CC BY
69
Машиностроение. Строительство. Металлообработка
УДК 69:691.17
ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА Д.В. Иванов, В.П. Ярцев
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений»,
ГОУВПО «ТГТУ»; [email protected]
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: армирование; долговечность; клеевой шов; пенополистрол; термофлуктуационная концепция прочности твердых тел; утепление зданий и сооружений.
Аннотация: Рассмотрена долговечность пенополистирола с позиций тер-мофлуктуационной концепции прочности твердых тел. Приведены данные о возможности повышения прочностных характеристик при помощи армирования пе-нополистрола. Представлены соответствующие экспериментальные зависимости.
Для обеспечения требований нормативных документов [1] и снижения расхода тепловой энергии необходимо осуществлять дополнительную теплоизоляцию наружных стен реконструируемых зданий и применение многослойных ограждающих конструкций с использованием эффективных утеплителей для вновь строящихся.
В странах Европы большое внимание уделяется проблеме энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве, которая является одной из приоритетных, и решение ее возведено в ранг государственной политики. Возникла даже специальная подотрасль, занимающаяся утеплением зданий. В итоге за последние 20 лет расходы на отопление за рубежом сократились на 40...50 % и составляют около 45.50 кВт-ч/м2 в год. В России этот показатель равен 80.120 кВт-ч/м2 в год. Поэтому сегодня в России ежегодно, в целях уменьшения теплопотерь, утепляется приблизительно 200 тыс. м2 поверхности. Для сравнения: в Германии эта цифра превышает 30 млн м2 в год [2].
В целом технические решения теплозащиты можно классифицировать по трем основным признакам: по месту расположения теплоизоляции (снаружи, внутри или комбинированный метод), по виду материала утеплителя и по виду материала защитного слоя (мокрая отделка - штукатурные растворы или сухая -облицовочные плиты и панели).
Расчет толщины утеплителя в таких конструкциях производится согласно [1]. В данном расчете учитываются, в первую очередь, теплофизические свойства утеплителя (его теплопроводность и термическое сопротивление), а затем его прочностные и деформационные свойства. Согласно [2, 3] по теплофизическим показателям лидирующие позиции занимает пенополистирол: при одинаковом термическом сопротивлении он имеет наименьшую толщину (рис. 1).
! Пенополистирол 40 мм Минеральная вата 45 мм : Дерево 140 мм
| Газобетон 232 мм
Бетон 380 мм
Кирпичная кладка 860 мм
Рис. 1. Соотношение толщин различных материалов при одинаковом термическом сопротивлении
В общем случае, пенополистирол представляет собой дисперсную полимерную систему, в которой относительно равномерно распределены в пространстве полимер и газовая фаза [3]. Сочетание твердой и газообразной фаз определяет специфичность физико-механических и теплофизических свойств материала. Прочностные и теплофизические свойства пенополистирола на сегодняшний день довольно хорошо изучены. Однако в связи с тем, что постоянно появляются новые конструкции утепления, возникают вопросы, связанные с долговечностью (работоспособностью) пенополистирола в таких конструкциях утепления. Проведенные в работе [4] исследования показали что долговечность (работоспособность) пенополистирола можно рассматривать с позиций термоактивационной концепции прочности твердых тел, предложенной в работе [5]. По итогам исследований в табл. 1 представлены результаты расчета долговечности пенополисти-рола в различных конструкциях утепления в заданном диапазоне температурносиловых воздействий, возникающих в процессе эксплуатации.
Однако в реальных конструкциях материал работает в условиях знакопеременных напряжений и температур, соответственно эксплуатационная долговечность будет меньше значений, приведенных в табл. 1. В связи с этим в работе [6] были проведены исследования, направленные на повышение прочностных характеристик и долговечности пенополистирола. В качестве основного способа повышения эксплуатационных характеристик было выбрано армирование. Данные кратковременных испытаний армированного пенополистирола представлены в табл. 2.
Таблица 1
Долговечность пенополистирола в конструкции несъемной опалубки [4], с
Материал Вид нагрузки Вид несъемной опалубки
Уе1ох ТИегтоііот Р1а8ІЬаи-3
ПСБ-С Поперечный изгиб - - 104,7
М15 Сжатие при деформации 10 % 104,8 - -
ПСБ-С Поперечный изгиб - 103,7 10Щ1
М35 Сжатие при деформации 10 % 1011,6 - -
Примечание. Уеіох: Т = 18 °С; стсж = 0,033 (М35) и 0,03 (М15) МПа; стизг = 5,7 МПа; ТИегтоііот: Т = 18 °С; стизг = 0,225 МПа - М35; Р1а8І;Ьаи-3: Т = 18 °С; стизг(1) = 0,067 МПа, [аизг(2) = 0,096 МПа] - М15 и М35.
Влияние зоны клеевого шва и армирующей сетки на прочность при изгибе, МПа, пСб-С М35 [6]
Образец без клея Клей
Наличие сетки ПВА Перле икс
и сетки Чистый Сетка Древесная мука и сетка Чистый Сетка
Отсутствует 0,343 - - - - -
Сверху - - 0,480 - - -
Снизу* - - 0,760 - - -
С двух сторон* - - 1,400 - - -
По толщине образца 1:3 0,348 0,426 0,459 0,377 0,572
1:1 - 0,353 - 0,486 0,360 -
3:1 - 0,328 - 0,892 0,361 -
*
Разделение образца не происходит.
Как видно из табл. 2 при армировании материала сеткой прочность на изгиб значительно возросла (1,4 МПа). Исследование долговечности армированного пенополистирола проводили с позиций кинетической концепции разрушения твердых тел.
Экспериментальная зависимость, представленная на рис. 2, описывается обобщенным уравнением Журкова
т = ттехр
U 0 -уа| 1 1
TT
J J ГУ.
R
где т - время до разрушения (долговечность), с; тт - период колебания кинетических единиц, с; По - начальная энергия активации, кДж/моль; у - структурно-механическая константа, кДж-(моль-МПа-с)-1; Я - универсальная газовая постоянная, кДж-(моль-К)-1; ст - напряжение, МПа; Т -температура, К, Тт - предельная температура существования твердого тела, К.
Из полученных экспериментальных зависимостей графоаналитическим способом
[5] рассчитали величины вышеописанных констант (табл. 3).
Анализ данных таблицы показывает, что наличие клеевой прослойки приводит к существенному изменению физических констант материала. Понижение Тт при приклеивании пенополистирола ПВА говорит о понижении теплостойкости материала; меняется и у - при применении ПВА
2
2,5
3 T ч403, К-1
Рис. 2. Зависимости времени до разрушения образцов пенополистирола марки ПСБ-С М15, соединенных по толщине 1:1 клеем ПВА, от температуры при поперечном изгибе, МПа:
1- 0,07; 2 - 0,08; 3 - 0,09
Значения физических констант пенополистирола при поперечном изгибе
Марка пенополистирола Вид клея Соотношение толщин соединяемых элементов образца Константы
С Ць кДж/моль У, кДж/(моль-МПа) Тш, К
ПСБ-С М15 - 1:0 10-4’5 186 1160 556
ПСБ-С М15 ПВА 1/2:1/2 10-1’5 312 3050 444
ПСБ-С М35 - 1:0 10-2’9 200 515 526
ПСБ-С М35 ПВА 1/2:1/2 10-1’5 390 1030 393
ПСБ-С М35 Перлфикс 1/4:3/4 10-2’7 200 314 667
она возрастает практически в 2 раза, приблизительно в 2 раза возрастает По. Совсем другое поведение констант наблюдается при применении клея Перлфикс: теплостойкость материала возрастает, прочность материала увеличивается за счет понижения структурно-механической константы. Предельная прочность материала [5]
т = По/У
незначительно падает для образцов, изготовленных с применением ПВА, и возрастает в 1,6 раза для образцов, полученных с использованием клея Перлфикс при соотношении толщин соединяемых элементов образца 1/4:3/4. Таким образом, при приклеивании пенополистирола использование клея Перлфикс более предпочтительнее, так как он обеспечивает наибольшую долговечность материала.
Было также оценено влияние количества слоев на сопротивление пенополи-строла сжимающим нагрузкам [6]. Известно, что при деформировании сжатием у пенополистирола уже при малых величинах полной деформации наблюдается остаточная. В [4] установлено, что деформация 5 % является упругой, а поскольку при сжатии в процессе эксплуатации не происходит разрушения образцов, то основной характеристикой длительного сопротивления сжимающим нагрузкам пе-
нопластов является величина критической А к, мм (необратимой) деформации. Для определения
ее величины проведены испытания пенополи-стирола с различным количеством слоев (рис. 3).
Из рис. 3 видно, что при заданной толщине образца деформируемость падает сим-батно количеству слоев, что необходимо учитывать при проектировании утепляющих конструкций.
В связи с тем, что наилучшее значение прочности и, соответственно, долговечности, дает армирование пенополистирола различными материалами, в работе [6] было также изучено влияние адгезии пенополистрола к
различным материалам, используемым для Рис. 3. Кинетические кривые т т
сжатия образцов пенополистирола армиров™. Устан°влен°, что наилучшими
без клеевого шва (7), склеенного показателями обладают этотстд^ смола и
по толщине 1:1 (2), 1:1:1 (5) клеящий состав на основе поливинилацетат-
ной эмульсии: разрушение происходило по пенополистиролу. При соединении пенополистрола клеем ПВА-М с различными облицовочными материалами более высокой прочностью обладают соединения с ДСП и ЦСП.
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1) местоположение клеевого шва по толщине плит пенополистирола и марка клея оказывают существенное влияние на долговечность утеплителя;
2) количество слоев в конструкции влияет на деформационные характеристики пенополистирола: чем больше количество слоев утеплителя, тем меньше его деформация;
3) для повышения долговечности утеплителя рекомендуется приклеивать сетку к нижнему слою плиты утеплителя. Облицовку или уплотнение поверхности плиты рекомендуется выполнять с двух сторон.
Список литературы
1. Тепловая защита зданий : СНиП 23-02-2003 : утв. Госстроем России, 26.06.03: ввод. в действие с. 01.10.03. - М. : ДЕАН, 2004. - 64 с. - (Безопасность труда России).
2. Пенопласт [Электронный ресурс]. - Режим доступа : www.propenoplast.ru. -Загл. с экрана.
3. Ярцев, В.П. Физико-механические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений / В.П. Ярцев, К.А. Андрианов, Д.В. Иванов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. унта, 2010. - 120 с.
4. Андрианов, К.А. Прогнозирование долговечности (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.05 / К.А. Андрианов. - Пенза, 2002. - 24 с.
5. Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М. : Химия, 1992. - 320 с.
6. Оводков, И.В. Влияние покрытия и армирования на прочность и долговечность пенополистиролов ограждающих конструкций : автореф. дис. ... магистра : 05.23.05 / И.В. Оводков. - Тамбов, 2005. - 91 с.
Improvement of Physical-Mechanical Characteristics and Longevity of Cellular Polystyrene
D.V. Ivanov, V.P. Yartsev
Department «Construction of Buildings and Structures», TSTU;
Key words and phrases: adhesive joint; durability; insulation of buildings; polystyrene; reinforcement; thermo-fluctuation concept of strength of solids.
Abstract: The durability of polystyrene from the standpoint of thermal fluctuation of the concept of strength of solids. The data on the possibility of increasing the strength characteristics by means of polystyrene reinforcement are presented. The corresponding experimental curves are shown.
Erhohung der physikalisch-mechanischen Charakteristiken und der Nutzungsdauer des Schaumpolysterols
Zusammenfassung: Es ist die Nutzungsdauer des Schaumpolysterols vom Standpunkt der Thermofluktutionalen Konzeption der Haltbarkeit der Hartkorper betrachtet. Es sind die Angaben uber die Moglichkeit der Erhohung der Haltbarkeitcharakteristiken mit Hilfe der Armierung des Schaumpolystirols angefuhrt. Es sind die entsprechenden experimentellen Anhangigkeiten dargelegt.
Augmentation des caracteristiques physiques et mecaniques et la longetivite du polystyrene expanse
Resume: Est examinee la longetivite du polystyrene expanse des positions de la conception thermofluctuationnelle de la durete des corps solides. Sont citees les donnees sur la possibilite de l’augmentation des caracteristiques de durete a l’aide du ferraillage du polystyrene expanse. Sont presentees les dependances experimentales correspondantes.
Авторы: Иванов Дмитрий Владимирович - аспирант кафедры «Конструкции зданий и сооружений»; Ярцев Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Леденев Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Городское строительство и автомобильные дороги», ГОУ ВПО «ТГТУ».
