CC BY
21
УДК 624.01
ТОШИН Д. С. СТЕПАНОВ А. А.
Экспериментальные исследования деформативности минераловатных утеплителей при повторном приложении нагрузки
Тошин
Дмитрий
Сергеевич
кандидат технических наук, зав. кафедрой «Городское строительство и хозяйство» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»
e-mail: [email protected]
Степанов
Андрей
Алексеевич
инженер
ПТО ООО «Европейские кровельные системы»
e-mail: [email protected]
При строительстве и эксплуатации утеплители плоских совмещенных покрытий подвергаются повторным нагружениям. В статье приведены результаты экспериментальной оценки деформативности жестких минераловатных утеплителей при нагрузке-разгрузке. Полученные закономерности свидетельствуют о неупругом характере деформирования материала. Повторное приложение нагрузки приводит к прогрессирующему накоплению деформаций в утеплителе.
Ключевые слова: утеплитель, минеральная вата, нагрузка, деформация, эксперимент, эксплуатация.
TOSHIN D. S, STEPANOV A. A.
EXPERIMENTAL ANALYSIS DEFORMABILITY OF MINERAL WOOL INSULATION WITH REPEATED APPLICATION OF STRESS
Insulant of combined flat roof is subjected to repeated application of stress during construction and exploitation. In the article presents results of experimental evaluation deformability of rigid mineral wool insulation under loading and unloading. The obtained regularities indicate the inelastic deformation of the material. Repeated application of stress leads to a progressive accumulation of deformation in insulant.
Keywords: insulant, mineral wool, loading, deformation, experiment, exploitation.
При строительстве и реконструкции промышленных и гражданских зданий широкое распространение получают конструкции плоских совмещенных покрытий, которые не предусматривают использование распределительных стяжек между тепло- и гидроизоляционным слоями. Применение такого конструктивного решения в покрытиях может быть обеспечено только при использовании жестких утеплителей с высоким показателем нагрузки при 10 %-й деформации (обозначим как К10%).
В настоящее время имеется опыт применения подобных конструктивных решений, однако параметры долговечности и работоспособности остаются недостаточно изученными и являются сложно прогнозируемыми в связи с незначительными периодами эксплуатации. Срок службы совмещенных покрытий без распределительных стяжек во многом определяется историей нагружения утеплителей. При увеличении объемов использования минеральной ваты в качестве утеплителя влияние силового воздействия на дальнейшую работоспособ-
ность материала остается на сегодняшний день малоизученным, что определяет актуальность темы исследования.
Целью данной работы является экспериментальная оценка деформативных свойств утеплителей из минеральной ваты при действии повторных нагрузок различной величины.
За период «жизненного цикла» возможно действие различных нагрузок на утеплитель: по природе происхождения (техногенные и природно-климатические); по характеру воздействия (однократное или повторное, статическое или динамическое); по величине давления (низкого, среднего или высокого давления); по площади передачи (равномерно распределенные нагрузки или приложенные по небольшой контактной поверхности); по продолжительности действия (кратковременные, длительные, постоянные); по периоду приложения (при хранении, транспортировке, монтаже или в процессе эксплуатации). Ранее проведенные исследования [4] показали, что сверхнормативное давление на утеплитель создается при хождении по материалу, что воз-
90
© Тошин Д. С., Степанов А. А., 2016
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2016
Серия образцов Марка материала Толщина образца, мм Количество образцов, шт. Номинальная нагрузка, соответствующая 10 %-й деформации ^10%), кПа Величина нагрузки при испытании, кПа (%) Критерий определения количества циклов повторного нагружения
Серия I ТехноРуф Н30 100 3 30 30 (100%) Достижение при повторном приложении нагрузки 10 %-й деформации
ТехноРуф В60 100 3 60 60 (100%)
Серия II ТехноРуф Н30 100 3 30 15 (50 %)
ТехноРуф В60 100 3 60 30 (50%)
Авторы: Д. С. Тошин, А. А. Степанов.
можно, например, при проведении монтажных работ по устройству покрытия. При исключении данного воздействия на утеплитель путем организационных мероприятий и технологических решений работоспособность минеральной ваты будет определяться транспортными, складскими, снеговыми и другими эксплуатационными нагрузками, не превышающими К10%. Совокупность указанных нагрузок в целом определяет повторный характер на-гружения материала. Таким образом, проведенная оценка интенсивности и характера нагрузок на утеплитель определила программу экспериментальных исследований, в которую были включены две серии образцов (Таблица 1).
Образцы первой серии испыты-вались повторными нагрузками, равными К10 %, до момента достижения суммарных деформаций в материале 10% от первоначальной толщины. Образцы второй серии нагружали нагрузкой, назначенной 0,5К10%, также до получения деформаций в минеральной вате 10 %. В качестве испытуемого материала был принят утеплитель «ТехноРуф» В60 и «ТехноРуф» Н30 [5], где 60 и 30 — обозначения номинальной нагрузки, соответствующей 10 %-й деформации, в кПа. Выбор данного материала обусловлен его широким распространением при строительстве и реконструкции на территории Самарской области. В каждую серию было включено по три образца минеральной ваты, применяемой для верхнего (индекс В) и нижнего (индекс Н) слоя утепления совмещенных покрытий.
Испытания проводились в лабораторных условиях [1] на установке, ранее описанной в работе [3]. Полученные результаты экспериментальных исследований представлены
в графическом виде: на Иллюстрациях 1, 2 — для образцов первой серии, на Иллюстрациях 3, 4 — для образцов второй серии.
В первой серии образцов после однократного нагружения первого цикла получены средние значения деформаций, соответствующие 5,1 % для «ТехноРуф» Н30 и 5,2 % для «ТехноРуф» В60. После снятия нагрузки и повторного ее приложения отмечается прирост деформаций по сравнению с первым циклом. При нагрузке третьего цикла деформации в среднем составили 6,4 % для «ТехноРуф» Н30 и 6,9 % для «ТехноРуф» В60. Во всех образцах исследуемых материалов величина 10 % относительных деформаций достигнута при нагружении в пятом цикле нагрузка-разгрузка. При этом отмечается прогрессирующее накопление деформаций при повторном нагружении, приращение деформаций в 1-м цикле в большинстве случаев превышает приращение деформаций в предыдущем (¡-1)-м цикле. Экспериментально установлено, что с каждым последующим циклом площадь графика, образованного ветвями нагрузки и разгрузки, увеличивается. При каждом последующем цикле угол наклона ветви нагрузки к оси деформаций также уменьшается. После разгрузки пятого цикла остаточные деформации для нижнего слоя зафиксированы меньшей величины, чем для верхнего слоя. Их значения составили 1,4 % для «ТехноРуф» Н30 и 2,2 % для «ТехноРуф» В60.
Во второй серии образцов после однократного нагружения первого цикла получены средние значения деформаций, соответствующие 3,2 % для ТехноРуф Н30 и 3,1 % для ТехноРуф В60. Качественные закономерности деформирования образцов, испытанных по данному режиму
нагружения, соответствуют результатам исследований образцов первой серии. Величина 10 % относительных деформаций достигнута в среднем на девятом цикле нагрузка-разгрузка, что справедливо для утеплителей «ТехноРуф» Н30 и для «ТехноРуф» В60. Остаточные деформации материалов, предназначенных для нижнего слоя утепления, сохранились несколько больше, чем для верхнего слоя, и составили 1,7 % для «ТехноРуф» Н30 и 1,0 % для «ТехноРуф» В60.
В целом отмеченный характер деформирования утеплителей из минеральной ваты свидетельствует о возможности постепенного уплотнения материала при повторном приложении нагрузки. Экспериментально подтверждена подобная закономерность для нагрузок, равных К10 % и 0,5К10 %. Для утеплителей, уложенных в конструкцию совмещенного покрытия, подобные деформации могут приводить к структурным нарушениям материала при уменьшении толщины теплоизоляционного слоя. Результатом подобных изменений может стать ухудшение эксплуатационных параметров теплоизоляции покрытия. При неравномерном распределении нагрузки по площади (например, ежегодно повторяющейся снеговой нагрузки с образованием снеговых мешков в характерных участках [2]) может нарушаться проектная разуклонка и отмечаться застой атмосферных вод на поверхности покрытия.
Полученные результаты экспериментальных исследований необходимо учитывать при проектировании в целях увеличения срока службы совмещенного покрытия в целом. Полученные данные могут быть полезны и при оценке технического состояния плоских кровель, выполненных без распределительной стяжки.
Иллюстрация 1. Диаграммы деформирования материала «Техно-
Руф» Н30 при повторном приложении нагрузки 30 кПа на образцы первой серии:
♦ — текущие значения напряжений и деформаций при нагрузке;
х — текущие значения напряжений и деформаций при разгрузке.
Автор А. А. Степанов
Заключение
1 При повторном приложении нагрузки на утеплители из минеральной ваты происходит прогрессирующее накопление неупругих деформаций.
2 Повторное приложение нагрузки, равной И10%, приводит к 10 %-й деформации образца утеплителя не более чем за пять циклов нагружения. При нагрузке 0,5Ы10 % нормируемые деформации достигаются не более чем за десять циклов.
3 Остаточные деформации утеплителя из минеральной ваты при полной разгрузке определяются физико-
Иллюстрация 2. Диаграммы деформирования материала «ТехноРуф» В60 при повторном приложении нагрузки 60 кПа на образцы первой серии:
♦ — текущие значения напряжений и деформаций при нагрузке; х — текущие значения напряжений и деформаций при разгрузке. Автор А. А. Степанов
механическими параметрами материала и зависят от истории нагружения.
4 Длительная работоспособность минераловатных утеплителей может быть достигнута при ограничении нагружений, превышающих уровень 0,5 от нормируемой нагрузки при 10 %-й деформации образца.
30
23 26
24 22
£ 20
О
Е 16
Iй
с. ] 2
I»
$
б 4 2 0 ■
30
2«
26
24
22
3 20
* 1« 8
I 16
% 14
V2
~ г
в 4 2 0
7 1
/ (
7/ /7/ /
2 3 4 5 6 7 Д?формшшч оЛрат», %
Т\ /
к У к V/ V,_ Шш / х г
/ У ы/ Г* Л
/ г / у/ / / / '-- —т~
V Ф* Г / /// У/у 7 / —тк—
7Т_ / / / У /
Деформация обрата, %
/
Деформация •> о 11 ш . %
30 28 26 24 а 22
С 20
Л 18
I 16
| 14
5.12 Я 10 = 3
6 4 2 О
I
пч у у /7
1ТШ /7 / ттп
/// $ ■
на /1! III. 1 7
Ш Ц : 1 л
Ж 7 \Т /
/// / / / 7Х /
1Ш1 ; г / / /
У/у щ 1 / ¿У,
___
3 4 5 6 7 Деформации пПрагпа, %
плппТ
!—[-_1 1_
/ / '/////У 1 у 1
//////// 11 ¡1 /1 1 Т Т Т
/ II 1 Ч 1
А /1 /7 71
иШ 111 11 иЛ 1
ТТГ.Т .7 7 7 7
Ш/ / / 7
/ /
/
2 3 4 5 6 7 Деформация образна, %
^
/ ■ /
гг _д
J___£_ ¡г
/
/ / / 1 7Т / /
4 4- /■ 4 / У
77! / / /
¡N11 / / / /
' / / / / /
г/ / / / л/_
/Ж/
Деформации образца, %
Иллюстрация 3. Диаграммы деформирования материала «ТехноРуф» Н30 при повторном приложении нагрузки 15 кПа на образцы второй серии:
♦ — текущие значения напряжений и деформаций при нагрузке; х — текущие значения напряжений и деформаций при разгрузке. Автор А. А. Степанов
Иллюстрация 4. Диаграммы деформирования материала «ТехноРуф» В60 при повторном приложении нагрузки 30 кПа на образцы второй серии:
♦ — текущие значения напряжений и деформаций при нагрузке; х — текущие значения напряжений и деформаций при разгрузке. Автор А. А. Степанов
Список использованной литературы
1 ГОСТ 2678-94*. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Методы испытаний.
2 Ерышев В. А., Тошин Д. С. Надежность работы плит покрытия производственных корпусов при повторном действии снеговой нагрузки // Надежность строительных объектов : материалы 10-й науч.-техн. конф. / Са-марск. гос. арх.-строит. ун-т. Самара, 2007. С. 37-40.
3 Тошин Д. С., Степанов А. А., Мисько Е. А. и др. Оценка деформативности утеплителей при однократном и по-
вторном приложении нагрузки // Юность и Знания — Гарантия Успеха-2015 : материалы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. 1-2 октября 2015 г. Курск, 2015. Т. 2. С. 184-188.
4 Тошин Д. С., Степанов А. А., Мисько Е. А. О нагрузках на утеплители совмещенных покрытий в до-эксплуатационный и эксплуатационный период // Молодежь и XXI век-2015 : материалы V Междунар. молодеж. науч. конф. 26-27 февраля 2015 г. Курск, 2015. С. 322-324.
