Содержание к диссертации
Введение
1. Сстояние вопроса и обоснование аправления исследования 10
1.1. Требования к материалам наружных стен для климатических условий Республики Таджикистан 10
1.2. Сырьевые минеральные материалы в составе композиционных материалов для наружных стен зданий 18
1.3. Сельскохозяйственные отходы и пути их рационального использования в производстве строительных материалов 19
1.4. Объекты исследования 28
2. Мханические и гигротехнические свойства материалов рыхлой и связанной структуры на основе минерального и растительного сырья 32
2.1. Экспериментальные исследования механических и гигротех-нических свойств материалов рыхлой структуры на основе растительного сырья 32
2.2. Экспериментальные исследования механических свойств материалов связанной структуры на основе РВК 40
2.2.1. Механические свойства материалов на основе растительно-гипсовой композиции (РГК) 43
2.2.2. Механические и гигротехнические свойства материалов на основе растительно-цементной композиции (РНК) 45
2.3. Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на свойства цементсодержащих композиций 51
2.4. Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на стойкость цементного камня в агрессивных средах 60
2.5. Интенсификация процесса твердения арболита 63
2.5.1. Влияние влажности арболита на его прочность 63
2.5.2. Твердение и тепловая обработка материалов и изделий из арболита 67
3. Тплопроводность материалов рыхлой и вязанной структуры на основе минерального растительного сырья 70
3.1. Теплопроводность органических материалов рыхлой структуры в сухом состоянии 70
3.2. Влияние влажности и насыпной плотности на теплопроводность материалов рыхлой структуры 74
3.3. Математическое моделирование температурного поля наружных стен при изменении внешних и внутренних факторах 75
3.4. Теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения в сухом состоянии 84
3.5. Влияние влажности и плотности на теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения 94
3.6. Экспериментальные исследования теплотехнических свойств материалов связанной структуры на основе гуза-паи 97
3.7. Теплопроводность материалов на основе растительно-гипсовой композиции (РГК) 105
3.8. Теплопроводность материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК) 107
3.8.1. Теплопроводность арболита в сухом состоянии 107
3.8.2. Влияние влажности на теплопроводность арболита 109
3.9. Теплопроводность гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоля ционного материала (ГГТТМ) 111
3.9.1. Исследование теплопроводности ГПТМ математико-статистическим методом планирования эксперимента 111
3.9.2. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности ПТТМ различной плотности в зависимости т влажности 121
3.10. Экономическая эффективность применения материалов на основе минерального и растительного сырья в многослойных наружных стеновых панелях 127
Оновные выводы 132
- Сырьевые минеральные материалы в составе композиционных материалов для наружных стен зданий
- Экспериментальные исследования механических свойств материалов связанной структуры на основе РВК
- Твердение и тепловая обработка материалов и изделий из арболита
- Теплопроводность материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК)
Введение к работе
Актуальность темы. Значительным резервом повышения эффективности производства, в частности строительства, является снижение материалоемкости и использование вторичных ресурсов при производстве строительных материалов и конструкций. Это становится возможным при широком внедрении прогрессивных научно-технических достижений, ресурсо- и энергосберегающих технологий, последовательном сокращении расхода материальных и трудовых ресурсов на единицу продукции.
Сырьевым ресурсом для производства композитов с использованием целлюлозосодержащих заполнителей являются отходы сельскохозяйственного производства и дикорастущие растения: костра льна, конопли, джута, кенафа, стебли хлопчатника, тростника, рисовой соломы и др.
Эффективность применения материалов на основе растительно-вяжущей композиции (РВК) и практически неограниченная сырьевая база дают право рассматривать развитие их производства как одно из важнейших ' направлений в освоении новых прогрессивных строительных материалов.
Расширение применения РВК позволит наряду с удовлетворением по- * требностей массового и индивидуального строительства решать также и экологическую задачу по очистке территорий от производственных отходов.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией развития топливно-энергетического комплекса Республики Таджикистан на период 2003-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства Республики Таджикистан от 03 августа 2002 года № 318.
В связи с вышеизложенным, в диссертационной работе сделана попытка с единых теоретических позиций рассмотреть и экспериментально подтвердить целесообразность получения и применения материалов на основе РВК, исследуя теплотехнические и механические их свойства.
Цель работы заключается в исследовании теплопроводности и механических свойств теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкцион-
6 ных строительных материалов на основе местного минерального и растительного сырья, обеспечивающего энерго- и ресурсосбережение.
Поставленная цель исследований достигается решением нижеследующих задач:
анализ особенностей климата Таджикистана и условий, вызывающих перегрев помещений в летний период;
изучение конструкций стен на основе местных материалов, применяемых в малоэтажном строительстве Таджикистана;
экспериментальное исследование механических свойств органически рыхльк и органически связанных материалов на основе растительно-вяжущей композиции (РВК);
- экспериментальное исследование теплопроводности органически
рыхлых и органически связанных материалов на основе РВК;
- проведение технико-экономического анализа конструкций наружных
стен с использованием теплоизоляции на основе РВК из гуза-паи.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- научно обоснована возможность получения РВК на основе гуза-паи и
безобжиговых вяжущих;
разработана математическая модель передачи тепла при гармонически изменяющихся внешних и внутренних факторах;
получены аппроксимационные зависимости, определяющие коэффициент теплопроводности материалов на основе РВК в зависимости от влажности и структуры - грубо-, средне- и тонковолокнистости;
предложен аналитический метод расчета теплофизических характеристик материалов на основе растительно-комбинированно-вяжущих композитов (РКВК) - стеблей хлопчатника (гуза-паи), гипса и грунта (гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала - ГГГТМ) в зависимости от соотношений его компонентов;
Практическая ценность работы:
получены экспериментальные значения теплопроводности органически рыхлых и органически связанных материалов на основе РВК, что восполняет банк данных по теплопроводности материалов;
разработаны рекомендации по применению РКВК - ПТТМ в наружных стенах малоэтажных зданий;
на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обоснована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных па-нелей на панели с утеплителем из ГГГТМ; экономический эффект на 1 м глухой части панели составил 3,70 у.е.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
в ОАО «Монолитстрой» Республики Таджикистан - при производстве строительных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов, а также конструкций на их основе для малоэтажного жилищного строительства;
в Академии архитектуры и строительства Республики Таджикистан -при инженерно-физических расчетах по проектированию ограждающих конструкций жилых зданий; в нормативных документах как справочные материалы и при составлении методики расчета температурно-влажностного режима материалов и конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований теплопроводности и механических свойств сельскохозяйственных отходов и строительных материалов на их основе;
результаты математического моделирования процесса теплопередачи через наружные стены зданий при гармонически изменяющихся внешних и внутренних факторах и его применение при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций зданий и сооружений;
методика прогнозирования теплопроводности, механических свойств и расчета рационального состава материалов на основе РВК, в частности гип-
со-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала (ГГГТМ), по соотношениям составляющих компонентов;
предложения по применению ГГГТМ в наружных стенах малоэтажных зданий;
технико-экономическое обоснование применения панелей с использованием теплоизоляции из ГГГТМ для наружных стен малоэтажных зданий (для условий Республики Таджикистан).
Достоверность результатов исследований подтверждена:
необходимым объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях;
расчетными данными, полученными при оптимизации моделей теплового баланса зданий на персональном компьютере (ПК);
идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований с помощью лабораторного оборудования и расчетных данных на ПК.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции, поев. 80-; летию А.С.Сулейманова (Душанбе, ТТУ, 1998 г.); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2004 г.); 1-ой Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (Душанбе, ТТУ, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Современная химическая наука и ее практические аспекты» (Душанбе, Академия наук Республики Таджикистан, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы в соавторстве 1 монография и 8 научных статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, основных выводов, списка использованной литературы и 7 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 164 страниц
компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 147 страницах, включая 25 рисунков, 26 таблиц и список использованной литературы из 149 наименований на русском и иностранных языках.
Сырьевые минеральные материалы в составе композиционных материалов для наружных стен зданий
Минерально-сырьевой потенциал является важнейшим фактором размещения современного производства, во многом определяющим территориальную организацию производительных сил, масштабы концентрации производства и характер его специализации. Поэтому вопросы эффективности строительных материалов имеют неоспоримую актуальность. Однако нужно отметить и тот факт, что использование этого потенциала приводит к истощению природных ресурсов, что негативно влияет и на экологическое состояние окружающей среды. Развитие промышленности строительных материалов тесно связано с вовлечением в народнохозяйственный оборот наиболее эффективных природных ресурсов и с экономическим освоением природных богатств, что требует прежде всего учета и правильной оценки природных ресурсов, в частности минеральных. Проблема рационального использования минерально-сырьевых ресурсов относится к числу комплексных проблем экономического и социального характера. Поэтому разработка правильной методики количественного учета и рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов позволит определить действительную величину эффекта, который можно получить от оптимизации их использования. При определении потребности в стройматериалах за основу были взяты приведенные в таблицах объёмы капитальных вложений на строительно-монтажные работы по всем отраслям народного хозяйства. В расчётах по определению потребности были применены нормы расхода материалов на 1 млн. руб. (в ценах 1984 года) строительно-монтажных работ, предлагаемые НИИЭС и скорректированные нами для местных условий с учётом направления технического прогресса и перспективы. При расчётах потребности в строительных материалах также учитывалось изменение в их структуре в пользу более прогрессивных материалов. В конечном итоге на основе сопоставления вычисленной нами потребности в строительных материалах и возможного производства их на базе использования разведанных ресурсов определена степень обеспеченности минеральным сырьём предприятий промышленности строительных материалов и эффективность его использования для каждой зоны строительства на перспективу.
Таджикистан располагает крупными запасами различных видов сырья для производства строительных материалов. В настоящее время учтено 123 месторождения строительных материалов, из них 119 - с утвержденными запасами [74, С.28]. Наибольшее распространение имеют месторождения сырья для производства цемента, извести, гипса, стеновых материалов, легких заполнителей, а также нерудных строительных материалов. Относительно реже встречается сырье для производства теплоизоляционных материалов, керамических плиток, силикатных изделий и др. Отличительной особенностью собственной базы сельского строительства от других баз производства является значительное использование местных строительных материалов. 1.3. Сельскохозяйственные отходы и пути их рационального использования в производстве строительных материалов Развитие производства строительных материалов в современных масштабах требует вовлечения в хозяйственный оборот все больших объемов сырья и материалов. Наблюдаемое в последние годы истощение сырьевых ресурсов вызывает необходимость искать возможности получения продукции из производственных отходов с минимальными издержками. Поэтому одно из важных направлений ускоренного развития народного хозяйства страны -максимальное использование вторичных ресурсов. По укрупненной классификации, к отходам производства относятся и сельскохозяйственные отходы, такие как солома, стебли кукурузы, стебли подсолнечника, стебли хлопчатника, стебли табака, корзинки подсолнечника, обрезанные ветви фруктовых деревьев, обрезанная виноградная лоза и др. [53]. В США в среднем на одного человека в год накапливается полезных отходов, тонн: от пшеницы - 1,3; ячменя - 1,8; ржи - 1,8; льна - 0,8 [21]. Отходы сельского хозяйства и промышленности могут служить ежегодно восполняемым источником сырья для изготовления строительных материалов, пригодных для применения в ограждающих конструкциях зданий. Увеличение объемов их применения не только обеспечит строительство дополнительным сырьем и расширит номенклатуру местных строительных материалов и изделий, но и будет способствовать сохранению и рациональному использованию природных материалов. Это приведет к значительной экономии общественного труда, топливно-энергетических ресурсов, капитальных вложений, транспортных средств, снижению себестоимости выпускаемой продукции. Поэтому решению проблемы рационального использования растительных отходов для изготовления строительных материалов уделяют большое внимание не только в промышленно развитых, но и в аграрных странах, имеющих сельскохозяйственные отходы в больших объемах. В последние годы возрос интерес к применению сельскохозяйственных отходов в производстве различных строительных материалов, а также таких конструкций, как плиты, панели для возведения стен, устройства полов и покрытий. Как показывает отечественная и зарубежная практика строительства, это один из путей, обеспечивающих уменьшение массы зданий и сооружений и улучшение их теплозащиты. Распространенным видом строительных материалов на основе растительных отходов являются широко применяемые традиционные древесностружечные и древесноволокнистые плиты (ДСП, ДВП), выпускаемые предприятиями в больших объемах и номенклатуры.
В Белорусском технологическом университете разработали способ изготовления многопустотных ДСП для конструкций деревянных полов мало- этажных зданий, который позволит улучшить их теплозвукоизоляционные свойства и снизить себестоимость. Например, конструкция панели наружной стены с использованием многопустотной ДСП толщиной 120 мм с заполнением каналов полистирольным пенопластом по сопротивлению теплопередаче эквивалентна кирпичной кладке толщиной 750 мм. Трудозатраты на ее изготовление на 30%, а себестоимость в 1,5 раза ниже аналогичных показателей для стеновой панели дома щитовой конструкции. В качестве заполнителей вертикальных каналов (диаметром 100 мм) могут использоваться керамзитовая смесь и перлитовой песок [84]. В сельском жилищном строительстве все большее применение находят цементно-стружечные плиты (ЦСП). Промышленность выпускает их размерами 3,6x1,2 м и толщиной 8-40 мм. Благодаря физико-техническим свойствам (объемная масса - 1100-1200 кг/м3, прочность - 15 МПа), ЦСП применяются при изготовлении легких и утепленных панелей [84]. Из них можно изготавливать также каркасы для панелей; они био- и морозостойки, хорошо гвоздятся и обрабатываются, устойчивы к ударным нагрузкам, по огнестойкости относятся к трудносгораемым. Наряду с ЦСП в жилищном строительстве нашли применение фибролитовые плиты, изготавливаемые методом прессования древесных стружек, пропитанных хлористым кальцием и смешанных с цементным тестом. Их формуют под давлением около 0,05 МПа, пропаривают, сушат [84]. Они используются и как самонесущий стеновой материал, и как заполнитель деревянного каркаса, а также для утепления чердачных перекрытий. В Уральской лесотехнической академии и Хабаровском техническом университете разработали технологию изготовления плитных материалов из одревесневших остатков однолетних растений без добавления связующих. Давление прессования - 2,5+5 МПа, в зависимости от влажности сырья, при температуре 170С [84]. Широки и многообразны возможности применения костры кенафа. Особого внимания заслуживает использование ее в строительстве. Плиты из костры кенафа обладают хорошими конструкционными, тепло и звукоизоляционными свойствами. В конструкциях стен, междуэтажных перекрытий, крыш, дверей, полов а также для тепловой и звуковой изоляции применяют пенькокостровые плиты [35].
Экспериментальные исследования механических свойств материалов связанной структуры на основе РВК
Большинство теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов на основе гуза-паи не имеют правильной волокнистой структуры. Вероятное расположение волокна в этих материалах в основном направлено параллельно плоской стороне плиты, но некоторая часть волокон неизбежно располагается нормально или под углом к этой плоскости. У некоторых разновидностей органических теплоизоляционных материалов на основе гуза-паи, например ксилолита, состоящего из отдельных зерен (мука гуза-паи), весьма дисперсная волокнистая структура, скрепленная органическими вяжущими. То есть, имеет место смешанное, не чисто волокнистое строение. Поэтому исследования физико-технических, в том числе и механических свойств были проведены в зависимости от используемого вида вяжущего вещества. Выбор методов экспериментальных исследований обусловливался задачами эксперимента. Для определения плотности исследуемых материалов в опытных образцах производились измерения их габаритов штангенциркулем, обеспечивающим точность ±0,01 мм, и взвешивание с точностью +0,05 грамма. При известных массе и объеме образца определение плотности материала производилось согласно ГОСТ 17177.33-81. Характеристики материалов в сухом состоянии определялись после высушивания образцов при температуре 100+5С; материалы, которые имели в своем составе гипс, высушивались при температуре 70+5С, что связано с предотвращением дегидратации гипса во время сушки. Для определения прочностных характеристик материала на основе гипса, армированного гуза-паей, изготовлялись образцы размерами 40x40x160 мм. Об разцы высушивались до постоянного веса. Их испытывали сначала на изгиб на приборе МИ-100 (на кафедре "Технология строительного производства и строи тельные материалы (ТСПиСМ)" ТТУ имени академика М.С.Осими), а затем по ловинки образцов испытывались на сжатие с помощью стандартных пластинок площадью 25 см2 на гидравлическом прессе. Для гипсо-грунто-гузапаитового материала (ГГТТМ) и арболита на основе гуза-паи предел прочности определялся при испытании образцов размерами 150x150x150мм на гидравлическом прессе (после 28 суток хранения в естественных условиях) завода ДСК г.Куляба и на базе кафедры «ТСПиСМ» ТТУ им. М.С.Осими. Фибролит на основе гуза-паи был взят разного состава, где в качестве связующего использовалось жидкое стекло и были исследованы их механические характеристики, с целью оценки возможности использования этих материалов в наружных стенах.
Надо отметить, что при изготовлении фибролитов использовалась стружка гуза-паи фракции не более 5 мм, в противном случае были бы получены некачественные материалы. Гуза-пая такой фракции применялась при изготовлении и других исследуемых теплоизоляционных плит. В качестве от-вердителя массы был использован хлорид аммония. То же можно сказать о ма- териале ТИМНОГХ (теплоизоляционный материал на основе гуза-паи хлопчатника), в котором использовались не только стружки гуза-паи, но и ее волокна. Материалы ГСП (гуза-паито-стружечная плита) были изготовлены из стружек гуза-паи различной фракции до 5 мм, при связующем - ФФС (фенол-формальдегидная смола), отвердитель - хлорид аммония. Образцы при изготовлении выдавливались силой Р=0,5 МПа на гидравлическом прессе. Выдержка велась по часам, что оказывает влияние как на механические, так и на теплотехнические характеристики материала (как это следует из табл. 3.1). Опытные образцы ГСП, по предложенной технологии, были выпущены на деревообрабатывающем комбинате (ДОК) г.Душанбе. Средний объемная масса выпущенных образцов в сухом состоянии составил у0 = 910 кг/м3. Образцы гипсо-гуза-паитовых теплоизоляционных материалов (ГГТМ) содержали разные проценты гуза-паи фракции 5 мм по массе смеси. Были исследованы, помимо теплотехнических, также и механические характеристики этого материала, что подробно приводится ниже. Образцы хлопкостеблебетона были изготовлены согласно технологии, предложенной в работе [124]. Для сравнения исследовались также пиротехнические характеристики образцов теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов на основе костры кенафа (разработка ТашПИ совместно с НПО Узагропромст-рой) и теплоизоляционно-конструкционного материала на основе стружек древесины и стеблей табака, армированного стеблями хлопчатника (разработка ФрунзПИ) (см. табл. 3.6 глава 3.). Эти материалы и ГСП подвергались и гигро-техническим испытаниям, результаты которых приведены в приложении 1. Стебли хлопчатника измельчались до фракций 0,63+5 мм и добавлялись в гипсовую смесь, обладающую в сухом состоянии следующими характеристиками: плотность у0г= 1150 кг/м3; предел прочности при сжатии RrC5K= 0,656 МПа; предел прочности при изгибе RrII3r = 0,329 МПа; коэффициент теплопроводности, согласно [97] Ъг0 = 0,32 Вт/(м-К). Для количественной оценки физико-технических характеристик гипсо-гуза-паитового материала при содержании в нем измельченной гуза-паи в процентном отношении по массе от смеси выбирались по схеме: Н=2, 5, 7, 10, 12, 15, 17 и 20%. При Н более 20% из-за большого объема измельченной гуза-паи формовать материал не удалось. Значения коэффициентов А, В и С для каждой характеристики исследуемого материала f(y0, RH3r Ксж) были определены с помощью микро-ЭВМ марки FX - 801Р на языке «Бейсик». Найденные зависимости приведены в табл. 2.5. Как видно из рисунка 2.3, спад характеристик у0 и R„Jr происходит при Н=2%, что можно объяснить быстрым временем схватывания смеси, процессом пропитки, предварительной обработкой гуза-паи, вследствие чего экстрофиль-ные вещества гуза-паи не успевают раствориться и стружки гуза-паи не впитывают смесь.
Такое явление при Н=5% не наблюдается, потому что, как уже отмечалось, сроки схватывания смеси увеличиваются более чем в 8 раз в сравнении с временем естественного схватывания гипсового вяжущего, и в этом случае гуза-пая успевает пропитаться гипсовой смесью. Поэтому скачка на графике при Н=5% для прочности на сжатие Re» не наблюдается. Вследствие ее гигроскопичности, ГТТМ можно использовать для внутренних стен зданий. Однако при выполнении ряда мероприятий допускается его использование и для теплоизоляции наружных стен. 2.2.2. Механические и гигротехнические свойства материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК) Самым распространенным материалом, изготовленным на основе растительно-цементной композиции, является арболит. Средняя плотность арболита в зависимости от его вида и класса (марки), а также от вида заполнителя не должна превышать значений, указанных в табл. П.5.1. приложения. Фактическая средняя плотность арболита не должна быть больше проектной более чем на 5%, а для изделий высшей категории качества - на 3%. Как следует из таблицы, арболит со средней плотностью 400-850 кг/м3 имеет предел прочности при сжатии 0,5-5,0 МПа. Такие невысокие прочностные характеристики могут объясняться химической агрессивностью органического целлюлозного заполнителя. Прочность сцепления арболита с металлической арматурой составляет 0,1-0,4 МПа, в зависимости от класса арболита, профиля стержней (гладкий, периодический) и защитной обмазки; сцепление фактурного слоя из цементно-песчаного раствора 1:3 (цемент: песок) с арболитом -1,5-1,6 МПа. Деформация арболита при кратковременной нагрузке (показатель сжимае-мости) равняется 7,5Л0", что примерно в 8-Ю раз больше, чем у бетонов на минеральных пористых заполнителях. Сорбционное увлажнение арболита зависит от его средней плотности, применяемого органического целлюлозного заполнителя и введенных добавок; при относительной влажности воздуха 40-90% оно находится в пределах 10-15%. Так как сорбционное увлажнение арболита невелико - материал негигроскопичен. Арболит характеризуется достаточно высоким водопоглощнием, однако преимущество этого материала в том, что он легко отдает поглощенную воду, т.е. быстро высыхает.
Твердение и тепловая обработка материалов и изделий из арболита
Как известно из рассматриваемой технологии получения материалов на основе гуза-паи, завершающим этапом технологического процесса является тепловая обработка и твердение изделий до набора отпускной прочности. Проведенные раннее исследования [76, 77] не дают возможности рекомендовать инфицированные режимы термообработки. Попытка пропаривать арболит как обычный бетон привела к снижению прочности. Это объясняется тем, что при пропаривании в арболите возрастают внутренние напряжения за счет объемных деформаций заполнителя, которые нарушают целостность структуры материала, одновременно увеличивается выделение Сахаров из растительного заполнителя, что способствует «отравлению» цемента. Наилучшие результаты получены при низкотемпературной обработке ар болита по мягким режимам: температура сушки 40...50С и относительная влажность воздуха 70...80%. При таком режиме арболит приобретает распалу- бочную прочность через 18...20 ч. Однако прочность его при этом не превышает 25...40% марочной, а влажность остается в пределах 30...35%. Для дальнейшего набора прочности и снижения влажности до регламентируемых величин требу ется дополнительная выдержка изделий на закрытом складе при 16...18С не менее 7...14 дней. После этого изделия можно отправлять на склад с любым температурно-влажностным режимом (естественное хранение, исключающее увлажнение). -s Твердение изделий - важная технологическая операция в производстве арболита, поэтому изучение процессов твердения и выбор оптимальных способов их ускорения имеют большое практическое значение. Нормальными условиями для твердения арболита считаются: температура 20+2С и относительная влажность окружающего воздуха 70+10%. Арболит на цементе со средней активностью 40 МПа, изготовленный из клинкера с 50...56% трехкальциевого силиката и умеренным качеством (до 8%) трехкальциевого алюмината, твердеет постепенно. Установлено, что прочность арболита с ХД при нормальных условиях твердения повышается, как и в обычном бетоне, пропорционально логарифму времени: где Rn - прочность арболита (предел прочности на сжатие) в любой срок, МПа; R.28 - прочность арболита в возрасте 28 суток; lgn - десятичный логарифм возраста арболита, сутки. Эта формула применима только для обычного алинитового портландцемента М400 и М500 и дает удовлетворительные результаты, начиная с п = 3.
Существует различные способы ускорения процесса прочности арболита, но самым известным и доступным является обычная пропарка. Нарастание прочности арболита на портландцементе М400 при обычной тепловой обработке водяным паром характеризуются данными табл. 2.15. Результаты выполненных нами и рядом специалистов исследований теплопроводности органических рыхлых материалов волокнистого строения приведены в табл. П.2.1. приложения 2. Как видно из этой таблицы, все материалы испытывались при различной степени уплотнения (различной насыпной плотности). Если нанести эти данные на график (рис. 3.1) в зависимости от насыпной плотности, то можно убедиться в том, что явление для неорганических рыхлых материалов волокнистого строения типа минеральной и стеклянной ваты имеет место и в данном случае. Здесь также существует некоторое оптимальное значение насыпной плотности, после которого дальнейшее снижение плотности укладки ведет к ухудшению теплоизоляционных свойств материала. Рис. П.2.1 иллюстрирует наличие подобного же явления для ряда органических рыхлых материалов волокнистого строения, применяемых для теплоизоляции за рубежом [41,140]. Поскольку отмеченное явление так или иначе связано с влиянием конвективных токов, проявляющихся особенно сильно при незначительном уплотнении материалов, то очевидно, что значение оптимальной насыпной плотности должно быть в какой-то мере связано со структурой материалов. Действительно, из рис. П.2.1 приложения видно, что для материалов с наиболее тонкими волокнами, как лен и джут, величина оптимальной насыпной плотности равняется 50-60 кг/м , для материалов же менее дисперсных (волокна древесины, стеблей сахарного тростника и кукурузы) эта величина составляет 60- 80 кг/м3. В исследованных нами материалах, обладающих значительно более грубой структурой, величина оптимальной насыпной плотности, как это видно из рис. П.2.1, колеблется в пределах 100-140 кг/м3. Поскольку органические засыпки на практике слеживаются и применяют-ся уплотненными до насыпной плотности не ниже 120-150 кг/м, при установлении интересующей нас общей зависимости коэффициентов теплопроводности органических рыхлых материалов волокнистого строения от насыпной плотности с отмеченным явлением можно совершенно не считаться. На рис. 3.3. нанесены значения коэффициентов теплопроводности исследованных материалов в зависимости от насыпной плотности при изменении величины последнего от 130 до 250 кг/м3. Как видим, из этого графика нельзя установить вполне четкой картины, иллюстрирующей преимущества (с точки зрения минимума теплопроводности) одного материала перед другим. Правда, можно отметить, например, что торфокрошка и соломенная сечка имеют, как правило, несколько большие значения Я, чем лузга или опилки.
Однако эта разница в общем крайне невелика и не превышает ±10%, т.е. не имеет серьезного практического значения. Это объясняется тем, что все исследованные материалы близки по характеру структуры (исключая, быть может, только торфокрошку) и, с другой стороны, степень дисперсности всех исследованных 6 видов материалов была также достаточно близкой. Все эти материалы могут быть отнесены к числу материалов средневолокнистой структуры. В связи с этим, материалы более дисперсные, как мох или хлопковые очесы, или менее дисперсные, как станочная стружка или камышовая резка, будут, очевидно, иметь значения коэффициентов теплопроводности Я, отличные от полученных нами величин. Однако эти материалы, как уже указывалось, не имеют на практике почти никакого применения, вследствие чего отмеченное обстоятельство не может служить препятствием к установлению искомой общей зависимости, характеризуемой следующим выражением: где Л0- коэффициент теплопроводности материала в сухом состоянии при средней температуре 25±5С, Вт/(м-К); уй- насыпная плотность материала в сухом состоянии, кг/м3. Из рис. 3.2 видно, что соответствующая этой формуле кривая удовлетворительно сходится с результатами испытаний. Формула (3.1) действительна в интервале уй от 125 до 300 кг/м3 и при средней температуре 25±5С. Следует отметить, что формула (3.1) представлена в некорректном виде. С физической точки зрения, только свободный член этого равенства имеет размерности функции А, Вт/(м К). А коэффициенты при у имеют размерность Тепловой режим зданий и сооружений в летнее время формируется под воздействием внешних климатических факторов и зависит от геометрических и теплофизических параметров ограждающих конструкций. Из-за изменчивости внешних климатических условий и инерционности ограждающих конструкций, их тепловое состояние, включая и внутреннею среду помещений, устанавливается нестационарным. При точном математическом описании рассматриваемой системы, даже если она будет составлена, не представляется возможным найти точное аналитическое решение, и из-за огромных затрат времени на расчеты с помощью ЭВМ оно затруднительный в плане численной реализации [14, 64]. В связи с отмеченными сложностями расчетов предлагается рассматривать упрощенную модель. Она заманчива тем, что позволяет проанализировать пре- дельный случай теплового равновесия, когда температура поля всей ограждающей конструкции выровнена и теплопередачу через ограждения можно считать стационарной.
Теплопроводность материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК)
Теплофизические свойства арболита были исследованы в лаборатории завода ДСК г.Куляба Республики Таджикистан и лаборатории «Теплового и воздушного режима зданий» ЦНИИЭПжилища, г.Москвы. Для определения теплопроводности были использованы образцы из арболита на гуза-пае с объемным весом в сухом состоянии 550, 600 и 650 кг/м3, изготовленного с различным весовыми соотношениями дробленки и цемента, а так-же из арболита на сечке камыша с объемным весом 400, 500,650 и 725 кг/м . Для получения значений коэффициента теплопроводности Я была использована методика эксперимента, при которой учитывалась необходимость достижения равномерного распределения влаги внутри материала и сохранение этого состояния в течение опыта. С этой целью значение X определяли на модернизированном приборе Бокка с линейным источником тепла, работа которого основана на закономерностях стационарного теплового режима. Все опыты проводили при температуре 20±5С. Результаты определения зависимости коэффициента теплопроводности от объемной массы арболита на дробленке из гуза-паи и сечке камыша в высушенном до постоянного веса состоянии показали, что теплотехнические свойства арболита на гуза-пае лучше, чем арболита на сечке камыша. Это можно объяснить более плотной структурой последнего. Поэтому коэффициент теплопроводности арболита на камышовой сечке выше, чем у арболита на дробленке из гуза-паи. Для арболита на гуза-пае коэффициент теплопроводности зависит от весового соотношения заполнителя и вяжущего. С уменьшением этого соотношения коэффициент теплопроводности увеличивается. Следовательно, коэффициент теплопроводности арболита растет с повышением расхода цемента. При теплотехнических расчетах ограждающих конструкций зданий из арболита с допустимой степенью погрешности можно использовать формулу зависимости коэффициента теплопроводности от объемной массы материала у0 или l=f(y0), которая имеет следующий вид: где К- коэффициент пропорциональности, зависящий от объемной массы и соотношения заполнителя и вяжущего (табл. 3.2): а и Ь - коэффициенты, определяемые из системы двух уравнений, составленных по экспериментальным данным: они соответственно равны 2,66-Ю"2 и 1,22 10"4; у0- объемная масса высушенного до постоянного веса арболита, кг/м3. Анализируем изменение коэффициента теплопроводности X в зависимости от влажности.
В начальный период сорбционного увлажнения, когда равновесная влажность We = 3 - 5 % (по весу), коэффициент теплопроводности изменяется незначительно, что можно, по-видимому, объяснить большой удельной поверхностью составных компонентов арболита и несоизмеримостью микропор с толщиной моно- и полимолекулярных слоев сорбированной на их поверхности влаги. При дальнейшем увлажнении (до пределов максимального сорбционного увлажнения W6 = 20 -27 %) наблюдается резкое возрастание значения X. Это можно объяснить тем, что сорбированная влага конденсируется в микрокапиллярах, заполнение создает благоприятные условия для улучшения прохождения. теплового потока через твердый каркас. Появление влаги в стыках составных частей арболита, т.е. в макропорах, и дальнейшее ее увеличение сверх 20-27% не приводит к сильному росту коэффициента теплопроводности, так как влажност-ные характеристики, постепенно увеличиваясь, незначительно расширяют мосты для прохождения тепла. Коэффициент теплопроводности арболита при дальнейшем его увлажнении стремится к своему максимальному значению, равному средней величине между теплопроводностью воды и твердого скелета материала. При максимальном влагопоглощении арболита коэффициент теплопроводности остается почти неизменным. В табл. 3.3 приведены средние значения теплофизических характеристик арболита на дробленке из гуза-паи и сечке камыша в зависимости от его объемной массы в сухом состоянии и от различной влажности материала. Для сравнения укажем, что коэффициент теплопроводности сухого дюризола объемной массы 500-700 кг/м3 соответственно равен 0,09 и 0,14 Вт/(м«К). По исследованиям Б.Н. Кауфмана, Л.М. Шмидта и др. [40, 41, 140 и др.], влияние влажности на теплопроводность теплоизоляционных материалов характеризуется данными, приведенными в табл. 3.4. Показатели прироста коэффициента теплопроводности при увеличении влажности фибролита, стружкобетона и опилкобетона могут быть также отнесены и к арболиту. Исследования теплопроводности материалов органического происхождения, проведенные Б.Н. Кауфманом [40, 41], И. Каммерером [140] и другими исследователями [23, 122, 123], показывают, что на величину коэффициента теп- лопроводности органических связанных материалов волокнистого строения влияют нижеследующие основные факторы: - вид вяжущего; - вид органического заполнителя; - характеристики пористой структуры (размер волокон, размер воздушной прослойки между волокнами). Сюда же можно добавить еще и известные факторы, влияющие на предельные значения коэффициентов теплопроводностей материалов, к которым относятся условия изготовления смеси, характер обработки образцов и т.д. Для прикладных задач представляется актуальным на основе экспериментальных исследований установить влияние параметров состава материалов на теплопроводность. Причем параметры состава должны меняться в пределах, характерных для реального теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного материала.
Для решения задачи в такой постановке были проведены экспериментальные исследования теплопроводности ГТТТМ при варьировании параметров его состава. В качестве вяжущих ПТТМ служили: - лессовидный суглинок месторождения г.Душанбе, гранулометрический состав которого приведен в табл. 4.5.1; - строительный гипс марки Г-4 Душанбинского завода строительных материалов. Заполнителем являлись стебли хлопчатника. Для придания биостойкости материалу использовался хлорид кальция по ГОСТ 450 - 77. Исследования теплопроводности образцов из ПТТМ проводились согласно ГОСТ 7076-78 на призмах, размерами 250x250x50 мм, на приборе для определения теплопроводности материалов в лаборатории завода ДСК г.Куляба по методике, приведенной в п. 4.3. Кроме того, для определения прочностных характеристик были изготовлены кубы размером 150x150x150 мм. Все образцы определенного состава изготавливались одновременно. Распалубка производилась на третьи сутки, после чего образцы высушивались до постоянного (сухого) веса при температуре 60С, а затем определялась их теплопроводность. Дальнейшее хранение и испытания по определению прочностных характеристик проводились в естественных условиях. Результаты испытаний материалов ГТГТМ по теплопроводности были подвергнуты статистической обработке. Для установления степени влияния соотношений вяжущих и заполнителя в составе ГГГТМ на его теплопроводность были использованы методы математического планирования эксперимента [20]. .В качестве независимых входных переменных показателей (варьируемых факторов) состава материала принимались: " - отношение веса гипса к весу лессовидного суглинка - Zi; - отношение веса измельченной гуза-паи (дробленки) к сумме весов гипса и лессовидного суглинка - 7 ; - водо-вяжущее отношение - Z Входным параметром материала являлся коэффициент его теплопроводности в сухом состоянии (Ло) - У. После проведения приборных экспериментов были выявлены диапазоны варьирования входных параметров, оказывающие наиболее существенное влияние на входные параметры материала, т.е. на его теплопроводность. А по полученному диапазону варьирования определялись численные значения варьируемых факторов в виде основного уровня и шага варьирования (табл. 3.6).
