Александра Мишина,
руководитель отдела проектирования и научных разработок ООО НПП «Пенополимер»
Вячеслав Белый,
кандидат технических наук, доцент кафедры строительного производства Коломенского института (филиала) Московского политехнического университета
Тепловые сети при подземной прокладке часто подвергаются частичному или полному затоплению грунтовыми и паводковыми водами. В случае паводковых вод затопление тепловой сети может происходить как минимум один–два раза в год. При плохой гидроизоляции стальной трубы и фасонных изделий, ее отсутствии или повреждении процессы коррозии быстро разрушают тепловые сети. ППМ изоляция может выполнять функции не только тепловой защиты, но и защиты от проникновения воды и влаги к стальной трубе, то есть функции гидроизоляции.
В настоящей работе изучались параметры водопоглощения в период выключенного теплопровода. Этот период соответствует времени, когда теплопровод находится в «холодном» состоянии, например, во время ремонта или отсутствия тепловой отопительной нагрузки. Для создания наиболее жестких условий эксплуатации предполагается, что этот период совпадает с подъемом уровня воды и затоплением тепловой сети. Прежде всего, ставится задача по определению характера водопоглощения ППМ изоляции при длительном пребывании непосредственно в воде. Необходимо определить преобладающий механизм водопоглощения материала. Исследовать глубину увлажнения ППМ изоляции в условиях воздействия только одного фактора – воды. А также зависимость величины водопоглощения ППМ изоляции в поставленных условиях от общей плотности материала.
Особенностью данного исследования является то, что изучение процессов проводится на образцах – трубах в ППМ изоляции, полученных индустриальным методом на действующем производстве. ППМ изоляция на изделиях имеет значительно больший объем, чем лабораторные образцы-спутники.
Теоретические основы водопоглощения
Водопоглощение ППМ изоляции, как и любого другого капиллярно-пористого тела, определяется его структурой. А именно – его строением и количеством пор. Материал ППМ изоляции относится к закрытопористым жестким пенополиуретанам. Степень закрытых пор 99%. Это означает, что поры не сообщаются между собой.
Принято различать три формы связи влаги с материалами по энергетическому принципу: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Химически связанная влага, количество которой определяется соответствующими стехиометрическими соотношениями, удерживается веществом наиболее прочно и в большинстве случаев при тепловой сушке не удаляется из влажных материалов.
Физико-химически связанная влага удерживается на внутренней поверхности пор адсорбционными силами. Ее количество может быть различным в зависимости от пористости материала и внешних условий – температуры и влажности окружающей среды.
Физико-механически связанная влага – это жидкая фаза, находящаяся в крупных капиллярах, а также влага смачивания, которую принимает тело при непосредственном контакте с жидкостью. В соответствии с вышеизложенным, увеличение влагосодержания капиллярно-пористых тел может происходить за счет увеличения сорбционной влажности и капиллярного подсоса.
Перемещение влаги в виде пара и воды в капиллярно-пористых телах возникает в результате влагопереноса (за счет сил влагопроводности из зон с большим содержанием пара в зоны с меньшим содержанием пара) и тепловлагопереноса (за счет вектора температуры, по направлению которого и происходит общий тепло и массоперенос в телах).
Методика и порядок проведения испытаний
Для исследования использовали образцы в виде стальных труб диаметром 108 мм с нанесенной на них ППМ изоляцией толщиной 74,5 мм (рис. 1). ППМ изоляция наносилась в заводских условиях при помощи АЗМ высокого давления. Было изготовлено четыре образца с длиной изоляции 1000 мм и имеющие различную плотность ППМ от 200 до 305 кг/м3 (фиксировалась общая плотность по ГОСТ Р 56227-2014). Начальные параметры образцов указаны в табл.
Предварительно перед испытаниями определяли исходное влагосодержание ППМ изоляции. Определение исходного влагосодержания и водопоглощения ППМ изоляции проводилось по ГОСТ 17177-94 на образцах в форме куба или параллелограмма, вырезанных из слоя ППМ изоляции исходных труб-образцов. Образцы ППМ изоляции брались в трех точках по радиусу и в четырех точках по диаметру изоляции. Схема выборки образцов представлена на рис. 2. Участок со снятой изоляцией заделывали в соответствии с Инструкцией [2], выдерживали 24 часа и снова помещали в емкость с водой. Исследования повторяли через 7, 21, 42 и 77 суток (всего 1850 часов).
Результаты исследования и выводы
По результатам определения водопоглощения образцов ППМ изоляции были построены диаграммы зависимости водопоглощения ППМ изоляции от различных условий.
На диаграмме 1 показана величина влагосодержания для ППМ изоляции в зависимости от времени пребывания ее в воде. Диаграмма наглядно показывает рост влагосодержания с течением времени и четкую зависимость: чем ниже плотность ППМ изоляции, тем больше увеличивается влагосодержание материала при длительном пребывании в воде.
Стоит отметить, что водопоглощение всех образцов, кроме образца с плотностью 182 кг/м3, после первой недели пребывания в воде (семь суток) не превышает норму по водопоглощению указанную в [3] для 24 часового погружения.
Скорость увеличения влагосодержания для ППМИ плотностью выше 270 кг/м3 с течением времени замедляется, а для образцов с меньшей плотностью продолжает расти с постоянной скоростью (линейно).
Процесс увлажнения ППМ изоляции плотностью выше 270 кг/м3 послойно представлен на диаграмме 2, а для образцов с меньшей плотностью на диаграмме 3.
Обе диаграммы показывают, что в начале испытаний все слои имеют одинаковое исходное влагосодержание, не более 1%. Также можно сказать, что ППМ изоляция с плотностью выше 270 кг/м3 при хранении меньше поглощает влаги из окружающего воздуха за счет сил влагопроводности, чем образцы с низкой плотностью.
Диаграмма 2 и диаграмма 3 показывают, что процесс увеличения влагосодержания с течением времени в верхнем, среднем и притрубном слое происходит идентично, по одним и тем же зависимостям.
Для ППМ изоляции с плотностью 270 кг/м3 и выше через определенный период (около 40–50 дней) наступает равновесное состояние, и рост влагосодержания прекращается на уровне 2–2,5%. В первые семь дней резкий подъем влагосодержания происходит только в верхнем слое. В среднем и притрубном слое подъем осуществляется более равномерно на всем временном отрезке.
Влагосодержание в верхнем, среднем и притрубном слое в начальный момент одинаково и не превышает 1%. С течением времени разница между их влагосодержанием увеличивается. Наибольшие значения наблюдаются в верхнем, наименьшие в притрубном слое. Это показывает, что процесс влагопереноса в ППМ изоляции сильно затруднен и влагосодержание притрубного слоя ППМ изоляции с течением времени изменяется незначительно.
Разность между влагосодержанием верхнего и притрубного слоя в конце испытаний растет, и чем меньше общая плотность ППМИ, тем больше ее величина. Это связано с тем, что верхние слои менее плотной изоляции (менее 230 кг/м3) имеют большее количество микрокапилляров, больших и открытых пор, которые и способствуют более свободному перемещению влаги внутрь.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
- химически связанная влага в ППМ изоляции не определяется;
- процессы влагопоглощения за счет сил влагопроводности (сорбции) в ППМ изоляции сильно затруднены и происходят очень медленно;
- процессы водопоглощения за счет капиллярного подсоса в ППМ изоляции имеют место только в образцах с низкой плотностью.
Увлажнение за счет капиллярного подсоса происходит только в верхних слоях изоляции и не проникает в средние и притрубные слои.