Содержание к диссертации
Введение
1. Научно-технические предпосылки оценки эксплуатационных свойств минераловатного утеплителя для на весных фасадов с вентилируемым воздушным зазором 9
1.1. Особенности конструкции навесных фасадов с воздушной вентилируемой прослойкой 9
1.2. Виды и свойства минераловатных утеплителей 13
1.3. Виды и свойства утеплителей из штапельного стекловолокна 18
1.4. Выводы по главе 1. Научная гипотеза 24
2. Методики исследований. используемые материалы. научно-исследовательское оборудование 25
2.1. Методики исследований 28
2.2. Используемые материалы 40
2.3. Научно-исследовательское оборудование 42
3. Теплофизические свойства минераловатных утеплителей 43
3.1. Структура и свойства минераловатной плиты в возрасте 5 лет 43
3.2. Средняя плотность, теплопроводность и паропроницание плит из штапельного стекловолокна 51
3.3. Исследования эмиссии стекловолокнистых плит 55
3.4. Выводы по главе 3 64
4. Сорбционная влажность стекловолокнистых плит ... 66
4.1. Сорбционная влажность стекловолокнистых плит 68
4.2. Исследование характеристик пористой структуры 73
4.3. Натурное определение влажности монтируемого минераловатного утеплителя 83
4.4. Выводы по главе 4 86
5. Технико-экономическая оценка минераловатных плит 88
5.1. Техническая оценка 88
5.2. Экономическая оценка 93
5.3. Выводы по главе 5 94
Общие выводы 95
Литература
- Виды и свойства утеплителей из штапельного стекловолокна
- Используемые материалы
- Средняя плотность, теплопроводность и паропроницание плит из штапельного стекловолокна
- Натурное определение влажности монтируемого минераловатного утеплителя
Виды и свойства утеплителей из штапельного стекловолокна
Минераловатные теплоизоляционные изделия являются наиболее распространенными. По некоторым данным их доля среди всех применяемых теплоизоляционных материалов составляет около 80 % [94].
Минеральная вата представляет собой тонкие и гибкие волокна, полученные при охлаждении предварительно раздробленного на капли и вытянутого в нити минерального расплава.
В зависимости от вида сырья минеральная вата делится на каменную и шлаковую. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы -диабаз, базальт, известняк, доломит и др. Шлаковую вату получают из шлаков черной и цветной металлургии.
Ведущие мировые производители в качестве сырья используют исключительно горные породы. Это позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно ее рекомендуется применять для ответственных конструкций - в случае, когда требуется их многолетняя надежная работа.
На качество минераловатных теплоизоляционных материалов в значительной мере влияет связующее. Для строительных целей предпочтительно использовать изделия на фенольном связующем, поскольку карбамидное связующее менее водостойкое. При строгом следовании технологическому процессу производства происходит полная нейтрализация и поликонденсация фенола. Поэтому выделения фенола не должно происходить [94].
Основным свойством минеральной ваты, отличающим ее от многих других теплоизоляционных материалов, является негорючесть в сочетании с высокой теплоизолирующей и звукопоглощающей способностью. К тому же, минераловатные теплоизоляционные материалы обладают устойчивостью к температурным деформациям, негигроскопичностью, химической и биологической стойкостью, экологичностью и легкостью выполнения монтажа [94].
По требованиям пожарной безопасности изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов (НГ). Более того, они эффективно препятствуют распространению пламени и применяются в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты.
Теплопроводность минераловатных изделий складывается из трех составляющих: теплопроводности волокон, теплопроводности воздушной среды и влаги, находящихся между волокнами, а также передачи тепла излучением. Теплопроводность твердой основы как основная составляющая общей теплопроводности зависит от геометрии и ориентации волокон в пространстве. При заданной плотности наиболее эффективным теплоизолятором является минеральная вата с хаотически расположенными и беспорядочно ориентированными волокнами [94].
Ориентация волокон влияет не только на теплопроводность, но и на прочностные характеристики минераловатных изделий. Прочность на сжатие у них возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Таким образом, чем выше процент вертикально ориентированных волокон, тем более низкой плотности минеральную плиту можно применять для обеспечения заданной прочности на сжатие. Поэтому технологии формования минераловатных плит, обеспечивающие высокий процент вертикально ориентированных волокон, являются наиболее прогрессивными [94].
Важное свойство минераловатных материалов - малая усадка (в том числе термическая) и сохранение своих геометрических размеров в течение всего периода эксплуатации здания. Это гарантирует отсутствие мостиков холода, которые в противном случае могли бы возникнуть на стыках изоляционных плит. Минеральная вата обладает низкой гигроскопичностью: содержание влаги в изделиях из нее при нормальных условиях эксплуатации составляет 0,5 % по объему. Однако хранение на строительной площадке и монтаж теплоизоляции часто происходят во влажных условиях (например, во время дождя). Чтобы минимизировать водопоглощение, минеральную вату, как правило, пропитывают специальными водоотталкивающими составами (кремний-органическими соединениями или специальными маслами) [94].
Изоляционные материалы из минеральной ваты отличаются высокой химической стойкостью. Более того, минеральная вата является химически пассивной средой и не вызывает коррозию контактирующих с ней металлов. Теплоизоляционные и механические свойства изделий из минеральной ваты сохраняются на первоначальном уровне в течение многих лет.
Применение минеральной ваты позволяет обеспечить не только теплоизоляцию, но и звукопоглощение конструкцией стены. Минеральная вата значительно снижает риск возникновения стоячих звуковых волн внутри ограждающей конструкции, тем самым, увеличивая изоляцию от воздушного шума. Звукопоглощающие свойства материала увеличивают затухание акустических волн и значительно снижают звуковой уровень помещения [94].
Достоинства минераловатных материалов дополняет легкость выполнения монтажа. Мягкие изделия легко режутся ножом, а более плотные - ножовкой.
Уникальность теплотехнических и других свойств таких систем связана с особенностями высокодисперсного строения, которые для пористо-волокнистых материалов выражаются совокупностью стохастического распределения волокон (твердой фазы) по объему изделия и размеров образованных ими пор и пустот, в свою очередь зависящих от диаметра волокон и степени их уплотнения. Соответственно интенсивность протекания тепло-массообменных процессов в волокнистом слое тепловой изоляции также будет определяться величиной диаметра волокон и плотностью материала [35].
Используемые материалы
Сущность методов определения сопротивления паропроницанию и па-ропроницания заключается в создании стационарного потока паров воды че зо рез исследуемый образец и определении величины этого потока. Определение этих показателей производится по методике ГОСТ 25898-83 [30].
Сопротивление паропроницанию изделия — величина, численно равная разности парциального давления водяного пара в Паскалях у противоположных сторон изделия с плоскопараллельными сторонами, при которой через площадь изделия, равную 1 м , за 1 ч проходит 1 мг водяного пара при равенстве температуры воздуха у противоположных сторон слоя.
Паропроницаемость или паропроницание материала — величина, численно равная количеству водяного пара в миллиграммах, которое проходит за 1 ч через слой материала площадью 1 м и толщиной 1 м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинакова, а разность парциального давления водяного пара равняется 1 Па.
Схема прибора для определения паропроницаемости (паропро-ницания). 1 - стеклянная пластинка; 2 - пластилин; 3 - дистиллированная вода; 4 - стеклянная чашка типа ЧВ; 5 - металлическая цилиндрическая обойма; 6 - смесь парафина с канифолью; 7 - образец.
Три подготовленные образца помещают на перфорированную полку шкафа. Шкаф должен находиться в термостатированном помещении с температурой воздуха (20 ± 2) С.
На перфорированную полку шкафа помещают термометр, термограф и гигрограф для непрерывного измерения температуры и относительной влажности воздуха в шкафу при проведении испытания. Один раз в 7 суток температуру и относительную влажность воздуха в шкафу измеряют аспирационным психрометром. Шкаф закрывают. Щели между дверцами шкафа и между дверцами и корпусом шкафа промазывают нетвердеющей строительной мастикой.
Через каждые 7 суток после начала испытания стеклянную чашку ЧВ с дистиллированной водой вынимают из металлической обоймы и взвешивают. При взвешивании чашку накрывают кружком тонкой жести диаметром ПО мм.
По результатам взвешивания вычисляют плотность потока водяного пара через образец q в мг/ч-м по формуле
Испытание считают законченным, если значения плотности потока водяного пара через образец, вычисленные по результатам трех последовательных взвешиваний, остаются без изменения или начинают увеличиваться. За плотность потока принимают наименьшее значение из результатов трех последовательных взвешиваний.
Три образца испытываемого материала, укрепленные на стеклянных чашках ЧВ, помещают на перфорированную полку шкафа. Через каждые 7 суток после начала испытания стеклянные чашки ЧВ с укрепленными на них образцами взвешивают. По результатам взвешивания вычисляют величину плотности потока водяного пара через каждый образец. Для расчёта сопротивления паропроницанию образца используют полученные значения плотности потока водяного пара через образец, значения парциальных давлений водяного пара в воздухе в пространстве шкафа и в сосуде под образцом. Сопротивление паропроницанию испытуемого образца вычисляют по формуле: Am ц, где Rn - сопротивление паропроницанию образца, (м ч Па)/мг; Е - парциальное давление водяного пара в сосуде под образцом, Па; е - парциальное давление водяного пара в пространстве шкафа над образцом, Па;
Химический и микроструктурный анализы осуществлялись методом растровой электронной микроскопии и электронно-зондового рентгеновского микроанализа на электронном микроскопе CAMSKAN (Великобритания) (рис. 2.1.4.1.) с микроанализатором LINK 860. Метод основан на взаимодействии остро сфокусированного (10 нм) электронного пучка электронов высокой энергии до 30 кэВ с атомами твердого вещества любой природы, не испаряющегося в вакууме и не обладающего сильными магнитными свойствами. Образцы могут быть представлены в виде сколов, полированных шлифов, порошков любой зернистости; те из них, которые обладают сильными диэлектрическими свойствами, требуют напыления электропроводящего слоя толщиной до 20 нм. Характеристическое рентгеновское излучение используется для определения процентного содержания атомов элементов от Na до U в изучаемом участке образцов размером не более 3 мкм. Результаты элементно-химического микроанализа выдаются прибором автоматически в виде распе чаток, в которых указывается процентное содержание не менее 25 элементов в атомной и оксидной форме с точностью до 0,05.... 0,5 %.
При бомбардировке поверхности образцов электронным пучком возникают вторичные и отраженные электроны, а также характеристическое рентгеновское излучение. Вторичные и отраженные (для полированных образцов) электроны служат для изображения морфоструктуры поверхности образующих ее частиц, их взаиморасположения, плотности упаковки, дефектов и др. деталей структуры. Изображение от отраженных электронов зависит от атомной массы элементов зон зондируемого участка; чем она больше, тем светлее изображение этого участка.
Метод позволяет получить четкое изображение структуры поверхности скола образца при увеличении от 100 до 80000 раз. Такое изображение недоступно для световых микроскопов не только по разрешающей способности, но и глубине фокуса, что позволяет различать детали размерами меньше 25..30 нм на необработанной поверхности (сколе, срезе, зерне и т. д.). Результаты исследований структуры поверхности частиц фиксируются на фотопленке. 2.1.5. Методика определения эмиссии волокна минераловатных плит
Для экспериментального исследования эмиссии волокна из стеклово-локнистых плит, применяющихся в вентилируемых фасадах, была разработана и изготовлена экспериментальная установка, представляющая собой короб в форме прямоугольного параллелепипеда (рис. 2.1.5.1.).
Короб выполнен из фанеры толщиной 10 мм и имеет размеры 1,50 х 0,70 х 0,33 м. При проведении эксперимента короба находится в положении, когда его грани 1,50 х 0,70 м расположены горизонтально. В торцевой грани 0,70 x 0,33 м выполнена щель для забора воздуха. В противоположную грань короба вмонтирован вентилятор УНИВЕНТ-3,15-2-2-01 (табл. 2.1.5.1), который при проведении эксперимента обеспечивает вытяжку воздуха из пространства короба.
Средняя плотность, теплопроводность и паропроницание плит из штапельного стекловолокна
Работа выполнена совместно с В.Г. Гагариным доктором технических наук, профессором, заведующим лабораторией теплофизических характеристик и долговечности строительных материалов и изделий НИИСФ РААСН.
В строительной теплофизике изотермы сорбции водяного пара строительными материалами используются при рассмотрении вопросов, связанных с влажностным состоянием материалов в конструкциях. Эти же изотермы сорбции успешно используются также при исследовании характеристик пористой структуры материалов. Начальный участок изотермы позволяет определить площадь удельной поверхности материала, а вся изотерма сорбции - распределение мезопор (поры радиусом от 16 до приблизительно 1000 А) по размерам. В свою очередь, характеристики пористой структуры могут быть использованы для прогнозирования эксплуатационных свойств материалов.
В настоящей работе рассматривается связь сорбционной влажности с пористой структурой изделий из штапельного стекловолокна производства ООО «Урса-Евразия». Плиты из штапельного стекловолокна используются для теплоизоляции и звукопоглощения ограждающих конструкций зданий. Наибольшей популярностью пользуются плиты плотностью 15, 30 и 45 кг/м , соответственно марок П15, ПЗО, П45. Были проведены исследования сорбционной влажности этих плит. Материал, из которого изготовлены плиты состоят из двух компонентов: стекловолокна и связующего. Поэтому проведены исследования сорбционной влажности и этих материалов. Стекловолокно для исследований отбиралось непосредственно на производственной линии до момента нанесения на него связующего. Образцы связующего готовились в лабораторных условиях. Отверждение раствора, взятого на производственной линии, проводилось в сушильном шкафу по графику, соответствующему графику отверждения на производственной линии. Необходимо отметить, что отверждение связующего происходило в объеме тары, тогда как в условиях производственной линии отверждение происходит в тонком слое, обволакивающем отдельные волокна. Эту особенность необходимо учитывать с точки зрения структуры получающихся материалов. Вероятно, что общая пористость и распределение пор по размерам при отверждении связующего в различных условиях могут отличаться. Предположительно, такое исследование может быть сделано в отдельной работе.
В практике исследования сорбционных свойств строительных материалов известно три экспериментальных метода [19]: - вакуумный, при котором водяной пар сорбируется образцом материала в условиях вакуума; - динамический, при котором сорбция водяного пара происходит при омывании образца материала потоком воздуха с заданной влажностью; - эксикаторный при котором сорбция водяного пара происходит в воздухе, находящемся в эксикаторе; влажность этого воздуха обеспечивается раствором соли или кислоты в эксикаторе.
Вакуумный и динамический методы, обеспечивают точное определение параметров сорбционного увлажнения материалов, но требуют специального оборудования и высокой квалификации экспериментатора. Эти методы использовались в НИИЖБ и НИИСФ в советское время. Эксикаторный метод положен в основу методики ГОСТ [29]. Согласно [29] относительная влажность воздуха в эксикаторе задается при помощи раствора серной кислоты определенной концентрации.
Изотермы сорбции образцов плит из штапельного стекловолокна, самого стекловолокна и связующего, определенные по методике [29] представлены в табл. 4.1.1. Таблица 4.1.1. Экспериментально определенные изотермы сорбции водяного пара материалов плит из штапельного стекловолокна производства ООО «УРСА-Евразия» и его составляющих.
Обращает на себя внимание, что сорбция материалов всех трех марок плит близки между собой. Это и понятно, поскольку эти марки различаются только плотностью, не отличаясь структурой и соотношением составляющих, которых всего два: волокно и связующее. Поэтому представляется целесообразным ввести некоторую осредненную изотерму сорбции водяного пара материалами плит. Такая изотерма сорбции приведена в строке 1 табл. 4.1.2. Изотермы сорбции материалами плит и осредненная изотерма сорбции приведены на рис. 4.1.1. a 2 A 3 4 20 40 60 80 100
Для материала плит значение р приблизительно составляет 0,06 (т.е. количество связующего в среднем равно 6%). В строках 2-6 табл. 4.1.2 и на рис. 4.1.2 приведены изотермы сорбции водяного пара, рассчитанные по формуле (4.1.1) при значениях р от 4 до 8 %, с использованием экспериментально определенных изотерм сорбции связующего и стекловолокна, приведенных в строках 1 и 2 табл. 4.1.1 соответственно. Рассчитанные и экспериментальные изотермы сорбции близки между собой. Они показывают, что при колебаниях содержания связующего в плитах в указанном диапазоне, сорбционная влажность изменяется незначительно. Максимальная сорбционная влажность плит не превосходит значения 0,05 кг/кг (т.е. 5 % по массе), которое соответствует расчетному значению влажности минераловатных и стекловолокнистых утеплителей для условий эксплуатации Б по СНиП [90]. Рассчитанные изотермы сорбции водяного пара материалами плит из стекловолокна при различной массовой доле связующего в плитах, р, кг/кг и экспериментальная осредненная изотерма сорбции стекловаты.
При определении эксикаторным методом изотерм сорбции таких материалов, как плиты из стекловолокна и самого волокна неизбежна невысокая точность получаемых результатов, что обусловлено малой массой навесок и неравномерным распределением связующего в образцах. В связи с этим следует отметить хорошее соответствие результатов расчетов по формуле (4.1.1), с использованием экспериментальных данных для связующего и волокна и результатов непосредственного экспериментального определения изотерм сорбции водяного пара материалами плит.
Полученную осредненную изотерму сорбции водяного пара материалами плит производства ООО «УРСА-Евразия», можно использовать при нормировании их теплофизических свойств, а также при расчетах влажностного режима ограждающих конструкций. 4.2 Исследование характеристик пористой структуры
К характеристикам пористой структуры материалов плит, которые можно определить по изотерме сорбции водяного пара, относятся площадь удельной поверхности и мезопористость (иногда и микропористость) материала. Согласно классификации, принятой в теории сорбции, к мезопорам относятся поры радиусом от 16 до примерно 1000 А (1 Ангстрем = 1-10" м), поры меньшего радиуса называются микропоры, поры большего радиуса - макропоры. Удельная поверхность - площадь боковой поверхности пор единицы массы материала. (Следует отметить, что эта характеристика отличается от одноименной, определяемой по продуваемости воздуха).
Определение этих характеристик основано на применении теории адсорбции и теории капиллярной конденсации. Явление адсорбции, как известно, состоит в том, что молекулы воды «прилипают» к поверхности пор за счет поверхностных сил твердого тела. Явление капиллярной конденсации заключается в понижении давления насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью капиллярных менисков, которые образуются при заполнении капилляров водой. В результате происходит конденсация водяного пара на поверхности менисков при относительной влажности воздуха меньшей 100 % (при р 1,0). Капиллярная конденсация происходит в мезопорах, поэтому эти поры и выделены в отдельную группу. Микропоры заполняются посредством других механизмов сорбции при малых значениях р. При сорбции водяного пара реальными строительными материалами имеют место и адсорбция и капиллярная конденсация. Современная теория сорбции водяного пара строительными материалами содержится в работах [19, 20 и 77].
Натурное определение влажности монтируемого минераловатного утеплителя
Полученная расчетная изотерма сорбции водяного пара может использоваться при проведении теплофизических расчетов ограждающих конструкций с применением теплоизоляционных плит производства ООО «УРСА-Евразия».
Результаты исследования структурных характеристик могут быть использованы при совершенствовании состава связующего с целью улучшения эксплуатационных характеристик изделий. Они также представляют интерес при исследованиях долговечности, поскольку образование льда в порах материала существенно определяется его структурными характеристиками. Этот вывод косвенно подтверждается работами Ю.Л. Боброва [8] по исследованию долговечности минераловатных утеплителей. Исследования устанавливают количественные зависимости снижения прочностных показателей в зависимости от структурных особенностей минераловатных изделий, структурными характеристиками отдельных их компонентов (волокна и связующего) при многократных переходах температуры через О С при испытаниях в климатической камере.
Результаты исследования структурных характеристик могут найти применение при изучении других физических свойств утеплителей. Например, можно отметить, что чем меньше содержание связующего по объему в изделии, тем меньшее количество влаги по объему в ней находится и тем медленнее изменяется теплопроводность изделия с увеличением влажности по массе. Следовательно, чем меньше плотность теплоизоляционных изделий, тем меньше приращение теплопроводности при увеличении влажности материала на 1 % по массе. Этот факт можно учитывать при назначении расчетной теплопроводности стекловолокнистых утеплителей. С рассмотренной точки зрения предпочтительнее применение теплоизоляционных изделий меньшей плотности. Это справедливо лишь, при условии, что они отвечают другим эксплуатационным требованиям. Следует также отметить, что при изготовлении изделий возможны некоторые колебания технологических параметров, что приведет к количественным изменениям величин сорбции водяного пара. Однако все выводы, относящиеся к структурным характеристикам изделий из стекловолокна, носят качественный характер и обладают «устойчивостью» к количественным изменениям сорбционных характеристик.
Большой интерес представлял ответ на вопрос, какую влажность может набрать минераловатный утеплитель, который смонтирован на наружную поверхность стены и вынужденно, по условиям производства строительно-монтажных работ, остается незакрытым ветрогидрозащитной мембраной и облицовкой в условиях фактического увлажнения наружным воздухом, осадками, туманом. Такие условия присущи в рассматриваемом случае осеннему и весеннему климату в России.
Были проведены исследования влажности минераловатных плит монтируемого вентилируемого фасада 2-х секционного жилого дома с нежилым первым этажом строящегося в г. Москве в сентябре 2006 года (рис. 4.3.1). Весь предыдущий месяц была высокая влажность воздуха, часто шли дожди. Ограждающая конструкция представляет собой навесной вентилируемый фасад с воздушной прослойкой и устроена следующим образом (изнутри наружу): стена, минераловатный утеплитель плотностью 80 кг/м , минераловатный утеплитель плотностью 90 кг/м , ветрогидрозащитная мембрана, воздушная прослойка, облицовка. Облицовка навешивается на подконструкцию из вертикальных направляющих. Подконструкция крепится к основанию стены кронштейнами.
Исследуемый утеплитель представляет собой минераловатные плиты разной плотности, смонтированные на стену строящегося здания в два слоя. Внутренний слой утеплителя - плиты жесткие Термовент, плотностью 80 кг/м3 по ТУ 5762-005-01411834-04. Наружный слой утеплителя - плиты Изовент, плотностью 90 кг/м3 по ТУ 5762-001-50077278-02. Рис. 4.3.1. Монтаж навесного вентилируемого фасада на здание.
У отобранных образцов минераловатного утеплителя влажность определялась термогравиметрическим методом. В лаборатории были приготовлены чистые бюксы в нужном количестве в соответствии с требованиями ГОСТ. После этого, на объекте, отбирались пробы утеплителя, которые сразу же помещались в заранее подготовленные бюксы. Пробы материала минераловатных плит брались преимущественно в тех местах, где смонтированный на наружную стену строящегося здания утеплитель находился в открытом состоянии максимальное время, т.е. был не закрыт ветрогидрозащитной мембраной и облицовкой. Также пробы брались для сравнения в местах, где фасад уже месяц как был полностью смонтирован. Для этого снимались облицовочные плиты, разрезалась ветрогидрозащитная мембрана и вырезались образцы утеплителя. После чего все заполненные бюксы были доставлены в лабораторию, и взвешены с точностью до сотых грамма. Затем каждая бюкса с образцом, в открытом состоянии, помещалась в сушильный шкаф при температуре +70 С. Сушка заканчивалась, когда масса бюкс с образцами стабилизировалась. Влажность по массе образцов вычислялась по формуле:
По результатам исследований были получены следующие результаты. Влажность по массе утеплителя, который был смонтирован на стену строящегося здания и не закрыт ветрогидрозащитной мембраной и облицовкой сроком от 2 дней до 2 месяцев, не превышает 1 %. Влажность по массе утеплителя, который находился под ветрогидрозащитной мембраной и облицовкой около месяца, составляет не более 0,95 %, что незначительно отличается от влажности по массе незакрытого ветрогидрозащитной мембраной и облицовкой утеплителя.
Таким образом, исследованная влажность минераловатных плит монтируемого навесного фасада с воздушной вентилируемой прослойкой не превосходит значений эксплуатационной влажности минеральной ваты при условиях эксплуатации Б, согласно СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника» [90].
