Эксплуатационная стойкость минераловолокнистых изделий

строительное материаловедение

УДК 691.699.86

В.А. Перфилов, А.С. Пилипенко*, Е.Р. Пятаев*

ВолгГАСУ, *НИУМГСУ

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МИНЕРАЛОВОЛОКНИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ

Выявлены основные компоненты методологии оценки свойств теплоизоляционных изделий, которыми являются установка для испытаний, соответствующая методика их проведения и методика оценки эксплуатационной стойкости. Опробована методология проведения ускоренных испытаний и прогнозирования долговечности минераловатных изделий слоистой, гофрированной и объемно-ориентированной структур. Получены результаты испытаний, которые имеют хорошую сходимость с методиками, рекомендованными строительными нормами.

Ключевые слова: теплоизоляция, минеральная вата, структура, эксплуатационная стойкость, экспресс-методика, связующее

Формирование эффективной изоляционной оболочки здания возможно только при использовании качественных материалов, сохраняющих свои характеристики как на ранних стадиях эксплуатации, так и на весь расчетный период. Важное значение имеет возможность оценки свойств теплоизоляции (и прогнозирования изменения этих свойств во времени) непосредственно в условиях строительной площадки.

Изделия на основе минеральных волокон (каменной и стеклянной ваты, базальтового волокна) являются наиболее используемым видом теплоизоляционных материалов, применяемых в отечественном строительстве. Поэтому методики оценки эксплуатационных характеристик должны быть сформированы в первую очередь для изделий этой группы.

Эксплуатационная стойкость теплоизоляционного материала определяется его способностью выдерживать температурно-влажностные и механические нагрузки, воздействия химически активных жидкостей и паров без значительного изменения функциональных свойств — в первую очередь плотности и теплопроводности [1, 2]. В процессе эксплуатации плиты подвергаются различным воздействиям, которые тем или иным образом нарушают структуру материала, изменяют свойства минерального волокна и прочность областей омоноличенного контакта [3, 4]. Все эти факторы могут рассматриваться как причины снижения эксплуатационной стойкости.

Основными факторами агрессивного воздействия на материалы [5, 6] являются присутствие в теплоизоляционном слое влаги с растворенными в ней минеральными веществам, температурный фактор (повышенные и пониженные температуры, переход через 0 °С), миграция в теплоизоляционном слое паровоздушной смеси, непосредственные механические и вибрационные воздействия. Все эти влияния приводят к неизбежному снижению качественных показателей теплоизоляции, а оценка интенсивности этого снижения и является предметом разработанных методик [7, 8].

вестник 3/2016

В настоящее время в нормативных и рекомендуемых документах, а также методиках, разработанных в НИУ ВШЭ (ГАСИС), НИИСФ РААСН, ROCKWOOL, ТехноНИКОЛЬ и других организациях, оценка эксплуатационной стойкости теплоизоляции оценивается по ее искусственному старению в результате испытаний в климатических камерах. Методики имеют описательный характер без введения формализующих критериев, что осложняет их сопоставление и сравнительную оценку свойств материалов [1, 9].

традиционным критерием в действующих методиках принимается влагостойкость. Согласно действующим ГОСТ 9573 и ГОСТ 17177, ее оценивают по степени снижения прочности и сжимаемости после выдерживания образцов минераловатных плит в течение 3 сут в эксикаторе при температуре 22 ± 5 °С и влажности 98 ± 2 %. Интенсифицировать этот процесс впервые было предложено в 1981 г. учеными НИИСФ И.Я. Киселевым и В.Г. Новгородовым. Испытания проводились в среде водяных паров над кипящей водой. минера-ловатный теплоизоляционный материал (мТм) считался влагостойким, если после 1 ч испытаний снижение прочности не превышало 30 %. Применение этой методики не только существенно ускорило оценку влагостойкости различных мТм, но и позволило накопить практические данные для возможного совершенствования методики, а также конструкции камеры для определения влагостойкости МТМ с горизонтальной, вертикальной и объемной ориентаци-ями волокон в их структуре [10, 11]. Полученные данные свидетельствовали, что между значениями снижения прочности образцов плит при их выдержке над кипящей водой и хранении в эксикаторе во влажной воздушной среде при 18...20 °С существует прямая пропорциональная зависимость. Более глубокое изучение этого вопроса показало, что существенное влияние оказывают вид и степень отверждения связующего в готовых плитах.

Эта методика была включена в ГОСТ 9573. Но, как было установлено позже, она не учитывала влияния повышенных температур (до 100 °С) и влажности (до 100 %) при выдержке над кипящей водой образцов, в которых процесс поликонденсации фенолоспиртов, применяемых в качестве связующих веществ, завершился не полностью. Такие образцы в первые 40.45 мин испытаний над кипящей водой дополнительно отверждались (доупрочнялись), т.е. изменялись их фактические свойства — одновременно с деструктивными процессами были отмечены признаки структурирования неотвержденной части связующего.

Установленные закономерности позволили сделать следующий вывод: до тех пор, пока нормативно предопределена возможность изготовления минераловатных изделий с недостаточной степенью отверждения в них связующего (ГОСТ 9573 и др.), ускоренные испытания над кипящей водой целесообразно проводить в течение не более 27.30 мин. В этот период воздействие температур, близких к 100 °С, не оказывает существенного влияния на показатель влагостойкости исследуемой минеральной ваты. Поэтому специалистами ВНИИТеплоизоляции, НИУ МГСУ, ЦНИИПромзданий, ЦМИПКС, УралНИИстромпроект были разработаны методика и камера для испытания образцов минераловатных изделий на влагостойкость. Однако многолетний опыт эксплуатации этой камеры показал, что в ней практически невозможно

провести испытание материалов плотностью до 50...75 кг/м3. Дело в том, что подобные образцы в процессе испытаний очень сильно деформируются и при извлечении из камеры еще больше разрушаются.

Учитывая вышеизложенное, ЦНИИПромзданий и ГАСИС при участии НИУ МГСУ и ООО «Максмир» под руководством проф. Ю.Л. Боброва произвели работы по усовершенствованию камеры и методики, позволившие проводить оперативные исследования влагостойкости изделий из минеральной ваты различной плотности как в заводских, так и в построечных условиях за 20.25 мин. Общий вид камер для проведения экспресс-исследований представлен на рис. 1.

а б

Рис. 1. Камеры для проведения экспресс-испытаний: а — камера для испытаний жестких плит; б — камера для испытаний мягких плит

Камера, показанная на рис. 1, а, предназначена для определения влагостойкости образцов жестких плит (по изменению прочности на сжатие при 10%-й деформации) после их выдержки над кипящей водой. Камера на рис. 1, б предназначена для определения влагостойкости мягких и полужестких плит по изменению их сжимаемости после выдержки над кипящей водой.

Применение этой методики не только существенно ускорило оценку влагостойкости различных МТМ, но и позволило накопить практические данные для возможного совершенствования методики и конструкции камеры для определения влагостойкости мтм с горизонтальной и вертикальной ориентацией волокон в их структуре. Полученные данные подтвердили сделанные ранее выводы о прямой пропорциональной зависимости между значениями снижения прочности образцов плит при их выдержке над кипящей водой и хранении в эксикаторе во влажной воздушной среде при 18.20 °С.

Одновременно со снижением прочности были отмечены признаки структурирования неотвержденной части связующего в процессе более длительных испытаний, а также необратимые деформации образцов малой плотности (35.70 кг/м3) при их извлечении из камеры после завершения испытаний и крепления в зажимах разрывного устройства.

ВЕСТНИК

3/2016

Данный метод оценивает влагостойкость образца утеплителя по изменению сжимаемости. для большинства минераловатных изделий на синтетических связующих относительное изменение сжимаемости составляет 5...20 %. Существенное превышение этих значений может свидетельствовать об ухудшении качества связующего, нарушениях технологии производства, режимов их хранения и т.д.

Исследования эксплуатационных свойств минераловатных изделий показали, что их свойства изменяются в процессе климатических испытаний, причем характер этих изменений различен. Установлено, что прочностные характеристики минераловатных плит снижаются во времени. Эти изменения происходят как в жестких плитах (плотностью 160.220 кг/м3) — снижение прочности при сжатии при 10%-й деформации, так и в плитах с низкой плотностью — увеличение их сжимаемости. для жестких плит наибольшие изменения наблюдаются в первые 3...5 лет эксплуатации материала в покрытиях и в первые 100...150 циклов испытаний в климатических камерах.

Прогнозирование эксплуатационной стойкости жестких минераловатных плит позволяет достичь более достоверных результатов с использованием аналитического метода. В соответствии с этим методом, сначала экспериментально устанавливают вероятный закон снижения прочности (кривую эксплуатационной стойкости), а затем определяют константы расчетных формул.

Характер снижения начальной прочности минераловатных плит при их эксплуатации в покрытиях промышленных зданий с рулонной кровлей может быть описан с помощью дифференциального уравнения вида

где о(я) — текущее значение прочности на сжатие при 10%-й линейной деформации; а — показатель, характеризующий комплексное влияние эксплуатационных факторов на снижение в течение времени физико-химических и теплозащитных свойств минераловатных плит; п — прогнозируемая длительность эксплуатации утеплителя из минераловатных плит; о* — прочность плит на сжатие на стадии их практического разрушения (отказа) в покрытии под рулонной кровлей.

где о0 — прочность плит перед наклейкой на них рулонного ковра.

Анализ изменений в результате циклических температурно-влажностных испытаний прочностных характеристик минераловатных изделий (прочности при 10%-й деформации или сжимаемости), их плотности и теплопроводности позволили сформулировать следующие выводы.

Современный уровень технологии производства каменной ваты делает возможным получение минеральных волокон с модулем кислотности 2.2,2, благодаря чему волокно становится стойким к температурно-влажностным, химическим и механическим воздействиям, характерным для процессов эксплуатации.

ёп

Объемно ориентированная структура минераловатного материала позволяет ему сохранять стабильную форму в условиях незначительных сжимающих усилий.

Необратимые деформации образцов при нагружении, а также увеличение их плотности и теплопроводности при эксплуатации происходят в результате ослабления (или разрушения) структуры в местах контактов волокон, где они закреплены омоноличенным связующим. Основная причина — неполное омо-ноличивание связующего и, как следствие, ослабление связей в областях контакта волокон. Устранение этого недостатка является комплексной задачей, для решения которой необходимо изучение процессов тепло- и массообмена в минераловолокнистом слое и в итоге коррекция режимов тепловлажностной обработки минераловатного ковра в конвейерных камерах.

Библиографический список

1. Жуков А.Д., Наумова Н.В., Мустафаев Р.М., Майорова Н.А. Моделирование свойств высокопористых материалов комбинированной структуры // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 7. С. 39—42.

2. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическая модель и инженерный метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2006. № 2. С. 60—63.

3. Бессонов И.В., Старостин А.В., Оськина В.М. О формостабильности волокнистого утеплителя // Вестник МГСУ. № 3. 2011. С. 134—139.

4. ZhukovA.D., Smirnova T.V., ZelenshchikovD.B., KhimichA.O. Thermal treatment of the mineral wool mat // Advanced Materials Research (Switzerland). 2013. Vol. 838—841. Рр. 196—200.

5. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Энергетическая эффективность и методология создания теплоизоляционных материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Серия: Политематическая. 2014. № 4 (35). С. 3. Режим доступа: http://vestnik.vgasu. ru/?source=4&articleno=1789.

6. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Теплоизоляция и современные строительные системы // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 6. С. 11—13.

7. Жуков А.Д., Наумова Н.В., Мустафаев Р.М., Майорова Н.А. Моделирование свойств высокопористых материалов комбинированной структуры // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 7. С. 39—42.

8. Жуков А.Д., Чугунков A.B., Жукова E.A. Системы фасадной отделки с утеплением // Вестник МГСУ. 2011. № 1—2. С. 279—283.

9. Жуков А.Д., Орлова А.М., Наумова Т.А., Никушкина Т.П., Майорова А.А. Экологические аспекты формирования изоляционной оболочки зданий // Научное обозрение. 2015. № 7. С. 209—212.

10. Ефименко А.З., Пилипенко А.С. Управление производством и поставками комплектов изделий и конструкций предприятиями стройиндустрии // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 9. С. 65—67.

11. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Смирнова Т.В. Технологические аспекты эксплуатационной стойкости минеральных волокон // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 32—36.

Поступила в редакцию в марте 2016 г.

вестник 3/2016

Об авторах: Перфилов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нефтегазовых сооружений, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ), 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д. 1, vladimirperfilov@mail.ru;

Пилипенко Антон Сергеевич — кандидат технических наук, ассистент кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, anikei_randomnyi@mail.ru;

Пятаев Евгений Равильевич — студент магистратуры кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, pyatay92@mail.ru.

Для цитирования: Перфилов В.А., Пилипенко А.С., Пятаев Е.Р. Эксплуатационная стойкость минераловолокнистых изделий // Вестник МГСУ. 2016. № 3. С. 79—85.

V.A. Perfilov, A.S. Pilipenko, E.R. Pyataev

OPERATING STABILITY OF MINERAL WOOL PRODUCTS

Creating an effective insulation envelope of the building is possible only using high-quality materials, preserving their characteristics both in the early stages of operation, and for the whole billing period. It is an important opportunity to assess the thermal insulation properties and predict its changes over time directly in the conditions of the construction site.

The products based on mineral fibers (rock and glass wool, basalt fiber) are the most widely used type of insulating materials in the domestic construction. Therefore, the operational stability valuation methods must be primarily created for this group of products.

The methodology for assessing the thermal insulation properties includes two main components: testing equipment and methodology for assessing the operational stability. The authors tested the methodology of the accelerated testing and prediction of durability for mineral wool products of laminated, corrugated and volume-oriented structures. The test results give good convergence with the methods recommended by the building regulations.

Application of thermal insulation materials are an effective way to form the thermal envelope of the building, reducing energy costs and increasing the durability of building structures. The material properties are determined by their structure, which is formed during the technological impacts.

Key words: thermal insulation, mineral wool, structure, service durability, express method, binder

References

1. Zhukov A.D., Naumova N.V., Mustafaev R.M., Mayorova N.A. Modelirovanie svoystv vysokoporistykh materialov kombinirovannoy struktury [Simulation of the properties of Highly Porous Materials with Combined Structure]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2014, no. 7, pp. 39—42.

2. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Matematicheskaya model' i inzhenernyy metod rascheta vlazhnostnogo sostoyaniya ograzhdayushchikh konstruktsiy [Mathematical Model and Engineering Method for Calculating Humidity Condition of Enveloping Constructions]. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and Construction]. 2006, no. 2, pp. 60—63.

3. Bessonov I.V., Starostin A.V., Os'kina V.M. O formostabil'nosti voloknistogo uteplitelya [Dimensionally of Stable Fiber Insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 3, pp. 134—139.

4. Zhukov A.D., Smirnova T.V., Zelenshchikov D.B., Khimich A.O. Thermal Treatment of the Mineral Wool Mat. Advanced Materials Research (Switzerland). 2013, vols. 838—841, pp. 196—200. DOI: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.838-841.196.

5. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.V. Energeticheskaya effektivnost' i metodologiya sozdaniya teploizolyatsionnykh materialov [Energy Efficiency and Methodology of Producing Thermal Insulating Materials]. Internet-vestnik VolgGASU. Seriya Poli-tematicheskaya [Internet Proceedings of of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Polythematic]. 2014, no. 4

6. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D. Teploizolyatsiya i sovremennye stroitel'nye sistemy [Thermal Insulation and Modern Building Systems]. Krovel'nye i izolyatsionnye materialy [Roofing and Insulation Materials]. 2013, no. 6, pp. 11—13.

7. Zhukov A.D., Naumova N.V., Mustafaev R.M., Mayorova N.A. Modelirovanie svoystv vysokoporistykh materialov kombinirovannoy struktury [Simulation of the Properties of Highly Porous Materials with Combined Structure]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2014, no. 7, pp. 39—42.

8. Zhukov A.D., Chugunkov A.B., Zhukova E.A. Sistemy fasadnoy otdelki s utepleniem [Systems of Facade Decoration Work with Heat Insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1—2, pp. 279—283.

9. Zhukov A.D., Orlova A.M., Naumova T.A., Nikushkina T.P., Mayorova A.A. Eko-logicheskie aspekty formirovaniya izolyatsionnoy obolochki zdaniy [Environmental Aspects of the Formation of Insulating Shell of Buildings]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2015, no. 7, pp. 209—212.

10. Efimenko A.Z., Pilipenko A.S. Upravlenie proizvodstvom i postavkami komplektov izdeliy i konstruktsiy predpriyatiyami stroyindustrii [Management of Production and Delivery of Product and Structure Sets by Construction Industry Enterprises]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 65—67.

11. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Smirnova T.V. Tekhnologicheskie aspekty ekspluatatsionnoy stoykosti mineral'nykh volokon [Technological Aspects of Operational Durability of Mineral Fibers]. Promyshlennoe igrazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2015, no. 1, pp. 32—36.

About the authors: Perfilov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, chair, Department of Oil and Gas Structures, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VSUACE), 1 Akademicheskaya str., Volgograd, 400074, Russian Federation; vladimirperfilov@mail.ru;

Pilipenko Anton Sergeevich — Candidate of Technical Sciences, Assistant Lecturer, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; anikei_randomnyi@mail.ru;

Pyataev Evgeniy Ravil'evich — Master student, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; pyatay92@mail.ru.

For citation: Perfilov V.A., Pilipenko A.S., Pyataev E.R. Ekspluatatsionnaya stoykost' mineralovoloknistykh izdeliy [Operating Stability of Mineral Wool Products]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 3, pp. 79—85.