CC BY
79
УДК 691.699.86
А.С. Пилипенко*, В.А. Перфилов, К.В. Матьков*
*НИУ МГСУ, ВолгГАСУ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ПЛИТ
Представлены основные факторы, определяющие экономическую эффективность производства и применения двухслойных минераловатных плит объемно-ориентированной структуры. Предложено оптимизацию параметров тепловой обработки и прогнозирование свойств материалов осуществлять с помощью программного комплекса. Рекомендовано применять двухслойные минераловатные изделия как для плоских кровель, так и для утепления вентилируемых и штукатурных фасадов.
Ключевые слова: теплоизоляция, минеральная вата, структура, долговечность, конвейер, плита двойной плотности
Применение теплоизоляционных материалов является эффективным способом формирования изоляционной оболочки здания, а также сокращения энергетических затрат и повышения долговечности строительных конструкций. Свойства изделий на основе каменной ваты и их эксплуатационная стойкость во многом определяются условиями формирования минераловатного ковра, равномерностью распределения в ковре и отверждения связующего вещества и условиями тепловой обработки.
Большинство отечественных технологий ориентировано на выпуск минераловатных изделий объемно-ориентированной структуры, которая формируется с помощью специальных агрегатов: раскладчика и гофрировщика, размещенных в технологической линии. Следующим шагом получения оптимальных структур является изготовление изделий двойной плотности. Верхний — более плотный слой — воспринимает механические нагрузки, обусловленные условиями эксплуатации; нижний — менее плотный, но более толстый — выполняет основную функцию — утепления. Изготовление плит двойной плотности осуществляют на типовых линиях с добавлением специального узла, размещаемого перед камерой тепловой обработки. Оптимизацию параметров тепловой обработки и прогнозирование свойств материалов осуществляют с помощью программного комплекса.
С позиций энергетической эффективности, параметром оптимизации строительной системы является термическое сопротивление конструкции, а параметром, определяющим выбор теплоизоляционного материала (ТИМ), — его теплопроводность. Однако с точки зрения эксплуатационной стойкости основными критериями выступают прочностные характеристики, что подтверждается и теоретическими исследованиями [1, 2]. Это объясняется происходящими процессами: снижение прочностных характеристик ведет к осадке (уплотнению) материала, т.е. к увеличению средней плотности, а следовательно, к увеличению теплопроводности и падению термического сопротивления системы [3, 4].
Специфика функционирования каждой строительной системы предъявляет к ТИМ определенные дополнительные требования. Так для ТИМ, работающих в конструкциях плоской кровли, основным показателем является прочность на сжатие при 10%-й деформации. Теплоизоляция в навесных фасадах работает в условиях «вентилируемого зазора», поэтому нормирующими показателями принимаются воздухопроницаемость теплоизоляции и прочность на отрыв слоев. В конструкциях штукатурных фасадов важным параметром является прочность на отрыв слоев утеплителя [5, 6].
Для всех перечисленных типов строительных систем необходимо сочетание определенных прочностных характеристик и низкой теплопроводности. Не менее важным для каждой системы является требование к эксплуатационной стойкости теплоизоляции, т.е. к способности ТИМ сохранять начальные характеристики в течение всего периода эксплуатации.
Свойства минераловолокнистых ТИМ во многом зависят от грамотной организации всех этапов технологического процесса. Характеристики волокна (его прочностные параметры, эластичность, стойкость к агрессивным средам и пр.) формируются на этапах подготовки шихты, ее плавления и переработки в волокно [7, 8]. Равномерность распределения связующего в волокнистом ковре обусловлена его типом и условиями введения в волокнистую среду. Свойства минераловатного ковра определяются условиями формирования его структуры, которые, с одной стороны, должны обеспечивать максимальное переплетение волокон, а с другой — обеспечивать сохранение сплошности ковра. Финальным этапом, в течение которого происходит стабилизация структуры ковра и формирование свойств изделий, является тепловая обработка. в ходе этого процесса большое значение имеет равномерное отверждение связующего [9, 10].
Изготовление изделий двойной плотности базируется на технологии изделий из каменной ваты, основанной на использовании шихты с модулем кислотности М = 1,8...2,2. Плавление шихты осуществляется в модернизированных вагранках с применением кислородного дутья, подогрева воздуха, дополнительного подогрева лотка выдачи расплава и пр. Переработку расплава в волокно производят центробежно-валковым способом с оддувом расплава в камеру волокноосаждения. в некоторых технологиях предусмотрена ионизация волокон, целью которой является повышение равномерности распределения связующего на волокнах. Связующее (водный раствор нейтрализованных фенолоспиртов или его аналоги) вводят камеру волокноосаждения. Современными технологиями предусматривается наклонная камера волокноосаждения, которая обеспечивает получение первичного (тонкого) минераловатного ковра. далее формируется базовый ковер с объемно-ориентированной структурой, выполняется тепловая обработка ковра и форматирование его в изделия.
Технология плит двойной плотности вошла в практику отечественного производства сравнительно недавно и можно сказать, что полностью оправдала себя. Формирование двойной плотности осуществляется с помощью специального комплекса (рис. 1) и за счет подпрессовки минераловатного ковра особым образом. Перед камерой тепловой обработки и в самой камере используются прижимные валки и пластинчатые конвейеры, плоскости которых
ВЕСТНИК
3/2016
создают повышенное сжимающее усилие, что позволяет прижимать верхний упрочненный слой ваты к нижнему и формировать плиту с высокими механическими свойствами без введения дополнительного связующего.
Рис. 1. Схема формирования минераловатного ковра двойной плотности: I — ми-
нераловатный ковер после раскладчика и подпрессовщика; 11П - покровный слой (в процессе подпрессовки); ПБ — базовый слой после разрезки; III — минераловатный ковер с отвержден-ным связующим после камеры тепловой обработки; 1 — сетчатый конвейер; 2 — резательное устройство; 3 — уплотняющие конвейеры; 4 — направляющий стол; 5 — подпрессовочное устройство; 6 — камера тепловой обработки
Тепловая обработка минераловатного ковра осуществляется прососом теплоносителя (воздуха, подогретого до 200...240 °С) через слой ковра. При этом осуществляется испарение влаги из ковра (сушка) и отверждение связующего. Цель тепловой обработки — стабилизация структуры ковра за счет отверждения связующего, которое происходит в результате реакций поликонденсации.
Очевидно, что замена сетчатых конвейеров на пластинчатые и изменение плотностей минераловатного ковра оказывает значительное влияние на аэродинамику тепловой обработки. Это необходимо учитывать при проектировании конструкции и режимов работы камеры.
Оптимизация режимов тепловой обработки возможна с применением специального программного комплекса. Программы для ЭВМ, разработанные на языке программирования С#, позволяют решать следующие задачи:
выбирать в зависимости от характеристик минераловатного ковра (плотности, диаметра волокон, содержания связующего и неволокнистых включений, влажности и пр.) оптимальный перепад гидравлического сопротивления по сторонам ковра, скорость прососа теплоносителя и его температуру;
оптимизировать длину камеры тепловой обработки и время необходимое на полное отверждение связующего.
Жесткие минераловатные плиты применяют в основном для теплоизоляции плоских кровель и фасадных систем [11, 12]. В этих случаях в первую очередь регламентируется прочность плит на сжатие и (или) на отрыв слоев.
Как уже отмечалось, прочностные характеристики минераловатных изделий определяют также их эксплуатационную стойкость. Результаты климатических испытаний (рис. 2) показывают, что снижение прочности изделий двойной плотности в ходе воздействия климатических циклов, эквивалентных
От раскладчика и подпрессовщика
5
б
На разрезку, калибровку и упаковку
10 годам ординарной эксплуатации ТИМ в конструкциях, значительно меньше, чем у изделий однородной структуры. Это можно объяснить защитным эффектом внешнего (более плотного) слоя.
Жесткие минераловатные плиты обычно применяют для теплоизоляции плоских кровель и фасадных систем [11, 12]. В этих случаях в первую очередь регламентируется прочность плит на сжатие и (или) на отрыв слоев.
!S
О4
120
100
!Й80 s « ? s
a s g 5 60
s s ||
g 140
0
1 во a
20
i* 0-00003
100 120 140 160
Средняя плотность, кг/м3
180
200
Рис. 2. Сравнение зависимости прочности на сжатие при 10%-й деформации от средней плотности теплоизоляционного слоя для однослойных (1, 3) и двухслойных (2, 4) плит: 1,2 — плиты в начале эксплуатации; 3, 4 — плиты после 150 циклов климатических испытаний (через 10 лет эксплуатации)
0,042
и
0,040
g 0,038
I
ч о я о
О.
о 0,036
0,034
3 2
---------
0
45 90
Циклы испытаний (г)
135
180
Рис. 3. Зависимость теплопроводности изделий из минеральной ваты от циклических воздействий при средней плотности: 1 — 40 кг/м3; 2 — 120 кг/м3; 3 — 200 кг/м3
График зависимости теплопроводности минераловатных плит объемно-ориентированной структуры различной плотности от количества циклов приведен на рис. 3. Зависимость теплопроводности минеральной ваты от количества циклов «замораживания — оттаивания — нагрева» для каждой средней плотности описывается линейной зависимостью с точностью прогнозирования результата, равной 98 %.
В наибольшей степени в ходе климатических испытаний теплопроводность возрастает у изделий низкой плотности. Это может быть объяснено уплотнением плит в результате температурно-влажностного воздействия, которое оказывается тем большим, чем ниже средняя плотность материала. Уплотнение представляет собой функцию прочностных характеристик мине-раловатных изделий, что подтверждает предположение о влиянии прочностных показателей на формирование их эксплуатационной стойкости.
Показателем качества соединения слоев в изделии является их прочность на отрыв, которая для жестких плит составляет более 10 кПа. Этот фактор, равно как и оценка других эксплуатационных характеристик изделий, в т.ч. и по результатам климатических испытаний, позволяет рекомендовать двухслойные минераловатные изделия к применению как для плоских кровель, так и для утепления вентилируемых и штукатурных фасадов.
Экономическая эффективность производства и применения двухслойных минераловатных плит объемно-ориентированной структуры определяется группой факторов:
улучшением качественных показателей изделий, позволяющим использовать изделия меньшей средней плотности;
снижением расходов на тепловую обработку минераловатного ковра за счет оптимизации характеристик этого процесса;
снижением расходов при монтаже в результате уменьшения расчетной толщины теплоизоляции и, соответственно, общей толщины конструкции;
сохранением свойств изоляционной оболочки на весь период эксплуатации, т.е. увеличением безремонтного срока эксплуатации и обеспечением стабильности энергетических расходов, а также поддержанием в помещениях комфортного микроклимата.
Библиографический список
1. Жуков А.Д., Орлова А.М., Наумова Т.А., Никушкина Т.П., Майорова А.А. Экологические аспекты формирования изоляционной оболочки зданий // Научное обозрение. 2015. № 7. С. 209—212.
2. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Теплопроводность высокопористых материалов // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 108—114.
3. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Энергетическая эффективность и методология создания теплоизоляционных материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Серия: Политематическая. 2014. № 4 (35). С. 3. Режим доступа: http://vestnik.vgasu. ru/?source=4&articleno=1789.
4. Жуков А.Д., Бессонов И.В., Сапелин А.Н., Боброва Е.Ю. Теплозащитные качества стен // Вестник МГСУ. 2014. № 5. С. 70—77.
5. Орешкин Д.В., Семенов В.С. Современные материалы и системы в строительстве — перспективное направление обучения студентов строительных специальностей // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 92.
6. Жуков А.Д., Чугунков A.B. Локальная аналитическая оптимизация технологических процессов // Вестник МГСУ. 2011. № 1—2. С. 273—278.
7. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Теплоизоляция и современные строительные системы // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 6. С. 11—13.
8. Ефименко А.З., Пилипенко А.С. Управление производством и поставками комплектов изделий и конструкций предприятиями стройиндустрии // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 9. С. 65—67.
9. Трескова Н.В., Пушкин А.С. Современные стеновые материалы и изделия // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 11 (178). С. 32—35.
10. Соков В.Н., Бегляров А.Э., Солнцев А.А., Журавлева А.А., Журбин А.С. Комплексный парогидротеплоизоляционный материал // Интернет-вестник ВолгГА-СУ. Серия: Политематическая. 2014. № 2. Режим доступа: http://vestnik.vgasu. ru/?source=4&articleno=1789. Дата обращения: 12.10.2015.
11. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Смирнова Т.В. Технологические аспекты эксплуатационной стойкости минеральных волокон // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 32—36.
12. Жуков А.Д., Чугунков A.B., Жукова E.A. Системы фасадной отделки с утеплением // Вестник МГСУ. 2011. № 1—2. С. 279—283.
Поступила в редакцию в марте 2016 г.
Об авторах: Пилипенко Антон Сергеевич — кандидат технических наук, ассистент кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, anikei_ [email protected];
Перфилов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нефтегазовых сооружений, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ), 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д. 1, [email protected];
Матьков Кирилл Викторович — студент магистратуры кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Пилипенко А.С., Перфилов В.А., Матьков К.В. Повышение эффективности технологии минераловатных плит // Вестник МГСУ. 2016. № 3. С. 86—92.
A.S. Pilipenko, V.A. Perfilov, K.V. Mat'kov
IMPROVING THE EFFICIENCY OF MINERAL WOOL SLABS TECHNOLOGY
The use of thermal insulation materials is an effective method to create an insulating envelope of a building, as well as to reduce energy costs and increase the durability of building structures. The properties of stone wool products and their operational durability is largely determined by the conditions of formation of the mineral wool carpet, uniform distribution of binder and its curing and the heat treatment conditions.
Most domestic technologies are aimed at the production of mineral wool products with volume-oriented structure, which is formed using special units: spreader and cor-rugator placed in a production line. The next step to obtain the optimum structures is the production of dual density slabs. The denser upper layer receives mechanical loads caused by the operating conditions; the lower, less dense, but more thick layer performs the main function — insulation. The dual density slabs are produced on standard lines supplemented with a special unit, which is located in front of the heat treatment camera. Optimization of heat treatment parameters and prediction of the properties of materials is performed using software package.
Key words: thermal insulation, mineral wool, structure, durability, conveyor, dual density slab
References
1. Zhukov A.D., Orlova A.M., Naumova T.A., Nikushkina T.P., Mayorova A.A. Eko-logicheskie aspekty formirovaniya izolyatsionnoy obolochki zdaniy [Environmental Aspects of the Formation of Insulating Envelope of Buildings]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2015, no. 7, pp. 209—212. (In Russian)
2. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.Yu. Teploprovodnost' vysokoporistykh materialov [Thermal Conductivity of Highly Porous Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 108—114. (In Russian)
3. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.V. Energeticheskaya effektivnost' i metodologi-ya sozdaniya teploizolyatsionnykh materialov [Energy Efficiency and Methodology of Creating Thermal Insulation Materials]. Internet-vestnik VolgGASU. Seriya: Politematicheskaya [Internet Proceedings of of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Poly-thematic]. 2014, no. 4 (35), p. 3. Availble at: http://vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1789. (In Russian)
4. Zhukov A.D., Bessonov I.V., Sapelin A.N., Bobrova E.Yu. Teplozashchitnye kachestva sten [Thermal Insulation Properties of Walls]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 5, pp. 70—77. (In Russian)
5. Oreshkin D.V., Semenov V.S. Sovremennye materialy i sistemy v stroitel'stve — per-spektivnoe napravlenie obucheniya studentov stroitel'nykh spetsial'nostey [Modern Materials and Systems in the Construction as a Perspective Direction of Teaching of Construction Specialties]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2014, no. 7, p. 92. (In Russian)
6. Zhukov A.D., Chugunkov A.B. Lokal'naya analiticheskaya optimizatsiya tekhno-logicheskikh protsessov [Local Analytical Optimization of Technological Processes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1—2, pp. 273—278. (In Russian)
7. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D. Teploizolyatsiya i sovremennye stroitel'nye sistemy [Thermal Insulation and Modern Building Systems]. Krovel'nye i izolyatsionnye materialy [Roofing and Insulation Materials]. 2013, no. 6, pp. 11—13. (In Russian)
8. Efimenko A.Z., Pilipenko A.S. Upravlenie proizvodstvom i postavkami komplektov iz-deliy i konstruktsiy predpriyatiyami stroyindustrii [Management of Production and Delivery of Product and Structure Sets by Construction Industry Enterprises]. Promyshlennoe i grazh-danskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 65—67. (In Russian)
9. Treskova N.V., Pushkin A.S. Sovremennye stenovye materialy i izdeliya [Contemporary Wall Materials and Products]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka [Construction Materials, Equipment, Technologies of the 21st Century]. 2013, no. 11 (178), pp. 32—35. (In Russian)
10. Sokov V.N., Beglyarov A.E., Solntsev A.A., Zhuravleva A.A., Zhurbin A.S. Kompleksnyy parogidroteploizolyatsionnyy material [Complex Vapor-Hydro-Heat-Insulation Material]. Inter-net-vestnik VolgGASU. Seriya: Politematicheskaya [Internet Proceedings of of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Polythematic]. 2014, no. 2. Availble at: http://vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno=1789. Date of access: 12.10.2015. (In Russian)
11. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Smirnova T.V. Tekhnologicheskie aspekty ekspluatatsionnoy stoykosti mineral'nykh volokon [Technological Aspects of Operational Durability of Mineral Fibers]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2015, no. 1, pp. 32—36. (In Russian)
12. Zhukov A.D., Chugunkov A.B., Zhukova E.A. Sistemy fasadnoy otdelki s utepleniem [Systems of Façade Decoration Work with Heat Insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1—2, pp. 279—283. (In Russian)
About the authors: Pilipenko Anton Sergeevich — Candidate of Technical Sciences, Assistant Lecturer, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Perfilov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, chair, Department of Oil and Gas Structures, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VSUACE), 1 Akademicheskaya str., Volgograd, 400074, Russian Federation; [email protected];
Mat'kov Kirill Viktorovich — Master student, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Pilipenko A.S., Perfilov V.A., Mat'kov K.V. Povyshenie effektivnosti tekh-nologii mineralovatnykh plit [Improving the Efficiency of Mineral Wool Slabs Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 3, pp. 86—92. (In Russian)
