Экструзионный пенополистирол

Экструзионный пенополистирол

Захарьин Евгений Николаевич

Актуальность работы. Актуальность работы заключается в необхо­димости более глубокого изучения эксплуатационных свойств широко ис­пользуемых в настоящее время пенополистирольных теплоизоляционных ма­териалов с целью обеспечения высокой энергоэффективности строительных объектов.

Решение проблемы повышения энергоэффективности неразрывно свя­зано с вопросом экологии и является одним из приоритетных направлений развития современной России. Мировой опыт показывает громадный потен­циал для роста в этой области. К сожалению, на сегодня приходится конста­тировать, что энергоемкость нашей экономики существенно уступает разви­тым странам Европейского союза, Японии, США, Канады и др. [10, 70].

Для решения задачи повышения энергоэффективности жилищно - коммунального сектора экономики, потребляющего более 30 % топливно - энергетических ресурсов нашей страны [126], приняты: Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффектив­ности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Россий­ской Федерации», с изменениями на 18 июля 2011 г., Постановление Прави­тельства РФ от 25 января 2011 г. № 18 «Об утверждении правил установле­ния требований энергетической эффективности для зданий, строений, соору­жений и требований к правилам определения класса энергетической эффек­тивности многоквартирных домов», вышел Приказ Минрегионразвития РФ от 28 мая 2010 № 262 «О требованиях энергетической эффективности зданий, строений, сооружений» [68, 69].

Для обеспечения высокого класса энергетической эффективности зда­ний [71] широкое применение нашли высокоэффективные пенополистироль - ные утеплители, среди которых лучшими техническими характеристиками обладают экструзионные пенополистиролы (ЭППС). Однако по результатам исследований данных материалов имеется ряд противоречивых мнений об их долговечности и эффективности применения.

Диссертационные исследования выполнены в соответствии с концеп­циями федеральных целевых программ «Исследования и разработки по при­оритетным направлениям развития научно-технологического комплекса Рос­сии на 2007-2013 годы» и «Национальная технологическая база».

Степень разработанности проблемы. Исследованиям долговечности газонаполненных полимеров посвящены работы А. А. Берлина, Ф. А. Шутова, А. Г. Дементьева, О. Г. Тараканова, В. А. Павлова, И. Г. Романенкова, К. В. Панферова, В. В. Гурьева, В. Г. Гагарина, В. П.Ярцева, К. А.Андрианова, Ю. Д.Ясина, В. А. Могутова, В. Г. Хозина, А. Н. Дмитриева, А. И. Ананьева, О. И. Лобова, Д. В. Ритца, М. А. Шутца, Л. Р. Гликсмапа, М. Т. Бумберга, Ч. В. Во, М. К. Кумарана, Д. Р. Бута и др.

Благодаря исследованиям и разработкам НИИСФ РААСН, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, НП «АВОК», НИИЖБ, ЦНИИЭП жилища, Общерос­сийской общественной организации РОИС, вузов МГСУ, СГАСУ, КГАСУ и др. в нашей стране заложены основы по обеспечению высокой энергоэффек­тивности зданий и сооружений.

Следует отметить феноменологическую методику определения долго­вечности ограждающих конструкций, разработанную в НИИСФ д. т.н., про­фессором С. В. Александровским [3].

Несмотря на значительные достижения в данной области, научным со­обществом признается отсутствие единой методики определения долговеч­ности пенополистирольных теплоизоляционных материалов, что в первую очередь объясняется необходимостью поиска обоснованного критерия, адап­тированного к климатическим условиям нашей страны. Широкое внедрение пенополистирольных утеплителей в строительную практику требует более глубокого изучения свойств материалов, первостепенное значение среди ко­торых принадлежит теплопроводности.

Объект исследования. Экструзионные пенополистирольные тепло­изоляционные материалы и изделия.

Предмет исследования. Процессы, обуславливающие изменение теп­лопроводности экструзионных пенополистирольных утеплителей при экс­плуатации, и эффективность применения объекта исследования в наружных ограждающих конструкциях зданий.

Цель работы. Разработка методологии прогнозирования теплопровод­ности экструзионного пенополистирола в процессе эксплуатации и оценка его долговечности.

Основными задачами исследований для достижения поставленной цели являются:

• изучение влияния изменения теплопроводности экструзионных пено - полистирольных материалов в зависимости от основных параметров их по - ровой структуры и газовой фазы;

• разработка адекватной модели поровой структуры пенополистиролов, позволяющей с помощью численных методов решения определять и прогно­зировать коэффициент теплопроводности;

• исследование деструкции экструзионных пенополистиролов и опре­деление методов её диагностирования;

• разработка математической модели прогнозирования теплопроводно­сти пенополистирола в процессе долговременной эксплуатации в ограждаю­щих конструкциях зданий;

• разработка критерия и методики расчета допустимого уровня сниже­ния теплозащиты ограждающих конструкций зданий, применимой для расче­тов долговечности основного теплоизоляционного слоя;

• разработка конструктивного решения нового теплоизоляционного элемента для использования в качестве эффективной теплоизоляции зданий.

Научная новизна:

1. На основе реальной геометрии поровой структуры экструзионного пенополистирола разработана новая структурная модель, позволяющая чис­ленными методами расчета определять эффективный коэффициент тепло­проводности. Количественно определена анизотропия теплопроводности экс­трузионного пенополистирола. Для пенополистирола THERMIT XPS марки 35 установлено увеличение коэффициента теплопроводности на 0,002...0,006 Вт/м-°С в направлении от внешней грани плиты к ее середине.

2. Определены значения коэффициентов теплопроводности экструзи­онного пенополистирола при полном заполнении порового пространства фреонами HCFC-A2b, HCFC-22, углекислым газом и воздухом при нор­мальных условиях. Для пенополистирола THERMIT XPS марки 35, данные значения составят: 0,007; 0,017; 0,022; 0,032 Вт/м-°С соответственно.

3. Установлена закономерность изменения теплопроводности экстру­зионного пенополистирола в процессе эксплуатации, на основании которой предложена математическая модель. Определено, что коэффициент тепло­проводности пенополистирольных плит THERMIT XPS марки 35 толщиной 50 мм, произведенных с использованием фреонов. в качестве вспенивающих агентов, в период времени 25...45 лет будет повышаться до значения 0,032 Вт/м-°С по логарифмическому закону при условии отсутствия развития деструктивных процессов.

4. Разработан критерий оценки снижения теплозащитных свойств теп­лоизоляционных материалов при их эксплуатации в ограждающих конструк­циях зданий, определяемый с позиции энергоэффективности по удельному расходу тепловой энергии на отопление здания.

Практическая значимость работы:

• разработана и предложена для использования адекватная методика определения коэффициента теплопроводности пенополистиролов на основе новой структурной модели, позволяющая выполнять прогнозные расчеты на стадии разработки материала и в процессе его эксплуатации;

• разработана и внедрена в практику проектирования оригинальная ме­тодика определения значения допустимого уровня снижения требуемого со­противления теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий в ходе выполнения энергетической части проектирования для определения долговечности теплоизоляционных материалов;

• установлена реальная возможность использования физико - химических и микроскопических методов анализа для диагностирования де­струкции пенополистирольных материалов;

• разработан и предложен для использования новый эффективный теп­лоизоляционный элемент, выполненный из пенополистирола.

Методология работы. Для решения поставленных задач использовал­ся системный подход, реализованный в постановке экспериментальных ис­следований, проведении практических испытаний, применении физико - химических и микроскопических методов анализа на современном оборудо­вании, использовании методов структурного и математического моделирова­ния и численных методов решения.

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследова­ний внедрены к использованию в лаборатории строительной физики Инже­нерно-строительного института Сибирского федерального университета при разработке энергетических паспортов зданий и при выполнении обследова­ний наружных ограждающих конструкций.

Представленные разработки были внедрены на предприятиях г. Красноярска: ЗАО «Фирма Культбытстрой» при выпуске наружных стено­вых панелей с эффективным утеплителем; ООО «Технологъ» при производ­стве плит из экструзионного пенополистирола THERMITXPS.

Положения, выносимые на защиту:

• алгоритм построения разработанной структурной модели пенополи - стирольного материала и ее теплотехнический расчет в коммерчески доступ­ной компьютерной программе на примере исследования анизотропии тепло­проводности экструзионного пенополистирола местного производства;

• результаты исследований повышения теплопроводности пенополи - стирольных материалов в результате естественной диффузии газов с помо­щью представленной структурной модели на примере экструзионного пено­полистирола местного производства;

• результаты дефектоскопии поровой структуры пенополистирольных теплоизоляционных материалов с помощью физико-химических и электрон - но-микроскопических методов анализа;

• математическая модель повышения теплопроводности экструзионно­го пенополистирола в процессе эксплуатации на основе результатов зару­бежных долговременных исследований;

• алгоритм расчета допустимого уровня снижения теплозащиты наруж­ного ограждения по разработанному критерию на примере построенного в г. Красноярске жилого здания и определение долговечности основного тепло­изоляционного слоя из экструзионного пенополистирола;

• конструкция эффективного теплоизоляционного элемента и результа­ты испытаний пробного образца.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих кон­ференциях: XXIII-XXVI региональных научно-технических конференциях «Проблемы строительства и архитектуры» (Красноярск, 2005-2008 гг.); Все­российском научном фестивале «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2009 г.); научной конференции - I академические чтения «Ак­туальные вопросы строительной физики - энергосбережение и экологическая безопасность», посвященной памяти академика Г. JI. Осипова (Москва, 2009 г.); 14-й Международной межвузовской научно-практической конфе­ренции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - фор­мирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2011 г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширен­ном научном семинаре кафедры строительных материалов и технологии строительства ИСИ ФГАОУ ВПО СФУ (Красноярск, 2011 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из пе­речня ВАК РФ. Результаты исследований защищены патентом РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, основные выводы, библиографический список источников из 168 наименований и 3 приложений. Общий объем работы изложен на 156 стра­ницах машинописного текста. Основной текст диссертации - 132 страни­цы, включая 55 рисунков и 35 таблиц.