Энергоснабжение и эффективность использования местных материалов в строительстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

□ □

УДК 678.5+699.86(571.56) А.Е. Местников, А.Д. Егорова, С.Г Анцупова

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Изложены результаты научных исследований, проведенных за последние 5 лет сотрудниками кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в области строительного материаловедения.

Вследствие повышения требований, принятых в 1995 г. [1] к тепловой защите зданий, использование однослойных ограждающих конструкций из большинства традиционных материалов в жилищном строительстве стало неприемлемым по экономическим и конструкционным показателям даже в регионах с умеренным климатом.

Согласно новым требованиям [1], взамен ранее принятых норм [2], уровень тепловой защиты жилых зданий Крайнего Севера повысился в пределах 2,20-3,15 раза (табл. 1).

Таблица 1

Расчетные климатические параметры некоторых населенных пунктов Крайнего Севера России

Примечание: * - в числителе - расчетные параметры для жилых зданий по формуле (1) по нормам [2], в знаменателе - по требованиям [1]; ** - данные приведены для сравнения.

Поэтому в суровых климатических условиях России широкое распространение получили многослойные комплексные ограждающие конструкции, где используются традиционные строительные изделия в сочетании с эффективными теплоизоляционными и облицовочными материалами. В г. Якутске, например, предпочтение отдается каркасно-монолитному строительству многоквартирных зданий с вентилируемой фасадной системой, где стоимость привозных материалов составляет больше половины всех затрат.

Однако последние уточнения в требованиях [1], заложенные в региональных нормах [3], с точки зрения энергетической эффективности здания и оборудования в целом позволяют принимать минимальные значения (например, для стен жилых зданий Ятт= 0.63Ягед) нормируемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Я ед. Это обстоятельство позволило ОАО “Агропромпро-ект” [4] на основании энергетического паспорта здания (школы в пос. Теплый ключ Томпонского улуса) обосновать возможность снижения нормируемого сопротивления теплопередаче наружной стены до величины:

Я = 0.63Я = 0.63x5.3 = 3.34 (м2Ч°С)/Вт,

тт гед х /7

где Я гед = 5.3 (м2-°С)/Вт - нормируемое сопротивление теплопередаче стены для климатических условий пос. Теплый ключ Томпонского улуса.

При этом удельный расход тепловой энергии на отопление здания не превысил нормируемого значения. В связи с этим обоснованным обстоятельством появляется возможность перехода к ранее принятым конструкциям стеновых ограждений из эффективных местных материалов (керамзитобетона, арболита, вермикулита, поли-стиролбетона, ячеистых бетонов и др.). На основании теплотехнического расчета общая толщина двухслойной наружной стены из керамзитобетона должна составлять 0.8 м: наружный конструкционный слой 0.4 м - из керамзитобетона плотной структуры плотностью 1100 кг/м3, внутренний теплоизоляционный слой 0.4 м - из крупнопористого керамзитобетона плотностью 550 кг/м3.

Населенный пункт Температура наружного воздуха, °С Период со среднесуточной температурой < 8 °С Градусо-сутки отопительного периода , °С- сут Нормируемое значение Ягед для стен жилых зданий, (м2-°С)/Вт

абсо- лют. мин. абсо- лют. макс. наиболее холодной 5-дневки ^=0,92 прод.- ность, суток средн. темпе- ратура, °С

Анадырь -51 28 -40 307 -11.3 9609 1.73/4.74*

Архангельск -45 34 -31 251 -4.7 6200 1.47/3.54

Магадан -50 30 -29 278 -9.6 8229 1.41/4.26

Мурманск -37 32 -27 281 -3.3 6547 1.35/3.68

Нюя (Южная Якутия) -59 38 -49 252 -14.5 8694 1.98/4.41

Оймякон -71 33 -60 275 -25.8 12595 2.30/5.97

Тикси -54 33 -44 365 -13.4 12191 1.84/5.80

Якутск -64 38 -55 254 -21.2 10465 2.16/5.10

Москва* * -42 37 -26 213 -3.6 5027 1.32/3.16

и 37

Таким образом, в области строительного материаловедения стало актуальным создание и совершенствование технологий производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов и изделий с использованием местного минерального сырья - извести, гипса, цеолита, вермикулита, песка, глины и др. При этом к строительным материалам предъявляются повышенные требования по эксплуатационным показателям (морозо-и влагостойкости, биологической стойкости, стойкости против коррозии, действия высокой температуры и циклических температурных колебаний и др.).

В этой связи особый интерес представляют легкие бетоны с пористыми заполнителями (неорганическими - по наличию сырья в Якутии - керамзит и вспученный вермикулит, органическими - древесная щепа и пенополистрол), ячеистые бетоны (пено- и газобетоны, пено- и газосиликаты).

Разработанная нами модифицированная пено бетонная смесь (патент РФ № 2160726) на основе органической добавки (ОЗП) из отходов зернового производства обладает повышенной кратностью пены, высокой стойкостью поризованного теста, а пенобетон характеризуется повышенной прочностью при пониженной плотности.

В пенобетонной смеси количество добавки ОЗП не превышает 1,0%. Добавка ОЗП позволяет использовать пенообразователи различного химического строения (ал-килдиметиламин, синтетическое моющее средство, например, «Кристалл», клееканифольный пенообразователь, пенообразователи марки ПО и др.). При этом достигается повышение технологических и эксплуатационных показателей пенобетона из местного сырья, в частности, повышение кратности пены на 19-25% и стойкости поризованного цементного теста - 29-30%, снижение плотности на 16-26% и повышение прочности пенобетона - 26-29%.

Практическим результатом научно-исследовательской работы явилась разработка технологии изготовления перегородочных плит из пенобетона с органическим заполнителем из отходов Якутского кожкомбината. Объем сухого органического заполнителя - стружки кожи для получения строительного материала с повышенной зву-копоглощаемостью составляет 3-5% по массе от общего количества вяжущего и песка. Физико-механические показатели пенобетонных плит (ГОСТ 23499-79) из опытной партии приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные физико-механические показатели пенобетонных плит с органическим заполнителем

Параметры Средняя плотность, кг/м3

500 600

Предел прочности при сжатии, МПа: - на портландцементе М400 1.5 2.2

- на гипсе Г6 0.8 1.4

Теплопроводность, Вт/(м- К) - на портландцементе М400 0.091 0.129

- на гипсе Г6 0.088 0.124

Оценку звукоизолирующей способности ограждающих конструкций проводили ориентировочным методом в ближнем звуковом поле.

Полученные данные позволяют судить об эффективности использования отходов обработки кожи в звукоизоляционных материалах и целесообразности продолжения исследований. По сравнению с обычным бетоном предложенные материалы снижают уровень звука в 1,2-1,4 раза (табл. 3).

Таблица 3

Звукоизолирующая способность стеновых ограждений

№ Материал ограждения Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

1 Цементный бетон плотностью 2200 кг/м3 33.3 40.5 39.8 43.7 49.9 54.9 59.8 61

2 Пенобетон плотностью 800 кг/м3 с отходами кожзавода 28 32.7 36.7 36.5 41.8 47.8 52.9 52.9

Представляют значительный интерес для малоэтажного строительства низкомарочные бетоны на основе гипсовых вяжущих веществ (ГВВ), производство которых можно организовать непосредственно вблизи месторождений гипсового камня (например, в г. Олекминске и в Сунтарском улусе). Гипсовые материалы по теплозащитным, звукоизолирующим свойствам и огнестойкости превосходят аналогичные бетоны и материалы на портландцементе, а по декоративным и экологическим показателям они не имеют себе равных в строительстве. Однако гипсовые материалы и изделия применяют, как правило, только внутри зданий с относительной влажностью воздуха не более 60%, что связано с присущими им отрицательными свойствами (низкая водо-, морозостойкость, а также пониженная долговечность и высокая ползучесть).

Исследования по увеличению сроков эксплуатации и улучшения качества изделий и конструкций из гипсовых материалов проводились интенсивно в 1980-х годах [5, 6, 7 и др]. Результаты этих работ позволили значительно расширить область применения гипсовых материалов в строительстве за счет использования их в наружных конструкциях и в зданиях с относительной влажностью воздуха более 60%. Несмотря на высокую технико-экономическую эффективность разработанных ранее разновидностей гипсовых вяжущих [6], их применение в строительстве все еще недостаточно.

Наличие в Якутии местного сырья для получения водостойких гипсовых вяжущих низкой водопотребнос-ти (ВГВНВ) предопределило направление дальнейших наших исследований. Нами получены водостойкие гип-соцементно-цеолитовые вяжущие (ВГЦЦВ) и водостойкие гипсоизвестково-цеолитовые вяжущие (ВГИЦВ) низкой водопотребности соответственно со следующими свойствами: водопотребность - 21...26 и 32...38%; предел прочности при сжатии в сухом состоянии - 27.0.42.0

и 12.0.22.0 МПа; предел прочности при изгибе в сухом состоянии - 8.5.12.0 и 4.0.. .9.8 МПа и коэффициент размягчения - 0.68.0.94 и 0.61.0.75.

Разработанные нами ВГВНВ в наибольшей степени отвечают требованиям к качеству гипсовых изделий и могут быть использованы в бетонах для стеновых материалов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях Якутии.

Нами выполнена также серия экспериментов по подбору составов опилкобетонов на ВГЦЦВ и ВГИЦВ низкой водопотребности. В процессе подбора состава нами было взято опилок от 3 до 7% по массе. В результате получены опилкобетоны на ВГЦЦВ и ВГИЦВ низкой водопотребности соответственно со следующими характеристиками: пределом прочности при сжатии - 7.12.5 и 2.5.9.5 МПа; пределом прочности при изгибе - 4.0.. .7.5 и 1.2.. .6.0 МПа при средней плотности 850.1300 и 600.1100 кг/м3.

Для установления возможности применения полученных опилкобетонов на разработанных вяжущих в стеновых конструкциях определены их основные строительноэксплуатационные свойства. Изученные свойства в наибольшей степени позволили спрогнозировать поведение исследуемых опилкобетонов при эксплуатации в суровых климатических условиях (табл. 4).

Таблица 4

Водостойкость опилкобетонов

Результаты испытаний (табл. 4) показали, что опилкобетоны на ВГВНВ обладают высокой водостойкостью. Была изучена морозостойкость опилкобетонов на основе ВГВНВ по ГОСТ 10060-87 (по первому методу) (табл. 5). Полученные материалы показали, что опилкобетон на ВГЦЦВ выдержал 50 циклов, а на ВГИЦВ - 35 циклов.

Согласно СНиП, разработанные опилкобетоны даже из литых смесей по морозостойкости могут быть использованы в стенах отапливаемых зданий II и III классов при относительной влажности воздуха внутри здания менее 75%. Теплопроводность их определяли в соответствии с ГОСТ 7076-78 методом стационарного режима при потоке тепла сверху вниз на одинаковых образцах при разной влажности (табл. 6).

Таблица 5

Морозостойкость опилкобетонов

Шифр бетона Коли- чество циклов Средняя прочность, МПа, в водонасыщенном состоянии до испытания Прочность, МПа, после прохождения циклов замораживания и оттаивания Потери прочности, % Марка по морозостойкости

25 6.2 6.2 -

1 35 6.2 6.1 1.6

50

50 6.2 6.0 3.3

15 4.8 4.8 -

2 25 4.8 4.7 2.1

35

35 4.8 4.5 4.2

Таблица 6

Теплопроводность опилкобетонов

Шифр бетона Средняя плотность, кг/м3 Равновесная влажность, % по массе Коэффициент теплопроводности, Вт/(м 0С) Автор

при нулевой влажности при равновесной влажности

1 810 15.5 0.22 0.35 Наши данные

2 760 15.1 0.21 0.33 Наши данные

3 1200 15.9 0.48 0.62 По автору [5]

Результаты испытаний позволяют отметить следующее: при изменении влажности на 1% коэффициент теплопроводности (табл. 6) изменяется примерно на 0.01 Вт/(м-°С).

В лабораторных условиях получены теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные пеногипсы на основе ВГЦЦВ и ВГЦИВ низкой водопотребности, отличающиеся лучшей технологичностью и лучшими теплотехническими свойствами, по сравнению с обычными пенобетонами, которые позволят увеличить долговечность теплоизоляционного слоя в стеновых конструкциях (табл. 7).

Таблица 7

Физико-механические показатели изделий из пенобетонов

Показатели пенобетона Средняя плотность, кг/м3

на вяжущем 500 600 700 800 900

Прочности на сжатие, МПа

- портландцемент 400 1.5 2.2 2.9 3.5 4.0

- ВГВНВ 1.1 1.5 2.2 2.8 3.2

Теплопроводность, Вт/(м-°С)

- портландцемент М400 0.12 0.14 0.17 0.20 0.24

- ВГВНВ 0.11 0.12 0.15 0.19 0.22

Таким образом, предлагаемые составы ВГЦЦВ и ВГИЦВ низкой водопотребности могут быть использова-

Шифр бетона Вид опилкобетона Коэффициент размягчения Л / нас/ /Л / пост.масса Коэффициент водостойкости лвод.хр. / Л28 / / рвозд.хр / Л28 Автор

1 Опилкобетон на ВГЦЦВ низкой водопотребности 0.74 0.94 Наши данные

2 То же на ВГИЦВ низкой водопотребности 0.66 0.92 Наши данные

3 То же на гипсоцемент-но-пуццолановом вяжущем 0.65 0.86 По автору [5]

и 39

ны при возведении малоэтажных зданий монолитным способом, а также вместо гипсового вяжущего при производстве гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, мелкоштучных изделий для перегородок, что позволит повысить водостойкость и расширить область применения их в строительстве.

Нами предложен и научно обоснован способ изготовления отделочных плит с мелкозернистым покрытием из цеолитсодержащих пород - природных адсорбентов, улучшающих микроклимат воздуха помещений, например, в больничных палатах и в домах отдыха. Разработаны технология нанесения зернистого материала на древесные плиты, способ ее гидрофобизации и крепления к поверхности ограждения. Основные характеристики отделочных плит приведены в табл. 8.

Технология изготовления плит следующая: клеевой состав наносят на пропитанную олифой и высушенную плиту способом пневматического распыления под давлением сжатого воздуха 0.3 МПа или малярным валиком. Зерна покрытия наносят путем втапливания крошкометом с расходом зерен 1.8-2.5 кг/мин. Более экономичен с точки зрения энергозатрат и уменьшения отходов способ нанесения зернистого покрытия из расходного ящика.

Устройство представляет собой ящик, заполненный зернистым материалом, который приподнимается ножной педалью и придавливает слой зерна к плите, уложенной клеевым слоем вниз. Далее плиты высвобождаются из ящика и кондиционируются в отапливаемом помещении.

Таблица 8

Основные технологические показатели производства отделочных плит с зернистым покрытием

Параметры технологии Показатели

Вязкость клеевого слоя по прибору Суттарда при 20°С, см 14

Жизнеспособность состава при 20°С, сут. 7

Удобонаносимость (способы) контактный, пневматический

Продолжительность твердения при 20°С, мин 105-200

Оптимальная толщина клеевого слоя, мм S 0 зерен

Расход клеевого состава, г/м2 250-400

Время смывания зерен с основания плит при 20 и 50°С 35 и 17

Вязкость гидрофобизатора (олифа-оксоль) при ВЗ-4, с 5-6

Продолжительность высыхания, ч 12-24

Расход гидрофобизатора, кг/м3 150-200

Прочность зерна 5-10 мм (дробимость при сжатии), МПа 2.23

Сцепление зерен 0.63-1.25 мм с клеевым слоем, МПа 0.304

Дальнейшим этапом развития области применения местного сырья - цеолитсодержащих пород в производстве строительных материалов является разработка теплоизоляционных материалов (пористого заполнителя для бетонов) и изделий (плит) на основе вспученного цеолита. Представляет значительный интерес низкотемпературная технология получения теплоизоляционных материалов, подобных пенополистиролу, из минерального сырья - вермикулита, а также из кварцевого песка - силикатного и стекольного сырья, широко распространенного в Якутии.

Разработанные материалы и изделия из местных сырьевых ресурсов могут быть легко реализованы в минипроизводствах. Так, на основе модифицированной пенобетонной смеси планируется выпуск пенобетонных блоков марки по средней плотности D500 с повышенной прочностью и морозостойкостью, низкой теплопроводностью. В настоящее время прорабатывается вопрос об их использовании в конструкциях наружных стен в монолитно-каркасном строительстве. Предложенная конструкция наружных стен вполне может заменить широко распространенное многослойное ограждение с вентилируемой фасадной системой, что позволит значительно снизить материалоемкость завозимых в Якутию строительных материалов. Перегородочные плиты из пенобетона с органическим заполнителем из отходов кожи могут успешно заменить литые гипсовые плиты, выпуск которых был приостановлен из-за отсутствия местного гипса, а стоимость привозного гипса в 1.5-2 раза дороже местного портландцемента М400 АО «Якутцемент».

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

2. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника.

3. ТСН 23-343-2002. Республики Саха (Якутия). Теплозащита и энергопотребление жилых и общественных зданий.

4. Горин В.М., Токарева С.А., Кривопалов А.М. и др. Перспективы применения керамзитобетона на современном этапе жилищного строительства //Строительные материалы. 2004. № 12. С. 22-23.

5. Ферронская А.В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций. М.: Стройиздат, 1984. С. 256.

6. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник / Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2004. С. 488.

7. Алкснис Ф.Ф., Алксне В.И. Гипсоцементные материалы для наружных стен зданий (опыт Латвийской ССР). Рига, 1984. С. 186.

A.E. Mestnikov, A.D. Egorova, S.G. Antsupova

Energy-supply and effective use of local materials in the construction

The results of researches have been stated in the article, carried out by the collaborators of the chair “The production of construction materials, manufactures and structures” in the field of the construction materials for last 5 years.

------*r‘Xr‘V-------------