DIAGRAMS OF VACUUM INSULATING PANEL DEFORMATION DURING COMPRESSION

Full Text

Решение проблемы энергосбережения при строительстве зданий и сооружений зависит от доступности и качества высокоэффективных теплоизоляционных материалов и изделий [1, 2]. В последние годы интенсивно ведутся поиски и разработки новых теплоизоляционных материалов и изделий, альтернативных традиционно применяемым: минеральной вате, пенополистиролу, пенополиуретану, которые не отвечают современным требованиям по экологии, долговечности, огнестойкости [3, 4]. Анализ публикационной активности по этой теме показывает, что все большее внимание учёных и практиков привлекают исследования, направленные на создание теплоизоляционных изделий типа VIP- вакуумных изоляционных панелей [5-8]. Панели VIP представляют собой плоские элементы, выполненные из многослойной воздухонепроницаемой оболочки, наполненной зернистым и волокнистым наполнителем. В качестве зернистого наполнителя применяется аморфный микрокремнезем, представленный минералом опал, поровая структура которого формируется в виде иерархически выстроенной масштабно-инвариантной системы из отдельных глобулярных частиц, отдельных и ассоциативных кластеров. Квазиопаловая структура зернистой системы обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства [2, 9]. Для поддержания формы изделия VIP при вакуумировании вводится волокнистый минеральный наполнитель. Сопротивление теплопередаче вакуумной панели в пять-десять раз выше, чем у традиционных утеплителей, что подтверждено теоретически и экспериментально [1, 10]. Изделие VIP можно применять для изготовления трёхслойных плит покрытий и пере- Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ крытий, ограждающих конструкций. Панели для стен и покрытий (перекрытий) зданий состоят из двух наружных обшивок из прочного листового материала и среднего слоя - утеплителя [2]. Для внешней обшивки можно применять плоские или профилированные листы из алюминия, стекла, латонита. Для внутренних обшивок можно применять листовые материалы не только из металла и стекла, но и из древесины, высокопрочного бетона и других конструкционных материалов. Для обеспечения прочности и жесткости трехслойные панели рассчитывают по двум предельным состояниям: прочности и деформативности. При расчете на поперечный изгиб трёхслойные панели рассматриваются как плиты, свободно опертые по двум сторонам или опертые по контуру. При расчете трёхслойных панелей необходимо соблюдение условий: Епр/G ≤ 10000; 200 ≥ h0/δ ≥ 4; l/h0 ≥ 10, (1) где Епр - приведенный модуль упругости материала обшивок, равный Епр = Е/(1-μ) ; Е и μ - модули Юнга и Пуассона материала обшивок; h0 - высота среднего (теплоизоляционного) слоя; G - модуль сдвига среднего слоя; δ - толщина обшивки; l - пролет панели; h = h0 + δ - высота поперечного сечения панели с листовыми внешними обшивками. При определении напряжений от местной нагрузки в верхнем слое обшивки и в среднем слое, обшивка рассматривается как бесконечная пластина на упругом основании (роль упругого основания играет средний слой) с коэффициентом постели К = 2Е1/h0 , где Е1 - модуль упругости теплоизоляционного материала (Е1 = Еk). Следовательно, для расчета трёхслойных панелей с утеплителем VIP необходимо знать механические характеристики изделия VIP (Е1 и G). Целью предлагаемой работы является экспериментальное определение модуля упругости (Юнга) Е1 и аналитическое описание диаграммы деформирования при сжатии изделия VIP (среднего слоя трёхслойной плиты). Для экспериментального определения модуля упругости были изготовлены вакуумные панели размером 100х100х10 мм. В качестве наполнителя применяли белую сажу марки БС- 100, диатомит Атемарского карьера, базальтовые волокна. Оболочка образцов выполнялась из двухслойного пластика (PET/PE; PA/PE). Плотность образцов составляла 170 и 260 кг/м3 соответственно, наполнитель - микрокремнезем и диатомит. Для сравнения произведены аналогичные испытания изделия VIP китайского производства в металлизированной оболочке. При проведении эксперимента ставилась задача оценить влияние количества наполнителя и волокна на механические характеристики вакуумных изоляционных панелей. Для этого был реализован двухфакторный эксперимент по плану Кифера-Коно, который позволил получить полиномиальную модель зависимости уровня напряжений (yi) при 10 % деформации от количества порошка (x1) и волокна (x2) вида: y1 = 0,236 + 0,037x1 + 0,015x2 - - 0,013x1 2 - 0,003x1x2 - 0,018x2 2, (2) y2 = 0,224 + 0,032x1 + 0,09x2 - - 0,004x1 2 - 0,019x1x2 - 0,047x2 2. (3) Графическая интерпретация полученных результатов представлена на рис. 1, 2. Из анализа уравнений (2), (3) и графических зависимостей (см. рис. 1, 2) следует, что крупность частиц микрокремнезема БС-100 (нанометровая размерность) и диатомита (микрометровая размерность) практически не влияет на уровень напряжений сжатия при 10 % относительной деформации. Диаграммы деформирования имеют вид, характерный для самоуплотняющихся материалов (рис. 3-5). На рисунках представлены диаграммы деформирования, полученные при сжатии вакуумных панелей: рис. 3 - китайский аналог; рис. 4 - зернистый наполнитель диатомит; рис. 5 - зернистый наполнитель микрокремнезем БС-100. Для аналитического описания диаграммы деформирования VIP изделия при сжатии наиболее приемлемой является функция Г.Б. Бюльфингера в относительных координатах вида: σ/σu = α(ε/εu)β, (4) где σu - предельно допустимое значение напряжений; ε - относительная деформация, соответствующая σu; α и β - коэффициенты, определяемые по экспериментальным данным. Для этого произведем путем логарифмирования линеаризацию уравнения (4) и тогда β определим по формуле β = (ln(σ1/σu) - ln(σ2/σu))/(ln(ε1/εu) - ln(ε2/εu)). (5) На рис. 6 в двойных логарифмических координатах построены графики зависимости σ-ε по экспериментальным данным, представленным на рис. 5 (принято σiu = 5 МПа). Значения ln(σi/σiu) - ln(εi/εiu) хорошо ложатся на прямые линии, которые сходятся в начале координат. В. П. Селяев, Н. Н. Киселев, О. В. Лияскин 19 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Рис. 1. Графическая зависимость напряжения (y1) при ε = 10 % от количества наполнителя: x1 - белая сажа; x2 - минеральное волокно Рис. 2. Графическая зависимость напряжения (y2) при ε = 10 % от количества наполнителя: x1 - немодифицированный атемарский диатомит; x2 - минеральное волокно Рис. 3. Диаграмма, полученная при испытании китайского образца вакуумной теплоизоляции Рис. 4. Диаграмма, полученная при испытании вакуумной теплоизоляции на основе диатомита Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 20 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 5. Диаграммы деформирования при сжатии панели VIP с зернистым наполнителем БС-100: 1, 2, 3 - содержание наполнителя в частях - относительных единицах (по возрастанию) Следовательно, коэффициент α = 1. По формуле (5) определены значения коэффициентов β, которые составляют β1 = 5,25; β2 = 2,3; β3 = 3,2. С учетом полученных экспериментальных данных модуль упругости теплоизоляционного материала зависит от количества зернистого наполнителя в панели VIP и от уровня сжимающих напряжений. Зависимость модуля упругости зернистой системы VIP предлагается определять по формуле вида: E1 = ∂σ/∂ε = σu βi(εβi-1/εβi u), (6) где βi = 5,25(1); 2,3(2); 3,2(3). Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено: деформативные свойства вакуумных изоляционных панелей с зернистым наполнителем не зависят от крупности частиц наполнителя, но зависят от объёмного содержания наполнителя. Диаграмму деформирования, описывающую зависимость между напряжениями и относительными деформациями при сжатии вакуумной изоляционной панели с зернистым наполнителем, можно аппроксимировать функцией Г.Б. Бюльфингера. Полученные результаты дают возможность расчетным путём определить напряженное состояние в плоских листах обшивки при местной передаче нагрузки. *Работа выполнена при поддержке РФФИ № 18-48-130001/18 «Оптимизационное моделирование свойств теплоизоляционных функционально-градиентных изделий на основе минеральных порошков оксида кремния, синтезированного из природного диатомита». Рис. 6. Линеаризация экспериментальных данных, представленных на рис. 5 ln(εi/εi0) ln(σi/σi0) -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 1 2 3 В. П. Селяев, Н. Н. Киселев, О. В. Лияскин

About the authors

Vladimir P. SELYAEV

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nikolay N. KISELEV

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Oleg V. LIYASKIN

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files