CC BY
32
Влияние атмосферных воздействий на прочность и долговечность стеновых панелей «термодома»
В.П.Ярцев, О.А.Киселева, А.Е.Мишуков
В настоящее время в малоэтажном строительстве широко применяются панельные «термодома». По своим характеристикам они не уступают деревянным и каменным домам, а в чем-то и превосходят их. Такие дома пользуются повышенным спросом благодаря высокому архитектурному качеству, долговечности, экономичности в эксплуатации и небольшой стоимости. Стены и углы домов, собранных по этой технологии, идеально ровные и прямые.
Конструкционная теплоизоляционная сэндвич-панель состоит из двух ориентированных стружечных плит (ОСП), между которыми поддавлением приклеивается слойтвердо-го пенополистирола в качестве утеплителя. Максимальный размер панели 2,4 х 7,0 метра, а ихтолщина составляет от 120 до 224 мм. Такая панель обладает исключительными энергосберегающими свойствами и имеет высокую прочность. Теплофизические характеристики панелей определяются главным образом пенополистиролом, теплопроводность которого составляет 0,036-0,039 Вт/м°С.
Испытания проводились для климатических условий Центрального Черноземья.
В качестве объектов исследования были взяты стеновые теплоизоляционные панели, а также их составляющий компонент - плиты ОСП.
Образцы для испытаний выпиливались из разных участков панелей. При испытании натепловое старение образцы выдерживали в сушильном шкафу при температуре 80°С. После заданного времени прогрева их охлаждали до комнатной температуры и испытывали на прочность. При испытании на УФ-облучение использовали специальную камеру искусственного фотостарения [1]. Циклические испытания проводили при попеременном замачивании-высушивании и замораживании-оттаивании. Один цикл замораживания-оттаивания включает в себя замачивание в течение 45 минут в воде при температуре 20±2°С, замораживание в течение 2 часов в морозильной камере при температуре -15 °С, оттаивание с последующим высушиванием в течение 2 часов при температуре 40°С . Цикл замачивания-высушивания состоит из замачивания в течение 45 минут в воде при температуре 20°С и высушивания притехжеусловияхи продолжительности. После заданного количества циклов образцы испытывались на прочность. Для определения скорости водопоглощения и набухания образцы пенополистирола и ОСП выдерживали в воде при постоянных температурах 20, 40 и 60°С. Через заданное количество времени фиксировали изменение их массы на электронных весах с точностью 0,01 г
и размеров с точностью +0,05 мм. После всех видов воздействий для каждого образца отслеживалось наличие участков отслоения пенополистирола от ОСП.
Испытания на прочность при поперечном изгибе и сжатии проводили после различных воздействий в режиме заданных постоянных напряжений и температур (в интервале от 20 до 60 °С) по следующей методике. Образцы термостатировали в течение часа, нагружали до определенной величины и фиксировали время от момента начала нагружения до разрушения образца (долговечность),фиксировали максимальную нагрузку, выдерживаемую материалом в режиме постоянной скорости нагружения.
Из полученных результатов видно, что климатические атмосферные воздействия (температура,УФ-облучение, влага) оказывают существенное влияние на работу элементов стеновой панели.
На рисунке 1 представлена зависимость прочности от времени теплового старения. Из рисунка видно, что после 100 часов воздействия в термокамере при t = 80°С прочность падает на 60%. Это снижение, очевидно, связано с тепловым разрушением пенополистирола и клеевой прослойки [2].
Для 50% образцов уже после 50 часов теплового старения наблюдалось частичное разрушение клеевого шва. Тепловое старение приводит к короблению пенопласта и изменению цвета клеевой прослойки. После 150 часов выдержки в термокамере прочность панели увеличивается и к 200 часам достигает первоначальной. Это повышение, по-видимому, связано сувеличением прочности ориентированно-стружечной плиты за счет доотверждения связующего, а также с переходом верхних граней пенопласта в пленочное состояние.
350
50 0
0 50 100 150 200 250
Количество часов
Рис. 1. Зависимость прочности от времени теплового старения
При действии УФ-облучения также наблюдается падение механических характеристик за счет старения пенопласта и клеевой прослойки, изменение цвета пенопласта. Потемнение пенопласта становится заметным уже после 50 часов. Клеевой шов также темнеет, но не разрушается, как при теплостарении [2].
Наиболее опасным атмосферным воздействием для комбинированной панели является длительное замачивание в воде и многократное замачивание-высушивание.
Для прогнозирования процесса водопоглощения и набухания во времени большое значение имеет величина скорости процесса, которая описывается уравнением (1):
, (1)
где щ - скорость набухания, %/с; \л/0 - предэкспонен-циальный множитель, %/с; £ - энергия активации, кДж/ моль;/?-универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); 7"- температура, К.
Величины констант, входящих в него, определяются методом графического дифференцирования и представлены в таблице 1.
Полученные данные позволяют прогнозировать работоспособность комбинированной панели в широком диапазоне нагрузок и температур [3].
Изменение прочности при непрерывном и циклическом замачивании показано на рисунке 2 [4].
Из рисунка видно, что после 80 циклов замачивания-высушивания прочность панели падает на 80% от первоначальной. При непрерывном воздействии воды втечение первых 5 часов наблюдается резкое падение прочности, которое составляет 65% от первоначальной. Затем процесс стабилизируется,
Таблица 1. Величины констант набухания
Вид материала Минимальная скорость водопоглощения 1д V Энергия активации Е
ОСП 2,5 1,4
300
о
О 20 40 60 80 100
Количество циклов/часов
-•-Циклическое воздействие -«-Непрерывное воздействие
Рис. 2. Влияние циклов замачивания-высушивания и непрерывного действия воды на прочность образцов комбинированной панели
и после 80 часов замачивания прочность составляет 60%. Падение прочности при действии непрерывного и циклического замачивания, очевидно, связано с действием воды на древесную стружку, которая в ОСП и панели воспринимает механическую нагрузку.
При циклическом замачивании большее падение прочности связано с нарушениями в клеевой прослойке между ОСП и пенополистиролом. Это подтверждается при визуальном осмотре образцов. При циклическом замачивании после 30 циклов наблюдалось частичное разрушение клеевой прослойки примерно у 20% образцов. При непрерывном замачивании целостность не нарушалась.
Для определения долговечности панели длительные механические испытания проводили на образцах пенополистиро-ла, ОСП и их склеенной комбинации. Из рисунка 3 видно, что для пенополистирола зависимость принимает вид параллельных прямых, что отличается от результатов, приведенных в [5], где аналогичная зависимость имеет вид «прямого пучка». Изменение вида зависимости, по-видимому, связано с нарушением структуры пенопласта при изготовлении.
а, кПа
♦ Т=20°С ■ Т=40°С Т=60'С
Рис. 3. Зависимость долговечности от напряжения для пенополистирола при поперечном изгибе
а, Мпа
♦ Т=20°С ■ Т=40°С Т=60°С ХТ=20°С
Рис. 4. Зависимость долговечности от напряжения для ОСП при поперечном изгибе
Рис. 5. Зависимость долговечности от напряжения Рис. 6. Зависимость долговечности от напряжения
для комбинированной панели на основе ориентированно- для комбинированной панели
стружечной плиты
Таблица 2. Величины констант для долговечности при поперечном изгибе
где т - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов), с; ио - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; у- структурно-механическая константа, кДж/(мольхМПа); Гт -предельная температура существования твердого тела (температура разложения); /?-универсальная газовая постоянная, кДж/(мольхК); г - время до разрушения (долговечность), с; сг- напряжение, МПа; Т-температура, К. Физические и эмпирические константы, входящие в эти уравнения, определяются графоаналитическим способом [7].
Величины констант, входящие в уравнения (2)-(4), определяются графоаналитическим способом и представлены в таблице 2.
Величина энергии активации комбинированной панели при поперечном изгибе близка целлюлозе. Данный факт свидетельствует о том, что именно древесный наполнитель воспринимает основную нагрузку, и зарождение в нем трещин приводит к полной потере несущей способности. Все материалы имеют большую величину константы т , что связано со сложностью строения конструкции и составляющих материалов. В результате увеличивается путь трещины. Для ОСП предельная температура существования соответствует температуре разложения карбомидо-формальдегидной смолы [8].
Для ориентированно-стружечной плиты зависимость долговечности от напряжения с ростом температуры переходит от «прямого» пучка к «обратному» (рис. 4).
Для комбинированной панели была получена зависимость в виде параллельных прямых (рис. 5), что, очевидно, связано с влиянием слабого среднего слоя, прочность которого в десятки раз ниже прочности ОСП [б].
При повышении температуры до 40°С долговечность панели существенно падает, что связано с увеличением деформативности отдельных слоев. Дальнейшее увеличение температуры до 60°С не приводит к изменению долговечности, поскольку работа плит определяется обшивками из ОСП.
Полученные зависимости долговечности описываются уравнениями [7]:
,(2)
для «прямого пучка» т = тш ехр
и ^
параллельных прямых т = т* ехр—ехр(-/?сг), (3)
кТ
и*, - у* а ( Т* } «обратного пучка» т = тш ехр ^— "г"- г
20 40 60
о, кПа
♦ Т=20°С ■ Т=40°С Т=60°С
20 40 60 80
а, МПа ♦ после воздействия
■ до воздействия
Наименование материала х (т ', х,), с т \ т ' >' Т , (Т' ) к т' ^ т' и0,(и, и') кДж/моль Уг (у) кДж/моль х МПа Р, 1/Мпа
Пенополистирол 10"О,8 - 62,83 - 48
ОСП-1 105'8 196 -27 7,1 -
ОС П - 2 10-0,4 364,9 435 3,354 -
Панель 10м - 207,69 - 0,2
Результаты исследования влияния замораживания-от-таивания на долговечность комбинированной панели представлены на рисунке б.
Исходя из полученных результатов, была определена поправка: А = 1,4а - 14,4 [9]. Аналогичным образом при расчете долговечности плиты можно учесть влияние и других климатических воздействий.
Выводы
Исследовано влияние старения на механические свойства комбинированной панели. Установлено, что снижение свойств вызвано старением пенополистирола и клеевой прослойки. Поэтому при эксплуатации панели на них необходимо наносить защитное покрытие.
Наиболее опасным для комбинированных панелей является действие циклического замораживания-оттаивания. Данный фактор сильнее сказывается на прочности, а не на долговечности. Определена поправка, позволяющая учитывать действие данного фактора на долговечность комбинированной панели.
Литература
1. Ярцев В.П. Прогнозирование работоспособности полимерных материалов в деталях и конструкциях зданий и сооружений. Тамбов, 2001.
2. Мишуков А.Е., Киселева O.A. Влияние внешних воздействий на прочность комбинированных панелей. Сборник материалов X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». Тула, 2009. С. 46-47.
3. Мишуков А.Е., Киселева O.A. Закономерности водопогло-щения и набухания комбинированных панелей на основе ОСП. Сборник научных статей. Выпуск 18. Тамбов, 2010. С. 104-106.
4. Мишуков А.Е., Киселева O.A. Влияние воды и старения на прочность комбинированных панелей. Эффективные строительные конструкции; теория и практика. Сборник статей IX Международной научно-технической конференции. Пенза, 2009. С. 84-86.
5. Андрианов К.А. Прогнозирование долговечности (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тамбов, 2002.
6. Киселева O.A., Мишуков А.Е. Закономерности разрушения комбинированных панелей на основе ОСП. Труды Тамбовского государственного технического университета. Сборник научных статей. Тамбов, 2010. С. 226-229.
7. РатнерС.Б.,Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М., «Химия», 1992.
8. Киселева O.A. Прогнозирование работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых композитов в строительных изделиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж, 2003.
9. Мишуков А.Е. Прогнозирование работоспособности комбинированных стеновых панелей с обшивкой из ОСП. Диссертация на соискание ученой степени магистра техники
и технологии. Тамбовский государственный технический университет. Тамбов, 2010.
Literatura
1. YartsevV.P. Prognozirovanierabotosposobnosti polimernykh materialov v detalyakh i konstruktsiyakh zdanii i sooruzhenii. Tambov, 2001.
2. MishukovA.E., Kiseleva O.A. Vliyanie vneshnikh vozdeistvii na prochnost' kornbinirovannykh panelei. Sbornik materialov X Mezhdunarodnoi nauchno-tekhm'cheskoi konferentsii «Aktual'nye problem stroitel'stva I stroitel'noi industrii». Tula, 2009, s. 46-47.
3. Mishukov A.E., Kiseleva O.A. Zakonomernosti vodo-pogloshcheniya i nabukhaniya kornbinirovannykh panelei na osnove OSP. Sbornik nauchnykh statei. Vypusk 18. Tambov, 2010, s. 104-106
4. Mishukov A.E., Kiseleva O.A. Vliyanie vody I stareniya na prochnost kornbinirovannykh panelei. Effektivnye stroitel'nye konstruktsii; teoriya i praktika. Sbornik statei IX Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsi. Penza, 2009, s. 84-86.
5. Andrianov K.A. Prognozirovanie dolgovechnosti (rabo-tosposobnosti) penopolistirola v ograzhdayushchikh konstruktsiyakh zdanii. Dissertatsiya nasoiskanie uchenoi stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk. Tambov, 2002.
6. Kiseleva O.A., MishukovA.E. Zakonomernosti razrusheniya kornbinirovannykh panelei na osnove OSP. Trudy Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tambov, 2010, s. 226-229.
7. RatnerS. В., YartsevV.P. Fizicheskaya mekhanika plastmass. Как prognoziruyutrabotosposobnosf? Moscow,«Chinia», 1992.
8. Kiseleva O.A. Prognozirovaniye rabotosposobnosti drevesnostruzhechnykh i drevesnovoloknistykh kompozitov v stroitel'nykh izdeliyakh. Voronezh, 2003.
9. Mishukov A.E. Prognozirovanie rabotosposobnosti kornbinirovannykh stenovykh panelei s obshivkoi iz OSP. Dissertatsiya na soiskanie uchenoi stepeni magistra tekhniki i tekhnologii. Tambov, 2010.
Influence of Atmospheric Forcing on Strength and
Longevity of Wall Panels of «Thermo-house».
By V.P.Yartsev, O.A.Kisileva, A.E.Mishuhov
Influence of external actions (temperature, ultraviolet irradiation, cyclic and continuous action of water) on strength of composite wall-panels with envelope made of OSB is studied. Constants which allow to forecast longevity of composite panels and their water absorption rate are disclosed. Influence of cyclic freeze-defrosting on longevity of composite panel is ascertained.
Ключевые слова: прочность, долговечность, водопогло-щение, замораживание, оттаивание, термофлуктуационная концепция, панели, ОСП.
Key words: strength, longevity, water absorption, freezing, defrosting, therm of luctuation concept, panels, OSB.
