Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Минераловатные теплоизоляционные изделия, технологии и свойства .. 14
1.2 Требования к изделиям из каменной ваты для различных
1.3 Современные технологии производства минераловатных изделий 27
1.4 Эксплуатационная стойкость изделий и методики её прогнозирования 40
Глава 2. Проведение исследований и обработка результатов экспериментов 50
2.1 Характеристика используемых материалов 50
2.2 Методика исследования свойств в т.ч. в условиях искусственного старения
2.3 Экспресс-методика оценки эксплуатационной стойкости минераловатных изделий 55
2.4 Методика обработки результатов эксперимента и исследования
2.4.2 Оценка влияния факторов на функции отклика. Ранжирование факторов60
2.4.3 Проверка статистических гипотез 62
2.4.5 Аналитическая оптимизация 66
Глава 3. Эксплуатационная стойкость изделий на основе минеральной ваты 68
3.1 Теоритические основы создания изделий с повышенной эксплуатационной
3.1.1 Структурное моделирование 68
3.1.3 Зависимость свойств минераловатных изделий от характеристик
3.1.4 Изучение закономерностей формирования структуры и свойств
3.2 Исследования свойств минераловатных изделий в условиях искусственного
3.2.1 Тепло- массоперенос в теплоизоляционном слое в строительных
3.2.2 Исследование изменения свойств материалов объемно ориентированной
3.2.5 Изучение структуры минерального волокна при искусственном старении
Глава 4. Технологические аспекты повышения эксплуатационной стойкости
4.1.3 Аналитическая оптимизация 115
4.2.1 Определение и оптимизация параметров тепловой обработки
4.2.2 Методика расчетов параметров тепловой обработки минераловатного ковра двойной плотности 125
Заключение 134
Список литературы
- Современные технологии производства минераловатных изделий
- Экспресс-методика оценки эксплуатационной стойкости минераловатных изделий
- Зависимость свойств минераловатных изделий от характеристик
- Методика расчетов параметров тепловой обработки минераловатного ковра двойной плотности
Современные технологии производства минераловатных изделий
Таким образом, производители большинства материалов задают большой запас на падение прочности за весь срок эксплуатации.
Однако, при нормировании прочностных показателей теплоизоляции для плоских кровель, необходимо учитывать еще один момент - деформация в 10% для теплоизоляции толщиной 180-200 мм составляет, соответственно 18-20 мм, что недопустимо из соображений целостности гидроизоляционного ковра.
Во время монтажа самих плит, устройстве гидроизоляционного ковра и периодических осмотрах кровли, теплоизоляционные плиты подвергаются локальным сжимающим нагрузкам от веса людей, монтажных приспособлений и т.п. Поэтому в 2008 году ГОСТ Р ЕН 12430-2008 введен метод определения прочности при действии сосредоточенной нагрузки, при котором нагружающее усилие подается на площадь 200 см2. Требования ФЦС к теплоизоляции для мягких неэксплуатируемых плоских кровель - не менее 450 Н, что соответствует нагрузке равной человеку весом 90 кг.
Существующие двухслойные решения позволяют обеспечить требуемую прочность при действии сосредоточенной нагрузки, уменьшить среднюю плотность теплоизоляционного решения на 10-20 %. Так же уменьшается необходимая толщина теплоизоляции, за счет более высокой теплозащиты нижнего слоя. Уменьшение средней плотности обеспечивает и снижение содержания связующих веществ на 10-20 %, что положительно образом сказывается на условиях производства материалов, их применении и утилизации.
В настоящее время существует большое количество различных решений для теплоизоляции плоских кровель. Для правильной оценки пригодности и сравнения различных материалов уже не достаточно знать только плотность и прочность на сжатие при 10 % деформации. Более того, оптимизация материалов и технологий производства материалов для плоских кровель должна производиться с учетом конкретной области применения и действующих там нагрузок. Для изоляции навесных вентиляционных фасадов также существует несколько вариантов решений: однослойное и двухслойное. Однослойное решение возможно выполнить жесткими плитами из минеральной ваты одной плотности или комбинированной структуры (двухплотностыми плитами).
Плотность МТИ для однослойного решения составляет 80-100 кг/м и прочность на сжатие при 10 % деформации не менее 15-20 кПа. Диапазон толщин плит большинства производителей - от 40 до 200 мм.
Материалы, применяемые для двухслойных решений, имеют плотность 80-100 кг/м3 и прочность на сжатие 15-20 кПа для верхней плиты, и соответственно 35-45 кг/м и 10 кПа для нижней плиты. Номенклатура толщин - 40-60 мм для верхних и от 50 до 200 мм для нижних плит.
Плиты комбинированной структуры для изоляции навесных вентилируемых фасадов обладают следующими характеристиками: верхний слой плит имеет плотность - 90 кг/м3, нижний - 45 кг/м3. Толщина верхнего слоя составляет 30 мм, толщина нижнего слоя зависит от общей толщины плиты. Данные плиты применяются как альтернативное двухслойному однослойное решение. К системам навесных вентилируемых фасадов предъявляются строгие требования по пожарной безопасности, для обеспечения этих требований в систему включаются только те материалы, которые относятся к группе негорючих, препятствующих распространению огня. В качестве утеплителя в данных системах чаще всего применяются жесткие плиты из каменной ваты.
При этом в СП 23-101-2004 есть рекомендации к утеплителю для стен с вентилируемым фасадом: рекомендуется применять жесткие теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80-90 кг/м3, имеющие на стороне, обращенной к прослойке, ветро- воздухозащитные паропроницаемые пленки (типа «Тайвек», «Тектотен» или аналогичных мембранных пленок) или кашированные стеклотканью. При этом в данных системах не рекомендуется применение горючих материалов. Например, в Москве и Московской области применение гидроветрозащитных мембран запрещено именно по причине их горючести. Учитывая это, физико-механические характеристики плит должны обеспечить возможность применять их без какого-либо защитного покрытия.
Кроме этого, требования к плотности МТИ и механическим показателям определяются еще и с точки зрения процессов, происходящих при эксплуатации в системе вентилируемого фасада. Перепад давлений по высоте здания создает восходящий воздушный поток. Как правило, данный перепад не является значительным, что означает, что воздушный поток имеет небольшую скорость. Однако, при определённых условиях в воздушном зазоре могут появляться турбулентные потоки, способные вызвать эмиссию волокна из волокнистого утеплителя, если он имеет недостаточную плотность сопротивление воздухопродуванию. Это может привести к его оползанию, усадке и потере теплозащитных свойств. С учетом этого в конструкциях вентилируемых фасадов должны применяться достаточно жёсткие МТИ, которые сами по себе уже являются ветрозащитой. Это позволит избежать возможной эмиссии волокна утеплителя без применения дополнительной ветрозащиты.
Влажность, водопоглощение. Плоские кровли и фасадные системы являются ограждающей конструкцией, поэтому плиты из каменной ваты, применяемые в них, должны обладать минимальной сорбционной влажностью. При рассмотрении вопроса влажностного состояния материала в конструкциях можно воспользоваться изотермами сорбции водяного пара. Эти же изотермы сорбции успешно используются также при исследовании характеристик пористой структуры материалов. В свою очередь, характеристики пористой структуры могут быть использованы для прогнозирования эксплуатационных свойств материалов.
Экспресс-методика оценки эксплуатационной стойкости минераловатных изделий
Для теплоизоляционных материалов срок эффективной эксплуатации оценивают по изменению теплопроводности в стандартных условиях испытаний, а также по изменениям коэффициента воздухопроницаемости материала и изменению линейных размеров и прочностных показателей.
Существует связь между влажностью материала и его разрушением при эксплуатации и известно, что интенсивность климатической деструкции материала пропорциональна амплитуде колебаний температуры, умноженной на его влажность. Поэтому проведение испытаний при значениях влажности строительных материалов дает возможность задавать максимально возможные воздействия криогенных фазовых превращений воды в порах скелета материала на изменение физических свойств, и позволяет проводить в оценку показателей долговечности.
В процессе испытаний образцы подвергают циклическому температурному воздействию замораживания-оттаивания-нагрев.
Температура замораживания образцов принимается равной расчетной температуре наружного воздуха в зависимости от температурной зоны эксплуатации изделий. Оттаивания образцов осуществляется при температуре воздуха от 18 С до 22 С. Нагрев при температуре окружающей среды +60 С в условиях принудительной конвекции.
В зависимости от конструктивного размещения материала в конструкции он по-разному воспринимает изменения температур окружающей среды. С точки зрения стабильности структуры материала наиболее критичными являются температурные переходы, приводящие к криогенных фазовых превращений влаги в толще материала. Криогенные фазовые превращения влаги в толще материалов на основе волокнистых изделий - минераловатных приводят к изменению структуры - современные минераловатные плиты имеют структуру, образованную пересечением волокон при формировании плит. Возникновения твердой фазы воды приводит к изменениям размеров прослоек между волокнами с последующим слипанием волокон и бесспорным увеличением теплопроводности изделия.
Динамика криогенных фазовых переходов «вода - лед» обусловливает характер возникновения напряжения в структуре материала вследствие «образования - исчезновения» твердой фазы влаги в порах материала. При установлении коэффициента долговечности материала следует учитывать особенности тепловой работы материала в составе конструкции при имитации эксплуатационных условий окружающей среды в зависимости от назначения соответствующего строительного объекта.
Определение срока эффективной эксплуатации в соответствии с методическими положениями ДСТУ Б В.2.7-182: 2009 направлено на определение устойчивости теплоизоляционных изделий к циклическим изменениям температур в условиях нормальной эксплуатации изделий в составе ограждающих конструкций предусмотренными проектным решением. Для определения срока эффективной эксплуатации образцы, увлажненные до влажности [(wB + 4) ± 2] % и запаянные в полиэтиленовые пакеты, подвергаются циклическому температурному воздействию: замораживания -оттаивания-нагрев. После каждых 10 циклов проводится отбор образцов и определение их теплопроводности в стандартных условиях, воздухопроницаемости, прочности на сжатие при 10%-й линейной деформации и фиксирование характера изменения внешнего вида образцов. По результатам испытаний определялся график зависимости теплопроводности от количества циклов. Численное значение показателя ресурса исчислялось по формуле: г = b х +є. где х - наибольшее значение количества циклов, что соответствует линейной области изменения эксплуатационной теплопроводности; Ъ - тангенс угла наклона графика экспериментальных зависимостей X; є - доверительная граница случайной погрешности результатов измерении для уровня обеспеченности 95 %.
По результатам испытаний также определяются графики зависимости воздухопроницаемости и прочности на сжатие при 10-ной деформации от количества циклов.
Ряд производителей имеет свои методики определения сопротивления старению продукции из минеральной ваты при воздействии избыточной влаги и температуры. Например, в ЗАО «Минеральная вата» разработан внутренний стандарт ускоренного старения и прогнозирования долговечности изделий из минеральной ваты.
Сопротивление старению определяют для механических показателей: прочность на сжатие при 10%-ной деформации и прочность на растяжение перпендикулярно лицевым поверхностям. При необходимости сопротивление старению может быть определено и для других физических и механических показателей.
При определении сопротивления старению, для каждого показателя необходимо вырезать два образца. На одном образце требуемый показатель определяют без старения, а на другом после старения. Испытание проводится по двум методам. По первому методу тестируемый образец подвергают воздействию избыточной влаги (95±5) % и повышенной температуры (70±2) С в течение 7 дней в климатической камере. По второму - тестируемый образец подвергают воздействию избыточной влаги (95±5) % и повышенной температуры (121±2) С в течение 15 минут в бойлере при давлении 1 атм. Критическую прочность на сжатие после старения рассчитывают по следующей формуле (индекс «1» - «величины до старения», индекс «2» -«величины после старения»):
Зависимость свойств минераловатных изделий от характеристик
Прочностные характеристики минераловатных изделий зависят от прочности волокна в изделии, от свойства волокон (диаметра и длины), от количества контактов и расстояния между точками контакта волокон, прочности омоноличенных контактов (прочности ковра). Чем меньше диаметр, тем больше волокон содержится в единице объема, и тем больше точек контакта между волокнами и тем выше прочность волокна. Но чем меньше диаметр волокна, тем меньше его упругость (и прочность на разрыв) и тем выше гидравлическое сопротивление минераловатного ковра.
Эксплуатационная стойкость изделий зависит от стойкости волокОн (определяется Мк волокон), а так же стойкостью контактов к агрессивным средам. Для волокон с Мк более 1,8 стойкость волокон к агрессивным средам, поличастотной вибрации, кислотному туману высока, поэтому долговечность минераловатных изделий определяется свойствами омоноличенных контактов: равномерностью их распределения в объеме материала, полнотой поликонденсации связующего, условиями адгезии связующего к материалу волокон.
Для исследования свойств минераловатных изделий, так же уместно обращение к модели элементарного объема. В этом случае, каждое ребро элементарного волокна - это длина волокна между точками контакта (в которых находится омоноличенное связующее), а вершины тетраэра - точки контакта. В «идеальной» модели все длины ребер равны, а прочность контактного омоноличивания постоянна и пропорциональна прочности связующего (Rc), степени поликонденсации связующего (а ) и площади контакта (SK). В классической модели все эти характеристики изменяются по одномодальным (нормальным) распределениям.
Для удобства исследований рассматривается плоская проекция трехмерной структуры (рис. 13). Использование структурной модели позволяет оценить вклад всех факторов в формировании свойств ковра и минераловатных изделий.
Механизм деформации минераловатного изделия определяет и деформацию ковра под нагрузкой, и его прочность при сжатии, и, косвенно, прочность на отрыв слоев. Нагрузка, внешняя для «элементарного объема» воспринимаемая волокном (аА) может быть представлена в виде двух проекций: на ось, параллельную волокну (ат) и на ось перпендикулярную волокну (о„) (рис. 16).
Нормальная составляющая напряжения (ои) воспринимается в точках пересечения волокон с омоноличенным связующем. Тангенциальная составляющая напряжения (ат) формирует в волокне состояние, эквивалентное внецентренному сжатию (с небольшим эксцентриситетом) стержня диаметром, равным диаметру волокна и длиной, равной длине волокна между двумя точками контакта. Разрушение подобной микросистемы возможно по двум причинам: разрушение в области омоноличенного связующего и потеря волокном несущей способности. Каждой причине соответствуют свои критические нагрузки, превышение которых и связано с изменением свойств макросистемы (изделия).
Прочность одного омоноличенного контакта пропорциональна: площади поверхности контакта (SK), удельной прочности контакта волокна с полимером (7?к), степени поликонденсации связующего (а ).
С точки зрения геометрии евклидова трехмерного пространства поверхность контакта между связующим и волокном является поверхностью пересечения трехмерной параболической поверхности (образованной связующим со смачиваемыми менисками) и двух цилиндрических поверхностей, пересекающихся под произвольным углом (два волокна в точке контакта).
Удельная прочность контакта волокна с полимером определяются типом связующего, состоянием поверхности и молекулярной структурой вещества. Учитывая характер разрушения контакта (который происходит в основном по полимеру) прочность контакта может быть принята равной прочности полимера (Ru). Степень отверждения связующего зависит от условий обработки минераловатного ковра, то есть от технологических параметров.
Так как прочность минерального волокна значительно больше прочностных характеристик полимера, то и необратимое разрушение структуры, в первую очередь наступает в результате разрушения областей контакта.
Условие сохранение прочности в области контакта может быть выражено следующим образом. Нормальное напряжение в области контакта, возникающее в результате действия внешне нагрузки, не должно превышать величину прочности контакта: (21) Wn] RK=—-Rna D 64 При нагрузках на минераловатное изделие не превышающих критическое значение происходит упругая деформация волокнистой структуры. В этом случае тп RK. Под действием нагрузки изделие уплотняется (до толщины 1), а после снятия нагрузки - восстанавливает свою толщину (до Я0). Некоторые остаточные деформации связаны с переходом механической энергии в тепловую за счет внутреннего трения между волокнами.
Этому соответствует такое свойство изделия как сжимаемость под нагрузкой, которая определяет способность волокна выдерживать деформацию не разрушаясь и восстанавливать первичный объем изделия после снятия нагружения. Сжимаемость под нагрузкой является макросвойством, зависящем от взаимодействия всех волокон в изделии и в первую очередь, от количества точек контакта между волокнами в изделиями.
Методика расчетов параметров тепловой обработки минераловатного ковра двойной плотности
Основой диссертационных исследований является изучение свойств, технологий и особенностей применения плит двойной плотности. Поэтому рассмотрим примнение данной методики к определению параметров тепловой обработки плиты, состоящей из двух слоев. Верхний слой имеет толщину 0,05 м и плотность 200 кг/м3. Нижний слой имеет толщину 0,15 м и плотность 120 кг/м3.
Оптимизационные решения, изложенные в монографии, позволяют принимать решения при коррекции технологических параметров, в частности при переходе на продукцию новых видов, изменений рецептур сырья и характеристик минеральных волокон.
Программы, объединённые в единый комплекс, предназначены для расчета параметров процесса тепловой обработки минераловатного ковра. Программы составлены на языке С# для компьютера (ПК) на базе процессора Intel х 86 или AMD 64 для операционнной системы Microsoft Windows XP и выше. Для стабильной работы программы, необходима платформа Microsoft.Net Framework 4.0.
Программа «WD-22» предназначена для расчета гидравлического сопротивления слоистого минераловатного ковра»; программа «WD-25» - для расчета продолжительности тепловой обработки слоистого минераловатного ковра» и программа «WD-28» - для определения минимальной длины камеры тепловой обработки слоистого минераловатного ковра».
Алгоритм, общий для всех программ представлен на рис. 44. Его основой является методика, изложенная в разделе 4.2.2. Программы осуществляют расчет коэффициентов, зависящих от параметров технологического процесса, исходных свойств слоев минераловатного ковра и характеристик теплоносителя (табл. 22 и 23). С учетом этих коэффициентов определяют значения результирующей функции.
Программа «WD-22» осуществляет расчет гидравлического сопротивления каждого слоя слоистого минераловатного ковра. Общее гидравлическое сопротивление минераловатного ковра, состоящего из двух и более слоев находят суммированием гидравлических сопротивлений отдельных слоев.
Программа «WD-28» осуществляет расчет длины камеры тепловой обработки слоистого минераловатного ковра. С учетом коэффициентов и заданной производительности линии определяется минимальная длина камеры тепловой обработки по каждому слою ковра. Общая длина камеры находится как сумма значений длин по каждому слою.
Программа «WD-25» осуществляет расчет продолжительности тепловой обработки слоистого минераловатного ковра. С учетом коэффициентов, зависящих от параметров технологического процесса, исходных свойств слоев минераловатного ковра и характеристик теплоносителя, определяется время, необходимое на тепловую обработку каждого слоя минераловатного ковра: испарение из них воды и отверждение связующего. Общее время тепловой обработки определяют как максимальное из времён тепловой обработки каждого из слоев.
Программа «WD-22» может быть использована при определении гидравлического сопротивления минераловатных изделий, работающих в системе вентилируемых фасадов. Программа «WD-28» может быть использована для определения длин камер тепловой обработки любых материалов на основе минеральных и органических волокон. Программы позволяет решать интерполяционные и адаптационные задачи технологического моделирования, а так же оптимизировать режимы тепловой обработки слоистого минераловатного ковра.
Технико-экономическая эффективность оценки эксплуатационной стойкости теплоизоляционных изделий из каменной ваты и оптимизации технологических параметров производства складывается: - при производстве - за счет оптимизации параметров тепловой обработки; 131 - при применении - за счет увеличения срока эффективной эксплуатации изделий из каменной ваты в строительных конструкциях. Технико-экономический расчет выполнялся из условия сравнения теплоизоляционных изделий на основе каменной ваты со сроками эффективной эксплуатации 25 лет, 50 лет, 75 лет и 100 лет. Теплоизоляционный материал со сроком эффективной эксплуатации 25 лет взять как основное решение Ть поскольку обеспечивает минимальное требование по сроку службы. Соответственно, материал со сроком эффективной эксплуатации 50 лет - решение І2, /J ЛЄТ — РЄШЄНИЄ із, 1UU ЛЄТ — решение 1ф ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований устанавливает максимальное требование к сроку службы зданий и сооружений 100 лети более. Рассмотрен случай их применения для строительства объекта торгово-развлекательного центра в г. Москва. Объем теплоизоляции и стоимость работ по монтажу рассчитаны для фасада площадью S j)=1540 м2 и кровли площадью SK=1000 м2.