При обустройстве газоконденсатных месторождений в северных регионах, где преобладают вечномерзлые грунты с включениями льда, защищают грунты от воздействия сооружений качественной тепловой изоляцией основания. Используемые для этого пенопласты имеют открытые поры, что способствует прогрессированию процесса влагопереноса в процессе эксплуатации. Увлажнение материала, если оно происходит в условиях фазового перехода пара в воду и воды в лед, ведет к изменению его структуры, существенной потере долговечности, что ухудшает теплозащитные свойства панелей. Добавление в состав пенопласта наполнителей переводит его в композиты, позволяет целенаправленно изменять свойства. Новые композиционные материалы можно создавать с заданными качествами, близкими природным [1]. Так материал с неоднородной плотностью, имеющий закрытые поры, будет иметь меньшую сорбционную влажность при тех же условиях. Кроме того, он будет обладать и значительной несущей способностью. Такие материалы можно применять в качестве утеплителей для многослойной конструкции без дополнительной защиты от влажности ее внутренней стороны.
Пенопласт прокладочный – новый тип композиционного пенопласта [2, 3], плотность материала увеличивается от центра к поверхности. Высокие физико-механические свойства композиционного пенопласта делают возможным применять его в качестве утеплителя в двуслойных кровельных панелях без дополнительного металлического слоя. Возникла необходимость в исследовании теплотехнических характеристик композиционного пенопласта, обусловленных его неоднородной плотностью. Данная статья посвящена технологии использования этого материала и его физико-механическим свойствам.
Материалы и методы исследования
физико-математическая модель образования пенопласта прокладочного изложена в работе [3]. Основываясь на разработанной математической модели, рассчитано, что 82–88 % наполнителя (вермикулита) будет находиться в области корки композита и только остальные 12–18 % – в его средней части.
Композиционный пенопласт обладает высокой стойкостью к воздействию пламени благодаря тому, что его поверхностная корка состоит из слоя вермикулита.
Пенопласт имеет убедительно выраженное распределение плотности по толщине слоя. Так плотность верхней и нижней корки 230–250 
, плотность его в средней части – 80 
.
Пенопласт прокладочный имеет повышенную прочность при продавливании и изгибе, благодаря своей структуре. Предел прочности пенопласта при изгибе 0,35 МРа, модуль упругости при сжатии 22 МРа.
Применение пенопласта в двуслойных конструкциях без одной металлической обшивы должно быть обосновано его прочностными показателями. Твердость материала определялась по методике нахождения прочности неметаллического поверхностного слоя на продавливание с помощью штампа круглого сечения. В зависимости от значения прочности материала на изгиб, выбирался диаметр штампа. Испытания проводились на разрывной машине. Штамп закрепляется в верхнем захвате прибора, приводится в соприкосновение с поверхностью образца размерами 0,1×0,1×0,05 м и вдавливается в образец. Прочность на продавливание пенопласта – 2,5 МРа.
Физико-механические свойства композиционного пенопласта позволили применить его в качестве утеплителя кровельных двуслойных панелей.
Панели кровельные двуслойные с пенопластом прокладочным имеют размеры 9×0,7×0,12 м. Пенопласт прокладочный – материал трудносгораемый, поэтому стало возможным использовать его в качестве утеплителя в двуслойных кровельных панелях без дополнительного металлического слоя, так как панель укладывается профнастилом вверх. Температура наружной поверхности панелей может изменяться от –50 до +70 °С, а внутренней – не выше 60 °С; влажность воздуха в помещении – не выше 60 %.
Это устройство кровли позволяет исключить стадию выполнения гидроизоляционных работ, значительно уменьшает стоимость установки кровли, уменьшает количество используемого металла. Кроме того, композиционный пенопласт может выполнять и функцию декоративного облицовочного материала (рис. 1).
Рис. 1. панель кровельная двуслойная
Влагосодержание пенопласта двуслойной панели определяли в течение 60 суток по слоям. Первый слой (без металлической защиты) – глубина 0,01 м, второй слой – глубина 0,02 м, третий слой – глубина 0,03 м.
Расчет вели по формуле
где u – влагосодержание образца; m1 – масса высушенного образца; m2 – масса увлажненного образца.
Влагосодержание в образцах повышалось в течение 20 суток, после чего процесс стабилизировался, в последующий период наблюдалось небольшое повышение влажности (рис. 2).
Рис. 2. Влагосодержание пенопласта прокладочного: 1 – первый слой; 2 – второй слой; 3 – третий слой
Зависимость влагосодержания от времени и толщины слоя утеплителя можно задать в виде
где τ – время; h – толщина пенопласта; α = 0,14; β = 0,12.
Полевые испытания утеплителя на влагонасыщение проводили зимой на элементе панели кровельной двуслойной размерами 0,35×0,5×0,01 м, который поместили в окне, профнастилом наружу. Температура наружного воздуха tн.в. = –25 °С, температура внутреннего воздуха tв.в. = 20 °С. Эксперимент длился 40 суток. За это время влагосодержание утеплителя изменилось с 3 до 7 %. При этом влагосодержание внутреннего (незащищенного) слоя элемента панели было от 3 до 4 % и от 6 до 7 % – у поверхности защищённой металлом.
Потери тепла через площадь наружной поверхности панели определяются теплопроводностью пенопласта, величина которой существенно меняется при изменении значений влагосодержания материала и от температуры окружающей среды [3, 4].
Для исследования влияния влагосодержания и температуры на значения коэффициента теплопроводности пенопласта была использована установка нахождения теплофизических характеристик плоских образцов. Метод позволяет из одного эксперимента установить зависимости теплопроводности образца от температуры, использовать образцы произвольных размеров. Опыты ставили на образцах размерами 0,25×0,2×0,06 м. Температура поддерживалась в диапазоне –20, +20 °С, плотность теплового потока на наружной поверхности – 20...40 Вт/м2.
Исследования показали, что коэффициент теплопроводности пенопласта увеличивается с увеличением влагосодержания образца и возрастает с увеличением температуры (рис. 3). Повышение коэффициента теплопроводности при отрицательных температурах объясняется высвобождением связанной воды в порах, наличием в порах пенопласта льда – «мостиков холода».
Рис. 3. Коэффициент теплопроводности пенопласта прокладочного: 1 – –15 °С, 2 – 0 °С, 3 – 25 °С, 4 – 45 °С
Исследования показали, что пенопласт прокладочный как утеплитель в двуслойной кровельной панели обладает необходимыми защитными свойствами
Пенопласт прокладочный имеет неравномерно распределенную плотность (рис. 4), что во многом определяет его свойства.
Рис. 4. Плотность пенопласта прокладочного
В теплотехнических расчетах ограждающих конструкций следует модифицировать методику так, чтобы значения теплофизических характеристик отражали их фактическую зависимость от значений влагосодержания и температуры.
Рис. 5. Схема двуслойной панели
Формула расчета сопротивления теплопередаче двуслойной ребристой панели (рис. 5) по СНиП 23-02-2003, [5]:
,
где αв.п. – внутренний коэффициент теплообмена; RK – термическое сопротивление панели; αпр – наружный коэффициент теплообмена; Fв.п., Fн.п. – соответственно площади внутренней и наружной поверхностей панели; ε – коэффициент профиля ребра панели.
Корректировка методики расчета RK состоит в использовании зависимости 
. Эта зависимость для пенопласта прокладочного получена на приборах для нахождения теплофизических характеристик:
Для расчета ограждающая конструкция (рис. 5) представляется состоящей из n элементарных слоев. Сопротивление 
, где Ri – сопротивление теплопередаче элементарного слоя [6]. За толщину Δx элементарного слоя выбирают наименьшее из Δxi, исходя из условия одномерности в нем температурного поля, определяемое неравенствами
Результаты исследования и их обсуждение
Расчет панели кровельной двуслойной с пенопластом прокладочным выполнили по откорректированной методике, учитывающей влияние влагосодержания, пористости материала и температуры на коэффициент теплопроводности. Габаритные размеры панели: h2 = 0,05 м, h1 = 0,08 м, h = 0,08 м, H = 0,08 м, при tв.п. = 20 °C, tн.п. = –25 °C, Δtн = 8K, αв.п. = 8,7 м2К/Вт и αн.п. = 23,2 Вт/(м2К) значение R0 = 2,16 м2К/Вт.
По нормативной методике при tв.п. = 20 °C и tн.п. = –25 °C для условий А сопротивление теплопередаче панели – 1,78 м2К/Вт.
Были проведены фактические испытания сорока восьми утепленных двуслойных кровельных панелей [7], сопротивление теплопередаче панели – 2,18 м2К/Вт.
Наиболее близкими к фактическим оказались расчетные значения сопротивления теплопередаче по скорректированной методике.
С понижением значений минусовых наружных температур данный метод расчета сопротивления теплопередаче двуслойных кровельных панелей еще более эффективен.
Выводы
Методика определения коэффициента теплопроводности в лабораторных условиях, близких к реальным, обуславливает улучшение качества расчета теплозащитных свойств двуслойных кровельных панелей, утепленных пенопластом прокладочным.
Благодаря выполненным исследованиям стало возможным пенопласт прокладочный использовать в нефтегазопромысловом строительстве. Панели применены при обустройстве Ямбургского газоконденсатного месторождения.