Повышение эксплуатационной надёжности пенополистирольных теплоизоляционных плит посредством их армирования стеклотканевыми материалами

Повышение эксплуатационной надёжности пенополистирольных теплоизоляционных плит посредством их армирования стеклотканевыми материалами

А.А.Мамонтов, В.П.Ярцев

В статье рассматривается вопрос повышения эксплуатационной надежности и долговечности пенополистирольных теплоизоляционных плит. Показано, что ухудшение их работоспособности при механических и атмосферных воздействиях связано с особенностями макроструктуры беспрессового пенопласта. Решить проблему предлагается путём армирования плит стеклотканевыми материалами. В работе описываются принцип проектирования и конструкции армированных пенополистирольных плит. Результатами механических и климатических испытаний подтверждается их повышенная прочность, твердость, атмосферостойкость и долговечность.

Ключевые слова: пенополистирольные плиты, армирование, стеклотканевая сетка, стеклохолст, эксплуатационная надёжность, долговечность.

Increased of operational reliability of polystyrene

insulation boards through their reinforcement by glass

cloth materials. By A.A.Mamontov, V.P.Yarcev

The article discusses the issue of improving the operational reliability and durability of polystyrene insulation boards. It is shown that the deterioration in their performance when mechanical and atmospheric impacts associated with the peculiarities of the macrostructure polystyrene. To solve the problem is proposed by reinforcement of boards by glass cloth materials. The paper describes the principle of the design and construction of reinforced polystyrene boards. The results of mechanical and climatic tests confirmed their increased strength, hardness, weather resistance and durability.

Key words: polystyrene boards, reinforcement, glass-mesh, fiberglass, operational reliability, durability.

Беспрессовый пенополистирол широко применяется в строительстве в виде теплоизоляционных плит. Их физико-механические свойства определяются макроструктурой, образованной спекшимися мелкоячеистыми гранулами. Относительно низкая прочность спекания гранул в случае механических и атмосферных воздействий приводит к разрушению утеплителя по межгранульным поверхностям, что снижает его эксплуатационную надежность и долговечность [1; 2].

В работе [1] отмечается, что разрушение пенопластов происходит путем образования и распространения трещин из-за развития и накопления дефектов на макроструктурном уров-

не. Увеличение эксплуатационной надежности и долговечности плит беспрессового пенополистирола представляется возможным за счёт устройства в них защитно-упрочняющих покрытий и прослоек, создающих дополнительные поверхности раздела и тормозящих распространение трещин [3].

С этой целью проводились исследования по конструированию плит армированного пенополистирола, представляющего собой слоистый теплоизоляционный материал, состоящий из следующих компонентов: пластины беспрессового пенополистирола; армирующих слоёв из стеклотканевой сетки или стеклохолста; адгезионных слоёв, обеспечивающих совместную работу пенопласта с арматурой.

В ходе экспериментов на основании результатов кратковременных испытаний поперечным изгибом и пенетрацией образцов пенополистирола с различным армированием осуществлялся выбор материала упрочняющих слоев, их количества и места расположения.

В работах [4; 5] рассматриваются варианты внешнего армирования плит пенополистирола стеклохолстом или стеклотканевыми сетками с размерами ячеек 2*2 и 5*5 мм, что увеличивает прочность и твёрдость утеплителя в два раза. Там же представлены результаты механических испытаний образцов ПСБ-С-35 с внутренним армированием в виде прослойки из указанных материалов. Показано, что прочность и твердость таких конструкций выше в среднем в полтора раза и определяется как толщиной пенопластовых слоев, так и их количеством.

Анализ приведенных в [4; 5] данных позволил установить оптимальное соотношение толщины слоев пенопласта (д, мм) и их количества (Ы, шт.), определяемое коэффициентом

о

к = — и обеспечивающее максимальную прочность и твёрдость пенополистирольных плит супрочняющей прослойкой (рис. 1).

Видно, что величина коэффициента к не зависит от материала армирования, а определяется напряженным состоя-

Рис. 1. Зависимость прочности при изгибе (а) и пенетрации (б) армированных стеклотканевой сеткой (1) и стеклохолстом (2) образцов пенополистирола от соотношения толщины слоёв пенопласта д и их количества N

нием: при изгибе £=4, а при пенетрации ¿=5,5. Это позволяет запроектировать армированную плиту пенополистирола, отличающуюся повышенными прочностью и жесткостью, для чего необходимо определить требуемую по теплотехническим или конструктивным условиям толщину утеплителя (Я, мм),

а затем рассчитать количество (М = шт.) или толщину

(б = л/к-н, мм) слоёв пенопласта в плите.

Повысить механические показатели пенополистирольных плит можно путём комбинированного армирования, сочетающего в себе внутреннее и внешнее расположение защитно-упрочняющих материалов (табл. 1).

Из таблицы 1 видно, что армирование плит повышает их механические показатели. При этом прочность и твёрдость конструкций определяются в большей степени материалом армирования, точнее его строением. Применение стеклотка-невой сетки в качестве прослойки и покрытия увеличивает прочность утеплителя в 2,7 раза, а твердость - в 1,5 раза по сравнению с неармированным пенопластом. В трёхслойных конструкциях максимального эффекта можно добиться сочетанием армирующих материалов, при котором стекло-холст лучше располагать внутри плиты пенополистирола, а стеклотканевую сетку - снаружи. В таком случае прочность конструкции увеличивается в 2 раза, а твёрдость - в 1,5 раза.

Независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями должна быть достаточна для исключения их необратимого перемещения относительно друг друга при воздействии не только механического поля, но и температуры [6].

Дилатометрические исследования образцов армированного пенополистирола показали, что на величину температурных деформаций оказывает влияние не столько материал армирования, сколько его расположение. Устройство покрытия из сте-клотканевой сетки или стеклохолста уменьшает термическое расширение пенопластовых плит в два раза. Это подтверждает наличие прочной адгезионной связи между компонентами слоистого теплоизоляционного материала, обеспечивающей его надёжную работу в условиях переменных температур.

При эксплуатации утеплитель подвергается влиянию климатических факторов, вызывающих изменения первоначальных характеристик [7; 8]. Атмосферостойкость плит армированного пенополистирола оценивалась по стабильности механических показателей соответствующих образцов в результате длительного действия повышенной температуры (80 °С), уф-облучения, многократного переменного замораживания и оттаивания.

Установлено, что армирование повышает стойкость плит к длительному тепловому воздействию, поскольку их прочность и твёрдость сохраняются на исходном уровне, в то время

Таблица 1. Результаты испытаний поперечным изгибом и пенетрацией образцов пенополистирола

с различным армированием

Вид конструкции

Прочность, МПа

Твёрдость, МПа

Неармированная ПСБ-С-35

0,39

0,31

1_=120 мм; Ь=30 мм; И=20 мм

Два слоя пенопласта ПСБ-С-35 по 10 мм с прослойкой и покрытием из сте-клотканевой сетки

1,06

0,47

L=120 мм; Ь=30 мм; ||=10 мм

Три слоя пенопласта ПСБ-С-35 по 10 мм с двумя прослойками и покрытием из стеклохолста

0,51

0,51

1_=120 мм; Ь=30 мм; И=10 мм

Три слоя пенопласта ПСБ-С-35 по 10 мм с двумя прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклотканевой сетки

0,79

0,47

1_=120 мм; Ь=30 мм; И=10 мм

2016

125

2

как механические показатели неармированного утеплителя снижаются в среднем на 30% (рис. 2).

В сравнении с повышенной температурой уф-облучение отличается большей агрессивностью к рассматриваемому материалу, поскольку его энергии достаточно для разрушения большинства полимерных связей. Инициируемые фотоокислительные реакции, протекающие в поверхностных облученных слоях, вызывают деструкцию пенопласта и снижают прочность пенополистирольных плит на 40%, а твёрдость - на 30% (рис. 3). Покрытие их армирующими материалами, в частности стеклохолстом, создает преграду на пути ультрафиолетовых лучей и защищает адгезионный слой и пенополистирол от разрушения. В результате стойкость армированных плит к уф-облучению в два раза выше, чем неармированных.

Исследование морозостойкости пенополистирольных образцов с различным армированием выявило деградацию их механических характеристик при увеличении кратно-

Рис. 2. Влияние длительного теплового воздействия на прочность при изгибе (а) и твёрдость (б) образцов пенопо-листирола ПСБ-С 35:1 - неармированных; 2 - армированных стеклохолстом; 3 - армированных стеклотканевой сеткой

Продолжительность, часы Продолжительность, часы

Рис. 3. Влияниеуф-облучения на прочность при изгибе (а) и твёрдость (б) образцов пенополистирола ПСБ-С 35: 1 - не-армированных; 2 - армированных стеклохолстом; 3 - армированных стеклотканевой сеткой

сти замораживания-оттаивания. Сильнее данный фактор сказывается на прочности при изгибе, которая снижается у неармированного пенопласта на 42%, у армированного сеткой - на 11%, а стеклохолстом - на 19%. Адгезионные слои ограничивают доступ влаги к межгранульным порам пенополистирола, делая утеплитель более морозостойким, что подтверждается снижением твердости армированных образцов на 15%, а неармированных на 26% (рис. 4).

Таким образом, стабильность механических показателей, формы и размеров образцов в результате рассмотренных воздействий характеризуют высокую атмосферостойкость и эксплуатационную надёжность армированных пенополистирольных плит.

Работоспособность материала определяется его долговечностью, то есть временем, в течение которого он сохраняет заданные свойства до наступления предельного состояния. Атмосферные и механические воздействия способствуют образованию и прорастанию трещин по межгранульным поверхностям, что постепенно приводит к разрушению плит из беспрессового пенополистирола [1; 2]. Замедление указанных процессов, а значит увеличение долговечности утеплителя, представляется возможным при условии его армирования. Кроме того, испытаниями на прочность доказано, что устройство защитно-упрочняющих слоёв влияет на механизм разрушения пенополистирольных плит и улучшает их механические характеристики [3; 4; 5].

Исследование прочностной долговечности плит армированного пенополистирола осуществлялось с позиции термо-флуктуационной концепции разрушения и деформирования твёрдых тел [9]. В результате длительных механических испытаний поперечным изгибом образцов армированного пенополистирола были получены термоактивационные закономерности его разрушения, графическая интерпретация которых представлена на рисунке 5.

Рис. 4. Влияние многократного замораживания-оттаивания на прочность при изгибе (а) и твёрдость (б) образцов пено-полистирола ПСБ-С35:1 - неармированных; 2 - армированных стеклохолстом; 3 - армированных стеклотканевой сеткой

Рис. 5. Зависимость логарифма долговечности (1д т, с) от напряжений при поперечном изгибе (а, МПа) при вариациях температур для образцов пенополистирола ПСБ-С-35: а) неармированных [10]; б) двухслойных с прослойкой и покрытием из стеклотканевой сетки; в) трёхслойных с прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклотканевой сетки; г) трёхслойных с прослойками и покрытием из стеклохолста

Каждый из армирующих материалов в силу их различного строения по-своему влияет на разрушение пенополистироль-ных плит, что подтверждается соответствующим расположением прямых, отражающих температурно-силовую зависимость долговечности (рис. 5). Разрушение оклеенных стеклотканевой сеткой образцов происходит при значительной величине прогиба без разделения их на части. Увеличение температуры приводит лишь к ускорению процесса, поэтому графические зависимости долговечности (1д т, с) от напряжений (а, МПа) при вариации температур образовали параллельные прямые (рис. 5 б, в). Механизм разрушения образцов, оклеенных стеклохолстом, аналогичен неармированным (рис. 5 а), но отличается образованием трещины, которая, преодолев один слой пенопласта, натыкается на армирующую прослойку (рис. 6). Несущая способность всей конструкции при этом сохраняется ещё некоторое время, после чего происходит разделение образца на части. С ростом температуры клеевая прослойка размягчается, холст хуже сопротивляется образованию трещин, что отражается на виде температурно-силовой зависимости долговечности, представляющей собой «прямой пучок» [9].

Материал внутренней прослойки также оказывает влияние на долговечность армированного пенополистирола (рис. 5).

Рис. 6. Трещина в растянутой зоне изгибаемого образца пенополистирола, армированного стеклохолстом

Образцы со стеклотканевой сеткой характеризуются наибольшим снижением долговечности (около 70%) при увеличении температуры с 20 до 60 °С. Для пенополистирола с таким же покрытием, армированного стеклохолстом, снижение долговечности составляет 30 %.

Полученные графические зависимости аналитически описываются уравнениями (1) и (2) [9^

- для прямого пучка:

г = тт ехр

и0-у-а

ЯТ

- ДЛЯ параллельных прямых:г = г\ ехр-ехр(-/?-сг).

я • т

;

где тт - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц: атомов, молекул, сегментов), с; ио - максимальная энергия активации процесса разрушения, кДж/моль; у, в - структурно-механические константы, кДж/(моль^МПа); Тт - предельная температура существования твердого тела (температура разложения), К; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль^К); т - время до разрушения (прочностная долговечность), с; а - напряжение при изгибе, МПа; Т - температура эксплуатации, К; т*, и - эмпирические константы.

Значения констант, входящих в уравнения, определялись графоаналитическим способом [9] и приведены в таблице 2.

Армированные конструкции пенополистирола имеют отличные от исходного материала константы, что объясняется присутствием в них нескольких компонентов с разным составом и структурой [9; 10; 11]. Понижение значения предельной температуры (Тт) у образцов, армированных стеклохолстом, связано с наличием клеевых прослоек, теплостойкость которых меньше, чем у обычного пенопласта. Увеличение энергии активации (ио) является также закономерным, поскольку основу прочности рассматриваемой конструкции составляют армирующие покрытие и прослойки из стеклохолста. По этой же причине уменьшилась структурно-механическая константа

Таблица 2. Значения термофлуктуационных констант при поперечном изгибе образцов пенополистирола

ПСБ-С-35 с различным армированием

Вид конструкции Константы

т (т*), с т Т , °к т ио (и), кДж/моль у, кДж/ (моль-МПа) в, с/МПа

Неармированный пенополистирол ПСБ-С-35 10-29 526,3 200 515,3 -

Трехслойная с прослойками и покрытием из стеклохолста 10-37 435 300 400 -

Трехслойная с прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклотканевой сетки (10-2,6) - (71) - 9

Двухслойная с прослойкой и покрытием из стеклотканевой сетки в интервале температур: 20-40 °С 40-60 °С (10-1,4) (10-213) - (71) (191) - 7,6 7,6

2 2016 127

(у). Стоит отметить, что армирование стеклохолстом практически не сказалось на величине предэкспоненты (тт).

Иной механизм разрушения пенополистирольных образцов, армированных стеклотканевой сеткой, отразился на виде и значениях констант. Очевидно, что наиболее работоспособной является двухслойная конструкция, имеющая минимальное значение структурно-механического фактора (в), и максимальное (т*).

Подставляя полученные значения термофлуктуацион-ных констант в уравнения (1) и (2), можно прогнозировать прочностную долговечность армированных пенополистирольных плит, работающих в условиях поперечного изгиба в широком диапазоне напряжений и температур. Из этих же уравнений определяется предел длительной прочности (а, МПа) и термостойкость (Т, К) утеплителя в любое время эксплуатации (т, с).

Для удобства прогнозирования границ работоспособности были получены диаграммы, позволяющие оценить как долговечность теплоизоляционных изделий в заданном температурно-силовом интервале, так и температуру или нагрузку, обеспечивающие их надёжную работу в течение установленного срока (рис. 7).

С помощью рисунка 7 можно провести сравнение долговечности неармированных и армированных пенополистирольных плит, работающих в условиях поперечного изгиба. При температуре 20°С и напряжении 0,1 МПа срок службы составит: для неармированной плиты ПСБ-С-35 - около 15 лет; армированной стеклотканевой сеткой - более 50 лет; армированной стеклохолстом и сеткой - 35 лет; армированной стеклохолстом - более 50 лет.

Рис. 7. Диаграммы работоспособности при поперечном изгибе плит пенополистирола ПСБ-С-35: а) неармированной; б) двухслойной с прослойкой и покрытием из стеклотканевой сетки; в) трёхслойной с прослойками из стеклохолста и покрытием из стеклотканевой сетки; г) трёхслойной с прослойками и покрытием из стеклохолста

Проведенные исследования показали, что армирование является эффективным способом повышения эксплуатационной надёжности пенополистирольных плит. Изменение механизма разрушения за счёт совместной работы пенопласта с армирующими прослойками и покрытиями обеспечивает повышение прочности изделия в 1,3-2,7 раза, уменьшение термического расширения в два раза, повышение на 40% стойкости к агрессивным воздействиям. Кроме того, армирование теплоизоляционных плит из беспрессового пенополистирола увеличивает их долговечность в четыре раза, что сокращает количество ремонтов и приводит к снижению эксплуатационных затрат.

Литература

1. Романенков, И.Г. Пособие по физико-механическим характеристикам строительных пенопластов и сотопластов /, И.Г. Романенков, К.В. Панферов, А.А. Артюшина и др. - М.: Стройиздат, 1977. - 80 с.

2. Ярцев, В.П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов, С.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. - 2013. - №1. - С. 8-11.

3. Александров, А.Я. Конструкции с заполнителями из пенопластов / А.Я. Александров, М.Я. Бородин, В.В. Павлов. - М.: Машиностроение, 1972. - 212 с.

4. Мамонтов, А.А. Повышение механических свойств пенополистирола армированием А.А. Мамонтов, О.А. Киселева // Строительные материалы. - 2010. - №9. - С. 76-77.

5. Ярцев, В.П. Влияние технологических и конструктивных факторов на долговечность пенополистирола / Ярцев В.П., Мамонтов А.А., Мамонтов С.А. // Academia. Архитектура и строительство. - 2013. - №2. - С. 112--116.

6. Берлин,А.А. и др. Принципы создания композиционных материалов / А.А. Берлин. - М.: Химия, 1990. - 240 с.

7. Хлевчук, В.Р. Теплотехнические и звукоизоляционные качества ограждений домов повышенной этажности / В.Р. Хлевчук, Е.Т. Артыкпаев. - М.: Стройиздат, 1979. - 255 с.

8. Ярцев, В.П. Анализ влажности различных утеплителей в ограждающих конструкциях здания при эксплуатации в отопительный период / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Academia. Архитектура и строительство. - 2013. - № 4. - С. 117-119.

9. Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев - М.: Химия, 1992. - 320 с.

10. Андрианов, К.А. Влияние состава на прочность, долговечность и термостойкость пенополистирола / К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2002. - Т. 8. - № 2. - С. 331-335.

11. Гончарова, М.А. Прогнозирование долговечности наполненного пенополиуретана в кровельной сэндвич-панели / М.А. Гончарова, Б.А. Бондарев, А.О. Проскурякова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-стро-

ительного университета. Строительство и архитектура. - 2014. -№3(35).- С. 31-37.

Literatura

1. Romanenkov I.G. Posobie po fiziko-mehanicheskim harakteristikam stroitel'nyh penoplastov i sotoplastov /, I.G. Romanenkov, K.V. Panferov, A.A. Artyushina i dr. - M.: Strojizdat, 1977. - 80 s.

2. Yarcev V.P. Ekspluatacionnye svojstva i dolgovechnost' teploizolyacionnyh materialov (mineral'noj vaty i penopolistirola) / V.P. Yarcev, A.A. Mamontov, S.A. Mamontov // Krovel'nye i izolyacionnye materialy. - 2013. - №1. - S. 8-11.

3. Aleksandrov A.Ya. Konstrukcii s zapolnitelyami iz penoplastov / A.Ya. Aleksandrov, M.Ya. Borodin, V.V. Pavlov. -M.: Mashinostroenie, 1972. - 212 s.

4. Mamontov A.A. Povyshenie mehanicheskih svojstv penopolistirola armirovaniem A.A. Mamontov, O.A. Kiseleva // Stroitel'nye materialy. - 2010. - №9. - S. 76-77.

5. Yarcev V.P. Vliyanie tehnologicheskih i konstruktivnyh faktorov na dolgovechnost' penopolistirola / Yarcev V.P., Mamontov A.A., Mamontov S.A. // Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. - 2013. - №2. - S. 112-116.

6. Berlin A.A. i dr. Principy sozdaniya kompozicionnyh materialov / A.A. Berlin. - M.: Himiya, 1990. - 240 s.

7. Hlevchuk V.R. Teplotehnicheskie i zvukoizolyacionnye kachestva ograzhdenij domov povyshennoj etazhnosti / V.R. Hlevchuk, E.T. Artykpaev. - M.: Strojizdat; 1979. - 255 s.

8. Yarcev V.P. Analiz vlazhnosti razlichnyh uteplitelej v ograzhdayushhih konstrukciyah zdaniya pri ekspluatacii v otopitel'nyj period / V.P. Yarcev, S.A. Strulev, A.A. Mamontov // Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. - 2013. - № 4. - S. 117-119.

9. Ratner S.B. Fizicheskaya mehanika plastmass. Kak prognoziruyut rabotosposobnost'? / S.B. Ratner, V.P. Yarcev -M.: Himiya, 1992. - 320 s.

10. Andrianov K.A. Vliyanie sostava na prochnost', dolgovechnost' i termostojkost' penopolistirola / K.A. Andrianov, V.P. Yarcev // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2002. - T. 8. - № 2. - S. 331-335.

11. Goncharova M.A. Prognozirovanie dolgovechnosti napolnennogo penopoliuretana v krovel'noj sendvich-paneli / M.A. Goncharova, B.A. Bondarev, A.O. Proskuryakova // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2014. -№3 (35).- S. 31-37.

2 2016

129