Экструзионный пенополистирол

Методы оценки и критерии долговечности пенополистирольных утеплителей

Долговечность - свойство объекта сохранять при установленной сис­теме технического обслуживания и ремонтов работоспособность до наступ­ления предельного состояния (отказа), после которого дальнейшая его экс­плуатация невозможна или экономически нецелесообразна. Под предельным состоянием (отказом) понимается состояние объекта, при котором его даль­нейшая эксплуатация в текущем положении должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения работоспособности объекта [3].

Очевидно, что первостепенной целью использования высокоэффектив­ных утеплителей в многослойных ограждающих конструкциях является обеспечение необходимого уровня теплозащиты.

Снижение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции R0 В процессе эксплуатации в большей степени обусловлено увеличением ко­эффициента теплопроводности утеплителя Хо, как это видно из рис. 1.2, и следующей формулы [107]:

R0=/ ow + £ 5,- / X, + 1 / а„„ (1.1)

Где аІІФ аех, - коэффициенты теплоотдачи наружного и внутреннего воздуха,

О '

Вт/м"-°С; 8,- - толщина /-го слоя конструкции, м; А,,- - коэффициент тепло­проводности /-го слоя конструкции, Вт/м-°С.

Требования по прочности к теплоизоляционным материалам могут предъявляться только для восприятия нагрузок от температурных деформа­ций и нагрузок при транспортировке и монтаже изделий [67]. В работах [5, 97, 130] глубоко исследованы вопросы долговечности пенополистиролов с позиции изменения прочностных характеристик в процессе эксплуатации в зависимости от температуры и напряжений. Долговечность пенополисти­рольных утеплителей в данном случае определялась с применением термо - флуктуационной концепции прочности [52, 97, 98]:

T = •ехр-^-ехр(-р-а), (1.2)

R Т Т

Где х - время до разрушения (долговечность), с; т^ т* - периоды колебания кинетических единиц, с; U0 - энергия активации, кДж/моль; U — эффективная энергия активации, кДж/моль; у - структурно-механический фактор, кДж/моль-МПа; (3 - аналог структурно-механической константы, 1/МПа; Тт - предельная температура существования материала, К; а - напряжение, МПа; Г - температура, К; R - универсальная газовая постоянная.

Результаты определения долговечности плит ЭППС ТЕХНОП-

(К)

ЛЕКС 45 по снижению прочностных характеристик в эксплуатационном диапазоне напряжений и температур представлены на рис. 1.5 [52].

Рис. 1.5 Зависимость логарифма долговечности ЭППС ТЕХНОПЛЕКС® 45 от напряжения и температуры при сжатии до 10 % относительной деформации (а) и изгибе (б)

Долговечность утеплителя по снижению его прочностных характери­стик в процессе эксплуатации определяющим образом зависит от конструк­тивного решения ограждающей конструкции. В настоящее время наибольшее распространение получили ограждения зданий, в которых утеплители испы­тывают минимальные нагрузки в процессе всего срока эксплуатации (напри­мер, в среднем слое трехслойных стеновых панелей или кирпичной кладки). Прочностные характеристики пенополистиролов, особенно ЭППС, обеспечи­вают многократный запас прочности при их эксплуатации в данном виде конструкций (табл. 1.2).

Таким образом, при условии обеспечения необходимых прочностных характеристик долговечность эффективных утеплителей при их эксплуата­
ции в слоистых ограждающих конструкциях зданий необходимо определять по параметру сохранности их теплозащитных свойств.

Стоит отметить, что эксплуатационные воздействия на теплоизоляци­онный материал зависят от конструктивного решения ограждения и поэтому долговечность утеплителя в ряде научных публикаций рассматривается с позиции долговечности всей ограждающей конструкции.

Особые эксплуатационные нагрузки испытывают плиты ЭППС при их использовании в дорожном строительстве в качестве морозозащитного слоя в земляном полотне. Вопрос долговечности плит ЭППС, подвергающихся пе­ременным нагрузкам от подвижного состава, рассмотрен в [50, 51, 129].

Согласно феноменологической методике прогнозирования и расчета долговечности, разработанной д. т. н., профессором С. В. Александровским (НИИСФ РААСН) [3] долговечность 0 наружной ограждающей конструкции по снижению ее теплозащитных свойств определяется по формуле

0 = 1-------------------------------------------------- ---------------- , 14

5T-XT(w)KR-Rreq^kav(w)

Где Кк - допустимая (нормируемая) степень снижения начального приведен­ного сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции R0 Rreq - нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции по [105], м2-°С/Вт; A,7{w) - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м,0С; 8Г — толщина слоя утеплителя, м; AA"v(w) - повышение теплопро­водности утеплителя за один среднестатистический год эксплуатации ограж­дения, Вт/м,0С.

В расчетах определения долговечности основного теплоизоляционного слоя в ограждающих конструкциях д. т.н., профессор С. В. Александровский использовал значение KR = 5 %. Автор особо подчеркнул необходимость до­полнительных исследований для обоснования величины данного критерия [105].

Позднее Российским обществом инженеров строительства (РОИС) в [109] было предложено, что первый капитальный ремонт наружных ограж­дающих конструкций из условий недопустимости нарушения санитарно - гигиенических требований и энергосбережения необходимо проводить при снижении R0 не более чем на 15 % относительно нормативного значения.

Использование при расчетах долговечности различных значений KR Приводит в итоге к несопоставимым между собой результатам. Таким обра­зом, установлена необходимость обоснования значения допустимой степени снижения теплозащитных свойств KR ограждающей конструкции, которое исходя из формулы (1.1) в наибольшей степени относится к теплоизоляцион­ному слою.

Проведенный анализ российских и зарубежных литературных источни­ков по теме долговечности газонаполненных полистирольных материалов свидетельствует о достаточно широком диапазоне сроков работоспособности этого материала с позиции изменения теплозащитных свойств [2, 8, 11, 18, 19, 42, 44, 67, 87, 92, 93, 131, 134, 137, 146, 168]. .

В работах [67, 132] представлена физико-математическая модель оцен­ки долговечности полимерных теплоизоляционных материалов на основании гипотезы о линейном накоплении повреждений. По представленной методи­ке определены временные интервалы снижения теплозащитных свойств на 30 % плит ЭППС различных марок в результате естественного старения при нормальных условиях эксплуатации, составляющие от 20 лет до 61 года. Ав­торами также определена долговечность ограждающих конструкций с раз­личными полистирольными утеплителями для Дальневосточного климатиче­ского региона с учетом циклических температурных воздействий, состав­ляющая от 13 до 43 лет в зависимости от вида конструктивного решения. За отказ принималось снижение теплозащитных свойств теплоизоляционного слоя на 30 %.

Американской компанией Dow® разработана собственная модель про­гнозирования изменения теплоизоляционных свойств ЭППС в процессе экс­плуатации [137]. Параметром снижения теплозащитных свойств является эффективный коэффициент диффузии газа ВА, используемого при производ­стве изделия. Результаты расчетов, основанные на многолетних натурных испытаниях плит ЭППС STYROFOAMГм (до 26 лет), показали, что Хе// с тече­нием времени повышается от диапазона значений 0,021...0,026 Вт/м-°С до предельных 0,029...0,034 Вт/м-°С в зависимости от видаВА [168].

В институте исследований в области строительства Национального на- учно-исследовательского совета Канады (NRC-IRC) разработана альтерна­тивная модель долговременного прогнозирования теплозащитных свойств изделий из газонаполненных полимеров в процессе эксплуатации DIP АС, ко­торая имеет сопоставимость с моделью компании Dow® для плит ЭППС [134].

В зарубежной литературе также отмечаются другие нормативные и фа­культативные методы определения долговременных теплозащитных свойств закрытопористых газонаполненных полимеров [133, 139, 160].

Проведенные канадскими учеными натурные испытания плит ЭППС, установленных на различных вариантах кровель и покрытых этиленпропиле - новой мембраной, в течение 2,5 лет в климатических условиях г. Оттава по­казали незначительные расхождения по изменению своих теплоизоляцион­ных свойств по сравнению с аналогичными плитами, хранившимися в лабо­ратории при нормальных условиях [134].

В НИИСФ РААСН д. т. н. А. И. Ананьевым, д. т. н. О. И. Лобовым, В. А. Могутовым и др. были проведены экспериментальные и натурные ис­следования пенополистиролов [19, 92]. Проведенные натурные исследования пенополистирольных плит в наружных стеновых ограждениях зданий в тече­ние 30...40 лет показали незначительные изменения внешнего вида изделий. Отмечается повышение ПСБ на 20 % в первые 30 лет эксплуатации и еще на 5... 10 % в последующие 10 лет, что в основном объясняется различными эксплуатационными факторами: увлажнением, диффузией газов ВА, уплот­нением и усадкой изделий, нарушением регламента тепловой обработки трехслойных панелей с эффективным утеплителем на заводе. Результаты проведенных в [19] экспериментальных исследований по изменению тепло­проводности образцов пенополистиролов в результате воздействий перемен­ного замораживания и оттаивания в воде (110 циклов) представлены в табл. 1.3.

Данные табл. 1.3 показывают почти полное отсутствие изменения теп­лопроводности после испытаний у ЭППС, что можно объяснить их закрыто - пористой структурой. Авторами также отмечается; что испытания, базирую­щиеся на температурно-влажностных циклических воздействиях, не в полной мере отражают факторы, влияющие па изменение эксплуатационных свойств пенополистиролов.

В работе [19] исследовано влияние различных химических факторов на свойства пенополистиролов, которые могут возникнуть на различных этапах строительства и эксплуатации зданий. Отмечается, что для долговечного ис­пользования пенополистирольных плит необходимо полное отсутствие кон­такта с незатвердевшей битумной гидроизоляцией, клеями и красками на ос­нове агрессивных растворителей, что можно обеспечить различными конст­руктивными решениями конструкций и специальными организационными мероприятиями. Дополнительно данный вопрос в диссертационной работе не исследовался.

В работе [76] проведены экспериментальные испытания различных пе­нополистиролов, базирующиеся на температурно-влажностных циклических воздействиях. Один цикл испытаний проходил по следующей схеме:

1. Поншкение температуры t до - 40 °С со скоростью 60 °С/ч.

2. Выдержка при t = - 40 °С в течение 1 ч.

3. Подъем t от - 40 °С до + 40 °С со скоростью 53 °С/ч.

4. Выдержка при t = + 40 °С в течение 1 ч.

5. Понижение t до - 40 °С со скоростью 50 °С/ч.

6. Выдержка при t = - 40 °С в течение 1 ч.

7. Подъем t от - 40 °С до + 20 °С со скоростью 60 °С/ч.

8. Выдержка в воде в течение 16 ч.

В результате проведения 80 циклов испытаний по представленной схе­ме eff увеличилась на 2,5 %, водопоглощение по объему увеличилось на 6,3 %.

В работах [37, 38, 60] отмечается, что замещение с течением времени газов ВА, первоначально находящихся в порах пенопластов, воздухом явля­ется важнейшей причиной увеличения теплопроводности этих материалов в процессе эксплуатации. После протекания данного процесса по данным [54, 76] теплопроводность исследуемых материалов не меняется в течение 50 лет.

Таким образом, в различных литературных источниках имеется боль­шое количество результатов испытаний пенополистиролов по снижению их теплозащитных свойств в процессе эксплуатации, которые требуют проведе­ния обобщений.

В работах [22, 37, 38, 39, 65] рассмотрены изменения эксплуатацион­ных свойств газонаполненных полимеров под воздействием повышенных температур и УФ-облучений, приводящих к деструкции полимера-основы. Деструкциониые процессы полистиролов в результате термоокислительных и фотохимических реакций представлены в [83]. Вопрос деструкции плит ЭППС, применяемых в строительстве, требует дополнительных исследований.