CC BY
27
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 666.973.2
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 5. С. 341-346
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ
С. Н. Долматов, А. В. Никончук
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Современное тенденции в области строительства промышленных и гражданских объектов диктуют повышенное внимание на энергосбережение и высокую тепловую эффективность ограждающих конструкций. Рост мировых цен на энергоносители заставляет вести работы, связанные с минимизацией тепловых потерь зданий и сооружений. Перспективные материалы в виде древесно-цементных композиций обладают не только высокими экологическими показателями, но и низкой теплопроводностью, что позволяет отнести их к конструкционно-теплоизоляционным материалам. В ходе исследований были определены коэффициенты теплопроводности древесно-цементных композиций, выполненных на основе опилок и древесной дробленки. Показатели теплопроводности составили 0,18... .0,66 Вт/(м °С). Установлена влияние влажности и крупности частиц древесного заполнителя на показатель теплопроводности. Правильный учет показателей теплопроводности древесно-цементных композиций позволит минимизировать тепловые потери ограждающих конструкций, изготовленных из этих материалов. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и строительстве.
Ключевые слова: древесно-цементная композиция, арболит, опилкобетон, коэффициент теплопроводности, эксперимент, тепловая эффективность.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 5, P. 341-346
RESEARCH OF INDICATORS OF HEAT CONDUCTIVITY OF WOOD-CEMENT COMPOSITES
S. N. Dolmatov, A. V. Nikonchuk
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Current trends in the construction of industrial and civil facilities dictate increased attention to energy conservation and high thermal efficiency of building envelopes. The increase in world energy prices forces us to carry out work related to minimizing the heat loss of buildings and structures. Promising materials in the form of wood-cement compositions possess not only high environmental performance, but also low thermal conductivity, which allows them to be attributed to structural and heat-insulating materials. In the course of research, the thermal conductivity coefficients of wood-cement compositions based on sawdust and wood crushed were determined. The thermal conductivity was 0.18... 0.66 W/(m °C). The effect of moisture and particle size of wood aggregate particles on the thermal conductivity is established. Correct accounting of the thermal conductivity of wood-cement compositions will minimize the heat loss of walling made from these materials. The results can be used in the design and construction.
Keywords: wood-cement composition, arbolite, sawdust concrete, thermal conductivity coefficient, experiment, thermal efficiency.
ВВЕДЕНИЕ
Практика жилищного и промышленного строительства в различных климатических зонах показывает постоянное увеличение потребности в строительных материалах с высокими теплоизоляционными
свойствами. Проблема тепловой эффективности зданий особенно остро стоит как в странах с холодным, так и с жарким климатом, поскольку затраты на кондиционирование, так как и на отопления весьма высоки. С изменением климата, происходит повышение
температуры окружающей среды, что приводит к вероятным последствиям в виде снижения затрат на отопления объектов, находящихся в северных широтах [12; 14]. Однако вместе со снижением затрат на отопление, неизбежно происходит рост расходов на кондиционирования. А процесс охлаждения воздуха более энергоемок и затратен, по сравнению с его нагревом. Таким образом, размер расходов на поддержание комфортной температуры не будет снижаться, а учитывая затраты на кондиционирования, в обозримом будущем будет даже расти. Колоссальные различия в климатических условиях регионов России требует применять системы отопления и кондиционирования адаптированные к конкретным условиям. Для условий России характерны большие перепады значений средних температур (от -52 °С (Якутия) до -14 °С (Дагестан)) самой холодной пятидневки года, в соответствии с которой проектируются системы отопления. Только в 11 субъектах России из 85 среднегодовая температура выше нуля.
Уголь, газовое и нефтяное топливо служат главными источниками для отопления и кондиционирования объектов жилищного и производственного назначения. В последнее время значительно возрос интерес и начали внедряться технологии использования солнечной и ветровой энергии, но по сравнению с классическим энергоносителями, доля таких технологий сравнительно мала. По данным [17] 51 % домов в США отапливаются природным газом, 30 % - электричеством, 9 % - мазутом. На долю угольного, дровяного, солнечного и геотермального отопления приходится 11 %. Для России, где в основном тепловое снабжение централизованное, 70 % тепла получают при сжигании природного газа, 21 % - угля, 3 % -мазута и 7 % - прочие источники [7; 8].
Анализ способов и источников получения тепловой энергии позволяет сделать вывод, что от 60 до 95 % объема потребления производится и невозоб-новляемых углеводородных источников, объем которых неуклонно снижается, вместе с увеличением стоимости ресурсов. Прогноз и обоснование динамики потребления, разработанные К. Хаббертом, говорит о графике изменения объема добычи и потребления в виде параболы. У которой имеется пик добычи и потребления, за которым неизбежно следует спад вплоть до истощения и полного исчезновения ресурса [13].
Объем добычи нефти в США в 1970-е годы достиг своего максимума, а затем последовал спад, т. е. прогноз в целом оправдался. Тенденции роста добычи нефти 2000-х годов связаны с технологиями горючих сланцев и определенными политическими причинами. Последствия энергетических кризисов (например, 1970-х годов) приводят к тому, что потребители ресурсов стали внимательно относиться к их сбережению и экономичному расходованию, примером могут служить устойчивые тренды как экономического, так и регламентирующего характера в области потребления тепла и электроэнергии, при проектировании и строительстве зданий и сооружений [2; 10].
Несмотря на определенную критику действующих положений строительных норм и правил в области нормативных величин сопротивлению теплопередаче
и теплозащитной характеристики здания, имеется устойчивый тренд роста нормативных показателей тепловой эффективности зданий [6].
Современные направления перспективных строительных материалов наряду с высокой тепловой эффективностью и низкими удельными затратами, связанными с изготовлением, логистикой и применением, имеют новые векторы развития, связанные с повышенным вниманием экологической безопасности применяемых материалов. Строительные материалы, изготовленные с применением древесины, обоснованно считаются высокоэкологичными, обеспечивающими комфортное и безопасное проживание людей. Также древесные материалы имеют высокие теплоизоляционные показатели и эффективность возведения конструкций, вследствие сравнительно низкой удельной массы древесины и отсутствии связанной с этим необходимости возведения конструкций массивных фундаментов, по сравнению, например с конструкциями стен из кирпича, классического бетона.
Важно знать реальные теплоизоляционные показатели строительных материалов, поскольку минимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции напрямую коррелирует с экономией затрат на разогрев и поддержание температуры теплоносителя систем отопления, а эти затраты могут достигать 6080 % общих затрат на содержание объекта. Из-за устойчивой тенденции роста цен на энергоносители возникла тенденция «энергоэффективного» здания, как нового направления в экспериментальном строительстве. Такое строительство ведется по принципу «Sustainable building» [11], когда при проектировании и возведении зданий ставится задача максимального использования возобновляемых, экологически чистых источников энергии, материалов и технологий. А также оптимизации расхода энергии, охраны водных ресурсов, применение материалов повторного использования, в том числе отходов.
Перспективное направление повторного использования древесных ресурсов является производство конструкционно-теплоизоляционных материалов в виде древесных композиций на основе различных вяжуще-клеящих веществ. Эти материалы могут использоваться как конструкционно-теплоизоляционные в виде блоков, плит, панелей. Поскольку потребность в жилых и производственных зданиях постоянно увеличивается, а стоимость ликвидной древесины растет закономерно повышение внимания к технологиям вовлечения в промышленное производство древесных отходов с целью получения композиционных строительных материалов. Прочностные показатели древесно-цементных композиций (ДЦК) в целом соответствуют показателям для пенно-и газобетонов Таким образом, по критериям прочности и материал не уступает легким бетонам и может эффективно использоваться, например, в малоэтажном строительстве [15].
Целью исследований является определение показателей теплопроводности древесно-цементных композиций (ДЦК) для использования их в качестве высокоэффективного конструкционно-теплоизоляционного материала.
Для достижения цели следует решить следующие задачи:
- провести анализ методов определения показателей теплопроводности ДЦК;
- изготовить экспериментальную установку;
- исследование влияния различных факторов на показатели теплопроводности ДЦК
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследования послужили два варианта древесно-цементных композиций. Первый вариант представлял собой опилкобетон, второй - арболит, изготовленный на основе древесной щепы - дроблен-ки. Во всех случаях основой для древесного заполнителя служила древесина сосны. Опытные образцы опилкобетона изготавливались из следующих компонентов: опилки фракционного состава 2 до 5 мм. Влажность опилок 50...65 %. В качестве вяжущего использовался портландцемент 11/А-Ш 32,5Б (ПЦ 400-Д20), класса прочности 32,5 быстротвердеющий, ГОСТ 31108-2003) производства ООО «Красноярский цемент». В качестве заполнителя использовался карьерный песок, модуль крупности - 0,2-3,5 мм, плотность - 1,55-1,65 кг/м3, минерализатор - сульфат алюминия ГОСТ 12966-85. Дозировка компонентов проводилось весовым способом с точностью до 1 гр. Применялась рецептура опилкобетонной смеси следующего состава компонентов: портландцемент 280 гр, опилки 200 гр, А12(804)3 - 30 гр, песок 350 гр, вода 350 гр. Для арболитовой смеси использовалось портландцемент 400 гр, древесная дробленка 240 гр, АЬ(804)э - 30 гр, вода 450 гр.
Изготовление смеси проводилось путем смешивания сухой смеси из портланцемента, песка (для опил-кобетона). Затем добавлялся древесный наполнитель, предварительно прошедший минерализацию в емкости с раствором сульфата алюминия. Затем полученной смесью заполнялись формы. Сушка образцов проводилась при комнатной температуре. Образцы набирали прочность при комнатной температуре ещё 28 суток в условиях естественной влажности. Образцы изготавливались в виде дисков диаметром 70 мм, толщиной 15 мм. Полученная плотность образцов после сушки до влажности 6 % - арболит 670 кг/м3, опилкобетон 880 кг/м3. В процессе определения коэффициента теплопроводности весовым способом определялась влажность образцов.
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, который зависит от состояния вещества, давления, температуры. Чаще всего коэффициент теплопроводности определяют путем эксперимента. Известно несколько методов для экспериментального определения коэффициента теплопроводности [5; 9]. Как правило, все эти методы базируются на фиксации теплового потока q и градиента температур grad Т в проверяемом материале. Коэффициент теплопроводности в этом случае определяется из соотношения 1:
Из зависимости (1) следует, что искомый коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящего за временной интервал через изотермическую поверхность, при разнице температур, равной единице. Поскольку проверяемые образцы могут иметь различную температуру, а также явления теплообмена в объеме проверяемого образца, то температура будет распределена неравномерно в объеме проверяемого тела. Поскольку теплопроводность зависит от интенсивности взаимодействия компонентов кристаллической решетки или молекул для газов, коэффициент теплопроводности будет зависим от температуры. С достаточной для практического применения точностью можно установить допущение линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры.
Для экспериментального определения параметров теплопроводности строительных материалов применяется методика ассиметричной фиксации при стационарном режиме теплопоглощения. Тепломер при этой схеме располагается между экспериментальным образцом и холодильником. [3]
Теплопроводность образца вычисляется согласно зависимости 2 [4]:
Ъ = -, (2)
АТ
qu
- 2Я
где du - толщина испытываемого образца, м; АТ -разница температур, фиксируемых на поверхностях образца, °С; qu - величина плотности теплового потока стационарного типа, проходящего через тело, Вт/м2; Я - термическое сопротивление материала, из которого были изготовлены стенки емкости для сыпучих образцов (при испытании сыпучих материалов), (м2С)/Вт.
Для экспериментального определения показателей теплопроводности древесно-цементных композиций использовалась методика замены тепломера слоем материала с известной теплопроводностью при стационарном тепловом потоке [1; 16].
Была изготовлена экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 1.
х-ртт'[ВТ/(м •: С].
(1)
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
1 - источник теплового потока (нагреватель); 2 - слой материала (текстолит ПТК-20 ГОСТ 5-78-90) с известными показателями (теплопроводности); 3 - образец ДЦК; 4 - радиатор; 5 - термодатчики; 6 - прибор фиксации показателей; 7 - теплоизолятор (экструзионный пенополистирол)
Тепловой поток определялся по зависимости 3:
хт (/j -12)
5Т
(3)
где Хт - коэффициент теплопроводности текстолита, Вт/(м2 • °С); дт - толщина пластины текстолита; ^ и /2 - температуры на границах источника тепла - слой текстолита, слой тектолита - образец ДЦК
Температура воздуха при проведении исследований составляла 22 °С, относительная влажность 40 %. Предварительные эксперименты показали, что стабилизация теплового потока происходит через 35 минут после начала работы прибора. (показатели температуры датчиков не меняются). Для установки индивидуальной погрешности датчиков проводилась их калибровка в воде ртутным термометром. Полученные индивидуальные отклонения учитывались при проведении работы. Погрешность метода составляет 2,9 %, [1], что не превышает допустимой по ГОСТ [4] погрешности в 3 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Образцы ДЦК проверялись в различных температурных режимах (от +30 до +70 °С). Полученные результаты представлены на рис. 2.
ного тела, через которое будет проходить такое же количество тепла при условии тождественности формы и размеров с исследуемым пористым телом. Степень теплопроводности пористого такого материала зависит от его плотности, поскольку коэффициенты теплопроводности компонентов (древесина, песок, цемент) и воздуха, находящегося в порах, сильно отличается.
Рис. 2. Результаты определения коэффициента теплопроводности опилкобетона различной влажности
Результаты экспериментального определения показателя теплопроводности древесно-цементных композиций показали, что коэффициент теплопроводности материала находится в пределах для опилкобетона 0,22....0,66 Вт/(м °С), для арболита 0,18....0,51 Вт/(м °С) и сильно зависит от влажности.
Древесно-цементные композиции являются конструкционно-теплоизоляционными материалами и имеют пористое строение. Наличие пор в материале, в известной степени, не дают возможность рассматривать такие материалы как сплошную среду. Следовательно, искомый коэффициент теплопроводности такого тела будет в определенном смысле величиной условной. Полученная величина будет иметь смысл коэффициента теплопроводности условного однород-
Рис. 3. Результаты определения коэффициента теплопроводности арболита различной влажности
Полученные результаты показателя теплопроводности для арболита и более плотного опилкобетона, это подтверждают, т. е. ведущим фактором, влияющим на теплопроводность является размеры и объем пор в материале, заполненных воздухом. Крупнопористая структура арболита, образованная игольчатыми часлицами древесной дробленки имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем опилко-бетон, состоящий из более мелких частиц опилок и песка, имеющего высокий коэффициент теплопроводности.
Коэффициент теплопроводности ДЦК будет сильно зависеть от влажности материала. Причем коэффициент теплопроводности влажной ДЦК (опилкобе-тон, влажность 56 %) превышает коэффициент теплопроводности сухой ДЦК и воды в отдельности (ДЦК -0,22 Вт/(м20С), вода 0,6 Вт/(м20С). Это можно объяснить различием свойств абсорбционно связанной влаги по равнению с несвязанной водой, а также эффектом конвективного переноса тепла при заполнении капилляров ДЦК водой. При увеличении температуры наблюдается устойчивый линейный рост коэффициента теплопроводности ДЦК. Это явление можно объяснить тем, что при увеличении температуры растет теплопроводность воздуха - газа, находящегося в порах ДЦК
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
j. В результате проведенной работы определены коэффициенты теплопроводности древесно-цемент-ных композиций. ДЦК по величине коэффициента теплопроводности могут быть отнесены к теплоизоляционным материалам.
2. Арболит при прочих равных условиях имеет более высокие теплоизоляционные свойства, чем опил-кобетон. При увеличении температуры показатели теплопроводности ДЦК также увеличиваются.
3. Рост влажности ДЦК ведет к резкому увеличению показателя теплопроводности, что резко снижает теплоизоляционную эффективность ДЦК. Поэтому при проектировании объектов с использованием ДЦК следует предусмотреть меры исключающие возможность увлажнения материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Анисимов М. В., Рекунов В. С. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий // Известия Томск. политехнич. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326, № 9. С. 15-20.
2. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3(30). С. 7-37.
3. ГОСТ 30290-94. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности поверхностным преобразователем. Введ. 01.01.1996. М. : Госстрой России, 1996. 12 с.
4. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Введ. 01.04.2000. М. : Госстрой России, 2000. 20 с.
5. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М. : Энергия, 1979. 318 с.
6. Перехоженцев А. Г. Нормирование сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий по условию теплового комфорта в помещении // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 173-185.
7. Сведения об использовании топливно-энергетических ресурсов (ф. 11-ТЭР). М. : Росстат РФ, 2000-2007.
8. Сводный отчет о работе отопительных котельных и тепловых сетей по Российской Федерации (ф. 1-ТЕП). М. : Росстат РФ, 1997.
9. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент / под ред. Е. Е. Аметистова, В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М. : Энергоиздат, 1982. 512 с.
10. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М. : ГУИ ЭС; Энергия, 2003. 135 с.
11. Табунщиков Ю. А., Бородач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. 2003. 201 с. ISBN 5-94533-007-8.
12. Christenson M, Manz H, Gyalistras D (2006) Climate warm-ing impact on degree-days and building energy demandin Switzerland. Energy Convers Manag 47:671. 686 р.
13. Hubbert M. King. Nuclear Energy and the Fossil Fuels. American Petroleum Institute. Publication No.95. Shell Development Company. June, 1956. P. 1-40.
14. Rosenthal D. H., Gruenspecht H. K. (1995) Effects of globalwarming on energy use for space heating and cooling inthe United States. Energ J 16:77. 96 р.
15. Dolmatov S. N., Nikonchuk A. V., Martynovskaya S. N. The strength of sawdust concrete, produced without mineral aggregates DOI: 10.1088/1757-899X/537/3/032024 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 537(3), 032024.
16. The empirical evaluation of thermal conduction coefficient of some liquid composite heat insulating materials // M. V. Anisimov, V. S. Rekunov, M. N. Babuta et al. // IOP Conf. Series : Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 012014, № 5. DOI: 10.1088/1757-899X/116/1/012014.
17. US Census Bureau. Rooms, number of bedrooms, and house heating fuel: 2000. Census 2000 Summary File 4 (SF4). Washington, DC: US Census Bureau; 2000.
REFERENCES
1. Anisimov M. V., Rekunov V. S. Eksperimen-tal'noye opredeleniye koeffitsiyenta teploprovodnosti sverkhtonkikh zhidkikh kompozitsionnykh teploizoliru-yushchikh pokrytiy // Izvestiya Tomsk. politekhnich. un-ta. Inzhiniring georesursov. 2015. T. 326, №. 9, S. 15-20.
2. Gorshkov A. S., Livchak V. I. Istoriya, evolyutsiya i razvitiye normativnykh trebovaniy k ograzhdayushchim konstruktsiyam // Stroitel'stvo unikal'nykh zdaniy i sooruzheniy. 2015, № 3(30), S. 7-37.
3. GOST 30290-94. Materialy i izdeliya stroitel'-nyye. Metod opredeleniya teploprovodnosti poverkhno-stnym preobrazovatelem. Vved. 01.01.1996. Moscow, Gosstroy Rossii, 1996, 12 s.
4. GOST 7076-99. Materialy i izdeliya stroitel'nyye. Metod opredeleniya teploprovodnosti i termicheskogo soprotivleniya pri statsionarnom teplovom rezhime. Vved. 01.04.2000. Moscow, Gosstroy Rossii, 2000, 20 s.
5. Osipova V. A. Eksperimental'noye issledovaniye protsessov teploobmena. Moscow, Energiya, 1979, 318 s.
6. Perekhozhentsev A. G. Normirovaniye soprotiv-leniya teploperedache naruzhnykh ograzhdeniy zdaniy po usloviyu teplovogo komforta v pomeshchenii // Vestnik MGSU. 2016, №. 2, S. 173-185.
7. Svedeniya ob ispol'zovanii toplivno-energetiches-kikh resursov (f. 11-T-ER). Moscow, Rosstat RF, 20002007.
8. Svodnyy otchet o rabote otopitel'nykh kotel'nykh i teplovykh setey po Rossiyskoy Federatsii (f. 1-TEP). Moscow, Rosstat RF, 1997.
9. Teplo- i massoobmen. Teplotekhnicheskiy eksperi-ment / pod red. E. E. Ametistova, V. A. Grigor'yeva, V. M. Zorina. Moscow, Energoizdat, 1982. 512 s.
10. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2020 goda. Moscow, GUI ES; Energiya, 2003, 135 s.
11. Tabunshchikov Yu. A., Borodach M. M., Shil-kin N. V. Energoeffektivnyye zdaniya. 2003, 201 s. ISBN 5-94533-007-8.
12. Christenson M, Manz H, Gyalistras D (2006) Climate warm-ing impact on degree-days and building energy demandin Switzerland. Energy Convers Manag 47:671, 686 р.
13. Hubbert M. King. Nuclear Energy and the Fossil Fuels. American Petroleum Institute. Publication No. 95. Shell Development Company. June, 1956, P. 1-40.
14. Rosenthal D. H., Gruenspecht H. K. (1995) Effects of globalwarming on energy use for space heating and cooling inthe United States. Energ J 16:77, 96 p.
15. Dolmatov S. N., Nikonchuk A. V., Marty-novskaya S. N. The strength of sawdust concrete, produced without mineral aggregates DOI: 10.1088/1757-899X/537/3/032024 IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, 537(3), 032024.
16. The empirical evaluation of thermal conduction coefficient of some liquid composite heat insulating
materials // M. V. Anisimov, V. S. Rekunov, M. N. Babuta et al. // IOP Conf. Series : Materials Science and Engineering. 2016, Vol. 012014, No. 5. DOI: 10.1088/ 1757-899X/116/1/012014.
17. US Census Bureau. Rooms, number of bedrooms, and house heating fuel: 2000. Census 2000 Summary File 4 (SF4). Washington, DC: US Census Bureau; 2000.
© Долматов С. Н., Никончук А. В. 2019
Поступила в редакцию 23.05.2019 Принята к печати 24.10.2019
