Герметик Стиз А используется для создания наружного слоя монтажного шва. Необходимо задать такие технические показатели герметика Стиз А, чтобы наружный слой монтажного шва, изготовленный их этого герметика, удовлетворял требованиям указанного ГОСТ.
Сопротивление паропроницанию – это свойство слоя герметика, то есть изделия, а поэтому не может являться количественной характеристикой герметика Стиз А как материала. В качестве характеристики материала используют коэффициент паропроницаемости, который численно равен отношению толщины слоя к его сопротивлению паропроницанию. В свою очередь, толщина слоя герметика не может быть меньше некоторого значения по описанной ниже причине. Таким образом, задача данного расчета сводится к определению минимального коэффициента паропроницаемости, которым должен обладать герметик Стиз А. Но поскольку данных ГОСТа для прямого расчета этого коэффициента не хватает, необходимо ввести еще значение минимальной толщины наружного слоя шва с технологическим допуском на этот размер. Наибольший предельный размер минимальной толщины (определенный как сумма номинала размера и допуска) и будет исходной величиной для определения коэффициента паропроницаемости.
Подготовка исходных данных
1. Герметик Стиз А наносится на монтажную пену. Известно, что поверхность монтажной пены во время эксплуатации зачастую покрывается трещинами из-за деформаций слоя пены. Эти трещины работают как концентраторы напряжений для поверх уложенного слоя герметика, приводя к его разрыву. Однако при достаточной большой толщине герметика разрывы в нем развиваться не будут. Испытания в нашей лаборатории и в ГУП «НИИМосстрой» показали, что минимальная толщина слоя герметика, при которой не происходит разрушения герметика из-за трещин в пене, составляет 3 мм.
2. Допуск по нанесению герметика. Практика использования герметика в наружном слое монтажного шва показывает, что обычно монтажник с вероятностью, близкой к 100%, наносит слой герметика заданной ему толщины с погрешностью 1,5 мм.
С учетом п. 1,2 можно было бы установить искомый размер толщины слоя как 4,5-1,5 мм. Но требуется учет дополнительного условия, что отражено в п.3.
3. Герметик зачастую наносят на подрезанную монтажную пену, при этом герметик частично заполняет поры пены. Так как парообразной влаге в области поры необходимо пройти большее расстояние для выхода из герметика наружу, чем в области вне поры, то заполнение герметиком пор пены эквивалентно увеличению толщины всего слоя герметика на определенную величину (см. рис.1). Назовем толщину слоя с учетом этого увеличения эквивалентной. Таким образом, эквивалентная толщина слоя герметика hэкв – это толщина плоского слоя, имеющая такое же сопротивление паропроницанию, как и слой на подрезанной пене, имеющий минимальную (измеренную на участках поверхности среза, а не над порами) толщину, равную заданной. Рассчитать hэкв можно, сравнив соответствующие потоки пара.
Рис. 1. Увеличение толщины герметика из-за заполнения герметиком пор пены.
Поток в первом случае складывается из потока над порами и потоком вне пор. Рассчитаем величину потока над одной из пор. Для удобства расчета будем рассматривать поры как идеальные сферы.
Согласно ГОСТ 25898-12, сопротивление паропроницанию изделия обратно пропорционально потоку испаряемой влаги, проходящей сквозь данное изделие. Поток пара N равен отношению изменения массы влаги ко времени, за которое произошло это изменение. Таким образом,
где ΔP– это разность парциального давления пара, являющаяся движущейся силой, S – площадь изделия (образца герметика), b – это толщина образца, μ – паропроницаемость материала, из которого выполнено изделие.
Поток над порой рассчитаем, просуммировав значения потоков сквозь бесконечно малые кольца на поверхности сферической поры, получаемые сечением сферы конусами с углом при вершине, изменяющимся от 0 до Pi/2, где Pi - это число "пи" (≈3,14):
где ho= 3 + 1,5 = 4,5 мм – минимальная толщина герметика с учетом допуска, r – радиус поры. Тогда для потока N получаем:
Согласно (1), поток вне пор через слой герметика, нанесенного на подрезанную пену, равен:
где S – это площадь всего слоя герметика, ∑SØi – это сумма площадей сечения пор, получаемого при подрезе пены.
Чтобы оценить значение ∑SØi, возьмем следующую модель пены: цилиндр из подрезанной пены диаметром 90 мм (о смысле 90 мм будет сказано ниже), поры которого на основании имеют распределение по размерам, как указано в таблице 1.
| ri (радиус) | Ni (количество пор на основании цилиндра) |
| 5 | 5 |
| 4 | 10 |
| 3 | 15 |
| 2 | 50 |
| 1 | 100 |
| 0,5 | 200 |
Табл. 1. Распределение пор в расчетной модели
Тогда, используя вышеуказанные обозначения, можно расписать выражение для ∑SØi как
где ρi=Ni/S – это плотность распределения пор по образцу, введенная для сокращения в выражении для площади образца.
Сравнив поток пара через слой герметика в случае нанесения на подрезанную пену и поток пара через плоский слой герметика, получим выражение для эквивалентной толщины плоского слоя:
При принятом выше распределении пор на используемой модели пены величина hэкв будет равна 5 мм, что на 0,5 мм больше суммы минимальной толщины нанесения и допуска по нанесению.
Обоснование принятых выше геометрических размеров
Обоснуем допустимость принятой выше системы геометрических размеров образца пены и распределения пор в образце. Для этого сравним использованную в расчете модель с реальными монтажными пенами.
Производители монтажных пен разделяют пены на бытовые (имеющие множество пор больших диаметров) и профессиональные (с малыми размерами пор). Для выполнения работ по монтажу окон рекомендуется использовать профессиональные пены, так как вследствие малого размера пор они имеют низкий коэффициент теплопроводности. Мы сравним использованную в расчете модель с образцами бытовых пен, потому что если наша расчетная модель окажется более «жесткой» в этом сравнении, то ее тем более можно использовать для сравнения с профессиональными пенами.
Был изготовлен эскизный макет использованной в расчете модели. Также были изготовлены образцы подрезанных монтажных пен с такими же геометрическими размерами, что и в использованной в расчете модели (диаметром 90 мм, по размеру имеющейся опалубки). Фотографии ниже наглядно показывают, что использованная в расчете модель имеет более высокую плотность распределения и большие диаметры пор, чем реальные бытовые пены (при условии соблюдения указаний производителя по эксплуатации). Таким образом, использование для расчета вышеописанной модели обоснованно.
Рис. 2. Заготовка макета с использованными в расчете геометрическими размерами. Радиус 0,5 мм не использован
Рис. 3. Фотография бумажного макета использованной в расчете модели. «Поры» с радиусом 1, а также часть «пор» с радиусом 2 не размещены на «образце» пены.
Рис.4 Фотография среза образца бытовой пены №1. Диаметр образца 90 мм
Рис.5 Фотография среза образца бытовой пены №2.
Рис.6 Фотография среза образца бытовой пены №3.
Вывод
При проведении испытаний на сопротивление паропроницанию слоя герметика необходимо учесть, что часть герметика затекает в поры подрезанной монтажной пены. Поэтому проводить испытания надо на большей толщине, чем наносится на пену. Расчет показал, что увеличение в толщине слоя герметика, которое обусловлено затеканием герметика в поры подрезанной монтажной пены, не превышает 0,5 мм.
Таким образом, разумно установить, что герметик Стиз А должен обладать такой паропроницаемостью, чтобы слой толщиной 3 + 1,5 + 0,5 = 5 мм удовлетворял требованию ГОСТ 30971-2012 по сопротивлению паропроницанию наружного слоя. Соответственно, коэффициент паропроницанию герметика Стиз А не должен быть меньше 0,005/0,25 = 0,02 мг/Па×м×ч, что и следует ввести как технический показатель в Технические Условия на Стиз А.
