaturi diferite, separate de materialul studiat. Cea mai mare conductivitate termica a fost raportata pentru aer (124 mW/mK), iar cea mai mica pentru vata minerala (77 mW/mK). Influenta umplerii unei parti sau a intregii caramizi cu perlit a fost studiata prin metode numerice la randul sau, specialistii constatand o majorare de 28% a performantei de izolare atunci cand intreaga caramida a fost umpluta cu perlit in loc de aer. S-au realizat simulari cu elemente finite pentru a determina inclusiv din punct de vedere numeric conductivitatea termica a unei caramizi izolante disponibile in comert, prevazuta cu diferite umpluturi. Folosind date de intrare pentru conductivitatile termice determinate experimental prin metoda impulsurilor, au fost identificate conductivitati termice de 74 mW/mK pentru umpluturile din EPS si PU, respectiv de 71 mW/mK pentru cele din vata minerala. Modul in care argila din care sunt executate caramizile izolante poate fi optimizata a fost demonstrat de alti experti, care au masurat conductivitatea termica a lutului la care s-au adaugat diferite cantitati de aditivi reziduali, rezultand o scadere a conductivitatii termice de la 680 mW/mK la modelul fara adaosuri, pana la 390 mW/mK pentru variantele cu 30% adaosuri. Aceasta imbunatatire a proprietatilor termice a fost insotita de o scadere a rezistentei la compresiune de la 31 MPa la 7 MPa. 

 

Deoarece exista o limita inferioara clar definita pentru conductivitatea termica obtinuta prin intermediul materialelor de umplutura utilizate in prezent, a aparut ideea folosirii unei solutii de umplere foarte izolante - aerogelul - caracterizate printr-o conductivitate termica care este aproximativ jumatate din cea a materialelor conventionale. Scopul a fost de a reduce fie conductivitatea termica a caramizilor izolante, fie grosimea necesara pentru o valoare U data. Aerogelul pe baza de siliciu este, prin definitie, un material izolant destul de nou, care prezinta conductivitati termice foarte scazute, cuprinse intre 15 mW/mK si 19 mW/mK, fata de 25 mW/mK pana la 45 mW/mK in cazul solutiilor comune. In plus, produsul favorizeaza difuzia vaporilor, este hidrofob si are performante bune la foc. Actualmente, pe piata materialelor de constructii sunt disponibile diferite tipuri de produse ce includ aerogel, cum ar fi placi, tencuieli, granule si elemente translucide. De exemplu, granulele de aerogel, care pot fi compactate in placi sau utilizate ca aditivi pentru tencuieli, sunt cele mai economice in ceea ce priveste productia. Acesta a fost motivul pentru care expertii au dezvoltat un amestec sub forma de pasta de granule de aerogel pentru a-l utiliza ca umplutura pentru caramizi izolante, rezultand asa-numitul aerobrick. Amestecul poate fi inserat in mod facil in cavitatile blocului ceramic si prezinta forte ridicate de adeziune la argila, ceea ce elimina eventualele dificultati de manevrare.

 

Pentru a determina diferentele fata de produsele cu insertie de perlit s-a folosit un dispozitiv cu placa incalzita. Pentru masuratori, au fost utilizate caramizi izolante uzuale, alese aleatoriu, a caror latime a fost redusa de la 365 mm la mai putin de 200 mm, prin sectionarea longitudinala a produsului in zona sa mediana. Ulterior, laturile taiate au fost slefuite pentru a obtine suprafete netede. Astfel, au fost pregatite 16 caramizi de dimensiunea 3 x 7 cavitati cu umplutura de perlit. Inainte de masurarea conductivitatii lor termice, caramizile taiate au fost conditionate timp de aproximativ o saptamana intr-o camera climatica la o temperatura de 23°C si o umiditate relativa de 50%, timp in care modificarea greutatii a fost mai mica de 1/1000, indicand un continut stabil de apa. Granulele de aerogel disponibile pe piata au fost legate intr-un compus stabil din punct de vedere mecanic cu ajutorul unui liant organic care se intareste prin uscare in aer liber. Conductivitatea termica a patului granulat este de 18 mW/mK - 20 mW/mK, conform specificatiilor producatorului, cu o densitate de 65 kg/mc - 85 kg/mc (in functie de grosimea patului). Au fost pregatite mai multe probe de compus cu dimensiunea de 50 x 50 x 10 mmc, iar conductivitatea lor termica a fost determinata cu ajutorul aparatului cu placa incalzita, obtinandu-se rezultate cuprinse intre 18 mW/mK si 19 mW/mK. Rezistenta la compresiune a compusului testat pe un cub de 50 x 50 x 50 mmc a fost de 24,7 kPa. Dupa determinarea conductivitatii termice a caramizilor umplute cu perlit, materialul initial a fost indepartat si inlocuit compusul pe baza de aerogel. Blocurile ceramice au fost din nou depozitate in camera climatica la 23°C si 50% RH, pana cand scaderea greutatii a atins niveluri sub valoarea de 1/1000. Pentru determinarea conductivitatii termice a caramizilor si a materialelor care le compun s-au utilizat doua dispozitive de masurare cu placi fierbinti: unul la scara mare, in conformitate cu normele relevante si celalalt la scara mica, pentru testele pe esantioane de mai mici dimensiuni. Procedura a fost utilizata pentru ambele tipuri de umpluturi. In plus, folosind proprietatile fizico-chimice ale argilei, perlitului si aerogelui, conductivitatea termica echivalenta a fost determinata numeric, utilizand o aplicatie software speciala. 

 

Rezultatele masuratorilor indica faptul ca modelele cu umplutura de perlit au o conductivitate termica de aproape 91 mW/mK, care scade la 59 mW/mK atunci cand materialul de insertie este inlocuit cu aerogel. In cazul simularilor, datele obtinute au fost cu 4-7 mW/mK mai mici. Toate acestea indica o scadere clara a conductivitatii termice de peste 30 mW/mK sau de aproximativ 35%. Se demonstreaza, astfel, ca utilizarea unui material de umplutura mai performant poate imbunatati in mod semnificativ proprietatile termice ale caramizilor. Prin urmare, se poate obtine o valoare U mai buna sau se pot utiliza caramizi mai subtiri. De subliniat insa ca, pentru ambele tipuri de umplutura, simularile au generat o conductivitate termica usor inferioara celei obtinute in cadrul masuratorilor, iar diferentele ar putea fi explicate prin aparitia unor erori ale parametrilor de intrare sau prin existenta unor deficiente ale metodei de masurare. In mod ideal, desigur, proprietatile termice ale caramizilor ar trebui sa fie determinate intr-o instalatie de tip hot-box, o astfel de configuratie fiind mai precisa si reflectand mai bine conditiile reale de aplicare a caramizilor (deoarece acestea sunt asezate in pozitie verticala, iar mortarul este, de asemenea, luat in considerare). Un alt avantaj al cutiei fierbinti este ca, in cazul caramizilor cu goluri de aer, transferul de caldura prin convectie este masurat corect. 

 

Dupa cum se mentiona anterior, in prezent solutia pe baza de aerogel este prohibitiv de scumpa, preturile actuale de pe piata fiind de aproximativ 3.000 de euro/mc. Avand in vedere faptul ca o mare parte din volumul de caramizilor cu cavitati este ocupat de materialul de umplutura, costul suplimentar al solutiilor aerobrick pentru un metru patrat de anvelopa a cladirii este de aproximativ 1.000 de euro. Deoarece este probabil ca preturile aerogelului sa scada pe termen scurt si mediu, estimandu-se cel putin o injumatatire fata de nivelul actual, aceasta solutie ar putea deveni mai fezabila. In plus, datorita performantei ridicate a produselor respective, ele ar putea deveni preferabile din punct de vedere economic, intrucat asigura performante termice similare la grosimi mult mai mici. Desigur, acest lucru ar necesita o analiza suplimentara amanuntita a proprietatilor mecanice ale caramizilor cu aerogel. In concluzie, se poate afirma ca cercetatorii care au participat la studiile realizate in ultima perioada au demonstrat, fara putinta de tagada, o scadere puternica a conductivitatii termice, situata la aproximativ 35%, obtinuta prin inlocuirea umpluturii lor de perlit cu un compus pe baza de granule de aerogel. Desi studiile nu au luat in considerare mortarul dintre caramizi si nu au fost realizate in conditiile de precizie asigurate de un sistem de tip hot-box, masuratorile au dovedit un grad ridicat de fiabilitate. Cu o valoare a coeficientului de transfer termic de 0,157 W/mpK, caramida aerobrick in marime naturala s-a dovedit a avea proprietati excelente de termoizolare. Avantajele sunt multiple si rezida fie in imbunatatirea eficientei energetice a cladirilor, fie in obtinerea unor economii importante de spatiu, fapt relevant in zonele cu o densitate demografica ridicata, cum ar fi centrele urbane, unde aplicatiile anvelopantelor monolitice subtiri sunt la mare cautare.