Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ поставленной цели и пути ее решения . 12
1.1 Основные схемы утепления здания 12
1.2 Применяемые виды финишной отделки 18
1.3 Декоративно-защитная плита как новая разновидность обли-цовки . 22
1.3.1 Виды основы . 24
1.3.2 Виды связующего . 33
1.3.3 Виды материала декоративного слоя . 37
1.4 Применяемые подходы к изучению основных свойств декора-
тивно-защитных плит 38
1.4.1 Прочность и долговечность твердых тел . 39
1.4.2 Твердость твердых тел . 42
1.4.3 Теории адгезии . 43
1.4.4 Микроскопическая теория теплового расширения . 45
1.5 Выводы 46
2 Методические вопросы 47
2.1 Выбор исходных материалов 47
2.1.1 Выбор основы . 47
2.1.2 Выбор связующего . 52
2.1.3 Выбор материала декоративного слоя . 53
2.1.4 Выбор агрессивных сред . 54
2.2 Технология изготовления образцов 55
2.3 Экспериментальное оборудование . 57
2.4 Методика проведения испытания . 61
2.4.1 Определение максимального и оптимального расхода ма-териалов декоративного слоя . 61
2.4.2 Климатические испытания 61
2.4.3 Определение прочности при изгибе . 62
2.4.4 Определение твердости декоративного слоя . 63
2.4.5 Определение долговечности . 63
2.4.6 Определение адгезии . 64
2.4.7 Определение водопоглощения и набухания 64
2.4.8 Определение коэффициента линейного термического рас-ширения 65
2.4.9 Определение коэффициента теплопроводности и теплово-го сопротивления . 65
2.5 Методика обработки экспериментальных данных . 66
2.5.1 Расчет прочности 66
2.5.2 Расчет твердости 67
2.5.3 Расчет термофлуактационных констант в обобщенном уравнении Журкова . 67
2.5.4 Расчет адгезии 68
2.5.5 Расчет водопоглощения и набухания . 68
2.5.6 Расчет коэффициента линейного термического расшире-ния . 68
2.5.7 Расчет коэффициента теплопроводности и теплового со-противления . 69
2.6 Математическое планирование эксперимента . 69
2.7 Выводы 75
3 Исследование основных эксплуатационных свойств декоративно-защитных плит 76
3.1 Максимальный и оптимальный расход материала декоратив-ного слоя 76
3.2 Прочность при поперечном изгибе 81
3.3 Адгезионная прочность соединения «связующее – основа» . 83
3.4 Твердость декоративно-защитных плит 84
3.5 Водопоглощение и набухание 86
3.6 Коэффициент линейного термического расширения при соче-
тании органических строительных материалов . 92
3.7 Коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление. 95
3.8 Выводы . 97
4 Влияние неблагоприятных факторов на свойства декоративно-защитных плит 99
4.1 Влияние атмосферных воздействий на свойства декоративных плит . 99
4.1.1 Влияние атмосферных воздействий на прочность . 100
4.1.2 Влияние атмосферных воздействий на твердость 102
4.1.3 Влияние атмосферных воздействий на изменение массы 108
4.1.4 Анализ полученных экспериментальных данных . 112
4.1.5 Влияние атмосферных воздействий на водопоглощение и набухание . 113
4.1.6 Влияние атмосферных воздействий на коэффициент ли-нейного термического расширения . 118
4.2 Влияние жидких агрессивных сред на свойства декоративно-защитных плит . 122
4.2.1 Влияние жидких агрессивных сред на прочность 123
4.2.2 Влияние жидких агрессивных сред на процессы поглоще-ния и набухания 126
4.2.3 Влияние пресной воды на коэффициент линейного терми-ческого расширения 128
4.3 Выводы 130
5 Долговечность и экономическая обоснованность применения декоративно-защитных плит 133
5.1 Долговечность декоративно-защитных плит 134
5.2 Сравнительный анализ стоимости основных фасадных обли-цовочных материалов 139
5.3 Сравнительная характеристика технологий устройства фасадов . 143
5.4 Область применения 147
5.5 Выводы 149
Основные выводы . 151
Список литературы
- Декоративно-защитная плита как новая разновидность обли-цовки
- Технология изготовления образцов
- Адгезионная прочность соединения «связующее – основа»
- Влияние атмосферных воздействий на водопоглощение и набухание
Декоративно-защитная плита как новая разновидность обли-цовки
Выбор конкретного варианта системы утепления здания выполняется на основе анализа его достоинств и недостатков [12].
Безотказный срок службы утеплителя в многослойной конструкции стены значительно ниже безотказного срока службы материала несущей конструкции. Под безотказностью понимается способность материала сохранять свою работоспособность в определенных режимах эксплуатации без вынужденных перерывов на ремонт. Таким образом, теплоизоляционный слой в многослойной конструкции стены необходимо периодически визуально контролировать и по мере необходимости ремонтировать, что является проблематичным при системе утепления типа «сэндвич», при которой утеплитель располагается между несущими конструкциями (рисунок 1а).
При расположении теплоизоляционного слоя внутри здания (рисунок 1б) в местах опирания междуэтажных перекрытий на несущие стены, а также в местах примыкания внутренних несущих стен или перегородок к внешним стенам возникают так называемые мостики холода, повышенная теплопередача через которые приводит к ряду негативных последствий [13]: возрастает потребление энергии для отопления здания; на поверхности строительных элементов температуры становятся ниже, что может привести к образованию конденсата, накоплению влаги, появлению плесневого грибка. Нейтрализовать негативные действия мостиков холода можно путем увеличения толщины утеплителя в местах их образования. Однако это приведет к ухудшению эстетических качеств помещения и перерасходу строительных материалов. К недостаткам такой системы утепления относится необходимость демонтажа отопительных приборов и разборку конструкции полов в местах их примыкания к наружным стенам при производстве работ по утеплению. Производство данных работ сопряжено с отселением жильцов, что создает дополнительные неудобства. Также при такой системе утепления происходит уменьшение объема помещения.
К достоинствам можно отнести уменьшение теплопотерь в углах здания и возможность производства работ без специальных средств подмащивания. Приведенные недостатки перевешивают достоинства системы утепления по схеме «утеплитель внутри здания». Следовательно, внутренняя теплоизоляция зданий должна выполняться только в крайних случаях, когда по объективным причинам не могут быть применены другие системы утепления.
Вариант устройства дополнительной теплоизоляции снаружи здания (рисунок 1.1в) лишен недостатков присущих предыдущему варианту: площадь помещений сохраняется, технология позволяет производить работы по утеплению зданий без выселения жильцов или создания им дискомфортных условий проживания, проблема возникновения мостиков холода отпадает [14]. Рассматриваемый вариант утепления обеспечивает защиту материала несущих конструкций от негативных атмосферных воздействий, что приводит к увеличению его долговечности. Также к увеличению долговечности основных несущих конструкций приводит исключение возможности появления трещин вследствие неравномерных температурных деформаций, т.к. при расположении утеплителя снаружи здания температурные колебания основного массива стены выравниваются. К достоинствам рассматриваемого варианта утепления также относится сдвиг точки росы во внешний теплоизоляционный слой [15], благодаря чему исключается возможность отсыревания внутренней части стены, а в массиве стены создается благоприятный режим ее работы, который исключает необходимость устройства пароизоляции.
При одной и той же толщине слоя утеплителя кирпичные стены с внутренней теплоизоляцией при отключении источника тепла остывают в 6 раз быстрее стен с наружной теплоизоляцией [16], т.е. при устройстве наружной теплоизоляции теплоаккумулирующая способность массивной части стены выше тепло-аккумулирующей способности стены при внутреннем утеплении. Поэтому при наружном утеплении зданий кратковременные притоки холодного воздуха при открывании дверей и окон, колебании уровня теплоотдачи систем отопления и колебании температуры наружного воздуха не сильно сказываются на внутреннем микроклимате помещений.
К недостаткам наружного утепления зданий относится необходимость применения специальных средств подмащивания и необходимость защиты теплоизоляционного слоя, имеющего низкие эксплуатационные характеристики. Приведенные недостатки и меры по их устранению не перевешивают достоинства наружного варианта утепления зданий. Следовательно, система утепления здания, при которой теплоизоляционный слой располагается снаружи, является оптимальной.
Вопрос защиты теплоизоляционного слоя от атмосферных воздействий в настоящее время решается путем устройства финишной облицовки фасадов здания. Разнообразие современных защитно-отделочных и теплоизоляционных материалов позволяет применять различные конструктивно-технологические решения дополнительной теплоизоляции стен (рисунок 1.2) [17].
Технология изготовления образцов
Лист фанеры, как правило, имеет нечетное количество слоев, которые уложены симметрично относительно центрального слоя [41], что позволяет фанере сопротивляться короблению. Такая структура типа «сэндвич» характерна для промышленно выпускаемой фанеры и называется трехслойной, пятислойной, семислойной и т. д. В фанере с четным количеством листов шпона два центральных укладываются продольно, а последующие – также как и в первом случае [42]. Такая укладка повышает механическую прочность фанеры и делает ее одинаковой во всех направлениях. Лист шпоновой фанеры набирается из слоев шпона одной древесной породы.
В зависимости от внешнего вида поверхности шпона, лицевого и оборотного слоев, фанеру подразделяют на сорта (E/I, I/I, I/II, II/II, II/III, II/IV, III/III, III/IV, IV/IV и т.д.) [18]:
Сорт Е - без видимых пороков и дефектов обработки. Допускается лишь незначительное отклонение в строении древесины случайного характера, кроме темных глазков. Не допускаются: частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие сучки, отверстия от них, червоточина, здоровые сросшиеся сучки, незначительные коричневые прожилки и др. Покрывается или не покрывается лаком. Отечественная промышленность практически не изготавливает высококачественную фанеру, аналогичную сорту Е;
Сорт I - практически без дефектов. Допускаются частично сросшиеся, не-сросшиеся, выпадающие сучки, отверстия от них, червоточина диаметром не более 6 мм в количестве 3 шт. на 1 м2, допускается также не более 5 здоровых сросшихся сучков на 1 м2 диаметром до 15 мм и незначительные коричневые прожилки. Покрывается или не покрывается лаком. Используется для изготовления ламинированной фанеры;
Сорт II - допускаются частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие сучки, отверстия от них, червоточина диаметром не более 6 мм в количестве 6 шт. на 1 м2, допускается также не более 10 здоровых сросшихся сучков на 1 м2 диаметром до 25 мм, допускается починка поверхности листа. Сучки и откры 32 тые дефекты заделываются вставками из шпона. Покрывается различными отделочными материалами и красками;
Сорт III - допускаются частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие сучки, отверстия от них, червоточина диаметром не более 6 мм в количестве 10 шт. на 1 м2 поверхности листа, допускается также здоровые сросшиеся сучки без ограничения количества. Предназначается для изготовления конструкций, скрытых от внешнего обзора, различной специальной тары и упаковки;
Сорт IV - допускаются все производственные дефекты. Частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие сучки, отверстия от них, червоточина допускаются в неограниченном количестве диаметром не более 40 мм. Гарантируется только хорошая склейка. Используется для изготовления прочной тары и упаковки.
Фанеру подразделяют по степени механической обработки поверхности на нешлифованную (НШ), шлифованную с одной стороны (Ш1) и шлифованную с двух сторон (Ш2) [43].
По водостойкости фанера подразделяется на марки [43]: ФК – фанера, склеенная карбамидной смолой (используется внутри помещений); ФСФ - фанера, склеенная фенольной смолой (используется как внутри помещений, так и снаружи); ФБ – бакелизированная фанера – пропитанная бакелитовым лаком (используется в тропическом климате, агрессивных средах и морской воде).
Условное обозначение фанеры состоит из наименования продукции, породы древесины наружных и внутренних слоев, марки, сочетания сортов шпона наружных слоев, класса эмиссии, вида обработки поверхности, размеров, обозначения стандарта [44,45]. Фанеру изготавливают длиной от 1,5 до 3,66 м при ширине 1,2, 1,22 и 1,25 м. Толщина фанеры изменяется в диапазоне от 3 до 30 мм. Условное обозначение березовой фанеры марки ФК с сочетанием сортов шпона наружных слоев I/III, классом эмиссии Е1, шлифованной с двух сторон, длиной 2440 мм, шириной 1525 мм, толщиной 9 мм выглядит следующим образом: фанера ФК, I/III, Е1, Ш2, 2440х1525х9 ГОСТ 3916.1-96. В наружных слоях фанеры не допускаются пороки древесины и дефекты обработки, превышающие ограничения. Во внутренних слоях фанеры могут быть пороки древесины и дефекты обработки, не влияющие на ее качество и размеры [46].
Полиэфирная смола состоит из базовой смолы, разбавленной стиролом (рисунок 1.8). Для приготовления базовой смолы ангидриды, многоосновные кислоты и гликоли, получаемые из бензола, пропилена и этилена, смешивают вместе и "варят" в больших емкостях. В полиэфирную смолу вносят добавки, определяемые спецификой сферы применения конкретной смолы. Введение наполнителей, акселераторов и прочих модификаторов приводит к появлению множества разновидностей полиэфирных смол.
Адгезионная прочность соединения «связующее – основа»
Технология изготовления декоративно-защитных плит состоит из четырех основных этапов [71]: 1) подготовка основы; 2) подготовка связующего; 3) нанесение связующего на основу в течение времени жизнеспособности клеевого состава; 4) нанесение материала декоративного слоя на связующее.
На первом этапе производства из выбранной основы выпиливаются плиты необходимых размеров с последующей очисткой поверхности от пыли, масляных пятен и т.п.
Чтобы смола полностью полимеризовалась, требуются еще два дополнительных компонента. Первый называется акселератором (активатором), второй - катализатором (отвердителем). Компоненты выступают в паре и способствуют ускоренному отверждению смолы. Фактически катализатор выступает тем источником внутреннего теплообразования, за счет которого и происходит отверждение, а акселератор делает этот процесс возможным при естественной температуре без применения внешних источников тепла. Соотношение компонентов определяет ход отверждения и время необходимое для превращения смолы в твердое состояние. В результате процесса полимеризации не образуются побочные продукты.
Катализаторы и акселераторы являются веществами, которые работают в определенных комбинациях. Стандартным акселератором для полиэфирной смолы является вещество именуемое на техническом языке нафтенатом кобальта (жидкость пурпурного цвета), а в качестве катализатора для нее выступает пероксид метилэтилкетона. Для эпоксидной смолы катализатором выступает полиэтиленполиамин [72,73].
Тепло, производимое катализатором и акселератором, когда они смешиваются в смоле, является результатом быстрого окисления, его скорость зависит от количества и пропорций компонентов, окружающей температуры на рабочем месте и еще нескольких дополнительных факторов. Пероксид метилэтилкетона в своем чистом виде слишком взрывоопасен, поэтому он поставляется в виде смеси с инертным растворителем и перекисью водорода.
На основании вышеизложенного для подготовки связующего на втором этапе выполняются следующие технологические операции: 1) определение необходимого количества смолы; 2) добавление к смоле акселератора (0,5 % от массы полиэфирной смолы); 3) перемешивание смолы с акселератором в течение двух минут; 4) добавление к полученной смоле катализатора (2 % и 10 % от массы полиэфироной и эпоксидной смолы соответственно); 5) перемешивание полученной смолы с катализатором в течение двух минут.
На третьем этапе подготовленное связующее наносится на основу в течение времени жизнеспособности клеевого состава (от 30 до 60 мин). Под временем жизнеспособности понимается время, прошедшее с момента введения катализатора до желеобразного состояния [74]. Связующие должно наносится равномерно толщиной 1 – 2 мм специальным оборудованием для нанесения клея.
На последнем этапе производства материал декоративного слоя наносится на связующее. Технологический перерыв между третьем и четвертым этапом не должен превышать 5 минут. Для завершения процесса полимеризации смолы требуется 2 суток. Процесс протекает при комнатных температурах.
На протяжении всего процесса изготовления декоративно-защитных плит необходимо следить за технологическими параметрами. На производстве параметры могут отличаться от приведенных. Это связано с тем, что в настоящее время химическая промышленность производит множество разновидностей по 56 лиэфирных и эпоксидных смол с широким диапазоном свойств. Причем даже две партии смолы одной марки, выпущенных на разных заводах, имеют отличающиеся друг от друга свойства. Следовательно, оптимальные технологические параметры производства декоративно-защитных плит рекомендуется определять опытным путем непосредственно на заводе для каждой новой партии смолы. Единственно следует иметь в виду некоторые особенности работы со смолой. К примеру, высокая влажность тормозит отверждение, а низкая ускоряет. При хранении катализаторы теряют свои свойства, поэтому с несвежим катализатором для достижения того же времени желатинизации требуется большее его количество. Смола отверждается быстрее, будучи в компактном объеме и медленнее, будучи распределенной, по большой поверхности в форме тонкого слоя. С падением температуры на каждый градус Цельсия время жела-тинизации полиэфирной смолы увеличивается на 6-10 минут.
Для проведения испытания в лабораторных условиях изготавливались образцы декоративно-защитных плит площадью: 1х5 см (определение коэффициента линейного термического расширения); 1х12 см (определение прочности при поперечном изгибе и долговечности); 5х5 см (определение поглощения, набухания и твердости); 10х10 см (определение максимального и оптимального расхода декоративного слоя, а также теплопроводности и теплового сопротивления); 5х5 см. + 5х10 см (определение адгезионной прочности соединения «связующие – основа»).
Влияние атмосферных воздействий на водопоглощение и набухание
После ультрафиолетового старения с учетом жизнедеятельности человека наблюдалось уменьшение массы образцов (график находится в отрицательной полуплоскости), которое связано с выкрашиванием материала декоративного слоя под действием инородного тела и выделением летучих веществ. Значения коэффициентов a1, b1 после ультрафиолетового старения с учетом жизнедеятельности человека для декоративно-защитных плит со связующем из полиэфирной смолы приведены в таблице 4.7.
После 20 циклов замораживания-оттаивания без замачивания для рассмотренных декоративно-защитных плит наблюдается уменьшение массы образцов не более чем на 0,001 %. Следовательно, величина изменения массы образцов декоративно-защитной плиты после атмосферных воздействий с учетом жизнедеятельности человека на несколько порядков выше аналогичной величины без учета жизнедеятельности человека. На основании этого факта можно утверждать то, что ухудшение декоративности плиты обусловлено жизнедеятельностью человека. Вид связующего не оказывает влияния на величину уменьшения массы образцов декоративно-защитных плит после циклов замораживания-оттаивания без замачивания. Наибольшее уменьшение массы образцов наблюдалось для плит с декоративным слоем из керамзитового песка, а наименьшее – с древесными опилками. С увеличением количества материала декоративного слоя на единицу площади величина уменьшения массы образцов вне зависимости от материала декоративного слоя растет.
Полученные результаты в совокупности с результатами, представленными в пункте 3.1, позволяют определить эксплуатационную долговечность декоративно-защитных плит. Под эксплуатационной долговечностью понимается время, в течение которого декоративно-защитная плита под действием атмосферных факторов сохраняет функцию декоративности. Эксплуатационная долговечность является условной величиной, так как функция декоративности плиты или ее потеря определяется визуально и зависит от субъективного мнения эксперта. Методика определения эксплуатационной долговечности сводится к определению разницы между массой декоративно-защитной плиты с оптимальным расходом материала декоративного слоя на единицу площади и массой аналогичной декоративно-защитной плиты с минимально возможным с эстетичной точки зрения расходом материала декоративного слоя на единицу площади. Далее, исходя из вида атмосферных воздействий, по полученным зависимостям определяется время, в течение которого разница масс превысит расчетную.
На основании полученной информации об эксплуатационных характеристиках декоративно-защитных плит и влиянии атмосферных факторов на твердость декоративного слоя и изменение массы от применения плит на основе ЦСП, ДСП и ДВП для фасадной отделки зданий рекомендуется отказаться. Причины отказа сведены в таблицу 4.8.
ЦСП Низкая адгезионная прочность соединения «ЦСП – полиэфирная смола» (соединение не выдержало 4 циклов замораживания-оттаивания) Низкая адгезионная прочность соединения «ЦСП – эпоксидная смола» (соединение не выдержало 8 циклов замораживания-оттаивания)
ДСП Высокие влажностные деформации (набухание за 24 ч до 30 %) Высокие влажностные деформации (набухание за 24 ч до 30 %)
ДВП Коробление плит при циклическом замачивании-высушивании Коробление плит при циклическом замачивании - высушивании
По изменению скорости протекания процессов водопоглощения и набухания можно судить об изменениях, протекающих в структуре материала при атмосферных воздействиях. В пункте 3.5 доказано, что скорость протекания процессов водопоглощения и набухания зависит от выбора основы, а вид связующего практически не оказывает на нее влияния. В смолах процессы старения протекают интенсивнее, чем в материале основы, что может привести к усилению влияния вида связующего на процессы водопоглощения и набухания после атмосферных воздействий. Следовательно, чтобы понять влияние атмосферных воздействий на рассматриваемые процессы достаточно изучить их влияние на один вид декоративно-защитных плит при использовании в качестве связующего полиэфирной и эпоксидной смол [104,105]. В качестве основы выбрана фанера, а в качестве материала декоративного слоя – древесные опилки.
Водопоглощение и набухание декоративно-защитных плит определяли по методике, описанной в пункте 2.4.7, а обработку экспериментальных данных вели по методике, описанной в пункте 2.5.5.
Цикличное замораживание-оттаивание, тепловое и ультрафиолетовое старение не влияют на характер протекания процессов водопоглощения и набухания, т.е. данные процессы также как и процессы водопоглощения и набухания без атмосферных воздействий описываются логарифмическими зависимостями (рисунок 4.5 - 4.6), приведенными в пункте 3.5.
Однако при постоянном характере протекания процессов водопоглощения и набухания с увеличением времени атмосферных воздействий скорость протекания этих процессов растет (рисунок 4.5 - 4.6). Данный факт позволяет утверждать, что при действии атмосферных факторов в структуре декоративно-защитных плит протекают процессы, приводящие к ее изменению. Вид материала декоративного слоя: древесные опилки Рисунок 4.5 - Зависимости изменения водопоглощения декоративно-защитной плиты после атмосферных воздействий
