Sprawozdanie z laboratoriów z materiałów termoizolacyjnych

Kierunek: budownictwo

Grupa: 3 laboratoryjna

Data oddania sprawozdania: 13.05.2014

Rok: 2014

1. Główne badania wykonywane na trzech rodzajach materiałów termoizolacyjnych (wełna mineralna, styropian, beton komórkowy).

2. Określanie gęstości nasypowej (mikrosfery).

3. Określanie stabilności płyty styropianowej.

4. Klasyfikacja kostek betonu komórkowego w zależności od wagi i wytrzymałości na ściskanie.

5. Projekt izolacji domu w Beskidzie Żywieckim.

1. Główne badania wykonywane na trzech rodzajach materiałów termoizolacyjnych (wełna mineralna, styropian, beton komórkowy)

Głównym parametrem określającym właściwości materiału termoizolacyjnego jest jego współczynnik przewodzenia ciepła. Równie ważne jest określenie właściwości mechanicznych (ściśliwość, sprężystość) oraz odporności na oddziaływanie wilgoci i wody. Kolejną istotną cechą jest zachowywanie się materiału przy działaniu podwyższonej temperatury.

WEŁNA MINERALNA, STYROPIAN, BETON KOMÓRKOWY

• Współczynnik przewodzenia ciepła

Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów termoizolacyjnych zależy od: porowatości całkowitej, wielkości i kształtu porów oraz ich ułożenia w stosunku do przepływającego ciepła, składu chemicznego, temperatury, zawilgocenia oraz w przypadku WEŁNY MINERALNEJ grubości włókien i zawartości części nierozwłóknionych.

Materiały termoizolacyjne cechują się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła. W przypadku tej grupy materiałów określa się wartość graniczną współczynnika, do której mają zastosowanie odpowiednie normy. W przypadku wełny mineralnej graniczna wartość to $0,06\frac{W}{m*K}$, styropianu $0,05\frac{W}{m*K}$, a w przypadku betonu komórkowego wynosi ona $0,2\frac{W}{m*K}$.

Istnieją dwie grupy metod badania współczynnika przewodzenia ciepła:

• stacjonarne (metody ustalonego strumienia cieplnego) – bada się przy użyciu aparatów płytowych metodą bezpośrednią (określona ilość mocy grzejnika) oraz pośrednią (zmienna gęstość strumienia cieplnego)

• niestacjonarne (metody nieustalonego strumienia cieplnego) – mniejsza dokładność niż w metodach stacjonarnych; badania wykonywanie poprzez umieszczenie zasilanego prądem źródła ciepła (gorący drut w układzie krzyżowym, dysk bądź liniowa sonda cieplna) w badanym materiale.

W każdej z grup stosuje się różne metody, w zależności od rodzaju próbki. Są to metody bezpośrednie, porównawcze, źródła ciepła płaskie, punktowe, liniowe i impulsowe. Do pomiarów gęstości strumienia ciepła w obiektach budowlanych można wykorzystać metody: skrzynki cieplnej, sondy cieplnej, ścianki pomocniczej lub termowizji.

• Oznaczanie gęstości objętościowej

Badanie przeprowadzane na wszystkich wyżej wymienionych materiałach. Gęstość objętościowa jest miarą porowatości. Pomiar polega na zważeniu i zmierzeniu objętości próbki wyciętej z wyrobu, a następnie określa się jej stosunek masy do objętości. W przypadku materiałów w postaci luźnej badania przeprowadza się w cylindrze pomiarowym z ruchomym tłokiem.

• Oddziaływanie wody

Skuteczność zabezpieczenia materiału przed penetracją wody można ocenić, określając nasiąkliwość wyrobów.

Badanie nasiąkliwości wykonuje się zazwyczaj w dwoma metodami:

• badanie nasiąkliwości krótkotrwałej -symuluje podatność materiałów na absorpcję wody na skutek ciągłych opadów deszczu w czasie prowadzenia prac budowlanych

• badanie nasiąkliwości długotrwałej - odpowiada narażeniu materiałów termoizolacyjnych na ciągłą ekspozycję wody

Badanie polega na umieszczeniu zważonych próbek materiału o bokach 200x200 mm i grubości wyrobu w naczyniu z płaskim dnem po ówczesnym napełnieniem go wodą w takiej ilości aby zakryła dno. Następnie należy uzupełnić wodę do poziomu 10 mm mierzonego od dolnej warstwy próbki i zapewnić stały poziom zanurzenia próbek przez 24 h. Po tym okresie należy wyjąc próbki z wody i pozostawić do odsączenia na stelażu pod kątem 45 stopni przez 10 min.

WEŁNA MINERALNA

Przy wytwarzaniu termoizolacyjnych materiałów włóknistych stosuje się specjalne preparaty organiczne, spełniające rolę lepiszcza oraz substancji hydrofobizującej. Nasiąkliwość wyrobów z wełny skalnej nie powinna przekraczać $1\frac{\text{kg}}{m^{2}}$ ( metoda krótkotrwała) oraz $3\frac{\text{kg}}{m^{2}}$ (metoda długotrwała)

STYROPIAN

W jego przypadku oznacza się również absorpcję wody przy długotrwałej dyfuzji pary wodnej i wymuszonej różnicy temperatur po obu stronach próbki.

BETON KOMÓRKOWY

W przypadku betonu komórkowego określa się wilgotność, opór dyfuzyjny i wysokość podciągania kapilarnego. Beton komórkowy ze względu na dużą porowatość otwartą jest materiałem chłonącym stosunkowo duże ilości wilgoci.

• Oznaczanie właściwości mechanicznych

W przypadku materiałów termoizolacyjnych określa się: ściśliwość, wytrzymałość na rozrywanie siłą prostopadłą i równoległą do powierzchni, wytrzymałość na ściskanie oraz ewentualnie ścinanie.

1. Ściśliwość – parametr opisujący zmianę grubości pod wpływem ustalonego obciążenia.

2. Wytrzymałość na rozrywanie siłą prostopadłą – badanie przeprowadza się na próbkach poddanych naprężeniom rozciągającym wzdłuż grubości próbki. Pomiar siły zrywającej przeprowadza się w maszynie wytrzymałościowej umożliwiającej uzyskanie szybkości rozciągania $10\frac{\text{mm}}{\min}$. Wytrzymałość oblicza się jako stosunek siły powodującej rozwarstwienie próbki do pola powierzchni

3. Wytrzymałość na rozrywanie siłą równoległą – próbka powinna być umieszczona w uchwycie maszyny wytrzymałościowej w sposób zapewniający równomierny rozkład naprężeń. Próbkę wycina się tak, aby kierunek długości próbki odpowiadał kierunkowi, w którym wyrób w czasie eksploatacji będzie działać siła rozciągająca.

4. Wytrzymałość na ściskanie – polega na obciążeniu próbki w kształcie prostopadłościanu siłą ściskającą, wzrastającą ze stałą prędkością w kierunku osiowym do większej płaszczyzny próbek.

• Odporność na działanie wysokiej temperatury i ognia

W zakresie temperatur niskich określana jest odporność na działanie mrozu (mrozoodporność) oraz zachowanie się materiału w wysokich temperaturach. Wszystkie wyroby budowlane powinny posiadać klasyfikację ogniową (beton, wełna mineralna – euroklasa A1, styropian – euroklasa E/F). Określa się graniczną temperaturę stosowania, czyli wartość temperatury przy której właściwości eksploatacyjne wyrobu nie ulegają zmianie.

WEŁNA MINERALNA

W przypadku materiałów włóknistych (np. wełna mineralna) oddziaływanie ujemnych temperatur nie jest niekorzystne, co więcej mają stosunkowo dobrą odporność na działanie wysokich wartości temperatury.

• Zawartość substancji organicznych oraz części nierozwłóknionych

WEŁNA MINERALNA

• Zawartość substancji organicznych

Właściwości termoizolacyjnych materiałów włóknistych w dużej mierze zależą od jakości wyrobów. Substancje organiczne, wprowadzone do wyrobu na etapie formowania, stanowią lepiszcze wiążące ze sobą włókna, zapewniając spójność wyrobom oraz zabezpieczają wyroby przed dostępem wilgoci. Obliczanie zawartości substancji organicznych polega na wyprażeniu próbki do stałej masy i obliczeniu zawartości substancji organicznych z różnicy mas przed i po prażeniu. Temperatura prażenia wyrobów z wełny skalnej należy ustalić na 600±50℃. Zawartość substancji organicznych zwykle nie przekracza 5%.

• Zawartość części nierozwłóknionych

Ze względu na zaburzenia procesu formowania nie cały stop ulega rozwłóknieniu, część strugi zastyga w formie tzw. koralików, stanowiąc później wtrącenia w wyrobie.

Zawartość części nierozwłóknionych najczęściej oznacza się równocześnie z pomiarem zawartości substancji organicznych. Polega na wyprażeniu w piecu próbki o masie ok 10g do stałej masy (w przypadku włókien mineralnych - 600℃), zważeniu wyprażonej próbki, a następnie przecieraniu jej przez sito. Pozostałość na sicie waży się ponownie.

1. Określanie gęstości nasypowej mikrosfer w stanie suchym

Wstęp

Gęstość nasypowa - stosunek masy frakcji granulometrycznych badanego kruszywa w stanie luźnym zawierających się w standardowym cylindrze pomiarowym do objętości tego cylindra. Warunki techniczne oznaczania gęstości nasypowej określa norma PN-EN 1097-3:2000. Jest to własność wpływająca na gęstość materiałów zagęszczanych wibracyjni oraz na odpowiedni dobór pojemników na przechowywanie materiału (worek, beczka).

Mikrosfera (inaczej Cenosfera) są to sferyczne cząstki (kuleczki) krzemianowo-glinowe wypełnione dwutlenkiem węgla i azotem, otrzymywane na drodze specjalnego przetworzenia popiołów lotnych powstałych w procesie spalania w wysokich temperaturach węgla kamiennego w elektrociepłowniach. Ścianki kulek mają grubość od 0.2 do 3 mikronów. Taka struktura budowy powoduje, że mikrosfera zajmuje dużą objętość przy minimalnym ciężarze, czyli posiada niski ciężar właściwy. Jest ona od 2.5 do 3.5 razy lżejsza od wody. Średnica pojedynczej kulki waha się od 100 do 500 mikronów.

Prawidłowa gęstość nasypowa mikrosfer: $0,32 - 0,45\frac{g}{{cm}^{3}}$

Przebieg badania:

1. Do cylindra wadze 277, 39g stopniowo nasypujemy mikrosfery do uzyskania objętości 150ml.

2. Po każdorazowym nasypaniu 50ml mikrosfery wstrząsamy cylindrem w celu wypełnienia pustych przestrzeni.

3. Cylinder ważymy po uzyskaniu 150ml objętości mikrosfery.

4. Podstawiając do odpowiednich wzorów obliczamy masę i gęstość mikrosfery.

Wyniki

• masa pustego cylindra - m₁ = 277, 39g

• masa pełnego cylindra - m₂ = 338, 68g

• masa mikrosfer - m₂ − m₁ = 338, 68 − 277, 39 = 61, 29g

• gęstość nasypowa - $\text{\ \ }\mathbf{\rho =}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{V}}$ $\rho = \frac{61,29}{150} = 0,41\frac{g}{\text{cm}^{3}}$

Wnioski

Wyliczona wartość mieści się w przedziale prawidłowej gęstości nasypowej mikrosfery.

1. Określanie stabilności płyty styropianowej

Stabiloność wymiaru

W celu określenia stabilności wymiarów wyrobów z polistyrenu ekspandowanego, wyroby te badane są w różnych warunkach.

Badanie to polega na umieszczeniu próbek w komorze klimatycznej lub suszarce na 48 godzin w określonych warunkach temperaturowo-wilgotnościowych . Miarą stabilności wymiarów jest wyrażona w procentach zmiana wymiarów liniowych próbek poddanych badaniu. Warunki przechowywania i maksymalna odchyłka wymiarów liniowych stanowią o klasie stabilności wymiarów styropianu.

W poniższej tabeli przedstawiono klasy stabilności wymiarów i określone dla nich warunki przechowywania oraz maks. odchyłki wymiarów liniowych.

Klasa stabilności wymiarów	1. Temperatura 2. Wilgotność względna	Maks. odchyłka wymiarów liniowych.
DS(N)2	1. 23 2. 50%	0,2 %
DS(N)5	1. 23 2. 50%	0,5 %
DS(70,-)1	1. 70 2. 50%	1,%
DS(70,-)2	1. 70 2. 50%	2,0%
DS(70,-)3	1. 70 2. 50%	3,0%
DS(70,90)1	1. 70 2. 90%	1,0 %

Tolerancja wymiarów i kształtu

Wymiary styropianu nie mogą różnić się od tych określonych przez klasę podaną przez producenta. Norma PN-EN 13163:2008 określa klasy tolerancji wymiarowych dla wyrobów płytowych:

Właściwość	Klasa	Tolerancje
Długość	L1	±0,6 % lub ± 3 mm
	L2	±2 mm
Szerokość	W1	±0,6 % lub ± 3 mm
	W2	±2 mm
Grubość	T1	±2 mm
	T2	±1 mm
Prostokątność	S1	±5 mm/1 000 mm
	S2	±2 mm/1 000 mm
Płaskość	P1	30 mm
	P2	15 mm
	P3	10 mm
	P4	5 mm

Wyniki badań wymiarów geometrycznych próbki

Długość: 100 cm, odchyłka +/- 0,1cm

Szerokość: 50 cm, odchyłka +/- 0,1cm

Za pomocą suwmiarki zmierzono grubość płyty w 4 równych odstępach:

• h₁= 9,71 cm

• h₂=10,53 cm

• h₃=10,5 cm

• h₄=9,71 cm

Z otrzymanych wyników widać, że grubość nie mieści się w odchyłkach dozwolonych przez normę PN-EN 13163:2008. Długość i szerokość płyty spełniają założenia normy PN-EN 13163:2008, można je zaliczyć do klas L2 i W2. Zaobserwowano również, że badana płyta nie spełniała warunku równoległości ścian, była znacznie wygięta.

Gęstość objętościowa

Gęstość objętościowa obliczana jest ze wzoru:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

gdzie:

m-masa próbki, kg;

V- objętość próbki, m³.

Badana przez nas próbka miała wymiary 100x50x9,71 cm (długość x szerokość x wysokość), jej waga wynosiła 591,64 g.

V = 100 • 50 • 9, 71 = 48 550cm³ =   0, 049m³

m = 591, 64 g = 0, 59164 kg

$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{0,59164}{0,049} = 12,07\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

Gęstość objętościowa badanej przez nas próbki wynosi 12,07 $\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$.

1. Klasyfikacja kostek betonu komórkowego w zależności od wagi i wytrzymałości na ściskanie

Współczynnik przewodzenia można wyznaczyć na dwa sposoby: stacjonarnie i niestacjonarnie.
Metody stacjonarne:

Do określenia współczynnika przewodzenia ciepła w próbce badanego materiału potrzeba wytworzyć ustalony strumień cieplny i określić jego wartość bezpośrednio, np. poprzez pomiar mocy dostarczonej do elementów grzejnych lub metodą porównawcza względem próbki wzorcowej. Dodatkowo należy wyznaczyć grubość próbki i różnicę temperatur pomiędzy izometrycznymi powierzchniami. W metodzie bezpośredniej określa się ilość mocy wydzielonej przez grzejnik pomiarowy płyty cieplnej otoczony grzejnikiem ochronnym o tej samej temperaturze. Współczynnik przewodzenia ciepła określa się wprost z prawa Fouriera. W aparatach płytowych pracujących zgodnie z metodą pośrednią gęstość strumienia cieplnego zamieniana jest na proporcjonalny sygnał napięciowy, a wartość współczynnika określana jest poprzez porównywanie jego wartości z wzorcem. Współczynnik przewodzenia ciepła λ oblicza się z zależności:

$$\lambda = fQ\frac{d}{T}$$

gdzie

λ – współczynnik przewodzenia ciepła $\left\lbrack \frac{W}{\text{mK}} \right\rbrack\backslash nf$ – stała kalibracji $\left\lbrack \frac{W}{m^{2} \bullet mV} \right\rbrack$

Q – wartość średnia wskazań ciepłomierza [mV ]

d – średnia grubość próbki [m]

∖tT – średnia wartość różnic temperatur [K ]

Metody niestacjonarne:

Pozwalają na stosunkowo szybki pomiar współczynnika przewodzenia, chociaż nie mają takiej dokładności jak metody stacjonarne, dodatkowo często jest konieczne wyznaczanie innych parametrów, takich jak np. ciepło właściwe mierzonej próbki. Większość przypadków sprowadza się do wyznaczenia dyfuzyjności temperaturowej na podstawie pomiaru zmiany temperatury w czasie nagrzewania lub chłodzenia próbki. W metodach ze źródłem ciepła pomiar współczynnika ciepła polega na określeniu zależności między gęstością strumienia cieplnego, a zmieniającą się w czasie temperaturą ogrzewanego materiału. Pomiar odbywa się więc pośrednio przez określenie szybkości nagrzewania. Podstawą tej grupy metod jest umieszczenie w badanym materiale źródła ciepła zasilanego prądem w postaci drutu lub dysku o stałym wydatku ciepła w czasie. Po spełnieniu założeń normowych wartość współczynnika można określić z zależności:

$\lambda = \frac{Q}{4\pi l\left( T_{1} - T_{2} \right)}\ln\frac{t_{2}}{t_{1}}$

gdzie

λ – współczynnik przewodzenia ciepła $\left\lbrack \frac{W}{\text{mK}} \right\rbrack$

Q - moc wydzielana na elemencie grzewczym [W ]

l – długość elementu grzewczego [m ]

T₁ , T₂ - temperatury w czasie t₁ i t₂ [K ]

t₁ , t₂ - czas [s ]

Kolejną pośrednią metodą jest metoda a-kalorymetru. Badaną próbkę ogrzewa się w termostacie powietrznym lub w wodzie, przy czym pomiar można przeprowadzać w czasie ogrzewania próbki lub przy jej chłodzeniu. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła oblicza się ze wzoru

λ = mKρc

gdzie

λ – współczynnik przewodzenia ciepła $\left\lbrack \frac{W}{\text{mK}} \right\rbrack\backslash nm$ – współczynnik tempa ogrzewania (chłodzenia) $\left\lbrack \frac{1}{s} \right\rbrack\backslash nK$ – współczynnik kształtu∖nρ – gęstość badanego materiału $\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack\backslash nc$ – ciepło właściwe badanego materiału $\left\lbrack \frac{J}{kg \bullet K} \right\rbrack$

By określić klasę betonu należy zbadać jego gęstość w stanie suchym (wg normy PN-EN 678)

Badaniu należy poddać trzy próbki, najlepiej te same, co przy badaniu wytrzymałości na ściskanie. Po oznaczeniu objętości próbek za pomocą suwmiarki o dokładności 0.1mm, umieszcza się je w suszarce laboratoryjnej w temperaturze ok. 105°C i suszy aż do uzyskania stałej masy (w czasie 24h suszenia masa może zmienić się maksymalnie o 0,2%). Następnie należy zważyć próbki i obliczyć gęstość każdej z nich. Do wyznaczenia gęstości służy wzór:

$$\rho = \frac{m}{V}\backslash n$$

ρ – gęstość próbki∖nm – masa próbki∖nV – objętość próbki

Ostateczny wynik badania to średnia arytmetyczna gęstości wszystkich próbek.

Wytrzymałość na ściskanie, potrzebna do określenia marki betonu, zależna jest od gęstości objętościowej, kierunku zgniatania próbek w stosunku do kierunku wyrostu masy w formie oraz od stopnia zawilgocenia. Zgodnie z normą PN-EN 679 oznacza się ją jako stosunek obciążenia niszczącego przy ściskaniu osiowym do przekroju poprzecznego próbki badawczej, prostopadłego do kierunku obciążenia.

Kostka	Masa [g]	Długość [cm]	Szerokość [cm]	Wysokość [cm]	Objętość [m^3]	Gęstość [kg/m^3]	Wytrzymałość na ściskanie [MPa]	Klasa	Marka
86	654.75	10.06	9.96	10.05	0.001	654.75	3.5	700	3.5
14D	676.31	10.07	10.05	10.03	0.001	676.31	4.5	700	4.5
416	672.53	10.00	9.93	10.01	0.001	672.53	5.5	700	5.5

Wnioski

Wraz ze wzrostem gęstości objętościowej wzrasta wytrzymałość. Wszystkie bloczki z betonu komórkowego użyte w badaniu mają wg normy PN-EN 711-4: 2004 klasę 700, co oznacza, że ich minimalna wytrzymałość na ściskanie wynosi 4.0 [MPa]. Zatem możemy stwierdzić, że pierwsza kostka z betonu nie spełnia wymagań normowych, a kostki 14D i 416 mieszczą się zakresie wytrzymałości normowych

1. Projekt izolacji domu w Beskidzie Żywieckim.