CC BY
31
вестник 3/2012
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 666.97
Е.В. Королев*, В.А. Береговой, Д.С. Костин, А.М. Береговой
*ФГБОУ ВПО «МГСУ», ФГБОУ ВПО «ПГУАС»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕНОКЕРАМОБЕТОНОВ НА ОСНОВЕ ОПАЛКРИСТОБАЛИТОВЫХ ПОРОД1
Представлена методика проектирования пенокерамобетонов с заданными показателями теплопроводности, представлены расчетные зависимости коэффициента теплопроводности и прочностиот интегрального показателя структуры ячеистого материала — пористости.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, пенокерамобетоны, теплофизи-ческие свойства, теплопроводность.
Пенокерамобетоны (ПКБ) являются строительными материалами, получаемые по гибридной технологии, сочетающей характерные приемы изготовления пенобетона, пеностекла и пенокерамики [1]. Принципиальное отличие рассматриваемой технологии заключается в том, что в качестве основного минерального компонента используется непластичное керамическое сырье в виде опоки (широко распространенной опалкристобалитовой горной породы), в качестве фиксирующего компонента — цементная технологическая связка, в качестве легкоплавкого сте-клообразующего компонента — тонкомолотые фритты, полученные спеканием при температурах 950...1050 °С специально подобранных многокомпонентных шихт. Роль порообразователя в пенокерамобетонах выполняют доступные синтетические пенообразователи на основе натриевых солей алкиларилсульфонатов или алкил-сульфонатов.
Как показали проведенные исследования, перспективным направлением развития технологии пенокеракамобетонов является использование в качестве поробра-зователягазообразующего компонента на основе алюминиевой пудры или перекиси водорода. При этом в зависимости от вида применяемого газообразователя корректируется состав фиксирующей технологической связки и существенно снижается оптимальное водотвердое отношение сырьевой смеси.
Процесс проектирования составов ПКБ по заданным свойствам основан на использовании ряда разработанных расчетных зависимостей.
На первом этапе по заданной величине теплопроводности ПКБ находится максимально допустимая теплопроводность материала-основы пенокерамобетона X™осн
(невспененной смеси компонентов). Для этого последовательно производятся вычисления, позволяющие решить уравнение (1) относительно параметра н:
^возд^м-осн (j — ^возд ^ (^"м-осн — ^возд )
1 Публикуется при поддержке государственного контракта № 16.552.11.7025 от 29.04.2011 г.
где Х'ЦК1; — требуемое значение теплопроводности ПКБ (назначается из условия ; для пеностеклокерамики =0.08...0.09 Вт/(м°С)); Хвозд— теплопроводность воздуха; Козд— общая пористость материала (формируется из ячеистой пористости V имикропористости материала-основы V ).
яч А А А м-пор'
В уравнении (1) неизвестно значение ^озд, что вносит очевидную неопределенность в процесс дальнейшего решения. Для преодоления указанной неопределенности используется величина прочности при сжатии — критерий, стоящий следующим (за теплопроводностью) в иерархии показателей качества теплоизоляционной пеностеклокерамики [1]. Величина У ограничена требованием обеспечения минимально допустимой прочности , которая для получения конкурентоспособного пенокерамобетона находится из условия
Дтр > ^ „
-'так — ^ •
где Язт— прочность эталонного материала (среднее значение для рассматриваемой группы материалов составляет 1,0.. .1,5 МПа).
Значение V , удовлетворяющее условию обеспечения минимально допустимой прочности ПКБ, рассчитывается по уравнению:
У.... =
* в
1-
\2/3
0,7*
где Ям осн— прочность материала-основы ПКБ; т и п — эмпирические коэффициенты, равные, соответственно, 26,3 и 3,63.
По найденному значению V с учетом микропористости материала-основы V пор=/ (В/Ц))определяется величина общей пористости Козд.
С использованием зависимости (1) и величины У вычисляется ^-ч,'".,.:,,:
4 ' впчи
л здн _ _ лм-осн
+~^ПБК^возд^1
х,тр з[у -х + х з¡V -х V
ПБК V возд лвозд т лвозд у * возд /ьвозд ' в
TIT ту /-
возд
(^"ПБК^
V +
' возд 1
возд
ПБК возд y ' возд
4_?lTP \ з/т/4 л 2
V возд "лПБК ВОЗД V ВОЗД л
возд ~^"возд х
Цу вс
vj/i/ лл Z ТГ . л Z 3/7/- _91 - з/Г/4 I Л - Т/~ _Д1 ТР 1 V
*"возд + ^-лвозд' возд + лвозд ^ 'возд ^возд ' возд + л возд 'возд ПБК возд
к -з fv ï]
возд у /|_*-увозд "У'ВОЗД J у
(3)
Сопоставление вычисленного значения и фактическогозначения теплопроводности базового состава материала-основы позволяет провести прогноз получения конкурентоспособного материала по критерию теплопроводности
(^м-осн - ^м—осн В зависимости от результата прогноза возможны два варианта сценария:
первый сценарий — условие выполняется. В этом случае сравниваемый вариант материала-основы формирует допустимое множество рецептурных решений ПКБ;
второй сценарий - условие не выполняется и тогда возникает необходимость проведения дополнительных этапов процесса оптимизации, целью которых является формирование более рационального по теплофизическим и прочностным свойствам фазового состава материала-основы.
ВЕСТНИК
3/2012
Для определения рационального фазового соотношения между кристаллической и стекловидной фазами рассмотрим расчетную ячейку материала-основы в виде двухфазной системы, состоящей из кристаллической фазы, равномерно распределенной в стекловидной массе. Зависимость искомого показателя от относительного содержания кристаллической составляющей имеет вид
А...
(4)
где Ак— теплопроводность кристаллической фазы; Аст— теплопроводность стекловидной связки; V V— соответственно, относительный объем, занимаемый кристаллической и стекловидной составляющей2 (V = (V -V )№ ).
у к у м-осн ст' мат-оси'
При решении уравнения (4) относительно величины V принимаем, что величина Ак равна теплопроводности материала-основы базового состава. Очевидно, что целесообразность увеличения количества образующейся стекловидной связки без изменения состава (за счет повышения температуры или времени обжига) с целью получения более рационального по теплопроводящим свойствам фазового состава материала-основы ПКБ определяется выполнением условия « К"' а_и </.[. Если данное условие не выполняется, то производится корректировка состава стекловидной связки путем получения многокомпонентных малотеплопроводных фритт.
Приведенная методика проектирования реализована при разработке составов теплоизоляционных пенокерамобетонов. В качестве упрочняющих добавок использовали тонкомолотые малотеплопроводные фритты, полученные сплавлением при температурах 950...1050 °С смеси опоки, ШПЦ и флюсующего вещества.
Выбор флюсующего вещества производили с учетом влияния его состава на тепло-проводящие и прочностные свойства стекловидной фазы. С этой целью использовали зависимости, разработанные в технологии стекла, основанные на аддитивном характере влияния оксидного состава на показатели указанных свойств [2]. Значения числовых коэффициентов, характеризующих влияние оксидного состава на прочностные k. и тепло-проводящие А. показатели стекловидной фазы пенокерамобетонов, приведены в табл. 1.
Табл. 1. Влияние химического состава расплава на показатели свойств стекловидной фазы ПКБ
Оксид к 1 А. 1 Оксид к. 1 А. I
Я сж Я р Я р Я сж
ш2о 0,6 0,02 0,0065 ЧО3 1 0,05 —
к2° 0,05 0,01 0,0024 В2О3 0,9 0,065 0,0066
MgO 0,1 0,01 0,0134 Р2О5 0,76 0,075 0,0056
СаО 0,2 0,2 0,0116 бЮ2 1,23 0,09 0,0087
РЬО 0,48 0,025 0,0020 ВаО 0,62 0,05 —
Анализ данных табл. 1, а также результатов проведенных петрохимических расчетов показал, что для повышения теплоэффективностипенокерамобетона целесообразно использовать следующие добавки:
карбонаты, сульфаты, фосфаты, бораты и фториды натрия (калия, магния или кальция) (№2СО3, №^О4, №3РО4, К2С03, №2Б407 10И20, NaF, MgF2 и Саау— вещества,уменьшающие длину свободного пробега проводников тепла за счет увеличения количества изолированных кремнекислородных тетраэдров в структуре материала;
вещества, способствующие рассеиванию энергии тепловой волны за счет значительной тепловой инерции присутствующих в их составе элементов с высокой атомной массой (РЬО, РЬ304, отходы производства оптического стекла — ОПОС).
2 Экспериментальное определение содержания стекловидной фазы в составе пенокера-мобетона проводили по разности массы навески материала до и после ее растворения в серной и фтористо-водородной кислотах [3].
Выбор флюсующего вещества и расчет его оптимального количества осуществляли по параметрам образующихся стекловидных связок. Результаты расчета с использованием предлагаемой методики на примере проектирования составов пено-керамобетонов со средней плотностью 400 кг/м3 и некоторых флюсующих добавок приведены в табл. 2.
Табл. 2. Влияние добавок-модификаторов на фазовый состав и свойства ПКБ
Добавка на осно- о4 (U Содержание составляющих материала-основы, %, по массе Показатели свойств
й * Материала-основы ПКБ
ве о1 « о О Керамической Стекловидной R , сж' МПа А, Вт/ (м°С) ft кг/м3 R *, сж ' МПа А, Вт/(м°С) P, кг/м3 Сорбция**, %
4,4 80,4 19,6 33,6 0,89 2770 1,50 0,104 360 6,0
N^7 2,9 85,0 15,0 33,5 0,90 2830 1,50 0,104 370 3,9
РЬО 8,3 76,3 23,7 33,5 0,86 3000 1,50 0,100 390 6,1
ОПОС 41 59,0 41,0 33,5 0,79 3540 1,50 0,094 460 4,3
NaF 4 83,7 16,3 33,6 0,88 2790 1,50 0,103 360 4,1
2 6 4,7 83,7 16,3 33,6 0,88 2790 1,50 0,103 360 4,5
Базовый состав 0 100 0 25,0 0,96 2890 0,48 0,110 380 9,3
Примечания.* —0,8 < В/Т<0,9;** — сорбция при 97 % относительной влажности воздуха.
Определение содержания стекловидной фазы в составе пенокерамобетона проводили по разности массы навески до и после ее растворения всерной и фтористоводородной кислотах [3]. Экспериментальные исследования кристаллических фаз пенокерамобетона и исходных сырьевых компонентов были проведены методом рентгено-фазового анализа с использованием дифрактометра «ДРОН-7». Проведенными исследованиями установлено:
1) основными рентгено-идентифицируемыми компонентами использованных опочных пород являются кремнийсодержащие минералы, представленные кварцем (К), тридимитом и кристобалитом (Т), а также глинистые примеси (сепиолит);
2) добавление к опоке шлакопортландцемента (ШПЦ) приводит к заметному увеличению количества кристаллических новообразований в составе обожженных образцов: наряду с кристобалито-тридимитовой фазой происходит образование волластонита (В), гематита, фаялита, диопсида;
3) введение в базовый состав (опока и ШПЦ) флюсующей ^-содержащей фритты (Na2SiF6)сопровождается интенсивным развитием в процессе обжига фазы плагиоклаза (Пл). Рентгенограмма свидетельствует о том, что продукты распада минералов опоки и цементного камня почти полностью растворились в расплаве. Частичному расплавлению подверглась также фаза кварца (рисунок).
ВЕСТНИК
3/2012
Рентгенограмма ПКБ(Опока:ПЦ:фритта (на основе Na2SiF6)=5:1,1:1)
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что экологически чистое и доступное местное опочное сырье может быть использовано в качестве минеральной основы для изготовления эффективных пеностеклокерами-ческих материалов с пористой структурой, формируемой по технологии пенокера-мобетона. Использование предлагаемого подхода к проектированию составов пе-ностеклокерамических материалов позволяет существенно улучшить важнейшие показатели материала, а именно снизить сорбционное увлажнение и теплопроводность при одновременном существенном увеличении прочности по сравнению с базовым составом.
Библиографический список
1. Береговой В.А., Королев Е.В., Баженов Ю.М. Эффективные теплоизоляционные пеноке-рамобетоны. М. : МГСУ, 2011. 264 с.
2. Павлушкин Н.М. Стекло. Справочник. М. : Стройизат, 1973. 487 с.
3. ГОСТ 9758—86. Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2006. 39 с.
Поступила в редакцию в марте 2012 г.
Об авторах: Королев Евгений Валерьевич — доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, директор научно-образовательного центра по направлению нано-технологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, Москва, ул. Ярославское шоссе, 26, (+7 499) 188 04 00, [email protected];
Береговой Виталий Александрович — кандидат технических книг, доцент, заведующий кафедрой строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ПГУАС), 440028, Пенза, ул. Г. Титова, 28, (+7 8412) 929501, [email protected];
Костин Дмитрий Сергеевич — аспирант кафедры строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ПГУАС), 440028, Пенза, ул. Г. Титова, 28, (+7 8412) 929501, [email protected];
Береговой Александр Маркович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ПГУАС), 440028, Пенза, ул. Г. Титова, 28, (+7 8412) 929501, [email protected].
Для цитирования: Использование показателя теплопроводности при проектировании пенокерамобетонов на основе опалкристобалитовых пород / Е.В. Королев, В.А. Береговой, Д.С. Костин, А.М. Береговой // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 90—95.
E.V. Korolev, V.A. Beregovoy, D.S. Kostin, A.M. Beregovoy
APPLICATION OF THE THERMAL CONDUCTIVITY CRITERION IN THE DESIGN OF FOAM-CERAMIC CONCRETES BASED ON THE OPAL-CRYSTOBALITE ROCK
Design method of the foam-ceramic concrete with the pre-set value of thermal conductivity is proposed. Computed dependencies between the thermal conductivity, strength and generalized structural criterion — porosity — are presented. As a result of the research, it was identified that local input materials are ecological and easy to extract, and that they may be used as the mineral basis for the manufacturing of effective foam-glass ceramic materials that demonstrate their porous structure, similar to the one of the foam-ceramic concrete. The employment of the proposed approach to the design of the composition of foam-glass ceramic materials may substantially improve the most important properties of this material, namely, it may reduce the sorption capacity and improve the strength, if compared with the benchmark composition.
Key words: thermal insulation materials, foam-ceramic concrete, thermal properties, thermal conductivity.
References
1. Beregovoy V.A., Korolev E.V., Bazhenov Yu.M. Effektivnye teploizolyatsionnye penokeramo-betony [Effective Foam-Ceramic Concretes for Thermal Insulation]. Moscow, MSUCE, 2011, 264 p.
2. Pavlushkin N.M. Steklo [Glass], Reference Book, Moscow, Stroyizdat Publ., 1973, 487 p.
3. GOST 9758—86. Zapolniteliporistye neorganicheskie dlya stroitel'nykh rabot. Metody ispytaniy [Porous Aggregates for Construction Purposes. Testing Methods: State Standard 9758-86]. Moscow, Standartinform Publ., 2006, 39 p.
About the authors: Korolev Evgeniy Valer'evich, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoeshosse, Moscow, 129337, Russian Federation; korolevEV@ mgsu.ru; 8 (499) 188 04 00;
Beregovoy Vitaliy Aleksandrovich, Penza State University of Architecture and Civil Engineering (PSUAC), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected]; 8 (8412) 9-29-501;
Kostin Dmitriy Sergeevich, Penza State University of Architecture and Civil Engineering (PSUAC), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected]; 8 (8412) 9-29501;
Beregovoy Aleksandr Markovich, Penza State University of Architecture and Civil Engineering (PSUAC), 28 G. Titova St., Penza, 440028, Russian Federation; [email protected]; 8 (8412) 9-29-501.
For citation: Korolev E.V., Beregovoy V.A., Kostin D.S., BeregovoyA.M. Ispol'zovanie pokaza-telya teploprovodnosti pri proektirovanii penokeramobetonov na osnove opalkristobalitovykh porod [Application of the Thermal Conductivity Criterion in the Design of Foam-Ceramic Concretes Based on the Opal-Crystobalite Rock]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 90—95.
