Потеря массы минераловатных плит в условиях

Потеря массы минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий
http://www.poliuretan.ru/art6.htm
Кровельные и изоляционные материалы, №2, 2005
Б.В. ГУСЕВ, Президент РИА и МИА, чл.-корр. РАН, доктор техн. наук, г. Москва, В.А. ЕЗЕРСКИЙ, член-корр. МИА, доктор техн. наук, г. Белосток,
Польша, П.В. МОНАСТЫРЕВ, канд. техн. наук, г. Тамбов
Приводятся результаты исследований, убеждающие в целесообразности использования при проектировании вентилируемых фасадов ветрозащитных
пленок на наружной поверхности минераловатных плит, либо применения для дополнительного утепления минераловатных плит повышенной
плотности (150 кг/м3 и более).
Теплоизоляционные материалы в конструкциях стеновых ограждений подвергаются сложному комплексу воздействий: замораживанию-оттаиванию,
увлажнению-высушиванию, длительному воздействию отрицательных или положительных температур, воздействию агрессивных сред и т.д.
Известно, что наиболее тяжелым воздействием для материалов является циклическое замораживание-оттаивание. Связано это с тем, что оно вызывает
наиболее интенсивное развитие деструктивных процессов в материалах, способных удерживать влагу.
Лабораторные исследования влияния циклического воздействия замораживания-оттаивания на свойства минераловатных плит, используемых в
стеновых ограждающих конструкциях, выявили изменение линейных размеров и коэффициента теплопроводности образцов этого материала [1]. При
проведении данных исследований было замечено, что разрушение минераловатных плит происходит в два этапа. На первом этапе разрушается
связующее, т.е. замерзающая вода раздвигает минераловатные волокна и разрыхляет утеплитель, что вызывает увеличение толщины минераловатных
плит и уменьшение их коэффициента теплопроводности. На втором этапе происходит процесс незначительной усадки плит по толщине и увеличение
их теплопроводности, что связано с разрушением уже не связующего, а самих волокон.
При выполнении опытов было замечено также, что процессы деструкции минераловатных плит сопровождаются выделением пыли в окружающую
среду. Это обстоятельство является важным для вентилируемых стен, так как наружный воздух в подобных ограждениях постоянно циркулирует
между теплоизоляционным материалом и облицовочной панелью.
Чтобы оценить количество пыли, выделяемой в окружающую среду минераловатными плитами, проведено экспериментальное исследование, в
котором изучалась потеря их массы Дm, % (функция УДm) в зависимости от:
числа циклов замораживания-оттаивания n, циклы (фактор X1);
исходной плотности минераловатных плит г, кг/м (фактор Х2).
Потеря массы (Дm, %) образцов минераловатных плит находилась по следующей зависимости:
Дm = |((m1m - m2m)/m2m)-100%|,
где т1т - масса образца, высушенного до постоянной массы после каждой серии циклов замораживания-оттаивания, г; т2т - исходная масса образца до
испытаний на эксплуатационную стойкость, г.
Пределы варьирования фактора X1 -число циклов замораживания-оттаивания, приняты с учетом сохранности образцов и возможности проведения
измерений ис следуемой характеристики. Для образцов плотности 74 кг/м3 предельное число циклов оказалось равным 75 [1]. Измерение массы
производились до воздействия на образцы циклического замораживания-оттаивания и после 9, 21, 30, 43, 54 и 75 циклов, т.е. на семи уровнях.
Фактор Х2 - исходная плотность минераловатных плит, принимался с учётом минимальных и максимальных плотностей плит, выпускаемых ЗАО
«Изорок» (г. Тамбов) и пригодных для использования в вентилируемых фасадах. Этот фактор варьировался на трех уровнях: 74, 115 и 156 кг/м3.
Натуральные Х и кодированные Х значения фактора приведены в таблице 1.
Испытаниям подвергались образцы минераловатных плит размером 100x140x50 мм. Данный теплоизоляционный материал имел горизонтальнослоистую структуру с небольшим (5...10 мм) гофрированием горизонтальных слоев по толщине.
Методика подготовки образцов минераловатных плит заключалась в выдерживании их в течении 15 ми нут в среде водяных паров при температуре
98±2°С и влажности 98±2% в камере для ускоренных исследований влагостойкости минераловатных материалов [2]. После этого образцы помещали в
морозильную камеру, где они замораживались до температуры -8±2°С в течение 5 часов., затем оттаивали в течение 5 часов при температуре 20±2°С
и влажности 55±5 %. Oттаявшие образцы высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы. Далее цикл испытаний повторяли. В среднем
длительность каждого цикла испытаний составляла 12 часов, а в каждом цикле испытаний наблюдалось два перехода через ноль. Измерения
повторялись для трех образцов-дублеров.
Для описания поверхности откликов Y= f(X1, X2) проведен двухфакторный эксперимент по плану второго порядка. План и результаты
экспериментов приведены в таблице 2. Для изучения исследуемого процесса строилась модель вида:
Yi = b0 + b1 Х1 + b2 Х2 + b3 X1 Х2 + b4 X21 + b5 Х22 , (1)
где bо, b1 , …, b5 - коэффициенты уравнения регрессии.
Таблица 1. Область определения факторов и кодированные их значения.
Обозначение фактора
Число циклов замораживания-оттаивания n, циклы (фактор )
Исходная плотность минераловатных плит, кг/м3 (фактор Х2)
Область определенияФактора ( )
Кодированные значения (X)
0
-1,0000
9
-0,7600
21
-0,4400
30
-0,2000
43
+0,1467
54
+0,4400
75
+ 1,0000
74
-1
115
0
156
+1
Таблица 2. Матрица планирования и результаты эксперимента по определению потери массы ( %) минераловатных плит различной плотности (фактор
X2) при циклическом воздействии замораживания-оттаивания (фактор X1)
№ опыта
1
-1,0000
-1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0000
2
-0,7600
-1
1,3
0,9
0,7
0,9
0,0822
3
-0,4400
-1
6,3
2,2
2,2
3,6
5,6314
4
-0,2000
-1
7,1
3,5
2,7
4,4
5,6662
5
+0,1467
-1
13,4
13,3
6,9
11,2
13,7552
6
+0,4400
-1
19,6
14,9
11,2
15,2
17,9644
7
+1,0000
-1
21,0
16,1
13,4
16,8
14,6201
8
-1,0000
0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0000
9
-1,0000
+1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0000
10
-0,7600
+1
0,5
0,5
0,7
0,5
0,0126
11
-0,4400
+1
1,0
1,9
1,1
1,3
0,2452
12
-0,2000
+1
1,2
2,2
1,6
1,6
0,2484
13
+0,1467
+1
1,7
2,0
1,5
1,7
0,0529
14
+0,4400
+1
1,7
2,4
1,6
1,9
0,1582
15
+1,0000
+1
2,3
2,8
2,5
2,5
0,0635
До построения модели выполнялась проверка воспроизводимости экспериментов. Для этого были выполнены оценки среднего значения отдельных
опытов среднего значения отдельных опытов Y(?) и их дисперсий .
Однородность ряда дисперсий отдельных опытов S21, S22,...S152 (таблица 2) проверялась с помощью критерия Кохрена. Проверка однородности
оценок дисперсий повторных опытов показала, что при уровне значимости б = 0,05 расчетные критэрии Кохрена Gрасч = 0,3071 меньше критического
Gкр0,05;2;15= 0,3346. Следовательно, можно считать, что дисперсии опытов однородны. В таком случае дисперсия воспроизводимости эксперимента
составила (?) = 3,900. Эта оценка дисперсии была принята одинаковой во всей области факторного пространства.
По результатам эксперимента (таблицы 2) построена регрессионная модель, которая после оценки значимости коэффициентов регрессии приобрела
вид:
(?)= 5,7 + 5,35Х1 - 3,53Х2 - 4,20Х1 Х2 (2)
Интерпретация результатов исследования потери массы минераловатных плит под воздействием эксплуатационных факторов выполнялась на основе
анализа уравнения регрессии (2).
Установлено, что наиболее сильное влияние на потерю массы оказывает фактор X1 - число циклов замораживания-оттаивания. Выявлен
положительный линейный эффект влияния данного фактора, свидетельствующий о том, что с увеличением числа циклов от 0 до 75 образцы
минераловатных плит теряют около 11 % своей исходной массы.
Слабее оказалось влияние фактора Х2 - плотность минераловатных плит. Выявлен отрицательный линейный эффект влияния данного фактора.
Установлено, что минераловатные плиты плотностью = 74 кг/м3 после 35 циклов замораживания-оттаивания ( = 35) теряют около 9% своей массы, а
при = 156 кг/м3, = 35 значение (?) составит всего лишь около 2%. На характер и силу влияния фактора Х2 существенное влияние также оказывает
фактор (?) Физическая интерпретация этого вывода сводится к тому, что чем больше плотность минераловатных плит, тем слабее влияние числа
циклов замораживания-оттаивания на потерю массы теплоизоляционным материалом.
Графическая интерпретация результатов эксперимента приведена на рисунке 1.
При построении графиков, кроме шкалы циклов замораживания-оттаивания, нанесена шкала условного периода эксплуатации в годах, которая была
получена делением соответствующего числа циклов на 3 в соответствии с обоснованием, приведенным в работе [3].
Анализ графической информации показал, что экстремумы указанной зависимости находятся вне области определения факторов. Наиболее
интенсивная потеря массы наблюдается у минераловатных плит плотностью 74 кг/м3, а минимальная - у плит плотностью 156 кг/м3. После 25
условных лет эксплуатации данного материала потеря массы составит 18,78% для = 74 кг/м3 и 3,32% для = 156 кг/м3. Установлено, что при
использовании минераловатных плит плотностью более 125 кг/м3 динамика потери их массы резко снижается.
Применительно к вентилируемым фасадам потеря массы минераловатных плит показывает не только на изменение прочностных и теплофизических
свойств теплоизоляционного материала, но и его распыление. Например, при термомодернизации жилого девятиэтажного здания серии 90,
построенного в г. Тамбове с площадью наружных стен 1498 м2 потребуется 135 м3 минераловатных плит плотностью 74 кг/м3, то есть 9990 кг
утеплителя. За 25 условных лет эксплуатации здания потоки воздуха, циркулирующие под облицовочными панелями вентилируемых фасадов, могут
вынести в атмосферу около 1876 кг пыли, выделяемой минераловатным утеплителем. То есть в среднем стены данного здания будут выделять в
окружающую среду около 75 кг пыли в год.
Рис.1. Потеря массы минераловатных плит различной плотности (кг/м3) в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания (n, циклы).
Проведенное исследование убеждает в целесообразности использования ветрозащитных пленок на наружной поверхности минераловатных плит,
либо принимать для дополнительного утепления минераловатные плиты повышенной плотности (150 кг/м3 и более). Только при таком подходе к
проектированию вентилируемых фасадов можно предотвратить ухудшение экологической обстановки рядом со зданиями и тем самым не допустить
увеличение заболеваний органов дыхания и аллергических обострений.
Библиографический список:
1. Гусев Б.В., Езерский В.Л., Монастырев П.В. Изменение линейных размеров минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий //
Промышленное и гражданское строительство. - 2004, № 8. - с. 32-34.
2. Бобров Ю.Л. Долговечность теплоизоляционных минераловатных материалов. - М.: Стройиздат, 1987. - 168 с.
3. Хлевчук В.Р., Бессонов И.В., Румянцева И.А., Сигачев К.П., Заволока М.В., Пимкин Н.Е., Курилюк И.С. К вопросу о стойкости пенопластов и
волокнистых утеплителей в ограждающих конструкциях зданий. //
Сборник докладов. Научно-исследовательский институт строительной физики. – М. 2001. – с. 255-258.