Перспективный материал для тепловой защиты энергоустановок и агрегатов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 662.9

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГОУСТАНОВОК И АГРЕГАТОВ

Д.В. ШУЛАЕВА, В.В. ГЕРАСИМОВ Казанский государственный энергетический университет

Экспериментально разработан легкий пенобетон высоких физико-механических характеристик. Получены образцы легкого пенобетона, содержащего отходы пенополиуретана мелкой фракции. Изучена возможность влияния рационального регулирования структурно-механических и химико-минералогических факторов на теплофизические свойства пористой системы. Выявлена тенденция упорядочивания дробленых отходов пенополиуретана в ячеистой структуре пенобетона. Проведен анализ полученных экспериментальных данных.

Ключевые слова: легкий пенобетон, пористая система, поровая структура, теплофизические свойства, коэффициент теплопроводности, дробленые отходы пенополиуретана, внутриагрегатная пористость.

Введение

Энергосбережение в развитых странах стало гораздо более важной задачей, чем увеличение объемов производства энергии. Так, повышение цен на энергоносители способствует неминуемому удорожанию большинства строительных материалов, в том числе и теплоизоляционных. Введение новых требований к ограждающим конструкциям зданий приводит к необходимости создания эффективной теплоизоляции.

Вопросы, касающиеся разработки материалов с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства становятся все актуальнее.

Весьма перспективен в этом отношении конструкционно-теплоизоляционный ячеистый бетон, пользующийся растущим спросом на современном рынке. К несомненным преимуществам неавтоклавного ячеистого бетона относятся: малая энергоемкость изготовления, высокая огнестойкость, экологическая безопасность, биостойкость, а также высокая степень сходства физико-химических свойств ячеистого бетона с другими материалами, используемыми в ограждающих конструкциях (кирпич, бетон, другие каменные материалы).

Повышение стабильности качества ячеистого бетона и его эксплуатационных свойств без значительного роста себестоимости является важным не только с экономической, но и с научной точки зрения.

Значительное число научных работ посвящено вопросам технологии получения ячеистых изделий. Вместе с тем, вопросы, касающиеся зависимости теплопроводности, прочности ячеистого бетона от его состава и показателей поровой структуры, недостаточно раскрыты до сих пор. Остаются невыявленными наиболее значимые факторы оптимизации состава ячеистого бетона.

Известно, что коэффициент теплопроводности любого газонаполненного материала в общем случае зависит от теплопроводности твердой и газообразной фаз, входящих в состав рассматриваемого объекта. Вклад каждого из этих компонентов газонаполненной системы и, в конечном счете, численное значение

© Д. В. Шулаева, В.В. Герасимова Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

коэффициента теплопроводности зависит от их количественного содержания в материале. По мере уменьшения средней плотности содержание твердой фазы в материале падает и, соответственно, снижается вклад твердой фазы в численное значение коэффициента теплопроводности и другие технологические и эксплуатационные характеристики газонаполненных систем [1].

Говоря о резкой зависимости теплофизических свойств системы, вовсе не отрицается возможность рационального регулирования структурно-механических и химико-минералогических факторов. Такое регулирование вполне возможно за счет примешивания к скелету системы различных фракций частиц. Но необходимо иметь в виду, что при этом меняется пористость системы и фактически создается новая система [2].

Особый интерес представляет собой возможность повышения прочности безавтоклавного ячеистого бетона, уменьшение его теплопроводности посредством строгого учета влияния рецептурно-технологических факторов на синтез его структуры и физико-технологические свойства.

Поэтому для выяснения этого вопроса была проведена экспериментальная работа по использованию дробленых отходов пенополиуретана в качестве заполнителя для изготовления легких бетонов на цементном вяжущем. Интерес к использованию пенополиуретана для гражданского, промышленного, энергетического строительства вызван его высокими теплоизоляционными свойствами, водо- и атмосферостойкостью, значительной прочностью. Применение дробленых отходов пенополиуретана, в связи с их многотоннажностью и дешевизной, делают их рентабельными.

Реализация экспериментальной работы по получению легкого пенобетона позволит расширить перспективную технологию применения монолитного пенобетона для изоляции трубопроводов, тепловых агрегатов и установок. Преимущества пенобетона заключаются в возможности его использования для всех существующих видов прокладок трубопроводов (подземная бесканальная и канальная, надземная), в высокой допустимой температуре применения (например, технологические трубопроводы с температурой теплоносителя до +600 °С).

В настоящей работе представлены результаты исследования образцов легкого пенобетона, полученных с учетом физико-химических и рецептурно-технологических аспектов синтеза его оптимальной структуры.

Методика исследования

Образцы безавтоклавного ячеистого бетона готовились путем смешения исходных компонентов: цемента, кремнеземистого компонента, дробленых отходов пенополиуретана, технической пены.

Аморфный кремнезем (диатомит) сушился, дробился, измельчался, просеивался; использовалась тонкая фракция меньше 0,5 мм. Отходы жесткого пенополиуретана измельчались, просеивались. Использовалась его тонкая фракция меньше 0,5 мм.

Техническую пену готовили в лабораторных условиях с помощью миксера с частотой вращения его лопастей 900 об/мин путем смешения воды и пенообразователя - ПАВ Неонол АФ-9-12 (поверхностно-активное вещество).

Часть воды 20-21% из состава пены использовали вначале в качестве воды затворения, а оставшиеся 3-11% - для получения собственной пены.

Выбор пенообразователя был обусловлен его способностью образовывать устойчивую с повышенной кратностью пену, не опадающую при совмещении с тонкой фракцией твердой фазы компонентов.

Облегченную пеноцементную композицию получали следующим образом.

Вначале готовили композицию путем смешения портландцемента, аморфного кремнезема и воды затворения. В полученную густую массу вводили пенный компонент. Систему обрабатывали миксером с частотой вращения его лопастей 500-900 об/мин. Вводили порошок отходов пенополиуретана. Получали кинетически устойчивую подвижную композицию с мелко ячеистой структурой с равномерно распределенными частицами пенополиуретана.

Композицию закладывали в форму 10 X10 X10 см и подвергали односторонней вибрации. Расслоение системы не обнаруживалось. Для первоначального схватывания систему термообрабатывали 1-2 часа при 80 °С. Через 4 часа формы подвергали распалубке. Композицию выдерживали 28 суток при комнатной температуре для естественного твердения.

Образцы испытывались на прочность при сжатии по ГОСТ 10180-90 (Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам), плотность определялась по ГОСТ 12730.1-78 (Бетоны. Методы определения плотности), теплопроводность - по ГОСТ 7076-87 (Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме).

Основные результаты и их обсуждение

В результате экспериментальных исследований были получены образцы легкого пенобетона с высокими физико-механическими характеристиками, структура которых показана на рис. 1.

Рис. 1. Структура легкого пенобетона с дробленными отходами пенополиуретана, полученная методом оптического сканирования образцов: а) - пенный компонент 5 %; б) - пенный компонент 7 %; в) - пенный компонент 10 %

Таким образом, исследования структуры легкого пенобетона по высоте образца дали возможность выявить тенденцию упорядочения дробленых отходов пенополиуретана в ячеистой структуре пенобетона с увеличением концентрации пенообразователя.

Примеры составов полученных образцов легкого пенобетона указаны в табл. 1.

Таблица 1

Составы полученных образцов легкого пенобетона

Содержание, мас. %

Компоненты Известный состав 1 2 3 4 5

1. Портландцемент М400 60 70 64 60 50 35

2. Кремнеземистый компонент

- кварцевый песок 30 - - - - -

- диатомит (трепел или опока) - 1 3 4 5 8

3. Вода затворения - 20 21 20 18 10

4. Отходы пенополиуретана - фракция >0,5 мм 0,5 - - - - -

- фракция <0,5 мм - 4 5 6 1 0,5

5. Техническая пена

- ПАВ 1% р-р окиси амина 9,5 - - - - -

- ПАВ 1% р-р Неонола АФ-9-12 - 5 7 10 26 46,5

Результаты исследования физико-механических свойств образцов сведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства полученных образцов легкого пенобетона

Свойства образцов Составы образцов

Известный состав 1 2 3 4 5

1. Средняя плотность, кг/м3 600 750 590 540 - —

2. Прочность при сжатии, кг/см2 1,5 7,2 5,6 2,5 - —

3. Коэффициент теплопроводности, Вт/м^К 0,11 0,15 0,126 0,084 — -

Как показали испытания, высокие физико-технические свойства имеют образцы составов 1, 2 и 3. Образцы составов 4 и 5 разрушаются при распалубке и имеют худшие показатели. При использовании в качестве кремнеземистого компонента трепела или опока полученные образцы имели такие же физико-механические свойства, что и при использовании диатомита.

Проведенный анализ представленных результатов работы дает возможность говорить о положительной стороне использования отходов пенополиуретана в качестве заполнителя. Это объясняется тем, что полученный материал обладает, помимо межагрегатной пористости, еще и внутриагрегатной ячеистой пористостью (пенополиуретан). Все это ведет к увеличению общей пористости системы. Варьирование содержания отходов пенополиуретана в общем объеме материала может способствовать формированию сложной системы со значительным разнообразием форм ячеек и способов их смыкания.

Выводы

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Требуемый средний размер пор разработанных составов легкого пенобетона возможно регулировать путем изменения содержания модифицирующих добавок, водо-цементного отношения и количества отходов пенополиуретана.

2. Направленное регулирование структуры пор позволяет варьировать такие важнейшие свойства материала, как прочность, теплопроводность, водопоглощение. При оптимальном соотношении сырьевых компонентов и

технологии изготовления наблюдается качественное улучшение структуры и эксплуатационных свойств пенобетона.

Summary

The light foam concrete of high physical-mechanical properties is developed. Examples of light foam concret, containing withdraws offoampolyuretan of small fraction were relived. Possibility of influence of rational regulation of structure-mechanical and chemical-mineralogical factors on thermal physical properties of porous system was learned. The tendency of ordering of fractional with drawls of foam concrete was recognized. The analysis of received experimental data was done.

Key words: light foam concrete, porous system, porous structure, thermal physical, coefficient of heat conductivity, fractional with drawls of foampolyuretan, inside the modular porosity.

Литература

1. Теоретические аспекты улучшения теплотехнических характеристик пористых систем / Ш.М. Рахимбаев, Т.В. Аниканова // Строительные материалы. 2007. №4. С.26-28.

2. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы. 456 с.

Поступила в редакцию 09 сентября 2009 г.

Шулаева Дарья Вадимовна - ассистент кафедры «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-908-3311348. E-mail: schunia@pochta.ru.

Герасимов Виталий Викторович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Инженерная графика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 543-04-44.