Изложены особенности реализации изоляционных систем в экстремальных климатических условиях, в том числе в условиях значительных отрицательных и знакопеременных температур при высоких скоростях ветра и др. Отмечается, что адаптация строительных систем к подобным условиям эксплуатации предъявляет и к теплоизоляционным материалам особые требования по стойкости к механическим и климатическим воздействиям, паропроницаемости, а также к стабильности свойств на весь период эксплуатации.

Результаты исследований эксплуатационной стойкости несшитого пенополиэтилена, подтвердившие инертность материала к влажностным и температурным воздействиям в интервале от -60 до 80оС, позволили рекомендовать изделия на его основе (маты и рулоны) в качестве изоляции для объектов Заполярья. В частности, был реализован проект изоляции жилого модуля двухзвенного гусеничного транспортера.

Проведение испытаний

Проведенные в ходе арктической экспедиции 2017 г. в республике Саха (Якутия) испытания показали, что теплоизоляция на основе несшитого пенополиэтилена позволяет обеспечивать в течение двух месяцев жизнеспособность жилого модуля при температуре окружающего воздуха от -45оС при сильном ветре с порывами до 30 м/с. Развитие Заполярья является одним из приоритетов современной экономической деятельности, в том числе и строительства.

Реализация изоляционных систем для условий низкой температуры предполагает, во-первых, исследования, направленные на оценку пригодности теплоизоляционных материалов, хорошо зарекомендовавших себя при строительстве в традиционных условиях [1, 2]; во-вторых, разработку специальных проектных решений с учетом климатических условий этого региона [3, 4]. Главным отличием строительных систем, реализуемых в условиях Заполярья, является наличие наружной плотной оболочки – металлических листов, формирующих внешнюю обшивку объекта.

Натурные испытания показали, что при использовании изделий из паропроницаемых материалов для теплоизоляции объектов с металлическим наружным кожухом в условиях температуры в интервале от -60 до -20 оС невозможно получить изоляционную оболочку со стабильными свойствами [5, 6]. Прежде всего высокая влажность в помещении и отрицательная температура снаружи приводит к конденсации паров влаги в теплоизоляционном слое и на металле, увлажнению теплоизоляции, и, как следствие, к стеканию конденсата на пол жилого модуля.

Также увлажнение теплоизоляции снижает ее тепловую эффективность и термическое сопротивление теплоизоляционной оболочки. Наличие швов и стыков плитных изделий обуславливает формирование дополнительных мостиков холода. В случае, когда изоляционная оболочка подвергается вибрационным воздействиям от работы двигателя, движения автомобиля как по дорогам, так и бездорожью, возникают дополнительные нагрузки на теплоизоляцию, что усугубляет вышеупомянутые риски и может привести к сползанию теплоизоляционного материала в изоляционной системе.

Несшитый пенополиэтилен (НПЭ)

НПЭ получают путем плавления полиэтилена, смешивания массы расплава с вспенивающим агентом (изобутаном), вспениванием расплава и его последующей экструзией.

Плотность изделий (рулонов или матов) составляет 23–30 кг/м3; теплопроводность при 25±5 oС – 0,039 Вт/(м·К); теплопроводность после 100 циклов замораживания-оттаивания – 0,042 Вт/(м·К); коэффициент паропроницаемости – 0,0001 мг/(м·ч·Па) [5, 6].

К достоинствам НПЭ относят низкую среднюю плотность и теплопроводность, высокую эластичность, достаточные прочностные характеристики, устойчивость к агрессивным средам и стойкость к вибрационным воздействиям. Пенополиэтилен и полиэтилен применяются в различных областях, в том числе и в медицине, что свидетельствует о его безвредности.

Особенностями материала являются горючесть и недостаточная стойкость к УФ-облучение (солнечной радиации), что необходимо учитывать при проектировании систем с применением этого материала. Целью исследований стала оценка пригодности несшитого пенополиэтилена как теплоизоляционного материала, используемого в системах, работающих при низкой и знакопеременной температуре.

Объектом исследования являлся НПЭ с металлизированным (фольгированным) покрытием и без фольгированного покрытия [7, 8]. Эксперимент осуществлялся по методике, разработанной на кафедре Строительных материалов и материаловедения НИУ МГСУ.

Образцы подвергались климатическим воздействиям по различным режимам, после чего определялись их физико-механические характеристики (ГОСТ 17177–94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний»), в том числе их деформационные кривые, а далее исследовалась их ползучесть под нагрузкой (ГОСТ EN 1606–2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения ползучести при сжатии»).

Результаты эксперимента

Эксперимент показал, что деформационные кривые контрольных образцов и образцов, подвергнутых щадящему климатическому воздействию (режим 1) практически совпадают (расхождение в результатах не превышает ошибки эксперимента – 4 %). В замороженном при -60 оС состоянии прочность пенополиэтилена выше, чем у контрольных образцов, что определяется изменением вязкости полимера. При этом материал стадии хрупкого разрушения не достигает.

В результате экспериментов установлено, что повреждения образцов отсутствуют. Снижение прочностных характеристик образцов пенополиэтилена после климатических испытаний не превышает 4–6 %. Материал может быть рекомендован в качестве теплоизоляции объектов, эксплуатируемых в условиях температуры до -60 оС [7, 8]. Деформации полиэтилена (материала основы) в интервале температуры от 40 до -60 оС не превышают 0,3 % и не превосходят статистическую погрешность эксперимента.

Деформации сжатия вспененного полиэтилена при охлаждении до -60 оС связаны с изменением состояния паровоздушной смеси в ячейках пенополиэтилена [9, 10, 11]. При оптимальных погодных условиях (температуре 15–20 оС и нормальном атмосферном давлении) давление в ячейках равно атмосферному, влажность воздуха тоже равна атмосферной, а плотность воздуха составляет 1,22–1,23 кг/м3. Паровоздушная смесь в замкнутых ячейках пенополиэтилена находится в равновесии с атмосферным воздухом.

При охлаждении до -60 оС плотность воздуха в ячейках вспененного полиэтилена повышается до 1,60–1,65 кг/м3, при этом происходит конденсация паров воды и превращение их в иней (лед). Т. е. плотность воздуха в замкнутых ячейках пенополиэтилена повышается в 1,3 раза и в ячейках создается разряжение.

Давление в ячейках становится ниже атмосферного, что и предполагает линейное сжатие пенополиэтилена до 3–5 %. Пенополиэтилен обладает низкой паропроницаемостью, поэтому релаксация деформаций сжатия происходит постепенно, по мере выравнивания давления воздуха в ячейках с авлением атмосферного воздух.

Испытания на ползучесть под нагрузкой, рекомендованной ГОСТ EN 1606–2011 показали, что эффект ползучести (деформаций сжатия при постоянной нагрузке меньшей 2 кПа) не зафиксирован ни для контрольных образцов, ни для образцов после климатического воздействия. Это позволило считать представленные образцы вспененного полиэтилена стойкими как к климатическим воздействиям, так и к механическому нагружению, не превосходящему половину прочности при сжатии при 10 % деформации в естественных условиях эксплуатации. Чтобы оценить изменение ползучести образцов пенополиэтилена в более жестких условиях, поставлен дополнительный эксперимент. Было принято решения проводить испытания образцов при нагрузках больших, чем рекомендованные ГОСТ EN 1606–2011 от 2 до 6 кПа.

Климатические испытания и исследования

По результатам климатических испытаний, а также исследований свойств НПЭ и особенностей работы пенополиэтилена в условиях отрицательной температуры до -60 оС разработаны рекомендации по укладке этого материала в конструкции. Для крепления полотен материала между собой предусматривается замковое соединение, предназначенное для бесшовной сварки замковой системы рулонного утеплителя, которое сочетается с механической фиксацией рулонов пенополиэтилена по периметру изолируемой поверхности.

Замковая система на стыке двух рулонов сваривается между собой посредством строительного фена. В результате склеивания при температуре 110–120 оС получается единое бесшовное полотно, состоящее из теплоизоляционного материала, поставляемого в рулонах.

Такое единое полотно проще и легче укладывать на поверхность конструкций, которые подлежат утеплению, что сокращает трудозатраты. Полученное теплоизоляционное полотно является герметичным, т. е. в нем отсутствуют щели и стыки, что препятствует выходу теплового потока наружу.

Таким образом, в получаемом теплоизоляционном слое полностью отсутствуют теплопроводящие мостики по глади поверхности, что положительно сказывается на характеристиках всей изоляционной оболочки. Предлагаемая технология утепления обеспечивает сохранение тепла внутри и существенно повышает теплосберегающие свойства системы теплоизоляции.

Мобильная техника Министерства обороны преодолела маршрут от пос. Тикси, вдоль побережья губы Буора-Хая и Янского залива, по замерзшему морю Лаптевых, до острова Котельный и обратно. Экспедиция проходила в конце февраля – начале марта 2017 г. (рис. 6).

Температура колебалась от -45 до -22 oС; влажность воздуха достигала 95 %; скорость порывов ветра превышала 30 м/с. Для утепления техники применили теплоизоляционный материал на основе несшитого пенополиэтилена толщиной 100 мм.

Внедренная технология, позволившая закрыть всю утепляемую поверхность, ликвидировать мостики холода и избежать выстуживания жилого пространства, способствовала повышению эффективности всей системы утепления жилого модуля.

Исследования проводились по договору между НИУ МГСУ и ООО ТЕПОФОЛ» «Исследование физико-механических характеристик вспененного полиэтилена «Тепофол» в условиях температурных, механических и климатических воздействий». По результатам натурных испытаний НИИЦ АТ3 ЦНИИ Минобороны России составлен «Протокол оценки теплоизоляционных, влагозащитных, прочностных и других свойств материала «Тепофол» при эксплуатации в сложных климатических условиях республики Саха (Якутия) (район п. Тикси и о. Котельный архипелага Новосибирские острова)».