CC BY
0БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ
SAFETY OF FACILITIES
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL ARTICLE УДК 614.841.
DOI 10.25257/FE.2024.3.131-141
© А. А МУМИНИЕН1, Ю. К. НАГАНОВСКИИ2,\В. М. РОИТМАН Б. Б. СЕРКОВ1, А. Б. СИВЕНКОВ2, И. О. ФЕДОТОВ1
1 Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
2 ВНИИПО МЧС России, Балашиха, Россия
Влияние длительного естественного старения теплоизоляционных минераловатных материалов на физико-химические и термические превращения
АННОТАЦИЯ
Тема. В статье изучены физико-химические и термические превращения минераловатной теплоизоляции естественного старения. Объектом исследования являются теплоизоляционные материалы естественного старения, а предметом исследования -их физико-химические и термические характеристики.
Целью работы стало установление физико-химических и термических превращений минеральной теплоизоляции естественного старения. Исследования направлены на выявление особенностей физико-химических и термических превращений теплоизоляции на основе минеральных волокон и органических связующих в процессе старения.
Методы. В работе использован комплекс прецизионных физико-химических методов: рентгенофазовый анализ (РФА), ИК-спектроскопия и методы термического анализа (ТГ, ДТГ, ДСК).
Результаты. По результатам исследований минеральной теплоизоляции (срок эксплуатации 60 лет) выявлены характерные изменения в структуре материала. Методом РФА установлено, что процесс старения минераловатных материалов обусловлен возникновением микродефектов и нарушением структурной организации волокон материала. Изменения фазового состояния теплоизоляции имеют характер теплофлуктуационной кинетической природы механического разрушения материала.
Методом ИК-спектроскопии идентифицированы изменения в областях характеристических полос поглощения: 2 800-2 200, 2 000-1 600 и 1 295-1005 см-1, обусловленные
химической деструкцией органического связующего в составе минеральной теплоизоляции. Установлен характер термических превращений материала, выявлена тенденция снижения пороговых температур начала потери массы, обусловленная деструкцией полимерного связующего. Отмечается, что в результате естественного старения возможна потеря огнестойкости теплоизоляционных систем, а также повышение интенсивности тлеющего горения теплоизоляции.
Область применения результатов. Результаты представляют интерес для строителей, проектировщиков, инженеров пожарной безопасности, и могут быть использованы в нормативно-технической и справочной литературе по пожарной безопасности.
Выводы. В процессе старения в структуре теплоизоляции происходят необратимые физико-химические изменения, приводящие к утрате термической стабильности материала и возможному повышению интенсивности скрытого тлеющего горения. Технический износ материала приводит к снижению пределов огнестойкости различных теплоизоляционных систем по потере теплоизолирующей способности и целостности.
Ключевые слова: теплоизоляция, долговечность, старение, ИК-спектроскопия, структура, волокно, термический анализ, тление, огнестойкость
© A.A. MUMINIYON\ Yu.K. NAGANOVSKY2, \V.M. ROITMAN, B.B. SERKOV1, A.B. SIVENKOV2, I.O. FEDOTOV1
1 State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
2 All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russiа, Balashikha, Russia
Impact of long-term natural ageing of heat-insulating mineral wool materials on physicochemical and thermal transformations
ABSTRACT
Purpose. The article studies physico-chemical and thermal transformations of mineral wool thermal insulation of natural ageing. The subject of the study is thermal insulation materials of natural ageing, and the object of the study is their physicochemical and thermal characteristics.
The aim of the work is to establish physicochemical and thermal transformations of mineral thermal insulation of
natural ageing. The research is aimed at identifying features of physico-chemical and thermal transformations of thermal insulation based on mineral fibers and organic binders in the ageing process.
Methods. A set of precision physicochemical methods such as X-ray phase analysis (XRF), infrared spectroscopy and thermal analysis methods (TG, DTG, DSC) was used.
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 3
Findings. The results of studying mineral thermal insulation (service life of 60 years) revealed characteristic changes in the structure of the material. The XRF method established that the ageing process of mineral wool materials is caused by occurring microdefects and disruption of material fibers structure organization. Changes in thermal insulation phase state have thermal fluctuation of kinetic nature of material mechanical destruction.
The IR spectroscopy method identified changes in the areas of characteristic absorption bands: 2 800-2 200, 2 000-1 600 and 1 295-1 005 cm-1 caused by chemical destruction of organic binder in mineral thermal insulation. The nature of thermal transformations of the material was established, a tendency towards a decrease in the threshold temperatures for mass loss start due to destructing polymer binder was revealed. It is noted that natural ageing may result in loss of fire resistance of thermal insulation systems, as well as in intensificating smoldering combustion of thermal insulation.
Research application field. The results are of interest to builders, designers, fire safety engineers and can be used in regulatory and technical as well as in reference literature on fire safety.
Conclusions. During the ageing process irreversible physical and chemical changes occur in the structure of thermal insulation, leading to loss of thermal stability of the material and to a possible increase in the intensity of latent smoldering combustion. Technical obsolescence of the material leads to decreasing fire resistance limits of various thermal insulation systems due to loss of thermal insulation capacity and integrity.
Key words: thermal insulation, durability, aging, IR spectroscopy, structure, fiber, thermal analysis, smoldering, fire resistance
ВВЕДЕНИЕ
Теплоизоляционные минераловатные материалы являются одним из основных видов теплоизоляции, применяемых в сфере строительства для зданий и сооружений различного функционального назначения. Востребованность данных материалов обусловлена повышенными теплоизоляционными свойствами, устойчивостью к воздействию высоких температур (пожара), а также долговечностью. Ещё в советский период доля утеплителей на минеральной основе составляла не менее 50 % от общего количества применяемых теплоизоляционных материалов в строительстве [1]. Поэтому можно свидетельствовать о достаточно большом количестве объектов с теплоизоляционными минераловатными системами, имеющими срок эксплуатации несколько десятков лет.
В настоящее время в России и за рубежом отмечается возрастающая тенденция применения теплоизоляции на минеральной основе в строительной индустрии. Современные теплоизоляционные минераловатные материалы имеют достаточно большой ассортимент и выпускаются в виде ваты, плит, матов, войлока, цилиндров, полуцилиндров и сегментов. Утеплитель на минеральной основе находит широкое применение для теплоизоляции конструкций стен, пола, кровли [2, 3].
В составе строительных конструкций и фасадных систем в большинстве случаев предпочтение отдается минеральным плитам, поскольку они обладают хорошей сопротивляемостью к воздействию пожара и механическим нагрузкам, а также соответствующей формоустойчивостью [3]. Кроме этого, негорючие теплоизоляционные материалы имеют широкую популярность в строительстве в качестве конструктивной огнезащиты для обеспечения огнестойкости строительных конструкций.
Относительная устойчивость минеральных утеплителей к механическим нагрузкам и их фор-моустойчивость достигаются путём добавления в состав материала в процессе производства связующих веществ, в основном синтетических смол, а также гидрофобизирующих и биоцидных добавок. Связующие вещества в составе минера-ловатных утеплителей, как правило, составляют от 2 до 12 % массы в зависимости от плотности материала. В совокупности толщина, длина волокон и процентное содержание связующих компонентов определяют плотность, теплофизические характеристики и долговечность материала [4, 5].
Теплоизоляционные материалы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию внешних факторов, таких как циклическое изменение температуры и влажности воздуха, состав воздуха, механические деформации, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик, потере прочности и гидрофобных свойств материала. Например, известно, что при многократном цикле «заморозка-оттаивание» для минеральной ваты происходит частичное разрушение структуры материала, изменяется плотность и теплопроводность, что способствует изменению теплоизоляционных характеристик материала. Результаты ранее проведённых исследований свидетельствуют о том, что толщина минераловатных плит за время эксплуатации может изменяться дважды: сначала имеет место набухание, затем - усадка. На первом этапе разрушается связующее, то есть замерзающая вода раздвигает минераловатные волокна и разрыхляет утеплитель, что вызывает увеличение толщины минераловатных плит и уменьшение коэффициента теплопроводности. На втором этапе происходит процесс незначительной усадки плит по толщине и увеличение их теплопроводности, что связано с разрушением уже не полимерного связующего, а самих минеральных волокон [6].
Исходя из особенностей структуры теплоизоляционных минераловатных материалов, можно предположить, что в случаях использования материала в условиях значительных перепадов температуры окружающей среды, во внутренней структуре создаются механические нагрузки за счёт линейного расширения волокон материала. Это явление характерно в большинстве случаев, когда волокна теплоизоляции связаны между собой полимерными связующими, вследствие чего происходит дестабилизация взаимного расположения волокон, характерное расширение и последующая усадка материала. В данном случае тепловое старение теплоизоляционных минераловатных материалов с органическим связующим приводит к повышению теплопроводности и уменьшению общего сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции [7].
Все вышеперечисленные изменения свойств и структуры теплоизоляционных минераловат-ных материалов в процессе их эксплуатации несомненно свидетельствуют о том, что в условиях технического износа свойства утеплителей могут значительно изменяться, что в свою очередь скажется на пределах огнестойкости конструктивных систем, имеющих в своём составе минеральную теплоизоляцию. Важным аспектом является то, что для теплоизоляционных материалов на минеральной основе, как для газопроницаемого материала, при воздействии высоких температур (пожара) дополнительная теплопередача может происходить за счёт воздухопроницаемости, а также теплопрозрачности к инфракрасному излучению [8]. В этой связи влияние особенностей структуры теплоизоляционных материалов (взаимное расположение и ориентация волокон) на теплоизолирующую способность является очевидным.
Основная концепция проводимых исследований связана с возможностью изменения в процессе продолжительной эксплуатации теплоизоляционных материалов их долговечности, в том числе и характеристик огнестойкости конструктивных систем, имеющих в своем составе минеральную теплоизоляцию. Об изменении физико-химических параметров данных материалов свидетельствуют многочисленные исследования в отношении мине-раловатной теплоизоляции длительного естественного и искусственного старения [9-14]. Анализ научных работ показывает, что процесс естественного старения теплоизоляционных материалов на минеральной основе связан с трансформацией волокнообразующей структуры материала, сдвиговыми деформационными эффектами волокон, а также деструкционными процессами органичес-
кого связующего. Установленные изменения приводят к нарушению формоустойчивости и целостности волокнообразующей структуры материала, что априори может сказаться на ключевых предельных состояниях огнестойкости строительных конструкций - потери теплоизолирующей способности и потери целостности. В данном аспекте, по нашему мнению, особенно важным является установление характерных качественных и количественных изменений в отношении теплоизоляционных материалов длительного естественного старения в различных условиях эксплуатации и влияние данного воздействия на устойчивость в условиях пожара. Настоящие исследования проведены в рамках важнейшего направления по оценке влияния длительного срока эксплуатации (технического износа) различных материалов и конструкций на особенности поведения их в условиях пожара. По данному вопросу в настоящее время достаточно полно проведены исследования только в отношении древесины и конструкций на её основе [15, 16].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Аля установления возможных физико-химических и термических изменений теплоизоляционных минераловатных материалов длительного естественного старения были задействованы методы рентгенофазового анализа (РФА, метод порошка), инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии) и методы термического анализа (ТГ, ДТГ, ДСК). В качестве образцов для исследования были выбраны элементы теплоизоляции из кинотеатра «Ударник» по адресу: г. Москва, ул. Серафимовича, д. 2 (период постройки 19271930 гг.).
Исследование минераловатной теплоизоляции длительного естественного старения показало, что внешний вид и структура материала в процессе эксплуатации имеют характерные изменения. Появляется ярко выраженное потемнение структурных волокон теплоизоляции, что обусловлено, по всей видимости, химической деструкцией органических связующих, а также физико-химическим загрязнением поверхностного слоя материала (рис. 1).
Наблюдаемые изменения в структуре теплоизоляции обусловлены дестабилизацией волок-нообразующей фактуры теплоизоляционного материала длительного естественного старения, которая выражается в деформационных сдвигах отдельных волокон или участков, приводящих к образованию характерных уплотнений или открытых сквозных участков в структуре материала.
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 3
б (b)
Рисунок 1. Внешний вид минераловатной теплоизоляции: а - образец минераловатной теплоизоляции без естественной выдержки (2023 г. выпуска); б - образец минераловатной теплоизоляции со сроком эксплуатации 60 лет
Figure 1. External design of mineral wool thermal insulation: a - sample of mineral wool thermal insulation
without natural ageing (produced in 2023) b - sample of mineral wool thermal insulation with a service life of 60 years
Для теплоизоляционного материала без естественной выдержки распределение волокон в теплоизоляционном объёме представляется более равномерным и ориентированным.
На рисунке 2 представлены контрастные снимки структуры минеральной теплоизоляции (увеличение Х70 раз) длительного естественного старения и образца без естественной выдержки.
Полученные фотоснимки демонстрируют появление в структуре теплоизоляционного материала в результате длительного естественного старения локальных сквозных участков и неплот-
а (a) б (b)
Рисунок 2. Структура образцов минеральной теплоизоляции (увеличение Х70): а - образец минеральной теплоизоляции без естественной выдержки (2023 г. выпуска); б - образец минеральной теплоизоляции со сроком эксплуатации 60 лет Figure 2. Structure of mineral thermal insulation samples (magnification X70): a - sample of mineral thermal insulation without natural ageing (produced in 2023); b - sample of mineral thermal insulation with a service life of 60 years
ностей (затемнённые области, рис. 2), уменьшение рабочей толщины теплоизоляции, оказывающих влияние на характеристики теплопроводности материала. Подобные изменения также были обнаружены в работе [6], в которой установлено, что в результате циклического замораживания-оттаивания и фильтрации воздуха теплопроводность минеральных плит плотностью 74 кг/м3 может увеличиться в 2,8 раза, а плит плотностью 156 кг/м3 - в 1,9 раза. Действительно, это может привести к значительному понижению термического сопротивления слоя утеплителя и снижению надежности подсистемы «несущая часть стены -утеплитель». Кроме этого, при значительном увеличении волокнообразующей структуры материала можно наблюдать микродефекты и трещины на поверхности волокон теплоизоляции, которые приводят к дестабилизации структурной фактуры материала. Подобные эффекты были описаны в ранее проведённых исследованиях других авторов с использованием методов электронной микроскопии [13].
Следствием нарушения структуры тепло -изоляции и деструкции органического связующего под воздействием условий окружающей среды возможно нарушение целостности, формоустой-чивости минераловатных плит и, как следствие, частичная потеря теплоизолирующей способности материала (конструкции), являющейся основным предельным состоянием по огнестойкости строительных конструкций. В большей степени дестабилизация в структуре материала происходит вследствие возникновения напряжений на границе системы «волокно-связующее», образования микротрещин волокон и деструкции связующих смол. Ускорение этих деструктивных процессов происходит под действием нагрузки и при динамичном изменении температурно-влажностных условий эксплуатации теплоизоляционного материала. Также для образцов длительного естественного старения идентифицируются следы запылённости структуры теплоизоляционного материала, что фактически является результатом его воздухопроницаемости.
Отдельно необходимо отметить большую роль в части ускорения процесса старения теплоизоляционного материала химической и тепловой видов деструкции, интенсивность которых определяется соответствующими условиями и продолжительностью эксплуатации материалов. В этом плане значительное влияние на особенности протекания процесса старения теплоизоляции оказывает влажность материала, а также температура окружающей среды. Так, по нашему мнению, климатические условия во многом способствуют протеканию
а ( a )
теплофлуктуационного механизма механического разрушения теплоизоляционных материалов в условиях естественного теплового старения, который характеризуется кинетическим нарастанием дефектов в структуре материала.
Результаты исследования методом РФА для образцов минеральной ваты без естественной выдержки и со сроком эксплуатации 60 лет представлены на рисунке 3.
По результатам исследования можно выявить область характерных дифракционных изменений. Дифракционная картина для образца теплоизоляции 2023 года выпуска и образца теплоизоляции естественного старения (срок эксплуатации 60 лет, внутри здания) в интервалах от 15 до 35 и интенсивности от 300 до 700 имеют видимые расхождения (рис. 3, кривые 1 и 2). Эти дифракционные изменения, по всей видимости, объясняются с точки зрения возникновения микродефектов волокон и нарушением их пространственной ориентации. Полученные данные могут свидетельствовать о возникновении обширных участков или областей в структуре материала, что приведёт к потере целостности материала и его теплоизолирующей способности.
Очевидно, что совокупность физико-химических изменений в теплоизоляционном материале в результате длительного естественного старения обусловлена совместными преобразованиями неорганической и органической части теплоизоляции, которые подчиняются основным физическим закономерностям кинетической концепции термомеханической деструкции материалов [17, 18]:
т = т0 ехр
U RT
= т0 ехр
RT
1—I—I—I—I—I I I I I I I I I I
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 29
Рисунок 3. Дифракционная картина для образцов минеральной ваты: 1 - минеральное волокно (2023 г. выпуска); 2 - минеральное волокно (кинотеатр «Ударник»,
срок эксплуатации более 60 лет) Figure 3. Diffraction pattern for mineral wool samples: 1 - mineral fiber (produced in 2023); 2 - mineral fiber (cinema "Udarnik", service life over 60 years)
где т - долговечность, с; т0 - период колебания атомов в твёрдом теле, с; Ц - эффективная энергия активации разрушения, кДж/моль; у - структурно-чувствительная константа, кДж/(моль-МПа); Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); о - напряжение, МПа; Т - температура, К.
В основе данной теории лежит рассмотрение проблемы долговечности материалов с учётом теплофлуктуационной природы потери прочности материалов в результате кинетического нарастания дефектов в структуре материала до критической величины. Основное отличие кинетической концепции разрушения и прочности твёрдых тел от статической состоит, прежде всего, в том, что долговечность тела одинаковым образом определяется как напряжением, так и температурой тела. Непосредственным разрушающим фактором для твёрдых тел являются тепловые флуктуации. Энергия разрушения тела появляется в значительной мере из запаса тепловой энергии тела, а не только из работы внешних сил [19, 20].
При рассмотрении закономерностей термомеханических деструкций материала необходимо отметить весомый вклад нагрузки в разрушение структурных связей, который выражается величиной уо (работа механического поля), а также теплового движения, доля которого составляет и = Ц0-уо. Определяющей характеристикой при этом является тепловая нагрузка (температура), повышение величины и продолжительности воздействия которой приводит к ускорению процесса деструкции материала.
Методом ИК-спектроскопии с помощью инфракрасного спектрофотометра с преобразованием Фурье ¡ЯА^НтТу^ фирмы БЫшаСт (спектральное разрешение - 4 см-1), в диапазоне 400-4 000 см-1 на порошках, спрессованных в таблетки с КВг, были изучены физико-химические изменения теплоизоляционных материалов (рис. 4, 5).
Анализ полученных ИК-спектров позволяет идентифицировать характерные изменения для следующих интервалов волновых чисел [21]:
- 2 800-2 200 см-1 - валентные колебания гидроксильной группы;
- 2 000-1 600 см-1 - все ароматические соединения имеют группу слабых полос, число и положение которых определяются типом замещения бензольного кольца;
- 1 295-1 005 см-1 - плоскостные деформационные колебания С-Н связей 1,2-, 1,4-, 1,2,4-замещённых.
2 000 —
1 000 —
0 —
0
ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2024. № 3
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 3
Рисунок 5. ИК-спектр минеральной ваты (кинотеатр «Ударник», срок эксплуатации более 60 лет)) Figure 5. IR spectrum of mineral wool (cinema "Udarnik", service life over 60 years)
Полученные результаты спектрометрической идентификации свидетельствуют о наличии следов гидролизной деструкции полимерных смол в условиях длительного естественного старения, что приводит к частичной или полной потере эксплуатационных характеристик органических смол. Утрата функциональных качеств органических связующих способствует протеканию сдвиговых деформаций минеральных волокон теплоизоля-
ционного материала и приводит к дезорганизации структуры материала в целом.
Изучение особенностей термических превращений было проведено в отношении образца минеральной теплоизоляции со сроком естественной выдержки 60 лет. Сравнение проводилось с результатами термического анализа для минеральной ваты без естественной выдержки [22]. Так, на основании кривых ТГА в атмосфере азота для образца
минеральной ваты без естественней выдержки определены двухстадийные реакции. Количество остаточного процента для образца составило 95 %. Температура начала реакции (T0) варьировалась между 242 °C и 260 °C. Пик первой стадии реакции установлен между 295 °C и 335 °C, что соответствует дегидратации и реакции полимерного связующего. Пик второй стадии находится между 745 °C и 775 °C. Вторая стадия свидетельствует об активных пиролитических реакциях, происходящих в материале. Необходимо отметить, что установленные характерные участки термического разложения минеральной теплоизоляции находят отражение и при оценке термогравиметрических особенностей различных композиционных материалов [23].
Результаты термического анализа образца минеральной теплоизоляции со сроком эксплуатации 60 лет свидетельствуют о воспроизведении участков процесса пиролиза, характерных для образца теплоизоляции без естественной выдержки (рис. 6).
В токе азот-воздух для образца теплоизоляции естественного старения наблюдаются несколько интервалов деструкции:
- интервал 30...147 °С - потеря массы 0,5233 %;
- интервал 147.400 °С - потеря массы 1,12 % (два пика ДТГ, %/мин - 291°С (0,087) и 340 °С (0,096));
- интервал 400. 780 °С - потеря массы (2,87-1,12) составила 1,75 % (пик ДТГтах при 550 °С - 0,093 %/мин);
- коксовый остаток составил 96,58 %;
- зольный остаток - 93,96 %, масса окисленного кокса - 2,619 %, количество летучих продуктов в навеске образца составило 6,04 %.
По результатам пиролитических исследований установлена тенденция снижения термической устойчивости для образца теплоизоляции естественного старения при фактическом сохранении величины коксового остатка на уровне 95-96 %. Так, температура начала разложения находится в интервале температур 220-250 °С. В данном случае снижение температурного порога начала разложения материала обусловлено частичной потерей термической стабильности полимерного связующего под влиянием процесса старения.
В среде воздуха процесс разложения минеральной теплоизоляции протекает с несколько большей интенсивностью по сравнению с процессом пиролиза с ярко выраженными экзотермическими стадиями окисления при сохранении величины коксового остатка в пределах 94 % (рис. 7).
В атмосфере воздуха минеральная вата имеет следующие характерные интервалы температур (рис. 7):
- интервал до 150 °С потеря массы составила 0,525 %;
- интервал от 150 °С до 600 °С две стадии окисления и выделения летучих (как по ДТГ (404/28.0), так и по ДСК кривым);
- остаток при 600 °С составил 94,44 %.
Температура, °С
Рисунок 6. ТГ (1) и ДТГ (2, 3) кривые образца минеральной ваты в атмосфере азот-воздух (20 °С/мин) Figure 6. TG (1) and DTG (2, 3) curves of a mineral wool sample in a nitrogen-air atmosphere (20 °C/min)
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 3
/
/
/ Остаток: 94,44 % (19,97 mg)
0 200 400 600 800 1 000
Температура, °С
Рисунок 7. ТГ (1), ДТГ (2) и ДСК (3) кривые образца минеральной ваты в атмосфере воздуха Figure 7. TG (1), DTG (2) and DSC (3) curves of a mineral wool sample in air atmosphere
1,4
- 1,2
- 1,0
98 -
80 -
60 -
96 -
3
40 -
94 -
20 -
90
0 -
90
На рисунке 8 представлены дифференциальные кривые совместно (ДТГ, ДСК, сигнал ТХД).
Тепловыделение в газовой фазе определяли по совмещённому ТГА-АГГ эксперименту. ДСК и ДТГ кривые показывают, что большая часть теплового эффекта связана именно с окислением материала. Анализ полученных кривых ДСК показал, что тепловыделение в газовой фазе составило 101 Дж/г, а в твёрдой фазе - 778 Дж/г. Общее тепловыделение, соответственно, 0,88 МДж/кг.
В данном случае, при изучении поведения минеральной теплоизоляции в условиях воздействия высоких температур (пожара), важной является оценка влияния органической части (органического связующего) на особенности термических превращений материала в целом. Присутствие органического связующего в минераловатных плитах может привести к возникновению тлеющего (беспламенного) горения, имеющего высокую экзо-термичность данного процесса. Так, в работе [24]
100
0
10
30
40
20
Время, мин
Рисунок 8. ДТГ (1), ДСК (2) и кривая (3) выделения горючих газов в совмещённом ТГА-АГГ эксперименте; 4 - температура образца
Figure 8. DTG (1), DSC (2) and curve (3) of flammable gas emission in a combined TGA (thermogravimetric analysis) -AGG (combustible gases analysis) experiment; 4 - sample temperature
50
0
была показана возможность участия органических связующих в развитии пожара пролива и тления минераловатных материалов. Установлено, что определённые марки минераловатных плит на органическом связующем, относящиеся к негорючим материалам, могут в скрытом виде распространять горение [24]. По нашему мнению, учитывая полученные методами РФА и ИК-спектроскопии результаты, теплоизоляционные минераловатные материалы с наличием органического связующего естественного старения, имеющие структурные нарушения и дефекты, могут иметь повышенную склонность к тлеющему горению.
В отношении оценки пределов огнестойкости конструктивных систем, имеющих в своем составе теплоизоляционные материалы на минеральной основе, чрезвычайно важной является способность обеспечивать соответствующую теплоизолирующую способность (предельное состояние по огнестойкости - I), а также целостность (предельное состояние по огнестойкости - Е). Учитывая происходящие физико-химические изменения в минеральной теплоизоляции в условиях длительной эксплуатации, можно утверждать о возможности не только значительного снижения термического сопротивления слоя утеплителя и надёжности различных конструктивных систем, но и пределов их огнестойкости.
ВЫВОДЫ
В работе проведены исследования по установлению физико-химических и термических превращений минеральной теплоизоляции длительного естественного старения. Идентифицированы важные трансформационные изменения структуры теплоизоляционного материала в результате длительного воздействия факторов окружающей среды. Наиболее значимыми видами деструкции, которые сопровождают процесс старения, являются тепловая, химическая и механическая, определяющие степень деструк-ционных изменений, изменение формоустойчиво-сти и целостности материала. Обращается внимание на значительные деструкционные изменения как неорганической части теплоизоляции в виде минеральных волокон, так и органической части в виде полимерных смол.
Установлены характерные термодеструктивные превращения, выявлена тенденция снижения пороговых значений температуры начала потери массы на 5-10 %, обусловленная деструкцией полимерной части теплоизоляции. Отмечается,
что в результате естественного старения возможна утрата огнестойкости теплоизоляционных систем по потере теплоизолирующей способности и целостности, а также прогнозируется повышение интенсивности скрытого тлеющего горения для теплоизоляции естественного старения.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Бобров Ю. Л. Долговечность теплоизоляционных мине-раловатных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 168 с.
2. Игохина Е. О. Сравнительный анализ самых популярных утеплителей в строительстве // Экология и строительство.
2016. № 1. С. 7-11.
3. Жуков А. Д., Боброва Е. Ю., Бессонов И. В. Строительные системы и особенности применения теплоизоляционных материалов // Жилищное строительство. 2015. № 7. C. 49-51.
4. Горяйнов К. Э, Бобров Ю. Л. Влияние химического состава и диаметра волокна на долговечность минеральной ваты // Строительные материалы. 1974. № 9. С. 31-32.
5. Lakatos A., Csarnovics I., Csik A. Systematic Analysis of Micro-Fiber Thermal Insulations from Thermal Properties Point of View // Appl. Sci. 2021, 11, 4943. D0l:10.3390/app11114943
6. Гусев Б. В., Езерский В. А, Монастырев П. В. Теплопроводность минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2005. № 1. С. 48-49.
7. Куприянов В. Н, Иванцов А. И. Тепловое старение полимеросодержащих теплоизоляционных материалов в наружных стенах // Эксперт: Теория и практика. 2020. № 3(6). С. 31-36. D0I:10.24411/2686-7818-2020-10022
8. Мельников В. С., Кириллов С. В., Васильев В. Г., Ванин С. А, Мельников М. В. Повреждение теплоизоляционных материалов тепловым излучением // Технологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 1(65). 10 с.
9. Гусев Б. В., Езерский В. А, Монастырев П. В. Изменение линейных размеров минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2004. № 8. С. 32-34.
10. Ярцев В. П., Мамонтов А. А, Мамонтов С. А. Влияние внешних факторов на теплофизические и длительные механические свойства минераловатных плит // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. 2014. № 1(50). С. 125-130.
11. Черноиван В. Н., Черноиван Н. В., Черноиван А. В. Оценка влияния атмосферных воздействий на прочностные и упругие характеристики минераловатных плит в системах утепления стен // Промышленное и гражданское строительство.
2017. № 1. С. 101-104.
12. Капустин А. А. Натурные исследования эксплуатационных характеристик теплоизоляционных плит из минеральной ваты, не закрытых гидроветрозащитными пленками при перерывах монтажа навесных фасадных систем // Вестник МГСУ. 2011. № 7. С. 155-160.
13. Nagy B., Simon T., Nemes R. Effect of built-in mineral wool insulations durability on its thermal and mechanical performance // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2019. 139(1). Pp. 169-181. D0I:10.1007/s10973-019-08384-5
14. Zheldakov D. Yu., Tursukov S. A., Sinitsin D. A., Pudovkin A. N., Parfenova A. A. Evaluation of the nanostructure durability for mineral wool fibers using the theory of chemical corrosion // Nanotechnologies in Construction. 2023. 15(1). Pp. 59-71. D0I:10.15828/2075-8545-2023-15-1-59-71
15. Sivenkov A. B., Berlin A. A, Mukhamedgaliev B. A., Almenbayev M. М., Makishev Zh. K., Rakhmetulin B. Zh. Fire Hazard and Fire Resistance of Wooden Structures. Springer Nature Switzerland AG 2023. XVI, 269 p. D0I:10.1007/978-3-031-24074-4
FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2024. No. 3
16. Almenbaev M. M, Makishev J. K., Rakhmetulin B. J., Sivenkov A. B. Physico-chemical and thermal transformations of wood of long-term natural ageing // International Scientific Conference Wood & Fire Safety 2024, Springer Nature Switzerland AG 2024, XVII. Pp. 54-61. DOI:10.1007/978-3-031-59177-8
17. Журков С. Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел // Вестник АН СССР. 1968. № 3. С. 46-52.
18. Ярцев В. П., Дорофеева А. М. Термоактивационные закономерности разрушения, деформирования и водопогло-щения минераловатных плит // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 604-607.
19. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел // Успехи физических наук. 1972. Т. 106, вып. 2. С. 193-228.
20. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
21. Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. М.: МГУ имени М. В. Ломоносова, 2012. 55 с.
22. Hossain M. D., Hassan M. K., Saha S., Yuen A. C. Y, Wang C., George L., Wuhrer R. Thermal and Pyrolysis Kinetics Analysis of Glass Wool and XPS Insulation Materials Used in High-Rise Buildings // Fire. 2023. 6. 231. D0l:10.3390/fire6060231
23. Бурдюгов С. И., Батракова Г. М., Вайсман Я. И., Карманов В. В. Исследование эффектов термического разложения композиционных материалов конструкционного назначения // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 3. С. 319-325.
24. Мельников В. С., Кириллов С. В., Мельников М. В., Ванин С. А, Васильев В. Г., Потемкин С. А. Минеральная вата -теплоизоляция фасадных и кровельных систем в условиях пожара пролива и тления [Электронный ресурс] // Интернет-журнал «Науковедение». 2016. Т. 8, № 6. Режим доступа: http:// naukovedenie.ru/PDF/63TVN616.pdf (дата обращения: 26.07.2024).
REFERENCES
1. Bobrov Yu.L. Dolgovechnost' teploizoliatsionnykh mineralovatnykh materialov [Durability of thermal insulation mineral wool materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987. 168 p. (in Russ.).
2. Igokhina E.O. The comparative analysis of the most well-known types of heat insulation materials for construction. Ekologiia i stroitel'stvo - Ecology and construction. 2016, no. 1, pp. 7-11 (in Russ.).
3. Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Bessonov I.V. Building systems and peculiarities of using heat insulation materials. Zhilishchnoe stroitel'stvo - Housing construction. 2015, no. 7, pp. 49-51 (in Russ.).
4. Goryainov K.E., Bobrov Y.L. Influence of chemical composition and fiber diameter on durability of mineral wool. Stroitel'nye materialy - Building materials. 1974, no. 9, pp. 31-32 (in Russ.).
5. Lakatos A., Csarnovics I., Csik A. Systematic Analysis of Micro-Fiber Thermal Insulations from Thermal Properties Point of View. Appl. Sci. 2021. 11, 4943 (in Eng.). DOI:10.3390/app11114943
6. Gusev B.V., Ezersky V.A., Monastyrev P.V. Thermal conductivity of mineral wool slabs under operating conditions. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil engineering. 2005, no. 1, pp. 48-49 (in Russ.).
7. Kupriyanov V.N., Ivantsov A.I. Hermal aging of polymer-containing thermal insulation materials in exterior walls. Ekspert: Teoriia i praktika - Expert: Theory and practice. 2020, no. 3(6), pp. 31-36 (in Russ.). D0I:10.24411/2686-7818-2020-10022
8. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Vasil'ev V.G., Vanin S.A., Melnikov M.B. Damaging of heat insulating materials by thermal radiation. Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti - Technology of technosphere safety. 2016, vol. 1(65), 10 p. (in Russ.).
9. Gusev B.V., Ezersky V.A., Monastyrev P.V. Changing the linear dimensions of mineral wool slabs under operating conditions. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil construction. 2004, no. 8, pp. 32-34 (in Russ.).
10. Yartsev V.P., Mamontov A.A., Mamontov S.A. The influence of external factors on thermo-physical and continual mechanical properties of mineral wool boards. Voprosy sovremennoi nauki i praktiki. Universitet im. V.I. Vernadskogo -Issues of modern science and practice. V.I. Vernadsky University. 2014, no. 1(50), pp. 125-130 (in Russ.).
11. Chernoivan V.N., Chernoivan N.V., Chernoivan A.V. Evaluation of influence of atmospheric impacts on strength and elastic properties of mineral wool boards in wall insulation systems. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil construction. 2017, no. 1, pp. 101-104 (in Russ.).
12. Kapustin A. Research of exploitation properties of mineral wool insulation slabs without protection during breaking in construction of ventilated facades. Vestnik MGSU - Bulletin of Moscow State University of Civil Engineering. 2011, no. 7, pp. 155-160 (in Russ.).
13. Nagy B., Simon T., Nemes R. Effect of built-in mineral wool insulations durability on its thermal and mechanical performance. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2019, no. 139(1), pp. 169-181 (in Eng.). D0I:10.1007/s10973-019-08384-5
14. Zheldakov D.Yu., Tursukov S.A., Sinitsin D.A., Pudovkin A.N., Parfenova A.A. Evaluation of the nanostructure durability for mineral wool fibers using the theory of chemical corrosion. Nanotechnologies in Construction. 2023, no. 15(1), pp. 59-71 (in Eng.). D0I:10.15828/2075-8545-2023-15-1-59-71
15. Sivenkov A.B., Berlin A.A., Mukhamedgaliev B.A., Almenbayev M.M., Makishev Zh.K., Rakhmetulin B.Zh. Fire Hazard and Fire Resistance of Wooden Structures. Springer Nature Switzerland AG 2023. XVI, 269 p. (in Eng.). D0I:10.1007/978-3-031-24074-4
16. Almenbaev M.M., Makishev J.K., Rakhmetulin B.J., Sivenkov A. B. Physico-chemical and thermal transformations of wood of long-term natural ageing. International Scientific Conference Wood & Fire Safety 2024, Springer Nature Switzerland AG 2024, XVII. Pp. 54-61 (in Eng.). D0I:10.1007/978-3-031-59177-8
17. Zhurkov S.N. Kinetic concept of strength of solids. Vestnik AN SSSR - Bulletin of Academy of Sciences of USSR. 1968, no. 3, pp. 46-52 (in Russ.).
18. Jartsev V.P., Dorofeev A.M. Thermoactivative laws of destruction, deformation and water absorption of mineral wool panels. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo - Academia. Architecture and construction. 2010, no. 3, pp. 604-607 (in Russ.).
19. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. The kinetic nature of the strength of solids. Uspekhi fizicheskikh nauk - Successes of Physical Sciences. 1972, vol. 106, iss. 2, pp. 193-228 (in Russ.).
20. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. Kineticheskaia priroda prochnosti tverdykh tel [The kinetic nature of the strength of solids]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 560 p. (in Russ.).
21. Tarasevich B.N. IK spektry osnovnykh klassov organicheskikh soedinenii. Spravochnye materialy [IR spectra of the main classes of organic compounds. Reference materials]. Moscow, Lomonosov Moscow State University Publ., 2012. 55 p. (in Russ.).
22. Hossain M.D., Hassan M.K., Saha S., Yuen A.C.Y., Wang C., George L., Wuhrer R. Thermal and Pyrolysis Kinetics Analysis of Glass Wool and XPS Insulation Materials Used in High-Rise Buildings. Fire. 2023, no. 6, p. 231 (in Eng.). D0I:10.3390/fire6060231
23. Burdyugov S.I., Batrakova G.M., Vaisman Ya.I., Karmanov V.V. Analysis of thermal decomposition effects in structural composites. Khimicheskaia fizika i mezoskopiia - Chemical physics and mesoscopy. 2011, vol. 13, no. 3, pp. 319-325 (in Russ.).
24. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Melnikov M.V., Vanin S.A., Vasilev V.G., Potemkin S.A. Mineral wool-heat insulation of facade and roofing systems in conditions of spillage fire and smoldering. Internet-zhurnal "Naukovedenie" - Internet-journal "Science of Science". 2016, vol. 8, no. 6 Available at: http://naukovedenie.ru/ PDF/63TVN616.pdf (accessed June 26, 2024) (in Russ.).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Алишер Аминзода МУМИНИЁН Н
Адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических кадров Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код 5624-2926
ORCID Ю: https://orcid.org/0009-0001-5204-5740 Н alisher.muminov.1972@mail.ru
Юрий Кузьмич НАГАНОВСКИЙ
Кандидат технических наук
ведущий научный сотрудник, ВНИИПО МЧС России, Балашиха, Российская Федерация SPIN-код 9408-0656
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-9739-9123 Н reut11731@mail.ru
| Владимир Миронович РОЙТМАН\
Доктор технических наук, профессор SPIN-код 6717-1937
Борис Борисович СЕРКОВ
Доктор технических наук, профессор
профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве в составе УНК ПБОЗ, Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация Н serkovboris@icloud.com
Андрей Борисович СИВЕНКОВ
Доктор технических наук, профессор ВрИО начальника, ВНИИПО МЧС России, Балашиха, Российская Федерация SPIN-код 1404-6956
ORCID Ю: https://orcid.org/0000-0003-3821-8606 Н Sivenkov01@mail.ru
Илья Олегович ФЕДОТОВ
Старший научный сотрудник, научно-исследовательского отдела УНК ПиАСТ Академия ГПС МЧС России, Москва, Российская Федерация SPIN-код 9462-7756
ORCID Ю: https://orcid.org/0000-0002-5076-3167 Н ilafedotov367@gmail.com
Поступила в редакцию 10.06.2024 Принята к публикации 25.06.2024
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Alisher A. MUMINIYON H
Post graduate student of Research and Staff Training Faculty
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation
SPIN-cod: 5624-2926
ORCID ID: https://orcid.org/0009-0001-5204-5740 H alisher.muminov.1972@mail.ru
Yuri K. NAGANOVSKY
PhD in Engineering
Leading Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia (VNIIPO), Balashikha, Russian Federation SPIN-cod: 9408-0656
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-9739-9123 H reut11731@mail.ru
| Vladimir M. ROITMAN\
Grand Doctor in Engineering, Professor SPIN-code: 6717-1937
Boris B. SERKOV
Grand Doctor in Engineering, Professor
Professor of the Department of Fire Safety in Construction as part of Educational Research Complex of fire safety of facilities under protection, State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation, H serkovboris@icloud.com
Andrey B. SIVENKOV
Grand Doctor in Engineering, Professor Deputy head, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia (VNIIPO), Balashikha, Russian Federation SPIN-cod: 1404-6956
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3821-8606 H Sivenkov01@mail.ru
Ilya O. FEDOTOV
Senior Researcher of Research Department of Educational Research Complex of Firefighting and Rescue Appliances,
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russian Federation, SPIN-cod: 9462-7756
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5076-3167 H ilafedotov367@gmail.com
Received 10.06.2024 Accepted 25.06.2024
Для цитирования:
Муминиён А. А, Нагановский Ю. К., Ройтман В. М, Серков Б. Б., Сивенков А. Б., Федотов И. О. Влияние длительного естественного старения теплоизоляционных минераловатных материалов на физико-химические и термические превращения // Пожары и чрезвычайные ситуации: предупреждение, ликвидация. 2024. № 3. С. 131-141. 001:10.25257/РЕ.2024.3.131-141
For citation:
Muminien A.A., Naganovsky Yu.K., Roitman V.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B., Fedotov I.O. Impact of long-term natural ageing of heat-insulating mineral wool materials on physicochemical and thermal transformations. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, Hkvidatsiya - Fire and emergencies: prevention, elimination. 2024, no. 3, pp. 131-141 (in Russ.). D0I:10.25257/FE.2024.3.131-141
