Влияние климатических факторов на теплофизические характеристики гибкого камня

УДК 691.415+62-03

А.В. ЕРОФЕЕВ, канд. техн. наук, доцент, П.А. МУХОРТОВ, студент факультета «Магистратура», В.А. МИХАЙЛОВ, студент факультета «Магистратура», кафедра «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Ключевые слова: гибкий камень, неблагоприятные факторы, слоистый композит, теплофизические характеристики
Keywords: flexible stone, adverse factors, layered composite, thermophysical characteristics

В статье дано описание состава гибкого камня и виды его производства. Показана методология проведения экспериментов по определению влияния климатических факторов на теплофизические характеристики материала. Приведено описание проводимых экспериментов. Дан анализ полученной информации с последующим построением графиков зависимости теплофизических характеристик гибкого камня от различных неблагоприятных факторов.

Гибкий камень (рис. 1), сравнительно недавно появившийся на рынке строительных отделочных материалов, представляет собой отделочный композитный материал слоистого вида. Он состоит из подложки, связующего, или компаунда, и декоративного слоя. От выбранного вида материала декоративного слоя будет зависеть его внешний вид и эстетические качества.

В качестве материала декоративного слоя можно использовать гранитную или мраморную крошку, крупнозернистый песок. Стоит отметить, что для придания различной цветовой гаммы крошка и песок могут быть окрашены различными железными окислами. Основным назначением связующего является закрепление материала декоративного слоя на подложке. В качестве связующего можно использовать различные виды термореактивных смол. Для подложки рекомендуется применять различные тканые материалы, которые необходимы для создания цельного полотна гибкого камня [1].

На сегодняшний день используют две технологии изготовления гибкого камня. Первая заключается в производстве материала в карьерах, когда к заранее подготовленному срезу горных пород прижимается пропитанная связующим подложка. После полимеризации связующего подложку снимают со среза вместе с тонким слоем горной породы. Такая технология трудоемка и требует поиска все новых карьеров, поскольку использование одних и тех же природных срезов горных пород приводит к однообразному рисунку готового продукта [2]. Вторая технология, по сути, повторяет первую – с тем лишь различием, что на пропитанную подложку наносится материал декоративного слоя в специально оборудованном помещении. Таким образом, наибольшее распространение получила именно вторая технология производства гибкого камня [3].

Оптимизация состава гибкого камня показала, что наиболее эффективным вариантом является использование в качестве подложки стеклохолста марки Os 50, плотность которого составляет 40 г/см3. В качестве связующего применяется полиэфирная смола марки Polimal 109-32 РуК, основные характеристики которой приведены на этикетке упаковки (рис. 2). Наконец, в качестве материала декоративного слоя используется крупнозернистый песок.

Благодаря своим высоким эксплуатационным и техническим характеристикам, материал может использоваться при внутренней и внешней отделке фасадов, перекрытий и прочих поверхностей, облицовке лестниц, ограждений, каминов, фонтанов, а также при декорировании интерьеров и в ландшафтном дизайне. Таким образом, в процессе эксплуатации он может быть подвержен влиянию различных климатических факторов, которые могут привести к изменению характеристик материала.

В качестве неблагоприятных воздействий были рассмотрены цикличный переход температур в осенне-весенний период через 0°С, повышенные температуры, ультрафиолетовое облучение.

Цикличный переход температур моделировался циклами попеременного замораживания-оттаивания. Один цикл включает в себя замораживание образцов в морозильной камере при температуре не ниже минус 20°С не менее 2 часов и оттаивание образцов при комнатной температуре не менее 4 часов. Стоит отметить, что замораживанию подвергались образцы, предварительно находившиеся в условиях эксплуатации при повышенной влажности (на образцы и рядом с ними распылялась вода). Таким образом, циклы имели ангармонический вид, т.е. время действия факторов в циклах было различно.

Действие повышенных температур моделировалось в специальной термокамере, в которой поддерживалась температура в диапазоне от 40 до 80°С при помощи электрических нагревательных элементов. Изменения характеристик фиксировались с периодичностью 25 часов теплового старения.

Ультрафиолетовое облучение моделировалось в камере УФ-облучения, принцип работы которой основан на дейст­вии лампы ДРТ-1000 с номинальным чистым потоком 128 Вт и предельным лучистым потоком 110 Вт. Изменения характеристик фиксировались с периодичностью 25 часов ультрафиолетового облучения.

Изучалось влияние указанных климатических факторов на теплофизические характеристики гибкого камня оптимизированного состава: коэффициенты теплопроводности и линейного термического расширения.

Коэффициент теплопроводности фиксировался с помощью специального прибора – измерителя теплопроводности ИТП-МГ4. Принцип его работы основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца. Конструктивно прибор состоит из нагревателя-преобразователя, выполненного в виде стационарной установки и электронного блока.

Вычисление коэффициента теплопроводности (λ) при стационарном тепловом режиме производится автоматически вычислительным устройством по формуле:

λ =Hq/(TH –TX), (1)

где λ – эффективная теплопроводность, H – толщина образца, q – плотность стационарного теплового потока, проходящего через образец, TH – температура горячей грани образца, TX – температура холодной грани образца.

Вычисление теплового сопротивления R при стационарном тепловом режиме также производится автоматически по формуле:

RH=(TH – TX)/q – 2RK, (2)

где RH – тепловое сопротивление образца, RK – тепловое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора.

Коэффициент линейного термического расширения (α) определялся с помощью оптического дилатометра, который состоит из микроскопа с окулярным микрометром (точность 0,01 мм), закрепленного на основании, термокамеры, фотоотражателя с лампой накаливания и непосредственно самого основания.

Значение коэффициента линейного термического расширения определялось по дилатометрическим кривым, построенным в координатах t (°С) – ∆l (мм). Данные кривые разбивались на прямолинейные участки с последующим определением относительного удлинения образца в каждом интервале температур, который составлял 10°С. Окончательное относительное удлинение образца на каждом интервале температур определялось как средне­арифметическое значение относительного удлинения трех образцов.

Коэффициент линейного термического расширения вычисляли по формуле:

α=∆l/l0∆T, (3)

где ∆l – относительное удлинение образца, l0 – длина образца, ∆T – разность температур.

Коэффициент теплопроводности (λ) показывает, какое количество теплоты проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице. С коэффициентом теплопроводности связана другая характеристика материала – сопротивление теплопередаче (R), которое прямо пропорционально толщине материала и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности [4].

Влияние климатических факторов на коэффициент теплопроводности гибкого камня наглядно представлено на рис. 3, на сопротивление теплоотдачи – на рис. 4.

Коэффициент теплопроводности гибкого камня, не подверженного воздействиям, составляет 0,058 Вт/м*К. Однако уже после одного цикла замораживания-оттаивания он повышается вдвое, а с увеличением количества циклов, как видно из рис. 3а, до четырех – он увеличивается более чем в 15 раз. Учитывая, что, согласно методике моделирования циклов, заморозке подвергался гибкий камень, эксплуатируемый в условиях повышенной влажности, а не полного водонасыщения, можно сделать вывод о том, что при условии полного замачивания материала коэффициент теплопроводности будет только расти.

В процессе теплового воздействия коэффициент теплопроводности начинает снижаться (рис. 3б), что, по-видимому, связано с процессом дополимеризации полиэфирной смолы. Снижение коэффициента теплопроводности гибкого камня под действием повышенных температур близко к линейной зависимости и зависит от продолжительности такого воздействия. Так, после 100 часов теплового старения рассматриваемый коэффициент снизился почти вдвое. Стоит понимать, что такое снижение не может продолжаться бесконечно долго и ограничивается, по-видимому, временем, требуемым до полной полимеризации полиэфирной смолы.

В процессе ультрафиолетового облучения коэффициент теплопроводности гибкого камня начинает расти (рис. 3в), что говорит о наличии деструктивных процессов, связанных с ультрафиолетовым облучением материала. Увеличение коэффициента теплопроводности зависит от продолжительности воздействия. После 100 часов ультрафиолетового облучения рассматриваемый коэффициент повысился на 40%. Судя по графику (рис. 3в), дальнейшее увеличение продолжительности воздействия не приведет к резкому увеличению коэффициента теплопроводности гибкого камня.

Влияние циклов замораживания-оттаивания на сопротивление теплопередаче гибкого камня, как видно из рис. 3а, обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности, что согласуется с общеизвестными положениями.

Полученный экспериментальный разброс величин объясняется ангармоничностью циклов замораживания-оттаивания, а точнее – влажностными колебаниями режима эксплуатации.

После действия повышенных температур и ультрафиолетового облучения наблюдаются аналогичные зависимости. В первом случае характер роста близок к прямолинейному, он объясняется с тех же позиций, что и факт снижения коэффициента теплопроводности. Снижение сопротивления теплопередаче во втором случае объясняется с тех же позиций, что и рост коэффициента теплопроводности.

Таким образом, теплотехнические характеристики гибкого камня сильно ухудшаются после попеременного замораживания-оттаивания, что вроде бы как не позволяет его эксплуатировать в таких условиях. Но с учетом того, что гибкий камень является отделочным материалом и имеет незначительную толщину по сравнению с конструкцией стены, можно говорить о том, что даже такое ухудшение теплотехнических свойств гибкого камня не окажет влияния на теплотехнические характеристики стены в целом.

Под действием повышенных температур, по крайней мере, в начальный рассматриваемый период времени, теплотехнические характеристики гибкого камня улучшаются. А вот под действием ультрафиолетового облучения ухудшаются в незначительной степени, что не может выступить препятствием для его эксплуатации в условиях действия ультрафиолетового или другого схожего с ним по природе облучения.

Коэффициент линейного термического расширения (α) показывает, насколько изменятся линейные размеры твердого тела при изменении окружающей температуры на 1 градус. Отказ от учета теплового расширения при проектировании конструкций может привести к образованию магистральных трещин, появление которых обусловлено дополнительными напряжениями от теплового расширения материала. При работе с отделочными материалами, к которым относится и гибкий камень, таких катастрофических последствий не будет. Однако внешний вид отделываемой поверхности будет нарушен. Именно поэтому знание коэффициента линейного термического расширения, возможные изменения в процессе эксплуатации под действием разнообразных факторов, а также их учет являются для гибкого камня актуальными.

Экспериментально полученная дилатометрическая кривая для гибкого камня представлена на рис. 5, а после циклов замораживания-оттаивания, действия повышенных температур, ультрафиолетового облучения дилатометрические кривые представлены на рисунках 6, 7 и 8 соответственно.

В первой четверти показаны дилатометрические кривые для образцов гибкого камня при повышении температуры, в четвертой четверти – при понижении температуры. Исследования проводились при начальной комнатной температуре в 30°С. Изменение удлинения образцов фиксировалось через каждые 10°С до максимальной температуры (70°С).

Как видно из графика на рис. 5, дилатометрическая кривая гибкого камня на основе стеклохолста имеет вид, близкий к прямолинейной зависимости. Такой же вид имеет дилатометрическая кривая полиэфирной смолы, что говорит о том, что именно связующее определяет характер протекания процесса расширения материалов при изменении температуры. Стоит отметить, что, как видно из графиков на рис. 6, попеременное замораживание-оттаивание не влияет на характер зависимости: прямолинейность сохраняется, причем и при повышении температуры, и при ее понижении (прямые четвертой четверти). Однако при этом также следует отметить, что при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания происходит изменение углового коэффициента прямой – наблюдается его снижение.

Таким образом, при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания налицо снижение коэффициента линейного термического расширения, что наглядно представлено в табл. 1.

Таблица 1. Коэффициенты линейного термического расширения гибкого камня в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания

Количество циклов попеременного замораживания-оттаивания	α, К-1 (увеличение температуры)	α, К-1 (уменьшение температуры)
Без воздействия	1,08·10-4	–
1 цикл	1,35·10-4	-1,10·10-4
2 цикла	1,35·10-4	-0,95·10-4
3 цикла	0,07·10-4	-1,00·10-4
4 цикла	0,06·10-4	-0,07·10-4

Из представленных графиков на рис. 7 видно, что действие повышенных температур не влияет на характер зависимости (прямолинейность сохраняется не только при повышении температуры, но также и при ее понижении (прямые четвертой четверти). При этом очевидно, что при увеличении продолжительности действия повышенных температур происходит изменение углового коэффициента прямой, наблюдается его незначительное повышение.

Таким образом, при увеличении продолжительности дейст­вия повышенных температур наблюдается незначительное увеличение коэффициента линейного термического расширения, что наглядно представлено в табл. 2, в которой сведены коэффициенты линейного термического расширения гибкого камня после действия повышенных температур.

Таблица 2. Коэффициенты линейного термического расширения гибкого камня в зависимости от продолжительности действия повышенных температур

Продолжительность действия повышенных температур, часы	α, К-1 (увеличение температуры)	α, К-1 (уменьшение температуры)
Без воздействия	1,08·10-4	–
25	1,15·10-4	-1,25·10-4
50	1,55·10-4	-1,55·10-4
75	1,35·10-4	-1,20·10-4
100	1,45·10-4	-1,75·10-4

Дилатометрические кривые гибкого камня после ультрафиолетового облучения представлены на рис. 8.

Из представленных графиков на рис. 8 видно, что ультрафиолетовое облучение не влияет на характер данных кривых. При этом также стоит отметить, что при увеличении продолжительности ультрафиолетового облучения происходит изменение углового коэффициента прямой, наблюдается его незначительное уменьшение в отличие от действия повышенных температур, где наблюдалось его повышение.

Таким образом, при увеличении продолжительности ультрафиолетового облучения наблюдается незначительное уменьшение коэффициента линейного термического расширения, что наглядно представлено в табл. 3, в которой сведены коэффициенты линейного термического расширения гибкого камня после ультрафиолетового облучения.

Таблица 3. Коэффициенты линейного термического расширения гибкого камня в зависимости от продолжительности ультрафиолетового облучения

Продолжительность ультрафиолетового облучения, часы	α, К-1 (увеличение температуры)	α, К-1 (уменьшение температуры)
Без воздействия	1,08·10-4	–
25	0,90·10-4	-0,70·10-4
50	1,05·10-4	-1,10·10-4
75	0,70·10-4	-0,90·10-4
100	0,70·10-4	-1,00·10-4

Отсутствие изломов на графиках (рис. 5-8) говорит о том, что, по крайней мере, в рассматриваемом диапазоне температур гибкий камень не меняет свою структуру, в том числе и под климатическими воздействиями.

Анализ значений коэффициентов линейного термического расширения гибкого камня с учетом неизбежной погрешности при определении коэффициента позволяет говорить о том, что климатические факторы оказывают незначительное влияние на этот коэффициент.

Библиографический список

1. Горчаков Г.И. Строительные материалы», учеб. для вузов / под ред. Г.И. Горчакова. – М.: Высш. школа, 1981, – 412 с., ил.
2. Аль-Харети Аль-Харет Я.М. Подбор оптимального ­состава гибкого камня / Аль-Харети Аль-Харет Я.М.,
Хамуд Абдулсалам А.Ф., Горохов Т.И. / Современное состояние и перспективы развития строительной науки: материалы студенческой конференции: 19 апреля 2018, г. Тамбов. Под общей ред. Ерофеева А.В. – Рассказово: Изд-во «Звездопад», 2017, – 59 с.
3. Петрова Ю.О. Разработка отделочного материала типа гибкий камень и технологии производства / Ю.О. Петрова,
В.А. Михайлов, Р.Н. Дранников, А.В. Ерофеев / Современные проблемы строительной науки, Сборник научных трудов международной научно-практической конференции, 2017, с. 219-225.
4. Хамуд Абдулсалам Ареф Абдулазиз. Гибкий камень – новый отделочный материал / Аль-Харети Аль-Харет Яхья Мохсен, Хамуд Абдулсалам Ареф Абдулазиз, Горохов Т. И. // Сolloquium journal, №4 (15), 2018, – 72 с.