Papy termozgrzewalne – układy wentylowane

Wyrób gruntujący w tym systemie został wyprodukowany z użyciem specjalnego gatunku twardego asfaltu o wysokiej temperaturze mięknienia (ok. 100°C) oraz rozpuszczalnika tego asfaltu o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia (60–140°C) i niskim cieple parowania. Poza dobrą rozpuszczalnością asfaltu (substancja węglowodorowa) rozpuszczalnik ten charakteryzuje się neutralnością ekologiczną. Wysoka prężność jego par zapewnia krótki czas schnięcia. Właściwości fizyczne asfaltu i rozpuszczalnika wpływają korzystnie na napięcie powierzchniowe roztworu asfaltu w rozpuszczalniku, co zapewnia stosunkowo głęboką penetrację tej substancji w podłoże. Roztwór gruntujący wzbogacany jest podczas produkcji w dodatek SBS, który ma zapewnić kompozytowi właściwości plastyczno-elastyczne, a więc nieodłączne cechy substancji klejącej. W spodzie warstwy papy przyklejanej do podłoża (w przypadku systemu dwuwarstwowego – w papie podkładowej) znajduje się system dobrze zaprogramowanej perforacji. Zapewnia on przepływ powietrza, gazów i oparów pod papą przez specjalne kanały.

W spodniej części papy występuje cienka warstwa specjalnego materiału, odpornego (w krótkim czasie) na wysoką temperaturę, dochodzącą nawet do 1000°C. Na nią nanosi się profilowane pasma klejowe, stanowiące kompozycję asfaltu z SBS i żywicami syntetycznymi. Podczas klejenia papy w miejscach występowania czynnika odpornego na wysokie temperatury nie dochodzi do połączenia z podłożem, co ma miejsce tylko w obszarze naniesionych pasm klejowych. Miejsca te aktywowane są termicznie płomieniem z palnika i łączą się z podłożem zagruntowanym primerem, modyfikowanym dodatkiem SBS.

Para wodna, powietrze i inne opary (substancje gazowe jako pozostałość rozpuszczalnika) przepływają w kanałach wentylacyjnych, które nie ulegają sklejeniu z podłożem. Dzięki temu następuje równomierny rozkład ciśnień powietrza i pary wodnej pod całą powierzchnią izolacji. Zasada przepływu powietrza i pary wodnej – wyrównanie ciśnień par i gazów pod papą – gwarantuje poprawną wentylację układu oraz poprawia warunki pracy izolacji. Takich warunków pracy nie zapewniają dotychczas produkowane izolacje papowe.

Sczepność w dotychczas produkowanych papach uzyskiwana jest przez sklejenie papy na całej powierzchni z podłożem, najczęściej betonowym. Częstym efektem braku połączenia są pojawiające się w letnich porach roku (duże nasłonecznienie miejsc) wybrzuszenia, co prowadzi do degradacji papy (w pewnym zakresie i podłoża), aż do powstania nieciągłości w izolacji. Papy stanowiące przykrycia stropodachów nagrzewają się do wysokiej temperatury, a to z kolei inicjuje proces parowania wody z podłoża w obszarach niewłaściwego połączenia obu materiałów, a potem wzrost ciśnienia na ich granicy.

Wpływ promieniowania słonecznego na wzrost temperatury papy asfaltowej

Papa stanowiąca zabezpieczenie powierzchni stropodachu przejmuje energię z promieniowania słonecznego. Część tej energii zostaje ponownie wypromieniowana w przestrzeń, pozostała część w postaci ciepła wywołuje wzrost temperatury papy. W efekcie zmniejsza się kohezja lepiszcza asfaltowego, co może prowadzić do zerwania połączenia z podłożem (zerwanie kohezyjne). W miejscach braku sczepności może dochodzić do zjawiska parowania wody z podłoża i gromadzenia się pary wodnej. Ogólnie ciepło (energia), które podlega wymianie z warstwą papy w wyniku promieniowania, wynosi:

gdzie:

Q_S – ilość ciepła zaabsorbowana z promieniowania słonecznego w czasie 1 s [W],

Q_z – ilość ciepła wypromieniowana przez papę w czasie 1 s [W].

Ciepło promieniowania słonecznego można wyznaczyć w postaci obciążenia cieplnego ze wzoru [2]:

gdzie:

a₁ – zdolność absorpcyjna powierzchni papy asfaltowej,

F₁ – powierzchnia papy, na którą oddziałuje promieniowanie słoneczne [m²],

I_S – gęstość strumienia promieniowania słonecznego [W/m²].

Gęstość strumienia promieniowania słonecznego (IS) jest jedną z możliwych form ilościowego opisu promieniowania słonecznego. Ilość energii promieniowania, jaka dociera do powierzchni kuli ziemskiej, wynosi 1,9·1017 W, co odpowiada średniej gęstości strumienia ciepła (I0) 1353 W/m² na poziomie morza. Rzeczywista ilość energii docierającej do poszczególnych miejsc planety zależy od odległości Ziemi od Słońca (która zmienia się w poszczególnych miesiącach), szerokości geograficznej tych miejsc na kuli ziemskiej (rys. 1) oraz przezroczystości atmosfery.

Promieniowanie słoneczne, przechodząc przez atmosferę ziemską, ulega osłabieniu na skutek pochłaniania lub rozpraszania przez kurz, pył, aerozole, parę wodną, ozon, dwutlenek węgla czy inne gazy o większej liczbie atomów niż 2. W związku z tym do powierzchni Ziemi dociera zarówno promieniowanie bezpośrednie z kierunku Słońca, jak i promieniowanie rozproszone. Osłabienie zależy więc w dużej mierze od jego drogi przez atmosferę (określanej wysokością położenia Słońca), którego miarą jest kąt zawarty między kierunkiem Słońca i płaszczyzną poziomą (sinh), oraz przezroczystości atmosfery.

Ziemia krąży wokół Słońca po torze eliptycznym, przy czym oś obrotu Ziemi (oś ekliptyki) jest pochylona względem płaszczyzny toru pod kątem 23°27’ (23,45°). Zatem punkt na powierzchni Ziemi, nad którym Słońce jest w zenicie, porusza się pomiędzy 23°27’ szerokości geograficznej południowej i północnej.

Przy uwzględnieniu tych zależności można wyznaczyć wielkość gęstości strumienia promieniowania słonecznego ze wzoru:

gdzie:

I_S(t) – gęstość strumienia promieniowania słonecznego [W/m²],

K – współczynnik przezroczystości atmosfery K=0,97,

sinh – wysokość Słońca,

cosθ – kąt padania bezpośredniego promieniowania słonecznego na dowolną płaszczyznę.

Wysokość Słońca (rys. 2) można wyznaczyć, korzystając ze wzorów z trygonometrii sferycznej:

gdzie:

ζ – szerokość geograficzna (dodatnia dla półkuli północnej, ujemna dla półkuli południowej), szerokość geograficzna Szczecina wynosi 53°24’,

δ – deklinacja Słońca, kąt padania promieniowania słonecznego na płaszczyznę równika,

χ – kąt godzinowy.

Deklinację δ można obliczyć z dokładnością do 1° za pomocą wzoru Coopera:

gdzie:

n - kolejny dzień roku

Kąt godzinowy χ oblicza się ze wzoru:

gdzie:

τ_s – czas słoneczny.

Czas słoneczny można obliczyć na podstawie czasu normalnego, wykorzystując wzór:

gdzie:

τ – czas normalny, godzinowy [h],

ψ – parametr wyrażony w minutach (rys. 3), który dla różnych miesięcy przyjmuje wartość od –15 do +15 min, określający różnicę między rektascencją słońca średniego i prawdziwego (rys. 4), tzw. równanie czasu (przy obliczeniach promieniowania słonecznego wartość tę  można pominąć),

λ_N – południk, w odniesieniu do którego określany jest czas normalny (dla czasu środkowoeuropejskiego λ_N = 15°),

λ_L – południk miejsca, w odniesieniu do którego określany jest czas słoneczny (dla Szczecina λ_L = 14°37’).

W Polsce w okresie obowiązywania czasu letniego należy dodatkowo odejmować jedną godzinę. Wynika to z przesunięcia latem czasu w Europie Środkowowschodniej o jedną godzinę do przodu. Kąt padania bezpośredniego promieniowania słonecznego (cosθ) na dowolną płaszczyznę nachyloną do horyzontu pod kątem s można obliczyć, według Benforda i Backa, z zależności:

gdzie:

α - azymut Słońca,

Średnie wartości gęstości strumienia promieniowania słonecznego w poszczególnych miesiącach w określonym czasie godzinowym w odniesieniu do Szczecina (obliczone według powyższych wzorów) przedstawiono na rys. 5.

Do obliczeń przyjęto współczynnik przezroczystości atmosfery K = 0,97. Należy pamiętać, że w przypadku dużego zawilgocenia powietrza bądź występowania opadów atmosferycznych (deszczu, mgły, szadzi itp.) lub znacznego zanieczyszczenia atmosfery dwutlenkiem węgla współczynnik przezroczystości ulegnie zmianie na skutek wzrostu absorpcyjności promieniowania słonecznego przez gazy o niesymetrycznej budowie.

Oprócz ciepła pochłanianego na skutek działania promieniowania słonecznego z powierzchni papy asfaltowej pewna jego ilość (Qz) jest wypromieniowana w przestrzeń. W odniesieniu do omawianego przypadku można zastosować równanie opisujące promieniowanie ciała w przestrzeni zamkniętej o bardzo dużej powierzchni w porównaniu z powierzchnią ciała.

gdzie:

ε_z – zastępcza zdolność emisji,

T₁, T₂ – temperatura ciała 1 i 2 (w tym wypadku odpowiednio powierzchni papy i otwartej przestrzeni) [K],

ε₁, ε₂ – zdolność emisji ciała 1 i 2 (odpowiednio j.w.),

F₁, F₂ – powierzchnia ciała 1 i 2 (odpowiednio j.w.) [m²].

Przy założeniu, że papa asfaltowa wypromieniowuje ciepło w przestrzeń o nieograniczonej powierzchni, równanie (11) przyjmie postać ε_z = ε₁. Jako efektywną temperaturę przestrzeni otwartej przyjmuje się T2 = 230 K. Ilość ciepła, która ulega wypromieniowaniu, wyniesie zatem:

Na podstawie przedstawionych zależności można obliczyć temperaturę wierzchniej warstwy izolacji z papy asfaltowej. Przy dużym nasłonecznieniu, bezchmurnej pogodzie oraz przy braku wiatru temperatura papy może osiągnąć wartości 60–70°C, a nawet je przekraczać. Znaczący wpływ na wartość temperatury będzie miała zastosowana posypka mineralna. Jej zdolność do odbijania promieniowania słonecznego, wyrażona współczynnikiem ε1, w znaczący sposób może przyczynić się do obniżenia temperatury w warstwie izolacji, a tym samym ograniczyć spadek kohezji lepiszcza asfaltowego papy . W konsekwencji może to prowadzić do zahamowania procesu gromadzenia się pary wodnej i wody pod warstwą papy (w miejscu braku jej połączenia z podłożem).

Wybrzuszenia warstw papy – warunki zaistnienia zjawiska

Jedną z częstszych form zabezpieczenia powierzchni stropodachów przed negatywnymi oddziaływaniami warunków atmosferycznych jest ułożenie warstw hydroizolacyjnych z pap w systemie jedno- lub dwuwarstwowym. Tę technologię stosuje się przede wszystkim przy podłożach betonowych (żelbetonowych). Długi (gwarantowany) okres użytkowania izolacji (przy jej pełnej szczelności) zapewnia nie tylko odpowiednio wysoka jakość materiałów zabezpieczających, lecz także prawidłowo przeprowadzony proces połączenia papy z podłożem. Pomocny w takim wypadku jest primer – preparat gruntujący wykorzystywany dodatkowo w większości dostępnych na rynku technologiach. Penetruje on wierzchnią warstwę podłoża, dzięki czemu zapewnia jego lepsze połączenie z papą. Mimo bardzo dobrych materiałów hydroizolacyjnych częstym zjawiskiem, obserwowanym w okresach dużego nasłonecznienia, są pojawiające się wybrzuszenia (bąble). Do bezpośrednich przyczyn ich powstawania pod warstwą papy izolacyjnej należy zaliczyć:

• występowanie nieciągłości pomiędzy warstwą papy i podłoża betonowego,
• wzrost ciśnienia parcjalnego powietrza w pustkach, warunkowany zachowaniem stanu równowagi termodynamicznej jak dla gazu doskonałego (przy stałej objętości),
• przemiany fizyczne towarzyszące zamianie wody w parę wodną, powodujące zwiększenie się objętości drugiego z czynników przy stałej masie obu substancji (w zakresach użytkowych 60–70°C obserwuje się największe zmiany, dochodzące do ponad 7000 razy), skutkujące wzrostem ciśnienia całkowitego mieszaniny gazów.

Czynnikiem koniecznym do zaistnienia tych zjawisk jest wzrost temperatury, powodujący wzrost ciśnienia w porach na granicy materiałów oraz uplastycznienie lepiszcza asfaltowego w tym obszarze. W wyniku wzrostu ciśnienia powstającego na granicy papa – płyta stropodachu pokonywane są siły związane z adhezją lepiszcza do podłoża (lub jego kohezją) oraz naprężenia wywołane ciężarem papy (dodatkowych warstw) i jej oporem, determinowanym lepkością lepiszcza (w warstwie wierzchniej) oraz wytrzymałością na rozciąganie.

W zależności od temperatury lepiszcza (składnika papy) w spodzie warstwy dochodzi do zerwania wiązań na granicy papa – płyta stropodachu lub w masie samego lepiszcza. Przy braku uzyskania połączenia papy z podłożem (na pewnym fragmencie) na etapie klejenia wybrzuszenie nastąpi już przy niewielkim wzroście ciśnienia. To, że nie nastąpi sczepność, może być wynikiem braku bezpośredniego kontaktu rozgrzanego lepiszcza z podłożem betonowym (cienka błonka wody na powierzchni warstwy) lub parowaniem wody (ewentualnie innych gazów, np. rozpuszczalnika z primera), w wyniku podgrzania podłoża w momencie klejenia papy. W obu wypadkach na granicy materiałów może dojść do wychłodzenia, skutkującego znacznym ograniczeniem zdolności klejących lepiszcza asfaltowego. W drugim przypadku nie można mówić o czystym zerwaniu kohezyjnym – jest to raczej połączenie obu zjawisk: kohezji i adhezji. W wyniku częściowego tylko połączenia lepiszcza asfaltowego (najczęściej mieszaniny asfaltu modyfikowanego i wypełniacza) z podłożem (rys. 6), w wolnych przestrzeniach pomiędzy papą a warstwą betonu dochodzi do wzrostu ciśnienia mieszaniny gazów: powietrza – pary wodnej. Jest to spowodowane zarówno wzrostem objętości pary wodnej (powstałej w wyniku przemiany fazowej z wody), jak i przyrostem temperatury mieszaniny gazów. W konsekwencji na obszarach wokół tych powierzchni dochodzi do zerwania połączenia (adhezyjnego lub kohezyjnego w objętości asfaltu). Jest to, oczywiście, ściśle powiązane z temperaturą, wraz ze wzrostem której maleje lepkość lepiszcza (będąca miarą jego kohezji) oraz zdolności klejące.

Zgromadzona w podłożu betonowym woda w wyniku wzrostu temperatury zaczyna parować i wypełniać wolną przestrzeń pomiędzy płytą a papą. Zjawisko to zachodzi do momentu uzyskania przez parę wodną ciśnienia nasycenia, którego wartość zależy od temperatury (wyższa temperatura powoduje wzrost ciśnienia nasycenia). Intensywny przebieg procesu parowania może na pewien moment zahamować przyrost temperatury w podłożu, gdyż ciepło dostarczane z promieniowania słonecznego będzie zużywane na przemianę fazową. Ewentualne przekroczenie ciśnienia nasycenia powoduje natychmiastowe wykroplenie pary i automatyczny przyrost temperatury. Wraz z jej wzrostem zwiększa się zapotrzebowanie na parę wodną i ciepło potrzebne do dalszego przebiegu procesu.

Woda znajdująca się w porach płyty betonowej (blisko pustek powietrznych na granicy materiałów), nawet w niewielkich ilościach przyczynia się do bardzo negatywnych zachowań w trakcie wielogodzinnego procesu nasłoneczniania powierzchni papy (wzrostu jej temperatury). Wykorzystując równanie stanu gazu rzeczywistego (13) (równanie van der Waalsa), można określić dokładnie objętość pary wodnej (po zmianie stanu skupienia) w określonej temperaturze na podstawie jej masy molowej i parametrów krytycznych (ciśnienia i temperatury):

gdzie:

p – ciśnienie gazu [Pa],

n – liczba moli gazu [mol],

V – objętość gazu [m³],

R – stała gazowa, równa 8,314472 J/ /(mol·K),

T – temperatura gazu [K], m – masa gazu [kg],

μ – masa molowa gazu (μ_H2O = 18,02·10^–3) [kg/mol],

a – stała charakterystyczna dla danego gazu, uwzględniająca oddziaływania pomiędzy cząsteczkami (cząsteczki gazu przyciągają się, ich energia potencjalna, stanowiąca małą część energii całkowitej, nie jest pomijalna w stosunku do energii kinetycznej, co skutkuje mniejszym ciśnieniem rzeczywistym na ścianki naczynia) [J·m³/mol²],

b – stała charakterystyczna, uwzględniająca skończone wymiary cząsteczek (atomy i cząsteczki gazu nie są już traktowane jako punkty materialne, ale zajmują określoną objętość) [m³/mol].

Parametry charakterystyczne a i b zgodnie z teorią są związane z punktami krytycznymi gazu: temperaturą i ciśnieniem. Wyznacza się je odpowiednio ze wzorów :

gdzie:

p_kr – ciśnienie krytyczne (dla pary wodnej p_kr = 22,13·106 Pa) [Pa],

T_kr – temperatura krytyczna (dla pary wodnej T_kr = 647,31 K) [K].

Punkt określający stan krytyczny opisuje parametry stanu (ciśnienia i temperatury), w którym nie trzeba dostarczać energii, by przeprowadzić ciecz w parę. W warunkach krytycznych faza ciekła i gazowa mają takie same gęstości, napięcie powierzchniowe wody spada do zera, jej swobodna powierzchnia zanika. Powyżej temperatury krytycznej nie można już skroplić gazu.

Obliczenie objętości gazu V wymaga przekształcenia równania (13) do postaci (17). Otrzymuje się równanie trzeciego stopnia, którego jawną postać rozwiązania wyznacza się z wzorów Vieta. Są one, niestety, skomplikowane i częściej wykorzystuje się metody iteracyjne dla dowolnych wartości zmiennych niezależnych oraz stałych:

gdzie: oznaczenia j.w.

Do obliczeń inżynierskich wystarczającą dokładność dla przypadku pary wodnej (w zakresie parametrów znacznie niższych od krytycznych) zapewnia korzystanie z równania stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona), opisanego równaniem:

gdzie: oznaczenia j.w.

Wartość V określa objętość, jaką zajmie para wodna w wyniku przemiany w określonej temperaturze przy stałym ciśnieniu (atmosferycznym). Proces inicjacji tego zjawiska wymaga dostarczenia ciepła, które decyduje o stopniu nasycenia powietrza parą wodną (stopień suchości), dążącym do ciśnienia nasycenia w danej temperaturze, tym samym jej maksymalnego stężenia w jednostce objętości.

Przykład zmiany objętości czynników woda – para wodna przy ciśnieniu atmosferycznym w wyniku przemiany fizycznej dla zróżnicowanych przyrostów temperatury (wody i pary wodnej) przedstawiono w tabeli.

Obliczenia przedstawione w tabeli określają przyrost objętości pary wodnej (w wyniku przemiany fazowej wody) na podstawie jej ciśnienia nasycenia w danej temperaturze. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejszają się różnice w objętości wody i pary wodnej – wzrasta gęstość pary wodnej i maleje ciężar wody.

Jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury wyraźnie zwiększa się graniczne ciśnienie pary wodnej, pozwalające na jej utrzymanie się w stanie gazowym. Przekłada się to na zwiększony udział ciśnienia pary w całkowitym ciśnieniu mieszaniny gazów. Wzrost ciśnień cząstkowych powietrza suchego i nowego składnika – pary wywołuje wzrost ciśnienia mieszaniny gazów, zgodnie z równaniem Daltona:

gdzie:

p_m – ciśnienie mieszaniny gazów [Pa],

p_g – ciśnienie cząstkowe powietrza suchego [Pa],

p_p – ciśnienie cząstkowe pary wodnej [Pa].

Ciśnienia cząstkowe zależą od zawartości molowych substancji, zawartych w jednostce objętości. W zagadnieniu przyjęto stałą masę powietrza suchego i zmienną, zależną od temperatury i ciśnienia nasycenia, masę pary wodnej. Temperatura początkowa układu (dla przypadku na rys. 7) wynosiła 10°C.

Proces przemiany fazowej ciecz – gaz wymaga dostarczenia energii w postaci ciepła. Warstwa zabezpieczająca z papy (w systemie jedno- i dwuwarstwowym) pozyskuje tę energię z promieniowania słonecznego. Jej wielkość jest zależna m.in. od przezroczystości powietrza i zdolności papy do przejmowania energii promieniowania słonecznego, która jest wprost zależna od stopnia czarności ε (stopnia emisyjności) powierzchni. W przypadku jasnych, refleksyjnych posypek wartość tego parametru można obniżyć nawet do wartości ok. 0,5 .

Zastosowanie rozwiązań systemowych, wykorzystujących układy wentylowane, praktycznie eliminuje problem wybrzuszeń. Kanały wentylacyjne, programowo rozmieszczone w spodniej części izolacji, służą rozprowadzeniu wszelkiego rodzaju gazów (pary wodnej, oparów rozpuszczalnika itp.) kumulujących się na granicy materiałów i ich odprowadzeniu poza izolację. Proponowany system zakłada pojawienie się tego typu niedogodności, a przedstawione rozwiązania zabezpieczają izolację przed ich skutkami (wybrzuszeniami). Mają one jeszcze dodatkowo zaletę. Powietrze i gazy w kanałach wentylacyjnych będą stanowić pewnego rodzaju dodatkową barierę ograniczającą przepływ ciepła do powierzchni stropodachu. Można założyć, że w kanałach wentylacyjnych gazy będą w stanie spoczynku, a zatem przepływ ciepła będzie odbywał się w wyniku przewodzenia. Ogranicza się w ten sposób nagrzewanie się płyty stropodachu, a tym samym wzrost jej temperatury, będący inicjatorem procesu parowania.

Proponowane metody ogrzewania papy

Temperatura otwartego płomienia palnika gazowego wykorzystywanego przy aplikacji papy do podłoża osiąga wartość do 750°C lub nawet powyżej 1000°C przy dodatkowym zasilaniu sprężonym powietrzem. Oddziaływanie takiego płomienia bezpośrednio na warstwę lepiszcza asfaltowego (lub polimeroasfaltowego) w bardzo krótkim czasie wywołuje jego uplastycznienie i podatność na klejenie. Jest to wynikiem nagrzewania się asfaltu. Należy jednak pamiętać, że wzrost temperatury w przekroju warstwy odbywa się w wyniku przepływu ciepła poprzez przewodzenie. By zatem uplastycznić lepiszcze na pewną (założoną) grubość, jego wierzchnią warstwę należy poddać przez kilka sekund oddziaływaniu bardzo wysokich temperatur. Może to prowadzić do znacznego utwardzenia wierzchniej warstewki, co jest szczególnie niebezpieczne przy pracy izolacji w niskich temperaturach. Wszelkiego rodzaju błędy wynikającego ze zbyt długiego nagrzewania płomieniem potęgują ten proces.

Do zalet papy z układem kanałów wentylacyjnych i pasm klejowych, w których lepiszcze jest modyfikowane elastomerem SBS, można zaliczyć następujące cechy:

• powierzchnia klejąca jest zdecydowanie mniejsza niż przy standardowych systemach,
• oddziaływanie płomienia odbywa się nie tylko przez powierzchnię czołową, lecz także boczne, co przyspiesza proces nagrzewania się,
• ogranicza się w ten sposób czas działania płomienia palnika gazowego, co z kolei wpływa mniej destrukcyjnie na właściwości lepiszcza,
• ewentualne niedociągnięcia w połączeniu papy z podłożem nie muszą dyskwalifikować warstwy izolacyjnej.

Przy standardowych izolacjach termozgrzewalnych, przy których konieczne jest zapewnienie połączenia warstwy papy z podłożem na całej powierzchni, płomień palnika musi oddziaływać w dłuższym czasie. Wynika to zarówno z wielkości ogrzewanej powierzchni, jak i bezwzględnej konieczności uplastycznienia całej powierzchni papy. Brak tego spowoduje nieciągłości w połączeniu z podłożem, czego konsekwencją będą wybrzuszenia w letnich porach roku, prowadzące w dłuższym czasie do zniszczenia izolacji. Z kolei zbyt długie ogrzewanie może doprowadzić do nadmiernego przegrzania warstewki asfaltu i zbytniego utwardzenia jej części wierzchniej.

W celu wyeliminowania niekorzystnego działania otwartego ognia z palników gazowych w technologii pap termozgrzewalnych (powodującego pożary, zanieczyszczenia środowiska naturalnego, zapoczątkowującego procesy starzeniowe itp.) autor proponuje metodę ogrzewania gorącym powietrzem pod określonym ciśnieniem. Wstępnie powietrze byłoby ogrzewane przez odpowiednie medium grzejne do temperatury 150–200°C. Można wykorzystać do tego celu wysokie ciepło kondensacji pary wodnej, a dzięki temu możliwość stosowania niewielkiej powierzchni wymiany ciepła . Niedostatkiem tej metody jest konieczność stosowania wysokich ciśnień. I tak temperatura pary nasyconej w 200°C to 1,6 MPa (16 atm.), a przy 300°C – już 9,8 MPa (100 atm.), co może komplikować wykonawstwo tego typu urządzeń i podwyższać koszty całej technologii. W dalszym etapie wstępnie podgrzane powietrze i sprężone do określonego ciśnienia kierowane jest na papę, przy czym przepływa przez kolejne elementy grzejne. Pozwoli to na dogrzanie powietrza do końcowej temperatury i jej utrzymanie na stałym poziomie. Duża prędkość przepływu powietrza może pozwolić na stosunkowo szybkie podgrzanie warstewki lepiszcza asfaltowego w czasie zbliżonym do tego, który wymagany jest przy palnikach gazowych, ale przy niższej temperaturze. Czas ten można określić na podstawie równania różniczkowego Fouriera i metody rozdzielenia zmiennych:

gdzie:

T – temperatura w warstwie lepiszcza w chwili τ i w odległości x od płaszczyzny leżącej w osi warstwy [K],

T_p – temperatura początkowa warstwy lepiszcza w czasie τ = 0 [K],

T_oś – temperatura ośrodka, w którym znajduje się papa [K],

α – współczynnik wnikania ciepła do środowiska [W/(m²·K)],

s_m – odległość prostopadła powierzchni papy od płaszczyzny leżącej w jej osi [m],

x – odległość rozpatrywanego punktu od płaszczyzny leżącej w osi papy [m],

λ – współczynnik przewodzenia ciepła papy asfaltowej [W/(m·K)],

τ – czas od chwili rozpoczęcia ruchu ciepła [s],

ρ_p – gęstość objętościowa lepiszcza asfaltowego [kg/m³],

c – ciepło właściwe lepiszcza asfaltowego [J/(kg·K)],

δ_n – punkty przecięcia funkcji y1 = ctg δ i funkcji y2 = δ/Bi.

Przeprowadzone obliczenia pozwalają określić zmiany temperatury w czasie ogrzewania lepiszcza asfaltowego (w przekroju warstewki). Proces ten musi zachodzić do momentu uplastycznienia asfaltu do poziomu zapewniającego odpowiednie połączenie papy z podłożem. Prędkość przepływu gorącego powietrza oraz jego temperatura są w tym wypadku regulatorem czasu ogrzewania warstewki lepiszcza.

Przykładowe rozkłady temperatur w przekroju warstewki ogrzewanego lepiszcza asfaltowego przedstawiono na rys. 8–14. Obliczenia przeprowadzono dla standardowych warunków ogrzewania, tj. temperatury płomienia palnika 700°C i prędkości przepływu gorącego powietrza 7, 14 i 20 m/s oraz dla gorącego powietrza o temperaturze 300 i 400°C przy prędkości przepływu 30 i 40 m/s.

Do obliczeń przyjęto następujące parametry opisujące warstewkę lepiszcza asfaltowego (najczęściej mieszanki asfaltu lub polimeroasfaltu z wypełniaczem):

• wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,174 W/(m·K),
• grubość powłoki 3,0 mm (z wewnętrznej, ogrzewanej strony),
• gęstość 1,03 g/cm³,
• ciepło właściwe c = 0,921 kJ/(kg·K)

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że wzrost temperatury, a tym samym i uplastycznienie lepiszcza, dotyczy przede wszystkim wierzchniej warstewki, bezpośrednio narażonej na oddziaływanie czynnika grzewczego. We wszystkich przypadkach krótki czas aplikacji wywołuje wzrost temperatury na grubość do ok. 1 mm.

W przypadku płomienia palnika gazowego nawet krótki czas ogrzewania (przy większej prędkości przepływu gorących gazów) może negatywnie wpływać na właściwości lepiszcza. Temperatury powyżej 200°C prowadzą do znaczących zmian starzeniowych lepiszcza, a tym samym spadku jego odporności na zmienne oddziaływania warunków atmosferycznych. Wydłużenie czasu w tych warunków może doprowadzić w skrajnej sytuacji do zapłonu, a w konsekwencji pogłębić proces utwardzenia wierzchniej warstewki powłoki. Doprowadzane do palnika gazowego sprężone powietrze może podnieść temperaturę jego płomienia do ponad 1000°C. Ponadto szybszy przepływ strumienia gorących gazów dodatkowo zintensyfikuje proces nagrzewania lepiszcza, a wzrost temperatury na jego powierzchni może przekroczyć nawet 300°C, nawet przy krótkim czasie oddziaływania (2–3 s).

Stosowanie zamiennej formy ogrzewania gorącym powietrzem może w znaczący sposób ograniczyć procesy starzeniowe na powierzchni warstewki lepiszcza. Nawet przy dłuższym czasie ogrzewania nie dochodzi do tzw. przepalania lepiszcza, co może skutkować większą trwałością powłoki izolacyjnej, a przede wszystkim jej odpornością na niskie temperatury oraz skurcze podłoża betonowego wywołane wahaniami temperatur (przede wszystkim tych krótkoterminowych). Przy niższych temperaturach (300–400°C) wymagana jest zdecydowanie większa prędkość przepływu gorącego powietrza, jak przy palnikach gazowych.

Wnioski

Warstewka asfaltu (polimeroasfaltu) czy jego mieszanka z wypełniaczem stanowi powłokę hydroizolacyjną papy. Jej grubość waha się od 2 do 4 mm z każdej ze stron wkładki powłokowej (włókniny szklanej, poliestrowej itp.). Ze względu na małą wartość współczynnika przewodzenia stanowi również swego rodzaju warstwę izolacyjną dla przepływu ciepła. Zdolność do przejmowania ciepła i jego przepływu w warstwie jest zdecydowanie mniejsza od możliwości jego poboru z otoczenia. Konsekwencją tego jest stosunkowo powolny przepływ ciepła w głąb warstwy i jej znaczne nagrzewanie się na powierzchni.

Ta właściwość warstewki lepiszcza asfaltowego powinna wymuszać pewien sposób postępowania podczas aplikacji papy do podłoża:

• w przypadku palnika gazowego wymaga zredukowania prędkość przepływu gazów do 10–12 m/s, co ograniczy przegrzewanie wierzchniej warstewki lepiszcza,
• nie powinno się stosować dodatkowo sprężonego powietrza przy ogrzewaniu palnikiem gazowym, przede wszystkim ze względu na wzrost temperatury płomienia do 1000°C i zwiększenia efektywności oddziaływania konwekcyjnego w przenoszeniu ciepła,
• przy ogrzewaniu gorącym powietrzem lepsze efekty (postęp robót) można osiągnąć przy wyższej temperaturze, rzędu 400°C,
• proponowana metoda ogrzewania gorącym powietrzem wykorzystuje proces wymiany ciepła, bazujący na konwekcji wymuszonej, co pozwala obniżyć temperaturę czynnika,
• system izolacyjny (łączący miejscowo papę podłożem) z układem kanałów wentylacyjnych (obok wcześniej wymienionych zalet) pozwala na szybsze ogrzanie pasm klejowych w wyniku oddziaływania gorących gazów nie tylko przez powierzchnię czołową, lecz także boczne,
• rozmieszczenie pasm klejowych wprowadza dodatkowe turbulencje i zaburza przepływ gorących gazów, co jest kolejnym czynnikiem przyspieszającym nagrzewanie się lepiszcza do odpowiedniej temperatury,
• warstwa nietopliwa systemu zapobiega uplastycznieniu i sklejeniu papy na całej powierzchni z podłożem, nawet w temperaturze 1000°C.

Obok aspektów dotyczących warunków ogrzewania papy przy jej łączeniu z podłożem należy wspomnieć o cechach użytkowych nowych pap. Podstawową i niepodważalną zaletą jest system wentylacji tego typu rozwiązań. Wyeliminowany praktycznie zostaje problem wybrzuszeń, które w dłuższym czasie mogą prowadzić do rozszczelnień izolacji. Bezwzględna konieczność połączenia z podłożem na całej powierzchni w innych systemach zastąpiona została miejscowym sklejeniem, które nawet przy pewnych nieprawidłowościach nie ograniczy funkcjonalności papy. System kanałów w przedstawianym systemie został tak zaprojektowany, że pozwala jedynie na wyprowadzenie nadmiaru gazów spod papy. Ich przepływ (para wodna) w drugą stronę (pod papę) został zminimalizowany, a wręcz uniemożliwiony.

Rozwój technologii papowych w kraju i za granicą ciągle postępuje. Stwarza to szansę eliminacji pewnych niedociągnięć w tego typu izolacjach i poprawy ich właściwości. Może to pociągnąć za sobą większą przychylność użytkowników tego typu wyrobów, poprawić ich zadowolenie z zastosowania proponowanych rozwiązań, co przełoży się bezpośrednio na zwiększenie zapotrzebowania oraz udział w rynku lepszych technicznie rozwiązań.

Literatura

1. B. Stefańczyk, P. Mieczkowski, „Wpływ czynników fizyczno-chemicznych na kształtowanie trwałych i skutecznych hydroizolacji papowych”, „Materiały Budowlane”, nr 6/2008.
2. T. Hobler, „Inżynieria chemiczna. Ruch ciepła i wymienniki”, WNT, Warszawa 1971.
3. E. Kostkowski, „Promieniowanie cieplne”, PWN, Warszawa 1993.
4. J. Nowicki, „Promieniowanie słoneczne jako źródło energii”, Arkady, Warszawa 1980.
5. K. Daniels, „Sonnenenergie in Theorie und Praxis”, VDI Verlag, Düsseldorf 1976.
6. J. Cieśliński, J. Miklewicz, „Niekonwencjonalne źródła energii”, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996.
7. Strony internetowe: http://nova.ia.agh.edu.pl.
8. Strony internetowe: www.wiw.pl/astronomia.
9. P. Mieczkowski, „Model fizyczny obliczania temperatury górnej warstwy nawierzchni asfaltowej”, „Drogownictwo”, nr 8/2001.
10. P. Mieczkowski, „Physical Model for Computation the Equivalent Temperature of Asphalt Pavement Wearing Layer”, „Bitumen”, nr 3/2001.
11. P. Mieczkowski, „Wbudowywanie gorących mieszanek mineralno-asfaltowych na obiektach mostowych z izolacją z pap termozgrzewalnych z uwzględnieniem procesu przepływu ciepła”, „Drogownictwo”, nr 10/2008.
12. R. Respondowski, „Zadania z fizyki”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999.
13. H. Buchowski, W. Ufnalski, „Fizykochemia gazów i cieczy. Wykłady z chemii fizycznej”, WNT, Warszawa 1998.
14. W.W. Peregudow, „Teplowyje prociessy i ustanowki technologii polimiernych stroitelnych materiałow i izdatelii”, Izdatielstwo „Wyższaja Szkoła”, Moskwa 1973.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!