Введение к работе
Актуальность. Реализация национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России" предполагает увеличение объема материалов с высокими качественными показателями и повышенной долговечностью Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что наиболее востребованными являются волокнистые минеральные утеплители на основе горных пород, искусственного стекла и т д
В последние годы для теплоизоляционных материалов (ТИМ), в том числе и волокнистых минеральных, возрастают требования к таким важным, но недостаточно исследованным свойствам, как паро- и воздухопроницаемость
Весьма важным теплотехническим показателем является тепломассопро-водность Под воздействием влажности, изменения температур и деформаций, имеющим место в условиях эксплуатации, этот показатель постепенно дестабилизируется, в результате чего первоначальные теплотехнические и эксплуатационные свойства ухудшаются, а эффективность изоляции снижается
Актуальность работы заключается в улучшении теплофизических характеристик и повышении долговечности ТИМ, в основе которых лежит стабилизация первоначальной макроструктуры и свойств, формирование замкнутой системы микропористости с позиций теории тепломассообмена. Одним из способов повышения качества и минеральных ТИМ является поверхностная модификация волокон высокодисперсными пластичными природными и техногенными материалами.
Типичным представителем пластичного материала являются природные осадки - глины, структура которых представляет собой многослойные тончайшие чешуйчатые пластины, образующие агрегаты с помощью "глиняного клея" под действием воды
Опыт использования бентонитовой глины в качестве связующего и модификатора при изготовлении минераловатных теплоизоляционных материалов имеется на "Заводе изоляции" (Украина). Однако в России в настоящее время -дефицит бентонитовых глин, которые сосредоточены на Украине.
Поэтому поиск материала, аналогичного глинам по своим условиям образования, строения и свойствам среди техногенного сырья, является перспективным направлением. К числу осадков техногенного происхождения относятся шламы - продукты водоумягчения и водоочистки, образующиеся на различных промышленных предприятиях
Цель работы - разработка и оптимизация составов модификаторов полифункционального действия для повышения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов и изделий на основе минеральных волокон из габбро-диабазовых горных пород. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести аналитический обзор по теоретическим основам поверхностных явлений и фазовых превращений в системе "волокно - связующее",
обосновать выбор комплексных модификаторов на основе отходов (шламов),
исследовать механизм их действия на основные тепло- (теплопроводность, паропроницаемость, воздухопроницаемость) и гидрофизические (сорбцион-
ная влажность, водопоглощение, водостойкость) свойства минеральных волокон с учетом влияния структурно-энергетических характеристик;
разработать классификацию модификаторов по их активности и назначению; обосновать участие шламов в процессах изменения структуры поверхности минеральных волокон;
экспериментально определить основные теплофизические свойства модифи-
цированных минеральных волокон,
- рассчитать теплотехнические параметры многослойных ограждающих конст-
рукций зданий с использованием модифицированных утеплителей, разработаны практические рекомендации по применению материалов в конструкциях зданий различной этажности. Научная новизна
впервые в качестве поверхностного структурного модификатора минеральных волокон (MB) использованы шламы водоподготовки и водоумягчения, образующиеся на промпредприятиях; правомерность сравнения шламов с бентонитовой глиной проверена статистически по химическим составам с построением тернарных диаграмм и по комплексу структурно-реологических свойств,
с позиций структурно-энергетических свойств (валентность, координационное число, атомная масса, электроотрицательность, ионный потенциал, сила связи) шламы классифицированы на две группы алюмокальциевые - с повышенным содержанием р- и d-элементов и карбонатные - с преобладанием s-элементов, теоретически обосновано положительное полифункциональное действие шламов на теплофизические свойства минеральных волокон,
установлено, что алюмокальциевый шлам является одновременно поверхностным модификатором и минеральным связующим по аналогии с бентонитовой глиной, карбонатный шлам относится к микродисперсным модификаторам (патент № 2297994 от 27 04.2007), шлам нефтедобычи рекомендован как гидрофобный компонент для снижения сорбционной влажности и водопогло-щения минеральных волокнистых ТИМ (патент № 2298533 от 10.05.2007),
экспериментально изучены теплофизические свойства по теплопроводности и паропроницаемости модифицированных минераловатных изделий, а также впервые исследована воздухопроницаемость материалов с турбулентным режимом фильтрации; разработана классификация отходов по их влиянию на структуру и свойства MB,
Практическая значимость и реализация результатов работы
апробирована методика оценки паро- и воздухопроницаемости на образцах из модифицированных MB и разработаны рекомендации по выбору отходов в зависимости от их назначения и условий эксплуатации ТИМ,
определены расчетные характеристики паро- и воздухопроницаемости модифицированных минеральных теплоизоляционных материалов на основе габбро-диабазовых пород, которые добавлены в таблицы исходных данных для расчета ограждающих конструкций на сопротивление паропроницанию и воздухопроницанию, для расчета на сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций, состоящих из волокнистых материалов, установлен коэффициент воздухопроницаемости с турбулентным режимом фильтрации,
разработаны требования к составу модифицированных минеральных ТИМ, дана оценка их качества и долговечности,
на основе теплотехнической многокритериальной оценки вертикальных ограждений разработаны рекомендации по применению модифицированных минеральных волокон для утепления ограждающих конструкций жилых и общественных зданий разной этажности; конструктивные решения наружных ограждений соответствуют как нормативным показателям по теплозащите, так и санитарно-гигиеническим требованиям,
внедрены в учебный процесс разработанные конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий с использованием предложенных материалов на минеральной основе;
расчет экономической эффективности показал значительные преимущества применения отходов перед глинами по их долговечности и целесообразности;
- разработаны рекомендации по применению гидрофобизированного материа
ла, работающего в условиях повышенной влажности
На защиту выносятся:
теоретические основы структурной модификации MB, которые позволяют направленно влиять на основные тепло- и гидрофизические свойства;
новый подход к выбору и оценке качества поверхностной структуры модификатора для волокнистых ТИМ на основе габбро-диабазовых пород,
способ модификации MB с учетом эксплуатации ТИМ; механизм действия модификаторов на основные свойства и долговечность ТИМ,
результаты теплотехнических расчетов ограждающих конструкций зданий различной этажности с применением модифицированных минераловатных изделий и практические рекомендации по применению ТИМ,
результаты исследований изменения сорбционной влажности, водопоглоще-ния и водостойкости ТИМ
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международной конференции "Энергосберегающие технологии" (Турция, г. Кемир, 2007), X Академических чтениях РААСН - международной научно-практической конференции "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения" (г. Казань, 2006 г), международном научно-техническом семинаре (г Белгород, 2006 г), VIII Академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения" (г Самара, 2004 г.), международной экологической научно-практической конференции (г. Самара, 2003 г), Всероссийском экологическом конгрессе (г Самара, 2002 г ), международной конференции (г. Тверь, 2002 г) и ежегодных научно-технических конференциях в СГАСУ (г Самара, 2002-2007 гг)
Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 13 опубликованных печатных работах, которые достаточно полно отражают тему диссертационной работы, причем из них одна в изданиях ведущих рецензируемых журналов, рекомендованных президиумом Высшей аттестационной комиссией ("Современные наукоемкие технологии Российская Академия Естествознания"). Научная новизна защищена патентами РФ "Состав для изготовле-
ния водостойких газонаполненных минераловатных композиций" (№2297994 от 27 04.2007) и "Состав для изготовления гидрофобных теплоизоляционных минераловатных материалов" (№2298533 от 10.05.2007)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 140 наименований; содержит 158 страниц текста, 38 рисунков, 23 таблицы и 3 приложения
Автор выражает благодарность к т н., доценту кафедры гидравлики и теплотехники СГАСУ Ю.С. Вытчикову за консультации при постановке и выполнении теплотехнических испытаний
