Керамзитобетонный блок с высокими теплозащитными свойствами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 536.212.2

КЕРАМЗИТОБЕТОННЫЙ БЛОК С ВЫСОКИМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

© 2008 г. ВА. Перфилов, В.И. Лепилов

Волгоградский государственный Volgograd State University of Architecture

архитектурно-строительный университет and Civil Engineering

В корпусе керамзитобетонного блока предложена система параллельных воздушных прослоек, разделенных экранами из материала блока. Толщина воздушной прослойки подбирается таким образом, чтобы в ней была полностью подавлена конвективная теплопередача, и передача теплоты осуществлялась за счёт теплопроводности воздуха при заданных интервалах температур.

Ключевые слова: керамзитобетонный блок, теплопроводность, воздушная прослойка.

In the frame of expanded-clay concrete block the system of parallel aerial layers, divided by screen from blocks material, is suggested. The thickness of aerial layer is selected thus that the convection heat transmission inside of aerial layer completely depressed; and the heat transmission is carried out by heat conductivity for adjusted intervals of temperature.

Keywords: expanded-clay concrete block, heat conductivity, aerial layer.

В настоящее время строительной индустрией выпускается большое количество облегченных строительных материалов с повышенными теплозащитными свойствами. Согласно требованиям нормативов, минимальный размер отверстий составляет 10 - 12 мм, а коэффициент теплопроводности кладки из пустотелых кирпичей должен быть на 25 - 40 % меньше, чем полнотелых. В последнее время строительные фирмы предпочитают полнотелый кирпич, так как выигрыш от усиления теплозащитных свойств ограждающих конструкций при использовании пустотелого кирпича является незначительным и не приводит к уменьшению толщины стены. Повышение же расхода вяжущего раствора за счет его проваливания в полости приводит к значительному удорожанию работ. Кроме того, в воздушных прослойках толщиной 10 - 12 мм при значительном перепаде температур между наружным и внутренним воздухом в зимний период возникает конвективная теплопередача, что способствует увеличению потерь теплоты через ограждающие конструкции. Попыткам уменьшения и подавления конвективной теплопередачи посвящены многие работы и исследования.

Целью данной работы является предание стандартному керамзитобетонному блоку теплозащитных свойств, соответствующих теплоизоляционным материалам.

Поставленную задачу предлагается решать путем устройства в корпусе керамзитобетонного блока системы параллельных воздушных прослоек разделенных экранами из материала блока. Плоскость экранов

расположена перпендикулярно направлению теплового потока. Толщина воздушной прослойки подбирается таким образом, чтобы в ней была полностью подавлена конвективная теплопередача и передача теплоты осуществлялась за счёт теплопроводности воздуха при заданных интервалах температур.

На рис. 1 изображен вариант предлагаемого ограждающего элемента с повышенными теплозащитными свойствами на основе стандартного керамзитобе-тонного блока. Блок 1 изготовлен из керамзитобетон-ной смеси. В теле изделия выполняются воздушные прослойки в виде девяти сплошных воздушных экранов 3, расположенных на расстоянии 20 мм от боковых поверхностей, не доходящих до торцевых стенок изделия 20 мм и до ложковой поверхности 3-5 мм. Воздушные прослойки разделены экранами 2 из материала блока толщиной 14,33 мм. На разрезе показана зона экранирования 4, состоящая из чередующихся воздушных и керамзитобетонных экранов, и неэкра-нированные закраины 5 (заштрихованная часть). В условиях монтажа ограждающей конструкции боковая поверхность блока должна располагаться перпендикулярно направлению теплового потока, а каждый последующий слой предлагаемых блоков укладывают открытой поверхностью вниз на свежеуложенный цементно-песчаный раствор. Такой способ монтажа не позволяет раствору забиваться в воздушные прослойки и не приводит к его перерасходу. Образованная система замкнутых воздушных экранов также повышает теплозащитные и звукоизоляционные свойства ограждающей конструкции.

А

А

Рис. 1. Экранированный керамзитобетонный блок: 1- корпус блока; 2 - керамзитобетонные экраны; 3 - воздушные экраны; 4 - боковая зона экранирования (незаштрихованная часть); 5 - неэкранированные закраины

В зимний период наружные поверхности ограждающих конструкций зданий и сооружений подвергаются воздействию отрицательных температур, в то время как внутри помещения сохраняется положительная температура. Необходимо определить толщину воздушной прослойки для отрицательных температур, в которой отсутствует конвективная составляющая теплопередачи. Толщина воздушной прослойки определяется по известным критериальным уравнениям [3, 4]. Сначала проводится предварительный расчёт зависимости коэффициентов эквивалентной теплопроводности воздушных прослоек от их толщины для температуры наружного воздуха - 30 °С и перепада температуры Д t, равного 10 °С. Проведены аналогичные расчёты коэффициентов эквивалентной теплопроводности воздушных прослоек для температуры наружного воздуха - 30 °С и перепадов температур Д t, равных 20, 30, 40, 50 и 100 °С. По результатам расчетов построены зависимости коэффициента эквивалентной теплопроводности ^экв, Вт/(м-К) воздушной прослойки от ее толщины, 8 мм, представленные на рис. 2.

Анализ представленной зависимости (рис. 2) показывает, что с увеличением воздушной прослойки после срыва конвективной теплопроводности происходит резкое увеличение коэффициента теплопроводности, а значит, и быстрое увеличение теплопередачи.

Хэквх10-2, Вт/(м-К) 6

" 6

| 5

* 4 3

| 2

> 1

1 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8, мм

Рис. 2. График зависимости коэффициента эквивалентной теплопроводности Хэкв, Вт/(м-К) воздушной прослойки от ее толщины, 8 мм, при Тс = - 30 ° С и перепадах температур Дж, равных 1 - 10, 2 - 20, 3 - 30, 4 - 40, 5 - 50 и 6 - 100 °С

2

1

3

5

4

3

2

Для дальнейших расчетов принята воздушная прослойка толщиной 5 мм, как достаточно надежная при отрицательных температурах -30 °С при перепаде температур в 50 °С, в которой полностью подавлена конвективная составляющая теплопередачи.

Расчет коэффициента эквивалентной теплопроводности кладки из керамзитобетонных блоков проведем с помощью схемы, представленной на рис. 3. Условно разобьем предлагаемый керамзитобетонный блок на три части, где I — стенка блока, обращенная в окружающую среду; II — средняя экранированная часть блока; III — стенка блока, обращенная внутрь помещения. Тепловой поток направлен перпендикулярно к боковой поверхности блока.

2

III 2

I 2 1

Рис. 3. Расчетная схема для определения коэффициента эквивалентной теплопроводности Хэкв.кл. керамзитобетонного блока в кладке: I - стенка блока, обращенная в окружающую среду; II - средняя экранированная часть блока; III - стенка блока, обращенная внутрь помещения; 1 - внутренняя и внешняя боковые стенки керамзитобетонного блока; 2 - це-ментно-песчаный раствор, необходимый для монтажа блока в кладку; 3 - экранированная воздушными прослойками средняя часть керамзитобетонного блока; 4 - неэкраниро-ванные закраины средней части керамзитобетонного блока

Боковая поверхность части I состоит из керамзи-тобетонной пластины 1 толщиной 81 = 0,02 м, площадью Fб = 0,08 м2 и зоны цементно-песчаного раствора 2, необходимого для монтажа блока в кладку толщиной 81, площадью Fр = 0,0061 м2. Площадь одного блока в кладке Fкл = 0,0861 м2

Часть II толщиной 8эф = 0,16 м состоит из зоны цементно-песчаного раствора 2 площадью Fр, зоны неэкранированных керамзитобетонных закраин 4 площадью Fз = 0,0098 м2 и экранированной зоны 3 площадью Fэф = 0,0702 м2, состоящей из чередующихся воздушных и керамзитобетонных параллельных экранов. Количество воздушных экранов - 9, толщина каждого 8воз = 0,005 м. Количество керамзитобетонных экранов - 8, толщина каждого 8кер = 0,0143 м.

Размеры и параметры III части полностью соответствуют I части.

Для проведения расчетов используем известные данные: = 0,36 Вт/(м-К) - коэффициент теплопроводности керамзитобетона в сухом состоянии; ркер = = 1200 кг/м3 - плотность керамзитобетона; 1.ц.п =

= 0,58 Вт/(м-К) - коэффициент теплопроводности цементно-песчанного раствора в сухом состоянии; рц.п = 1800 кг/м3 - плотность цементно-песчанного раствора; = 0,024 Вт/(м-К) - теплопроводность воздуха при температуре t = -5 °С; пвоз = 9 шт. - количество воздушных прослоек; 8воз = 0,005 м - толщина воздушных прослоек.

Коэффициент эффективной теплопроводности II части (рис. 2) зоны 3, состоящей из чередующихся воздушных и керамзитобетонных экранов без учета неэкранированных керамзитобетонных закраин 4 и цементно-песчаного раствора 2, определяется по формуле [4]:

} = Е §кб + Е 5воз эф Е 5кб + Е 5 воз

1

кб

1

где Е 5кб - сумма толщин керамзитобетонных экранов (8 шт) в экранированной зоне блока; Е 5воз - сумма толщин воздушных прослоек (9 шт) в экранированной зоне блока; - коэффициент теплопроводности керамзитобетонных перегородок, Вт/(м-К); -коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К).

Подставив известные данные, получим, Вт/(м-К):

^эф -

0,16

_ 0,005 „ 0,0143 9 —-+ 8-

0,16 2,194

= 0,073.

0,024

0,36

Коэффициент эквивалентной теплопроводности II части (рис. 2), состоящей из центральной экранированной зоны 3, неэкранированных закраин 4 и це-ментно-песчаного раствора 2, определится по формуле [5]

_ -^эфЛэф + ^кб^кб + ^ц.п^ц.п

F

Для сухого материала и количества воздушных прослоек п = 9 шт., составит, Вт/(м-К):

0,0702 • 0,073 + 0,0098 • 0,36 + 0,0061 • 0,58

0,0861

0,0122 0,0861

_ 0,1416.

Коэффициенты эквивалентной теплопроводности зоны I и зоны III керамзитобетонного блока в кладке будут равны и определяться по формуле [5]

= ^П--

F

Для сухого блока, Вт/(м-К)

„ „ 0,2-0,4 • 0,36 + 0,0061-0,58 0,03234 1 _ 1ц _-_-_ 0,3756.

0,0861

0,0861

1

Коэффициент эквивалентной теплопроводности керамзитобетонного блока (зоны I, II, III) в кладке определится по формуле [5]

5кл

X„

5

экр

5I 5

- + — + —

Xi X

III

экв.экр.

Для сухой стены при количестве воздушных прослоек 9 шт. по 5 мм каждая, Вт/(м-К)

0,20 0,20

X,,

0,16

- + -

0,02

0,1416 0,3756

• 2

1,236

= 0,162.

Аналогичные расчеты коэффициентов теплопроводности были проведены для зон экранирования -^эф, экранированного керамзитобетонного блока как строительного элемента - ^экв.б, керамзитобетонного блока в кладке - ^экв.кл для количества воздушных экранов от 2 до 10 при их толщине 5 мм. При этом расстояние от крайних воздушных прослоек до краев блока остается постоянным, изменяется только толщина керамзитобетонных экранов и их количество. Так, например двум воздушным экранам соответствует один керамзитобетонный экран толщиной 8кб = 150 мм; трем - 2 экрана толщиной 8кб = 72,5 мм; четырем - 3 экрана толщиной 8кб = 46,67 мм; десяти - 9 толщиной 8кб = 12,22 мм. Рассчитаны коэффициенты термического сопротивления Rкл кладки экранированными блоками в один блок толщиной 0,4 м. Полученные результаты приведены в таблице.

На рис. 4 представлены изменения коэффициента теплопроводности в зависимости от количества воздушных прослоек толщиной 8воз = 0,005 м, коэффициента эффективной теплопроводности экранированной зоны керамзитобетонного блока, коэффициента эквивалентной теплопроводности ^эквб экраниро-

изделия и. коэффициента эквивалентной теплопроводности ^экв.кл экранированного керамзитобетонного блока в кладке.

X, Вт/(м-К) 0,26

0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06

_L

2

1 z

1

3

5

7

9

Рис. 4. Изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от количества воздушных прослоек толщиной 8воз = 0,005 м: 1 - коэффициент эффективной теплопроводности Хэф экранированной зоны керамзитобетонного блока; 2 - коэффициент эквивалентной теплопроводности Хэквб. экранированного керамзитобетонного блока как единичного изделия;. 3 - коэффициент эквивалентной теплопроводности

ванного керамзитобетонного блока как единичного хэкв.кл. экранированн°г° керамзитобет°нн°го бл°га в кладга

n, шт

Значения коэффициентов теплопроводности предлагаемого экранированного керамзитобетонного блока и коэффициент термического сопротивления

кладки в один блок

Количество воздушных прослоек толщиной 5 мм, n, шт Эффективный коэффициент теплопроводности изолированной зоны, Хэф, Вт/м-К Эквивалентный коэффициент теплопроводности керамзитобетонного блока, Хэкв.б, Вт/м-К Эквивалентный коэффициент теплопроводности керамзитобетонного блока, в кладке, Хэкв.кл., Вт/м-К Коэффициент термического сопротивления кладки в один блок (0,4 м), R , (м2-К)/Вт

2 0,192 0,232 0,257 1,556

3 0,156 0,201 0,230 1,739

4 0,131 0,179 0,210 1,905

5 0,113 0,163 0,195 2,051

6 0,099 0,150 0,184 2,174

7 0,089 0,141 0,175 2,286

8 0,08 0,132 0,168 2,381

9 0,073 0,126 0,162 2,469

10 0,067 0,120 0,157 2,548

Анализ результаты расчетов, представленных в таблице, позволяет сделать вывод, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока и увеличение термического сопротивления кладки в один блок. Наличие двух воздушных экранов в блоке уменьшает коэффициент теплопроводности на 28,6 %, при экранировании девятью воздушными прослойками коэффициент теплопроводности уменьшается в 2,22 раза по сравнению с полнотелым блоком, а начиная с шести воздушных экранов на блок и кладке в один блок (толщина 0,4 м) удовлетворяется минимальное требование [2] к термическому сопротивлению ограждающей конструкции.

Чтобы выполнить минимальное требование [2] к термическому сопротивлению ограждающей конструкции при кладке известными полнотелыми блоками, необходимо изготовить стену толщиной 0,756 м.

Применение экранированных керамзитобетонных блоков позволит отказаться от дополнительных теплоизоляционных материалов. Значительно снизятся капитальные затраты на строительство, уменьшится использование энергоресурсов в отопительный период. Это будет способствовать снижению потребляемой

Поступила в редакцию

мощности сплит-систем и кондиционеров в летний период, что особенно актуально для жарких периодов года, когда пиковые нагрузки выводят электроподстанции из строя во многих регионах страны.

Таким образом, применение экранированных ке-рамзитобетонных блоков позволит успешнее реализовать Федеральную программу «Доступное жилье», экономить невозобновляемые энергоресурсы, улучшать экологическую ситуацию.

Литература

1. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия.

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

3. Ковалевский В.И., Бойков Г.П. Методы теплового расчёта экранной изоляции. М., 1974.

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., 1973.

5. Перфилов В.А., Лепилов В.И. Эффективные ограждающие элементы зданий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 5. С. 68-70.

29 мая 2008 г.

Перфилов Владимир Александрович - докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология композиционных материалов и механизация строительства» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Тел. 94-66-67. E-mail: [email protected]

Лепилов Владимир Ильич - канд. техн. наук, зав. лабораторией кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Тел. 96-98-86.