Определение показателей качества теплоизоляционных материалов и изделий: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра строительных материалов и технологий

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Технология производства изоляционных материалов и изделий» для студентов специальности 270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций

Санкт-Петербург – 2010

УДК 662.998 Определение показателей качества теплоизоляционных материалов и изделий: метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Технология производства изоляционных материалов и изделий» для студентов специальности 270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций / сост.: Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова, Н.А. Елистратов, В.Д. Староверов; СПб гос. архит.-строит. ун-т. – СПб, 2010. – 31 с. Изложены сведения об основных показателях качества теплоизоляционных материалов и изделий, рассмотрены способы определения основных свойств теплоизоляционных материалов, приведено описание и принцип действия применяемого лабораторного оборудования и приборов. Табл. 3. Ил. 10. Библиогр.: 35 назв.

ВВЕДЕНИЕ Требования к повышению тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии, являются важным объектом стандартизации в большинстве стран мира. Эти требования рассматриваются также с точки зрения охраны окружающей среды, рационального использования невозобновляемых природных ресурсов и уменьшения влияния «парникового» эффекта и сокращения выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу. В настоящее время на территории РФ действуют требования к тепловой защите зданий, принятые в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности ограждающих конструкций зданий и сооружений. Требования к тепловой защите затрагивают часть общей задачи энергосбережения в зданиях. Одновременно с созданием эффективной тепловой защиты, в соответствии с другими нормативными документами, принимаются меры по повышению эффективности инженерного оборудования зданий, снижению потерь энергии при ее выработке и транспортировке, а также по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путем автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом. Введенные в действие нормы и положения позволяют проектировать здания с рациональным использованием энергии путем выявления суммарного энергетического эффекта от использования архитектурных, строительных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. Существующие рекомендации по выбору уровня теплозащиты разработаны на основе теплового баланса здания, по расчету приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций, требований к конструктивным и архитектурным решениям зданий с точки зрения их теплозащиты с учетом использования современных теплоизоляционных материалов. Теплоизоляционными называют изделия и строительные материалы, которые предназначены для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, поверхностей различного оборудования и трубопроводов вследствие своей малой теплопроводности.

3

Понятие «теплоизоляция» связано с необходимостью контролировать процесс теплопереноса в случае превышения некоторого нормируемого предела теплопотерь или теплопоступлений. Теплоизоляционное изделие предназначено снижать теплоперенос через конструкцию, частью которой оно является. Пределы численных значений могут быть установлены для конкретных вариантов применения изделия. В некоторых случаях функции теплоизоляции выполняют материалы или системы, предназначенные для выполнения других функций. Например, несущая стена здания может соответствовать требованиям по теплоизоляции. Во многих случаях система может не соответствовать требованиям, предъявляемым к ней по теплопереносу. В этом случае для улучшения теплотехнических показателей системы необходимо дополнительно включать в её состав теплоизоляционный материал. В связи с введением новых требований по энергосбережению (значительно повышены требования к величине термического сопротивления) невозможно их соблюдение без применения эффективных теплоизоляционных материалов. Разнообразные теплоизоляционные материалы отличаются друг от друга строением, различными специфическими свойствами и особенностями, обуславливающими область их применения и техникоэкономическую эффективность. При выборе таких материалов следует учитывать, что на долговечность и стабильность теплофизических и физико-механических свойств оказывают существенное влияние условий эксплуатации: температурно-влажностный режим, возможность избыточного увлажнения теплоизоляционного материала, механические повреждения в процессе воздействия различного рода нагрузок. В настоящих методических указаниях изложены способы определения основных свойств теплоизоляционных материалов, а также приведено описание лабораторного оборудования и приборов, применяющихся при проведении опытов.

4

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ При определении показателей свойств теплоизоляционных материалов и изделий необходимо выполнение требований, приведенных ниже. 1. Все мелкоразмерные теплоизоляционные изделия следует подвергать испытанию целиком, а крупноразмерные – на образцах определенных формы и размеров, которые отбираются из изделия способом, регламентируемым нормативным документом на соответствующую продукцию, а в случае отсутствия указаний на методику изготовления образцов – наиболее удобным способом. Кроме этого сыпучие материалы подвергаются испытанию в своем естественном состоянии на средних пробах, отобранных из партии в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. 2. Температура воздуха в помещении, в котором проводят испытания, должна быть (23±5) 0С, время выдерживания образцов перед испытанием при определенной температуре и влажности воздуха указывается в нормативных документах на продукцию конкретного вида. Относительна влажность воздуха (50±5) %. 3. Образы (пробы) необходимо высушивать до постоянной массы при температуре (105±5) 0С, если в нормативных документах на продукцию конкретного вида не указана другая температура. Образцы (пробы) считают высушенными до постоянной массы, если потеря их массы после повторного высушивания в течение 0,5 ч не превышает 0,1 %. 4. За результат испытания показателя того или ионного показателя качества принимают среднее арифметическое значение параллельных определений, рассчитываемых для каждого попавшего в выборку изделия или упаковочной единицы. 5. Число изделий или упаковочных единиц, отобранных из партии, для проведения испытаний должно быть указано в нормативных документах на продукцию конкретного вида, в противном случае руководствуются требованиями ГОСТ 26281-84 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Правила приемки».

5

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Пористость Главная особенность большинства теплоизоляционных материалов – это их пористость. При этом большое значение имеет характер структуры пор материала, которая в зависимости от вида пор может быть ячеистой, зернистой или волокнистой. Для материала волокнистого строения (минеральная вата и т.п.) определение размеров пор и тем более характер их распределения по объему весьма затруднительно, и, как правило, такие материалы характеризуется лишь общей пористостью, величина которой может достигать (95-97) %. Зернистое строение присуще сыпучим теплоизоляционным материалам. Их общая пористость выражена интегральной величиной суммы межзерновых пустот и собственной пористости зерен. Для теплоизоляционных материалов ячеистой структуры важное значение, помимо величины общей пористости, играют величина пор, их характер и распределение по размерам. В пористых материалах различают истинную (общую) и открытую пористость, измеряемые в процентах. Истинная пористость (П0) – степень заполнения объема материала порами.

П0 = (1 −

ρср ) ⋅ 100 , ρи

(1)

где ρср – средняя плотность материала, г/см3; ρи – истинная плотность материала, г/см3. Открытая пористость (Пк) – это отношение объема пор, сообщающихся между собой и с атмосферой, к объему материала. Для определения величины открытой пористости в ванну на сетчатую подставку помещают высушенный до постоянной массы образец определенных размеров и фиксируют его положение сетчатым пригрузом. Затем заливают в ванну воду температурой (22±5) °С так, чтобы уровень воды был выше пригруза на (20-40) мм. Через 24 ч после залива воды образец взвешивают. При этом образцы из органических ячеистых материалов перед взвешиванием протирают фильтровальной бумагой, а образцы из других материалов переносят на подставку и через 30 секунд взвешивают на сухом поддоне, включая массу воды, вытекшей из образца во время взвешивания в поддон, в 6

массу насыщенного водой образца. Иначе, открытая пористость – объемное водопоглощение. Пк =

m1 − m0 1 ⋅ ⋅ 100 , V ρ H 2O

(2)

где m0 – масса образца в сухом состоянии, г; m1 – масса образца, насыщенного водой, г; V – объем образца, см3; ρ Н 2О – плотность воды, равная 1 г/см3. Для ускорения процесса определения величины открытой пористости возможно применять способ водонасыщения под вакуумом в вакуум-шкафе при создании в нем разряжения до 650 мм рт. ст. Разница между истинной и открытой пористостью дает значение условно-замкнутых (т.е. не сообщающихся между собой и с атмосферой) пор. Средняя и насыпная плотность Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. отношение массы вещества ко всему занимаемому им объему. Насыпная плотность – отношение массы сыпучего материала к занимаемому им объему. Насыпная плотность является характеристикой кусковых (дробленых, окатанных, гранулированных) и сыпучих порошкообразных твердых тел. В связи с тем, что объем сыпучего материала зависит от степени его уплотнения (высоты падения, толщины слоя и т.п.), влажности, гранулометрии и пр. факторов, то определение насыпной плотности необходимо выполнять в строго регламентируемых условиях. Значение насыпной плотности в совокупности с данными о плотности зерен позволяет рассчитать пустотность (объем межзерновых пустот) сыпучего материала. Косвенно, по значению величины средней плотности, можно судить об эффективности теплозащитных свойствах материала. Непосредственно плотность связана с пористостью материала, от характера которой зависят теплопроводность, сорбционная влажность, водопоглощение, морозостойкость, прочность, т.е. все те свойства, определяющие пригодность материала в качестве эффективной изоляции. 7

Средняя плотность жестких теплоизоляционных материалов Объем образцов правильной формы вычисляют по их геометрическим размерам. Размеры образцов определяют линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм. Объем образцов неправильной формы определяют с помощью объемомера или гидростатическим взвешиванием. Массу образцов определяют взвешиванием с погрешностью не более 0,1 %. Среднюю плотность образца, высушенного до постоянной массы, ρср вычисляют с погрешностью 1 кг/м3 по формуле 3. m ρср = 0 ⋅1000 , (3) V где m0 – масса высушенного образца, г. Плотность образца в состоянии естественной влажности ρw вычисляют с погрешностью до 1 кг/м3 по формуле 4.

ρw =

m ⋅ 1000, V ⋅ (1 + 0,01 ⋅ W )

(4)

где т – масса образца, г; W – влажность образца, %; V – объем образца, см3. Средняя плотность рыхлых волокнистых материалов Плотность волокнистого материала определяют при помощи толщиномера проб. Принципиальная схема измерительной установки толщины приведена на рисунке 1. При этом предварительно взвешенную пробу волокнистого материала массой (500±10) г укладывают горизонтальными слоями в цилиндр толщиномера. Через 5 мин выдержки материала под удельной нагрузкой (2000±30) Па производят с погрешностью не более 0,5 мм отсчет показания толщины пробы по шкале прибора. Объем рыхлого волокнистого материала под удельной нагрузкой (2000±30) Па вычисляют в кубических метрах с округлением до 0,0001 м3. Необходимо отметить, что значение давления должно быть указано в стандарте на конкретное изделие. Средняя плотность вычисляется по формулам 3, 4. Результат вычисления округляют до 1 кг/м3.

8

Рисунок 1. Измерительная установка, создающая заданное давление на изделие: 1 – жесткая рама; 2 – прибор с круговой шкалой; 3 – плоское жесткое основание; 4 – образец для измерений; 5 – квадратная пластина, создающая давление

Насыпная плотность зернистых и порошкообразных материалов Насыпную плотность определяют путем взвешивания зернистых материалов в мерных сосудах, размеры которых приведены в табл. 1. Объем мерного Размеры цилиндра, мм цилиндра, л Диаметр Высота 1 108 108 5 185 185 10 234 234 20 294 294 50 400 400

Таблица 1 крупность

Наибольшая зерен, мм Менее 5 От 5 до 10 Св.10 до 20 Св.20 до 40 Св.40

При определении насыпной плотности в стандартном неуплотненном состоянии материал насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см от верхнего края до образования над верхом цилиндра конуса. Конус без уплотнения песка снимают вровень с краями сосуда металлической линейкой, после чего сосуд взвешивают. Насыпную плотность (ρн) в кг/м3 вычисляют по формуле 5. m − m0 ρн = 1 , (5) V где т – масса мерного сосуда, кг; 9

т1 – масса мерного сосуда, заполненного неуплотненным материалом, кг; V – объем сосуда, м3. Прочность Теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают сравнительно невысокой прочностью, что, впрочем, не является серьезным недостатком, поскольку их задача заключается не в восприятии механических нагрузок, а в эффективной изоляционной работе при эксплуатации. Вместе с тем прочность теплоизоляционных материалов и изделий должна быть достаточной, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие при транспортировке и монтаже. Обычно значение величины прочности теплоизоляционный материалов колеблется в интервале от (0,2-0,3) МПа до (1-1,5) МПа, однако встречаются такие материалы, которые обладают пределом прочности 5 МПа, а в исключительный случаях – выше 10 МПа. Для широкого ряда номенклатуры теплоизоляционных материалов при характеристике их прочности достаточно определение двух показателей – предела прочности при сжатии и предела прочности при изгибе. При определении предела прочности при сжатии из изделия выпиливают образец в форме куба с размером ребра (100±1) мм, если в нормативном документе на конкретный вид продукции не указаны другие размеры. В общем случае толщина образцов, предназначенных для испытания, должна соответствовать толщине изделия, из которого вырезаны эти образцы. Линейный размер лицевых граней образцов должен быть не менее их толщины. Образцы изделий, имеющих покрытия, которые сохраняются в процессе эксплуатации, должны подвергаться испытанию с этими покрытиями. Также допускается при толщине изделия менее 100 мм составлять куб указанного размера из двух образцов в форме параллелепипеда высотой (50±5) мм. Две половины составного образца притирают друг к другу и измеряют длину каждого ребра штангенциркулем. В подготовленном для испытания образце длины всех параллельных ребер не должны различаться более чем на 0,5 мм. Длину и ширину верхнего и нижнего основания образца измеряют штангенциркулем по двум параллельным ребрам. Предел допускаемой погрешности измерения ±0,1 мм. Целый или составной по высоте образец устанавливают в испытательную машину так, чтобы сжимающее усилие было направлено 10

по вертикальной оси образца. Разрушающей считают наибольшую нагрузку, отмеченную при испытании образца в момент его разрушения. При этом испытательная машины должна обеспечивать скорость нагружения образца (5-10) мм/мин и позволять измерить значение нагрузки с погрешностью, не превышающей 1 % значения разрушающего усилия. Предел прочности при сжатии R в МПа (кгс/см2) вычисляют по формуле 6. P Rсж = , (6) l ⋅b где Р – разрушающая нагрузка , Н (кгс); l – длина образца, мм (см); b – ширина образца, мм (см). Результат испытания округляют до 0,01 МПа. Предел прочности при изгибе определяют на образах квадратного сечения с размером ребра (40±2) мм и длиной (200±3) мм. При толщине изделия менее 40 мм из него выпиливают образец шириной (40±2) мм и максимально возможной толщины. Перед испытанием образец подшлифовывают. Для органических ячеистых изделий образцы выпиливают длиной (160±1) мм, шириной и толщиной (30±1) мм, если в нормативных документах на изделия конкретного вида не указаны другие размеры. Ширину и толщину измеряют штангенциркулем в средней части двух противоположных граней образца. Предел допускаемой погрешности измерения ±0,1 мм. При проведении испытания образец укладывают на две цилиндрические опоры диаметром (10±0,1) мм. Расстояние между осями опор должно быть (160±1) мм. Нагрузка на образец должна передаваться через валик диаметром (10±0,1) мм, приложенный по всей ширине образца на равном расстоянии от опор и перемещающийся со скоростью (5-10) мм/мин. При испытании органических ячеистых изделий образец устанавливают на опоры так, чтобы концы образца выходили за оси опор не менее чем на 15 мм. При этом расстояние между опорами должно быть (120±1) мм, радиус закругления опор – (6±0,1) мм. Допускается изменение диаметра опор и расстояния между ними, если в нормативных документах на конкретные виды продукции установлены другие размеры образцов.

11

Разрушающей считают наибольшую нагрузку, отмеченную при испытании образца в момент его разрушения. Предел прочности при изгибе Rизг в МПа (кгс/см2) вычисляют по формуле 7. 3 P ⋅l , (7) Rизг = ⋅ 2 b ⋅ h2 где Р – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l – расстояние между осями опор, мм (см); b – ширина образца, мм (см); h – высота образца, мм (см). Результат испытания округляют до 0,01 МПа. При испытании минераловатных и стекловатных плит на синтетическом связующем из плиты вырезают образец в форме параллелепипеда длиной (300±3) мм, шириной (150±1,5) мм и толщиной, равной толщине плиты. Образец вырезают в произвольном месте плиты, но не ближе 50 мм от его края. Длину и ширину образца измеряют металлической линейкой, толщину – прибором для измерения толщины. Выраженные в миллиметрах результаты измерений округляют до ближайшего целого числа. Затем образец укладывают на две цилиндрические опоры диаметром (30±5) мм. Если образец имеет обкладку, то его кладут на опоры обкладкой вверх. Опоры должны быть прямыми, ровными для того, чтобы в процессе испытания не нарушался контакт образца с опорами. Длина каждой опоры должна быть не менее 150 мм. Расстояние между осями опор должно быть (250±1) мм. При испытании образцов, вырезанных из плит, толщина которых более 50 мм, расстояние между осями опор должно быть равно толщине плиты, умноженной на пять. Прикладывают к образцу силу при помощи нагружающего устройства, представляющего собой цилиндр, диаметр и длина которого равны соответственно диаметру и длине опоры. Скорость перемещения нагружающего устройства должна быть (9-11) мм/мин. Разрушающей считают наибольшую нагрузку, отмеченную при испытании образца в момент его разрушения. Кроме приведенных выше испытаний для неорганических волокнистых и органических ячеистых теплоизоляционных изделий, когда невозможно довести образец до разрушения, определяют прочность на сжатие при 10%-ной деформации: отношение значения сжи12

мающей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца при его 10%-ной относительной деформации при условии, что 10%-ная относительная деформация достигнута до начала возможной пластической деформации или разрушения образца. Т.е. выполняют измерение значения сжимающих усилий, вызывающих деформацию образца по толщине на 10 % при соответствующих условиях испытания. Для проведения испытания из изделия выпиливают образец в форме параллелепипеда длиной и шириной (100±1) мм и толщиной, равной толщине изделия. Для органических ячеистых изделий изготавливают образцы размерами [(50 х 50 х 50)±1] мм, не имеющих уплотненного верхнего слоя (для изделий номинальной толщиной более 50 мм) и размером [(40 х 40 х 40)±1] мм (для изделий номинальной толщиной 50 мм), если в нормативных документах на изделия конкретного вида не указаны другие размеры. Для проведения испытания образец помещают в машину таким образом, чтобы сжимающее усилие действовало по вертикальной оси образца, и измеряют нагрузку, при которой он уплотняется (деформируется) на 10 %. Измерение деформации образца производят индикатором часового типа. Отчет деформации образцов начинают при удельной нагрузке на образец (2000±100) Па (кроме образцов органических ячеистых изделий). Прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации σ10 в МПа (кгс/см2) вычисляют по формуле 8. P σ10 = , (8) lb где Р – нагрузка при 10 %-ной линейной деформации, Н (кгс); l – длина образца, мм (см); b – ширина образца, мм (см). Результат испытания округляют до 0,01 МПа. Для определения прочности на сжатии при 10%-ной деформации теплоизоляционных плиты из минеральной и стеклянной ваты на синтетическом связующем из плиты вырезают образец в форме параллелепипеда длиной и шириной (100±1) мм и толщиной, равной толщине плиты. Допускается проведение испытания на образце большего размера, длина и ширина которого не превышает (300±3) мм, а толщина равна толщине плиты. Плиты с обкладками могут быть испытаны без предварительного удаления обкладок. Если результаты испытания образцов с об13

кладками неудовлетворительны, то испытание повторяют на образцах, вырезанных из плит, обкладки которых предварительно удалены. Определяют первоначальную толщину d1 образца под удельной нагрузкой 100 Па. Прилагают к образцу равномерно распределенную удельную нагрузку (20±0,3) кПа. Выдерживают образец под этой нагрузкой при температуре (23±2) °С и относительной влажности воздуха (60±10) % в течение 24 ч. Определяют толщину d2, образца под этой удельной нагрузкой по истечении 24 ч. В течение последующих 24 ч образец выдерживают под удельной нагрузкой (20±0,3) кПа при температуре (80±2) °С. По истечении 24 ч определяют толщину d3 образца под этой удельной нагрузкой. Вычисляют относительное изменение толщины d образца после его выдерживания в течение 24 ч при температуре 23 °С по формуле 9. d −d (9) d = 1 2 ⋅ 100 , d1 Вычисляют относительное изменение толщины d' образца после его выдерживания в течение 24 ч при температуре 80 °С по формуле 10. d − d3 (10) d' = 2 ⋅ 100 , d2 Выраженные в процентах результаты вычислений округляют до целого числа. Прочность при растяжении перпендикулярно к лицевым поверхностям. Это отношение максимального значения силы растяжения, действующей перпендикулярно к лицевым поверхностям образца, к площади поперечного сечения образца. Образец, предназначенный для испытания, приклеивают лицевыми гранями к жестким пластинам или блокам как показано на рисунке 2, устанавливают в разрывную машину и растягивают в противоположные стороны со скоростью 10 мм/мин. Регистрируют максимальное значение силы растяжения и вычисляют прочность образца при растяжении.

14

а

b 1 – жесткая пластина; 2 – клеящее вещество;

1 – болт; 2 – соединительный стержень; 3 – металлические блоки; 3 – образец для испытания; 4 – жесткая пластина 4 – клеящее вещество; 5 – образец для испытания Рисунок 2. Примеры приспособлений для крепления образца

В случаях, когда необходимо определить, обладают ли изделия достаточной прочностью, чтобы выдерживать напряжения, возникающие при их транспортировании и проведении строительных работ, определяют прочность при растяжении параллельно лицевым поверхностям – это отношение максимального значения силы, действующей при растяжении образца параллельно лицевым поверхностям, к площади поперечного сечения рабочего участка образца. Для этого образец для испытания закрепляют в двух зажимах, устанавливают в разрывную машину как показано на рисунке 3, а затем растягивают в противоположные стороны с заданной скоростью. При этом форма и размеры испытуемых образцов должны соответствовать схеме, приведенной на рисунке 4. Для изделий небольших размеров или при ограниченных возможностях средств испытаний длину и ширину образцов необходимо уменьшать пропорционально при минимальной длине образцов 500 мм.

15

Рисунок 3. Пример применяемого зажима

а – рабочий участок Рисунок 4. Форма и размеры испытуемого образца

Водопоглощение В настоящее время на территории Российской Федерации действуют два нормативных документа, регламентирующих метод определения водопоглощения, – это ГОСТ 17177-94 и ГОСТ Р ЕН 16092008. Применение последнего стандарта позволяет получить адекватную оценку качества теплоизоляционных материалов, изготавливаемых в Российской Федерации и странах ЕС, устранить технические барьеры при ведении коммерческой деятельности на рынке производителей теплоизоляционных материалов; обеспечить конкурентоспособность российской продукции на международном рынке; активизировать участие Российской Федерации в работе по международной стандартизации. 16

Так, например, в ГОСТ 17177 рассматривается метод определения водопоглощения при полном погружении образца в воду за 24 часа, так и метод при частичном погружении в воду за 24 часа. В ГОСТ Р ЕН 1609 рассматривается метод стекания воды (метод А) и метод вычитания массы первоначально поглощенной воды (метод В). При проведении испытаний по методу А половину всех образцов помещают в емкость одной из лицевых граней вниз, а вторую половину образцов – противоположной гранью вниз. Образец помещают в пустую емкость на подставки и при помощи пригруза прикладывают нагрузку, достаточную для удержания образца в состоянии частичного погружения в воде. Осторожно добавляют в емкость воду до тех пор, пока нижняя грань образца не будет находиться на (10±2) мм ниже поверхности воды (см. рисунок 5). Во время испытаний уровень воды должен оставаться постоянным. Через 24 ч образец извлекают из воды и удаляют из него излишнюю воду, поместив на (10,0±0,5) мин в вертикальном положении на сетку, установленную под углом 45°, как показано на рисунке 6. Затем образец вновь взвешивают, определяя массу.

Рисунок 5. Устройство для испытания образцов при частичном погружении: 1 – емкость с водой; 2 – пригруз, удерживающий образец в частично погруженном положении; 3 – образец

17

Рисунок 6. Приспособления для стекания воды: 1 – сетка из нержавеющей стали; 2 – образец; 3 – перфорированные листы из нержавеющей стали

При использовании метода В образцы взвешивают с погрешностью не более 0,1 г для определения первоначальной массы. При проведении испытания половину всех образцов помещают в емкость одной из лицевых граней вниз, а вторую половину – противоположной гранью вниз. Образец помещают в емкость с водой так, чтобы его нижняя грань была погружена на (10±2) мм ниже уровня воды. Через 10 с образец извлекают из воды, удерживая его в горизонтальном положении, и в течение 5 с помещают на пластмассовый поддон известной массы. Взвешивают поддон вместе с образцом для определения массы образца с учетом первоначально поглощенной воды. Образец вторично помещают в емкость с водой и при помощи пригруза удерживают его частично погруженным в воду на (10±2) мм ниже уровня воды (см. рисунок 5). Во время испытаний уровень воды должен оставаться постоянным. Через 24 ч образец извлекают из воды, держа его в горизонтальном положении, и помещают в течение 5 с на пластмассовый поддон известной массы для определения общей массы. Метод В применяют в случае, если первоначальное водопоглощение менее или равно 0,5 кг/м. Также может быт определено водопоглощение и при длительном погружении (за 28 суток) образца в воду по ГОСТ Р ЕН 120872008. Паропроницаемость В настоящее время для теплоизоляционных материалов при определении характеристик паропроницаемости следует пользоваться ГОСТ Р ЕН 12086-2008, однако этот стандарт не отменяет ГОСТ 25898-83, который имеет более широкую область применения, т.к. распространяется на различные виды строительных материалов и из18

делий (листовые, пленочные, лакокрасочные и др.) и который применяют, когда это технически и экономически целесообразно и обоснованно. ГОСТ Р ЕН 12086 применяют для однородных материалов и слоистых изделий или изделий с облицовкой из различных материалов. Метод, приведенный в данном стандарте, как правило, не применяют для определения характеристик паропроницаемости отдельных пароизоляционных материалов заводского изготовления с высоким сопротивлением диффузии пара, например, пленок, фольги, мембран или листов, вследствие большой продолжительности испытаний. Плотность потока водяного пара и относительная паропроницаемость являются характеристиками, зависящими от толщины образца (изделия), подвергаемого испытанию. Паропроницаемость однородных изделий является свойством материала. Для определения паропроницаемости образец герметизируют до боковой поверхности испытательной чашки, содержащей влагопоглотитель или насыщенный водный раствор соли. Чашку с образцом помещают в условия регулируемых температуры и влажности. Вследствие разности между парциальными давлениями водяного пара, возникающей при указанных условиях, поток водяного пара проходит через образец. Для определения плотности потока водяного пара периодически проводят взвешивание чашки с образцом до достижения равновесного состояния. Условия испытаний выбирают по таблице 2.

19

Таблица 2 Вид усло- Обозначение Температура, Относительная влажность, % вий испыусловий °С Сухая среда* Влажная тания испытания среда А 23-0/50 23±1 0 50±3 В 23-0/85 23±1 0 85±3 С 23-50/93 23±1 50±3 93±3 *При относительной влажности 0 % допускаемые отклонения влажности отсутствуют, так как указанное условие создают с помощью влагопоглотителя. Примечания 1. Для гигроскопичных изделий рекомендуется применять как условия А так и С, так как результаты испытаний зависят от условий испытаний. 2. Если необходимо моделировать специальные условия применения изделий, то эти условия (температура и относительная влажность воздуха) могут быть согласованы между заинтересованными сторонами. 3. Для создания указанных выше значений относительной влажности воздуха при температуре 23 °С могут быть использованы следующие виды влагопоглотителей и водные насыщенные солевые растворы (большое количество нерастворившейся соли обязательно): Относительная влажность, % Влагопоглотители: 0 1) Пентоксид фосфора Р О 0 2) Хлорид кальция CaCI 0 3) Перхлорат магнезии Mg(СlO ) Водные солевые растворы (насыщенные солевые растворы с большим количеством нерастворившейся соли): 52 1) Дихромат натрия Na Cr O ·2Н О: 2) Хлорид калия KCI: 85 93 3) Фосфат дигидроген аммония NH H PO 94 4) Нитрат калия KNO

Влагопоглотитель или водный насыщенный солевой раствор помещают на дно испытательной чашки слоем толщиной не менее 15 мм. С помощью расплавленного парафина образец крепят к боковой поверхности чашки. Воздушное пространство между влагопоглотителем и образцом должно быть (15±5) мм. Чашку с образцом выдерживают в шкафу в течение от 1 до 24 ч. Взвешивают чашку с образцом с погрешностью не более 1 мг или в случае применения испытательной чашки большего размера – в зависимости от общей массы чашки с образцом. Периодически взвешивают чашку с образцом с интервалом 20

не менее 24 ч. Если температура помещения, в котором проводят взвешивание, поддерживается в пределах ±2 °С номинальной температуры испытания, то чашку с образцом взвешивают внутри или вне шкафа. Если взвешивание проводят вне шкафа, то чашку с образцом необходимо вновь поместить в шкаф по возможности быстрее. Необходимо следить, чтобы время нахождения чашки с образцом вне шкафа не оказывало влияния на результаты испытания. Взвешивание продолжают до тех пор, пока результаты пяти последовательных определений изменения массы чашки с образцом за единицу времени не будут постоянными и будут находиться в пределах ±5 % среднего значения для данного образца. Строят график зависимости изменения массы образца от времени выдержки чашки с образцом в шкафу для подтверждения постоянства изменения массы (стационарный режим). Теплопроводность Основное свойство теплоизоляционных материалов – это низкая способность проводить теплоту. Количество теплоты, которое передается за единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, называется теплопроводностью. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, измеряемом в Вт/(м*К). В строительной индустрии теплопроводность учитывается при расчете ограждающих конструкций, обеспечивающих тепловую изоляцию зданий и сооружений, при расчете теплопотерь через поверхности тепловых агрегатов и тепловых магистралей и пр. На величину теплопроводности оказывают влияние плотность материала, вид, размер и расположение пор, химический состав и молекулярная структура твердых составных частей, коэффициент излучения поверхностей, ограничивающих поверхности, вид и давление газа в порах. Но преобладающее влияние на величину теплопроводности имеют температура и влажность: при повышении температуры и/или влажности теплопроводность значительно возрастает, а, следовательно, теплозащитные свойства материалов существенно снижаются. Так как теплопроводность воздуха примерно в 20 раз меньше теплопроводности, например, керамического черепка, то с увеличением пористости теплопроводность твердых тел снижается. Наличие крупных пор ведет к повышению теплопроводности системы вслед21

ствие увеличения доли теплопередачи конвекцией, в то время как мелкие поры оказывают существенное сопротивление теплопереносу (снижение доли теплопередачи излучением). На теплопроводность оказывает влияние не только размер пор, но и непрерывистость поровой структуры. Так, например, в сыпучих и волокнистых материалах, в которых воздух представляет непрерывную среду, размер пор, а, следовательно, размер частиц и толщина волокон практически не оказывает влияния на теплопроводность материалов при нормальных температурах. При высоких температурах размер зерен становится значимым фактором, теплопроводность же собственно твердой фазы имеет второстепенное значение. В таблице 3 приведены данные о теплопроводности некоторых строительных материалов. Наименование материала

Таблица 3 Характеристика в сухом состоянии Плотность, Удельная те- Коэффицикг/м3 плоемкость, ент теплокДж/кг*0С проводности, Вт/м*0С

Бетон на природном пористом заполнителе (пемзобнтон) Бетон на искусственном пористом заполнителе (керамзитобетон) Перлитобетон Газобетон Экструдированный пенополистирол Пенополистирол Пенополиуретан Пеностекло Плиты древесноволокнистые

800

0,84

0,19

800

0,84

0,21

800 800

0,84 0,84

0,16 0,21

40

1,45

0,032

40 40 400 800

1,34 1,47 0,84 2,30

0,038 0,029 0,11 0,13

Все существующие методы определения теплопроводности строительных материалов делятся на методы стационарного и нестационарного теплового режима. Стационарный тепловой режим – режим, при котором все рассматриваемые теплофизические параметры не меняются со временем. Сущность метода заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенных размеров 22

и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца. По величине теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность по формуле 11. Как правило, исследуемый образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда, лицевые грани которого – квадрат с размерами 100х100, 150х150 или 250х250 мм, при этом конструктивные особенности существующих приборов накладывают ограничения на толщину образцов, которая должна находиться в пределах от 3 до 50 мм.

d ⋅q , (11) ∆T где λ – коэффициент теплопроводности (эффективная теплопроВт ; водность), м⋅К d – толщина образца, м; q – плотность стационарного теплового потока, проходящего через испытываемый образец, Вт/м2; ∆Т – разность температур между противоположными гранями образца. Приборы для измерения при стационарном тепловом режиме состоят из измерительной ячейки, в конструкцию которой входят теплозащитный кожух, нагреватель и холодильник, а также электронного блока с графическим индикатором.

λ=

Типовой порядок проведения измерений при стационарном тепловом режиме 1. Для проведения испытаний изготавливают образцы, размеры которого соответствуют конструктивным особенностям прибора. Следует учитывать, что при измерении теплопроводности наибольший вклад в погрешность вносят боковые потери, обусловленные неидеальной тепловой изоляции измерительной ячейки, и термическое сопротивление переходов образец-нагрватель и образец-холодильник, вызванные неплоскостностью рабочих поверхностей образца. Исходя из этого, для проведения измерений с наименьшей погрешностью, предъявляются жесткие требования по отклонениям граней по параллельности и плоскостности: в случае разнотолщинности и отклонений от плоскостности образцы дополнительно шлифуют. 23

2. Установить образец в измерительную ячейку и прижать его с требуемым усилием фиксирующим винтом. 3. Включить питание электронного блока и перейти в режим «ИЗМЕРЕНИЕ». 4. Как правило, в режиме «ИЗМЕРЕНИЕ» предварительно вводятся характеристики испытываемого материала (толщину образца, диапазон ожидаемого значения теплопроводности или температуры нагревателя и холодильника) с целью ускорения процесса замера. После чего автоматически включается режим измерения. 5. Выполнение стабилизации температур и непосредственно измерения (контроль за тепловым потоком осуществляется автоматически). 6. По окончании измерения после непродолжительной математической обработки полученных данных на экране выводится рассчитанное значение теплопроводности. Одновременно с выводом на экран дисплея значение теплопроводности записывается в энергонезависимую память прибора. Создание нестационарного теплового режима основано на зависимости температуры внедренного в материал нагреваемого тела (цилиндрического зонда) от теплопроводности окружающего зонд материала, т.е. в этом случае измеряется скорость изменения температуры зонда, погруженного в испытываемый материал, за определенное время при его нагреве с постоянной мощностью. Современные приборы для определения теплопроводности цилиндрическим зондом состоят из электронного блока, в состав которого входят схемы измерения, контроля и регулирования мощности нагрева, трубки-оболочки – измерительного зонда и источника питания. Непосредственно зонд состоит из нагревателя и датчика температуры, заключенных в тонкостенную металлическую трубку из нержавеющей стали. При проведении испытаний необходимо обеспечить надежный термический контакт зонда с материалом, для чего поверхность зонда смазывают тонким слоем теплопроводящей пасты, либо технического вазелина, солидола, литола, глицерина, графитной смазки.

Типовой порядок проведения измерений тепловым зондом 1. Для проведения испытаний в изделии (образце) сверлится отверстие, соответствующее длине и диаметру зонда (допускается фор24

мировать отверстие с помощью шаблонов, закладываемых при формовании образца). 2. Ввести зонд в подготовленный образец, обеспечив при этом надежный термический контакт. 3. Подключить тепловой зонд и сетевой блок питания к электронному блоку, после чего включить питание прибора и перейти в режим «ИЗМЕРЕНИЕ». 4. Как правило, в режиме «ИЗМЕРЕНИЕ» предварительно вводятся характеристики испытываемого материала (его наименование, плотность, диапазон ожидаемого значения теплопроводности) с целью изменения мощности нагревателя зонда. Теоретически результат измерений не должен зависеть от установленного вида материала (т.е. от мощности нагревателя), но при завышенной мощности нагревателя в процессе измерений материал сильно разогреется, что приведет к искажению результата измерений. 5. После выполнения предварительных операций перейти в режим «ПУСК». После чего происходит автоматическая стабилизация процесса измерения (стабилизация-выравнивание температуры зонда и образца). Стабилизация температуры перед измерением позволяет повысить точность результатов. 6. Выполнение измерения. 7. По окончании измерения после непродолжительной математической обработки полученных данных на экране выводится рассчитанное значение теплопроводности. Одновременно с выводом на экран дисплея значение теплопроводности записывается в энергонезависимую память прибора. Определение теплопроводности в образцах и изделиях методом теплового зонда осуществляют при помощи приборов нового поколения таких, как МИТ-1, ИТП-МГ4 «Зонд» (рис. 7, 8) и др. В этих приборах схемы измерения, контроля и регулировки выполнены в едином электронном блоке, зонд состоит из нагревателя и датчика температуры, заключенных в тонкостенную металлическую трубку; результат измерения выводится непосредственно в окне графического дисплея. Также разработано новое поколение приборов для определения теплопроводности при стационарном тепловом режиме. Примером этого могут служить измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250», ИТС-1 (рис. 9, 10). 25

Рисунок 7. Внешний вид прибора «МИТ-1»

Рисунок 8. Внешний вид прибора ИТП-МГ4 «Зонд»

26

Рисунок 9. Внешний вид прибора ИТП-МГ4 «250» (ИТП-МГ4 «100»)

Рисунок 10. Внешний вид прибора ИТС-1

27

Рекомендуемая литература и нормативная документация 1. Глуховский В.Д., Руднова Р.Ф., Шейнич Л.А., Галевера А.Г. Основы технологии отделочных тепло- и гидроизоляционных материалов. – Киев, 1986. 2. Горлов Ю.П. Лабораторный практикум по технологии теплоизоляционных материалов. – М., 1982. 3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. – М., 1987. 4. Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. – М., 1982. 5. Соков В.Н., Лабзина Ю.В., Федосеев Г.П. Лабораторный практикум по технологии отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов. – М., 1991. 6. Рекомендации по комплексному определению теплофизических характеристик строительных материалов / НИИ строит. физики. - М.: Стройиздат, 1987. 7. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учебн. пособие для инж.-физ. и энергомашиностроит. спец. вузов / Ю.Ф. Гартышев, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др. Под ред. В.К. Щукина. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 8. ГОСТ 4.201-79. СПКП. Строительство. Материалы и изделия теплоизоляционные. Номенклатура показателей. 9. ГОСТ 4640-93*. Вата минеральная. Технические условия. 10. ГОСТ 9573-96. Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем теплоизоляционные. Технические условия. 11. ГОСТ 10140-2003. Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на битумном связующем. Технические условия. 12. ГОСТ 10499-95. Изделия теплоизоляционные из стеклянного штапельного волокна. Технические условия. 13. ГОСТ 16136-2003. Плиты перлитобитумные теплоизоляционные. Технические условия. 14. ГОСТ 16381-77*. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования. 15. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. 16. ГОСТ 20916-87. Плиты теплоизоляционные из пенопласта на основе резольных фенолформальдегидных смол. Технические условия. 17. ГОСТ 21880-94*. Маты прошивные из минеральной ваты теплоизоляционные. Технические условия. 18. ГОСТ 22950-95. Плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем. Технические условия. 19. ГОСТ 25820-2000. Бетоны легкие. Технические условия. 20. ГОСТ 30256-94. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности цилиндрическим зондом. 28

21. ГОСТ 30290-94. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности поверхностным преобразователем. 22. ГОСТ Р ЕН 823-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения толщины. 23. ГОСТ Р ЕН 824-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения отклонения от прямоугольности. 24. ГОСТ Р ЕН 825-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения отклонения от плоскостности. 25. ГОСТ Р ЕН 826-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы определения характеристик сжатия. 26. ГОСТ Р ЕН 1604-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения стабильности размеров при заданной температуре и влажности. 27. ГОСТ Р ЕН 1607-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении перпендикулярно к лицевым поверхностям. 28. ГОСТ Р ЕН 1608-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении параллельно лицевым поверхностям. 29. ГОСТ Р ЕН 1609-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения водопоглощения при кратковременном и частичном погружении. 30. ГОСТ Р ЕН 12085-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы измерения линейных размеров образцов, предназначенных для испытаний. 31. ГОСТ Р ЕН 12086-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик паропроницаемости. 32. ГОСТ Р ЕН 12087-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы определения водопоглощения при длительном погружении. 33. ГОСТ Р ЕН 12089-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик изгиба. 34. ГОСТ Р ЕН 12090-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения характеристик сдвига. 35. ГОСТ Р ЕН 12430-2008. Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при действии сосредоточенной нагрузки.

29

Приложение Таблица для перевода показателей индикатора в нагрузку (кгс) Показатель 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 индикатора 0 0,16 0,31 0,47 0,62 0,78 0,94 1,09 1,25 1,4 0 1,56 1,72 1,88 2,04 2,20 2,34 2,50 2,66 2,81 2,97 10 3,12 3,28 3,44 3,60 3,76 3,91 4,07 4,22 4,37 4,53 20 4,70 4,85 5,00 5,15 5,31 5,47 5,63 5,80 5,95 6,10 30 6,25 6,40 6,56 6,72 6,88 7,00 7,20 7,35 7,50 7,66 40 7,80 7,98 8,13 8,30 8,45 8,60 8,75 8,90 9,05 9,21 50 9,37 9,53 9,69 9,84 10,00 10,20 10,30 10,50 10,65 10,80 60 10,98 11,10 11,30 11,45 11,60 11,75 11,90 12,01 12,20 12,36 70 12,50 12,68 12,85 13,00 13,15 13,30 13,45 13,60 13,75 13,90 80 14,05 14,20 14,35 14,50 14,65 14,85 15,00 14,15 15,30 15,45 90 15,60 15,80 16,00 16,15 16,30 16,45 16,60 16,75 16,90 17,10 100 17,22 17,40 17,55 17,70 17,85 18,00 18,15 18,30 18,45 18,60 110 18,80 18,95 19,10 19,25 19,40 19,55 19,75 19,85 20,00 20,05 120 20,22 20,40 20,58 20,73 20,90 21,06 21,20 21,38 21,53 21,70 130 21,86 22,01 22,17 22,33 22,48 22,64 22,80 22,95 23,11 23,27 140 23,42 23,58 23,74 23,89 24,05 24,21 24,36 24,52 24,58 24,86 150 24,99 25,14 25,30 25,46 25,62 25,77 25,93 26,08 26,24 26,40 160 26,55 26,71 26,87 27,02 27,18 27,34 27,49 27,65 27,81 27,96 170 28,12 28,28 28,43 28,59 28,75 28,90 29,06 29,22 29,37 29,53 180 29,69 29,84 30,00 30,16 30,31 30,47 30,63 30,78 30,94 31,09 190 31,25 31,41 31,56 31,72 31,88 32,03 32,19 32,34 32,50 32,66 200 32,81 32,97 33,13 33,28 33,44 33,59 33,75 33,91 34,06 34,22 210 34,38 34,53 34,69 34,84 35,00 35,16 35,31 35,47 35,63 35,78 220 35,94 36,09 36,25 36,41 36,56 36,72 36,88 37,03 37,19 37,34 230 37,50 37,66 37,81 37,97 38,13 38,28 38,44 38,59 38,75 38,91 240 39,06 39,22 39,38 39,53 39,69 39,84 40,00 ------250 Для перевода кгс в Н необходимо умножить табличные значения на 9,8.

30

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение Общие положения Показатели качества теплоизоляционных материалов и изделий Пористость Средняя и насыпная плотность Прочность Водопоглощение Паропроницаемость Теплопроводность Рекомендуемая литература и нормативная документация Приложение Оглавление

31

3 5 6 6 7 10 16 18 21 28 30 31

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Составители: Пухаренко Юрий Владимирович Аубакирова Ирина Утарбаевна Елистратов Николай Алексеевич Староверов Вадим Дмитриевич

Редактор Корректор Компьютерная верстка

Подписано к печати 27.10.2010. Формат 60*84 1/16. Бум. офсет. Усл.-печ. л. 1,9. Уч.-изд. л. 1,9. Тираж 120 экз. Заказ Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.