Исследование долговечности теплоизоляционных материалов на основе пенополистирола

Исследование долговечности теплоизоляционных материалов на основе пенополистирола

На правах рукописи

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».

Научный руководитель:	Заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Гуюмджян Перч Погосович ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А. Г. и »
	Доктор технических наук, профессор ФГОУ ВПО «Костромская государственная сельскохозяйственная академия»
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический 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» г. Иваново,
ул. 8-го Марта, д. 20, ауд. Г-204; Тел.: (49
(http://www. *****/; E-mail: *****@***ru)

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

Автореферат разослан «26» сентября 2011 г.

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

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 № 000 П-П8 от 01.01.2001 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, , ,
, , -Емельянова,
, ,
, ,
, . 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 -31» и +». Исследования экструдированного пенополистирола проводились на образцах германской фирмы «URSA Deutschland GmbH» и отечественного производителя .

При определении физико-механических свойств пенополистирольных материалов применялись современные методы исследований, регламентируемые действующими стандартами. Испытания проводились на сертифицированном оборудовании в лабораториях ГОУ ВПО «ИГАСУ» и АНО «Ивановостройиспытания». Отбор образцов и определение их геометрических характеристик проводилось в соответствии с ГОСТ . Плиты перед изготовлением образцов для испытаний выдерживались не менее 3 ч при температуре (22 ± 5)°С. Испытания образцов проводили в помещении с температурой воздуха (22 ± 5)°С и относительной влажностью (50 ± 5)% после предварительной выдержки их при этих же условиях не менее 5ч. В соответствии с указанным ГОСТ определялись: влажность, плотность, водопоглощение, прочность на сжатие при 10% линейной деформации, предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении. Теплопроводность образцов пенополистирола исследовалась согласно ГОСТ 7076-87. Твёрдость пенополистирольных образцов определялась по методу Шора согласно ISO 868 (DIN 53505, ASТМ D2240). Методика основана на способности материала сопротивляться постоянному углублению инородного тела.

В третьей главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-механических свойств и структуры пенополистирола. Для прогнозирования поведения пенополистирола при различных факторах эксплуатации были получены корреляционные уравнения временного фактора от значения отклика аппроксимируемой величины – физико-механической характеристики. В качестве аппроксимирующей кривой была использована полиномиальная зависимость 3 степени, которая учитывает начальные условия.

Исследование фотостарения пенополистирольных материалов осуществлялось на экспериментальных установках ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) облучения, разработанных и изготовленных на кафедре «Строительная механика» ИГАСУ.

Согласно полученных данных коэффициент теплопроводности пенополистирольных образцов в результате фотостарения возрастает (рис. 1-2).

Результаты исследования физико-механических свойств пенополистирола вследствие фотостарения показали, что плотность материала падает, а водопоглощение возрастает за счет разрушения стенок ячеек и увеличения инфильтрации пенопласта (рис 3-4). Твёрдость уменьшается вследствие повышения поверхностной эрозии. Наблюдается растрескивание поверхности полимера и изменение его окраски.

Результаты исследования теплофизических свойств пенополистирола при теплостарении представлены на рисунке 5.

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента теплопроводности пенополистирольных образцов от количества циклов испытаний на УФ облучение	Рисунок 2 – Зависимость коэффициента теплопроводности пенополистирольных образцов от количества циклов испытаний на ИК облучение

Рисунок 3 – Микроструктура экс-трудированного пенополистирола Полиспен после 14 суток испытания на фотостарение	Рисунок 4 – Микроструктура экс-трудированного пенополистирола Полиспен после 56 суток испытания на фотостарение

Рисунок 5 – Зависимости коэффициентов теплопроводности пенополистирола
от количества суток испытаний на теплостарение при температуре +60 °С ±2 °С

Деструкция пенополистирола, вызванная теплостарением, аналогична процессам, протекающим при фотостарении. Скорость развития этих процессов зависит от температуры окружающей среды. Так, к 7 суткам испытания на теплостарение при температуре + 30°С наблюдается разрушение тонких оболочек структуры пенопласта и полной анизотропии её текстуры, что пагубно влияет на физико-механические и теплоизоляционные свойства исходного энергоэффективного материала. К 28 суткам наблюдения происходит полное раскрытие пленок ячеек с образованием сквозных микропор и увеличением степени закрытой и открытой пористости пенопласта.

Исследование деструкции пенополистирола во влажной среде проводилось в течение 1 года. Водопоглощение (рис. 6) и объемное расширение (набухание) определялось на влажном материале, а механические характеристики – на высушенных в соответствии с ГОСТ образцах.

Рисунок 6– Зависимость времени выдержки пенополистирольных
образцов в водной среде от величины водопоглощения

Исследования пенополистирольных материалов при пониженных температурах осуществлялись с использованием криостата компрессионно-термоэлектрического «Миконта – МТ» испытательной лаборатории
АНО «Ивановостройиспытания». Отобранные согласно ГОСТ образцы при различных условиях криостатирования (окружающая среда и температура) подвергались попеременному замораживанию и оттаиванию.

После проведения испытаний на морозостойкость у пенополистирола увеличилась величина открытой пористости образцов, что подтверждается уменьшением твёрдости в результате поверхностной эрозии. Образцы не подверглись короблению, их форма не изменилась, окраска материалов сохранилась в первоначальном виде. У образцов беспрессового пенополистирола произошло отслоение поверхностной пленки, которая образуется при вспенивании материала и отщеплении макроячеек – вспененных гранул (рис.7). Наибольшая величина потери массы наблюдается у образцов беспрессового пенополистирола с меньшими размерами гранул. Наиболее существенное влияние на пенополистирол оказывает водный раствор натриевой соли. Экспериментальные данные свидетельствуют о росте водопоглощения и уменьшении прочности на сжатие, что вызвано разрушением структуры пеноматериала.

Экспериментально доказано снижение твёрдости стирольных пластиков. Влияние низких температур приводит к разрушению ячеистой структуры материала с появлением поверхностных пустот, что связано с образованием открытой пористости. В связи с этим ухудшаются прочностные свойства, причём экспериментальные исследования показывают наибольшее ухудшение механических свойств при испытании в сухом состоянии. Это происходит за счёт деформации скелета поропласта вследствие перепада давления газа внутри и снаружи замкнутых ячеек. Ухудшение механических характеристик в результате разрушения ячеистой структуры материала и образования открытой пористости приводит к изменению теплофизических свойств пенопласта (рис. 8).

Рисунок 7 – Зависимость величины потери массы пенополистирольных образцов от количества циклов испытаний на морозостойкость в сухом состоянии	Рисунок 8 – Зависимость коэффициента теплопроводности пенополистирольных образцов от количества циклов испытаний на морозостойкость в сухом состоянии

При испытании пенополистирола на действие низких температур экспериментальные данные свидетельствуют о потере массы материала и ухудшении его физико-механических свойств.

Построенные изохроны ползучести пенополистирола свидетельствуют о том, что характер ползучести в исследуемом диапазоне напряжений является нелинейным и зависит от плотности упаковки и размера зерен вспененного стирола. Изохроны беспрессового пенополистирола с более плотной структурой обладают четко выраженной площадкой установившейся ползучести. Изохрона пенопласта, структура которого сложена из крупных синтетических зерен (диаметром более 8 мм) свидетельствует о дискретности деформаций прямого последействия, вызванных не только деформацией осевого сжатия, но и значительным развитием деформаций сдвига. При малых уровнях напряжений, соответствующих 10-30% от напряжения, процесс деформирования сопровождается плавным уменьшением скорости ползучести и асимптотическим стремлением деформаций к некоторому предельному значению установившейся относительной деформации. С увеличением напряжения происходит увеличение деформации, приводящее к уменьшению долговечности материала.

В четвертой главе предложен метод расчета долговечности теплоизоляционных материалов на основе пенополистирола. Согласно теории надежности для определения долговечности полимерных строительных материалов под предельным состоянием для теплоизоляционных материалов понимают состояние, при котором эти материалы перестают удовлетворять требованиям по теплозащите. В соответствии с этим неоднородность свойств полимерных материалов и их изменчивость при эксплуатационных воздействиях имеют вероятностную природу. На результат исследований влияет нестабильность климатических факторов (циклические колебания температуры, влажности и других факторов), представляющих собой случайный процесс.

Для определения количества расчетных циклов колебаний тем­пературы в сечении теплоизоляционного материала этот слой разбивается на элементарных частей. Разбивка теплоизоляции на слои происходит по следующему принципу.

Из расчета требуемого сопротивления теплопередаче согласно СНиП II-3-79* по условию энергосбережения определяется требуемая минимальная толщина утеплителя . В расчет долговечности предложено принимать толщину утеплителя, исходя из производственных (заводских) типоразмеров (некоторый запас толщины ), но не менее толщины, необходимой по расчету требуемого сопротивления теплопередаче. За толщину слоя принимается величина . При отказе первого слоя утеплителя сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции становится равным требуемому сопротивлению теплопередаче по СНиП II-3-79*. При дальнейшей эксплуатации ограждающей конструкции значение её сопротивления теплопередаче перестает удовлетворять требуемому расчетному значению. Наступает отказ по теплозащитным свойствам.

Долговечность ограждающей конструкции с применением полимерсодержащих теплоизоляционных материалов определяется как время, прошедшее от начала эксплуатации конструкции до исчерпания ресурса (наступления отказа) первого слоя теплоизоляции, выраженное коэффициентом теплопроводности, изменяющимся не более чем на 30% по сравнению с начальным значением. Физический смысл данных значений эксплуатационного ресурса заключается в том, что за пределами этих значений изменения теплопроводности во времени носят нелинейный характер.

Согласно методике цикличных температурно-влажностных испытаний, предложенных НИИСФ РААСН, один цикл испытаний, включающий двукратное понижение температуры до -40 °С, чередующееся с нагревом
до +40 °С и последующей выдержкой в воде, эквивалентен по температурно-влажностному воздействию 1 условному году эксплуатации теплоизоляционного материала в многослойной ограждающей конструкции.

По европейским нормам долговечность пенополистирола оценивается по изменению его физико-механических характеристик в процессе 300 циклов попеременного замораживания-оттаивания. Материал считают удовлетворяющим требованиям ASTM C151207 и EN 12091:2007 (идентичен ГОСТ Р ЕН ), если его прочность при сжатии снижается не более чем на 10% при прохождении испытаний. Методика определения долговечности заключается в попеременном замораживании при температуре минус 20°С и оттаивании в воде при температуре плюс 20°.

Предложено оценивать долговечность пенополистирольных изделий строительного назначения по смежной методике, учитывая экстремальность климатических условий России согласно которой один цикл испытаний, соответствующий температурно-влажностному воздействию 1 условного года эксплуатации пенополистирольного материала в многослойной ограждающей конструкции, включает плавное понижение температуры до -40±5 °С с криостатированием в течение 1 ч, дальнейшим нагревом до +20±2 °С и выдержкой в воде в течение 1 ч, а также последующим плавном подъеме температуры и теплостатированием при +50 °С в течение 1 ч. При этом материал следует считать удовлетворяющим эксплуатационным требованиям, если его свойства снижаются не более чем на 10% при прохождении испытаний.

Предельным состоянием теплоизоляционного материала следует считать состояние, при котором эти материалы, в том числе и стирольные пенопласты строительного назначения, перестают удовлетворять требованиям по теплозащите, т. е. изменением коэффициента теплопроводности λ.

В пятой главе представлены результаты исследований пожароопасности и токсичности пенополистирола. Показано, что изменение температуры, концентрации и давления кислорода на поверхности полимерной матрицы, влияет на процесс окислительной деструкции стирольных пенопластов. Влияние этих факторов усиливается с течением времени, вызванное их старением.

Пенополистирол является горючим материалом и имеет высокую теплоту сгорания ( > 39 МДж/кг), согласно EN ISO 1716:2002. При испытании согласно ГОСТ 12.1.044-89 пенополистирол теряет до 98% массы. Линейная скорость распространения огня по поверхности пенополистирола 1 см/сек, что объясняет чрезвычайно высокую скорость распространения огня. Самозатухающий пенополистирол в условиях пожара подвержен горению. Горение пенополистирола сопровождается обильным выделением густого чёрного дыма с выделением CO, свободного стирола, бензальдегида и аэрозолей, химический состав которых является ядовитым.

По результатам испытаний различных полистирольных материалов в натурных условиях пожара в продуктах горения обнаружены токсичные вещества, соответствующие классам токсической опасности Т2-Т3. Концентрация токсичных продуктов разложения, образованных внутри теплоизоляции, значительно уменьшается в результате доокисления (горения) и разбавления воздухом вне теплоизоляции.

Применяемые добавки антипиренов для производства самозатухающих разновидностей пенополистирола являются весьма токсичными веществами. Кроме этого при их разложении под действием высоких температур образуются смертельно ядовитые вещества.

Приведены рекомендации по применению пенополистирола в качестве строительного теплоизоляционного материала

ВЫВОДЫ

1. Разработанная физическая модель старения стиролсодержащих энергоэффективных материалов позволила установить, что основными факторами, влияющими на долговечность материала, являются естественная деструкция пенополистирола и действие агрессивной среды.

2. Проведенные всесторонние теоретические и экспериментальные исследования физико-механических свойств и структуры пенополистирола позволяют выявить наиболее эффективные области применения данного теплоизоляционного материала строительного назначения в зависимости от условий эксплуатации.

3. Детальное изучение макро - и микроструктуры пенополистирола при его старении позволило выявить основные физические закономерности деструкции полимерного материала.

4. Предложенная математическая модель, базирующаяся на применении метода цикличных температурно-влажностных испытаний, позволяет производить количественную оценку долговечности пенополистирольных материалов для теплоизоляции.

5. Проведенный аналитический и экспериментальный обзор пожароопасности и токсичности пенополистирола позволил выявить высокую степень пожарной опасности данного материала. Было обосновано, что применяемый в настоящее время в строительстве пенополистирол экологически опасен.

6. Доказано, что пенополистирол является эффективным теплоизолятором, но его применение в качестве теплоизоляционного материала строительного назначения не целесообразно и не безопасно.

7. Осуществлено внедрение результатов работы в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология изоляционных строительных материалов и изделий», «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре».

Основное содержание диссертационной
работы изложено в следующих публикациях:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,
определённых перечнем ВАК:

1. Гуюмджян, процесса старения пенополистирола в условиях ультрафиолетового и инфракрасного облучений [Текст] / , , // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, №4. Т.1 2010. – С. 92-96.

2. Коканин, реологических свойств пенопласта [Текст]/ // Журнал Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура, №4. 2010. – С. 59-66.

3. Гуюмджян, температуры, влажности, ультрафиолетового и инфракрасного облучений на старение пенополистирола [Текст] /
, // Научно-технический журнал Строительство и реконструкция, №6. 2010. – С. 77-83.

4. Гуюмджян, физико-механических свойств пенополистирола при водопоглощении [Текст] / , , // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, №1.
Т.1 2011. – С. 79-85.

5. Гуюмджян, пенополистирола при фото - и теплостарении [Текст] / , , // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, №1. Т.1 2011. – С. 86-91.

6. Гуюмджян, физико-механических свойств пенополистирола при теплостарении [Текст] / , ,
// Научно-технический журнал Вестник МГСУ, №1.
Т.1 2011. – С. 92-99.

7. Гуюмджян, старения пенополистирола под влиянием низких температур [Текст] / , ,
// Научно-технический журнал Строительство и реконструкция, №1. 2011. – С. 54-60.

8. Гуюмджян, теплофизических свойств пенополистирола при его старении [Текст] / , ,
// Научно-технический журнал Строительство и реконструкция, №2. 2011. – С. 69-75.

9. Гуюмджян, П. П. О пожароопасности полистирольных пенопластов строительного назначения [Текст] / , ,
// Научно-технический журнал Пожаровзрывобезопасность, №8. 2011. – С. 4-8.

в прочих изданиях:

10. Коканин, теплоизоляционных строительных материалов и изделий на основе пенополистирола [Текст] / , // Новые энерго - и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции/ ред. . – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2008. – С. 74-76.

11. Коканин, строительные материалы на основе пенополистирола: свойства и проблемы их применения [Текст] / , // 61 Республиканская научная конференция по проблемам архитектуры и строительства: программа и тезисы докладов. – Казань: КазГАСУ, 2009. – С. 136.

12. Коканин, современного состояния и применения пенополистирола как теплоизоляционного материала [Текст] / // (к 95-летию со дня рождения): материалы научных трудов Третьих Воскресенских чтений «Полимеры в строительстве». – Казань: КазГАСУ, 2009. – С. 41-42.

13. Коканин, , структура и свойства пенополистирола [Текст] / // (к 95-летию со дня рождения): материалы научных трудов Третьих Воскресенских чтений «Полимеры в строительстве». – Казань: КазГАСУ, 2009. – С. 43-44.

14. Коканин, С. В. О долговечности строительных материалов из пенополистирола [Текст] / // Энергия молодых - строительному комплексу: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых. – Братск: ГОУ ВПО «Братский государственный университет». – 2009. – С. 27-28.

15. Коканин, С. В. К вопросу исследования долговечности энергоэффективных полимерсодержащих ограждающих конструкций [Текст] / // Наука. Технологии. Инновации// Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 2 – С. 185-186.

16. Коканин, условий эксплуатации строительных конструкций на физико-механические свойства ограждающей теплоизоляции [Текст] / // Новые энерго - и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции/ ред. . – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. – С.

17. Коканин, С. В. О долговечности пенополистирольной теплоизоляции [Текст] / , // Строительная наука 2010: Материалы международной научно-технической конференции/ Под общ. ред. д-ра техн. наук . Влад. гос. ун-т. Владимир: ВлГУ, 2010. С. 110-113.

18. Коканин, пенополистирола [Текст] / // Энергия молодых - строительному комплексу: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых. – Братск: ГОУ ВПО «Братский государственный университет». – 2010. – С. 45-47.

19. Коканин, световой энергии на физико-механические характеристики пенополистирола [Текст] / , // Строительная наука – 2010: теория, практика, инновации Северо-Арктическому региону: сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010. – С. 201-205.

20. Коканин, С. В. О фотостарении пенополистирола в условиях инфракрасного облучения [Текст] / , // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Материалы V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных/ Под общ. ред. ёва. – Пенза: ПГУАС, 2010. – С. 111-114.

21. Коканин, С. В. О старении пенопластов строительного назначения [Текст] / , , // XVII международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа»: Материалы конференции: Иваново: ИГАСУ, 2010. – С. 104-106.

22. Коканин, физико-механических свойств пенополистирола при водопоглощении [Текст] / , // XVII международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа»: Материалы конференции: Иваново: ИГАСУ, 2010.– С. 107-109.

23. Коканин, твёрдости пенополистирола [Текст] /
, // XVII международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа»: Материалы конференции: Иваново: ИГАСУ, 2010. – С. 546-549.

24. Коканин, ползучести пенополистирола [Текст] /
, // XVII международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа»: Материалы конференции: Иваново: ИГАСУ, 2010. – С. 549-553.

25. Коканин, С. В. О фотостарении пенополистирола в условиях ультрафиолетового облучения [Текст] / , , // XVII международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа»: Материалы конференции: Иваново: ИГАСУ, 2010. – С. 553-556.

26. Коканин, состава и структуры теплоизоляционных материалов на основе пенополистирола в результате их эксплуатации [Текст] / , // Ученые записки инженерно-строительного факультета / Иван. гос. архит.-строит. ун-т. – Иваново, 2010. – Вып. 5. – С. 131-134.

27. Пискунов, пенополистирольных теплоизоляционных материалов [Электронный ресурс] / , , // Научно-образовательный журнал Вестник Ивановского института ГПС МЧС России, №1 (1

28. Пискунов, А. А. О выделении токсичных веществ пенополистирольных строительных материалов при воздействии высоких температур [Электронный ресурс] / , , // Научно-образовательный журнал Вестник Ивановского института ГПС МЧС России, №1 (1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Подписано в печать 20.09.2011. Формат 60 ´ 84 1/16.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

* 0