Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Технология бетона и строительные материалы» ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Лабораторные работы (практикум) для студентов строительных специальностей М и н с к 2 0 0 9 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Технология бетона и строительные материалы» ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Лабораторные работы (практикум) для студентов строительных специальностей М и н с к 2 0 0 9 УДК 69:[620.9:005.93](075.8) ББК 38я7 О 75 Составители: А.Э. Змачинский, О.Г. Галузо, Г.С. Галузо Рецензенты: В.В. Бабицкий, А.П. Пашков О 75 Основы энергосбережения в строительстве: лабораторные работы (практикум) для студентов строительных специально- стей / сост.: А.Э. Змачинский, О.Г. Галузо, Г.С. Галузо. – Минск: БНТУ, 2009. – 92 с. ISBN 978-985-525-230-7. В практикуме изложены: цель выполнения и основные тео- ретические положения разделов дисциплины, отражаемых те- матикой лабораторных работ, последовательность выполнения работ, правила оформления их результатов, а также представ- лены задачи с подробным решением. УДК 69:[620.9:005.93](075.8) ББК 38я7 ISBN 978-985-525-230-7  БНТУ, 2009 3 ВВЕДЕНИЕ Снижение потребления энергоресурсов в Республике Бела- русь является стратегической задачей для страны. Она может быть решена только за счет применения эффективной тепло- изоляции зданий и тепловых сетей. Основной целью лабораторных работ (практикума) по дис- циплине «Основы энергосбережения в строительстве» является формирование у будущих специалистов с высшим образова- нием общего методологического подхода к постановке и реше- нию задач эффективного использования энергетических ресур- сов при строительстве, тепловой реабилитации зданий и со- оружений, а также сокращение потерь тепловой энергии при транспортировке по трубам холодной и горячей воды. Овладение указанными навыками в сочетании с приобре- тенными при выполнении заданий практических знаний по данной дисциплине обеспечит студентам строительной специ- альности требуемый уровень профессиональной подготовки для решения практических задач по снижению теплопотерь в строительстве. 4 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТИМ) Цель работы Ознакомление с приборами и методикой определения теп- лопроводности ТИМ; определение структурных характеристик эффективных ТИМ, применяемых в системах утепления фаса- дов стен здания; определение влияния влажности ТИМ на их теплофизические свойства. Вопросы для подготовки к выполнению лабораторной работы 1. Какими техническими показателями характеризуются ТИМ? 2. По каким показателям классифицируют ТИМ? 3. Классификация ТИМ по структуре. 4. На какие классы делят ТИМ по величине коэффициента теплопроводности? 5. Как классифицируют ТИМ по величине средней плотности? 6. Какие ТИМ существуют в зависимости от вида исходно- го сырья? 7. Как делят ТИМ по внешнему виду и форме? 8. Какие ТИМ существуют в зависимости от жесткости (де- формации сжатия)? 9. Какие физические характеристики ТИМ влияют на вели- чину коэффициента теплопроводности? Как? Перечислить. Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить структурные характеристики и влаж- ность ТИМ. Задание 2. Определить теплопроводность сухих ТИМ. 5 Задание 3. Определить влияние влажности на теплопровод- ность ТИМ. Общие сведения о ТИМ Строительные материалы, используемые для тепловой изоля- ции ограждающих конструкций зданий, промышленного и энер- гетического оборудования и трубопроводов, называются тепло- изоляционными. Такие материалы имеют низкую теплопровод- ность (значения коэффициента теплопроводности λ не более 0,175 Вт/(м ⋅ °С)) и среднюю плотность ρ0 не более 600 кг/м3. Классификация ТИМ и изделий (ГОСТ 16381-77*) прово- дится по следующим признакам (показателям): структуре, фор- ме, виду основного исходного сырья, средней плотности, жесткости (относительной деформации при сжатии), тепло- проводности и по горючести. По структуре ТИМ делят на: − волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.); − зернистые (перлитовые, вермикулитовые, совелитовые, из- вестково-кремнеземистые и др.); − ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло (ячеи- стое стекло), ячеистые пластмассы – пенопласты и поропласты). По форме и внешнему виду: − штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилин- дры, сегменты); − рулонные (маты, полосы); − шнуровые (шнуры, жгуты); − сыпучие и рыхлые (вата минеральная (каменная, стеклян- ная), вспученные песок перлитовый и вермикулит); По виду исходного сырья: − неорганические (минеральные ваты (каменная, шлаковая, стеклянная), ячеистые бетоны, материалы на основе асбеста, керамические и др.); 6 − органические (материалы из пористых пластмасс, древес- новолокнистые (ДВП) и древесностружечные (ДСП) плиты, торфяные плиты и др.); − комбинированные материалы, состоящие из органического и неорганического сырья (фибролит, арболит, минеральные волокна с органическим связующим). По величине средней плотности ρ0: − особо легкие (ОЛ), имеющие марки D 15, D 25, D 35, D 50, D 75, D 100; − легкие (Л) – D 125, D 150, D 200, D 250, D 300; − тяжелые (Т) – D 400, D 450, D 500, D 600. По величине коэффициента теплопроводности λ: − низкой теплопроводности – класс А (меньше 0,058 Вт/(м ⋅ ºС)); − средней теплопроводности – класс Б (0,058–0,116 Вт/(м ⋅ ºС)); − повышенной теплопроводности – класс В (не более 0,175 Вт/(м ⋅ ºС)). По горючести: − негорючие (НГ); − горючие (Г). По жесткости: – мягкие (М) – сжимаемость свыше 30 % при удельной нагрузке 0,002 МПа (2 кПа) (шлако- и стекловата, вата из ком- кового и базальтового волокна, вата из супертонкого стекло- волокна, маты и плиты из штапельного стекловолокна); – полужесткие (П) сжимаемость меньше 30 %. Важнейшей структурной характеристикой ТИМ является пористость П, от которой зависят средняя плотность ρ0, теп- лопроводность λ, прочность R, газопроницаемость и другие технические показатели. Большое значение имеет распределе- ние воздушных пор в материале, их характер, а также химиче- ский состав, молекулярное строение каркаса и условия при- менения ТИМ. Теплопроводность является главной характеристикой теп- лозащитных свойств материала. При равной пористости более 7 высокими теплоизоляционными показателями вследствие умень- шения передачи теплоты излучением и конвекцией обладают материалы, имеющие мелкие замкнутые поры. Это особенно необходимо учитывать при выборе материалов для высоко- температурной изоляции. Увлажнение и тем более замерзание воды в порах материала ведут к резкому увеличению тепло- проводности, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/(м ⋅ °С)] – примерно в 25 раз, а льда [2,32 Вт/(м ⋅ °С)] – в 100 раз больше, чем воздуха. Поэтому ТИМ необходимо предохранять от увлажнения. Прочность ТИМ вследствие их пористого строения относи- тельно невелика. Предел прочности при сжатии при 10%-й деформации обычно колеблется от 0,2 до 2,5 МПа. Требуется, чтобы прочностные характеристики ТИМ были достаточны для их сохранности при транспортировании, складировании, монтаже и работе в конкретных условиях эксплуатации. Химическую и биологическую стойкость ТИМ повышают, применяя различные защитные покрытия и обработку анти- септиками. Применение ТИМ в строительстве позволяет резко снизить массу конструкции, затраты на строительство зданий, умень- шить потребность в основных строительных материалах, со- кратить потери тепла в окружающую среду через ограждаю- щие конструкции и оконные проемы и тем самым уменьшить расход топлива, повысить комфортность помещений. Весьма эффективным является использование ТИМ для изо- ляции тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов. В холодильной промышленности ТИМ при- меняют для уменьшения затрат энергии на охлаждение. В табл. 1.1. приведены основные физико-технические харак- теристики наиболее эффективных ТИМ. 8 Таблица 1.1 Физико-технические характеристики ТИМ Наименование Средняя плотность ρ0, кг/м 3 Теплопровод- ность в сухом состоянии λ, Вт/(м ⋅ °С) Пори- стость П, % Истинная плотность материала ρ, кг/м3 Пенополиуретан, пенополистирол и др. 20–35 0,04–0,05 99–97 1060 Минеральная (ка- менная) вата 150–250 0,05–0,075 94–90 2500 Пеногипс, газоси- ликат 250–400 0,07–0,105 98–85 2450–2550 Ячеистое стекло (пеностекло) 180–350 0,065–0,09 95–98 2500 Полистиролбетон 250–350 0,065–0,095 80–70 1250 Керамзитобетон 500–600 0,14–0,16 77–65 2200 Древесина и др. ТИМ из расти- тельных волокон 500 0,15–0,29 60–70 1540–1550 (целю- лоза) Задание 1. Определить структурные характеристики и влажность ТИМ. К структурным характеристикам ТИМ относятся их сред- няя ρ0 и истинная ρ плотность, пористость П, насыпная плот- ность ρн и пустотность (для сыпучих материалов). Приборы и материалы 1. Весы технические. 2. Штангенциркуль. 3. Образцы ТИМ (ячеистый бетон, пенополиуретан, жесткая минераловатная плита, пенопласт полистирольный и др.). 9 Методика испытаний Определение средней плотности материала ρ0 сводится к определению массы сухого образца и его объема в есте- ственном состоянии. Масса образца определяется взвешива- нием на технических или аналитических весах с точностью до 0,01 г. Объем рассчитывается по линейным параметрам, изме- ренным с помощью штангенциркуля. ρ0 = m / Vест, кг/м3. Вычислив среднюю плотность материала ρ0 и зная его ис- тинную плотность ρ (см. табл. 1.1), рассчитывают пористость П испытываемых ТИМ по следующей формуле: П = (1 – ρ ρ0 ) ⋅ 100, %, где ρ0 – средняя плотность материала, кг/м3; ρ – истинная плотность материала, (плотность вещества), кг/м3. Определение влажности материала проводится согласно ГОСТ 12730.0–78 и сводится к определению массы влажного образца. Масса сухого образца определяется предварительно до его помещения во влажную среду. Эта величина должна быть зафиксирована на образце или в журнале лабораторных испытаний. Вычисляется влажность W по формуле W = сух сухвл m mm − ⋅ 100, %, где mвл и mсух – соответственно масса образца во влажном и сухом состоянии, г. 10 Результаты испытаний Результаты испытаний по определению средней плотно- сти ρ0, пористости и влажности W ТИМ заносят в табл. 1.2. Среднюю плотность теплоизоляционных материалов вычис- ляют с точностью до 0,1 кг/м3. Значения истинной плотности материала ρ испытанных ТИМ принимают по табл. 1.1. Пори- стость вычисляют с точностью до 0,1 %, влажность – до 0,1 %. Таблица 1.2 Результаты определения структурных характеристик и влажности ТИМ Наиме- нование ТИМ Масса образца m, г Линей- ные раз- меры, см Объем образца V, см3 Плотность, кг/м3 Порис- тость П, % Влаж ность W, % сред- няя ρ0 истин- ная ρ А. Сухие образцы Б. Влажные образцы Заключение Сделать анализ полученных значений пористости и влаж- ности ТИМ в зависимости от значения средней плотности ρ0. Задание 2. Определить теплопроводность сухих ТИМ. Одним из важных показателей качества ТИМ является теп- лопроводность – способность материала пропускать через се- бя тепло от одной поверхности к другой при наличии перепа- да температуры. 11 Теплопроводность материала оценивается количеством теп- ла, проходящим через образец материала толщиной 1 м, пло- щадью 1 м2 за 1 час при разности температур на противопо- ложных плоскопараллельных поверхностях образца в 1°С. По- казателем теплопроводности служит коэффициент теплопро- водности λ, имеющий размерность Вт/(м ⋅ °С) в системе СИ: λ = ( )τ− δ 12 ttA Q , где Q – количество тепла, проходящее через материал, Дж; δ – толщина стенки материала, м; А – площадь стенки, равная 1 м2 ; (t2 – t1) – разность температур, °С; τ – время прохождения тепла, ч. Приборы и материалы 1. Электрический сушильный шкаф с температурой нагрева до 240 °С и регулятором температуры. 2. Весы электронные с точностью измерения до 0,1 г. 3. Секундомер. 4. Измеритель теплопроводности строительных материалов типа ИТ-1 (рис. 1.1). Рис. 1.1. Общий вид прибора ИТ-1 12 5. Вазелин технический. 6. Исследуемые образцы (по 3 шт.) размерами 150×150×150 мм или 200×200×200. Методика испытаний Определение теплопроводности материала производится с помощью цилиндрического зонда с нагревательным элемен- том при постоянной электрической мощности нагрева по ре- зультатам измерения его (зонда) температуры. Метод опреде- ления теплопроводности основан на принципе регулярного режима и устанавливает зависимость температуры помещен- ного в материал нагреваемого зонда от температуры окружаю- щего его материала за определенный интервал времени. Величину коэффициента теплопроводности вычисляют рас- четным путем по результатам измерений. 1. Проведение измерений. Испытываемые образцы кубы 150×150×150 мм или 200×200×200 мм высушивают в сушиль- ном шкафу при соответствующей температуре до постоянной массы. Затем подготавливают измерительный прибор к работе. Для этого включают его в сеть и прогревают в течение 5 мин. Вставляют зонд прибора в отверстие в центре образца-куба. На табло прибора индицируется показание R0, соответ- ствующее температуре (в условных единицах) зонда (матери- ала) в начальный момент времени τ0, которое фиксируется в таблице для записи испытаний. Затем одновременно с пуском секундомера включают нагре- вательный элемент зонда. Нагрев производят в течение 6 мин, фиксируя по табло показания в условных единицах, соответ- ствующие температуре Ri в моменты времени τi – 2, 2,5, 3, 4, 5, 6 минут. После снятия показаний прибор отключают. Следующий за- мер может быть осуществлен не ранее, чем через 30–40 мин после полного остывания зонда и образца. Для получения до- стоверных результатов проводят три измерения. 13 Принцип регулярного режима при использовании излучаю- щего тепло цилиндрического зонда постоянной мощности пре- дусматривает, что изменение температуры зонда во времени подчиняется экспоненциальному закону. В связи с этим для расчета коэффициента теплопроводности используется следую- щая формула: λ = А ⋅ ( ) nm mn RR − ττ /ln , где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м ⋅ °С); А – аппаратурный фактор прибора, зависящий от условий испытаний, температуры материала в начале испытаний, вида материала и контакта его с зондом; τn, τm – фиксированные отсчеты времени в минутах, они выбираются при условии τn /τm = 2; Rm, Rn – фиксированные температуры в указанные выше моменты времени в условных единицах. Для фактических расчетов, с учетом неизбежных погреш- ностей опыта, вычисляют среднеарифметическое значение ΔRi по трем парам фиксированных измерений: (Rm – Rn) = 3 1 ∑ ∆Ri = 3 1 [(R2 – R4) + (R2,5 – R5) +(R3 – R6)]. Величина аппаратурного фактора А рассчитывается по фор- муле А = R0 [K + αС ⋅ ρ0], где R0 – показание, соответствующее температуре испытания материала среды в начальный момент времени (τ0 = 0 мин), усл. ед.; снимается по табло прибора и заносится в табл. 1.3; K – удельная мощность нагрева зонда, зависит от началь- ной температуры, определяется по графику K = f (t), (рис. 1.2), (пример определения величин R и K приведен под рисунком); 14 α – коэффициент теплообмена в зоне контакта, м2/ч (для пенопластов, минеральной ваты, газосиликата (или пеногипса) и керамзитобетона в сухом состоянии соответственно равен 0,00175, 0,000363 и 0,000451 м2/ч); С – удельная теплоемкость (для пенопласта, газосиликата, минеральной ваты, пеногипса, керамзитобетона соответствен- но равна 1,34, 0,84 и 0,84 кДж/ (кг ⋅ °С)); ρ0 – средняя плотность исследуемых образцов ТИМ в су- хом состоянии, определяется в задании 1, кг/м3. -40 -20 0 +20 +40 +60 +80 +100 300 400 500 600 700 800 R*1000 3 4 5 6 7 8 K 100 200 1 2 A D k=f(t) t=f(R) °C 900 9 B C Рис. 1.2. График определения величины K в зависимости от величины R0 2. Пример определения величины K в зависимости от R0. Имеем показание R0 = 526 усл. ед., индицированное по табло прибора ИТ-1 в начальный момент времени τ0. Отложим это значение на оси абсцисс R0 в соответствующем масштабе 15 (точка А). Проведем линию, параллельную оси ординат t, °С, до пересечения с прямой зависимости t = f (R0) в точке В. Из точки В проведем линию, параллельную оси К, до пересече- ния с графиком функции K = f (t) в точке С. Опустив перпен- дикуляр из точки С на ось абсцисс K, получим численное зна- чение K, соответствующее значению R0 = 526 усл. ед., зафик- сированному на табло прибора. Расчетная формула коэффициента теплопроводности имеет вид [ ] ( ) ∑ ⋅∆ ττ +=λ 300 103/1 /ln ρα i mn R cKR , где ln (τn /τm) = 0,693. За значение коэффициента теплопроводности материала λ при- нимают среднее арифметическое трех результатов измерений. Протокол испытаний Таблица 1.3 Результаты измерений и вычислений коэффициента теплопроводности ТИМ в сухом состоянии Измеряемые показатели, их обозначения и единицы измерения Образцы материала Пенополи- стирол Каменная вата 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. Температура материа- ла R0 в начальный момент времени τ0 в условных единицах 16 Окончание табл. 1.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2. Температура материа- ла Ri по показаниям при- бора в фиксированный момент времени τi, мин, соответственно при: τ0 = 0 τ1 = 2 τ2 = 2,5 τ3 = 3 τ4 = 4 τ5 = 5 τ6 = 6 3. Среднеарифметические значения температуры в условных единицах (1/3 ∑ ∆ Ri ⋅ 103) 4. Коэффициент тепло- проводности λ, Вт/(м ⋅ ºС) 5. Среднеарифметическое значение коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м ⋅ ºС) Задание 3. Определить влияние влажности на теплопро- водность ТИМ. Известно, что на теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность. Влажные материалы более теплопроводны по сравнению с сухими. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. И именно вода, находящаяся в порах материала в паро- образном или жидком состояниях, способствует более интен- 17 сивной передаче тепла от поверхности изделия с более высокой температурой к поверхности с более низкой температурой. Приборы и материалы 1. Весы электронные типа 9026 ВН-3Д13 с разновесом. 2. Секундомер. 3. Прибор-измеритель теплопроводности типа ИТ-1. 4. Вазелин технический. 5. Образцы исследуемых ТИМ (по 3 шт.) размерами 150×150×150 мм. Методика испытаний Методика определения коэффициента теплопроводности об- разцов исследуемых материалов аналогична той, что описана в задании 2. Испытаниям подлежат образцы (по 3 шт.) из газо- силиката, каменной ваты, пенополистирола. Величину коэффициента теплопроводности определяют рас- четным путем по результатам измерений и с учетом величины влажности образцов. 1. Проведение испытаний. Для определения влияния влаж- ности на теплопроводность материала воспользуемся данными по плотности и влажности образцов, полученными в задании 1. Схема испытательной установки и очередность операций по определению коэффициента теплопроводности аналогична описанной в задании 2. Последовательность замера показаний температуры R и время замера τ соответствуют тем, что при- ведены в предыдущем задании. 2. Обработка результатов испытаний. Алгоритм расчета экспериментальных данных и вычисления коэффициента теп- лопроводности исследуемых ТИМ аналогичен приведенному в задании 2. 18 [ ] ∑ ⋅∆ ρ+=λ 30 103/1 693,0 i www R СaKR , где аw – коэффициент нестандартной влагопроводности для исследуемых образцов во влажном состоянии, вычисляется по формуле w w W a ρ µ = , где μ – коэффициент паропроницаемости, определяется по СНиП 11-3–79 (для пенопласта, газосиликата (пеногипса) и керам- зитобетона соответственно равен 0,05; 0,23 и 0,26 (мг/(м ⋅ ч ⋅ Па)), при влажности по массе Wm = 0,6 долей единицы); ρw – средняя плотность образцов материала во влажном состоянии (см. задание 1), кг/м3; Сw – удельная теплоемкость влажного материала, опреде- ляемая с учетом теплоемкости сухого материала (см. задание 2) и влажности по массе Wm, % (см. задание 1), кДж/(кг ⋅ °С), вы- числяется по формуле . 01,01 01,0 W WcCw + + = Результаты испытаний Опытные данные и результаты вычислений заносят в табл. 1.4. Сопоставляют результаты (влажность, плотность, пористость) образцов, проводят анализ полученных данных и делают вы- вод о влиянии влажности на коэффициент теплопроводно- сти λ ТИМ. 19 Таблица 1.4 Результаты измерений и вычисления коэффициента теплопроводности ТИМ во влажном состоянии Измеряемые показатели, их обозначения и единицы измерения Образцы материала 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1. Влажность образца в момент испытаний W, % 2. Температура материа- ла R в начальный момент времени τ0, усл. ед. 3. Температура материа- ла Ri по показаниям при- бора в фиксированный момент времени τi, мин, соответственно при: τ0 = 0 τ1 = 2 τ2 = 2,5 τ3 = 3 τ4 = 4 τ5 = 5 τ6 = 6 4. Среднеарифметическое значение температуры, усл. ед. (1/3 ∑ ∆Ri ⋅ 103) 5. Коэффициент тепло- проводности λ, Вт/(м ⋅ ºС) 6. Среднеарифметическое значение коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м ⋅ ºС) 20 Заключение Сделать вывод по результатам испытаний. Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. Как влияет пористость на теплопроводность строитель- ных материалов? 2. Как изменяется значение теплопроводности ТИМ в зави- симости от их влажности? 3. По какой формуле вычисляется пористость ТИМ? 4. Как определить и вычислить влажность ТИМ? Формула для вычисления. Единица измерения. 5. По какой формуле рассчитывают пористость строитель- ных материалов? 6. Какой принцип положен в основу определения коэффици- ента теплопроводности прибором ИТ-1 на лабораторном занятии? 7. В каких единицах измеряется прибором теплопроводность? 8. Где целесообразно использовать ТИМ? В чем их преиму- щества? Литература 1. Домокеев, А.Г. Строительные материалы / А.Г. Домо- кеев. – М.: Высшая школа, 1989. 2. Горлов, Ю.П. Технология теплоизоляционных материа- лов / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, А.А. Устенко. – М.: Стройи- здат, 1980. 3. Горчаков, Г.И. Строительные материалы / Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. – М.: Стройиздат, 1986. 4. Строительная теплотехника: ТКП 45-2.04-43–2006. – Минск: Государственный комитет Республики Беларусь по архитек- туре и строительству, 2006. 21 5. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стацио- нарном тепловом режиме: ГОСТ 7076–87. 6. Проектирование и устройство тепловой изоляции ограж- дающих конструкций жилых зданий: пособие П3-2000 к СНиП 3.03.01–87. – Минск. Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНОГО КЛЕЕВОГО СЛОЯ И ДЕКОРАТИВНО-ЗАЩИТНОГО СЛОЯ ШТУКАТУРНОГО СОСТАВА Цель работы Ознакомление с приборами и методикой определения водо- поглощения при капиллярном подсосе и паропроницаемости защитных покрытий. Вопросы для подготовки к выполнению лабораторной работы 1. Для чего нужно определять водопоглощение покрытия при капиллярном подсосе? 2. Чем характеризуется паропроницаемость? Единицы изме- рения. 3. Как паропроницаемость защитных покрытий влияет на микроклимат помещений? Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить водопоглощение при капиллярном подсосе. Задание 2. Определить паропроницаемость защитных по- крытий. 22 Общие сведения Полимерцементный клеевой и декоративно-защитный слои штукатурного состава применяются для устройства тепловой изоляции наружных стен зданий эффективными плитными ТИМ в легкой штукатурной системе (ЛШС). Водопоглощение – свойство материала, характеризующее его способность самопроизвольно впитывать и удерживать воду при контакте с ней без приложения давления (при смачивании) за счет капиллярного подсоса. Величина водопоглощения опре- деляется открытой пористостью материала. Задание 1. Определить водопоглощение при капиллярном подсосе (по СТБ 1263–2001). Водопоглощение при капиллярном подсосе определяют по количеству воды, поглощенной поверхностным слоем покры- тия за 24 ч. Приборы и материалы 1. Весы лабораторные по ГОСТ 24104. 2. Штангенциркуль по ГОСТ 166. 3. Емкость для насыщения образцов водой, обеспечиваю- щая поддержание температуры воды плюс (20 ± 5) °С. 4. Водонепроницаемые составы (эпоксидная смола с отвер- дителем, парафин, битум). Перед проведением испытаний готовят образцы-подложки 50×50×10 мм из цементно-песчаного раствора состава 1:3, при водоцементном отношении раствора 0,5. На подложку нано- сят слой полимерминерального покрытия (клеевого или шту- катурного) толщиной не менее 3 мм. Способ нанесения и толщина слоя должны соответствовать указаниям в проектной (технологической) документации по применению конкретной композиции. 23 Образцы выдерживают в формах на воздухе в течение су- ток, затем распалубливают и 27 суток выдерживают в нор- мально-влажностных условиях. Образцы выдерживают не менее 48 ч на воздухе при тем- пературе (20±5) °С и относительной влажности 60–70 %, по- верхность обеспыливают и обезжиривают. Затем четыре боко- вые грани образцов покрывают водонепроницаемым составом (эпоксидная смола с отвердителем, несколько слоев парафина или битума). Методика испытаний Подготовленные образцы взвешивают с точностью до ±0,01 г. Штангенциркулем в средней части каждой грани измеряют с точностью до 0,1 мм линейные размеры поверхности образца с нанесенным покрытием. Образцы помещают в ванну на сетчатую подставку поверх- ностью с нанесенным покрытием вниз. В ванну наливают воду с температурой (20±5) °С таким образом, чтобы образец был погружен в воду не более чем на 2 мм. Уровень воды поддер- живают постоянным. Через 24 ч образцы извлекают из воды, удаляют ее избыток воды влажной тканью и взвешивают. Обработка результатов Водопоглощение при капиллярном подсосе Wt, кг/м2, вычис- ляют по формуле S mmW tt 0 − = , где mt – масса образца после испытания, кг; mо – масса образца до испытания, кг; S – площадь увлажняемой поверхности, м2. 24 Водопоглощение при капиллярном подсосе определяют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образ- цов с точностью до 0,1 кг/м2. Результаты испытаний Результаты испытаний заносятся в табл. 2.1. Таблица 2.1 Определение водопоглощения при капиллярном подсосе Наименование показателей Образцы 1 2 3 Площадь S, м2 Масса до испытания mо, кг Масса после испытания mt, кг Водопоглощение Wt, кг/м2 Среднее арифметическое значение Wt, кг/м2 Задание 2. Определить паропроницаемость защитных покрытий. Общие сведения Паропроницаемость – способность материала пропускать водяной пар через капиллярные поры. Паропроницаемость характеризуется: – Величиной коэффициента паропроницаемости μ – вели- чина, численно равная количеству водяного пар, мг, кг, кото- рое проходит за 1 ч (1с) через слой материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м, при условии, что температура у противопо- ложных сторон одинакова, а разность парциального давления водяного пара составляет 1 Па. 25 Единица измерения [μ] = мг/(м ⋅ ч ⋅ Па) или в системе СИ: [μ] = кг/(м ⋅ с ⋅ Па). – Сопротивлением паропроницаемости R при воздействии водяного пара – величина, численно равная разности парци- ального давления, Па, у противоположных сторон материала с плоскопараллельными сторонами, при которой через площадь 1 м2 за 1 ч (1 с) проходит 1 мг (кг) водяного пара при условии, что температура и этих сторон одинакова. Паропроницаемость и сопротивление паропроницаемости (R) связаны следующим соотношением: μ = δ/R, где δ – толщина материала, м. [R] = (м2 ⋅ ч ⋅ Па)/мг или в системе СИ [R] = (м2 ⋅ с ⋅ Па)/кг. Приборы и материалы 1. Весы лабораторные по ГОСТ 24104. 2. Штангенциркуль по ГОСТ 166. 3. Набор стеклянных сосудов (внутренний диаметр не ме- нее 50 мм) по ГОСТ 25336. 4. Психрометр аспирационный, гигрограф, термограф. 5. Герметизирующая паста (парафин, смесь парафина и ка- нифоли, пластилин и др.). 6. Стеклоткань (толщиной 0,5 мм и размером ячеек 0,5×0,5 мм). 7. Сорбент (влагопоглощающее вещество) – обезвоженные кальций хлористый по ГОСТ 450 или силикагель по ГОСТ 3956. 8. Дистиллированная вода по ГОСТ 6709. 9. Климатическая камера, обеспечивающая поддержание тем- пературы (20±2) °С и относительной влажности (80±3) % и (54±3) %, или шкаф для кондиционирования с температурой (20±2) °С и постоянной относительной влажностью. 10. Насыщенные растворы хлорида аммония и магния ше- стиводного азотнокислого для создания постоянной относитель- ной влажности соответственно 80 и 54 %. 26 Толщина образца должна не менее чем в два раза превышать размер самого крупного зерна наполнителя, но быть не менее 3 мм. Диаметр образца должен быть от 50 до 100 мм. Поверхности образцов должны быть плоскопараллельны, очищены, обеспылены и без трещин. Образец отделяют от антиадгезивной основы, толщину образ- ца замеряют в четырех точках по периметру через 90° с точно- стью ±0,1 мм и определяют среднее арифметическое значение. Испытания проводят на пяти образцах. Методика испытаний Для определения паропроницаемости защитно-отделочных покрытий существует два метода: − сухой; − мокрый. Сущность этих методов заключается в создании стационарно- го потока водяного пара и определении величины этого потока. Подготовленные образцы устанавливают на горловину со- суда, содержащего сорбент (сухой метод, относительная влаж- ность в сосуде ϕ = 0 %) или дистиллированную воду (мокрый метод, ϕ = 100 %). Схема испытания приведена на рис. 2.1. Расстояние между сорбентом (или дистиллированной водой) и нижней поверхностью образца должно быть от 10 до 15 мм. Количество сорбента (или дистиллированной воды) должно быть достаточным на все время испытания. Промежутки между образцом и сосудом тщательно герме- тизируют. На верхнюю поверхность образца помещают шаблон, соответствующий открытой нижней поверхности образца. Не- закрытые поверхности образца покрывают герметизирующим составом (парафин, пластилин). Необходимо тщательно следить за тем, чтобы герметизирующий состав не попал под шаблон. После отверждения герметизирующего состава шаблон удаляют. 27 Сухой метод Мокрый метод Рис. 2.1. Схема испытания на паропроницаемость: 1 – шаблон диаметром (d ± 0,1) мм; 2 – испытуемый образец диаметром D; 3 – герметизирующая паста; 4 – стеклянный стакан с внутренним диаметром d; 5 – сорбент; 6 – дистиллированная вода Сосуды с подготовленными образцами взвешивают с по- грешностью не более 0,01 г и помещают в камеру с темпера- турой (20±2) °С и постоянной относительной влажностью. Для сухого метода относительная влажность в камере должна быть (80±3) %, для мокрого – (54±3) %. Сосуды взвешивают через 7 суток и определяют количе- ство водяного пара, прошедшего через образцы. Взвешивание повторяют до тех пор, пока изменение массы не будет постоянным. За время испытаний насыщение сор- бента водой не должно превышать 5 % от исходного количе- ства. При насыщении, превышающем 5 %, испытания образ- цов повторяют с новым количеством сорбента. Обработка результатов Коэффициент паропроницаемости µ, мг/(м ⋅ ч ⋅ Па), вычис- ляют по формуле PtS m ∆∆ ∆δ =µ . 28 Сопротивление паропроницаемости R, (м2 ⋅ ч ⋅ Па)/мг, вычис- ляют по формуле m PtSR ∆ ∆∆ = , где S – площадь испытуемого образца, м2; δ – толщина образца, м; ∆t – интервал времени между двумя взвешиваниями, ч; ∆m – количество водяного пара, прошедшего через образец за интервал времени (∆t), мг; ∆P – разность парциального давления водяного пара на об- разце, Па, вычисляют по формулам: для сухого метода 2PP =∆ , для мокрого – 21 PPP −=∆ , где Р1 – парциальное давление водяного пара в воздухе с относительной влажностью 100 % при данной температуре (при t = 20 °С) Р1 = 2336,75 Па; Р2 – парциальное давление водяного пара в воздухе с тем- пературой 20 °С и относительной влажностью ϕ2, Па, вычис- ляют по формуле 100 75,2336 2 2 ϕ =P . За результат испытаний принимают среднее арифметиче- ское значение результатов пяти определений одной серии ис- пытаний, расхождение между которыми не превышает 10 %. Результаты испытаний заносят в табл. 2.2 и 2.3. 29 Таблица 2.2 Расчет паропроницаемости клеевого состава сухим методом Наименование показателей Образцы 1 2 3 Изменение массы Δm, мг Изменение времени Δt, ч Толщина образца δ, м Площадь образца S, м2 Р2, при φ = 80 % μ, кг/(м ⋅ с ⋅ Па) μ, мг/(м ⋅ ч ⋅ Па) Среднее арифметическое значение Таблица 2.3 Расчет паропроницаемости штукатурки декоративно- защитного слоя в ЛШС сухим и мокрым методами Наименование показателей Метод сухой мокрый 1 2 3 1 2 3 Изменение массы Δm, мг Толщина образца δ, м Площадь образца S, м2 Изменение времени Δt, ч Р1, при t = 20 ºС, Па Р2, при φ = 54 %, Па Р2, при φ = 80 %, Па Сопротивление паропрони- цаемости R, (м2 · ч · Па)/мг Коэффициент паропрони- цаемости μ, кг/(м · с · Па) Коэффициент паропрони- цаемости μ, мг/(м · ч · Па) Среднее арифметическое значение µ 30 Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. Как определить водопоглощение покрытия при капилляр- ном подсосе? 2. Что такое коэффициент паропроницаемости и сопротив- ление паропроницаемости? 3. Какие существуют методы для определения паропроницае- мости? 4. Почему в ЛШС утеплители, клеевой и декоративно-защит- ный слои должны пропускать пар? 5. Как определяют паропроницаемость мокрым методом? 6. Что будет происходить в ограждающей конструкции, ес- ли клеевые и декоративно-отделочные слои в системе тепло- изоляции стены не будут пропускать пар? Литература 1. Композиции защитно-отделочные строительные. Техни- ческие условия: СТБ 1263–2001. Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТМАССОВЫХ АНКЕРНЫХ УСТРОЙСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ПЛИТНОГО УТЕПЛИТЕЛЯ К ПОДОСНОВЕ ПРИ ТЕПЛОВОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ЗДАНИЙ И ИСПЫТАНИЕ ИХ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Цель работы Экспериментальное определение усилия вырыва статической нагрузкой анкерных устройств из бетонного основания и сили- катного кирпича для трех видов анкеров-стержней; изучение вли- яния воздействия климатических факторов на усилие вырыва. 31 Вопросы для подготовки к выполнению лабораторной работы 1. Что такое тепловая изоляция зданий? 2. Какие климатические факторы воздействуют на наруж- ные ограждающие конструкции зданий и сооружений? 3. Перечислите системы утепления ограждающих конструк- ций. Задание к лабораторной работе Провести испытания по определению усилия вырыва дюбеля. Общие сведения Тепловая модернизация зданий – такой вид преобразования здания, при котором производится экономически целесооб- разное повышение величины сопротивления теплопередаче Rт ограждающих конструкций с целью приведения эксплутаци- онных и архитектурно-художественных качеств в соответ- ствие с современными функциональными и эстетическими требованиями (П3-2000 к СНиП 3.03.01). Наиболее предпочтительными и рациональными для повы- шения эксплуатационных характеристик здания являются си- стемы наружного утепления, т.е. повышающие термическое со-противление ограждающих конструкций Rт. Наружное утепление имеет следующие преимущества: – Создаются благоприятные температурно-влажностные усло- вия работы изолируемых ограждающих конструкций. – Стена надежно защищается от неблагоприятных внешних воздействий суточных и сезонных температурных колебаний, которые ведут к неравномерным деформациям элементов стен, что, в свою очередь, приводит к образованию трещин, рас- крытию швов, отслоению штукатурки. Эти колебания воспри- нимает уже теплоизоляционный слой, выполненный из эф- фективных высококачественных утеплителей. 32 – При наружной теплоизоляции стена защищена от атмос- ферных осадков, появления микроорганизмов (грибков) на поверхности из-за избытка влажности, от образования льда в толще стены. – В холодное время года наружная теплоизоляция препят- ствует охлаждению массивов ограждающих конструкций до температуры точки росы и выпадению конденсата на внут- ренних поверхностях или в конструкции стены. – Наружные теплоизоляционные системы, выполненные с применением каменной ваты, не создают препятствия для суще- ствовавшего до изоляции «дыхания» стен (паропроницаемость). При этом значение теплопотерь уменьшается (минимизи- руется) до 10–15 % по сравнению с 35–45 % до утепления и одновременно улучшается качество здания, которое зачастую изначально не предназначено для проживания человека. Дюбель-анкер представляет собой пластмассовую втулку диаметром 9 мм с прижимной шайбой диаметром от 60 мм и металлическим или пластмассовым сердечником диаметром 5,5 мм. Длина дюбель-анкера – 110 мм и более. Предназначен для механического крепления ТИМ к подоснове (П3-2000 к СНиП 3.03.01). В Республике Беларусь применяются следующие «штука- турные» системы теплоизоляции: 1. Легкие тонкослойные системы утепления стен – несущие функции выполняет теплоизоляционный слой системы, за- крепляемый на подоснове (стене) с помощью полимермине- рального слоя клея и анкерных устройств, а суммарная тол- щина армированного и декоративно-защитного слоя не пре- вышает, как правило, 10 мм. Он воспринимает все нагрузки и воздействия, оказываемые на систему в процессе эксплуата- ции. 2. Тяжелые штукатурные системы (ТСШ) утепления стен – несущие функции выполняет металлическая оцинкованная сет- ка и связи, в качестве которых используются дюбели-анкеры с 33 двумя шайбами (в системах с горизонтальными связями) или специальные анкерные устройства с прижимными пластинами (в системах с наклонными связями). Толщина декоративно- защитных слоев в тяжелых штукатурных системах может до- стигать 50 мм. Отсутствует клеевой слой. Выполняются при температуре от +5 до +25 °С. И в легких, и в тяжелых штукатурных системах армиро- ванный и декоративно-защитный слои располагаются непо- средственно на утеплителе. Их называют также «закрытыми». Приборы и материалы 1. Дюбель пластмассовый для крепления утеплителя. 2. Вид стержня (анкера): – пластмассовый; – металлический; – металлический со шляпкой оцин- кованный. 3. Материал подосновы: – бетон класса В15–В45; – кирпич силикатный М 200 4. Испытательное устройство или приспособление, обеспе- чивающее приложение усилия вырыва из подосновы строго вдоль оси анкерного устройства. 5. Разрывная машина для испытания типа FР-100/1 или при- бор типа ПИБ-2. 6. Шкаф сушильный электрический. 7. Климатическая камера. Задание. Провести испытание по определению усилия вырыва дюбеля. Методика испытаний Анкерное устройство (рис. 3.1) помещается в захват прибо- ра и нагружается до вырыва из образца. Показания прибора 34 фиксируются по шкале силоизмерителя. F 1 2 3 4 Рис. 3.1. Схема испытаний усилия вырыва дюбелей из основания: 1 – рамка для удержания образца; 2 – образец (кирпич, бетон); 3 – пластмассовый дюбель; 4 – анкер В бетонном или кирпичном основании высверливают отвер- стие диаметром (9±0,1) мм на глубину не менее 50 мм. Отверс- тие должно быть очищено от выработки перед введением дюбе- ля, который следует вводить ударом на глубину не менее 45 мм. Глубина заделки дюбелей составляет: – для ж/б панелей – 50 мм; – для кирпичной кладки – 70 мм. Исследования воздействия климатических факторов осуще- ствляют в следующей последовательности: – установленные в бетонный или кирпичный блоки дюбели с анкером (стержнем) помещают в камеру холода, температу- ра в которой доводится до минус (50±3) °С, и выдерживают в камере в течение двух часов; – блоки с дюбелями в течение трех часов выдерживают в нормальных климатических условиях ГОСТ 15150; – блоки с дюбелями помещают в камеру тепла, температура в которой доводится до плюс (50±3) °С, и выдерживают в те- 35 чение двух часов; – блоки с дюбелями в течение трех часов выдерживают в нормальных климатических условиях ГОСТ 15150; – блоки с дюбелями помещают в камеру с влажностью (100±3) % при температуре плюс (25±3) °С и выдерживают в течение 48 часов; – проводят испытания по усилию вырыва при статической нагрузке, направленной вдоль оси дюбеля, из бетонного или кирпичного основания. Усилие должно быть не менее 300 Н (П3-2000 к СНиП 3.03.01–87). Результаты испытаний Результаты испытаний заносят в табл. 3.1. Таблица 3.1 Контроль усилия вырыва Вид подосновы Вид сердечника (гвоздя) анкерного устройства Усилие вырыва анкерного устройства из подосновы Fв, Н Нормируемая величина усилия вырыва Fн, Н Fв /Fн Бетон тяжелый пластмассовый металлический металлический со шляпкой Кирпич силикатный пластмассовый металлический металлический со шляпкой Заключение Оценить усилие вырыва Fв из подосновы: больше или мень- 36 ше Fн. Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. Для чего применяются пластмассовые анкера-дюбеля в строительстве? 2. Какие виды анкеров применяются при тепловой санации зданий? 3. От чего зависит усилие вырыва дюбелей из бетонного или кирпичного основания? 4. Как осуществляется контроль воздействия климатических факторов на дюбеля при испытании? Литература 1. Змачинский, А.Э. Основы энергосбережения в строитель- стве. Курс лекций: учебно-методическое пособие / А.Э. Зма- чинский, О.Г. Галузо. – Минск: БНТУ, 2007. – 227 с. 2. Проектирование и устройство тепловой изоляции ограж- дающих конструкций жилых зданий: пособие П3-2000 к СНиП 3.03.01-87. 3. Дюбели для крепления строительных изделий: ТУ РБ 100344537.002. – 2003. 4. Дюбели полиамидные для строительства. Технические условия: ГОСТ 26998–86. Лабораторная работа № 4 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛЕГКОЙ ШТУКАТУРНОЙ СИСТЕМЫ (ЛШС) УТЕПЛЕНИЯ ПО МЕТОДИКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО КОДЕКСА УСТАНОВИВШЕЙСЯ ПРАКТИКИ (ТКП 45-2.04-43-2006) Цель работы Вычисление термического сопротивления (сопротивление теплопередаче) R и необходимой толщины δ теплоизоляцион- ного слоя для утепления наружной кирпичной стены здания 37 для различных ТИМ (полистиролбетона, пенополистирола, двух видов жесткой минераловатной плиты) для климатических условий Минской области; сравнение стоимости 1 м2 матери- ала утеплителя для наиболее применяемых видов; сравнение технических показателей качества утеплителей, использован- ных для расчета. Вопросы для подготовки и выполнения лабораторной работы 1. Что следует предусматривать для сокращения расхода энер- гии при эксплуатации зданий и сооружений? 2. Какова должна быть расчетная температура воздуха в по- мещениях для расчета наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений? 3. Напишите формулу для вычисления термического сопро- тивления однородной ограждающей конструкции. 4. Каково должно быть сопротивление теплопередаче запол- нений наружных световых проемов? Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить термическое сопротивление Rт и необходимую толщину δ теплоизоляционного слоя для раз- личных ТИМ. Задание 2. Сравнить эффективность и стоимость различ- ных видов утеплителей (эффективность – по техническим ха- рактеристикам). Общие сведения Ограждающие конструкции совместно с системами отопле- ния, вентиляции и кондиционирования воздуха должны обес- печивать нормируемые параметры микроклимата помещений 38 при оптимальном энергопотреблении. Для сокращения расхода энергии на создание нормируемых параметров микроклимата помещений в эксплуатируемых отап- ливаемых зданиях следует предусмотреть использование до- полнительного теплоизоляционного слоя в наружных ограж- дающих конструкциях (стены, цоколи, подвалы). С этой целью проектируются и устраиваются системы утепления (легкие и тяжелые штукатурные (ЛШС и ТШС), вентилируемые). Теплозащитные показатели систем утепления обеспечива- ются теплоизоляционным слоем, который следует выполнять из эффективных ТИМ (волокнистые, ячеистые пластмассы, пе- ностекло), толщина которых определяется в проектной доку- ментации на основании теплотехнического расчета. Конструктивное решение наружной стены (ограждающей конструкции) с ЛШС, т.е. толщина конструктивных слоев сте- ны и расчетные технические характеристики использованных материалов (ρ0, λ) приведены на рис. 4.1 и в табл. 4.1. 39 Рис. 4.1. Конструктивные слои стены Таблица 4.1 Толщина конструктивных слоев стены и расчетные технические характеристики использованных материалов (ρ0, λ) № слоя согласно рисунку Наименование материала конструктивных слоев системы и их толщины δ Средняя плот- ность ρ0, (D) кг/м3 Расчетный коэфф. тепло- проводности каждого слоя λ, Вт/(м ⋅ oС) 1 Известково-песчаный штукатурный раствор δ = 20 мм (0,02 м) 1600 0,93 2 Кладка из керамического рядового пустотелого кирпича на цементно- песчаном растворе (подоснова) δ = 510 мм (0,50 м) 1600 0,47 0,78 (Б) Э ф ф ек ти вн ы е ут еп ли те ли 3I Плита полистиролбетонная ПТПБ-300 300 0,10 3II Минераловатные жест- кие плиты Paroc FAS 4 130 0,039 ПЖ-175 175 0,052 3III Плита пенополистирольная ППТ-25-1 25Н-А 25 0,052 3IV Пеноплэкс тип 35 35 0,03 4 Декоративно-защитная композиция (полимер-минеральная штукатурка акриловая) δ = 5 мм 1800 0,5 5 Клеевые слои δ = 5×2 мм = 10 мм 1900 0,87 Легкая штукатурная система (ЛШС) утепления – кон- структивно-технологическое решение системы теплоизоляции, при котором теплоизоляционный слой является несущим и вос- принимает все нагрузки и воздействия, оказываемые на систе- му в процессе эксплуатации. 40 ЛШС основана на использовании строительных материалов, сертифицированных в Республике Беларусь, а также эффек- тивных утеплителей, соответствующих требованиям П3-2000 к СНиП 3.03.01. ЛШС представляет собой многослойную кон- струкцию, состоящую из теплоизоляционного, армированно- го, декоративно-защитного слоев, анкерных устройств и спе- циальных дополнительных изделий и материалов. Армированный слой служит для защиты теплоизоляционных плит от механических повреждений в процессе эксплуатации, а также для обеспечения прочности и трещиностойкости декора- тивно-защитного слоя (нижняя часть фасадов по всему перимет- ру на высоту 2,5 м от отметки уровня земли, участки стен на эксплуатируемых лоджиях и балконах, спуски в подвалы). В качестве теплоизоляционного слоя в ЛШС применяются жесткие минераловатные плиты и панели, а также пенополисти- рольные и полистиролбетонные плиты, плиты из пеностекла. ЛШС обеспечивает: – повышение сопротивления теплопередаче Rт ограждающей конструкции; – повышение звукоизоляции ограждающей конструкции; – защиту ограждающей конструкции от атмосферных воз- действий; – выход водяного пара (диффузию) из толщи наружных стен; – высокие архитектурно-декоративные качества; – высокую надежность и долговечность Задание 1. Теплотехнический расчет (упрощенный вари- ант) наружной ограждающей конструкции с ЛШС. Задачей теплотехнического расчета является определение толщины утепления δут, необходимой для получения стены с сопротивлением теплопередаче Rт, не менее нормативного зна- чения Rтн. Нормативное (требуемое) значение сопротивления тепло- передаче наружной стены (ограждающей конструкции) из 41 штучных материалов без учета теплопроводных включений Rтн ≥ 3,2 (м2 ⋅ °С)/Вт согласно табл. 5.1 ТКП 45-2.04-43–2006 «Строительная теплотехника»1. Последовательность расчета Согласно табл. 4.1 ТКП 45-2.04-43–2006 расчетная темпе- ратура воздуха в помещении tв = 18 °С, расчетная относитель- ная влажность воздуха в помещении φ = 55 %. Влажностный режим помещений – нормальный, условия эксплуатации ограждающих конструкций – «Б» (табл. 4.2 ТКП 45-2.04-43–2006). Значения расчетных коэффициентов теплопроводности λ ука- заны в табл. 4.1 (взяты из приложения А ТКП 45-2.04-43–2006). Толщину утеплителя δут следует вычислять по формуле δут = Rтн ⋅ λут, где Rтн – термическое сопротивление требуемого теплоизоля- ционного слоя (м2 ⋅ °С)/Вт; λут – коэффициент теплопроводности материала утеплите- ля в условиях эксплуатации, Вт/(м ⋅ °С). Теплотехнический расчет Для вычисления необходимой толщины теплоизоляционного слоя δ сначала вычисляем термическое сопротивление отдель- ных слоев наружной стены в (м2 ⋅ °С)/Вт до выполнения допол- нительной теплоизоляции по формуле 5.5 ТКП 45-2.04-43–2006: – известково-песчаного раствора (штукатурки) 1 Научно-технический совет Минстройархитектуры Республики Бела- русь (протокол № 6-2 от 21.02.2007) признал целесообразным увеличить значение нормативного сопротивления ограждающих конструкций зданий до величины не менее 3,2 (м2 ⋅ °С)/Вт с 01.07.2009. Но в связи с мировым финансовым кризисом в 2009 г. отложил на неопределенный срок. 42 R1 = δра/λра; – кирпичной кладки R2 = δкк/λкк; – наружного штукатурного декоративно-защитного слоя R4 = δш/λш; – клеевого слоя (клеевых слоев) R5 = δкл/λкл. Далее принимаем нормативное сопротивление теплоотдаче Rтн. Требуемое термическое сопротивление теплоизоляционно- го слоя из различных материалов Rизол для обеспечения при- нятого Rтн вычисляем по формуле Rизол = Rт – (1/aв + R1 + R2 + R4 + R5 + 1/aн), где aв и aн – коэффициенты теплоотдачи с внутренней и с наружной поверхностей утепленной ограждающей конструк- ции, принимаемые соответственно 8,7 Вт/(м2 ⋅ °С) и 23,0 Вт/(м2 ⋅ °С). Далее вычисляем необходимую толщину δ плит слоя допол- нительной теплоизоляции для получения стены с сопротивле- нием теплопередаче не менее нормативного значения (из условий энергосбережения) для различных утеплителей: – из полистиролбетона δпб = λпб ⋅ Rизол; – из минераловатных жестких плит (2 вида) δмв = λмв ⋅ Rизол; δмв = λмв ⋅ Rизол; – из пенополистирола 43 δпп = λпп ⋅ R изол. Задание 2. Сравнить эффективность и стоимость различных видов утеплителей. Сравниваем по стоимости 1 м2 материала утеплителя при требуемой по расчету его толщине δ с учетом стоимости 1 м3 материала теплоизоляционного слоя, принимая другие равные условия (табл. 4.2). Таблица 4.2 Стоимость эффективных теплоизоляционных материалов (ТИМ) Наименование ТИМ Цена 1 м 2, руб. (усл. ед.) Жесткая минераловатная плита (зарубежная) То же производства РБ Пенополистирол экспандированный (ЕРS- expandiertem Polystyrol) Полистиролбетон Пенополиуретан Таблица 4.3 Технические характеристики эффективных ТИМ Наименование материала Средняя плотность, ρ0, кг/м 3 Теплопроводность в сухом состоянии при температуре (25±5) °С λсух, Вт/(м ⋅ °С) λрасч, Вт/(м ⋅ °С) при усло- виях эксплу- атации А Б 1 2 3 4 5 Плита пенополисти- рольная теплоизо- ляционная (ППС) СТБ 1437-2004 15 0,038 0,041 0,05 25 0,039 0,042 0,051 35 0,041 0,043 0,052 50 0,043 0,045 0,054 Пенополиуретан (ППУ) 40 0,029 0,040 0,040 60 0,035 0,041 0,041 44 80 0,041 0,050 0,050 Окончание табл. 4.3 1 2 3 4 5 Маты минераловат- ные 50 0,048 0,052 0,06 75 0,052 0,06 0,064 125 0,056 0,064 0,07 Плиты жесткие минераловатные 200 0,070 0,076 0,08 300 0,084 0,087 0,09 350 0,091 0,09 0,11 Плиты полистирол- бетонные теплоизо- ляционные СТБ 1102-2005 230 0,068 0,075 0,085 260 0,075 0,082 0,09 300 0,080 0,092 0,10 350 0,090 0,098 0,15 Примечание: А – влажностный режим помещений – сухой; Б – то же – нормальный (см. табл. 4.2. ТКП 45-2.04-43.2006). Построить графики зависимости средней плотности (ρ0, кг/м3) от коэффициента теплопроводности (λсух, Вт/(м ⋅° С)) для пяти утеплителей по данным табл. 4.3. Литература 1. Технический кодекс установившейся практики. Строи- тельная теплотехника. Строительные нормы проектирования: ТКП 45-2.04-43–2006 (02250). – Минск: Министерство архи- тектуры и строительства Республики Беларусь, 2007. 2. Технический кодекс установившейся практики. Тепловая изоляция наружных ограждающих конструкций зданий и со- оружений. Система «Термошуба». Правила проектирования и устройства: ТКП 45-3.02-24–2006 (02250). – Минск: Министер- ство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2006. 3. Технический кодекс установившейся практики. Тепловая изоляция наружных ограждающих конструкций зданий и со- оружений. Система «CERESIT (ЦЕРЕЗИТ)». Правила проек- тирования и устройства: ТКП 45-3.02-50–2006 (02250). – Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Бе- 45 ларусь, 2006. 4. Проектирование и устройство тепловой изоляции ограж- дающих конструкций зданий и сооружений: пособие П3-2000 к СНиП 3.03.01–87. 5. Устройство тепловой изоляции ограждающих конструк- ций зданий и сооружений. Система ПСЛ. НИИСМ. Белпроект: П2-04.02.96 к СНиП 3.03.01–87. 6. Несущие и ограждающие конструкции: СНиП 3.03.01.87. 7. Плиты пенополистирольные теплоизоляционные: СТБ 1437–2004. 8. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций зда- ний: П1-04 к СНБ 2.04.01–97. 9. СТБ 1102-2005. Плиты теплоизоляционные полистирол- бетонные. ТУ: СТБ 1102-2005. Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНОГО КЛЕЕВОГО И ДЕКОРАТИВНО-ЗАЩИТНОГО СЛОЕВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ УСТРОЙСТВА В ЛЕГКОЙ ШТУКАТУРНОЙ СИСТЕМЕ УТЕПЛЕНИЯ СТЕН «ТЕРМОШУБА» Цель работы Ознакомление с ТНПА, методикой, приборами и оборудо- ванием по определению адгезионной прочности с основанием (прочности сцепления) клеевого и полимерминерального де- коративно-защитного слоев к подоснове, определение проч- ности сцепления клеевого слоя и полимерминеральнной шту- катурки с основанием, ударопрочности декоративно-защитного слоя в лаборатории и сравнение этих показателей с нормируе- мым значением. 46 Вопросы для подготовки и выполнения лабораторной работы 1. Какие материалы входят в систему утепления «ТЕРМО- ШУБА»? 2. Для чего определяется ударопрочность декоративно-защит- ного слоя наружных ограждающих конструкций зданий и со- оружений? 3. Зависит ли прочность сцепления клеевого и штукатурно- го слоев с основанием от материалов, из которых сделано ос- нование? Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить прочность сцепления (адгезионную прочность) клеевого состава с теплоизоляционным слоем. Задание 2. Определить прочность сцепления клеевого и шту- катурного слоев с основанием (ГОСТ 28574-90, СТБ 1263-2001. Задание 3. Определить стойкость к удару (динамическую прочность). Приборы и материалы 1. Образцы пенополистирола и минеральной каменной ва- ты размером 100×100 мм – 3шт. 2. Цементно-песчаные образцы (подложки) размером 70×70×50 мм с нанесенным клеевым слоем диаметром 50 мм и высотой 2–3 мм – 5 шт.; 3. Образцы штукатурной системы утепления стен 100×100×h (h – толщина облицовки) – 3 шт. 4. Машина испытательная; 5. Металлическая линейка по ГОСТ 427. 6. Штангенциркуль по ГОСТ 166 с ценой деления 0,1 мм. 7. Металлические пластины размером (100×100)±1 мм и тол- 47 щиной (5,0±0,1) мм с отверстием и резьбой в центре. 8. Клей эпоксидный по ТНПА. 9. Металлические диски высотой 25 мм и диаметром 50,6 мм с шарнирным соединением для передачи усилий растяжения. 10. Копер испытательный с массой груза 2 кг. Задание 1. Определить прочность сцепления (адгезионной прочности) клеевого состава с теплоизоляционным слоем. Методика испытаний Сущность метода состоит в измерении усилия, необходимо- го для отрыва клеевого слоя от теплоизоляционного материала в направлении, перпендикулярном плоскости клеевого слоя. Для проведения испытаний готовят образцы теплоизоляци- онного слоя размерами (100×100)±1 мм и толщиной, равной толщине материала или изделия (пенополистирол марки 35 Н, плита из минеральной ваты плотностью не менее 140 кг/м3). Поверхность образцов очищают и обеспыливают. При помо- щи шпателя наносят клеевой слой на две противоположные стороны образца. Способ нанесения испытуемого клеевого слоя на поверхность теплоизоляционного материала, его тол- щина, время и условия отвердения определены в соответствии с СТБ 1621-2006. Полученные образцы выдерживают на воздухе при темпе- ратуре (23±5) ºС в течение 7 суток. Испытания проводят на трех образцах. Адгезионную прочность сцепления R клеевого слоя с теп- лоизоляционным материалом каждого образца в МПа, с точ- ностью до 0,001 МПа вычисляют по формуле R = F/S, где F – усилие отрыва, Н; 48 S – площадь металлической пластины, мм2. Для определения прочности сцепления клеевого слоя с теп- лоизоляционным материалом вычисляют среднее арифметиче- ское значение Rср по результатам трех испытаний. Если разрушение образца произошло по приклеивающему слою, то результаты испытания этого образца аннулируют. Задание 2. Определить прочность сцепления клеевого и штукатурного слоев с основанием (ГОСТ 28574–90, СТБ 1263–2001). Методика испытаний На цементно-песчаные образцы-подложки (рис. 5.1) нано- сят рабочий состав клеевого слоя толщиной 2 мм. Образцы выдерживают 28 суток при температуре равной (20±5) ºС и относительной влажности (65±5) %. К ним приклеивают ме- таллические диски эпоксидной смолой и после отвердевания определяют усилие их отрыва, рассчитывают значение адге- зионной прочности в МПа. 1 2 4 3 5 Рис. 5.1. Определение прочности сцепления клеевого и штукатурного состава с бетонным основанием: 1 – цементно-песчаные образцы подложки; 2 – клеевой или штукатурный 49 состав; 3 – клей эпоксидный; 4 – диск металлический; 5 – шарнирное соединение для передачи усилия растяжения При отрыве покрытия от бетона величину адгезионной проч- ности R, МПа, вычисляют по формуле R = F/S, где F – значение силы, при которой произошел отрыв, Н; S – площадь отрыва, мм2. При обработке результатов испытаний пяти образцов-близ- нецов исключают экстремальные значения и определяют сред- неарифметическое значение не менее чем по трем образцам. Результаты, отличающиеся от среднеарифметической величи- ны более чем на 15 %, считаются недействительными – испы- тания повторяют. Отрыв металлического диска по лакокрасочному покрытию или по бетону позволяет считать, что адгезия покрытия к бе- тону больше, чем адгезия в материале покрытия или проч- ность бетона на растяжение. При отрыве диска по клею испытание необходимо повто- рить с использованием другой клеевой смеси с более высоки- ми адгезионными характеристиками. Задание 3. Определить стойкость к удару (динамическую прочность). Декоративно-защитный наружный слой ЛШС теплоизоля- ции в цокольной части и на уровне 1-го этажа здания должен воспринимать ударные воздействия, действие нагрузок от лестниц или других приспособлений, применяемых при об- служивании и ремонте наружных стен зданий, а также обес- печивать амортизацию различных изгибающих нагрузок. Динамическая (ударная) прочность – способность материа- ла сопротивляться разрушению при ударных нагрузках (стой- кость к удару). Ударным нагрузкам подвергаются также мате- 50 риалы дорожных покрытий, полы и т.п. Динамическую проч- ность хрупких строительных материалов определяют путем сбрасывания на испытываемый образец груза определенной массы. Высоту, с которой падает груз, последовательно уве- личивают до тех пор, пока при очередном падении груза обра- зец не разрушится (СТБ 1496-2004). Метод устанавливает правила и порядок определения удар- ной прочности. Стойкость к удару характеризуется величиной работы Ауд, Дж, затраченной на разрушение образца. Испытания выполняются в следующей последовательности: – образцы устанавливаются на наковальню испытательного копра верхней плоскостью вверх и прижимаются подбабком, который должен соприкасаться в центре с верхней плоско- стью образца; – подняв груз с помощью ручки и троса, производят пер- вый удар груза по образцу с высоты 0,01 м, второй – с высоты 0,02 м, третий – 0,03 м и т.д. до появления на верхней плоско- сти образца признаков разрушений. Наличие трещин опреде- ляется визуально. Стойкость к удару каждого из образцов Ауд следует вычис- лять по формуле: Ауд = mg [1 + 2 + 3 + … + (n – 1)] ⋅ 0,01, где m – масса падающего груза, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; n – номер удара, после которого появились признаки раз- рушения. Стойкость к удару следует вычислять с точностью до 0,01 Дж. Результаты испытаний Результаты испытаний заносят в табл. 5.1. 51 Таблица 5.1 Определение механических характеристик полимерцементного штукатурного и клеевого составов Наименование показателя Значение показателя состава и наименование ТНПА Значения опытные среднее арифме- тическое Прочность сцепления клеевого слоя с тепло- изоляционным материа- лом, МПа – минераловатные плиты – пенополистирол СТБ 1621-2006 табл. 1 Не менее предела прочности на отрыв слоев утеплителя Не менее предела прочности утеплите- ля при растяжении Прочность сцепления декоративно-защитного слоя с основанием, МПа – наружная полимерми- неральная штукатурка – клеевой состав для на- клеивания теплоизоля- ционных материалов и армирующей сетки СТБ 1263-2001 табл. 1 не менее 0,8 СТБ 1621-2006 табл. 1 не менее 0,6 Ударостойкость, Дж Более 2,5 52 Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. В чем сущность методики определения прочности сцеп- ления клеевого слоя с теплоизоляционным материалом? 2. Как определить прочность сцепления клеевого и поли- мерминерального декоративно-зашитного слоев с бетонным основанием? 3. Что такое адгезия и в каких единицах она измеряется? Литература 1. Составы клеевые полимерминеральные. Технические усло- вия: СТБ 1621–2006. 2. Композиции защитно-отделочные строительные. Техни- ческие условия: СТБ 1263–2001. 3. Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетон- ные и железобетонные. Методы испытаний адгезии защитных покрытий: ГОСТ 28574–90. 4. Композиции полимерминеральные для устройства пола. Технические условия: СТБ 1496–2004. Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ТРУБЫ-ОБОЛОЧКИ ДЛЯ ТРУБЫ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ТЕРМОИЗОЛИРОВАННОЙ ЖЕСТКИМ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОМ Цель работы Ознакомление с техническими нормативными правовыми актами (ТНПА), а также методикой и оборудованием по опре- делению изменения длины труб-оболочек в продольном 53 направлении после прогрева, относительного удлинения при раз-рыве образцов из полиэтилена, вырезанных из трубы- оболоч-ки, в лаборатории и сравнение с нормируемым значе- нием в технических требованиях. Вопросы для подготовки к выполнению лабораторной работы 1. Какова цель тепловой изоляции труб? 2. Для чего предназначены предварительно изолированные трубы? 3. Из каких материалов могут изготавливаться трубы-обо- лочки для ПИ-труб? Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить относительное удлинение при разрыве. Задание 2. Определить изменение длины труб-оболочек по- сле прогрева в воздушной среде. Общие сведения Предварительно утепленные пенополиуретаном стальные трубы в оболочке из полиэтилена предназначены для подзем- ной и надземной прокладки тепловых сетей с температурой теплоносителя до 120 ºС. Находясь в подземной прокладке, они могут испытывать внешние усилия от грунта, зданий, сооружений и проходящих по шоссе автомобилей. В качестве трубы-оболочки ПИ-труб, предназначенных для подземной прокладки тепловых сетей, применяется полиэти- леновая труба, изготовленная методом экструзии из полиэти- лена низкого давления (ПЭНД), содержащего сажу. 54 Приборы и материалы 1. Испытательная машина для испытания материалов на растяжение. 2. Воздушный сушильный шкаф типа СНОЛ-3,5. 3. Штангенциркуль с погрешностью не более 0,01 мм. 4. Образцы термоизолированных труб (ПИ-труб). 5. Полиэтиленовые образцы длиной 150 мм для испытания на относительное удлинение при разрыве. 6. Образцы для определения изменения длины трубы-обо- лочки после прогрева. Задание 1. Определить относительное удлинение при разрыве (по ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Методы испыта- ния на растяжение»). На образцах (рис. 6.1) на равном расстоянии от краев нано- сят две контрольные метки. При толщине стенки трубы до 6 мм испытания проводят с расстоянием между метками 25 мм, а при толщине стенки свыше 6 мм – 50 мм. Образцы испыты- вают при температуре (23±2) °С. До начала испытания образ- цы выдерживают при данной температуре не менее 2 ч, затем закрепляют в зажимах испытательной машины и растягивают со скоростью (100±10) мм/мин до разрыва. Измеряют расстоя- ние между контрольными метками и рассчитывают относи- тельное удлинение при разрыве εp, %, по формуле %,100)(ε 0 0к p ⋅ − = l ll где lк – расстояние между контрольными метками в момент разрыва образца, мм; l0 – расчетная длина между контрольными метками, мм. 55 F F 10 50 6 25 F F Рис. 6.1 Тип образца из полиэтилена для испытания на устойчивость к разрыву Результаты испытаний записывают в табл. 6.1. Таблица 6.1 Определение относительного удлинения при разрыве № образца Длина образца в момент разрыва lк, мм Начальная расчетная длина образца l0, мм Относительное удлинение εp, % 1 2 3 4 5 56 Среднее арифметическое значение для пяти определений Задание 2. Определить изменение длины труб-оболочек после прогрева в воздушной среде (по ГОСТ 27078–86 «Тру- бы из термопластов. Методы определения изменения длины труб после прогрева»). Метод заключается в измерении расстояния между двумя метками на поверхности образца до и после выдержки его в воздушной среде при заданной температуре и времени. Вырезанные из полиэтиленовой трубы-оболочки образцы 300×200 мм в количестве трех полос помещают в воздушный сушильный шкаф, снабженный герметизирующим устрой- ством, обеспечивающим поддержание температуры 110 ºC с отклонением ±2 °С в течение 60 мин при толщине стенки тру- бы до 8 мм и 120 мин при толщине от 8 до 16 мм. На наружную поверхность каждого образца наносят три линии параллельно оси трубы на равном расстоянии по пери- метру или ширине образца. На каждой линии делают метки на расстоянии не менее 100 мм друг от друга и не менее 10 мм от торца образца. На каждом образце измеряют расстояние между двумя мет- ками (l0) с погрешностью не более 0,25 мм при температуре (23±2) °С, значения заносят в табл. 6.2. Таблица 6.2 Определение изменения длины труб после прогрева в воздушной среде № образца Расстояние до прогрева l0, мм Расстояние после прогрева l, мм 0ll − , мм Х, % 1 2 3 57 Среднее арифметическое значение Изменение длины между метками Х на каждой линии, нанесенной на образце, вычисляют по формуле %,100 0 0 ⋅ − = l ll Х где l – расстояние между метками после прогрева, мм; l0 – расстояние между метками до прогрева, мм; 0ll − – абсолютное значение изменения длины образца. Результаты испытаний записывают в табл. 6.2. В расчет принимаются максимальное абсолютное измене- ние длины образца 0ll − . За результат измерения принимаются среднее арифметиче- ское значение результатов испытаний трех образцов. Норми- руемые величины (технические требования): – относительное удлинение ПЭ трубы-оболочки при разры- ве не менее 350 %; – изменение длины труб-оболочек в продольном направле- нии после прогрева не более 3%. Заключение Испытанные образцы ПЭ трубы-оболочки ПИ-трубы по ве- личине относительного удлинения и изменения длины труб- оболочек в продольном направлении после прогрева соответ- ствуют / не соответствуют СТБ 1295–2001. Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. Как определить относительное удлинение при разрыве ПЭ трубы-оболочки для ПИ-труб? 58 2. Как определить изменение длины ПЭ трубы-оболочки пос- ле разрыва в воздушной среде? 3. Почему ПЭ труба-оболочка в ПИ-трубе должна иметь вы- сокое значение относительного удлинения? Литература 1. Пластмассы. Методы испытания на растяжение: ГОСТ 11262-80. 2. Трубы из термопластов. Методы определения изменения размеров труб: ГОСТ 27078-86. 3. Трубы стальные предварительно термоизолированные пе- нополиуретаном: СТБ 1295-2001. Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ИЗ ЖЕСТКОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА, ПРИМЕНЯЕМОГО В ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ТЕРМОИЗОЛИРОВАННЫХ ТРУБАХ Цель работы Ознакомление с методиками определения средней плотно- сти ρ0, водопоглощения по объему W0 и напряжения при 10%-й деформации сжатия образцов из жесткого пенополиуретана, вырезанных из средней части изоляции ПИ-труб. Вопросы для подготовки к выполнению лабораторной работы 1. Почему пенополиуретан применяется в трубах стальных, предварительно термоизолированных пенополиуретаном? 2. Какие есть способы изготовления жестких пенополиуре- танов? 59 3. Перечислите основные области применения пенополи- уретана. Задания к лабораторной работе Задание 1. Определить среднюю плотность ρ0 средней ча- сти тепловой изоляции. Задание 2. Определить водопоглощение по объему W0. Задание 3. Определить напряжение при 10%-й деформации сжатия. Общие сведения В настоящее время наиболее эффективными теплоизоляци- онными материалами являются газонаполненные полимеры (пе- нопласты), из которых наиболее широкое распространение на- шли пенополиуретаны (ППУ), обладающие наилучшими теп- лоизоляционными и эксплуатационными характеристиками, и которые, благодаря высокой технологичности, представляют для любой задачи в области теплоизоляции выгодное в стои- мостном отношении и технически современное решение. Су- ществующие пенообразователи и способы производства поз- воляют получать жесткий ППУ с преобладающим содержани- ем закрытых пор (92–98 %) и низкой средней плотностью ρ0. Эти важные эксплуатационные характеристики позволяют применять ППУ для решения задач проектирования и строи- тельства теплоизолированных конструкций и систем. Существующие два основных способа изготовления жест- ких ППУ – заливка и напыление – позволяют получать сле- дующий ассортимент изделий: − предварительно изолированные в заводских условиях тру- бы (ПИ-трубы); − теплоизоляционные полуцилиндры и другие фасонные из- делия для элементов трубопроводов и запорной арматуры; − трехслойные панели и другие конструкционные строитель- ные изделия; 60 − бесшовную изоляцию, получаемую нанесением теплоизо- ляционной ППУ-композиции методом набрызга. Пенополиуретан содержит от 92 до 98 % закрытых пор, за- полненных изоляционными газами. Только от 8 до 2 % объема ППУ содержит твердый полимер. Содержание твердого поли- мера определяется плотностью ППУ: чем выше плотность, тем выше процент твердого полимера. Закрытые поры запол- нены газом, который образуется во время производства поли- уретановой пены. Жесткий ППУ наряду с высокой экономичностью и просто- той переработки характеризуется следующими техническими показателями: − температурный диапазон эксплуатации: от –200 до +165 °С, выдерживает кратковременный нагрев до +250 °С; − высокие показатели физико-механических характеристик; − высокая стойкость к старению (формостабильность); − химическая и биологическая стойкость; − возможность заполнения узких пространств, т.е. техно- логичность. Жесткие ППУ устойчивы к растворителям, пластификато- рам и другим компонентам, применяемым в строительных ра- ботах и при устройстве гидроизоляционных оболочек. Хими- чески устойчивы к минеральным маслам, различным видам топлива, разбавленным растворам кислот и щелочей, алифа- тическим и ароматическим углеводородам, к агрессивной промышленной атмосфере. Разрушают полимерную матрицу диметилформамид ((CH3)2NCHO) и концентрированные кисло- ты: соляная HCl, серная Н2SO4, азотная HNO3. При длитель- ной эксплуатации пенополиуретанов в открытом состоянии происходит деструкция, связанная с воздействием УФ- излучения, что требует применения специальных защитных слоев. Жесткий ППУ устойчив по отношению к плесневым гриб- кам, не подвержен разложению и гниению, физиологически 61 безвреден и разрешен к применению в жилищном строитель- стве, холодильной технике, изготовлении товаров культурно- бытового назначения. Имеет высокую адгезию практически ко всем материалам, за исключением отдельных полимеров, не вызывает коррозии, легко поддается механической обработке. Таким образом, учитывая весь комплекс физико-механических и эксплуатационных характеристик, жесткий ППУ является материалом, характеристики которого удовлетворяют требова- ниям строительной теплофизики, экологическим и законода- тельным требованиям в трубопроводном и промышленном строительстве, для технологического оборудования, в криоген- ной, рефрижераторской и отопительной технике, а основное применение ППУ – это, безусловно, бесканальное, канальное и наземное строительство магистральных и коммунальных теп- лосетей, водоводов горячего и холодного водоснабжения, инже- нерных сетей химических и нефтехимических производств, газо- нефтепроводов рефрижераторного и криогенного оборудова- ния с применением предварительно изолированных в заводских условиях трубопроводов и фасонных изделий отводов, тройни- ковых ответвлений, стартовых компенсаторов, запорной арма- туры и других элементов. Приборы и материалы 1. Образцы размером 25×25×25 мм для определения сред- ней плотности средней части тепловой изоляции. 2. Образцы размером 25×25×25 мм для определения водо- поглощения по объему W0. 3. Образцы размером 30×30×20 мм для определения напря- жения при 10%-й деформации сжатия. 4. Весы типа ВЛТК-500. 5. Штангенциркуль ШЦ II-250. 6. Плитка электрическая. 7. Емкость с рамкой из нержавеющей стали. 8. Испытательная машина. 62 Задание 1. Определить среднюю плотность ρ0 средней части тепловой изоляции (по ГОСТ 409–77). Методика испытаний Среднюю плотность средней части тепловой изоляций определяют на трех сухих образцах размером 25×25×25 мм. Среднюю плотность ρ0 в кг/м3 вычисляют по формуле ρ = m ⋅ 106/V, где m – масса образца, г; V – объем образца, мм3. Задание 2. Определить водопоглощение по объему (по СТБ 1295–2001). Методика испытаний Испытание на водопоглощение тепловой изоляции из жест- кого ППУ выполняется на трех образцах 25×25×25 мм. Масса М0 образца определяется взвешиванием на весах с точностью до 0,01 г, а объем V0 – по геометрическим разме- рам образца с точностью до 0,01 см3. Образец помещают в рамку (корзину), изготовленную из нержавеющей стали. Чтобы исключить всплытие образца, к рамке прикрепляют груз. Рамку с образцом погружают в кипящую дистиллированную воду так, чтобы расстояние между поверхностью воды и верх- ней гранью образца составляло не менее 50 мм. Время нахож- дения образца в кипящей воде должно составлять (90±5) мин. После извлечения из кипящей воды рамка с образцом сразу по- гружается в воду с температурой (23±5) ºC на 1 ч. Затем рамка с образцом извлекается из воды. После удаления капель с об- разца определяется его масса М1 с точностью до 0,01 г. Водопоглощение W0, % рассчитывается с точностью до 1 % по формуле 63 %,100 )( 0 01 ⋅ ρ − = V MMW , где ρ – плотность воды при температуре (23±5) ºC составляет 0,99 г/см3 Результат испытания определяется как среднее арифмети- ческое значение результатов измерений. Задание 3. Определить напряжение при 10%-й дефор- мации сжатия (по ГОСТ 23206-77). Методика испытаний Напряжение при 10%-й деформации сжатия определяется на шести образцах, размер которых равен (30×30×20)±0,5 мм. Величина напряжения при 10%-й деформации сжатия вы- числяется в МПа как среднее арифметическое значение ре- зультатов испытаний по формуле σ10 = F10/S, где F10 – усилие при 10%-й деформации, Н; S – площадь первоначального поперечного сечения образ- ца, мм2. Результаты определений Результаты определений заносятся в табл. 7.1. Таблица 7.1 Результаты определения физико-механических характеристик Определяемые показатели Значения норми- руемые опытные среднее арифме- тическое 64 1 2 3 4 Средняя плотность средней части тепло- вой изоляции ρ0, кг/м3 Не менее 80 Окончание табл. 7.1 1 2 3 4 Водопоглощение по объему W0, % Не более 10 Напряжение при 10%-й деформации сжатия σ10, МПа Не менее 0, 3 Заключение Тепловая изоляция из жесткого ППУ по измеренным по- казателям удовлетворяет / не удовлетворяет требованиям СТБ 1295–2001. Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы 1. Как определить среднюю плотность ρ0 средней части пе- нополиуретановой изоляции ПИ-труб? 2. Как определить водопоглощение по объему термоизоля- ции из ППУ? 3. Как определить напряжение при 10%-й деформации сжа- тия образцов ППУ? 4. Почему водопоглощение по объему W0 ППУ согласно СТБ определяется в кипящей воде? 5. Почему для тепловой изоляции (ППУ) невозможно опре- делить предел прочности при сжатии Rсж? 6. Почему водопоглощение по объему W0 ППУ должно быть не менее 10 %? Будет ли ППУ надежным теплоизолято- ром при 11 или 12 %? Литература 65 1. Змачинский, А.Э. Основы энергосбережения в строитель- стве. Курс лекций: учебно-методическое пособие / А.Э. Змачин- ский, О.Г. Галузо. – Минск: БНТУ, 2007. – 227 с. 2. Пластмассы ячеистые и резины губчатые. Метод опреде- ления кажущейся плотности: ГОСТ 409–77. 3. Трубы стальные предварительно термоизолированных пенополиуретаном. Технические условия: СТБ 1295–2001. 4. Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытания на сжа- тие: ГОСТ 23206–78. Задачи для практических занятий Тема: «Теплофизические характеристики» Задача 1 Кубический образец каменного материала размером а = 10 см имеет в воздушно-сухом состоянии массу m = 2,2 кг. Вычислить ориентировочно коэффициент теплопроводно- сти λ и возможное наименование материала. Решение: Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопро- водность λ [Вт/(м ⋅ °С)] с величиной относительной плотно- сти d однородного каменного материала: 16,022,00196,016,1 2 −+=λ d , где d – относительная плотность, выражает отношение плотно- сти материала мат0ρ к плотности стандартного вещества 0ρ при определенных физических условиях (безразмерная величина). В качестве стандартного вещества удобно принять воду при 4 °С (точнее при t = 3,98 °С), имеющую при этой темпера- туре плотность OH0 2ρ = 1000 кг/м3, или OH0 2ρ = 1 г/см3. 66 Средняя плотность данного кубического образца материала 3 0 / amV m ==ρ = 2200/1000 = 2,2 г/см3. Относительная плотность d .2,2 0,1 2,2 ОН 0 мат 0 2 == ρ ρ =d Ориентировочно коэффициент теплопроводности материала 2)2,2(22,00196,016,1 ⋅+=λ – 0,16 = 1,048 Вт/(м ⋅ °С). По справочным данным устанавливаем, что возможный вид материала – тяжелый бетон. λ = 0,9–1,6 Вт/(м ⋅ °С) (А.Г. Ко- мар. Строительные материалы и изделия, М., 1988 г.). Задача 1а Определить среднюю плотность 0ρ и коэффициент теплопро- водности λ, установить примерное название материала, если образец из него имеет форму куба с ребром 3 см и массу 32,4 г. Решение: Объем куба V = 0,03×0,03×0,03 = 0,000027 м3. Средняя плотность кубического образца материала .кг/м 1200 000027,0 0324,0 3мат 0 ==ρ ,16,022,00196,016,1 2 −+=λ d 2,1 1000 1200 ОН 0 мат 0 2 == ρ ρ =d , 67 =−⋅+=λ 16,0)2,1(22,00196,016,1 2 513,016,03364,016,1 =−= Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 1200 кг/м3; 0,513 Вт/(м ⋅ °С); легкий бетон. Задача 1б Образец каменного материала в форме куба со стороной 10 см имеет массу в сухом состоянии 1,7 кг. Вычислить ори- ентировочно коэффициент теплопроводности λ и возможное наименование этого материала. Решение: Объем образца материала Vмат = 0,001 м3 или Vмат = 1000 см3. Средняя плотность образца материала .кг/м 1700 001,0 7,1 3мат 0 ===ρ V m Относительная плотность .7,1 1000 1700 ρ ρ ОН 0 мат 0 2 ===d Коэффициент теплопроводности материала =−⋅+=λ 16,022,00196,016,1 2d 779098,016,089,222,00196,016,1 =−⋅+= Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,779098 Вт/(м ⋅ °С); цементно-песчаный раствор. Задача 1в 68 Образец каменного материала в форме куба со стороной 10 см имеет массу в сухом состоянии 1,5 кг. Определить ори- ентировочно коэффициент теплопроводности λ и возможное наименование этого материала. Решение: Объем образца материала Vмат = 0,001 м3 или Vмат = 1000 см3. Средняя плотность образца материала .кг/м 1500 001,0 5,1 3мат 0 ===ρ V m Относительная плотность 5,1 1000 1500 ρ ρ ОН 0 мат 0 2 ===d . Коэффициент теплопроводности материала =−⋅+=λ 16,022,00196,016,1 2d 672,016,025,222,00196,016,1 =−⋅+= Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,672 Вт/(м ⋅ °С); легкий бетон Задача 2 Через наружную стену из кирпича площадью A = 25,5 м2 проходит за τ = 24 ч Q = 76000 кДж теплоты. Толщина стены δ = 51 см. Температура внутренней (теплой) поверхности сте- ны t1 = +15 °С, наружной (холодной) t2 = -12 °С. Рассчитать теплопроводность λ кирпичной кладки. 69 Решение: Теплопроводность кирпичной стены (кладки) λ, Вт/(м ⋅ °С) τ− δ =λ )( 21 ttA Q , где Q – количество теплоты, кДж; δ – толщина стены, м; А – площадь сечения, перпендикулярная направлению теп- лового потока, м2; t1, t2 – температура поверхности соответственно теплой и холодной сторон стены, °С; τ – время прохождения потока тепла, ч. )СчкДж/(м 346,2 24275,25 51,076000 °⋅⋅= ⋅⋅ ⋅ =λ или 2,346 : 3,6 = = 0,65157 Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,65157 Вт/(м ⋅ °С). 1 Вт/(м ⋅ °С) = 0,86 ккал/(ч ⋅ м⋅°С) 1 кал = 4,1868 Дж Вт = Дж/с. Ватт равен мощности, при которой работа 1 Дж производится за время 1 с. По размерности °С = К. Задача 2а Наружная поверхность стены из газобетона толщиной 300 мм имеет температуру t2 = – 12 °С, а внутренняя t1 = +18 °С. Через стену площадью A = 18 м2 проходит в течение t =6 ч 7000 кДж тепла. Вычислить коэффициент теплопроводности λ газобетона. Решение: ( )[ ] С).Вт/(м 18,06,36121818 3,07000 )( 21 °⋅= ⋅⋅−− ⋅ = τ− δ⋅ =λ ttA Q Дж/с. Вт = 70 Ответ: 0,18 Вт/(м ⋅ °С). Задача 2б Через наружную стену из кирпича площадью А = 25,5 м2 проходит за τ = 24 ч Q = 76000 кДж теплоты. Толщина стены δ = 51 см. Температура внутренней поверхности стены t1 = = +18 °С, наружной t2 = -12 °С. Рассчитать теплопроводность λ кирпичной кладки. Решение: Теплопроводность кирпичной стены (кладки) λ, Вт/(м ⋅ °С) τ− δ =λ )( 21 ttA Q , где Q – количество теплоты, кДж; δ – толщина стены, м; А – площадь сечения, перпендикулярная направлению теп- лового потока, м2; t1, t2 – температура поверхности соответственно теплой и холодной стороны стены, °С; τ – время прохождения потока тепла, ч. )СчкДж/(м 11,2 24305,25 51,076000 °⋅⋅= ⋅⋅ ⋅ =λ °С) или 2,11 : 3,6 = 0,5864 Вт/(м ⋅ °С). 1 Вт/(м ⋅ °С) = 0,86 (ккал/ч ⋅ м ⋅ °С); 1 кал = 4,1868 Дж. Вт = Дж/с; ватт равен мощности, при которой работа 1 Дж производится за время 1 с. По размерности °С = К. Ответ: 0,5864 Вт/(м ⋅ °С). Задача 3 71 Теплопроводность фибролита со средней плотностью 0ρ = = 400 кг/м3 в сухом состоянии при t = 25 °С сухtλ = 0,1 Вт/(м ⋅ °С). Вычислить расчетное значение теплопроводности λ : а) при t = 0 °С; б) при t = 25 °С и влажности по массе Wm = 20 %. Решение: Для пересчета теплопроводности к нулевой температуре используем формулу ),0025,01(0 tt +λ=λ где λ0 – коэффициент теплопроводности при 0 °С. Эта формула справедлива только при температурах не вы- ше 100 °С. 094,0 250025,01 1,0 )0025,01(0 = ⋅+ = + λ =λ t t Вт/(м ⋅ °С). Для учета влияния влажности на теплопроводность λ мож- но использовать упрощенную формулу ,об cух Wtw λ∆+λ=λ где сухtλ – коэффициент теплопроводности при температуре t; λw – коэффициент теплопроводности влажного материала; ∆λ – приращение коэффициента теплопроводности на 1 % увеличения объемной влажности W0, которое составляет: − для неорганических материалов при положительной тем- пературе – 0,0025 Вт/(м ⋅ °С); − при отрицательной – 0,0047 Вт/(м ⋅ °С); − для органических – соответственно 0,0035 Вт/(м ⋅ °С) и 0,0047 Вт/(м ⋅ °С); 72 Wоб – объемная влажность (влажность материала по объему). Влажность по объему фибролита в mm WV mWW ρ ρ ⋅= ρ⋅ ⋅= 0 в 0 , %0,84,0200 =⋅=⋅= dWW m . Эффективная теплопроводность влажного фибролита λw = 0,1 + 0,0035 ⋅ 8,0 = 0,128 Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,094 Вт/(м ⋅ °С); 0,128 Вт/(м ⋅ °С). Задача 3а Теплопроводность газосиликата со средней плотностью 0ρ = = 360 кг/м3 в сухом состоянии при t = 25 °С сухtλ = 0,085 Вт/(м ⋅ °С). Вычислить расчетное значение теплопроводности λ : а) при t = 0 °С; б) при t = 25 °С и влажности по массе Wm = 20 %. Решение: Для пересчета теплопроводности к нулевой температуре ис- пользуем формулу )0025,01(0 tt +λ=λ . Эта формула справедлива только при температурах не вы- ше 100 °С. Теплопроводность газосиликата при 0 °С 73 08,0 250025,01 085,0 )0025,01(0 = ⋅+ = + λ =λ t t Вт/(м ⋅ °С). Для учета влияния влажности на теплопроводность можно использовать упрощенную формулу ,обсух Ww λ∆+λ=λ Влажность по объему газосиликата , в 0 в 0 ρ ρ ⋅= ρ⋅ ⋅= mm WV mWW % 2,736,0200 =⋅=⋅= dWW m . Коэффициент теплопроводности влажного газосиликата λw = 0,085 + 0,0025 ⋅ 7,2 = 0,103 Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,08 Вт/(м ⋅ °С); 0,103 Вт/(м ⋅ °С). Задача 4 Необходимо заменить существующую теплоизоляцию из пенобетонных плит со средней плотностью ρ0 = 500 кг/м3 и толщиной δпб = 100 мм на теплоизоляцию из каменной ваты марки D 100. Температура изолируемой поверхности t1 = 300 °С, а тем- пература поверхности изоляции t2 = 25°С. Вычислить толщи- ну нового теплоизоляционного слоя из каменной ваты. Решение: 74 Определяем среднюю температуру теплоизоляционного слоя tср = (t1 + t2)/2 = (300 + 25)/2 = 162,5 °С. По справочным данным вычисляем коэффициент теплопро- водности изоляционного слоя из пенобетона при ρ0 = 500 кг/м3 по следующей расчетной формуле: С)Вт/(м 179,05,1620003,013,00003,013,0 cр 500 пб °⋅=⋅+=+=λ t . Вычисляем коэффициент теплопроводности минераловат- ного утеплителя марки D 100 по расчетной формуле С).Вт/(м 0844,0 5,16200023,0047,000023,0047,0 cрмв °⋅= =⋅+=+=λ t При замене теплоизоляционного материала, предусмотрен- ного проектом, на другой необходимо обеспечить сохранение термического сопротивления запроектированного изоляцион- ного слоя λδ= /R , где R – термическое сопротивление изоляционного слоя, С/Втм2 °⋅ ; δ – толщина слоя, м; λ – коэффициент теплопроводности изоляционного слоя, Вт/( См °⋅ ). Термическое сопротивление существующей теплоизоляции из пенобетона С)/Вт.(м559,0179,0/1,0/ 2500пбпбт °⋅==λδ=R Толщина слоя из минеральной ваты при требуемом проект- ном термическом сопротивлении Rт = 0,56 Вт/(м ⋅ °С). 75 м.047,00844,0559,0мвтмв =⋅=λ=δ ⋅R Принимаем см. 0,5мв =δ Ответ: 5,0 см. Задача 5 Какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть от t2 = 10 °С до t1 = 30 °С стену из ячеистого бетона плотностью ρ0 = 550 кг/м3, площадью А = 20 м2 и толщиной δ = 25 см и та- кую же стену из древесины такой же средней плотности? Решение: Количество теплоты вычисляем по формуле Q = сm (t1 – t2), где m – масса нагреваемого материала, кг. Удельная теплоемкость сухого ячеистого бетона сухябс = = 0,838 кДж/(кг ⋅ °С), удельная теплоемкость древесины сдрсух = = 1,9 кДж/(кг⋅°С). Масса нагреваемых стен из ячеистого бетона и древесины одинакова m = А δ ρ0 = 20 ⋅ 0,25 ⋅ 550 = 2750 кг. Количество теплоты, необходимое для нагрева ячеистого бетона, Qяб = 0,838 ⋅ 2750 ⋅ 20 = 46090 кДж. Количество теплоты, необходимое для древесины, Qдр = 1,9 ⋅ 2750 ⋅ 20 = 104500 кДж. Ответ: 46090 кДж; 104 500 кДж. 76 Наряду с теплоизоляцией существенным для микроклимата помещений является способность к аккумуляции тепла. Теплоемкость материалов является важной характеристи- кой в тех случаях, когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например, при расчете и конструировании теплоустой- чивости ограждений (стен, перекрытий и т.д.) с целью сохра- нения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима. с ⋅ ρ0 ⋅ δм = Qs. Древесина выравнивает колебания температуры t внутри здания и способствует тем самым созданию здорового для проживания и работы климата. Задача 6 Какое количество теплоты, кДж, потребуется для нагрева газобетонной панели от t2 = 15 °С до t1 = 95 °С размером 3,1×2,7×0,3 м со средней плотностью ρ0 = 500 кг/м3 и влажно- стью по объему W0 = 20 %. Решение: Удельная теплоемкость газобетона в сухом состоянии сухгбс = = 0,92 кДж/(кг ⋅ °С). Удельная теплоемкость газобетона во влажном состоянии ,С)кДж/(кг6,240042,092,0042,0сухгаз °⋅=⋅+=⋅+= m w Wсc .5,0 1000 500 ρ ρ OH 0 2 ===d Влажность газобетона по массе Wm = W0 / d = 20 : 0,5 = 40 %. Объем газобетонной панели и ее масса: 77 Vп = 3,1 ⋅ 2,7 ⋅ 0,3 = 2,511 м3, Mп = Vп ⋅ ρ0 = 2,511 ⋅ 500 = 1256 кг. Количество теплоты, необходимое для нагрева панели: Q = сw ⋅ Mп (t1 – t2) = 2,6 ⋅ 1256 ⋅ (95 – 15) = = 261248 Дж = 261,248 кДж. Ответ: 261,248 кДж. Задача 6а Какое количество теплоты, кДж, потребуется для нагрева газобетонной панели от t2 = 15 °С до t1 = 95 °С размером 3,1×2,7×0,3 м со средней плотностью ρ0 = 360 кг/м3 и влажно- стью по объему W0 = 20 %? Решение: Удельная теплоемкость газобетона в сухом состоянии сух гбс = 0,92 кДж/(кг ⋅ °С), Удельная теплоемкость газобетона во влажном состоянии wсгб = ссух + 0,042 Wm = 0,92 + ⋅042,0 55,56 = 3,253 кДж/(кг ⋅ °С). Влажность газобетона по массе Wm = W0 /d = 20 : 0,36 = 55,56 %. Объем газобетонной панели и ее масса Vп = 3,1 ⋅ 2,7 ⋅ 0,3 = 2,511 м3, Mп = Vп ⋅ ρ0 = 2,511 ⋅ 360 = 903,96 кг. Количество теплоты, необходимое для нагрева панели: 78 Q = сw ⋅ Mп (t1 – t2) = 3,253 ⋅ 903,96 ⋅ (95 – 15) = 235246,55 кДж. Ответ: 235 246,55 кДж. Задача 7 Какова скорость распространения температуры в ячеистом бетоне и в древесине, имеющих одинаковую среднюю плот- ность ρ0 = 500 кг/м3? Данная величина характеризует распределение температур- ного поля в материале и численно определяется коэффициен- том температуропроводности α, представляющим собой ско- рость изменения температуры в материале при переменном во времени тепловом режиме. Размерность температуропровод- ности – м2/с или м2/ч. . 0ρ⋅ λ =α с Теплопроводность ячеистого бетона λяб = 0,5 Вт/(м ⋅ °С), теп- лопроводность древесины (поперек волокон) λдр = 0,15 Вт/(м ⋅ °С), удельная теплоемкость сухого ячеистого бетона сухябс = = 0,838 кДж/(кг⋅°С), удельная теплоемкость древесины сухдрс = = 1,9 кДж/(кг⋅°С). Решение: Скорость распространения температуры (температуропро- водность) в ячеистом бетоне /ч.м 0043,0 500838,0 6,35,0)/( 20ббб =⋅ ⋅ =ρ⋅λ=α с 79 Скорость распространения температуры в древесине /ч.м 00057842,0 5009,1 6,315,0)/( 20дрдрдр =⋅ ⋅ =ρ⋅λ=α с Вт = Дж/сек. Ответ: 0,0043 м2/ч; 0,00057 м2/ч. Задача 8 Воспользовавшись формулой В.П. Некрасова, вычислить ори- ентировочно теплопроводность λ следующих строительных материалов со средней плотностью до: – гранита (ρ0 = 2500 кг/м3); – песчаника (ρ0 = 1800 кг/м3); – известняка-ракушечника (ρ0 = 1100 кг/м3); – туфа (ρ0 = 800 кг/м3); – газосиликата (ρ0 = 360 кг/м3); – газостекла (ρ0 = 200 кг/м3). Решение: 2 гран )5,2(22,00196,016,1 ⋅+=λ – 0,16 = = 372,118093,116,116,03946,016,1 =⋅=− Вт/(м ⋅ °С); =−⋅+=λ 16,0)8,1(22,00196,016,1 2пес 8327,016,07324,016,1 =−= Вт/(м ⋅ °С); =−⋅+=λ 16,0)1,1(22,00196,016,1 2изв 46,016,02858,016,1 =−= Вт/(м ⋅ °С); 80 =−⋅+=λ 16,0)8,0(22,00196,016,1 2туфа 3046,016,01604,016,116,01408,00196,016,1 =−=−+= Вт/(м ⋅ °С); =−⋅+=λ 16,0)36,0(22,00196,016,1 2тагазосилика = 0,0944395 Вт/(м ⋅ °С); =−⋅+=λ 16,0)2,0(22,00196,016,1 2газостекла 0,035 Вт/(м ⋅ °С). Задача 9 Вычислить теплопроводность λ керамзитобетона в сухом состоянии при средней плотности ρ0 = 500, 600, 700, 900 и 1100 кг/м3, воспользовавшись следующей эмпирической формулой: 14,0 1000 43,0 0 с − ρ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С). Решение: С)Вт/(м075,014,0 1000 50043,0500 °⋅=−⋅=λс ; 118,014,0 1000 60043,0600 с =− ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С); 161,014,0 1000 70043,0700 с =− ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С); 247,014,0 1000 90043,0900 с =− ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С); 333,014,0 1000 110043,01100 с =− ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С). 81 Задача 10 Вычислить среднюю плотность 0ρ керамзитобетона при теп- лопроводности λ = 0,14; 0,2; 0,25; 0,35 Вт/(м ⋅ °С), воспользо- вавшись следующей формулой: 14,0 1000 43,0 0 с − ρ⋅ =λ . Решение: 43,0 100014,0100 с 0 ⋅+λ⋅ =ρ ; 314,0 0 кг/м 16,65143,0 140140 43,0 100014,014,01000 = + = ⋅+⋅ =ρ ; 32,0 0 кг/м 7,79043,0 140200 43,0 100014,02,01000 = + = ⋅+⋅ =ρ ; 325,0 0 кг/м 0,90743,0 140250 43,0 100014,025,01000 = + = ⋅+⋅ =ρ ; 335,0 0 кг/м 0,114043,0 140350 43,0 100014,035,01000 = + = ⋅+⋅ =ρ . Задача 11 Блок из теплоизоляционной пластмассы (пенополистирола ПСБ-С) имеет длину l = 1000 мм, ширину ρ = 500 мм, высоту h = 300 мм и массу m = 3 кг. При хранении его на открытом воздухе в течение 28 суток гигроскопическая влажность по массе составила Wм = 85 %. 82 Вычислить теплопроводность влажного пенополистирола wλ , если теплопроводность его в сухом состоянии λс = 0,042 Вт/(м ⋅ °С). Решение: Vблока = 1,0 ⋅ 0,5 ⋅ 0,3 м = 0,15 м3. 3 аполистирол пено0 кг/м 200,15 3 ===ρ V m . Влажность по объему W0 пенополистирола %.7,102,085 в 0 м0 =⋅=ρ ρ ⋅=WW Теплопроводность влажного пенополистирола λw = λс + ∆λ ⋅ W0, где ∆λ – приращение коэффициента теплопроводности на 1 % увеличения влажности по объему для органических материа- лов при положительной температуре составляет 0,0035. λw = 0,042 + 0,0035 ⋅ 1,7 = 0,048 Вт/(м ⋅ °С). Ответ: 0,048 Вт/(м ⋅ °С). Задача 12 Обычный керамзитобетон на кварцевом песке имеет сред- нюю плотность ρ0 = 1100 кг/м3, а поризованный (пенокерам- зитовый) бетон – 450 кг/м3. Какой толщины следует изготовить стеновые блоки из пенокерамзитобетона, если равноценные по 83 термическому сопротивлению блоки из обычного керамзито- бетона имеют толщину δок = 500 мм. Решение: Теплопроводность λ обычного керамзитобетона на кварце- вом песке вычислим по эмпирической формуле: С)Вт/(м14,0 1000 43,0 0 0 °⋅− ρ⋅ =λ , где ρ0 – средняя плотность в г/см3. 333,014,0 1000 110043,0 об =− ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С). 0535,014,0 1000 45043,014,0 1000 43,0 0 пк =− ⋅ =− ρ⋅ =λ Вт/(м ⋅ °С). Зная λоб и δок обычного керамзитобетона на кварцевом пес- ке, определим термическое сопротивление стеновой панели С)/Вт.(м 5,1 333,0 5,0 2 °⋅==R Коэффициент теплопроводности поризованного пенокерам- зитобетона λпк м.08,00535,05,0пк =⋅=λ⋅=δ R . Ответ: 0,08 м. Задача 13 При определении коэффициента теплопроводности материа- ла λ с помощью малоинерционного тепломера используют об- 84 разцы-цилиндры диаметром ∅ = 250 мм и высотой h = 50 мм. Какой оказалась величина коэффициента теплопроводно- сти материала λ , если при его нагреве от 25 °С до 100 °С че- рез образец прошло Q = 10,5 кДж теплоты в течение 30 мин в направлении, перпендикулярном его поверхности? Решение: Вычисляем коэффициент теплопроводности материала С),чкДж/(м 28571,0 5,0)25100(049,0 05,05,10 )( 21 °⋅⋅= ⋅− ⋅ = τ− δ =λ ttA Q где А – площадь образца, равная 22 2 2 5,07 8 5,07 8 5,0 4 =⋅=⋅= π dd 2м 0 4 9 0,05= . Зная, что Вт = Дж/с, получаем С).Вт/(м 0,079 3,6 : 28571,0 °⋅==λ Ответ: 0,079 Вт/(м ⋅ °С). Задача 14 До какой температуры t1 требуется нагреть образец матери- ала диаметром ∅ = 250 мм и высотой h = 50 мм с коэффици- ентом теплопроводности λ = 0,17 Вт/(м C°⋅ ), чтобы в течение τ = 1ч через него прошло в направлении, перпендикулярном его поверхности, 20 кДж теплоты? Начальная темпера-тура t2 = 20 °С. Решение: Преобразовав формулу )( 21 τ− δ⋅ =λ ttA Q , получим 85 C,53203320 6,31049,017,0 05,020 21 °=+=+⋅⋅⋅ ⋅ =+ τλ δ = t A Qt где А = 22 2 м 049,0785,0 4 =⋅= π dd . Ответ: 53 °С. Задача 15 Вспученный вермикулит, перлитовые ГОСТ 10832-91 и со- велитовые [асбест + водная углекислая соль магния (МgCO3) и углекислого кальция (СаСО3)] изделия при 0 °С имеют оди- наковую величину коэффициента теплопроводности λ0 = = 0,043 Вт/(м ⋅ °С). Какое значение теплопроводности λt будут иметь эти мате- риалы при t = 500 °С, если значения коэффициента β для них в зависимости λt = λ0 + (1 + β/t), (где λ0 коэффициент теплопро- водности при 0 °С) будут соответственно 0,00027, 0,00019 и 0,00015? Охарактеризуйте возможность использования. Решение: С)Вт/(м 049,0)50000027,01(043,0вермикулит500 °⋅=⋅+=λ ; С)Вт/(м 047,0)50000019,01(043,0перлит500 °⋅=⋅+=λ ; С)Вт/(м 046,01075,0)50000015,01(043,0совелит500 °⋅==⋅+=λ . Ответ: для теплоизоляции можно использовать перлит и совелит. 86 Задача 16 В районе строительства нормативное сопротивление тепло- передаче стен жилых зданий Rт.норм ≥ 2,0 (м2 ⋅ °С)/Вт. Какая толщина стен необходима для обеспечения требуе- мого сопротивления теплопередаче при применении: а) рядового, полнотелого обыкновенного (ρ0 = 1500 кг/м3) и пустотелого керамического кирпича (ρ0 = 1200 кг/м3); б) легкого (ρ0 = 1100 кг/м3) и ячеистого (газосиликата) (ρ0 = = 500 кг/м3) бетонов; в) газостекла (ρ0 = 200 кг/м3) и газосиликата (ρ0 = 360 кг/м3) г) сосны (ρ0 = 500 кг/м3) и λ = 0,15 Вт/(м ⋅ °С)? Укажите наиболее экономичный материал для утепления. Решение: Используя формулу λ δ =тR , можно вычислить толщину стен λ⋅=δ тR . Коэффициент теплопроводности рассчитываем для всех материалов по формуле Некрасова В.П. С).Вт/(м16,022,0196,016,1 2 °⋅−+=λ d а) – λ полнотелого = = 1,16 672,016,05,122,00196,0 2 =−⋅+ Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,0 ⋅ 0,672 = 1,35 м; – λ пустотелого = = 1,16 5128,016,02,122,00196,0 2 =−⋅+ Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,00 ⋅ 0,5128 = 1,03 м; б) – λ легкого = 1,16 46,016,01,122,00196,0 2 =−⋅+ Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,0 ⋅ 0,46 = 0,92 м; 87 – λ ячеистого = = 1,16 157,016,05,022,00196,0 2 =−⋅+ Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,0 ⋅ 0,157 = 0,338 м; в) – λ ячеистого стекла = 1,16 22,022,00196,0 ⋅+ – 0,16 = = 0,036 Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,00 ⋅ 0,036 = 0,07 м; – λ сосны = 0,15 Вт/(м ⋅ °С), δ = 2,0 ⋅ 0,15 = 0,3 м. Ответ: 1,35 м, 1,03 м, 0,338 м, 0,07 м, 0,3 м; утеплить дере- вянные стены ячеистым стеклом (пеностеклом). Задача 17 Какими должны быть толщина δ и масса m сплошной наружной однослойной стеновой панели (без учета массы ар- матуры) размером 3,1×1,2 м при использовании легких бето- нов со средней плотностью ρ0 = 700, 900 и 1100 кг/м3 и тепло- проводностью соответственно λ = 0,28; 0,32 и 0,38 Вт/(м ⋅ °С)? Необходимое минимальное термическое сопротивление сте- ны Rт = 2,5 (м2 ⋅ °С)/Вт. Решение: Толщина однослойной стеновой панели вычисляется по фор- муле δ = Rт λ, масса сплошной наружной однослойной стеновой панели – по формуле m = V ⋅ ρ0 Для легкого бетона плотности ρ0 = 700 кг/м3: δ = 2,5 ⋅ 0,28 = 0,7 м; 88 3,1 ⋅ 1,2 ⋅ 0,7 ⋅ 700 = 1822,8 кг. Для легкого бетона плотности ρ0 = 900 кг/м3: δ = 2,5 ⋅ 0,32 = 0,8 м; m = 3,1 ⋅ 1,2 ⋅ 0,8 ⋅ 900 = 2678,4 кг. Для легкого бетона плотности ρ0 = 1100 кг/м3: δ = 2,5 ⋅ 0,38 = 0,95 м; m = 3,1 ⋅ 1,2 ⋅ 0,95 ⋅ 1100 = 3887,4 кг. Ответ: 0,7 м, 1822,8 кг; 0,8 м, 2678,4 кг; 0,95 м, 3887,4 кг. Задача 18 Однослойная стеновая панель из легкого бетона с коэффи- циентом теплопроводности λ = 0,32 Вт/(м ⋅ °С) имеет толщину δ = 400 мм. Какую толщину может иметь равноценная в теплотехниче- ском отношении 3-слойная панель с наружными слоями из легкого бетона с λ = 0,32 Вт/(м ⋅ °С) толщиной по 10 см и за- полнением из минеральной ваты с λ = 0,047 Вт/(м ⋅ °С)? Решение: Термическое сопротивление стеновой панели из легкого бе- тона толщиной 400 мм 25,1 32,0 4,0 т ==λ δ =R (м2 ⋅ °С)/Вт и слоя толщиной 100 мм легкого бетона 3125,0 32,0 1,0 т ==λ δ =R (м2 ⋅ °С)/Вт. 89 2 слоя из легкого бетона общей толщиной 200 мм обеспе- чивают Rт = 0,625 (м2 ⋅ °С)/Вт. Слой минеральной ваты должен обеспечить Rт = 1,25 – 0,625 = 0,625 (м2 ⋅ °С)/Вт. Толщина минеральной ваты будет равна δ = λ ⋅ Rт = 0,625 ⋅ 0,047 = 0,03 м. Трехслойная панель будет иметь толщину 10 + 10 + 3,0 = = 23,0 см. Ответ: 23 см. Задача 19 Сплошная однослойная стеновая панель размером 6×2,6×0,2 м изготовлена из газобетона со средней плотностью ρ0 = 700 кг/м3, а панель размером 7×2,9×0,2 м – из газобетона с ρ0 = 500 кг/м3. Сравнить количество теплоты, необходимое для нагрева пане- лей от 5 °С до 25 °С, если удельная теплоемкость газобетона со средней плотностью ρ0 = 500 кг/м3 равна 0,63 кДж/(кг⋅°С), а с ρ0 = 700 кг/м3 – 1,05 кДж/(кг⋅°С). Решение: Объем и масса однослойной стеновой панели из газобетона: – со средней плотностью ρ0 = 700 кг/м3 V = 6 ⋅ 2,6 ⋅ 0,2 = 3,12 м3, m = 3,12 ⋅ 700 = 2184 кг; – со средней плотностью ρ0 = 500 кг/м3 V = 7 ⋅ 2,9 ⋅ 0,2 = 4,06 м3, m = 4,06 ⋅ 500 = 2030 кг; Количество теплоты соответственно: 90 – для ρ0 = 500 кг/м3 Q = cm ( 21 tt − ) = 0,63 ⋅ 2030 ⋅ 20 = 25578 кДж; – для ρ0 = 700 кг/м3 Q = cm ( 21 tt − ) = 1,05 ⋅ 2184 ⋅ 20 = 45864 кДж. Ответ: 25 578 < 45 864 кДж. Задача 20 Требуется заменить теплоизоляцию трубопровода (Дн = 57 мм) состоящую из двух слоев вулканитовых полуцилиндров толщи- ной 50 мм каждый при теплопроводности вулкизλ = 0,081 Вт/(м ⋅ °С) на аналогичные изделия из пенополиуретана с ппуизλ = 0,041 Вт/(м ⋅ °С). Какой потребуется дополнительный слой мастики из севе- лита изλ = 0,12 Вт/(м ⋅ °С), чтобы не изменилось общее тер- мическое сопротивление теплоизоляционного слоя? Решение: Два слоя из вулканита толщиной 50 мм каждый при тепло- проводности вулкизλ = 0,081 Вт/(м ⋅ °С) обеспечивают термиче- ское сопротивление 23,1 081,0 1,0 т ==λ δ =R (м2 ⋅ °С)/Вт. Изделия из ППУ толщиной 0,1 м при λ = 0,041 Вт/(м ⋅ °С) обеспечивают термическое сопротивление 91 4390,2 041,0 1,0 т ==λ δ =R (м2 ⋅ °С)/Вт. Ответ: Для теплоизоляции достаточно одного слоя из ППУ и точечного приклеивания мастикой полуцилиндров на трубе. СОДЕРЖАНИЕ Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Лабораторная работа № 1 Определение теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов (ТИМ). . . . . . . . . . . . . . . . 4 Лабораторная работа № 2 Определение эксплуатационных показателей качества полимерцементного клеевого и декоративно-защитного слоев штукатурного состава. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Лабораторная работа № 3 Определение механических характеристик пластмассовых анкерных устройств, применяемых для крепления плитного утеплителя к подоснове при тепловой модернизации зданий и испытание их на воздействие климатических факторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Лабораторная работа № 4 Теплотехнический расчет легкой штукатурной системы (ЛШС) утепления по методике технического кодекса установившейся практики (ТКП 45-2.04-43–2006). . . . . . . 36 Лабораторная работа № 5 Определение механических характеристик полимерминерального клеевого и декоративно- защитного слоев, применяемых в легкой штукатурной системе утепления стен «термошуба». . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Лабораторная работа № 6 Определение деформативных характеристик полиэтиленовой трубы-оболочки для трубы, предварительно термоизолированной жестким пенополиуретаном. . . . . . . 52 Лабораторная работа № 7 Определение физико-технических характеристик тепловой изоляции из жесткого пенополиуретана, применяемого в предварительно термоизолированных трубах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Задачи для практических занятий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Учебное издание ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Лабораторные работы (практикум) для студентов строительных специальностей С о с т а в и т е л и: ЗМАЧИНСКИЙ Александр Эмильевич ГАЛУЗО Олег Геннадьевич ГАЛУЗО Геннадий Сергеевич Редактор Е.О. Коржуева Компьютерная верстка Н.А. Школьниковой Подписано в печать 11.11.2009. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 5,35. Уч.-изд. л. 4,18. Тираж 100. Заказ 971. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.