Резина или пенополиуретан - кто виброизоляции более ценен?
Проблема шума достигла критического состояния и обратила на себя внимание местных властей ряда регионов. Москва приняла Региональный закон о соблюдении покоя граждан и тишины, в Подмосковье — Закон об обеспечении тишины и покоя граждан. Даже Государственная дума стала обсуждать проект федерального закона о тишине в жилых помещениях.
В законах указываются не только часы, когда можно проводить ремонтные работы, но и другие шумные мероприятия, которые могут побеспокоить жителей, и ограничения работы организаций, расположенных во встроенных в здания помещениях, а также допустимые уровни шума на улице и во дворе жилого дома. Жильцы не должны слышать в квартире звуки выше 55 дБ днем и 45 дБ ночью.
Эти показатели относятся также и к работе инженерного оборудования здания. Кстати, безвредные для человека уровни шума можно найти в таблице 5.35 СанПиН 1.2.3685-21, а предельное отклонение от нормы в течение дня — в пункте 130 СанПиН 2.1.3684-21.
Указанные требования касаются напрямую и эксплуатирующих здания компаний, в т.ч. управляющих, а также строительных компаний, которые должны еще при проектировании запроектировать как общую вибро- и шумоизоляцию жилых помещений, так и локальную шумо- и виброзащиту технических помещений с расположенным там инженерным оборудованием, например вентиляционные системы, лифтовое хозяйство, индивидуальные тепловые пункты и других.
С это целью проектировщики и строители разрабатывают комплекс систем шумо- и виброизоляции, в которых применяют специализированные антивибрационные материалы.
На российском рынке антивибрационных строительных материалов превалирует тройка самых популярных: пенополиуретаны, вибродемпфирующие эластомеры и бюджетные маты из резиновой крошки. На последних останавливаться не станем, поскольку их эксплуатационные характеристики малоудовлетворительны. Рассмотрим материалы — лидеры рынка.
Начнем с пенополиуретановых. Четверть века назад на лидирующей позиции находились антивибрационные изделия австрийской фирмы Getzner — Sylomer и Sylodyn. Используя свое практически монопольное рыночное положение их представители держали высокие цены, обеспечивая при этом клиентов качественным сервисом, в т.ч. инжиниринговым.
Оценив перспективность отечественного рынка антивибрационных материалов на него стали выходить конкуренты австрийцев, аналогичными продуктами из вспененного полиуретана — сначала Kraiburg из Германии с Vibrafoam, а затем и российские компании с Gener и Vibrorez Pro. Это были полиуретаны со смешанной структурой пор, преимущественно открытых. Более совершенные продукты, такие как Sylodyn, Vibradyn и Gener получили закрытые поры, что повышало эффективность виброизоляции.
Пористая структура антивибрационных пенополиуретанов обеспечивает достойный внимание комплекс характеристик, сочетающий упругие и вибропоглощающие свойства изделий. Рабочий диапазон, в частности Sylomer, начинается от 100 Гц. Температурный диапазон применения — от -30℃ до +70℃ у Sylomer и Vibrafoam и от -50℃ до +50℃ у Gener.
Отметим высокую несущую способность вспененных полиуретановых материалов с высокой плотностью, т.е. с пониженным числом пор. Однако снижение удельного количества пор ухудшает способность материала к вибропоглощению. Так для Sylomer SR11 статическая нагрузка — 0,011Н/кв.мм, коэффициент механических потерь, который отражает количество поглощенной энергии вибрации — 0,25, у Sylomer SR450 статическая нагрузка — 0,450 Н/кв.мм, коэффициент механических потерь 0,11, у Sylomer SR1200 статическая нагрузка 1,2 Н/кв.мм, коэффициент механических потерь всего 0,09. При этом цена полиуретанов тем выше, чем меньше пористость.
Антивибрационные материалы Sylomer, Vibrafoam и Vibrorez Pro обладают большим числом открытых пор, т.е. можно говорить о них, как об усовершенствованном и химически модифицированном поролон, который был создан в Германии в начале 40-х годов прошлого века. Способность пенополиуретана к поглощению воды известна, каждому, кто хотя бы раз пользовался поролоновой губкой. Поэтому мало кого удивляет то количество впитываемой материалом воды, к примеру, для Sylomer SR55 составляет порядка 300% за 3 часа. А поскольку пенополиуретаны размещают под фундаментами, то неизбежно разрушительное воздействие воды на материал связанное с миграцией воды в его открытые поры.
В зависимости от числа и размера пор в массиве полиуретанового антивибрационного материала и, соответственно, количества воды внутри него, эксплуатационные характеристики будут различными. При этом вода — практически несжимаемый материал, и ее присутствие внутри массива значительно изменяет динамические характеристики изделия. При температурах ниже 0℃ вода, находящаяся в внутри пор, за счет увеличения своего объема, может привести к локальным разрушениям структуры материала. Важно помнить также о невысокой устойчивости полиуретанов к гидролизу, влияние которого усиливает присутствие растворенных в воде солей. А так как гидролитического действия воды и растворов солей на полимер в условиях реальной эксплуатации не избежать, то такой набор негативных факторов неизбежно ведет к ухудшению эффективности системы виброзащиты.
В отличии от антивибрационных пенополиуретанов, вибродемпфирующие материалы на базе синтетического бутадиен-нитрильного каучука, такие как пластины ВЭП ТУ 2534-001-32461352-2002, виброгасящие пластины ТУ 2534-002-61734928-2013 и демпфирующие эластомерные пластины ПД-С-Ф ТУ 22.19.20-133-75233153-2022 — монолитные изделия с минимумом упругих свойств и максимумом демпфирующих, т.е. направленных на поглощение энергии колебаний. Такие нитрильные эластомерные материалы практически несжимаемы, что делает хорошо прогнозируемым поведение конструкций в эксплуатации, особенно в сравнении с пенополиуретановым Sylomer и аналогами, которые имеют тенденцию к сжатию на период десятка лет.
Рабочий диапазон вибродемпфирующих эластомерных пластин начинается от 32 Гц, в отличии от вспененных полиуретанов – выше 100 Гц, из чего следует, что в диапазонах низких и сверхнизких частот использование непористых эластомеров на основе бутадиен-нитрильных каучуков выглядит более разумным.
Поскольку монолитная резина на основе синтетических каучуков гидрофобная и неподвержена гидролизу, пластины ПД-С-Ф и аналоги, предпочтительнее для использования в фундаментах зданий и сооружений в качестве антивибрационных материалов систем виброзащиты.
Обратимся к сравнению прочностных характеристик. Рабочая статическая осевая нагрузка для вибродемпфирующих эластомерных пластин – 6,5 Н/кв.мм, а пиковая 19,5. Тогда как для лучшей модели того же Vibrafoam SD1900 – 1,9 и 7,0 соответственно. Прочностные характеристики каучуковых эластомеров превосходят средние показатели для пористых полиуретановых изделий почти на порядок, а коэффициент механических потерь материалов из бутадиен-нитрильного каучука — на уровне бюджетного варианта Gener VX11 и значительно превосходит остальные изделия данной продуктовой линейки. Исходя из этих показателей, целесообразность использования пенополиуретанов в фундаментах зданий часто вызывает вопросы.
Температуры эксплуатации вибродемпфирующих эластомеров от -40℃ до +100℃, а у ПД-С-Ф — до +120℃ и в сравнении с уже упоминавшимся выше аналогичным диапазоном пенополиуретановых антивибрационных материалов тоже выглядит убедительнее.
С чем связаны такие различия рассматриваемых типов антивибрационных полимерных материалов? Наиболее распространенным механизмом поглощения вибрационных колебаний является вязкоупругое демпфирование с использованием в системе виброизоляции материалов, которые обладают как эластической, так и пластической составляющими поведения. Эластическая — это упругость, которая накапливает энергию в процессе нагружения и целиком возвращает её после того, как нагрузка снята. Пластическая же составляющая не возвращает энергию, поскольку энергия теряется в виде «чистого затухания» как только снимается нагрузка. В вязкоупругом материале сохраняется часть энергии колебаний в процессе действия нагрузки, а затем большая часть её преобразуется в тепловую. Причем чем больше энергии будет потеряно (преобразовано), тем больше степень демпфирования.
Обычно, при прохождении волны через вибродемпфирующий материал энергия возмущения поглощается материалом, т.е. трансформируется в некоторое количество тепловой энергии. Такой процесс и именуется «поглощением энергии», хотя на самом деле речь идет о ее преобразовании в соответствии с Законом сохранения энергии.
На основе такой на первый взгляд сложной для восприятия информации потребителю должно стать несколько проще совершать выбор антивибрационного материала — либо вспененного полиуретана, либо эластомера на основе нитрильного каучука, либо искать другие решения.