Лабораторные испытания по определению технических характеристик являются неотъемлемой частью оценки качества легких штукатурных систем. Испытания системы утепления как конструкции, в отличие от испытания отдельных материалов, позволяют определить ее работоспособность в целом, а также оценить совместимость исходных материалов между собой. Учет характеристик систем утепления как конструкции наиболее важен при проектировании для оценки прочностных характеристик систем утепления при их устройстве и эксплуатации.
В данной статье приведена часть исследований некоторых прочностных и деформационных свойств легких штукатурных систем утепления, необходимых для оценки качества систем и их проектирования.
Laboratory researches by definition of technical characteristics are an integral part of an estimation of quality of easy plaster systems. As designs, in difference from test of separate materials, its working capacity as a whole allows to define tests of system of warming, and also to estimate compatibility of initial materials among themselves. The account of characteristics of systems of warming as designs is most important at designing for an estimation as durability characteristics of systems of warming at the device, and at their operation.
In given article the part of researches devoted to some durability and to deformation properties of easy plaster systems of warming necessary for an estimation of quality of systems and their designing is resulted.
Системы утепления наружных ограждающих конструкций получили широкое распространение в Республике Беларусь в последние 10 лет. Внедрение тепловой изоляции в практику строительства происходило поэтапно с введением в действие целого ряда технических нормативно-правовых актов (ТНПА). Несмотря на разработку нормативной документации на проектирование и устройство систем утепления, отдельные конструктивно-технологические особенности многих из них оказались малоизученными. Производители и проектировщики систем утепления брали за основу существующую (зачастую купленную) технологию производства строительных материалов и имеющиеся в европейских странах конструктивные решения систем и не были заинтересованы в выполнении долговременных исследований.
ГП "Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С.С.", являясь ведущей организацией по изучению систем тепловой изоляции, на протяжении последних десяти лет планомерно проводит исследования как физико-технических свойств материалов, входящих в системы утепления, так и конструктивных решений систем. Эти исследования охватывают довольно длительный промежуток времени, поскольку оценка качества систем утепления должна осуществляться на основании анализа результатов испытаний и материалов, и конструкции в целом.
В данной статье приводятся некоторые результаты исследований прочностных характеристик легких штукатурных систем утепления. В целях конкурентной этики их торговые марки были обезличены, но установить принципиальные различия в технических характеристиках систем утепления с использованием различных видов теплоизоляционных материалов, а также получить предварительные данные о диапазоне изменения технических характеристик возможно в каждом конкретном случае.
Вопреки кажущейся идентичности системы утепления, как правило, имеют характерные особенности, обусловленные составом и структурным строением материалов, из которых выполнены. Учитывая то, что состав материалов ни одного из производителей для испытателя неизвестен, такие исследования актуальны и достаточно сложны. Объективная оценка независимой лаборатории физико-технических свойств материалов и конструкции системы в целом является одним из критериев при выборе той или иной системы утепления.
Полученные в ходе лабораторных исследований результаты позволили оценить некоторые прочностные и деформационные характеристики систем утепления, а именно: прочность и модуль упругости как при сжатии, так и при растяжении, ударостойкость, стойкость к продавливанию, динамику набора прочности при твердении наружных слоев. Испытания выполнялись на образцах систем утепления, торговые марки которых широко представлены на рынке Республики Беларусь, путем определения сжимающих (растягивающих) напряжений и соответствующих им деформаций, энергии удара, необходимого для разрушения целостности наружного слоя, усилия, необходимого для продавливания. В качестве теплоизоляционного слоя в образцах использовались плиты теплоизоляционные из минеральной ваты, плиты теплоизоляционные пенополистирольные, изделия из экструдированного пенополистирола.
Исследование прочностных и деформационных характеристик систем утепления на сжатие
Прочность на сжатие систем утепления определялась как напряжение, возникающее в образце определенного размера под воздействием сжимающей силы, которая вызывает относительную деформацию сжатия в образце не менее 50%. В процессе эксперимента (рис. 1) фиксировались сила, прикладываемая к образцу, и его абсолютная деформация под воздействием приложенной силы.
Рис. 1. Испытание образца системы утепления при определении прочностных и деформационных характеристик при сжатии
Напряжения, возникающие в образцах, и относительные деформации определялись по формулам
где Fc – сжимающая сила, прикладываемая к образцу;
А – площадь поперечного сечения образца;
Δl – абсолютная деформация образца, вызванная приложенной силой, мм;
l –первоначальный размер испытуемого образца, мм.
Модуль упругости образцов систем утепления при сжатии определялся по формуле
Рис. 2. Зависимость сжимающих напряжений от относительных деформаций в системах утепления с использованием в качестве теплоизоляционного слоя плит теплоизоляционных из минеральной ваты: 1) плотностью 135 кг/м3, 2) плотностью 150 кг/м3
Рис. 3. Зависимость сжимающих напряжений от относительных деформаций в системах утепления с использованием в качестве теплоизоляционного слоя плит пенополистирольных теплоизоляционных: 1) плотностью 15 кг/м3, 2) плотностью 20 кг/м3
В результате определены и графически построены зависимости напряжений, возникающих в образцах систем утепления от относительных деформаций при их сжатии. На рисунках представлены результаты исследования образцов систем утепления, в которых в качестве теплоизоляционного слоя использованы плиты теплоизоляционные из минеральной ваты (рис. 2) и плиты пенополистирольные теплоизоляционные (рис. 3).
Таким образом, выясняется, что напряжения, возникающие в системах утепления при сжатии, в большей части определяются физико-техническими свойствами теплоизоляционных материалов. Из полученных результатов экспериментальных исследований выявлена особенность деформационных характеристик систем утепления с использованием сжимаемых теплоизоляционных материалов, которая проявилась в различном значении модуля упругости систем утепления в различных деформированных состояниях. Так, значение модуля упругости систем утепления, в которых в качестве теплоизоляционного материала используются плиты теплоизоляционные из минеральной ваты, может достигать в 2 раза меньших значений, чем у аналогичных систем утепления с использованием пенополистирольного утеплителя. Значение модуля упругости систем утепления при их относительных деформациях в диапазоне от 0 до 6% в 5–8 раз выше, чем при деформациях в диапазоне от 6 до 35%, и в 2,0–3,5 раза выше, чем в диапазоне от 35 до 50%.
Исследование прочностных и деформационных характеристик систем утепления при растяжении
Рис. 4. Испытание образцов систем утепления при определении прочностных и деформационных характеристик при растяжении
Прочность систем утепления при растяжении определялась как напряжение, возникающее в образце конкретного размера под действием растягивающей силы, вызывающей разрушение образца. Непосредственно в процессе эксперимента (рис. 4) фиксировались сила, прикладываемая к образцу, и его абсолютная деформация под действием данной силы до момента разрушения.
Напряжения, возникающие в образцах, и относительные деформации определялись по формулам
где Fр – растягивающая сила, вызывающая разрушение образца;
А – площадь поперечного сечения образца;
Δl – абсолютная деформация образца, вызванная приложенной силой, мм;
l –первоначальный размер испытуемого образца, мм.
Модуль упругости образцов систем утепления при растяжении определялся по формуле
В результате исследования определены и графически построены зависимости напряжений, возникающих в образцах систем утепления от относительных деформаций, а также разрушающие напряжения при растяжении (рис. 5, 6).
Рис. 5. Зависимость растягивающих напряжений от относительных деформаций в системах утепления с использованием в качестве теплоизоляционного слоя плит теплоизоляционных из минеральной ваты: 1) плотностью 135 кг/м3, 2) плотностью 150 кг/м3
Рис. 6. Зависимость сжимающих напряжений от относительных деформаций в системах утепления с использованием в качестве теплоизоляционного слоя плит пенополистирольных теплоизоляционных: 1) плотностью 15 кг/м3, 2) плотностью 20 кг/м3.
Как показали исследования, прочность при растяжении систем утепления зависит от вида теплоизоляционного материала и его плотности. Установлен характер деформационных свойств систем утепления с использованием различного вида теплоизоляционных материалов, который заключается в примерно одинаковом значении модуля упругости при растяжении систем утепления с использованием минераловатных и пенополистирольных теплоизоляционных материалов. Значения модуля упругости для исследованных систем утепления в диапазоне от 0 до 6% относительных деформаций отличаются не более чем на 20%. Также было установлено, что значение модуля упругости при растяжении для систем утепления с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты можно условно принимать неизменным во всем диапазоне относительных деформаций. Значение модуля упругости систем утепления с использованием плит пенополистирольных теплоизоляционных можно условно разделить на два значения, при этом модуль упругости при растяжении в диапазоне от 0 до 6% относительных деформаций в 1,5–2 раза меньше, чем в диапазоне от 6 до 20%.
Исследование ударостойкости систем утепления
Ударостойкость систем утепления определяется энергией удара, необходимого для разрушения системы утепления. В результате исследований установлена зависимость энергии удара от физико-технических свойств теплоизоляционного материала, количества армирующих сеток и фактуры декоративно-защитного слоя, необходимой для разрушения системы утепления. Общий вид испытательного устройства для проведения испытаний и образцы после испытаний приведены на рис. 7.
Из полученных результатов (табл.) следует, что ударостойкость систем утепления зависит как от вида теплоизоляционного материала, так и от фактуры декоративно-защитного слоя. Наименьшую ударостойкость имеют образцы систем утепления с использованием плит пенополистирольных экструдированных теплоизоляционных с фактурой наружного слоя в виде "шубы", а наибольшую – образцы с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты, имеющих гладкую фактуру декоративно-защитного слоя.
Рис. 7. Испытательное устройство для определения ударостойкости систем утепления и образцы
после испытаний
Использование плит теплоизоляционных из минеральной ваты в системах утепления позволяет повысить их ударостойкость при прочих равных условиях на 30–50%.
Ударостойкость образцов систем утепления с двойным армированием наружного слоя стеклосеткой при прочих равных условиях в 1,5–2,5 раза выше, чем у образцов с одиночным армированием.
Таблица
Результаты экспериментального определения ударостойкости систем утепления
№
Наименование материала теплоизоляционнного слоя
Плотность, ρ, кг/м3
Вид материала наружных слоев
Вид армирования
ОдиночноеДвойное1Плиты пенополистирольные теплоизоляционные беспрессовые151
2
3
19,0
15,3
1,2
23
-
-
2Плиты пенополистирольные теплоизоляционные формовые354
5
6
7
4,4
9,6
10,8
6,1
-
-
-
-
3
Изделия из экструдированного пенополистирола
358
9
1,7
2,3
4,6
6,1
458
9
2,0
2,5
5,0
6,5
4Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты1252
10
11
1
19,0
15,8
13,4
23,1
-
-
-
34,0
Исследование стойкости систем утепления к продавливанию
Стойкость систем утепления к продавливанию определялась максимальной силой, необходимой для проникновения металлического цилиндра, имеющего сферическое закругление радиусом 15 мм (рис. 8), через наружный слой системы. Исследование выполнялось на образцах размерами не менее 100х100 мм систем утепления, состоящих из теплоизоляционного и наружного слоев, для определения зависимости силы вдавливания от типа теплоизоляционного материала.
Рис. 8. Испытательное устройство для определения стойкости к продавливанию систем утепленияИсследование показало, что сила, которую необходимо приложить к образцу для проникновения через наружный слой, зависит от вида теплоизоляционного материала. Использование в системах утепления плит теплоизоляционных из минеральной ваты обуславливает наименьшую величину продавливающей силы, а изделий из экструдированного пенополистирола – ее наибольшую величину. Следует отметить, что в процессе испытаний разрушение образцов с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты происходило при большей деформации, чем при использовании изделий из экструдированного пенополистирола.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании системы утепления для участков стен здания, которые могут подвергаться воздействию долговременных нагрузок.
Исследование набора прочности сцепления клеевого состава с теплоизоляционными материалами
Рис. 9. Зависимость абсолютной деформации от продавливающей силы в системах утепления с теплоизоляционным слоем: 1) из плит теплоизоляционных из минеральной ваты плотностью 125 кг/м3; 2) изделий из экструдированного пенополистирола плотностью 35 кг/м3;
Рис. 10. Прочность сцепления клеевого материала в процессе твердения с теплоизоляционными материалами: 1) плитами теплоизоляционными из минеральной ваты плотностью 125 кг/м3; 2) изделиями из экструдированного пенополистирола плотностью 45 кг/м3; 3) плитами пенополистирольными теплоизоляционными плотностью 20 кг/м3
Определение набора прочности сцепления клеевого состава с теплоизоляционными материалами выполнялось на образцах клеевых составов и теплоизоляционных материалов, широко используемых в строительной практике Республики Беларусь, через 3, 7, 14 и 28 суток. Динамика изменения прочности сцепления в процессе твердения образцов клеевого слоя за 28 суток представлена на рис. 8.
На основании результатов выполненных исследований установлено, что прочность сцепления клеевого состава с теплоизоляционным слоем в 3-суточном возрасте достигает:
– 100% от 28-суточного твердения для систем утепления с плитами теплоизоляционными из минеральной ваты плотностью 125 кг/м3;
– 53% от 28-суточного твердения для систем утепления с плитами пенополистирольными теплоизоляционными плотностью 20 кг/м3;
– 66% от 28-суточного твердения для систем утепления с изделиями из экструдированного пенополистирола плотностью 45 кг/м3.
Ранний набор прочности сцепления клеевого состава с плитами теплоизоляционными из минеральной ваты обусловлен более низкой прочностью плит при растяжении, чем прочность самого сцепления клея с плитами.
Выводы
Комплексное исследование прочностных свойств систем утепления как конструкции позволило оценить величины прочностных показателей – прочности при сжатии и растяжении, ударостойкости, стойкости к продавливанию – и дало возможность выполнить системный анализ физико-технических качеств систем утепления.
Как установлено в ходе исследований, прочностные и деформационные свойства во многом зависят от вида теплоизоляционного материала, используемого для изготовления систем утепления. Системы утепления с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты имеют наименьшую прочность при сжатии и растяжении, а их ударостойкость несколько выше, чем систем с использованием плит пенополистирольных.
Деформационные свойства систем утепления, характеризуемые модулем упругости, наглядно показывают, что использование плит пенополистирольных позволяет снизить деформативность и повысить прочностные свойства систем утепления, но незначительно снижает их ударостойкость. Деформационные свойства систем утепления различаются в зависимости от напряженного состояния. Так, модуль упругости на сжатие систем утепления с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты в 2,4–3,0 раза выше, чем при растяжении в одинаковых диапазонах относительных деформаций. Для систем утепления с использованием плит пенополистирольных теплоизоляционных характерно повышение модуля упругости при сжатии по сравнению с модулем упругости при растяжении в 3,8 раза в диапазоне от 0 до 6% относительной деформации и в диапазоне от 6 до 20% относительной деформации – снижение данного показателя в 3 раза.
Использование разработанных методик по определению прочностных и деформационных свойств систем утепления позволило определить такие физико-технические свойства систем утепления, как прочность, модуль упругости при сжатии и растяжении, ударостойкость, стойкость к продавливанию. Предложенные методы определения прочностных и деформационных характеристик дают возможность получить данные об изменении модуля упругости в различных деформированных состояниях. Установлено, что при анализе и расчете на сжатие систем утепления целесообразно рассматривать три характерных деформационных состояния от 0 до 6%, от 6 до 35% и от 35 до 50%. При расчете прочности при растяжении систем утепления с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты рекомендуется использовать один диапазон от 0 до 6% относительных деформаций; для систем с плитами пенополистирольными два диапазона – от 0 до 6% и от 6 до 20%.
Разработанная методика определения ударостойкости позволила количественно оценить данный показатель, который выражается в необходимой энергии удара для разрушения опытного образца системы утепления. Общая оценка ударостойкости показала преимущество использования двойного армирования. Некоторое преимущество по показателю ударостойкости систем утепления с использованием плит теплоизоляционных из минеральной ваты по сравнению с системами утепления с использованием плит пенополистирольных теплоизоляционных объясняется влиянием на данный показатель модуля упругости, потому что с уменьшением модуля упругости системы утепления на сжатие происходит увеличение ее ударостойкости. Получение функциональной закономерности является предметом дальнейших исследований.
Использование в качестве наружных слоев полимерминеральных композиций с применением фактуры наружного слоя типа "Шуба" или "Корник" несколько снижает ударостойкость по отношению к системам с гладкой фактурой наружного слоя. Прочность на вдавливание систем утепления с использованием пенополистирольных теплоизоляционных материалов повышается в отличие от систем с использованием минераловатных теплоизоляционных материалов. В отличие от показателя ударостойкости прочность на вдавливание повышается с увеличением модуля упругости системы утепления на сжатие.
Наличие армирования, его количество и толщина наружного слоя также оказывают свое влияние на значение усилия, которое необходимо приложить к системе утепления для разрушения наружного слоя. Известно, что увеличение армирования повышает прочность, увеличение толщины наружного слоя также повышает прочность до определенного предела, после которого значение прочности стабилизируется и при дальнейшем увеличении толщины начинает увеличиваться незначительно. Установить математическую закономерность снижения прочности при вдавливании от толщины теплоизоляционного слоя на данном этапе исследований не представляется возможным. Полученные результаты будут использованы при дальнейших исследованиях.
Анализ результатов исследований по определению динамики набора прочности клеевыми материалами в процессе твердения показал, что твердение клеевых составов происходит наиболее интенсивно в первые 7 суток. В процессе твердения увеличивается как прочность клеевых композиций, так и адгезионные характеристики клеевых материалов к основным типам утеплителей. Адгезия клеевых составов к плитам теплоизоляционным из минеральной ваты уже в 3-суточном возрасте превышает прочность теплоизоляционного материала при растяжении. Адгезия клеевых составов к пенополистирольным теплоизоляционным материалам в 7-суточном возрасте составляет 70–75% от 28-суточного.
Полученные результаты подтвердили необходимость применения комплексной методики испытания по определению прочностных свойств систем утепления и невозможность оценки технических параметров по результатам испытаний отдельных прочностных свойств материалов, входящих в состав систем. Экспериментально подтверждено, что разработанные методики позволяют оценить прочностные и деформационные свойства систем утепления в широком диапазоне деформаций, установлено различие деформационных характеристик в зависимости от видов материалов и напряженного состояния. Определена динамика роста прочности сцепления клеевых составов в процессе твердения и получены экспериментальные данные по определению прочности на вдавливание и ударостойкости систем утепления.
Результаты приведенных в статье исследований послужили основой для разработки СТБ 2068–2010 "Строительство. Системы утепления наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений. Прочность и ударостойкость. Методы испытаний". Полученные в ходе исследований прочностные и деформационные свойства систем утепления носят прикладной характер и необходимы при построении моделей систем утепления при их расчете по ТКП 45–3.02–113–2009.
Литература
1. ТКП 45–3.02–113–2009 "Тепловая изоляция наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений. Строительные нормы проектирования"
2. ТКП 45–3.02–114–2009 "Тепловая изоляция наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений правила устройства"