Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физико-механические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений: Учебное пособие

Голосов: 0

Рассмотрены методы и способы производства пенополистирола, физико-механические и теплофизические свойства. Приведены примеры современных видов и способов утепления инженерных сооружений, рассмотрены вопросы долговечности утепляющих конструкций с позиций термофлуктуационной концепции прочности твердых тел. Предложена методика определения долговечности пенополистирола в различных конструкциях. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям: 270102 "Промышленное и гражданское строительство", 270105 "Городское строительство и хозяйство", 270205 "Автомобильные дороги и аэродромы"; магистрантов по направлениям: 70100.06 "Техническая эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений", 270100.07 "Архитектурно-строительное материаловедение", 270100.09 "Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций", 270100.19 "Проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                    Продолжение табл. 8

              Реагенты             Концентрация, %    Стойкость*

 Азотная кислота                         68               Н

 Ацетон                                  –                Н

 Уксусная кислота                        –                Н

 Бензол                                  –                Н

 Бензин, нефтепродукты                   –                Н

 Фтористоводородная кислота              –                С

 Метиловый спирт                         96               С

 Этиловый спирт                          96               С

 Циклогексанол                           –                Н

 Этилбутилацетат                         –                Н

 Минеральные масла                       –                Н

 Растительное масло                      –                Н

 Дихлорэтан                              –                Н
     *
         С – стоек; Н – нестоек.


     Экструзионный пенополистирол обладает достаточно высокой
химической стойкостью к большинству используемых в строительстве
материалов. Однако некоторые органические вещества могут привести
к размягчению, усадке и даже растворению плит [84, 93].
     Низкая химическая стойкость проявляется по отношению к сле-
дующим веществам:
     • Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол).
     • Альдегиды (формальдегид, формалин).
     • Кетоны (ацетон, метилэтилкетом).
     • Простые и сложные эфиры (диэтиловый эфир, растворители
на основе этилацетата, метилацетата).
     • Бензин, керосин, дизельное топливо.
                                                                   31


     • Каменноугольная смола.
     • Полиэфирные смолы (отвердители эпоксидных смол).
     • Масляные краски.
     Высокая химическая стойкость по отношению к следующим ве-
ществам:
     • Кислоты (органические и неорганические).
     • Растворы солей.
     • Едкие щёлочи.
     • Хлорная известь.
     • Спирт и спиртовые красители.
     • Вода и краски на водной основе.
     • Аммиак, углекислый газ, кислород, ацетилен, пропан, бутан.
     • Фторированные углеводороды (фреоны).
     • Цементы (строительные растворы и бетоны).
     • Животное и растительное масло, парафин.
     Особое внимание следует уделять совместимости его с другими
материалами. Необходимо избегать контакта пенополистирольных
плит с незатвердевшей битумной гидроизоляцией, клеями и красками
на основе агрессивных растворителей.
     Адгезионная стойкость. Повышение температуры примерно до
70 °С мало отражается на адгезии пенополистирола, при более высо-
ких температурах наблюдается резкое падение его когезионной проч-
ности из-за размягчения [36].
     В конструкциях, в которых пенопласт участвует в совместной ра-
боте слоёв под нагрузкой лучше применять термопластичные клеи,
воспринимающие температурные деформации без концентрации на-
пряжений. Поскольку пенополистирол имеет замкнутые ячейки, то
растворители из него испаряются плохо. Кроме того, некоторые орга-
нические растворители, задерживаясь в ячейках, разрушают пенополи-
стирол. Поэтому, если клей содержит растворитель, то после нанесе-
ния его на склеиваемую поверхность даётся открытая выдержка для
удаления растворителя из клеевого слоя.
     Строительные конструкции с применением пенополистирола
можно склеивать при помощи цементных, асбестоцементных и гипсо-
вых растворов, холодной или горячей битумных мастик, поливинил-
ацетатных эмульсий и т.д. В построечных условиях приклеивание уте-
плителя и защиту его от атмосферных воздействий обычно устраивают
одним и тем же материалом. К таким материалам относятся полимер-
цементные композиции [11, 36, 49, 54].
32


     Пенополистирол, соединяясь с другими материалами с помощью
различных клеевых составов, образует клеевые швы, прочность кото-
рых значительно превышает прочность пенопласта в диапазоне темпе-
ратур от –40 до +60°С.
     Паро- и воздухопроницаемость незначительна по сравнению с
другими теплоизоляционными материалами. С увеличением кажущей-
ся плотности и при повышенных температурах проницаемость водя-
ных паров в полистироле снижается [50].
     Биологическая стойкость. Пенопласты не поддаются гниению,
обладают высокой стойкостью к действию грибков и бактерий. Однако
отмечается, что пенополистирол подвержен воздействию термитов,
разрушается крысами и мелкими грызунами [49, 80, 81, 94, 96].
     Экологичность. При применении пенополистирольных плит в
качестве утеплителя не выделяется вредных веществ. Материал оценён
как биологически нейтральный продукт [36, 50].
     Коррозионная активность. Пенополистиролы марок ПС-1, ПСБ и
ПСБ-С не корродируют другие материалы, а ПС-4 корродирует оцинко-
ванные стали. Корродирующее действие усиливается при увлажнении
пенополистирола, а также при повышенных температурах [35, 50].




                                                                33


 6. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА


     Теплофизические свойства пенопластов определяются природой
полимера-основы и ячеистой структурой [1, 2, 16 – 20, 36, 49, 50].
     Теплостойкость. Деформативность пенопластов складывается из
деформаций теплового расширения и усадки. В начальный период про-
гревания, вплоть до достижения температуры изотермического нагрева-
ния, в пенопластах развиваются температурные деформации, характери-
зующиеся коэффициентом температурного линейного расширения. При
её достижении проявляются усадочные (необратимые) деформации.
Интенсивность развития усадочных деформаций определяет формоста-
бильность пенопластов. Она зависит от температуры стеклования поли-
мерной основы, характера ячеистой структуры и вида вспенивающего
агента. Интенсивное нагревание может привести к дополнительному
расширению образцов, развивающемуся за счёт расширения вспени-
вающего агента или разложения газообразователя [49, 50].
     Развитие во времени усадочных деформаций пенополистирола
носит затухающий характер. При кратковременном (в течение 30 мин)
нагревании пенополистирола до 100 °С почти не происходит объёмной
усадки, но при дальнейшем повышении температуры объёмная усадка
резко возрастает. На усадку заметно влияет влажность окружающей
среды и температура. При повышении температуры испытаний усадка
возрастает по параболическому закону. Результаты кратковременного
и продолжительного экспонирования образцов пенопластов при отри-
цательных температурах свидетельствуют об их высокой стабильно-
сти. Периодическое нагревание образцов пенопласта при температуре
ниже 60 °С слабо отражается на их формостабильности, развивающие-
ся деформации невелики и носят затухающий характер. Периоди-
ческое нагревание-охлаждение от +50 до –50 °С после 50 циклов вы-
явили высокую стабильность температурной усадки: 0,31 … 0,35% –
ПСБ-С; 0,30 … 0,33% – ПСБ; 0,06 – ПС-1; 0,28 – ПС-4 [12].
     Максимально возможная усадка образцов пенополистирола ПС-4
любой плотности составляет 60 ± 5% и мало зависит от длины образца.
Полученные данные исследования усадки "тонких образцов" (в этом
случае влияние газового наполнения сводилось к минимуму) пенопо-
листирола объясняют конформационным перераспределением макро-
молекул. Поскольку при изготовлении пенопластов после вспенивания
при повышенных температурах происходит замораживание ячеистой
структуры, то распределение конформаций макромолекул не отвечает
34


термодинамическому равновесию. В результате этого перераспределе-
ния материал стремится со скоростью, определяемой временем релак-
сации, принять форму, отвечающую наименьшей энергии. Время ре-
лаксации уменьшается с увеличением температуры. С увеличением
толщины образцов описанный механизм сокращения усложняется
присутствием газовых включений в замкнутых ячейках. Установлено,
что время релаксации с увеличением толщины образца и его кажущей-
ся плотности растут. Можно сделать вывод о невозможности длитель-
ного использования пенополистирола в теплоизоляции при температу-
ре выше температуры стеклования [12, 36, 49].
      Температура размягчения зависит от величины механического
напряжения, степени замкнутости ячеек, типа вспенивающего агента
и порядка величины давления газа внутри и снаружи закрытых ячеек,
и может быть сравнима с пределом прочности при сжатии пенопла-
стов. Однако по термомеханическим кривым нельзя определить тем-
пературу размягчения и температуру стеклования лёгких пенопластов
(ρ ≤ 50 кг/м3) ни дилатометрическим, ни термомеханическим методом
[17, 20, 36, 50].
      Критерием теплостойкости пенополистирола служит формо-
устойчивость, характеризующая поведение материала при повышен-
ных температурах. Условно за характеристику теплостойкости пено-
полистирола принимают температуру, при которой линейная усадка
материала не превышает 1% [35, 41, 49, 54]. Технической характери-
стикой теплостойкости является показатель рабочей температуры, при
которой материал продолжает ещё сохранять свои эксплуатационные
свойства, и усадочные деформации не превышают заданных значений.
Диапазон рабочих температур пенопласта несколько ниже, чем у соот-
ветствующего полимера [3, 49].
      На теплостойкость пенополистирола и его рабочую температуру
влияет природа газообразователя. Пенополистирол ПС-1, изготовляе-
мый с помощью органических газообразователей, оказывающих пла-
стифицирующее действие на полимер, имеет рабочую температуру
+65 °С, а рабочая температура пенополистирола ПС-4, изготовляемого
с использованием минеральных газообразователей, +70 °С. Примене-
ние для получения пенопластов хлорпроизводных стирола позволяет
повысить их теплостойкость на 20 … 30 °С. Введение в рецептуру пе-
нопластов фосфорсодержащих соединений с целью придания материа-
лу свойства самозатухаемости, наоборот, снижает её [36, 50].
      Результаты циклических испытаний пенополистирола ПСБ (ох-
лаждение до –30 °С и нагревание до +50 °С) показали, что в этом слу-
                                                                 35


чае происходит линейная усадка пенополистирола. Изменение линей-
ных размеров образцов характеризуется коэффициентом линейного
термического расширения (α). Отмечается, что значения α носят при-
ближённый характер, так как снижение формоустойчивости пенополи-
стирола при повышенных температурах в ряде случаев затрудняет
его определение. Согласно [54] с увеличением температуры коэффи-
циент (α) уменьшается (табл. 9). С увеличением числа циклов испыта-
ний (нагревание – охлаждение) в интервале температур 0 … 50 °С ли-
нейная усадка увеличивается, α уменьшается [после 1 цикла –68,7Ч106;
2 – 65,2Ч106; 24 – 55,7Ч106, °С–1].
      Беспрессовый пенополистирол имеет маленький коэффициент
теплового расширения. В диапазоне температур от 20 до 80 °С он
составляет 0,6Ч10–4, °С–1. Удлинение не является остаточным, и при
охлаждении до первоначальной температуры длина плиты восстанав-
ливается. Пенополистирол выдерживает кратковременное воздействие
температуры 110 °С и несколько минут температуру 95 °С. При
70 … 90 °С применение пенополистирола ограничено его высокой
линейной усадкой.
      Значения коэффициента линейного термического расширения пе-
нопластов близки к исходным значениям монолитного полимера.
      Коэффициент термического расширения вычисляется по формуле
[12]:
                               αт = αп + αг,                     (2)
где αп, αг – коэффициент термического расширения полимера-основы
и поправка на влияние давления газа в ячейках соответственно.
     Теплостойкость и удельная теплоёмкость пенопластов не зависят
от кажущейся плотности.

 9. Значения коэффициента линейного термического расширения
          пенополистирола при различных температурах

           Тип                         αЧ106, °С–1
     пенополистирола
                       30 °С       40 °С        50 °С      60 °С

 ПС-1                   50,5        48,8        45,3        46,5

 ПС-4                   61,8        61,5        61,0        59,5

 ПСБ                    55,2        55,0        49,2        41,4

36


      Теплопроводность. Ячеистая структура определяющим образом
влияет на теплопроводность пенопластов. В связи с наличием ячеи-
стой структуры передача тепла в пенопласте обуславливается тепло-
проводностью полимерных плёнок, конвекцией газообразной фазы и
излучением между стенками ячеек, т.е. теплопроводность пенопластов
характеризуется эффективным коэффициентом теплопроводности.
Основной вклад в коэффициент теплопроводности (λ) вносит газовая
фаза, так как объёмное содержание её, например, у лёгких пенопластов
достигает 97%. Теплопроводность пенопластов в направлении вспени-
вания плиты несколько больше, чем в перпендикулярном направлении
[18, 19].
      Определение коэффициента теплопроводности пенопластов мо-
жет быть сделано теоретически в предположении аддитивности раз-
личных механизмов переноса тепла [1, 18, 19]:
                          λ = λ1 + λ2 + λ3 + λ4,                   (3)
где λ1, λ2, λ3, λ4 – вклад теплопроводности полимера-основы; газа, за-
полняющего ячейки; конвективной составляющей и излучения соот-
ветственно.
     Значения составляющих можно вычислить с помощью моделей
пористых систем [1, 18].
     Теплопроводность пенополистирола снижается с уменьшением
кажущейся плотности (рис. 13, а). Однако существует оптимальное
значение плотности (ρ = 20 … 40 кг/м3), выше и ниже которого коэф-
фициент теплопроводности увеличивается.
     Увеличение влажности пенополистирола приводит к возрастанию
теплопроводности (рис. 13, б). Увлажнение на 1% повышает коэффи-
циент теплопроводности на 4%. При увлажнении до 4% пенопласта
ПСБ коэффициент теплопроводности резко возрастает, а затем изме-
няется незначительно. В строительных расчётах рекомендуется на ко-
эффициент теплопроводности, полученный для сухого пенополисти-
рола, вводить поправку (обычно 10%) на его увлажнённость.
     Коэффициент теплопроводности возрастает с повышением тем-
пературы (рис. 13, в). У пенопласта ПСБ до 30 °С он практически не
изменяется, при 30 … 40 °С плавно увеличивается на 8%, а после 40 °С
резко возрастает. Уплотнённая корка, имеющаяся на поверхности пли-
ты пенопласта, увеличивает стабильность коэффициента λ [36, 48].
     Теплофизические характеристики пенополистирола различных
марок приведены в табл. 10.
                                                                   37


λ, Вт/(м⋅К)                                                                                          λ, Вт/(м⋅К)


0,036                                                                                                0,07
                                                                                                                                                     ПСБ (ρ = 40кг/м3)
0,032
                                                                                                     0,02

0,028

         0          20               40                 60                     80   ρ, кг/м3                0      1             2               3      4                   5 W, %
                                            а)                                                                                              б)
                                                 λ, Вт/(м⋅К)
                                                 0,04

                                                 0,03

                                                 0,02

                                                 0,01


                                                    –200 –150 –100                            –50           0   50 Т, °С

                                                                                             в)
 Рис. 13. Зависимости коэффициента теплопроводности пенополистирола
       от кажущейся плотности (а); влажности (б) и температуры (в)

               10. Теплофизические характеристики пенополистирола
                                                                                                                       линейного термического
                                                     Рабочая температура, ºС




                                                                                                                                                            при 20ºС, 103⋅Дж/(кг⋅ºС)
                                                                                                                                                            Удельная теплоёмкость
                                                                                                                        расширения Ч 106, ºС–1
                                                                                    при 20ºС, Вт/(м⋅град)
                                                                                     теплопроводности
  пенополистирола



                         плотность, кг/м3




                                                                                       Коэффициент




                                                                                                                            Коэффициент
                           Кажущаяся
        Тип




ПС-1  60 … 220                                       65                        0,032 … 0,052                           52 … 71                             –
ПС-4  30 … 60                                        70                        0,029 … 0,044                           62 … 84                             –
ПСБ   20 … 60                                        70                        0,028 … 0,038                           56 … 68                        1,47 … 1,63
ПСБ-С 20 … 60                                        70                        0,028 … 0,038                           55 … 65                             –




38


        7. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
         НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
        СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА. СТАРЕНИЕ


      Климатические испытания пенопластов показали, что их атмо-
сферостойкость близка к атмосферостойкости исходных пластмасс.
При действии погодных факторов (солнечная радиация, дождь, ветер и
др.) на незащищённый пеноматериал наблюдается изменение окраски
и поверхностная эрозия. В случае защиты от непосредственного воз-
действия погодных факторов пенополистирол устойчив к климатиче-
ским воздействиям. Изменение физико-механических характеристик
пенопластов в процессе атмосферного старения происходит быстрее в
первые 3 – 5 лет и достигает 10 … 30%, но затем резко замедляется
[16, 18].
      Длительное пребывание беспрессового пенополистирола в усло-
виях умеренного климата (в средней полосе) существенно не изменяет
его механических характеристик; при выдержке в условиях тропиче-
ского климата прочностные показатели пеноматериала ухудшаются
[36, 50].
      Результаты испытания пенопластов в районах с умеренно холод-
ным климатом в течение десяти лет в условиях неотапливаемого по-
мещения показали [18]: что внешний вид образцов заметно не изменя-
ется, изменение линейных размеров и массы не превышают 1 … 2%,
физико-механические характеристики, водопоглощение и коэффици-
ент теплопроводности изменяются сравнительно мало. Отмечается,
что определяющее влияние на стабильность пеноматериалов повы-
шенной кажущейся плотности оказывают свойства полимера-основы,
у лёгких же закрытопористых пенопластов (ρ < 40 кг/м3) – ячеистая
структура.
      Большое влияние на стойкость к тепловому старению (длительное
воздействие повышенных температур) оказывает природа полимера-
основы. В процессе длительного старения степень замкнутости ячеек и
кажущаяся плотность у образцов снижаются. Разрушение стенок ячеек
обусловлено как действием механического напряжения за счёт перепа-
да давления газа внутри и снаружи ячеек, так и деструкцией полиме-
ров. Коэффициент теплопроводности пенопластов интенсивно увели-
чивается на начальном этапе старения, но в дальнейшем изменяется
                                                                 39


довольно мало. Существенное влияние на поведение пенополистиро-
лов оказывает воздействие низких температур при продолжительном
увлажнении [18].
     При эксплуатации ограждающих панелей в районах с суровыми
природно-климатическими условиями они подвергаются воздействию
больших естественных перепадов температур. В связи с различием
коэффициентов линейного расширения материалов, составляющих
металлические панели с утеплителем из пенопласта, в них возникают
значительные температурные напряжения, происходит разрушение
пенопласта вблизи зоны склейки слоёв, что является одной из причин
отслоения обшивок от заполнителя [12].
     Пенополистиролы являются достаточно стойкими к воздействию
атмосферных факторов. Прочностные характеристики после 5 лет экс-
понирования несколько понизились: предел прочности при сжатии на
5 … 11%, при растяжении – на 17 … 25%, изменения структуры, поте-
ри веса, эрозии не обнаружено. Отмечается некоторое повышение пре-
дела прочности при сжатии пенопласта ПСБ-С, связанное с процесса-
ми структурирования, которые наблюдаются в первые три года экспо-
нирования, а в последующие два года преобладающими являются про-
цессы деструкции. Для пенопластов в незащищённом виде наблюдает-
ся изменение цвета поверхностного слоя и внутригранульная эрозия.
Установлено, что они нестойки к непосредственному атмосферному
воздействию, но защищённые от дождя, ветра и ультрафиолета (усло-
вия, близкие к эксплуатации) – сохраняют стабильность [41].




40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика