Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Классификация и свойства стеновых материалов и ограждающих конструкций
1.2.Теплофизические параметры в зависимости от строения и 20
плотности ограждающих конструкций и материалов
1.3. Применение алюмосиликатных микросфер для повышения теплофизических характеристик
1.4. Генезис и свойства микросфер 30
1.5. Бетоны с использованием микросфер 35
1.6. Выводы 41
2. Методы исследования и применяемые материалы 42
2.1 Изучение строения и состава материалов 42
2.1.1. Исследование морфологических особенностей 42
микроструктуры с помощью РЭМ
2.1.2 Рентгенофазовый анализ 43
2.1.3. Измерение теплопроводности конструкционно- теплоизоляционных строительных материалов
2.2. Исследование теплотехнических параметров строительных материалов
2.2.1. Определение геометрических размеров 49
2.2.2. Определение кажущейся плотности 49
2.2.3. Определение водопоглощения 50
2.2.4. Определение пористости 50
2.2.5. Определение размеров пор 51
2.2.6. Определение сорбционной влажности 52
2.2.7. Определение коэффициента теплопроводности 53
2.2.8. Определение паропроницаемости 55
2.2.9. Определение коэффициента абсорбции воды (скорость 56 всасывания)
2.2.10. Определение скорости высушивания 58
2.3 Применяемые материалы 59
2.3.1. Портландцемент 59
2.3.2. Глинистое сырье 60
2.3.3. Жидкое стекло 62
2.3.4 Микросферы 63
3 Обжиговые материалы с использованием микросфер 65
3.1 Теоретические предпосылки создания конструкционно- 65
теплоизоляционных материалов заданного строения и свойств
3.1.1 Критерий оптимизации структуры композитов по прочности 66
3.1.2 Критерий оптимизации структуры композитов по теплопроводности
3.1.3. Критерий оптимизации структуры по прочности и теплопроводности
3.2 Подбор составов обжиговых материалов 81
3.3 Основные свойства полученных обжиговых материалов
3.3.1 Прочность, плотность, морозостойкость 92
3.3.2 Сорбционные свойства 93
3.3.3 Водопоглощение, пористость, паропроницаемость
3.4 Влияние строения композитов на их эксплуатационные характеристики
3.5 Теплофизические параметры обжиговых композитов на основе микросфер
3.6 Выводы 110
4 Повышение эффективности композитов с использованием микросфер и вяжущих
4.1 Процесс структурообразования композитов с микросферами 112
4.2 Конструкционно-теплоизоляционные материалы на основе микросфер и жидкого стекла
4.3 Эксплуатационные характеристики цементных композитов 120
4.4 Теплофизические характеристики материалов гидратационного 133
твердения на основе микросфер
4.5 Новый подход к оценке теплоизоляционных качеств стены 139
4.5.1 Действующие нормы и способы измерения теплопроводности
4.5.2. Обоснование необходимости разработки новой измерительной установки
4.5.3 Теоретические предпосылки для повышения точности измерения теплопроводности крупноформатных пустотелых изделий
4.5.4 Расчет параметров установки для определения теплопроводности крупноформатных изделий
4.6 Выводы 153
5 Внедрение и технико-экономическое обоснование 155
5.1 Расчёт тепловлажностного режима ограждающих конструкций 156
5.1.1 Типы конструкций на материалах из микросфер и область их анализа
5.1.2 Теплотехнический расчет стеновой ограждающей конструкции на основе материалов из микросфер
5.1.3 Конструктивный расчет несущей способности стен из материала на основе алюмосиликатных микросфер и глины
5.2 Разработка технических условий 167
5.3 Технико-экономическое обоснование целесообразности выпуска 168 композита на основе микросфер
5.4 Выводы 173
Общие выводы 175
Библиографический список
- Применение алюмосиликатных микросфер для повышения теплофизических характеристик
- Измерение теплопроводности конструкционно- теплоизоляционных строительных материалов
- Критерий оптимизации структуры композитов по прочности
- Теплотехнический расчет стеновой ограждающей конструкции на основе материалов из микросфер
Применение алюмосиликатных микросфер для повышения теплофизических характеристик
Влажностное состояние материалов в ограждающих конструкциях зданий зависит от климата района строительства и от влажностного режима помещений. Различные сочетания наружных и внутренних влажностных режимов формируют условия эксплуатации ограждающих конструкций [1, 2].
Вероятность увлажнения конструкций, несмотря на наличие внешнего декоративно-защитного штукатурного слоя, в последние годы выросла в районах с континентальным климатом, ввиду изменения характера зим. Так, зимы в центральном регионе характеризуются чередующимися дождями и сильными морозами. Во многих коттеджах, возведённых из традиционных материалов, снизилась внутренняя температура и повысился расход газа на отопление.
Снижение эксплуатационного сорбционного увлажнения конструкций возможно осуществить различными способами. Химическая гидрофобизация наружных стен даёт хороший первоначальный результат, однако составы, которыми проводится обработка, крайне вредны при нанесении, а долговечность такой защиты остаётся под вопросом. Применение непроницаемых или частично проницаемых полимерных плёнок, также даёт хороший результат, но требует создания системы проветривания защищаемых слоёв, в противном случае ухудшается микроклимат помещений, а его нормализация за счёт дополнительных инженерных систем затратна с финансовой и энергетической точек зрения. Наиболее разумным и современным путём является формирование необходимых свойств у самих стеновых материалов. Основная идея заключается в изоляции как можно большей части воздуха находящегося в поровом пространстве материала от взаимодействия с внешней средой. Наиболее совершенными материалами в этом отношении являются ячеистые бетоны автоклавного твердения [3, 4].
Особенностью строения ячеистых бетонов является преобладание внутри материала сообщающихся пор, открытых с поверхности. Это делает уязвимыми теплозащитные свойства материала от попадания в него воды. Водопоглощение ячеистого бетона плотностью 400 кг/м3 может доходить до 80 % по объёму. Безусловно, в условиях реальной эксплуатации такая степень увлажнения материала может возникнуть только в чрезвычайных ситуациях (наводнение, аварии систем отопления и водоснабжения). Однако, повышение влажности газосиликата с 10 до 20 % (при плотности 500 кг/м3) приведёт к повышению его теплопроводности на 30…40 %.
Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами [5, 6].
Исходя из разнообразия свойств, классификацию строительных материалов можно осуществить по различным признакам: по происхождению, по назначению и использованию в строительстве, по производственному (технологическому) признаку и другим. По происхождению и виду исходного сырья стеновые материалы делят на природные и искусственные. Природные, или естественные, строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли. Этим материалам при изготовлении изделий из них придают определенную форму и рациональные размеры, не изменяя их внутреннего строения, химического и вещественного состава. Чаще других из природных используют каменные материалы и изделия.
Искусственные стеновые материалы разделяют по главному признаку их отвердевания (формирования структурных связей) на: – обжиговые – материалы, формирование структуры которых происходит в процессе их термообработки в основном за счет твердофазовых превращений и взаимодействий; – безобжиговые – материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов, а также материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре (175...200С) и давлении водяного пара (0,9...1,6 МПа) [6].
Конструкционно-теплоизоляционные материалы объединяют материалы различной природы, имеющие марку по средней плотности от D400 до D1200 и класс по прочности на сжатие от B2,5 до B10. Эти материалы совмещают удовлетворительные прочностные характеристики, позволяющие их использовать в самонесущих или несущих строительных конструкциях, и относительно невысокую теплопроводность, что позволяет формировать на их основе и с минимальным включением эффективного утеплителя, изоляционные оболочки теплоэффективных зданий [7, 8].
Для конструкционно-теплоизоляционных материалов предусмотрена следующие критерии технического уровня [9], учитывающих требования к материалам по применению, назначению, эксплуатации: – показатели назначения: прочность при сжатии (МПа), теплопроводность (Вт/(мК)), предел прочности при изгибе (МПа), предел прочности при растяжении (МПа), сорбционная влажность (%), линейная температурная усадка (%), морозостойкость (циклы), термическая стойкость (циклы), водопоглощение (%), газо- и паропроницаемость (мг/(мчПа)), химический состав (%); – показатели конструктивности: номинальные размеры изделия и отклонения от них (мм), плотность (кг/м3), правильность геометрической формы, дефекты внешнего вида, разнотолщинность (мм), однородность структуры; – показатель сохраняемости: эксплуатационная стойкость материалов, и их стойкость с учетом условий хранения; – показатели технологичности: удельная трудоемкость изготовления (челч/м3), удельная материалоемкость (кг/м3), степень механизации и автоматизации изготовления (%), выделение вредных веществ при изготовлении и общие нагрузки на окружающую среду; – показатели транспортабельности: масса (кг), габаритные размеры (мм), возможность контейнеризации или пакетирования, материалоемкость и трудоемкость упаковки (челч), продолжительность подготовки к транспортированию (ч); – эргономические показатели: уровень токсичности материалов и изделий (мг/м3), пыление материалов и изделий.
Измерение теплопроводности конструкционно- теплоизоляционных строительных материалов
Гексагональное распределение пустот Плотность конструкционно-теплоизоляционных материалов на основе цемента составляет (5001200) кг/м3. Тогда относительная плотность материалов на основе цемента (отношение плотности материала к плотности матрицы) составит = (0,1890 ,453). повышения точности примем при дальнейшем исследовании область изменения относительной плотности от 0,1 до 0,5 (так как относительная плотность реальных конструкционно-теплоизоляционных материалов практически не превышает значения 0,5)
Зависимость (3.1) неудобна в использовании при сравнительной оценке теплоизоляционных материалов. С целью упрощения зависимость (3.1) была аппроксимирована степенной зависимостью где: R2— относительная прочность ячеистого бетона (отношение прочности ячеистого бетона к прочности матрицы ячеистого бетона) Плотность матрицы строительных материалов, как описывалось выше, может варьироваться от 2000 кг/м3 до 2900 кг/м3. Однако для наиболее используемых материалов плотность матрицы составляет 2650 кг/м . Такая плотность матрицы справедлива для ячеистых бетонов на цементе и кварцевом песке.
Прочность матрицы на цементе и кварцевом песке составляет порядка 142 МПа, однако это значение может быть как больше, так и в разы меньше, в зависимости от технологии изготовления материала.
Совпадение зависимости Пинскера и аппроксимированной зависимости для плотности матрицы 2650 кг/м3 и прочности 142 МПа можно видеть на рис 3.2.
Примем плотность матрицы исследуемых материалов 2650 кг/м3, тогда зависимость (3.3) примет вид К = 6,7410-5Кмотн(Р-П6)1Д2 (3.4) где Rмотн— прочность матрицы материала относительно плотности 2650 кг/м3, МПа. Рис.3.2. Зависимость прочности от плотности при гексагональном распределении пустот при: Rм=142 МПа, м= 2650 кг/м3; R1 — теоретическая зависимость прочности от плотности В.А.Пинскера;R2 — аппроксимированная зависимость.
Согласно обзору, проведенному в главе 1 диссертации, прочность материала зависит, наряду с плотностью матрицы, плотностью и прочностью каркаса, также и от геометрии пустот: формы пустот, их распределения и размера. Для учета влияния геометрии пустот в аппроксимированную зависимость введен коэффициент , который равен 1 при гексагональном распределении шаровых пустот:
Параметры материала с прочностной стороны удобней определять через его плотность и прочность, так как эти значения легко определить в лабораторных условиях. Левая часть уравнения (3.6) характеризует внутреннюю структуру материала, влияющую на его конечную прочность, а следовательно, и на качество материала с прочностной стороны. Обозначим левую часть уравнения (3.6) как КСП - коэффициент структуры по прочности: Ксп= ( (ЗЛ) Таким образом, зная прочность и плотность материала, мы можем определить качество его структуры, в виде совокупности внутренних свойств, выраженных одним коэффициентом КСП.
Значение коэффициента структуры по прочности учитывает не только прочность тела матрицы, но и структурные особенности (расположение пустот, вяжущие свойства материалов и другие факторы), оказывающие влияние на прочность материала.
Физический смысл КСП может быть представлен как совокупность факторов, влияющих на зависимость прочности материала от плотности.
Рассмотрим коэффициент КСП в сравнении с известным коэффициентом конструктивного качества ККК = —. р Возьмем отношение ККК/КСП = и построим зависимость р ККК/КСП = ЯР) (рис. 3.3). Рис. 3.3. Зависимость ККК/КСП от плотности материала. Анализ рис. 3.3. показывает, что при больших плотностях отношение ККК/КСП приближается к 2, т.е. отношение ККК/КСП мало изменяется. Но при малых плотностях расхождение очень большое и коэффициент ККК практически не работает.
Рассмотрим пример оценки структуры ячеистого бетона с помощью коэффициента структуры по прочности КСП и коэффициента конструктивного качества ККК, табл.3.1.
Анализ табл.3.1 так же показывает, что на плотностях (8001200) кг/м3 коэффициенты ККК и КСП мало изменяются и ККК приблизительно в два раза больше КСП. Но при малых плотностях (300500) кг/м3 значение КСП приближается к значению ККК. Если сравнить материал с плотностью 300 кг/м3 и плотностью 350 кг/м3, то при оценке по коэффициенту ККК материал с плотностью 300 кг/м3 имеет менее прочную структуру, а при оценке по коэффициенту КСП материал с плотностью 300 кг/м3 имеет более прочную структуру. Т.к. коэффициент КСП получен с учетом реальных зависимостей прочности от плотности материала, то оценку структуры следует проводить по коэффициенту КСП.
С увеличением плотности коэффициент КСП возрастает. Это может быть обусловлено влиянием структуры пор на качество строительного материала. При низких плотностях поры имеют скорее структуру сот, нежели шаров (рис 3.4), а, следовательно, и меньшую прочность при сохранении прочности и плотности самой матрицы. Такая форма объясняется плотностью упаковки одинаковых шаров (в нашем случае пустот), которая не превышает значения 0,74 (для идеальной гранецентрированной кубической упаковки шаров).
В связи с этим КСП при низких плотностях ниже, чем при высоких. Это еще раз доказывает универсальность коэффициента КСП, т.к. в данном случае он отражает естественное изменение качества структуры материала.
По нашему мнению на прочность матрицы оказывает влияние не только прочность тела матрицы, но и структурные особенности расположения пустот, вяжущие свойства материалов и другие факторы.
Критерий оптимизации структуры композитов по прочности
Для повышения плотности структуры цементного камня использовалось композиционное вяжущее полученное по технологии ВНВ. Не смотря продолжительную историю его изучения и известность, широкого практического применения данный материал не получил. Возможной причиной этого, является то, что только в последние годы сформировалась и развивается идеология целенаправленного получения композитов с учётом реальных потребностей человека и взаимосвязи материала со средой его обитания [1].
Идеология получения ВНВ позволяет заложить в него тот потенциал, который необходим для изготовления конкретного материала с заданными свойствами, сосредоточить материальные и энергозатраты на стадии подготовки данного вяжущего, предельно снизить их на последующих переделах, и в итоге, сократить их общее количество [159].
За счёт малого размера частиц ВНВ появляется возможность уменьшить толщину прослойки цементного камня между частицами заполнителя, снизить расход вяжущего, плотность и микропористость конечного продукта.
На основе портландцемента ПЦ500Д0 (ГОСТ 10178-85) за счёт помола в шаровой мельнице было получено вяжущее низкой водопотребности. В качестве пластифицирующей и интенсифицирующей помол добавки был использован суперпластификатор С-3 в количестве 2% от массы вяжущего. Нормальная густота полученного ВНВ составляла 18-20%, активность 78-82 МПа.
Как видно из графиков (рис. 4.4), средний размер частиц портландцемента составляет 50-70 мкм, при этом в нём содержится достаточно большое количество частиц размером более 100 мкм. Удельная поверхность портландцемента находится в пределах 300-330 м2/кг. В результате помола с суперпластификатором удельная поверхность возрастает до 500…550 м2/кг, средний размер частиц уменьшается до 25 мкм, т.е. в 2-2,5 раза. Диапазон размеров частиц существенно снижается, зёрна более 75-80 мкм практически отсутствуют. Причиной этого является известный факт, чем меньше размер частицы, то тем ниже её дефектность и тем сложнее её разрушить.
Средний размер микросфер составляет 0,1-0,2 мм. Для сравнения, преобладающий размер частиц типичного белгородского кварцевого природного песка с Мкр=1,1 составляет 0,2-0,5 мм. Разница в размерах зёрен этих заполнителей составляет те же самые 2-2,5 раза. При переходе на более мелкий заполнитель, которым являются микросферы, обоснованным является пропорциональное увеличение дисперсности вяжущего, это, позволяет спроецировать на новую систему принципы и зависимости выработанные на многолетнюю историю изучения цементно-песчаных растворов.
Для определения рационального состава на портландцементном связующем использовались следующие материалы: микросфера плотностью 600 кг/м3 (насыпная плотность 360 кг/м3), вяжущее низкой водопотребности ВНВ с В/Ц = 0,25; вода. Плотность портландцемента составляет около 3100 кг/м3, плотность раствора ВНВ – около 2200 кг/м3.
Как видно из табл. 4.5 прочность полученных материалов превышает требования к аналогичному показателю у ячеистых бетонов. При этом технология изготовления данного материала существенно проще чем у близкого по функциональным характеристикам газосиликата. Отсутствуют такие тонкие процессы как вспучивание массивов, чувствительные к минимальным изменениям температуры, влажности массы, состава и свойств сырья, механическим воздействиям. Значительно упрощается процесс ТВО, появляется возможность применять для этих целей не пар, а продукты сгорания природного газа, что позволяет регулировать конечную влажность изделий. Использовать энергию солнца и т.д.
Составы МСЦ-1 и МСЦ-2, обладая высокими показателями прочности, могут представлять интерес для строительства высотных зданий и сооружений. Наиболее привлекательными по совокупности характеристик являются составы МСЦ-4 и 5. На рис. 4.6 приведены микрофотографии образцов данных составов с различной степенью детализации. Для удобства восприятия микрофотографии сгруппированы по столбцам. В левом столбце (а, в) показан излом материала МСЦ-5 с плотностью 575 кг/м3, а в правом (б, г) – МСЦ-4 с плотностью 677 кг/м3.
Как видно из рисунков материал имеет достаточно однородную структуру. Однако, в отличие от материалов на основе глины и жидкого стекла, формуемых путём прессования, в материале на основе гидравлического вяжущего имеют место макропоры размером 0,2-0,4 мм. Данные поры достаточно равномерно распределены по объёму материала, имеют гладкую внутреннюю поверхность, близкую к сферической форму. Причиной их образования, вероятно, является воздух, механически вовлечённый в формовочную смесь при перемешивании и не удалившийся в ходе виброуплотнения. Скорее всего это связано с тем, что формовочная смесь имеет низкую плотность, и возникающая гидростатическая сила оказывается не достаточна для преодоления вязкости смеси.
Теплотехнический расчет стеновой ограждающей конструкции на основе материалов из микросфер
Технические условия (ТУ) разработаны в соответствии с действующими нормативными документами РФ. Технические условия приведены в прил.3. Технические условия распространяются на скорлупы для трубопроводов из конструкционно-теплоизоляционного бетона, предназначенные для изоляции трубопроводов, утепления систем водоснабжения, трубопроводов нефтяной и газовой отрасли с температурой среды до 300С. Скорлупа применяется при подземном бесканальном и канальном способе прокладки тепловых сетей, а также при надземной прокладке.
В качестве основных технических требований к скорлупам установлены их габаритные размеры (табл. 1, прил. 3) и допустимые значения отклонений геометрических размеров (табл. 2, прил. 3).
Для скорлуп установлены следующие классы по прочности: В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15. Поставку скорлуп потребителю допускается производить после достижения бетоном отпускной прочности, которая должна быть не менее 70% указанной величины требуемой средней прочности бетона блоков данного класса. По показателям средней плотности назначают следующие марки бетонов в сухом состоянии: D600; D700; D800; D900.
Для скорлуп, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают и контролируют следующие марки бетона по морозостойкости: F15; F25; F35; F50; F75; F100. Основные физико-механические показатели бетона изделий приведены в табл. 3 прил. 3. В качестве сырья допускается использование следующих материалов: портландцемент или шлакопортландцемент по ГОСТ 10178 или импортный (не содержащий добавок трепела, глиежа, глинита, пеплов); микросфера, выпускаемая по соответствующим нормативным документам; регуляторы структурообразования, нарастания прочности, пластифицирующие добавки, ускорители твердения и другие компоненты, обеспечивающие требуемые свойства смеси по действующим нормативным документам. Вода по ГОСТ 23732.
Проработаны вопросы маркировки и упаковки изделий. Так для отправки потребителю скорлупы укладывают на поддоны по ГОСТ 18343 с перевязкой их стальной лентой по ГОСТ 3560. Допускается использование иных способов упаковки, обеспечивающих их сохранность при транспортировании и хранении.
С экологической точки зрения производство скорлуп является безотходным, при этом возможно просыпание исходного сырья (4 класс опасности отходов), которое собирается и возвращается вновь в производство. Бракованные изделия относятся к 4 классу опасности отходов. При несоответствии требованиям ТУ скорлупы возвращаются в производство. Сточные воды не образуются.
Контроль качества готовой продукции осуществляется по партиям. Контролируются геометрические показатели изделий, средняя плотность и предел прочности изделий при сжатии, отпускная влажность, морозостойкость и усадка изделий.
Как известно, путь от разработки материала до полноценного выведения его на рынок состоит из множества этапов, значительное количество которых совершенно не связаны с технической стороной дела (привлечение инвестиций, маркетинг и др). В связи с этим, на стадии удачного пробного внедрения точность прогнозов относительно общей экономической эффективности разработанных материалов будет не достаточно высока. Однако есть возможность провести экономическое сопоставление нового продукта с наиболее успешным из существующих по затратам на материалы и энергию, дополнить сравнение анализом затрат на организацию производства и трудоёмкость.
В качестве материала для сопоставления возьмём газосиликат производства ЗАО «Аэробел» (г.Белгород), обозначаемый производителем как Premium. Заявленный класс по прочности В3,5, марка по морозостойкости F100, средняя плотность вычисленная на основании данных о геометрических размерах и массе блоков рср=626 кг/м3.
Приведенные данные о составе материала (рис. 5.8), его свойствах и стоимости получены из общедоступного источника - официального сайта завода в сети Интернет [162]
Как видно из результатов расчётов, стоимость материалов необходимых для изготовления 1 м3 изделий на основе микросфер значительно превышает аналогичный показатель у газосиликата. Основной причиной этого является завышенная стоимость предлагаемых на настоящий момент микросфер. Вероятно, это обусловлено новизной продукта, относительно малыми объёмами выпуска. Сырьевая база для получения микросфер огромна, ввиду большого количества тепловых электростанций в стране. При появлении ощутимого спроса и увеличении объёмов выпуска данного материала, вполне закономерным должно стать снижение его стоимости в несколько раз. Не стоит забывать, что речь идёт об отходе производства, не требующем больших дополнительных затрат.
При снижении стоимости микросфер до 5000 руб. за тонну, затраты на материалы для выпуска 1 м3 теплоизоляционно-конструкционного композита составят около 2713 руб.
Простота технологии изготовления материала на основе микросфер, низкая метало- и энергоёмкость производства ввиду отсутствия операций по помолу сырья и автоклавированию готовой продукции, дают основания предположить, что доля в себестоимости производственных расходов не превысит 15…20%. Условно затраты на производство и издержки можно принять в размере 1000 руб/м3. С учётом заложенной прибыли 1000 руб/м3, отпускная цена продукции составит 4700 руб/м3.
Данная цифра ощутимо выше чем у принятого в качестве аналога газосиликата. Однако следует учитывать, что затраты на материалы составляют единицы процентов от общей стоимости полного цикла жизни жилого здания. Основными элементами данного цикла являются: приобретение земельного участка, проектирование, строительство, ввод в эксплуатацию, эксплуатация, текущие и капитальные ремонты, ликвидация здания, рекультивация земельного участка.
