CC BY
34УДК 699.86
И.В. БЕССОНОВ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, А.В. СТАРОСТИН, старший инженер, НИИСФ РААСН; В.М. ОСЬКИН, технический специалист, компания ISOVER (Москва)
Эксплуатационная пригодность минераловатной теплоизоляции на основе стекловолокна
Эксплуатационная пригодность минераловатной теплоизоляции исследована недостаточно полно, при этом имеющиеся данные чаще относятся к низкокачественным материалам, производимым по технологиям начала и середины прошлого века на устаревшем оборудовании [1—4].
Эксплуатационная пригодность — свойство конструкции или ее элемента непрерывно сохранять требуемые показатели эксплуатационного качества в течение планируемого срока службы при определенных условиях эксплуатации. Условия эксплуатации теплоизоляционного слоя, регламентированные в СНиП 23-02—2003, должны обеспечиваться надлежащим образом спроектированной и выполненной строительной конструкцией [5].
В данной статье обобщены результаты работ по изучению влияния циклических температурно-влажност-ных воздействий на эксплуатационные характеристики минераловатных теплоизоляционных плит, а также стойкости фенолформальдегидного связующего к термоокислительной деструкции. Испытания были проведены по инициативе группы «Сен-Гобен», для их проведения выбраны минераловатные плиты на основе стекловолокна ISOVER KL 34 плотностью 19 кг/м3 и ISOVER KT 37.
Другие аспекты долговечности минераловатных теплоизоляционных плит ISOVER, такие как способность к надежной технической фиксации, формостабильность, эмиссия волокна, сорбция влаги и влияние на этот показатель химической природы минерального волокна, полимерного связующего, гидрофобизирующих добавок и др., будут рассмотрены в следующих публикациях.
В НИИ строительной физики были проведены исследования влияния циклических знакопеременных температур на свойства стекловолокнистых теплоизоляционных плит ISOVER KL 34.
Образцы теплоизоляции ISOVER изучались при следующих условиях:
— сухие (в состоянии естественной влажности);
— после увлажнения до влажности 5 мас. %;
— после увлажнения до влажности 10 мас. %;
— после испытания на водопоглощение при частичном погружении в течение 24 ч;
— после испытания на водопоглощение при частичном погружении в 1% раствор NaOH в течение 24 ч;
— после испытания на водопоглощение при частичном погружении в цементное молочко в течение 24 ч. Циклические воздействия проводились в климатической камере КТК 3000 ILKA. Цикл состоял из замораживания при -40оС в течение 3 ч и оттаивания при 20оС в течение 3 ч. Периодическая оценка проводилась через 50, 100 и 136 циклов. Контролируемые параметры: теплопроводность по ГОСТ 7076, сжимаемость и упругость по ГОСТ 17177. Оценивалось изменение контролируемых параметров по отношению к образцам, не подвергаемым воздействию периодического замораживания-оттаивания. Следует заметить, что в процессе проведения
испытаний предварительно увлажненные образцы, выдерживавшиеся как в щелочном растворе, так и в водных составляющих цемента, высыхали и достигали к 100-му циклу состояния естественной влажности.
Результаты проведенных испытаний обобщены в табл. 1.
Как видно из приведенных данных, после циклического замораживания-оттаивания образцов физико-механические показатели стекловолокнистых теплоизоляционных плит практически не изменились. Показатель сжимаемости плит ISOVER КЬ 34 остался на первоначальном уровне, отмечено некоторое снижение упругости на 3—5% по сравнению с исходным показателем.
Увеличение коэффициента теплопроводности наблюдается только для увлажненных образцов. После высыхания до естественной влажности этот показатель восстанавливается до исходного уровня. Циклическое замораживание-оттаивание теплоизоляционных плит ISOVER (сухих, увлажненных до 5 и 10 мас. %, после во-допоглощения в течение 24 ч, в том числе в растворе щелочи и в цементном молочке) не оказывает никакого влияния на теплопроводность плит ISOVER после высыхания до состояния естественной влажности.
О чем свидетельствуют эти результаты? Во-первых, в волокнах малой толщины (средний диаметр около 3 мкм) при деформации из-за расширения замерзшей влаги не развиваются критические напряжения, выше которых возможно разрушение волокон, как это происходит с более толстыми волокнами [2]. Во-вторых, длина волокон (до 250 мм) такова, что при их механическом переплетении формируется новая пространственная сетка в дополнение к той, которая образуется при склеивании волокон с помощью связующего.
Наличие таких лабильных пространственных связей придает макроструктуре утеплителя свойство тиксотро-пии, обеспечивающей, с одной стороны, дополнительную механическую прочность стекловолокнистым изделиям, а с другой — релаксацию напряжений в материале, вызванных эксплуатационными воздействиями.
Таким образом, приведенные выше результаты эксперимента позволяют констатировать, что минераловат-ная теплоизоляция на основе стекловолокна ISOVER не подвержена возможному накоплению дефектов, которые, как отмечено в работах [2, 3], могут приводить к ухудшению эксплуатационных характеристик.
В ходе исследований была оценена динамика увлажнения при частичном погружении в воду при 20оС и скорости высыхания образцов стекловолокнистых плит ISOVER при температуре -4, 20 и 50оС.
Исследования водопоглощения стекловолокнистых изделий показали, что при частичном погружении в воду увлажняются слои на уровне зеркала воды; в слои выше уровня воды влага практически не перемещается. Этот факт свидетельствует об отсутствии капилляров в стекловолокнистых плитах низкой плотности, способствующих проникновению влаги в глубину материала.
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы- a май 2010 37
Таблица 1
Результаты определения коэффициента теплопроводности, сжимаемости и упругости образцов теплоизоляционных плит ISOVER ЕЬ 34
Образец Коэффициент теплопроводности Х20, Вт/(м-К) Сжимаемость Сж, % Упругость У, %
Количество циклов воздействия Примечание
Контрольный
0 0,036 43,1 99,5
50 44,32 97,9
100 0,036
136 0,036 44,8 93,27
Увлажненный до 5 мас. %
0 Влажность 5% 0,043
100 Образец высох 0,037
136 Образец высох 0,036
Увлажненный до 10 мас. %
0 Влажность 10% 0,05
100 Образец высох 0,037
136 Образец высох 0,037 46,41 94,95
Водопоглощение в течение 24 ч
100 Образец высох 0,037
136 Образец высох 0,037 43,41 93,79
Водопоглощение в течение 24 ч в щелочном растворе
0 Контрольный после высыхания 0,036 44,16 97,92
100 Образец высох 0,036 43,12 97,4
136 Образец высох 0,035
Водопоглощение в течение 24 ч в водных составляющих цемента
0 Контрольный после высыхания 0,036 42,45 95,41
50 44,09 94,83
100 Образец высох 0,037 43,63 95,18
136 Образец высох 0,037
За первые 15 мин частичного погружения образец набирает около 90% воды по массе, за 24 ч — около 700 мас. %.
Высыхание образцов происходило достаточно интенсивно как при повышенной (50оС), так и при комнатной температуре. Образцы, увлажняемые 24 ч, восстановили свою массу за 3 сут.
Отмечено, что высыхание образцов также происходило и при отрицательной температуре (-4оС). Образцы, увлажненные до 90%, высыхали за 2 сут; увлажненные до 160% — на 4-е сут; до 220% — на 5-е сут; до 700% — на 21-е сут.
Из приведенных выше результатов следует, что при местном переувлажнении стекловолокнистых тепло -изоляционных изделий не происходит переноса влаги в другие, неувлажненные слои теплоизоляции. А намокшие теплоизоляционные плиты КОУЕЯ быстро высыхают даже при низкой температуре и полностью восстанавливают первоначальные значения теплофизических и физико-механических характеристик.
Влияние щелочной среды на микроструктуру стеклянного волокна оценивали по микрофотографиям его образцов. Волокна подвергались циклическому воздействию температур после увлажнения, обработки раствором щелочи и цементным молочком и сравнивались с исходным волокном. На рис. 1—5 приведены микрофотографии волок-
на до и после циклических температурных воздействий, увлажнения водой и обработки в агрессивных средах.
При анализе микрофотографий образцов стеклово-локнистых плит, прошедших циклические температурные воздействия, в том числе обработку раствором щелочи и водными составляющими цемента, видимых изменений морфологии волокна не обнаружено. Отмечена кристаллизация цементного камня на поверхности волокна, обработанного водными составляющими цемента.
Другой аспект долговечности минераловатной теплоизоляции на основе стекловолокна — старение полимерного связующего и влияние этого процесса на свойства теплоизоляционных изделий.
В качестве полимерного связующего для минерало-ватных теплоизоляционных изделий применяются фе-нолформальдегидные смолы. Помимо них в состав стекловолокнистых теплоизоляционных изделий КОУЕЯ в качестве вспомогательных технологических и целевых добавок входят сульфат аммония, аммиачная вода, масляная эмульсия, карбамид, силан.
Как было показано, стекловолокнистые материалы устойчивы при умеренных температурах. Поэтому для оценки их термоокислительной стабильности были выбраны повышенные температуры. Эти исследования проводили в следующих условиях:
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
38 май 2010
Таблица 2
Результаты испытаний термоокислительной стабильности образцов ISOVER ЕЬ 34 и ЕГ 37
1, ос Время, ч Потеря массы, % Цвет Изменение высоты, % Сжимаемость, % Упругость, %
КТ 37 ^ 34 КТ 37 34 КТ 37 34
Исходная 0 0 0 Светло-желтый - 34,9 35,4 96 90,5
50 330 0 0 Светло-желтый Нет 34,9 35,4 96 95
50 660 0 0 Светло-желтый Нет 34,9 35,4 96 95
50 1000 0,01 0,00 Светло-желтый Нет 34,8 35,3 95,9 95
100 330 0,02 0,01 Темно-желтый Нет 34,8 34,5 95,9 95
100 660 0,035 0,015 Светло-коричневый Нет 34,7 33,2 95,7 95
100 1000 0,045 0,021 Светло-коричневый Нет 34,5 31 95,6 94,5
160 330 0,8 0,4 Светло-коричневый Нет 32,8 30,5 93,2 93,8
160 660 1,4 0,8 Темно-коричневый Нет 31,5 30 91,1 92
160 1000 2,5 1,2 Бурый Нет 30,4 29,5 89,6 89
— выдерживание образцов в термокамере с температурой 50, 100 и 160оС при свободном доступе воздуха;
— выдерживание измельченных образцов в стеклянных ампулах при температуре 100 и 160оС в контакте с газовой средой ампулы;
— термогравиметрический анализ образцов в диапазоне температуры 20—700оС при постоянной скорости нагрева в воздухе.
Образцы стекловолокнистых плит КОУЕЯ КЬ 34 и КТ 37 выдерживали при указанных выше температурах в течение 330, 660 и 1000 ч. После этого их извлекали для визуального осмотра и испытания свойств: оценивали изменение цвета, потерю массы, изменение геометрических размеров, сжимаемость и упругость. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Как видно из приведенных данных, в процессе термоокислительного старения в течение продолжительного времени (более 40 сут) существенно изменился только цвет образцов, незначительно уменьшилась их масса, геометрические параметры остались прежними. Заметные изменения сжимаемости и упругости образцов наблюдались только при самых жестких условиях испытаний: при температуре 160оС и 1000 ч выдержки.
Исходя из химического строения образца можно сделать вывод, что перемена цвета обусловлена в основном двумя процессами — дополнительной конденсацией свободных функциональных групп фенолформальдегидной смолы и одновременно ее частичной деструкцией.
Эти же процессы лежат в основе потери массы при жестких условиях испытаний. Причем существенную роль здесь играет испарение свободного фенола. На кривых ДТГА наблюдаются эндотермические пики при температуре около 190оС для КОУЕЯКЬ 34 и 173,4оС для КОУБЯ КЬ 34, которые, по-видимому, связаны с
испарением фенола (181,7оС). Разброс температур может быть обусловлен сложностью изучаемой системы. Зависимость потери массы от температуры для обоих испытанных материалов имеет сходный характер. Однако предельные потери массы для каждого из них различаются: у КОУЕЯКЬ34 она уменьшается на 12,64%; у КОУЕЯ КЬ 34 - на 7,12%.
Для более детального исследования деструктивных процессов была проведена серия опытов по термоокислению измельченных образцов теплоизоляции. Они выдерживались в запаянных стеклянных ампулах при температурах 100 и 160оС.
После извлечения образцов из термокамеры ампулы охлаждались до комнатной температуры и выдерживались сутки до релаксации всех физических и химических процессов. Затем ампулы вскрывались, измерялся объем выделившегося газа и анализировался его состав.
Важным результатом этого исследования стало крайне низкое поглощение кислорода в процессе термоокислительного старения даже в самых жестких условиях (табл. 3).
Если бы процессы окисления протекали энергично, то кислород, составляющий значительную часть газовой среды в ампуле, расходовался бы более интенсивно. При 100оС, судя по составу газовой среды, окисления вообще не происходило. Полученные результаты свидетельствует о том, что в данных условиях испытаний полимерное связующее проявляет высокую устойчивость к термоокислению. Действительно, деструкция полимера активно происходит только при температуре выше 250оС.
Таким образом, приведенные выше результаты работ, выполненных двумя независимыми институтами, позволяют сделать следующие выводы относительно стабильности функциональных свойств минеральной ваты на основе стекловолокна КОУЕЯ.
Рис. 1. Состояние волокна, не подвергавшегося циклическим воздействиям и воздействию агрессивных сред
Рис. 2. Состояние волокна после 130 циклов знакопеременного температурного воздействия при естественной влажности без обработки агрессивными реагентами
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® май 2010 39
Рис. 3. Состояние волокна, предварительно увлажненного до 10 мас. %, после 130 циклов знакопеременного температурного воздействия
Таблица 3
Состав газовой смеси в ампуле после старения в течение 720 ч при 100 и 160оС
Соединение Исходный После опыта, %
воздух, % 160оС 100оС
N2 02 СО С02 77,6 22,4 следы 76 20,5 2 1 77.4 22.5 следы
Общий объем выделившегося газа, мл - 10 -
1. Теплоизоляционные изделия КОУЕЯ обладают высокой устойчивостью к циклическому замораживанию-оттаиванию при различной степени увлажнения образцов, в том числе при обработке раствором щелочи и водными составляющими цемента; в процессе этих воздействий физико-механические и теплофизические характеристики волокон практически не меняются.
2. Теплопроводность теплоизоляционных изделий КОУЕЯ увеличивается при увлажнении образцов и полностью восстанавливается до исходного уровня после высыхания.
3. Увлажнение образцов теплоизоляционных изделий КОУЕЯ при частичном погружении происходит только до уровня зеркала воды, в вышележащие слои утеплителя влага не перемещается.
4. Теплоизоляционные изделия КОУЕЯ обладают отличной способностью к быстрому восстановлению благоприятного влажностного режима после возможного переувлажнения, при этом сохраняются исходные значения теплофизических и физико-механических характеристик.
5. Микроструктура стекловолокна КОУЕЯ устойчива к воздействию агрессивных сред в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации теплоизоляционных изделий.
6. Полимерное связующее стекловолокнистых теплоизоляционных изделий КОУЕЯ обладает высокой стойкостью к термоокислительному старению при температуре реальных условий эксплуатации; термоокислительная деструкция проявляется при температуре выше 160оС и начинает активно протекать лишь при температуре выше 250оС.
Прогноз срока службы изученных образцов теплоизоляционных изделий был сделан на базе методики, обоснованной в работе [3]. В соответствии с ней теплоизоляционные изделия ISOVER при благоприятном влажностном режиме обладают эксплуатационным ресурсом не менее 50 условных лет в климатических условиях Российской Федерации.
Рис. 4. Состояние волокна, обработанного 1% раствором N80^ после 130 циклов знакопеременного температурного воздействия
Рис. 5. Состояние волокна, обработанного свежеприготовленным цементным молочком, после 130 циклов знакопеременного температурного воздействия. Центрами кристаллизации цементного камня являются микродефекты на поверхности волокна. Как это повлияет на состояние волокна в процессе эксплуатации, вопрос дальнейших исследований
Представленный анализ эксплуатационной пригодности стекловолокнистой теплоизоляции получен на основе лабораторных экспериментальных определений. Эти данные целесообразно подтвердить натурными исследованиями конструкций, прослуживших длительный срок.
Ключевые слова: минераловатная теплоизоляция, фенолформальдегидное связующее, термоокислительная деструкция, стекловолокно.
Список литературы
1. Гликин С.М. Эффективные теплоизоляционные материалы и их долговечность // Сб. докладов конференции Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ. Москва, 2006. С. 143-150.
2. Бобров Ю.А. Долговечность теплоизоляционных мине-раловатных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 168 с.
3. Бессонов И.В., Хлевчук В.Р., Румянцева И.А., Сига-чев Н.П., Заволока М.В., Пимкин НЕ, Курилюк И. С. К вопросу стойкости пенопластов и волокнистых утеплителей в ограждающих конструкциях зданий // Сб. докладов научно-практической конференции Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях. Академические чтения, посвященные памяти В.Н. Богословского. 26-28 апреля 2001 г. Москва. С. 255-261.
4. Бобров Ю.Л., Петухова Е.Ю. О современных проблемах долговечности волокнистых теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях // Сб. докладов международной научно-практической конференции Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ. Москва, 2006. С. 50-66.
5. Нелидов А.Ю. Защита минваты. Ограничение факторов, разрушающих утеплитель // Технологии строительства. 2007. № 2. С. 1-2.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
40 май 2010
