CC BY
19УДК 699.86
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-40-43
В.Г. ГАГАРИН1,3, д-р техн. наук, член-корр. РААСН; П.П. ПАСТУШКОВ1,2, канд. техн. наук
1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
2 Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова (119192, г. Москва, Мичуринский проспект, 1)
3 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Сорбция водяного пара материалами минераловатных изделий современного производства
Статья посвящена исследованиям сорбции водяного пара материалами минераловатных изделий современного производства. Дано определение понятия сорбции, описаны возможности практического применения изотерм сорбции в строительной теплофизике и при анализе пористой структуры материалов. Приведены известные методики определения сорбции водяного пара. Отдельно описан эксикаторный метод, который является стандартизованным. Представлены результаты экспериментальных исследований изотрем сорбции по методике ГОСТ 24816 6 различных марок минераловатных изделий современного производства из двух типов волокон - стеклянного и каменного, с применением традиционного и альтернативных типов связующего. По анализу полученных результатов сделаны выводы: минераловатные изделия из стеклянного волокна имеют в целом большую сорбционную способность, чем из каменного, при этом изделия из одного и того же типа волокна с близкой плотностью могут иметь в несколько раз отличающуюся сорбционную влажность; исследуемые марки в основном имеют примерно одинаковую площадь удельной поверхности, однако отличающиеся в несколько раз объемы мезопор; сорбция водяного пара материалами минераловатных изделий современного производства ниже, чем у материалов минераловатных изделий, выпускаемых более 10 лет назад. Данные выводы должны быть проверены дополнительными исследованиями, результаты которых будут описаны в продолжении настоящей статьи.
Ключевые слова: сорбция водяного пара, изотерма сорбции, минераловатные изделия, связующее, волокно, площадь удельной поверхности.
Для цитирования: Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Сорбция водяного пара материалами минераловатных изделий современного производства // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 40-43. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-40-43
V.G. GAGARIN1,3, Doctor of Sciences (Engineering) (gagarinvg@yandex.ru); P.P. PASTUShKOV1,2, Candidate of Sciences (Engineering) (pavel-one@mail.ru)
1 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
2 Institute of Mechanics Lomonosov Moscow State University (1, Michurinsky Avenue, Moscow, 119192, Russian Federation)
3 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Sorption of Water Vapor Materials of Mineral Wool Products of Modern Manufacture
The article is devoted to the study of water vapor sorption by materials of mineral wool products of modern production. The definition of the concept of sorption is given, the possibilities of practical application of sorption isotherms in building thermophysics and in the analysis of the porous structure of materials are described. The known methods for determining the sorption of water vapor are given. Separately described exicator method, which is standardized. The results of experimental studies of sorption isotrem by the method of GOST 24816 of 6 different brands of mineral wool products of modern production of two types of fibers - glass and stone, using traditional and alternative types of binder are presented. According to the analysis of the obtained results, the conclusions were made: mineral wool products made of glass fiber have, in general, greater sorption capacity than products made of stone fiber, while products of the same type of fiber with a similar density may have several times different sorption humidity; the grades under study generally have approximately the same specific surface area, but the volumes of meso- and micropores differing several times; sorption of water vapor materials of mineral wool products of modern production is lower than that of mineral wool products, produced more than 10 years ago. These findings should be verified by additional studies, the results of which will be described in the continuation of this article.
Keywords: water vapor sorption, sorption isotherm, mineral wool products, binder, fiber, specific surface area.
For citation: Pastushkov P.P., Gagarin V.G. Sorption of water vapor materials of mineral wool products of modern manufacture. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 6, pp. 40-43. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-40-43
Сорбцией называется процесс поглощения водяного пара материалом из окружающей среды, который приводит к равновесному влажностному состоянию материала с окружающей средой. Основной характеристикой равновесного влажностного состояния является изотерма сорбции водяного пара материалом, которая представляет собой зависимость равновесной влажности материала от относительного давления водяного пара (относительной влажности воздуха) [1]. Современная теория сорбционного увлажнения строительных материалов представлена в [2].
В строительной теплофизике изотермы сорбции используются при рассмотрении вопросов, связан-
ных с влажностным состоянием материалов в конструкциях. Во многих случаях сорбция водяного пара из окружающего воздуха является основным механизмом увлажнения материала в ограждающей конструкции. Поэтому эта характеристика так важна для теплоизоляционных материалов — от нее в том числе зависит теплопроводность при эксплуатационных условиях [3—5]. Однако отождествлять сорбционную влажность материала с эксплуатационной влажностью некорректно [6, 7], так как наряду с сорбцией водяного пара разные слои материалов в ограждающих конструкциях увлажняются еще и за счет других механизмов, например косыми
научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Бюксы с образцами минераловатных изделий в эксикаторе (а); экспериментальное определение изотермы сорбции эксикаторным методом (б)
дождями по средствам капиллярного всасывания воды и пр. [2].
Наряду со строительной теплофизикой изотермы сорбции также успешно используются при исследовании характеристик пористой структуры материалов [8]. Начальный участок изотермы позволяет определить площадь удельной поверхности материала, а вся изотерма сорбции — распределение мезопор (поры радиусом от 16А до порядка 1000А1) по размерам. В свою очередь, характеристики пористой структуры могут быть использованы для прогнозирования эксплуатационных свойств материалов [9].
Приведены результаты исследований сорбции водяного пара материалами минераловатных изделий современного производства и сделаны по ним некоторые практические выводы.
Методика определения сорбции водяного вара
В практике исследований сорбционных свойств строительных материалов известно три экспериментальных метода [1]:
— вакуумный, при котором водяной пар сорбируется образцом материала в условиях вакуума;
— динамический, при котором сорбция водяного пара происходит при омывании образца материала потоком воздуха с заданной влажностью;
— эксикаторный, при котором сорбция водяного пара происходит в воздухе, находящемся в эксикаторе, при этом влажность этого воздуха обеспечивается раствором соли или кислоты в эксикаторе.
Вакуумный и динамический методы обеспечивают точное определение параметров сорбционного увлажнения материалов, но требуют специального оборудования и высокой квалификации экспериментатора. Эти методы использовались в НИИСФ и НИИЖБ в советское время, однако в настоящее время не применяются.
Эксикаторный метод положен в основу методики ГОСТ 24816. В соответствии с ней изотермы сорбции материалов определяются следующим образом.
Образцы исследуемых материалов помещаются в стеклянные бюксы. Образцы с бюксами высушиваются до постоянной массы. Затем открытые бюксы с образцами помещаются в несколько эксикаторов с водными растворами серной кислоты различной концентрации, которые создают в эксикаторах относительную влажность воздуха 40, 60, 80, 90 и 97% соответственно (рис. 1). Бюксы с образцами материала периодически взвешивают до момента достижения равновесного влагосодержания образцов в бюк-сах. По разности массы бюкса с материалом с равновесным влагосодержанием и в сухом состоянии определяется влажность образцов, соответствующая относительной влажности воздуха в эксикаторе.
Результаты определения сорбции водяного пара материалами минераловатных изделий
В лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН были проведены экспериментальные исследования сорбции водяного пара по методике ГОСТ 24816 материалов шести различных марок минераловатных изделий современного производства: 1) URSA GEO Универсальные плиты (изделия тепло- и звукоизоляционные из стеклянного штапельного волокна); 2) ISOVER Тепло и Тихо Стена Плюс; 3) ECOROLL (изделия тепло- и звукоизоляционные минераловатные); 4) URSA TERRA 36 PN (изделия тепло- и звукоизоляционные из минерального волокна); 5) GreenGuard УНИВЕРСАЛ (плиты минераловатные теплоизоляционные ТЕХНО), 6) РОКВУЛ СТАНДАРТ2 - рис. 2. Выбор марок для исследований объяснялся практическим интересом сравнения сорбционной способности материалов минераловатных изделий из двух типов волокон -стеклянного (марки 1-4) и каменного (марки 5-6) с применением альтернативных типов связующего (в третьей и пятой марке по заявлению производителей) наряду с традиционным.
Испытания проводились с 27.08.2018 по 10.10.2018 г. Результаты определения сорбции водя-
1 1А (ангстрем) = 10-10 м = 0,1 нм.
2 В скобках после названия указано описание материала согласно заводским этикеткам, если оно имелось.
^ научно-технический и производственный журнал
r ^-viA^r июнь 2019 41
Рис. 2. Заводские этикетки на упаковках исследованных минераловатных изделий
Результаты определения сорбции водяного пара материалов минераловатных изделий
№ Марка минераловатного изделия Средняя плотность, кг/м3 Сорбционная влажность, мас. % при температуре (20±2)оС и относительной влажности воздуха, %
40 60 80 90 97
1 URSA GEO Универсальные плиты 17 0,025 0,21 0,59 1,4 2,4
2 ISOVER Тепло и Тихо Стена Плюс 26,5 0,041 0,29 0,84 2 3,4
3 ECOROLL (КНАУФ) 16,5 0,067 0,31 0,94 2,4 4,2
4 URSA TERRA 36 PN 15 0,018 0,2 0,54 1 1,82
5 GreenGuard УНИВЕРСАЛ (ТехноНИКОЛЬ) 45,5 0,028 0,11 0,35 0,5 0,76
6 РОКВУЛ СТАНДАРТ 30 0,016 0,03 0,042 0,1 0,18
ного пара материалами минераловатных изделий различных марок представлены в таблице. Полученные изотермы сорбции графически построены на рис. 3.
Выводы и заключение
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что минераловатные изделия из стеклянного волокна имеют в целом большую сорбционную способность, чем из каменного. При этом изделия из одного и того же типа волокна с близкой плотностью могут иметь в несколько раз отличающуюся сорбци-онную влажность. Это объясняется, скорее всего, разными типами применяемого связующего, однако, для подтверждения этой гипотезы необходимы дополнительные исследования наподобие проведенных в работе [8], где кроме материалов изделий целиком исследовались изотермы сорбции составляющих частей — волокна и связующего отдельно.
По сравнению сорбционной влажности при 40% относительной влажности воздуха [10] можно сде-
4,5
3,5
■ 2,5
1,5
0,5
20 40 60 80
Относительная влажность воздуха, %
100
Рис. 3. Изотермы сорбции материалов минераловатных изделий: 1 - URSA GEO Универсальные плиты; 2 - ISOVER Тепло и Тихо Стена Плюс; 3 - ECOROLL; 4 - URSA TERRA 36 PN; 5 - GreenGuard УНИВЕРСАЛ; 6 - РОКВУЛ СТАНДАРТ
3
4
2
3
2
4
5
6
0
0
научно-технический и производственный журнал
лать вывод о близких значениях площади удельной поверхности для разных марок исследуемых материалов (за исключением марки 2 и 3), однако о разном (отличающемся в несколько раз) объеме мезопор для разных марок, который вычисляется по максимальной сорбционной влажности (при 97% относительной влажности воздуха).
Также обращает на себя внимание тот факт, что полученные результаты сорбции водяного пара мате-
Список литературы
1. Гагарин В.Г. Сорбция и десорбция водяного пара материалами ограждающей конструкции // В кн. «Российская архитектурно-строительная энциклопедия». Т. 2. М.: Минстрой РФ, 1995. С. 425-427.
2. Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий. Дисс... д-ра техн. наук. Москва, 2000. 396 с.
3. Пастушков П.П. О проблемах определения тепло -проводности строительных материалов // Строительные материалы. 2019. № 4. С. 57-63.
4. Куприянов В.Н., Юзмухаметов А.М., Сафин И.Ш. Влияние влаги на теплопроводность стеновых материалов. Состояние вопроса // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 1 (39). С. 102-110.
5. Киселев И.Я. Влияние равновесной сорбционной влажности строительных материалов на сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий // Жилищное строительство. 2013. № 6. С. 39-40.
6. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Определение расчетной влажности строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 28-33.
7. Гагарин В.Г., Пастушков П.П., Реутова Н.А. К вопросу о назначении расчетной влажности строительных материалов по изотерме сорбции // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). С. 152-155.
8. Гагарин В.Г., Мехнецов И.А., Ивакина Ю.Ю. Сорбция водяного пара материалами теплоизоляционных плит производства ООО «УРСА ЕВРАЗИЯ» // Строительные материалы. 2007. № 10. С. 41-50.
9. Киселев И.Я. Повышение точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов с учетом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий. Дисс. д-ра техн. наук. Москва, 2006. 366 с.
10. Гагарин В.Г. О модификации t-метода для определения удельной поверхности макро- и мезопо-ристых адсорбентов // Журнал физической химии. 1985. Т. 59. № 5. С. 1838-1839.
риалами минераловатных изделий современного производства меньше результатов, полученных при подобных комплексных исследованиях чуть более 10 лет назад [8] - причины таких различий могут быть обусловлены изменениями в технологии производства минеральной ваты.
Представленные выводы будут проверены дополнительными исследованиями и подробно представлены в продолжении настоящей статьи.
References
1. Gagarin V.G. Sorption and desorption of water vapor of the building envelope materials. In the book. «Russian Architectural and Construction Encyclopedia». Vol. 2. M.: Ministry of Construction of the Russian Federation. 1995, pp. 425-427. (In Russian).
2. Gagarin V.G. Theory of state and moisture transfer in building materials and heat-shielding properties of enclosing structures of buildings. Doctor diss. (Engineering). Moscow. 2000. 396 p. (In Russian).
3. Pastushkov P.P. On the problems of determining the thermal conductivity of building materials. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2019. No. 4, pp. 28-31. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-57-63 (In Russian).
4. Kupriyanov V.N., YUzmuhametov A.M., Safin I.SH. The effect of moisture on the thermal conductivity of wall materials. State of the matter. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universite-ta. 2017. No. 1 (39), pp. 102-110. (In Russian).
5. Kiselyov I.YA. Influence of the equilibrium sorption moisture of building materials on the heat transfer resistance of external building envelopes. Zhilishchnoye stroitel'stvo. 2013. No. 6, pp. 39-40. (In Russian).
6. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. Determination of the calculated moisture content of building materials. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2015. No. 8, pp. 28-33. (In Russian).
7. Gagarin V.G., Pastushkov P.P., Reutova N.A. On the question of the appointment of the calculated moisture of building materials for sorption isotherm. Stroitel'stvo i rekonstrukcija. 2015. No. 4 (60), pp. 152-155. (In Russian).
8. Gagarin V.G., Mekhnetsov I.A., Ivakina Yu.Yu. Water vapor sorption by materials of heat-insulating plates manufactured by URSA EURASIA. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 10, pp. 41-50. (In Russian).
9. Kiselev I.YA. Improving the accuracy of determining the thermophysical properties of insulating building materials with regard to their structure and characteristics of operational impacts. Doctor diss. (Engineering). Moscow. 2006. 366 p. (In Russian).
10. Gagarin V.G. On the modification of the t-method for determining the specific surface of macro- and meso-porous adsorbents. Zhurnal fizicheskoy khimii. 1985. Vol. 59. No. 5, pp. 1838-1839. (In Russian).
j'^J ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2019
43
