Введение к работе
Актуальность. Продолжающийся рост стоимости энергии и новые требования к тепловой защите зданий сделали неприемлемым строительство массивных стен из традиционных материалов в северной строгггелыго-климатической зоне России. А для реконструкции старого жилого фонда, строительства быстро-возводимых зданий из слоистых ограждающих конструкций и подземных сооружений в многолетней мерзлоте требуются эффективные теплоизоляционные материалы, изготавливаемые в построечных и заводских условиях.
К таким эффективным теплоизоляциошшм материалам могут быть отнесены пенополиуретаповые (ППУ), пенополиизондатгуратпыс (ПЛИ) и фенолоформальдегидные пеногшасты (ПФП), а так же пенобетоны и др.
Однако и им присущи некоторые недостатки: для ППУ и ППИ - повышенные пожароопасные свойства, напыление их на строительные конструкции проводится только при положительных температурах не ниже 10С, что значительно сокращает их применение в условиях низкой температуры продолжіггельностью 9 и более месяцев в году; для ПФП - выделение токсичных газов (фенола и формальдегида) при их производстве и эксплуатации; кроме того, легкие ограждающие конструкции на их осіюве наряду с повышешшми теплозащитными свойствами обладают и пониженной тещюустойчивостью, что вызывает перегрев жилых помещений зданий в наиболее жаркие периоды лета и их быстрое охлаждение при авариях отопительных систем в наиболее холодные периоды зимы.
Решение проблемы повышения эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов для слоистых ограждающих конструкций, работающих в суровых климатических условиях, может быть осуществлено путем модификации их состава и управления технологическими параметрами вспенивания и отверждения композиций как при отрицательной, так и положительной температуре с учетом современных требований тепловой защиты и теплоустойчивости, пожарной безопасности и экологии.
Работа выполнялась в соответствии с государственными программами: "Основные направления энергетической политики России на период до 2010 г.", "Энергоэффективность в строительстве" и "Стройпрогресс-2000".
Цель работы заключается в повышении эксплуатациошгьгх свойств теплоизоляционных материалов для слоистых ограждающих конструкций, работающих в суровых условиях эксплуатации.
Задачи исследований:
-
Разработка теоретических положений по повышению эксплуатационной стойкости теплошоляциошгых материалов для слоистых ограждающих конструкций, работающих в суровых климатических условиях и подземных сооружениях в многолетней мерзлоте, с учетом современных требований тепловой защиты и теплоустойчивости, пожарной безопасности и экологии.
-
Разработка технологии изготовления эффективных теплоизоляционных материалов для слоистых ограждающих конструкций в заводских и построечных условиях Крайнего Севера.
Научная новизна:
Разработаны теоретические положения повышения эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов для слоистых ограждающих конструкций, работающих в суровых климатических условиях и подземных сооружениях в многолетней мерзлоте, путем модификации их состава и управления технологическими параметрами вспенивания и отверждения композиций как при отрицательной, так и положительной температуре с учетом современных требований тепловой защиты и теплоустойчивости, пожарной безопасности и экологии.
Установлены зависимости кинетических параметров вспенивания (индукционного периода и времени вспешіваїшя, скоростей подъема пены и температур, кратности вспенивания) и свойств напыляемых пенополиуретанов и пенонолиизоциануратов от технологических (состава, температуры и способа распыления композиции, температуры подложки и окружающего воздуха) и конструктивных факторов (материала обрабатываемой поверхности, требуемой толщины и плотности пенопласта), позволившие разработать технологию изготовления пенополиуретанов и пенополиизоциану-ратов напылением при отрицательных температурах до -40С, основанную на снижении тепловых потерь распыленной композиции за счет подачи нагретого дополнительного воздушного потока к основной струе для управления тепловым процессом вспенивания и отверждения пенопласта.
Установлены зависимости прочности сцепления пенополиуретанов и пенополиизоциануратов к подложкам от вида и температуры строительных материалов (пенополистирол, пенофенопласт ФРП-1, дерево, бетон, мерзлый грунт, металлический лист) при напылении в условиях отрицательных температур -5-г -40С, которые позволили обосновать условия подготовки обрабатываемой поверхности.
Получены зависимости горючести и эксплуатационных свойств пенополиизоциануратов и пенополиуретанов от количества вводимых в их состав минеральных наполнителей и фосфорсодержащего олигоэфира.
Установлены зависимости снижения содержания свободного фенола в пенофенопластах от количества вводимых в их состав галогенсодержащих металлов переменной валентности, в частности, фтористого алюминия и хлористого олова, путем использования способности ароматических углеводородов в кислой среде образовывать с фторидами и хлоридами переходных металлов комплексные соединения «сэндвичного» типа, а так же в присутствии которых протекают дополнительные реакции конденсации фенола и формальдегида, находящихся в олигомере в свободном виде. При
этом алюминиевая пудра, содержащаяся в форполимере ФРВ-1А, играет роль восстановителя и акцептора катализатора реакции Фриделя Крафтса.
Установлены зависимости повышения прочностных характерисгик и теплостойкости, снижения горючести пснофенопласгов от копичеспза вводимых в их состав фторидов металлов, которые являются анпшнренами и способствуют полноте отверждения полимера и получения заданной структуры пепопласта.
Обосновапо восстановление реакциоішой способности композищш на основе фенолоформалъдегидньгх олигомеров с просрочеттым сроком хранения путем введения в их состав фторидов и кремнийфторидов металлов за счет фтор-ионов, которые способствуют снятию оксидной пленки с поверхности частиц алюминиевой пудры, что ускоряет и увеличивает газовыделение в системе до образования сшитой структуры полимера.
Установлены зависимости тегшофизических свойств пенополиуретанов, пенополиизоциануратов и пенофенопластов (теїшопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости) от влажности и температуры.
Обосновано повышение теплоустойчивости слоистых ограждающих конструкций путем использования характерной неоднородности свойств пенопластов по высоте вспенивания, которое заложено в основу предложенных технологических приемов получения пенопластов с заданной структурой, что позволяет улучшить теплотехнические и прочностные показатели слоистых ограждающих конструїщий.
Обосновано повышение устойчивости горных выработок и подземных сооружений в многолетней мерзлоте путем использования высоких теплозащитных качеств и прочного сцепления с мерзлыми грунтами, установления требуемой толщины и шютности напыляемых пенопластов методами математического и физического моделирования, что, в конечном итоге, позволяет определить состав и спрогнозировать каталитическую активность композиции.
Установлены зависимости теплотехнических и физико-механических свойств пенополиуретанов, пенополиизоциануратов и пенофенопластов от циклических воздействий влажности и температуры с использованием современных методов ускоренных и натурных испытаний для оценки их эксплуатационной стойкости и прогнозирования долговечности слоистых конструкций на их основе в реальных условиях эксплуатации.
Практическая значимость работы:
Разработаны составы и технология получения пенополиуретанов и пенополиизоциануратов напылением при отрицательных температурах до -40С(а.с. №1523179).
Разработаны составы и технология трудногорючих пенофенопластов "Пенорезол-НТ" с повышенными прочностными характеристиками и
теплостойкостью, пониженным содержанием свободного фенола и кислотным числом (патент РФ № 2140942).
Разработана модифицирующая добавка (полож. реш. о выдаче патента РФ по заявке № 99102766/03(002983)), позволяющая повысить технологические и эксплуатационные показатели пенобетонов с использованием пенообразователей различного химического строения.
Разработана конструкция многослойной строительной панели с использованием пенопласта «Пенорезол-НТ» (патент РФ № 2134755), предназначенной для строительства быстровозводимых зданий.
Предложена методика определения теплопотерь через ограждающие конструкции зданий с применением тспловизионного контроля с последующим восстановлением теплоизоляции ограждений способами инъецирования и напыления модифицированных полиуретановых, полиизоциануратных и фенольных композиций.
Предложены методы оценки эксплуатационной эффективности теплоизоляциоіпшх материалов в ограждающих конструкциях зданий и подземных сооружений в многолетней мерзлоте с использованием разработанных и усовершенствованных алгоритмов и прикладных программ.
Внедрение результатов исследований:
Разработанные рекомендации по производству и применению напыляемых пеношіастов в зимних условиях утверждены Министерством строительства и Управлением гостехнадзора РС(Я), головным институтом «Теплопроект». Организовано пять постоянно действующих производств в Центральной Якутии (г. Якутск и п. Мохсоголлох), Западно-Северной группе районов (г. Верхневилюйск), Заполярье (г. Среднеколымск), зоне Байкало-Амурской магистрата (г. Тьшда) (проігзводительность каждого производства не менее 10 тыс. м3 в год).
В течение 1979-1996 гг. с использованием разработанной технологии и усовершенствованного оборудования для напыления полиуретановых и полиизоциануратных композиций при низких положительных и отрицательных температурах в условиях стройплощадки теплоизолированы ограждающие конструкции; гаражей (6), ангаров для самолетов (2), складов (2), телятников и свинарников (5), водонапорных башен (4), пожарных емкостей (10), промышлишых объектов нефтебаз (2), теплотрасс (36,5 тыс. м2), подземного холодильника, горных выработок (3) и др. объектов (всего более 100 тыс. м2). За 1990-98 гг. в осенне-зимние периоды для срочного ввода объектов и ликвидации последствий аварий отопительных систем с использованием разработанной технологии и усовершенствованного оборудования произведено теплоизоляционных работ напылением
полиуретановых и полиизоциануратных композиций при и отрицательных температурах до -40С общим объемом более 120 тыс. м2.
Разработанные технологическая инструкция по изготовлению теплоизоляционного слоя легких металлических и деревянных панелей, а также технологический регламент производства теплоизоляционных изделий на основе ПФП марки "Пенорезол-НТ", способствовавшие реализации результатов теоретических и экспериментальных работ, утверждены головным предприятием - ЩШИпроектдегконструтощя, а так же предприятиями-производителями и соответственно внедрены в действующем производстве двухслойных панелей АО "Монопанель" (г. Талдом Московской обл., производительность технологической линии по выпуску панелей 1,5 млн. м2 в год) и серийном производстве трехслойных панелей с деревянным каркасом в ОАО "Мархинский ЗСМК" (г. Якутск, производительность 20 тыс. м2 в год).
Оргаїшзовано 7 передвижных производств по монолитной теплоизоляции ограждающих конструкций из пенобетона с использованием разработанной модифицируюшей добавки, а также 2 новых цеха (ПНЦ ЯГУ и АО "Майястрой") и реконструирован 1 цех (ЖБК "Покровский", г. Покровск) по производству пенобетонных юделийпроюводатгельностью по 10 м3 в год.
Результаты разработок используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290600, что отражено в программах спецкурсов "Технология теплоизоляционных материалов", "Технология изделий с использованием местного сырья" и "Технология ячеистых бетонов", а так же включены в двух учебно-методических пособиях "Полимерные теплоизоляционные материалы" (изд. ЯГУ, 1997) и "Неавтоклавные ячеистые бетоны" (изд. ЯГУ, 1997).
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены в 1978-1999 гг. на 9 международных, 4 Всесоюзных, 5 республиканских, 18 межведомственных и вузовских научно-технических конференциях, в т. ч.: "Применение вспененных пластмасс и других теплоизоляционных материалов в районах Крайнего Севера" (Якутск, 1988); "Научно-технический прогресс в освоении Севера в новых условиях хозяйствования" (Магадан, 1989); "Химия и технология пенополиуретанов" (Рига, 1990); "НТП в технологии строительных материалов" (Алма-Ата, 1990); "Тенлофизические проблемы энергетических и природоохранных систем" (Иркутск, 1992); "Проблемы строительства на Крайнем Севере" (Якутск, 1993); "Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера" (Якутск, 1993); "Polartech '94" (Lulea, Sweden, 1994); "ISCORD '94" (Finland, 1994); "Современные проблемы
теплофизики б условиях Крайнего Севера" (Якутск, 1995); "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделиіі и конструкций" (Белгород, 1995); "Проблемы строительства в Якутии" (Якутск, 1996); "I международная конференции Академии Северного форума" (Якутск, 1996); "Наука — невостребованный потенциал" (Якутск, 1996); "Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве и сельском хозяйстве" (Вологда, 1996); "Якутск: Проблемы градосферы и риск техногенных и стихийных катастроф" (Якутск, 1997); "Комплексные проблемы проектирования, строительства к эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997); "Стихия. Строительство. Безопасность." (Владивосток, 1997); "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" (Белгород, 1997); "52-ая Международная конференция молодых ученых и студеіггов" (Санкт-Петербург, 1998); "Экология средних и малых городов: Проблемы и решения" (Великий Устюг, 1998); "Критические технологии в строительстве" (Москва, 1998); кроме того, в ряде научных конференций и семинаров НТС Минархстроя РС(Я), Министерства РС(Я) по ЧС и ГО и Госкомитета РС(Я) по науке и высшей школе, кафедр и факультетов ЯГУ и МГСУ, Института неметаллических материалов, Института физико-технических проблем Севера, Института горного дела Севера СО РАН и др.
Под руководством автора защищены 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук и подготовлена к защите -1.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 81 работе, в том числе 2-х монографиях, 3-х научно-методических и 2-х учебно-методических пособиях, авторском свидетельстве и 4-х патентах,
Объем паботы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 264 страниц машинописного текста, 66 таблиц, 74 рисунка, список литературы из 418 наименований и 42 страниц приложений.
На защиту выносятся:
Теоретические положения повышения зкешіуатационньгх свойств теплоизоляционных материалов для слоистых ограждающих конструкций, работающих в суровых климатических условиях и подземных сооружениях в многолетней мерзлоте, с учетом современных требований тепловой защиты и теплоустойчивости, пожарной безопасности и экологии.
Зависимости кинетических параметров вспенивания и свойств напыляемых пенополиуретанов и пенополиизониануратов от технологических и конструктивных факторов, а так же технология
изготовления пенополиуретанов и пенополиизощшгуратов напылением при отрицательных температурах до -40С.
Зависимости прочности сцепления пенополиуретанов и пенополи-изоциануратов с подложками от вида и температуры строительных материалов при напылении в условиях отрицательных температур -5+ -40С.
Зависимости горючести и эксплуатационных свойств бесфреошшх. пенополиизоциануратов и пенополиуретанов от количества вводимых в их состав минеральных наполнителей и фосфорсодержащего олигоэфира.
Зависимости снижения содержания свободного фенола в пеиофенопластах от количества вводимых в их состав галогенсодержащих металлов переменной валентности, в частности, фтористого алюминия и хлористого олова.
Зависимости повышения прочностных характеристик и теплостойкости, снижения горючести пепофепопластов от количества вводимых в их состав фторидов и кремнийфторидов металлов, применение которых так же позволяет восстанавливать каталитическую активность композиций на основе фенолоформальдегидных олигомеров с просроченным сроком хранеігая.
Зависимости теплофизических свойств пенополиизоциануратов и пеиофенопластов (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости) от влажности и температуры.
Технологические приемы получения пенопластов с интегральной структурой, позволяющих получать слоистые ограждающие конструкции с повышенными прочностными и тешюфизнческими показателями.
Методика определения тешюпотерь через ограждающие конструкции зданий с применением тепловизионного контроля с последующим восстановлением теплоизоляции ограждений способами инъецирования и напыления модифицированных полиуретановых, полиизоциануратных и фенольных композиций.
Зависимости теплотехнических и физико-механических свойств пенополиуретанов, пенополиизоциануратов и пенофенопластов от циклических воздействий влажности и температуры для оценки их эксплуатационной стойкости и прогнозировашія долговечности слоистых конструкций на их основе в реальных условиях эксплуатации.
Методы оценки эксплуатационной эффективности теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях зданий и подземных сооружений в многолетней мерзлоте с использованием разработанных и усовершенствованных алгоритмов и прикладных программ.
Результаты внедрения и технико-экономические показатели.
