Содержание к диссертации
Введение 5
ГЛАВА I. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 15
Критические технологии и их роль в развитии строительной отрасли 16
Междисциплинарный подход в разработке новых строительных
изделий, зданий и сооружений 18
1.3. Критический анализ традиционных теплоизоляционных материалов
и изделий 23
Утеплители на основе минерального сырья 26
Тешюизоляторы на основе перлита 29
Вспененные полимерные материалы 36
Заключение по обзору известных теплоизоляционных материалов
и изделий 41
1.4. Проблема снижения материалоемкости изделий, зданий и сооружений
из бетона и железобетона 45
Выводы по главе I 50
ГЛАВА II ВАКУУМНО-ПОРОШКОВАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ
ПАНЕЛЬ (ВПТП) 52
2Л. Известные типы вакуумной теплоизоляции 52
2.2. Вакуумно-порошковая теплоизоляция с тонкой оболочкой 59
2.2.1. Выбор материала оболочки вакуумно-порошковой изоляции 62
Методика оценки теплопроводности ВПТП 64 2.3.1. Учет краевого эффекта теплопроводности в вакуумно-лорошковом изделии 65
Исследование долговечности вакуумно-порошковой изоляции 72
2.5. Критерий оптимизации материалоемкости вакуумно-порошковой панели 80
2.6. Экспериментальное исследование теплофизических свойств вакуумно-порошковой
теплоизоляционной панели 83
Методика проведения испытаний 86
Обработка результатов измерений 100
2.6.3. Анализ результатов испытаний 101
2.7. Проверка формоустойчивости ВПТП 104
Выводы по главе II 105
ГЛАВА III. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕ
НЕНИЯ ВАКУУМНО-ПОРОШКОВОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ 107
Основы технологии производства вакуумно- порошковой теплоизоляции 107
Способы защиты ВПТП от механических повреждений 110
Вакуумные типы строительной теплоизоляции и тепловая инерция ограждающих конструкций 111
Исследование пожарных и токсикологических свойств оценка ВПТП 113
Конструктивные варианты применения вакуумно-порошковой теплоизоляции в стеновых конструкциях 114
Перспективы применения вакуумно-порошковой теплоизоляции па нефтепроводах 118
Выводы по главе III 124
ГЛАВА IV. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
ИЗДЕЛИЯ (ВТИ) 126
4.1. Высоковакуумное теплоизоляционное изделие (ВТИ) 127
4.1.1. Конструктивные варианты высоковакуумного
теплоизоляционного изделия 132
ri 4.2. Методика расчета конструктивных параметров высоковакуумного
теплоизоляционного изделия 137
ф 4.3. Исследование теплофизических параметров ВТИ 141
4.4/ Удельная материалоемкость ВТИ 147
4.5. Технологические аспекты производства ВТИ 149
Выводы по главе IV 153
ГЛАВА V. НОВЫЙ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЙ СПОСОБ
ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИЗ АРМОБЕТОНА 155
Исследование физических процессов при электростатическом формовании изделий и сооружений из бетона 157
Уменьшение потерь бетонной смеси при электростатическом осаждении 162
5.3. Влияние формы изделий и материала каркаса на процесс
электростатического осаждения цемента 163
:»
5.4. Карбонизация бетона и проблема защиты от коррозии
, арматурно-сеточного каркаса 172
Защита электростатического бетона от высыхания после формования изделия 177
Электростатическое формование изделий из армированного бетона в серийном производстве 179
Монолитный железобетон в несъемной опалубке из армированного бетона 185
Способ строительства оболочек сложной формы с применением электростатического формования 190
5.8.1. Строительство теплоизолированных оболочек покрытий сооружений
* изданий 191
5.9. Способ проведения наружной отделки зданий и сооружений
с одновременным их утеплением 197
5.10. Изготовление строительных сотовых панелей из армированного
бетона 202
i& 5.11. Исследовательские задачи развития метода электростатического
формования изделий из армированного бетона 208
Выводы по главе V 210
ГЛАВА VI. ОЖИДАЕМЫЙ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ
ЭФФЕКТ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
ИЗДЕЛИЙ И СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА 211
'Р б. 1. Ожидаемый технико-экономический эффект от применения
вакуумных видов теплоизоляция в строительстве 211
6.2. Снижение материалоемкости и трудоемкости изделий и
сооружений из армированного бетона 214
Выводы по главе VI 215
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 217
Литература 221
(ф Список использованной литературы в алфавитном порядке 238
ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
Актуальность. Решение проблем снижения энергозатрат в производстве
строительных материалов и изделии, уменьшения материалоемкости строительства,
сокращения затрат при возведении и эксплуатации зданий и сооружений имеет важнее
значение. Научно-технический уровень строительной индустрии России в настоящее
время не соответствует изменившимся экономическим условиям в стране и отстает от
технического уровня промышленно развитых стран,
і В частности, в РФ более 80 % выпускаемого цемента до сих пор производится по
чрезвычайно эпергозатратному "мокрому" способу. Выпуск качественных ,
* теплоизоляционных материалов в расчете на 1000 жителей в несколько раз ниже, чем в
Швеции, Канаде или Финляндии. На содержание 1 м2 общей площади жилого здания в
России тратится 84 кг условного топлива в год, а в Швеции, например, - 27 кг, то есть j
3,1 раза меньше.
. Решение проблем энерго- и ресурсосбережения в строительстве в первую очередь
связано с разработкой и использованием прогрессивных энергосберегающих и ресурсоэкономичных строительных материалов и изделий. Их создание невозможно без новых подходов, а само использование новых изделий часто требует модернизации * средств механизации строительства. Во многих случаях разработка новых строительных
ft изделий и сооружений требует привлечения более совершенных технологий ИЛИ
адаптации уже существующих технологических процессов и оборудования, освоенных в других отраслях промышленности, для применения в строительстве.
Как показывает опыт, существующий в многопрофильных отраслях. промышленности (атомная энергетика, микроэлектроника, авиационно-космическая промышленность и др.), для кардинального решения сложных научно-технических задач строительной отрасли необходима разработка її использование критических технологий. ' Под ними имеются ввиду способы, созданные на основе применения принципиально
новых подходов, позволяющих улучшить основные параметры разрабатываемых объектов в несколько раз, В этой связи в первой главе диссертационной работы
' V рассматриваются методические аспекты решения отдельных задач строительной отрасли.
Одним из методических приемов в разработке принципиально новых подходов с ' целью значительного улучшения качественных характеристик разрабатываемых объектов является применение междисциплинарного подхода. Опыт показывает, что эффективность такого подхода тем более результативна, чем шире перечень научных дисциплин из различных областей знания и отраслей промышленности привлекается для
Щ решения поставленных задач. Данное положение подтверждается рядом разработок,
рассмотренных в первой главе.
Работа выполнялась в соответствии с федеральной программой "Свой дом", утвержденной Постановлением правительства РФ N 753 от 27 июня 1996 года и республиканской Программой "Развитие стройиндустрии и промышленности строительных материалов КБР на 1996-2006 гг.", утвержденной Постановлением правительства КБР N 218 от 12.08,96 г., с государственной целевой программой структурной перестройки производственной базы акционерной корпорации "Росагропромстрой" на 1997-2000 гг. (Постановление правительства РФ N 1505 от 19 декабря 1996 г,)., а также в соответствии планом научно- технических разработок ОАО «Каббалкагропромстрой» и целевых государственных программ «Жилище» и «Энергосбережение».
Научно-исследовательская работа по теплоизоляционным материалам и изделиям выполнялась в соответствии с постановлением Минстроя РФ 18-81 о введении с 01.09.1995 г. изменений N 3 в СНиП 11-3-79 **.
В связи с широкой тематикой диссертационной работы, обзор литературы
и предваряет каждую главу и приводится по ходу изложения соответствующего материала,
что предусмотрено "Положением о порядке присуждения ученых степеней и званий..."
7 (Бюллетень ВАК№ 3 2002г.)-
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в
,ї теоретическом обосновании и разработке энерго- и ресурсосберегающих строительных
изделий, зданий и сооружений, в первую очередь — эффективных теплоизоляционных
изделий, а также энерго- и ресурсосберегающих строительных зданий и сооружений. При
конкретизации этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Найти методические подходы для решения поставленных в диссертационной
работе научно-технических задач строительной отрасли, в частности по разработке
* эффективных теплоизоляционных изделий и материало- и энергосберегающих зданий и
сооружений.
Разработать строительные теплоизоляционные изделия, у которых теплоизоляционная эффективность, удельные материалоемкость и' энергоемкость производства отличались бы в лучшую сторону в несколько раз по сравнению с применяемыми теплоизоляционными материалами и изделиями.
Экспериментально проверить возможность существенного повышения эффективности строительных теплоизоляционных изделий, конструкция которых основана па использовании теплофизических свойств дисперсных систем, помещенных в вакуум.
4. Разработать и аналитически исследовать способ формования бетона, обеспечивающую производство экономичных тонкостенных изделии и сооружении из армированного бетона с низким водоцементным отношением и уменьшенной материалоемкостью. Снизить трудоемкость изготовления изделий и сооружений из армобетона сложной формы. Найти и обосновать перспективные области применения. Определить направления дальнейших исследований для развития новой технологнл формования тонкостенных изделий из армированного бетона.
5, Провести оценку ожидаемого технико-экономического эффекта от внедрения
результатов найденных научно-технических решений, предложенных и исследованных в диссертационной работе.
(!L Научная новизна.
1. Предложен и апробирован методический подход для решения научно-технических задач строительной отрасли, основанный на использовании междисциплинарного подхода, включая применение результатов фундаментальных и прикладных исследований из различных отраслей знания для разработки новых строительных изделий и энерго- и ресурсосберегающих зданий и сооружений.
'А 2. Разработаны вакуумно-порошковые и вакуумные теплоизоляционные панели с
низкой материалоемкостью для применения в строительстве зданий и проведенм
экспериментальные исследования, обосновывающие возможность эффективного их
применения для повышения теплозащиты наружных стен зданий и сооружений.
. 3. Показано, что теплоизоляционная эффективность изделия зависит от
коэффициента G = P/S (где Р - периметр, a S - площадь изделия). Вакуумно-порошковые Ф
изделия обеспечивают 5-6-кратное преимущество по теплоизоляционной эффективности
по сравнению с традиционными материалами в том случае, если P/S < 4 м"1.
Крупногабаритные вакуумно-порошковые изделия с коэффициентом G = 1,85 м"
эффективней пенопластовой теплоизоляции примерно в 10 раз. і*
4. Впервые предложен и аналитически исследован метод электростатического
формования тонкостенных изделий и сооружений из армированного бетона, в котором
возможно получение бетона с водоцементным отношением, близким к теоретическому
пределу. Метод позволит изготавливать многослойные тонкостенные изделия сложной
формы со слоями переменного состава с различными служебными свойствами.
5. Разработаны методы применения новых типов изоляции в зданиях и
,'ф сооружениях, включая совместное использование вакуумно-порошковой изоляции с
методом энергостатического формования элементов зданий и сооружений.
Практическая значимость работы.
1. Ожидаемый технико-экономический эффект от применения новых типов
tL строительных теплоизоляционных изделий обеспечивается следующим:
- теплоизоляционная эффективность вакуумно-порошковых, изделий в несколько р?з
выше, чем теплоизоляции из пенополистирола. При указанной теплоизоляционной
эффективности вакуумпо-порошкового изделия, его материалоемкость не превышает 2,2
кг/м2. Для обеспечения равной теплоизолирующей способности изделие из базальтовых
волокон должно иметь массу в 8,5 раза больше, чем у вакуумно-порошкового изделия;
* - удельный расход тепловой энергии на производство 1 м2 вакуумно-порошковой
теплоизоляции меньше в 17 раз, чем равного по теплоизоляционной зффеїсгивности слоя теплоизоляции из минеральных волокон;
2*. Технико-экономический эффект от применения гибкой вакуумпо-порошковол теплоизоляции на магистральных нефтепроводах может быть получен в результате следующих преимуществ:
- вакуумно-порошковая гибкая теплоизоляция нефтепровода обеспечит 10-кратное
снижение потерь тепла. За счет этого может поддерживаться оптимальная температура
перекачиваемой нефти и ее низкая вязкость. Это дает возможность значительно увеличить
расстояния между нефтеперекачивающими станциями при сохранении прежней мощности
насосных установок;
сокращение количества нефтеперекачивающих станции позволит получить значительную экономию средств и энергоресурсов за счет снижения капитальных и эксплуатационных затрат при строительстве, реконструкции и эксплуатации нефтепроводов;
- в 5,5 раза более низкая материалоемкость новой теплоизоляции по сравнению с
.ф известной позволит значительно сократить транспортные расходы при строительстве и
ремонте магистральных нефтепроводов.
10 3. Применение способа электростатического формования изделий и сооружений из
армированного бетона даст возможность получить следующий технико-экономический
эффект:
снизить удельный расход цемента при изготовлении изделий и строительстве сооружений в 1,6-2 раза за счет применения минимальной величины В/Ц, а также за счет производства облегченных изделий из армированного бетона с тонкими стенками;
получить экономию металла и снижение трудозатрат за счет исключения использования опалубок и форм;
- уменьшить материалоемкость и трудоемкость строительства сооружений из
монолитного бетона с несъемной опалубкой из армированного бетона с повьппснными
эксплуатационными свойствами;
строить однослойные или трехслойные теплоизолированные оболочки малой толщины и сложной формы без применения опалубок;
- проводить наружную отделку зданий слоем электростатического бетона с
одновременным утеплением стен различными видами теплоизоляционных материалов;
- изготавливать облегченные сотовые панели из армированного бетона, в том числе с
заполнением их теплоизолирующими материалами.
Достоверность и обоснованность предложенных в диссертации технических решений, сформулированных положений и выводов достигается тем, что:
- научно-техническая основа разработок базируется на фундаментальных положениях
естественных наук и достижениях строительной науки и практики;
проведением технических расчетов с использованием проверенных практикой методик и общепринятых справочных данных;
проведением экспериментов: выполнены теплофизические испытания макета вакуумно-порошковой теплоизоляционной плиты; проверена формоустойчивость вакуумно-порошковой плиты с тонкой легкодеформируемой оболочкой;
новые для строительной отрасли технические решения базируются на
основополагающих результатах исследований, полученных и проверенных практикой в
jL различных отраслях техники.
Реализация результатов работы. Изготовлен макет вакуумно-порошковой панели, испытания которой показали его высокие теплоизоляционные свойства и хорошую формоустойчивость.
Монографии автора диссертации ("Проблемы энерго- и ресурсосбережения в
стройиндустрии и промышленности КБР" и "Новые энергосберегающие строительные
материалы и технологии"), включающие значительную часть материалов
диссертационной работы, используются в учебном процессе на инженерно-техническом факультете КБГУ, в Кабардино-Балкарской сельскохозяйственной Академии и в Нальчикском колледже дизайна КБГУ.
' Исследования, изложенные в диссертационной работе, позволили найти новые перспективные направления НИОКР, которые можно рекомендовать для включения в планы отраслевых НИИ и ВУЗов:
. 1. Исследования по электростатическому формованию изделий го армированного бетона, важнейшие из которых:
экспериментальное исследование структуры и свойств электростатического бетона в зависимости от физико-технических параметров процесса и применяемого оборудования;
адгезия электростатического бетона к арматурно-сеточному каркасу, структура бетона и распределение плотности и прочности бетона по слоям;
получение и исследование многослойных изделий из электростатического бетона со t слоями переменного состава;
2, Вакуумно-порошковые теплоизоляционные изделия строительного назначения, включая следующие направления исследований:
- исследование теплофизических свойств строительной вакуумно-порошковой изоляции с
различными типами оболочек, заполнителей и степени вакуума в оболочке;
- исследование и разработка материалов, способов и оборудования для производства
вакуумно-порошковой теплоизоляции;
3. Высоковакуумные теплоизоляционные изделия и области их применения в строительстве и промышленности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах и конференциях Кабардино-Балкарского госуниверситета (1993-2004); в Ростовском государственном строительном университете (1998); на Международной научно-практической конф. "Новые информационные технологии и их региональное развитие" (Нальчик, 1997); на совещаниях Ассоциации строительных организаций и предприятий Агропрома Северного Кавказа (г.Черкесск, 1994; г. Ростов-на-Дону, 1995-2001г., Нальчик 1996); на Научно-техническом совете Минстроя КБР (1997-1998); на выездном заседании Минстроя РФ (г. Нальчик, 1997); на конференции Энергетического университета (г. Иванов, 1997); на научных семинарах Ивановского госуниверситета (1996, 1998); в редакционных коллегиях журналов "Бетон и железобетон", "Строительные материалы", "Энергия" (1995-2004); в Научно-техническом центре корпорации "Росагропромстрой" (1998-2004); на научной конференции КБСХА "Вопросы повышен»л эффективности строительства" (г.Нальчик, 1998-2004); на международной конференции МАИЭС "Проблемы привлечения инвестиций в экономику России и более эффективного их использования", г. Москва, 1999г., на Всероссийском совещании строителей в апреле 1999г. (г. Белгород) на седьмых академических чтений РААСН; в октябре 2001 (г. Белгород); на кафедре строительной статики инженерно-строительного факультета университета в гор. Кайзерслаутерн (Германия) - доклад 26 ноября 2001; на кафедре статики высотных сооружений и несущих конструкций архитектурного факультета Мюнхенского технического университета - доклад 11 декабря 2001. Личный вклад автора. Автором осуществлены: разработка методик исследования и
проведено научное обоснование направления поисковых работ в области разработки
эффективных теплоизоляциоїшьгх изделий и ресурсосберегающего электростатического
\ способа формования изделий, зданий и сооружений, анализ и обобщение результатов
теоретических и экспериментальных работ, проведены патентная защита перспективных технических решений и внедрение результатов исследований в научно-педагогической деятельности. На защиту выносится:
1. Методический подход решения поставленных в диссертационной работе научно-
*4 технических задач строительной отрасли с учетом современных требований к энерго- и
ресурсосбережению и защиты окружающей среды, основанный на использовании междисциплинарного подхода, включающий применение результатов фундаментальных л прикладных исследований из различных отраслей знания для разработок новых строительных изделий, зданий и сооружений,
2. В основу разработки новой эффективной теплоизоляции, пригодной для
:*
строительных целей, положено свойство дисперсных материалов, помещенных в вакуум, уменьшать свою теплопроводность в десятки раз.
3. Разработанная вакуумно-порошковая теплоизоляция строительного назначения
с легкодеформируемой оболочкой, расчетная теплопроводность которой при толщине 20
мм равна 0,0047 Вт(м-К), что в 5,7 раза ниже, чем у экструзионного пенополистирола и в
»
12,7 раза ниже, чем у изделий из минерального волокна. При этом материалоемкость
изделия не превышает 2,2 кг/м2. Удельный расход тепловой энергии на производство 1 м2 вакуумно-порошковой изоляции меньше п 17 раз, чем равного по теплоизоляционной эффективности слоя изоляции из минеральных волокон.
Экспериментально подтверждена формо устойчивость вакуумно-порошковой :^ панели с тонкой легкодеформируемой оболочкой.
Показана высокая технико-экономическая эффективность разработанной
14 вакуумно-порошковой теплоизоляции для нефтепроводов. Применение вакуумно-
поропжовых изделий для теплоизоляции магистральных нефтепроводов позволит
,* получить значительную экономию средств и энергоресурсов за счет сокращения
количества нефтеперекачивающих станций, снижения затрат на строительство, ремонт и
эксплуатацию нефтепроводов.
,' б. Второй тип разработанного теплоизоляционного изделия, применимого для
строительных и общетехнических целей и защищенного патентом РФ, - легкая
высоковакуумная панель. Найденное техническое решение позволило снизить
Л материалоемкость вакуумной теплоизоляции до 1,8 кг/м , что на порядок меньше, чем в
вакуумной теплоизоляции, применяемой в криогенной технике. Расчетный коэффициент
теплопроводности изделия толщиной 30 мм равен 0,00145 Вт/(м-К), что соответствует
слою теплоизоляции из пеиополистирола толщиной 560 мм.
7. Впервые предложенный и аналитически исследованный метод
электростатического формования тонкостенных изделий и сооружений из армированного
бетона, который позволяет приблизить водоцементное отношение бетона к величине,
максимально близкой к теоретическому пределу.
8. Разработанные на основе способа электростатического формования изделий из
армированного бетона перспективные строительные технологии: . строительство
теплоизолированных оболочек пространственных покрытий; способ проведения наружной отделки зданий с одновременным их утеплением; способ возведения монолитных сооружений из железобетона в несъемной опалубке из тонкостенного армированного бетона; способа изготовления сотовых панелей из армированного бетона.
10. Ряд перспективных задач для дальнейшего исследования и развития метода
электростатического формования изделий из армированного бетона.
;ф Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 работ, четыре из них -
монографии. Основные научно-технические решения, изложенные в диссертации,
защищены четырьмя патентами РФ па изобретения. Из указанных работ - 41
опубликованы в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из шести глав,
содержит 285 с, 37 рисунков, 17 таблиц и приложение.
* * *
Диссертационное исследование является итогом 15-летней работы.
Выражаю признательность сотрудникам инженерно-технического и физического
факультетов Кабардино-Балкарского госуниверситета, Ростовского государственного
'* строительного университета, Нальчикского колледжа дизайна КБГУ, работникам ОАО
"Каббалкагропромстрой", оказавшим большую помощь в научной работе советами, замечаниями ив проведении экспериментальных исследований по отдельным разделам диссертации. Особо благодарен проф. А.Н. Юндину (зав. кафедрой строительных материалов РГСУ) и его сотрудникам за проведеные теплофизические испытания макета
вакуумно-порошковой панели, а также обсуждение результатов экспериментальной:
'-
работы.
