Автореферат: Эффективные двухслойные минераловатные изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Эффективные двухслойные минераловатные изделия

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Кутьев Сергей Павлович

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Румянцев Борис Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Бобров Юрий Леонидович

- кандидат технических наук Смирнов Александр Григорьевич

Ведущая организация Инжиниринговая компания по теплотехническому строительству ОАО «Теплопроект» Научно- исследовательский центр

Защита состоится «___» ________ 2007 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 115114, г. Москва, Шлюзовая набережная, д. 8, в ауд. 223.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «___» ________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

Актуальность. В современном строительстве для фасадов и кровель зданий широко применяются изделия из минеральной ваты. Однако существующие минераловатные изделия обладают высокой прочностью только при высокой плотности и большом расходе связующих веществ. Снижение средней плотности обычно приводит к снижению физико-механических характеристик и не позволяет применять продукцию в системах наружного утепления фасадов и плоских кровлях.

Решение задачи повышения эффективности минераловатных изделий заключается в создании двухслойной плиты с упрочненным верхним слоем.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР ЗАО «Минеральная вата» и ООО «Роквул Север» на 2005…2007 гг.

Цели и задачи. Целью настоящей диссертационной работы является разработка эффективных минераловатных изделий с упрочненным верхним слоем.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

обосновать возможность получения двухслойных минераловатных изделий, обладающих повышенными теплотехническими и физико-механическими свойствами;

исследовать влияние состава и структуры материала на свойства готовых изделий;

выявить возможные технологические пути оптимизации строения материала;

оптимизировать состав и структуру двухслойного материала;

разработать и внедрить методики испытаний минераловатных изделий, отражающие реальные условия работы материала;

изучить теплофизические и физико-механические свойства полученных изделий;

произвести проверку результатов исследования в опытно-промышленных условиях.

Научная новизна работы:

Обоснована возможность повышения прочностных свойств минераловатных изделий с низкой теплопроводностью путем формирования в одном изделии двух слоев различной плотности, работающих как структурно целостный элемент;

разработана математическая модель двухслойных минераловатных изделий, учитывающая: плотность, толщину, физико-механические характеристики и теплопроводность, и позволяющая прогнозировать эксплуатационные свойства готовых изделий;

разработан коэффициент конструктивной эффективности представляющий собой отношение приведенной прочности материала к плотности и теплопроводности, и позволяющий оценивать качество и эффективность двухслойных изделий и сравнивать различные теплоизоляционные материалы;

установлена зависимость прочности на сжатие при 10% деформации готового двухслойного изделия от толщины и плотности упрочненного верхнего слоя;

установлена зависимость прочности при локальном сжатии готового двухслойного изделия от толщины и плотности упрочненного верхнего слоя;

установлена зависимость теплопроводности готового двухслойного изделия от толщины и плотности упрочненного верхнего слоя;

установлена многофакторная зависимость между физико-механическими параметрами отдельных слоев и прочностными показателями готового двухслойного минераловатного изделия;

установлена зависимость физико-механических и теплотехнических свойств готового двухслойного минераловатного изделия от плотностей верхнего и нижнего слоев и их соотношения;

установлена зависимость прочностных показателей изделий из минеральной ваты от содержания связующих веществ;

установлена зависимость водопоглощения минераловатных изделий от содержания гидрофобизирующих веществ.

Практическая значимость работы:

Разработаны двухслойные минераловатные изделия, обладающие повышенными теплотехническими и физико-механическими свойствами: прочностью при локальном сжатии до 800 Н, прочностью при 10% деформации до 70 кПа, при сохранении значений теплопроводности на уровне менее 0,04 Вт/(м К);

разработана технология производства двухслойных минераловатных изделий для существующей технологической линии;

разработаны принципы методики исследования механических свойств двухслойных теплоизоляционных систем из минеральной ваты, основанные на теории упругости.

Внедрение результатов исследований. Разработаны рекомендации по подбору технологических параметров для изготовления двухслойных минераловатных плит для существующего производства, позволяющие снизить среднюю плотность изделий и расход связующих веществ на 15-20% при сохранении эксплуатационных свойств. По результатам работы была выпущена опытно-промышленная партия двухслойных минераловатных плит на заводе теплоизоляционных материалов ООО «Роквул Север».

Подтверждена технико-экономическая эффективность применения двухслойных минераловатных изделий в строительстве, связанная со снижением материалоемкости изделий, материальных затрат на проведение монтажных работ и экономии тепловой энергии, обеспечивающее сокращение расходов более чем на 20%.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы исследований доложены на Четвертой Международной (IX межвузовской) (20-21 апреля 2006 г., Москва, МГСУ) и Юбилейной Десятой международной межвузовской (25-26 апреля 2007 г., Москва, МГСУ) научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов (доклады отмечены почетными грамотами) и на международной научно-практической конференции «Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ» (8-10 ноября 2006 г., Москва, МГСУ), отражены в 8 публикациях.

На защиту выносятся:

теоретические положения получения двухслойных минераловатных изделий, обладающих повышенными теплотехническими и физико-механическими свойствами;

методика исследования механических и теплофизических свойств двухслойных теплоизоляционных систем на основе изделий из минеральной ваты;

зависимости физико-механических свойств двухслойных минераловатных изделий от главных факторов;

математическая модель двухслойного теплоизоляционного изделия из минеральной ваты;

оптимальные технологические параметры производства двухслойных плит для существующей технологической линии;

результаты опытно-промышленной проверки лабораторных исследований.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 141 страницу машинописного текста, 44 рисунка, 22 таблицы, библиографический список, включающий 77 наименований и 2 приложения.

содержание работы

С начала производства теплоизоляционных изделий из минеральной ваты в промышленности велся активный поиск путей оптимизации технологии изготовления и параметров готовых изделий.

Традиционные теплоизоляционные материалы на основе минеральной ваты отвечают лишь части условий предъявляемых к ним в условиях современного строительства. Их основной недостаток в том, что наилучшими показателями по теплозащите обладают изделия с низкой плотностью и низкими прочностными показателями. При этом в конструкциях плоских кровель, или штукатурных фасадов в жестких эксплуатационных условиях находится лишь внешняя часть минераловатной плиты. Остальная часть плиты воспринимает уже распределенные нагрузки и находится в зоне постоянных положительных температур. Следовательно, эксплуатационные свойства минераловатной плиты можно значительно повысить путем увеличения прочности внешней части изделия. Одним из путей создания такого материала является технология изготовления двухслойных минераловатных плит. Данная технология позволяет конвейерным способом получать минераловатные плиты с различными значениями плотности по толщине. Более плотная верхняя часть минераловатной плиты будет распределять монтажные и эксплуатационные нагрузки, и передавать их на нижнюю часть. Это позволит снизить плотность нижнего слоя при сохранении прочностных показателей всего изделия. Снижение средней плотности позволит увеличить термическое сопротивление плиты. Значения толщины каждого из слоев в таком изделии, а так же их плотности, могут задаваться при производстве в широких пределах.

Различные физико-механические и теплотехнические свойства двух слоев единой минераловатной плиты при обеспечении их совместной работы позволят получить высокопрочное изделие с низкой теплопроводностью.

Это положение было приято в качестве основной рабочей гипотезы диссертационной работы.

При проведении исследований была использована минеральная вата производства ЗАО «Минеральная вата» г. Железнодорожный и ООО «Роквул Север» г. Выборг. Волокна характеризуются стабильным химическим составом, с модулем кислотности не менее Мк>2,0 и водостойкостью не более рН<3, определенным по методике ГОСТ 4640. Подробно химический состав приведен в табл. 1. Диаметр волокон 3-6 мкм, Количество неволокнистых включений - не более 5%. В качестве связующего вещества применялись фенолформальдегидные смолы импортного производства. Среднее содержание смол в изделиях - 3-5%.

минеральный вата связующий теплопроводность

Таблица 1. Химический состав минеральных волокон

Теоретические предпосылки создания двухслойных минераловатных плит показывают, что такие решения позволят снизить среднюю плотность теплоизоляционного ковра на 10-20% по сравнению с однослойными. Так же уменьшится расчетная толщина теплоизоляции, за счет более эффективного нижнего слоя. Снижение средней плотности приведет к уменьшению содержания связующих веществ на 10-20%, что положительно скажется на условиях производства, применения и утилизации изделий.

Отличительной особенностью двухслойной плиты по сравнению с другими решениями является плотное прилегание слоев друг к другу. Характер работы материала под локальной и распределенной нагрузками сильно отличается, при этом напряжения в материале от локальной нагрузки распределяются неравномерно, сосредотачиваясь в верхней части материала. В таких условиях упрочненный верхний слой обеспечивает меньшие начальные деформации системы и положительно влияет на прочность всего изделия.

Теплоизоляционные свойства пористых материалов обусловливаются сложным путем теплового потока от одной плоскости конструкции к другой. При моделировании структуры волокнистого материала было решено руководствоваться правилом, что эффективная теплопроводность любой хаотической структуры не изменится, если конкретная картина «хаоса» будет заменена другой, ей адекватной, т.е. сохранится изотропность системы, ее устойчивость, а концентрации компонент останутся неизменными. Вероятность появления упорядоченной структуры, хоть, и ничтожно мала, но равна вероятности появления любой другой хаотической структуры. Т.е. с точки зрения исследования теплопроводности упорядоченная структура является частным случаем хаотической и свойства этих структур будут одинаковы, если соблюдены условия адекватности.