Тепловое старение полимерсодержащих теплоизоляционных материалов в наружных стенах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 697.132

ЭО! 10.24411/2686-7818-2020-10022

ТЕПЛОВОЕ СТАРЕНИЕ ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В НАРУЖНЫХ СТЕНАХ*

© 2020 В.Н. Куприянов, А.И. Иванцов**

Долговечность стеновых материалов оценивается, как правило, по циклам морозостойкости используемых материалов (кирпич, бетон и т.п.). В наружных слоях современных ограждающих конструкций, располагаются, как правило, упругие полимерсодержащие теплоизоляционные материалы, для которых попеременное замораживание и оттаивание влаги не приводит к их механи -ческому разрушению. В связи с этим, морозостойкость подобных материалов не является определяющим фактором при оценке долговечности наружных стен.

Вместе с тем известно, что полимерные материалы подвержены тепловому старению, в результате которого может происходить снижение их теплозащиты. Таким образом, определяющим фактором при оценке долговечности наружных стен с полимерсодержащими теплоизоляционными материалами должно стать их тепловое старение.

В статье приведены результаты исследования температурного режима эксплуатации пенополис-тирола и минеральной ваты на полимерном связующем. Показано, что наружные слои теплоизоляционных материалов значительную часть года находятся при повышенных температурах. Моделирование установленного теплового воздействия в лабораторных условиях позволило получить закономерности увеличения коэффициентов теплопроводности исследованных материалов и разработать метод оценки срока службы наружных стен по потере требуемой теплозащиты.

Ключевые слова: долговечность, ограждающие конструкции, полимерные материалы, тепловое старение, режим эксплуатации.

Актуальность. Традиционно, долговечность ограждающих конструкций оценивается по морозостойкости материалов, из которых они выполнены. Для каменных конструкций, у которых в зоне промерзания находятся пористые материалы с твердым скелетом, данное обстоятельство вполне закономерно , так как для таких материалов поперемен -ное замораживание и оттаивание во влажном состоянии в эксплуатационных условиях является определяющим воздействием, приводящим к их разрушению [1-5].

В современных многослойных ограждающих конструкциях в зоне промерзания располагаются, как правило, легкие упругие высокопористые или волокнистые теплоизоляционные материалы. Для таких материалов морозостойкость не может являться определяющим параметром, поскольку они не подвержены разрушению при попеременном замораживании и оттаивании при эксплуатационных воздействиях. Наибольшее распространение в качестве теплоизоляционных материалов получили материалы на по-

* Работа представлена в качестве доклада на X! Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН « Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов » Почетно -го члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).

** Куприянов Валерий Николаевич (kuprivan@kgasu.ru) - Заслуженный работник высшей школы РФ, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор; Иванцов Алексей Игоревич (ivantsov.arch@mail.ru) кандидат технических наук; оба - Казанский государственный архитектурно-строительный университет (РФ, Казань).

t)

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

лимерной основе: пенопласты различного вида, материалы из минеральных волокон на синтетических связующих и пр. Известно, что полимерные материалы весьма чувствительны к повышенным температурам, то есть подвержены тепловому старению, в результате которого может происходить разрушение их структуры и как следствие снижение теплозащитных качеств теплоизоляционных материалов [6-10]. Таким образом, определяющим фактором при оценке долговечности наружных стен с полимерсодержащими теплоизоляционными материалами должно стать их тепловое старение.

Субъективной оценкой срока службы каменных ограждающих конструкций по критерию морозостойкости является количество переходов через 0 °С в течение года, т.е. осенней-весенний период эксплуатации.

Для оценки срока службы полимерсодер-жащего материала большее значение приобретает летний режим эксплуатации конструкции при высоких температурах и воздействие солнечной радиации на протяжении года: степень поглощения облицовочным материалом солнечной радиации, ориентации поверхности ограждающей конструкции по отношению к солнечным лучам и пр.

В этой связи, оценка температурного режима теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях является весьма актуальной задачей для прогнозирования срока их эксплуатации.

Результаты натурного исследования. Для оценки годового температурного режима теплоизоляционного материала в составе многослойной ограждающей конструкции был проведен натурный эксперимент на разработанном стенде на протяжении двух лет эксплуатации в условиях г. Казани.

Натурный испытательный стенд представляет собой кирпичный простенок существующего здания, утепленный по системе «мокрый фасад» с использованием двух видов полимерсодержащих утеплителей: пено-полистиролаи каменной минеральной ваты. Система «мокрого фасада» с тонким слоем облицовочной штукатурки (6 мм) выбрана с

целью наиболее точной оценки температурного режима теплоизоляционного слоя без значительного влияния облицовочного слоя. В качестве основных показателей эксплуатационного воздействия на материальные слои многослойного ограждения на данном испытательном стенде непрерывно в течение двух лет регистрируются распределения температуры и относительной влажности воздуха в порах материалов по сечению стены, а также внешнее воздействие климата в виде колебаний температуры и относительной влажности наружного воздуха, суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхность ограждающей конструкции, облачность.

Некоторые результаты исследования представлены ниже в виде графиков на рис. 1-3.

На рисунке 1 представлены графики распределения максимальной суточной температуры по сечению натурного стенда для пенополистирола и минеральной ваты и средняя суточная температура наружного воздуха на протяжении года. Как можно видеть, в зависимости от расположения сечения теплоизоляционного материала по отношению к наружной поверхности максимальная суточная температура изменяется в широком диапазоне. На поверхности ограждающей конструкции вне зависимости от типа теплоизоляционного материала максимальные температуры достигают 60-70 C с февраля по октябрь. Причем, стоит отметить, что пониженные максимальные температуры в ноябре-январе в данном случае связаны с особенностями расположения натурного стенда и в частности не возможности его облучения солнечной радиацией в этот период в должной степени из-за затенения противостоящими зданиями. Величина максимальной температуры на поверхности стенда точно коррелирует с временем солнечного сияния и интенсивностью солнечного облучения.

За счет значительного сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя (до 3,75 м2- С/ Вт при 15 см толщины) величина максимальной температуры по его тол-

щине падает, достигая минимума на границе утеплителя и конструкционного слоя (15 см от поверхности). При этом, как видно из графика в этом сечении максимальные температуры практически не изменяются на протяжении всего года, оставаясь на уровне 20 С.

В целом, важно отметить, что максимальные суточные температуры практически на протяжении года эксплуатации для всех сечений теплоизоляционного слоя превышают 0 С.

На рисунке 2 представлено распределение температур по сечениям теплоизоляционных слоев в характерный день года (в данном случае 28 февраля). Можно видеть, что в полдень температура поверхности ограждающей конструкции поднимается до 50 С за счет облучения солнечной радиацией, что ведет к повышению температур по всей толщине теплоизоляционного слоя. Стоит отметить, что такое повышение температур в материале наблюдается при температуре наружного воздуха около 0 С. В летнее время, данные температуры могут носить большее значение - 60-70 С (рис. 1).

На рисунке Зпредставлены графики распределения средней суточной температуры по сечению натурного стенда для пенополи-стирола и минеральной ваты и средняя суточная температура наружного воздуха на протяжении года. Распределение средних суточных температур по сечениям теплоизоляционных материалов натурного стенда в большей степени коррелирует со среднесуточными температурами наружного воздуха. Незначительное влияние на средние температуры от воздействия солнечной радиации в данном случае снова отражается в конструкции натурного стенда. Поверхность стенда была ориентирована четко на юг, что вызывает значительное повышение температуры поверхности стенда под воздействием солнечной радиации (рис. 1), однако в связи с плотной застройкой продолжительность облучения не была максимально возможной. Однако данное обстоятельство, в том числе можно считать приближающим натурные испытания к реальным условиям городской застройки. Тем не менее, даже в условиях плотной городской застройки,

Максимальная температура поверхности

Макс, температура в 2.5 см от поверхности

100

о*0

°.60 а

й:

1° -20

-40

1

1 ♦Л 1*. * *• н»*» А**

Г-- 1 • *

* •• • • ■ • * * * * * • •

* ♦

4

ЯФМАМИИА С О Н Д Месяцы года

Макс, температура в 5 см от поверхности

100 80

О

°.60

53

И %20

10 -20

• 9* * V- ц -41 4

»V! •• > Л* • * '-Ц * • V

ж *

Я Ф М А М И И А С О Н Д

Месяцы года • - пенополистирол • - минеральная вата

100

О80

0.60 с

&40 -20

■V. 41 а • ■ А •

• • • * Г - А •

А. к ¿1 * К V

Т1г

Я Ф М А М И И А С О Н Д Месяцы года

Макс, температура в 15 см от поверхности

100

г 80

И И

1° -20

ж-— ЙГ ■

Я Ф М А М И И А С О Н Д Месяцы года - средняя температура наружного воздуха

Рис. 1. Максимальная температура в сечениях теплоизоляционных материалов натурного стенда

fl

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

Рис. 2. Максимальная температура в сечениях теплоизоляционных материалов натурного стенда

средняя температура поверхности огражда- изменяются в пределах 10-25 С. Для проме-ющей конструкции на протяжении года на 5- жуточных сечений (2,5 и 5,0 см) средние тем-10 С выше среднесуточной температуры пературы превышают температуры наружно-наружного воздуха. го воздуха на 5-10 С в зависимости от вре-Влияние воздействия солнечной радиа- мени года. Важно отметить, что средние тем-ции на средние температуры по сечениям пературы эксплуатации по всем сечениям теплоизоляционных материалов уменьшает- теплоизоляционных материалов находятся ся пропорционально толщине этого слоя, продолжительное время выше 0 С. достигая минимума к границе теплоизоля- Данное обстоятельство, позволяет под-ционного и конструкционного слоя (15 см от твердить высказанное предположение о неповерхности для представленного натурно- обходимости учета теплового старения по-го стенда). В данном сечении средние тем- лимерсодержащих материалов при оценке пературы на протяжении года эксплуатации их долговечности.

Средняя температура поверхности

Средняя температура в 2.5 см от поверхности

и

« g

I

40 30 20 10 0 -10 -20 -30

Я Ф M A M И И А С О H Д Месяцы года

40

г 30 о

о

| ю

в „

-20 -30

at*

• a* et 4 • a

Л & M r 4 . vv

'». LfS I3& $

Я Ф М А М И И А С О Н Д Месяцы года

О

о

s

|

а,

с

Средняя температура к 5 см от поверхности Средняя температура в 15 см от поверхности

40

0 30

о

«

| 10

1 «

Я Ф M A M И И А С О H Д Месяцы года

5 -10 20 -30

$-20

я? * к

N J* > «Лгу

w к

si

5>* 4 s **

X

Я Ф М А М И И А С О Н Д

Месяцы года

- пенополистирол * - минеральная вата - средняя температура наружного воздуха

Рис. 3. Средняя температура в сечениях теплоизоляционных материалов натурного стенда

Рис. 4. Увеличение коэффициентов теплопроводности материалов в процессе теплового старения

(при температуре 50 °С (323,15 К)

Результаты лабораторного исследования. Для оценки снижения теплозащитных свойств применяемых в натурном стенде утеплителей были проведены лабораторные испытания данных материалов в изотермических условиях (50 С). Испытания проводились с использованием сушильного шкафа Бпо! 58/350, способного поддерживать постоянную (±2 °С) температуру по всему объему в интервале 50-300 °С. Для проведения испытаний было отобрано по три образца каждого материала размерами 150Ч150Ч20 (25) мм. Размеры образцов были определены возможностью измерения коэффициента теплопроводности на имеющемся оборудовании. Теплопроводность образцов измерялась каждые 15 суток с использованием прибора ИТС-1.

Полученные значения коэффициентов теплопроводности, усредненные по трем образцам, нанесены на графики в зависимости от продолжительности испытаний (рис. 4). Продолжительность испытаний представлена на графиках в размерности года, для определения показателя долговечности материалов в соответствующих размерностях (Вт/м-°Стод).

Как можно видеть по результатам графиков, при продолжительном экспонировании образцов теплоизоляционных материалов на полимерной основе при повышенных температурах теплопроводность материалов растет, а значит уменьшается общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции. Данное обстоятельство приводит

к выводу о необходимости учета теплового старения полимерных материалов в составе современных ограждающих конструкций.

Библиографический список

1. Гуров Н.Г. Пути повышения морозостойкости кирпича полусухого прессования / Н.Г. Гуров, А.А. Наумов, Н.Н. Иванов // Строительные материалы. - 2012. - № 3. - С. 40-42.

2. Захаров Д.Е. Исследование добавок, увеличивающих морозостойкость керамического кирпича / Д.Е. Захаров, А.И. Аксенов, В.В. Нико-лаенко//Наука через призму времени. - 2017. -№ 3(3). - С. 13-19.

3. Боровков А.В. Конструктивные решения и анализ работы наружных каменных стен железобетонных зданий в условиях Северо-кавказского региона / А.В. Боровков, М.Ю. Згонникова // В сборнике: Кавказский диалог. Материалы X международной научно-практической конференции. - 2019.- С. 63-69.

4. Ананьев А.И. Долговечность, влажност-ный режим и теплозащитные свойства наружных стен зданий из пустотелого кирпича // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. - 2018. - № 3. - С. 70-73.

5. Степанова В.Ф. Исследование морозостойкости бетона с целью уточнения методов определения его морозостойкости/морозосоле-стойкости / В.Ф. Степанова, Н.К. Розенталь, Г.В. Чехний, И.М. Паршина //Вестник НИЦ Строительство. - 2020. - №1(24). - С. 108-117.

6. Иванцов А.И. Исследование старения теплоизоляционных материалов наружных стен под воздействием повышенных температур // Образование. Архитектура. Строительство: Материалы Всероссийской научно-практической конфе-

ренции по специальности «Проектирование зданий». - 2016. - С. 157-160.

7. Гуюмджян П.П. Исследование долговечности пенополистирола строительного назначения / П.П. Гуюмджян, С.В. Коканин, С.В. Цыба-кин // Вестник МГСУ. - 2012. - №1. - С. 88-93.

8. Гуюмджян П.П. Исследование теплофизи-ческих свойств пенополистирола при его старении / П.П. Гуюмджян, С.В. Коканин, А.А. Пискунов // Строительство и реконструкция. - 2011. -№2. - С. 69-76.

9. Ярцев В.П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов, С.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. - 2013. -№ 1. - С. 8-11.

10. Иванов Д.В. Определение долговечности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд / Д.В. Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // ACADEMIA. Архитектура и строительство. - 2010. - №3. - С. 639-943.

Поступила в редакцию 28.04.2020 г.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

THERMAL AGING OF POLYMER-CONTAINING THERMAL INSULATION MATERIALS IN EXTERIOR WALLS

© 2020 V.N. Kupriyanov, A.I. Ivantsov*

The longevity of wall materials is evaluated, as a rule, by the frost resistance cycles of the materials (brick, concrete, etc.). As a rule, resilient polymer-containing heat-insulating materials are located in the outer layers of modern building envelopes. For this materials alternate freezing and thawing of moisture does not lead to their mechanical destruction. In this regard, frost resistance of such materials is not a determining factor in assessing the durability of external walls.

However, it is known that polymeric materials are subject to thermal aging, which may result in a decrease in their thermal protection. Thus, the determining factor in assessing the durability of external walls with polymer-containing heat-insulating materials should be their thermal aging. The article presents the results of a study of the temperature regime of operation of expanded polystyrene and mineral wool on a polymer binder. It has been shown that the outer layers of thermal insulation materials are located at elevated temperatures for a significant part of the year. Modeling the established thermal effect in laboratory conditions allowed us to obtain patterns of increasing thermal conductivity coefficients of the studied materials and to develop a method for assessing the service life of external walls by the loss of the required thermal protection.

Keywords: longevity, building envelopes, polymeric materials, thermal aging, mode of operation.

Received for publication on 28.04.2020

* Kupriyanov Valeriy Nikolaevich - Honored Worker of Science of the Russian Federation, Corresponding member of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences, Doctor of Sciences, Professor; Ivantsov Aleksey Igorevich - Candidate of Sciences; Kazan State University of Architecture and Engineering (Kazan, Russia).