Эффективные двухслойные минераловатные изделия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Кутьев, Сергей Павлович

• Кутьев, Сергей Павлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кутьев, Сергей Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Теплоизоляционные материалы из минеральной ваты в строительстве.

1.2. Развитие производства минеральной ваты и изделий из нее.

1.3. Требования к минераловатным изделиям на разных этапах строительства.

1.4. Рабочая гипотеза и задачи исследования.

1.5. Методы исследований и исходные материалы.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЖЕСТКИХ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

2.1. Теоретические положения упругости двухслойных изделий.

2.2. Теоретические положения теплопроводности двухслойных изделий.

2.3. Структура и свойства двухслойных изделий.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА.

3.1. Исследование деформативных свойств однослойных минераловатных изделий под нагрузкой.

3.2. Исследование влияния параметров структуры на теплотехнические свойства однослойных минераловатных изделий.

3.3. Комплексная оценка прочностных и теплотехнических свойств однослойных минераловатных изделий.

Глава 4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДВУХСЛОЙНОЙ МИНЕР АЛОВ АТНОЙ ПЛИТЫ.

4.1. Исследование деформативных свойств двухслойных минераловатных изделий под нагрузкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффективные двухслойные минераловатные изделия»

Спрос на теплоизоляционные изделия в мире постоянно растет. Это связано с ограниченными возможностями производства тепловой энергии при постоянном росте ее потребления. В настоящее время наибольшим спросом пользуются жесткие минераловатные плиты. Высокие требования к механической прочности теплоизоляционных плит обычно решаются за счет увеличения плотности изделий и содержания связующих веществ, что часто приводит к возрастанию теплопроводности. Это, в свою очередь, приводит к увеличению расчетной толщины теплоизоляционного слоя. Большая толщина теплоизоляции увеличивает материалоемкость строительства, трудоемкость работ, общую массу и толщину конструкций и т.д. Высокое содержание связующих веществ ведет к горючести материала и к повышению его токсичности.

В Европе в условиях жесткой конкуренции производство минеральной ваты быстро развивалось. Качественный переход произошел примерно в 50-х годах, при массовом переориентировании производства с доменных шлаков на горные породы базальтовой группы. Это было направлено на улучшение микро- и макроструктуры материала, снижение расхода и токсичности связующего, уменьшение энергоемкости производства. Нормативные документы разрабатывались и регулярно выпускались с учетом растущих требований к качеству.

В России внедрение новых технологий производства высококачественных теплоизоляционных изделий на основе минеральной ваты началось менее 20-ти лет назад, и, по ряду причин, еще не достигло европейского уровня. Данный факт свидетельствует о том, что существует большой потенциал оптимизации параметров готовых изделий для создания высокоэффективного теплоизоляционного материала.

Особенно остро вопрос создания эффективных минераловатных изделий стоит в связи с массовым внедрением волокнистых теплоизоляционных материалов на основе минеральной ваты в кровельные системы и системы наружного утепления стен. Для таких систем требуются изделия отвечающие комплексу физико-механических и теплофизических требований.

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.

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.

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.

Для проверки лабораторных исследований на предприятии ООО «Роквул Север» г. Выборг, Ленинградской области, являющимся структурным подразделением ЗАО «Минеральная вата» была выпущена и испытана опытно-промышленная партия теплоизоляционных изделий.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на:

Четвертой Международной (IX межвузовской) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Москва, МГСУ, 2006 г.). Доклад отмечен почетной грамотой.

Международной научно-практической конференции «Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ», Москва, МГСУ, 2006 г.

Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Москва, МГСУ, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

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.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Кутьев, Сергей Павлович

выводы

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

2. Получены эффективные двухслойные теплоизоляционные изделия на основе минеральной ваты с улучшенными эксплуатационными свойствами: прочностью при локальном сжатии до 800 Н, прочностью при 10% деформации до 70 кПа, при сохранении теплопроводности на уровне менее 0,04 Вт/(м К).

3. Предложен коэффициент конструктивной эффективности теплоизоляционных материалов представляющий собой отношение приведенной прочности материала к плотности и теплопроводности, который позволил оценить качество двухслойных изделий и сравнить их с однослойными плитами. Так, при опытно-промышленном опробовании значения коэффициента составили Кэ=0,388 и Кэ=0,453, что значительно выше значений для любой современной однослойной минераловатной плиты.

4. Разработана технология производства двухслойных минераловатных изделий для существующей технологической линии;

5. Установлено, что упругие свойства двухслойных изделий на 35-45% выше, чем у однослойных материалов при равной средней плотности в диапазоне 90-160 кг/м3.

6. Показано, что прочность при локальном сжатии двухслойных теплоизоляционных изделий более чем на 20% выше, чем у классических однослойных плит равной средней плотности.

7. Показано, что термическое сопротивление двухслойных теплоизоляционных изделий более чем на 30% выше, чем у классических однослойных плит при равных прочностных показателях.

8. Установлено, что наиболее эффективными являются двухслойные плиты с долей верхнего слоя 10-25% от толщины изделия. При этом средняя плотность изделия должна составлять 90-160 кг/м3, а рекомендуемая л разность плотностей верхнего и нижнего слоев 80 кг/м .

9. Получены многофакторные зависимости прочности и теплопроводности двухслойного материала от соотношения слоев различной плотности и толщины, что позволило упростить процесс подбора оптимальных параметров изделий для заданной области применения.

10. Показано, что применение двухслойных минераловатных плит позволяет создавать теплоизоляционные конструкции с высокими прочностными и теплотехническими характеристиками со снижением массы теплоизоляционных материалов более чем на 15%.

11. Результаты диссертационной работы использованы при выпуске двухслойных плит на заводе ООО «Роквул Север» г. Выборг. Суммарный экономический эффект от внедрения изделий в практику строительства оценивается на уровне 17-22% за счет снижения материалоемкости изделий и трудоемкости монтажных работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кутьев, Сергей Павлович, 2008 год

1. Баринова Л.С. Тенденции развития промышленности строительных материалов за рубежом — М.: Строит, материалы, 2004 №11. — с. 2-6

2. Бобров Ю.Л. Долговечность теплоизоляционных минераловатных материалов. —М.: Стройиздат, 1987. — 168 с.

3. Бобров Ю.Л., Горянов К.Э. Влияние химического состава и диаметра волокна на долговечность минеральной ваты.— М.: Строит, материалы, 1974. №9 —с. 31-32

4. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шойхет Б.М., Петухова Е.Ю. Теплоизоляционные материалы и конструкции: Учебник. М.: ИНФРА-М, 2003. — 268 с.

5. Бобров Ю.Л., Тобольский Г.Ф. Условия получения минераловатных плит повышенной прочности и долговечности. — М.: Строит, материалы, 1974. №4. с. 12-13.

6. Веялис С.А., Каминскас А.Ю., Гнип И.Я, Кершулис В.И. Теплопроводность влажных стекловолокнистых и минераловатных плит. — М.: Строит, материалы, 2002 №6. — с.50-51.

7. Власов A.C. Технология и свойства волокнистых теплоизоляционных материалов. — М.: МХТИ, 1984. — 31 с.7.

8. Глебычев О.В. Современные связующие для выпуска волокнистых телпоизоляционных материалов— М.: Строит, материалы, 2005 №8. — с. 46-47

9. Глуховский В.Д., Рунова Р.Ф., Шейнич J1.A., Гелевера А.Г. Основы технологии отделочных, тепло- и гидроизоляционных материалов. — К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986. — 303 с.

10. Горшков А.Г., Старовойтов Э.И., Тарлаковский Д.В. Теория упругости и пластичности. — М.: Физматлит, 2002. — 416 с.

11. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. — М.: Стройиздат, 1989. — 384 с.

12. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко A.A. Технология теплоизоляционных материалов. — М.: Стройиздат, 1980. — 399 с.

13. Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. — М.: Стройиздат, 1982. — 376 с.

14. Горяйнов К.Э., Дубенецкий К.Н., Васильков С.Г., Попов J1.H. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. — М.: Стройиздат, 1976. — 536 с.

15. Горяйнов К.Э., Коровникова В.В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий: Учебник. — М.: Высшая школа, 1985

16. Грубштейн В.Б. Повышение жесткости минераловатных и стекловатных изделий. — М.: Строит, материалы, 1974. №2. с. 25-26.

17. Гурьев В.В., Жолудов B.C., Петров-Денисов В.Г. Тепловая изоляция в промышленности. Теория и расчет. — М.: Стройиздат, 2003. — 416 с.

18. Гусев Б.В., Езерский В.А., Монастырев П.В. Измерение линейных размеров минераловатных плит в условиях эксплуатационных воздействий. — М.: Промышленное и гражданское строительство 2004 г. №8, с 32-34.

19. Длин A.M. Математическая статистика в технике. — М.: Советская наука, 1949. —234 с.

20. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. — Л.: Энергия, 1974. — 264 с.

21. Жуков Д.В. Основы теории и техника сушки теплоизоляционных изделий. — М.: Стройиздат, 1974. —245 с.

22. Земцов А.Н. Химический состав, вопросы безопасности минеральной ваты и техническое регулирование— М.: ССК "Кровля и изоляция", 2002. №2-3 —с. 11-13

23. Зубчанинов В.Г. Основы теории упругости и пластичности. — М.: Высшая школа, 1990. — 368 с.

24. Кауфман Б.Н. Теплопроводность строительных материалов.— М.: Госстройизат, 1955. — 160 с.

25. Киселев И.Я. Зависимость теплопроводности современных теплоизоляционных строительных материалов от плотности, диаметра волокон или пор, температуры— М.: Строит, материалы, 2003 №7. — с. 17-19

26. Киселев И .Я. Повышение точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов с учетом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. — М., 2006

27. Китайцев В.А. Технология теплоизоляционных материалов.— М.: Стройиздат, 1969. — 384 с.

28. Кишонас А.П., Гнип И.Я. Оценка влагостойкости минераловатных плит повышенной жесткости.— М.: Строит, материалы, 1980, №3 с 10-11.

29. Клюшников В.Д. Математическая теория пластичности. — М.: Московск. Ун-та, 1979. —206 с.

30. Кулиш С.Н., Лялин В.П. Опыт производства эффективных минераловатных утеплителей ОАО «АКСИ» — М.: Строит, материалы, 2003 №3. — с. 20-22.

31. Кутьев С.П. Двухслойные минераловатные плиты для плоских кровель. Сборник материалов научно-практической конференции «Эффективные теплоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ». — М.: МГСУ, УНИРС, 2006. — 284 с.

32. Ласис А.Ю., ред. Теплоизоляционные материалы на основе минеральной ваты: (Сб. тр.) ВНИИ теплоизоляц. и акуст. строит, материалов и изделий; Редкол.: А. Ю. Ласис (пред.) и др. — Вильльнюс: ВНИИтеплоизоляция, 1987. — 122 с.

33. Лотов В.А. Перспективные теплоизоляционные материалы с жесткой структурой — М.: Строит, материалы, 2004 №11. — с. 8-9.

34. Меркин А.П., Горлов Ю.Н., Стамбулко A.B. Связующая способность минеральных волокон. — М.: Строит, материалы, 1981 г. №1. с. 23-24

35. Миронов В.В., Пономарев И.Г. Количественные характеристики кровельного сегмента рынка теплоизоляционных материалов — М.: Строит, материалы, 2006 г. №5. — с. 8-10

36. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. — М.: Мир, 1968. — 464 с.

37. Николаева И.Л., Козлова Ю.В. Теплоизоляционные материалы и изделия: Каталог-справочник. — М.: Инф.-изд. центр «Современные Строительные Конструкции», 2004. — 196 с.

38. Овчаренко Е.Г. Тенденции в развитии производства утеплителей в России. — М.: ОАО "Теплопроект", 2001. — 52 с.

39. Огородников С.К. Формальдегид. — Л.: Химия, 1984. — 280 с.

40. Рахимов Р.З. Современные теплоизоляционные материалы. — Казань: КГ АСУ, 2006. —392 с.

41. Саргсян А.Е. Сопротивление материалов, теории упругости и пластичности. — М.: Высшая школа, 2000. — 286 с.

42. Сальников В.Б. Свойства минеральной ваты после длительной эксплуатации в стенах зданий на Среднем Урале— М.: Строит, материалы, 2003 №3. — с. 42-43.

43. Татаринцева О.С., Углова Т.К., Игонин Г.С., Игонина Т.Н., Бычин Н.В. Определение сроков эксплуатации базальтоволокнистых теплоизоляционных материалов — М.: Строит, материалы, 2004 №11. — с. 14-15

44. Тобольский Г.Ф., Бобров Ю.Л. Минераловатные утеплители и их применения в условиях сурового климата. — Л.: Стройиздат, 1981. — 175 с.

45. Ферронская А.В., Коровяков В.Ф, Андреев Е.И. Теплоизоляционный материал на основе минеральной ваты и неорганического связующего — М.: Строит, материалы, 1984 №9. — с. 24

46. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. — М.: Стройиздат, 1973. — 287 с.

47. Хлевчук В.Р., Бессонов И.В. и др. О расчетных теплофизических показателях минераловатных плит. Проблемы строительной теплофизике, систем микроклимата и энергосбережения в зданиях. — М.: НИИСФ, 1998

48. Эйдукявичюс К.К. Увеличение прочности минераловатных изделий путем заданной ориентации их волокон.— М.: Строит, материалы, 1984 г. №6. с. 6-8.

49. EN 12430 Thermal insulation products for building insulation -Determination of the behaviour under point load.

50. EN 12667 Thermal performance of building materials and products -Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods Products of high and medium thermal resistance.

51. EN 12939 Thermal performance of building materials and products -Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods Thick products of high and medium thermal resistance.

52. Lienhard J.H. IV, Lienhard J.H. V. A Heat transfer text book.— 3rd edition. — Cambridge, MA: Phlogiston Press, 2003. — 749 c.

53. Raimondas Bliudzius, Rolandas Samajauskas «The peculiarities of determining thermal conductivity coefficient of low density fibrous materials», Materials science (MEDZIAGOTYRA), 2001.

54. ГОСТ 17177-94 Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. — М., 1994

55. ГОСТ 21880 Маты прошивные из минеральной ваты теплоизоляционные. — М., 1994.

56. ГОСТ 22950 Плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем — М., 1995

57. ГОСТ 23307 Маты теплоизоляционные из минеральной ваты вертикально слоистые — М., 1978

58. ГОСТ 4640 Вата минеральная. Технические условия. — М., 2002

59. ГОСТ 7699 Крахмал картофельный. Технические условия. — М., 1978

60. ГОСТ 9573 Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем. — М., 2002

61. ПОТ РМ-010-2000 Межотраслевые правила по охране труда при производстве асбеста и асбестосодержащих материалов и изделий. — М., 2000

62. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — М., 2003

63. Техническое свидетельство о пригодности продукции для применения в строительстве на территории Российской Федерации №ТС-07-1037-04 от 20 декабря 2004 г. — М., 2004

64. Техническое свидетельство о пригодности продукции для применения в строительстве на территории Российской Федерации ЖГС-07-1561-06 от 06 октября 2006 г. — M., 2006