Исследование долговечности теплоизоляционных материалов на основе пенополистирола

На правах рукописи

КОКАНИН Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Иваново 2011

Работа выполнена на кафедре «Производство строительных материалов» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

Защита состоится «28» октября 2011 года в 10 часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново,
ул. 8-го Марта, д. 20, ауд. Г-204; Тел.: (4932) 32-85-40
(http://www.igasu.ru/; E-mail: inf@igasu.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного университета (153037,
г. Иваново, ул. 8-го Марта, д. 20)

Автореферат разослан «26» сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

Н.В. Заянчуковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В современных условиях строительства применяют широкий спектр теплоизоляционных материалов. Пенополистирол занимает одно из лидирующих мест по объему применения для теплоизоляции строительных конструкций как для наружной, так и для внутренней отделки помещений. Для достижения оптимальных условий эксплуатации наружную изоляцию защищают от атмосферных воздействий, армируя штукатуркой или вентилируемой облицовочной оболочкой. Широкое применение он нашел и в качестве теплоизоляции межэтажных перекрытий, крыш и фундаментов, а также для организации несъемной опалубки.

Энергоэффективность пенополистирола очень высока, но вместе с этим данный материал обладает рядом отрицательных свойств, к которым следует отнести недолговечность, пожароопасность и токсичность.

При эксплуатации, хранении и рециклинге пенополистирол разрушается под действием внешних и внутренних факторов. Внутренними факторами являются процессы, связанные с естественной деструкцией полимера. Внешние факторы – это действие жидких агрессивных сред, а также атмосферные воздействия (колебание температуры и влажности) и старение (фото- и теплостарение). При длительном воздействии этих факторов происходит изменение структуры материала и, как следствие, его физико-механических свойств. Естественная деструкция пенополистирольных пластиков накладывает дополнительное влияние на эти факторы.

Свойства пенополистирола меняются от воздействия не контролируемых случайных факторов. При проектировании новых и реконструкции существующих зданий теплоизоляция из пенополистирола практически не поддаётся точной численной оценке на долговечность и гарантированный срок службы. С целью достижения эффективной тепловой модернизации её физико-механические характеристики требуется определять с достаточной степенью точности. Проведенные ранее экспериментальные исследования не дают наиболее четкого и точного ответа о степени пригодности и долговечности теплоизоляционных строительных конструкций и изделий на основе пенополистирола. В связи с этим исследования в области определения долговечности пенополистирола как теплоизоляционного материала являются весьма актуальными. Актуальность выбранного научного направления подтверждается и тем, что вопросы дальнейшего применения пенополистирола как теплоизоляционного материала обсуждались на заседании круглого стола РААСН видными учеными и специалистами нашей страны. В результате работы круглого стола сформулированы следующие задачи: пенополистирол является одним из широко применяемых теплоизоляционных материалов как в нашей стране, так и за рубежом; применение пенополистирола в строительстве должно соответствовать всем строительным, пожарным и санитарно-техническим нормам, действующим в Российской Федерации; пенополистирол как теплоизоляционный строительный материал нуждается во всестороннем изучении как с точки зрения временной деструкции под воздействием внешних и внутренних факторов, так и долговечности.

Работа выполняется в соответствии с планом Правительства Российской Федерации №2727 П-П8 от 21.07.1996 г. раздел Технологическая реабилитация окружающей среды от техногенных воздействий, по которой проводятся исследования на кафедре «Производство строительных материалов» ГОУ ВПО ИГАСУ.

В рамках приоритетных направлений исследований РААСН, сформулированных на годичном собрании (г. Иваново, 2010), а также в итоговом документе заседания круглого стола «Проблемы и перспективы применения пенополистирола в строительстве» (г. Москва, 2011).

Цель работы: На основании всесторонних исследований создание теоретических основ прогнозирования долговечности пенополистирольных теплоизоляционных материалов для правильного проектирования, получения расчетных значений теплопроводности, влажности, механической прочности и морозостойкости при различных режимах работы конструкций, пожарной стойкости и экологичности, а также рекомендаций регламентирующих применение пенополистирола в строительстве.

Задачи исследований:

- провести анализ существующих методов теоретических и экспериментальных исследований долговечности теплоизоляционных материалов на основе полимерных связующих;

- разработать физическую модель кинетики старения энергоэффективных полимерсодержащих материалов в многослойной ограждающей конструкции и рассмотреть основные внешние факторы, влияющие на изменение структуры изделий на основе пенополистирола при длительной эксплуатации в условиях средней полосы России;

- получить экспериментальные результаты, позволяющие установить связь между физико-механическими свойствами пенополистирола в зависимости от условий эксплуатации;

- выявить структурные изменения материала под воздействием различных внешних и внутренних факторов;

- определить степень пожароопасности и токсичности пенополистирольной теплоизоляции в результате соприкосновения с открытым огнем;

- дать оценку пригодности полистирольного полимера при проектировании, возведении и эксплуатации зданий жилого назначения.

Методы исследования.

Использованы экспериментальные методы определения физико-механических свойств и структуры ячеистых органических материалов.

При обработке экспериментальных данных применялись как аналитические, так и численные методы. Обработка данных проводилась с использованием новейших программных комплексов персонального компьютера. Математический анализ и визуализация проводилась с применением программ экономико-статистических расчетов и графической интерпретации данных «Microsoft Excel» и «STATISTICA».

Теоретической и методологической основой исследований являлись разработки отечественных и зарубежных учёных в области исследования свойств и структуры, а также прогнозирования поведения и работоспособности энергоэффективных строительных материалов в различных условиях эксплуатации: Г. Штаудингера, А.Г. Дементьева, М.Л. Кербера, В.В. Мальцева, А.А. Берлина, В.В. Гурьева, В.Н. Финдлея, С.Н. Журкова, В.Е. Гуля, С.Б. Ратнера, И.Я. Гнипа, А.А. Тагера, В.И. Кершулиса,
А.Ф. Луковникова, Е.А. Мешалкина, И.Д. Симонова-Емельянова,
В.К. Крыжановского, Д.А. Клемпнера, В.А. Павлова, В.Г. Хозина,
Л.А. Абдурахмановой, Ю.Д. Ясина, В.П. Ярцева, Л.Д. Евсеева, Б.С. Баталина, В.С. Федорова, Э.Р. Галимова, Р.К. Низамова, А.С. Етумяна,
Е.А. Король, В.Г. Гагарина. Информационная база – научные труды, материалы научно-технических конференций, статьи в научных сборниках, периодических изданиях и глобальной сети Интернет по исследуемой проблеме.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается:

- применением фундаментальных методов исследований органических материалов;

- сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, полученных в работе с данными, известными в научной и справочной литературе.

Научная новизна работы заключается:

- в создании теоретических основ прогнозирования долговечности пенополистирольных строительных материалов теплоизоляционного назначения, работающих при различных условиях, для качественного проектирования полученных расчетных значений теплопроводности, влажности, механической прочности и морозостойкости;

- в разработке условий, обеспечивающих благоприятные влажностные режимы работы пенополистирола в ограждающих конструкциях на основе результатов физико-механических исследований; уточнении вопросов пожарной стойкости, экологичности и области применения;

- в разработке методики для оценки взаимосвязи свойств и структуры применяемого в строительстве пенополистирола в зависимости от условий его эксплуатации;

- в получении закономерности процессов деструкции пенополистирольных материалов от условий их эксплуатации.

Практическое значение работы:

- предложена методика инженерного расчета долговечности стиролсодержащих материалов, применяемых в стройиндустрии в качестве конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий;

- разработаны практические рекомендации по применению пенополистирола для теплоизоляции зданий и сооружений;

- экспериментально изучено влияние различных факторов на физико-механические характеристики пенополистирола, производимого как в нашей стране, так и за рубежом;

- осуществлено внедрение результатов работы в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология изоляционные строительных материалов и изделий», «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре».

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по прогнозированию долговечности пенополистирольных строительных материалов, работающих в условиях средней полосы России;

- результаты экспериментальных исследований структуры пенополистирольных строительных материалов;

- рекомендации для качественного проектирования, расчетные значения теплопроводности, влажности, механической прочности и морозостойкости при воздействии различных внешних факторов.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях: Международной научно-технической конференции Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов (Пенза, 2008, 2009), 61 Республиканской научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (Казань, 2009), Третьих Воскресенских научных чтениях Полимеры в строительстве (Казань, 2009), Всероссийской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых «Энергия молодых – строительному комплексу» (Братск, 2009, 2010), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009), Международной научно-технической Интернет-конференции «Строительная наука - 2010» (Владимир, 2010), XVII международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа» (Иваново, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 28 печатных работ, в том числе 9 статей в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет 169 страниц печатного текста, содержит 79 рисунков, 12 таблиц. Библиографический список включает 152 работы отечественных и зарубежных авторов.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия» по следующим пунктам: п.4. Разработка методов прогнозирования и оценки стойкости строительных материалов и изделий в заданных условиях эксплуатации; п.8. Развитие системы контроля и оценки качества строительных материалов и изделий; что определяется целью работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, сформулированы основные задачи, изложены теоретические и методологические основы исследований, дана краткая характеристика научной новизны и практической значимости работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ литературных данных о состоянии теории и практики, проблемах и задачах, связанных с определением долговечности и применением пенополистирольных теплоизоляционных материалов в стройиндустрии.

Промышленное производство полистирольных пластиков (средняя молекулярная масса (ММ) 80-100 тыс.), представляющих собой термопластичный материал, химический состав полимерной части которых содержит мономер стирол, насчитывает более 70 лет. Расширение производства пенополистирола сопровождается усовершенствованием технологических процессов их получения.

Приводится состав и технология производства органического материала. Структура пенополистирола в зависимости от технологии его производства представляет собой ячеистую и надъячеистую структуру. Каждое гранульное образование является пористым телом, содержащим замкнутые ячейки. Между гранульными образованиями в структуре материала встречаются газовые полости, раковины и другие структурные дефекты. Диаметр сферических частиц (гранул), спёкшихся между собой, равен 3-10 мм. Внутри каждой гранулы имеются микроячейки диаметром 10-200 мкм. Толщина полимерных стенок микроячеек колеблется в пределах 1-2 мкм.

Ячеистая структура пенополистирола имеет значительную неоднородность, что приводит к разбросу физико-механических показателей. Это, а также одновременное взаимное влияние различных параметров макроструктуры на физические и механические свойства материалов, необходимо учитывать при структурных исследованиях. Установление связи между характеристиками структуры и физико-механических свойств пенополистирола является важнейшей задачей в проблеме направленного регулирования его эксплуатационных свойств.

Строительные материалы и изделия на основе пенополистирола обладают рядом характерных свойств: малая плотность, достаточная механическая прочность, небольшая величина водопоглощения и гигроскопичности, а также низкая теплопроводность. По этим показателям они превосходят большинство теплоизоляционных материалов природного и искусственного происхождения.

Несмотря на то, что на сегодняшний день полимерные энергоэффективные материалы по теплозащитным свойствам не имеют аналогов, отсутствуют исследования в области долговечности и установлении гарантированного срока службы ограждающих конструкций, теплоизоляцией в которых служит пенопласт на основе полистирола. Возникает вопрос о целесообразности его использования в стройиндустрии в качестве многослойных изделий подобного типа, так как гарантированный срок эксплуатации составляющих их материалов неоднозначен. В связи с этим отсутствует официально утвержденная методика определения долговечности пенополистирольных плит и ограждающих конструкций с его применением. Основным препятствием в ее разработке является неординарное поведение пенополистирола в условиях эксплуатации. Стабильность его теплофизических характеристик во времени в большой степени зависит от технологии изготовления и совместимости с другими строительными материалами в конструкциях стен и покрытий. Необходимо учитывать воздействие ряда случайных эксплуатационных факторов, ускоряющих естественный процесс деструкции пенополистирола.

Во второй главе рассмотрены деструктивные факторы пенополистирола и физикохимия процессов его разрушения, приведено описание исходных материалов и веществ, которые применялись в процессе исследований. Приведены сведения о структуре ячеистых пенопластов. Представлена методика проведения эксперимента и испытаний образцов в соответствии с ГОСТ и EN.

Прочность твёрдых тел рассматривается в двух аспектах: в физическом (физико-химическом) – как результат взаимодействия атомов, ионов и молекул, обусловливающий теоретическую прочность, и в структурном, при котором дефектность материала в изделии определяет техническую прочность материала, отличную от теоретической прочности.

Согласно кинетической концепции прочности разрушение твёрдого тела рассматривается не как критическое событие, а как постепенный кинетический, термоактивационный процесс, развивающий в механически напряжённом теле во времени с момента приложения к нему нагрузки, в том числе меньше критической.

Свойства полимерных пен сильно зависят от строения ячеек, которые могут быть изолированными или сообщающимися и иметь различную форму. Структура пенополистирола состоит из тяжей (стержней), вершин (узлов) и тонких оболочек (пленок), образуя ячейки, заполненные газом. Грани ячеек могут быть квадратными и шестиугольными. Отдельные стенки ячеек изогнуты, тяжи не искривлены и имеют переменное сечение (утолщение вблизи узлов).

В качестве исследуемых материалов применялись образцы беспрессового (EPS – expanded polystyrene) и экструзионного (XPS – extruded polystyrene) пенополистирола отечественного и зарубежного производства. Исследовался беспрессовый пенополистирол различной плотности и размера вспененных синтетических гранул производства компании ЗАО «Мосстрой-31» и ООО «ТРЕС+». Исследования экструдированного пенополистирола проводились на образцах германской фирмы «URSA Deutschland GmbH» и отечественного производителя ООО «Полиспен».