CC BY
17тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
УДК 662.998-494
Н.Г. ИГОНИН, магистр физики, Г.С. ИГОНИН, д-р техн. наук, ФГУП «ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск Алтайского края)
Исследование влагопоглощения базальтоволокнистыми материалами
Все большее внимание в современном строительстве уделяют тепло- и звукоизоляции строительных конструкций от внешнего воздействия окружающей среды. В строительстве в настоящее время широко применяются плиты на основе ваты, получаемой из минеральных горных пород, и различных типах связующих. Преимуществом таких материалов является наличие больших запасов сырья для их производства.
При эксплуатации в строительных конструкциях теплоизоляционные материалы практически всегда подвергаются внешним воздействиям (температура, влажность, радиация, биологические организмы), которые существенно влияют на их свойства. При этом, как показывает практика, наибольшее значение имеет присутствие влаги.
Изучение закономерностей водо- и влагопоглощения, как известно, может дать большую информацию не только о предельном количестве влаги, сорбированной материалом при той или иной влажности, но и об особенностях первоначального состояния и структурных перестройках, которые протекают во времени.
Цель настоящей работы — изучение закономерностей влагопоглощения базальтовой ватой и плитами на ее основе. Объект исследований — базальтовая вата ВМСТ (ГОСТ 4640—93), полученная индукционным плавлением горных пород, и плиты на ее основе. В качестве связующего в плитах использовали смесь жидкого натриевого стекла, поли-винилацетатной дисперсии и технологических добавок. Навески ваты (150—250 мг) предварительно сушили в прокаленном при 150оС в течение 2 ч силикагеле, затем помещали в стеклянные открытые стаканчики и экспонировали в средах с 0; 40; 60; 80 и 90% относительной влажностью, создаваемых в эксикаторах. Периодически взвешивая образцы на аналитических весах (точность 10-4 г), получали кинетические кривые сорбции влаги материалом. По достижении термодинамического равновесия навески материала помещали в прокаленный силикагель, методом взвешивания получали кинетические кривые десорбции. Для проведения экспериментов по сорбции влаги базальтовыми плитами материал разрезали на плоские образцы толщиной 10—20 мм и площадью 100x100 мм, дополнительно изолируя с боков алюминиевой фольгой с помощью эпоксидного клея (что вносило некоторую погрешность в измеренную величину предельного влагона-сыщения). Затем их также помещали в те же влажные среды: и получали кинетические кривые сорбции. Аналогично, десорбируя влагу из насыщенных при различной относительной влажности состояний в прокаленном силикагеле, получали кинетические кривые десорбции.
Кинетические кривые сорбции влаги базальтовой ватой в обычных координатах относительный прирост массы—время представлены на рис. 1. Видно, что влаго-поглощение носит неравномерный характер: на кинетических кривых можно выделить участки как возрастания, так и локальной потери массы; первый процесс, однако, превалирует; таким образом, конечное влагосо-держание довольно значительно и превышает 0,5 мас. % (для 90 % относительной влажности).
Исследование десорбции показало, что после первоначальной потери некоторого незначительного количества влаги (около 0,05 мас. % и менее) масса навесок остается стабильной на протяжении длительного време-
ни (по меньшей мере более 300 сут), поэтому кинетические кривые десорбции не были получены. Продолжительный эксперимент (более 1 ч) по выпариванию влаги из десорбированных образцов на влагомере 903 при температуре 200оС привел к увеличению значения влагосодержания еще на 0,05 мас. %, что не соответствует общему поглощенному количеству влаги.
Выявленные особенности влагопоглощения базальтовой ватой подтверждают протекание следующих процессов [1]: вынос вещества вследствие нестабильности минеральных волокон в присутствии влаги, обусловленной неоднородностью их строения и присутствием в них оксидов и окислов щелочных и щелочно-земельных металлов, способных к выщелачиванию, растворению и последующему вымыванию. Это объясняет локальные участки потери массы, наблюдаемые на кинетических кривых, а также приводит к тому, что измеренная величина предельного влагопоглощения несколько занижена). Следующий процесс — образование гидратной оболочки на поверхности волокон вследствие взаимодействия молекул воды с силовыми полями активных центров минеральной породы
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
200
100 Время, сут
Рис. 1. Кинетические кривые сорбции воды базальтовыми волокнами в различных влажностных средах
0,05
0,045
ен 0,035
0,005
25
т |/2, сут"
Рис. 2. Кинетические кривые сорбции воды базальтовыми плитами в среде с 80% относительной влажностью и последующей десорбции из влагонасыщенного состояния
научно-технический и производственный журнал
110
март 2010
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
наука
0,4 0,6 0,8
Относительная влажность Рис. 3. Экспериментальные изотермы сорбции влаги базальтовой ватой (по сорбционным данным) и плитами на ее основе (по десорбцион-ным данным)
0,35
0,25
0,15 -
0,05
Материал Плотность под удельной нагрузкой (98±1,5) Па, кг/м3 Плотность, кг/м3 Теплопроводность при (298±5) К, Вт/(м.К)
Исходная После цикла Исходная После цикла Исходная После цикла
Вата 40,7 40,6 - - 0,041 0,042
Плиты - - 144,5 142,2 0,039 0,04
3 4 5 Расстояние, мм
Рис. 4. Профиль распределения воды во влагонасыщенном состоянии в той же среде в условиях всесторонней диффузии (базальтопластик на основе связующего ТС, более 800 сут выдержки в условиях всестороннего поглощения).
(выходы дислокаций, точечные дефекты, комплексы с некомпенсированным зарядом, включения и др.), что объясняет фактическое отсутствие десорбции влаги.
Типичные кинетические кривые сорбции влаги базальтовыми плитами при 80% относительной влажности и последующей десорбции из влагонасыщенного состояния представлены на рис. 2. На кривых выявляется ряд особенностей. При сорбции общее количество влаги резко возрастает вплоть до значений влагосодер-жания, превышающих 4,5 мас. %; далее с течением времени происходит постепенная потеря массы. На стадии десорбции первоначально происходит резкое изменение массы, затем процесс идет более медленно.
Экспериментальные изотермы сорбции влаги базальтовой ватой и плитами представлены на рис. 3. Сравнение величин относительного влагопоглощения базальтовой ватой и плитами свидетельствует, что основное количество влаги в плитах сорбируется именно связующим, вклад в поглощение влаги непосредственно базальтовой ватой невелик и не является определяющим. К сожалению, небольшое количество экспериментальных точек не позволяет точно классифицировать изотермы сорбции. По-видимому, изотерму сорбции влаги плитами можно отнести к вогнутому к оси относительной влажности типу, который отвечает слабому взаимодействию влаги со связующим [2].
Как видно из рис. 2, величина максимальной предельной потери массы при десорбции практически совпадает с конечным значением влагосодержания на стадии сорбции, что может быть объяснено только тем, что при влаго-
поглощении происходит выход воды, связанный скорее всего со структурным переходом связующего из неравновесного в равновесное состояние. Из представленного примера видно, что влагосодержание плит, измеренное по началу потери массы, не всегда соответствует истинному при длительной эксплуатации материала при той же влажности. Первоначальная резкая потеря массы на кинетических кривых десорбции объясняется развитой пористой структурой плит, в результате чего влага десорби-руется с поверхности глобул связующего далеко в глубине материала и лишь затем диффундирует из внутренней части, что проявляется на кривой более пологой стадией. Очевидно, что влагопоглощение имеет недиффузионный характер и определяется потоком пара в тонких порах. Для определения точных количественных оценок параметров, необходимых для прогнозирования долгосрочных влагораспределений, необходимо дальнейшее количественное исследование пористой структуры материала. Вследствие сильно развитой пористой структуры материала попытка исследования диффузионного поведения методом послойного определения содержания влаги на влагомере 903 не привела к удовлетворительным результатам.
Выявленные и подтвержденные в настоящем исследовании два основных процесса, протекающие при сорбции влаги базальтоволокнистыми материалами, — вымывание и выщелачивание части веществ из минеральной фазы и образование гидратной оболочки за счет сорбции части молекул воды помогают объяснить происхождение необычной формы профиля, экспериментально обнаруженного в [3] при изучении диффузионного поведения конструкционных материалов (базальтопластиков). Две основные особенности такого профиля — резкое падение концентрации влаги в поверхностных слоях и несоответствие экспериментально определенного интегрального количества поглощенной влаги (рис. 4), предельному уровню насыщения объясняются соответственно образованием кромочного слоя с диффузионными характеристиками, отличными от внутренней части материала, и формированием гидратной оболочки на базальте.
В таблице представлены некоторые характеристики ба-зальтоволокнистых материалов в исходном состоянии и после цикла сорбция—десорбция (сорбция при 90% влажности). Из приведенных данных следует, что протекающие при влагопоглощении процессы (вымывание части минерального вещества, образование гидратной оболочки и переход структуры связующего базальтовых плит в равновесное состояние) достаточно слабо отражаются на таких важнейших параметрах, как плотность и теплопроводность.
Список литературы
1. Татаринцева О. С., Углова Т.К., Игонин Г. С., Игони-на Т.Н., Бычин Н.В. Определение сроков эксплуатации базальтоволокнистых теплоизоляционных материалов // Строит. материалы. 2004. № 11. С. 14—15.
2. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия, 1974. 272 с.
3. Игонин Н.Г., Татаринцева О.С. Исследование диффузии влаги в базальтопластике на эпоксидном связующем // Пластические массы. 2006. №11. С. 37—39.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал
: : ® март 2010 ГГТ
