CC BY
16УДК 691.53
В.С. СЕМЕНОВ, канд. техн. наук (science-isa@yandex.ru), Т.А. РОЗОВСКАЯ, инженер
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
Повышение энергоэффективности ограждающих конструкций с применением облегченных кладочных растворов
При устройстве однослойных ограждающих конструкций из эффективных мелкоштучных изделий необходимо применять «теплые» кладочные растворы. Существующие облегченные кладочные растворы имеют недостаточную марочную прочность и не всегда обеспечивают однородность ограждающей конструкции ввиду достаточно высокой средней плотности. Эффективным облегчающим наполнителем для таких растворов являются полые керамические микросферы. Разработаны облегченные кладочные растворы с полыми керамическими микросферами, подобраны оптимальные составы и определены их основные свойства. Изучено влияние процентного содержания полых керамических микросфер в составе смеси на микроструктуру кладочного раствора, его физико-механические и технологические свойства. Полученные кладочные растворы позволяют повысить энергоэффективность ограждающих конструкций.
Ключевые слова: кладочные растворы, облегченные растворы, полые керамические микросферы, сухие строительные смеси, энергоэффективность, ограждающие конструкции.
V.S. SEMENOV, Candidate of Sciences (Engineering) (science-isa@yandex.ru), T.A. ROZOVSKAYA, Engineer Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Improvement of Energy Efficiency of Enclosing Structures with the Use of Lightweight Masonry Mortars
When arranging one-layer enclosing structures made of efficient small-piece articles, it is necessary to use «warm» mortars. Existing lightweight mortars have insufficient grade strength and not always ensure the homogeneity of the enclosing structure due to the relatively high average density. The efficient reliving filler for such mortars is hollow ceramic micro-spheres. The development of lightweight masonry mortars with hollow ceramic microspheres is presented. Optimal compositions have been developed, their main properties have been determined. The influence of the percentage of hollow ceramic micro-spheres in the mix composition on the micro-structure of masonry mortar, its physical-mechanical and technological properties has been studied. Lightweight masonry mortars with hollow ceramic micro-spheres, which make it possible to improve the energy efficiency of enclosing structures, have been obtained.
Keywords: brick mortars, lightweight mortars, hollow ceramic micro-spheres, dry building mixes, energy efficiency, enclosing structures.
Вопросы энергосбережения, в том числе в области строительства и эксплуатации зданий и сооружений, в настоящее время являются актуальными во всем мире. Это связано с ограниченностью энергетических ресурсов, высокой стоимостью энергии, негативным влиянием на окружающую среду, обусловленных ее производством. По данным НИИ Строительной физики, в России до 45% всей производимой энергии потребляется зданиями [1]. К возводимым в настоящее время жилым до-
мам предъявляются высокие требования в части энергосбережения и энергетической эффективности, о чем свидетельствует Федеральный закон № 261—ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». При эксплуатации жилого дома теплопо-тери через наружные стены составляют от 18 до 45% от суммарных, включая потери тепловой энергии на инфильтрацию и вентиляцию [2—4].
Требования к теплозащите ограждающих конструкций зданий отражены в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003». Для их обеспечения необходимо применять эффективные строительные материалы, причем важным фактором при оценке теплозащитных свойств ограждающей конструкции является коэффициент теплотехнической однородности, учитывающий наличие в ограждающей конструкции теплопроводных включений. Наличие в ограж-
Содержание КМС, % от массы цемента В/Ц Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности в возрасте 28 сут, МПа Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)
раствора сухого камня при сжатии при изгибе
10 0,31 1728 1576 43,03 4,87 0,513
20 0,39 1535 1367 34,64 4,22 0,424
30 0,43 1360 1277 28,72 3,85 0,375
40 0,48 1231 1107 24,86 3,51 0,333
50 0,58 1159 1008 20,62 3,13 0,312
60 0,65 1102 951 17,14 2,76 0,296
70 0,74 1072 904 12,98 2,47 0,286
80 0,83 1046 873 9,68 2,18 0,275
90 0,96 1008 813 7,31 1,94 0,266
100 1,01 952 776 5,41 1,59 0,247
16
июнь 2015
iA ®
Reports of the VI Academic reading «Actual issues of building physics»
дающей конструкции мостиков холода приводит к увеличению теплопо-терь и энергетических затрат на поддержание необходимых параметров микроклимата помещения, а также к риску образования конденсата в местах теплопроводных включений [5—8]. В связи с этим наиболее целесообразно проектирование однослойных ограждающих конструкций с высоким коэффициентом теплотехнической однородности. К материалам, используемым для возведения таких однослойных конструкций, можно отнести теплую керамику, ячеисто-бетонные блоки и т. д. [9—11]. При этом из соображений теплотехнической однородности растворы, обеспечивающие монолитность ограждающей конструкции из штучных кладочных изделий, должны обладать средней плотностью и коэффициентом теплопроводности, не превышающими указанные характеристики стенового материала.
Как правило, снижение средней плотности раствора может быть достигнуто двумя путями — вовлечением воздуха или введением облегчающих наполнителей. По мнению ряда исследователей, наиболее эффективным методом снижения средней плотности строительного раствора является введение в его состав облегчающего наполнителя [12, 13]. Полые алюмосиликатные и стеклянные микросферы являются эффективным облегчающим наполнителем для кладочных и специальных растворов [14]. Ранее авторами ряда работ были предложены кладочные растворы, содержащие полые стеклянные микросферы (ПСМС) [15— 18]. Применение ПСМС в качестве облегчающего наполнителя позволяет снизить среднюю плотность раствора до 600 кг/м3, однако прочность при сжатии таких растворов составляет не более 2,5 МПа. Кроме того, полые стеклянные микросферы имеют высокую стоимость. Более эффективным облегчающим наполнителем являются полые керамические (алюмосиликатные) микросферы [19—23], которые позволяют получить растворы с высокой прочностью и имеют по сравнению со стеклянными микросферами более низкую стоимость.
Целью исследований явилась разработка эффективных облегченных кладочных растворов с полыми керамическими микросферами.
В исследованиях в качестве вяжущего вещества используется портландцемент ЦЕМ II/A-Ш 42,5Н с 9,8% гранулированного шлака по ГОСТ 31108-2003. В качестве наполнителя использованы полые керамические (алюмосиликатные) микросферы (КМС) фракции 100-500 мкм,
Микроструктура раствора с различным содержанием наполнителя от массы портландцемента:
а - 30%; б - 50%; в - 70%; г - 90%
«ИНОТЭК Сибирь Кузнецкая». Насыпная плотность микросфер 370-390 кг/м3. Средняя плотность 800 кг/м3. Истинная плотность материала оболочки микросферы 2450 кг/м3. Диапазон размеров находится в пределах 5-350 мкм, толщина стенки микросферы 1-5 мкм. Коэффициент теплопроводности микросферы 0,08 Вт/(м-°С) при 20оС, температура размягчения свыше 1000оС. Минимальная прочность при гидростатическом сжатии (10% разруше-
ние) — 15-28 МПа. Состав газовой фазы внутри сфер представляет собой смесь СО2 ~ 70%; N ~ 30%. В качестве пластифицирующей добавки использован суперпластификатор Регашт 8МБ 10, представляющий собой порошок сульфоната меламина. Расход пластификатора составлял 0,4% от массы портландцемента.
Исследования проводились по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний»,
Л] ®
июнь 2015
17
ГОСТ 28013-98 «Растворы строительные. Общие технические условия», ГОСТ 31357-2007 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Общие технические условия», ГОСТ 31356-2007 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний».
Были исследованы составы с содержанием КМС 10-100% от массы вяжущего вещества. Предел прочности определяли в возрасте 28 сут твердения в условиях, регламентированных ГОСТ 5802-86. Составы и свойства облегченных кладочных растворов с КМС представлены в таблице.
Как видно из данных таблицы, средняя плотность растворной смеси составляет 950-1730 кг/м в зависимости от расхода микросфер; средняя плотность раствора в высушенном состоянии 780-1580 кг/м3. Предел прочности раствора при сжатии находится в интервале 5,4-43 МПа, на растяжение при изгибе - 1,6-4,9 МПа. С увеличением расхода микросфер средняя плотность и прочность раствора снижаются. Разработанные составы отвечают требованиям ГОСТа. Жизнеспособность растворных смесей достаточна для ведения кладочных работ и составляет не менее 3 ч, водоудерживающая способность растворных смесей всех составов выше 95%.
Приведенные в таблице свойства кладочных растворов определяют область их применения - возведение стен из эффективных керамических материалов. Средняя плотность таких изделий составляет 800-1200 кг/м3, марка не менее М75. Кладочный раствор с обозначенными характеристиками можно получить введением об-
легчающего наполнителя (КМС) в количестве 35-80% от массы вяжущего. Растворы на традиционных облегчающих наполнителях (вспученный перлитовый и вермикулитовый пески, пенополистирол и др.) с такой средней плотностью имеют марку по прочности М75-М100, характеризуются близкими к указанным в таблице значениями коэффициента теплопроводности, но высокой открытой пористостью, определяющей низкую морозостойкость и долговечность раствора. Марка по морозостойкости растворов с КМС 50-75 циклов.
Важным показателем стенового материала является его сорбционная способность, от которой также зависит изменение коэффициента теплопроводности материала при изменении влажности воздуха. Кладочные растворы на традиционных облегчающих наполнителях характеризуются высокой сорбционной влажностью в силу развитой открытой пористости. В работе [24] показано, что цементные материалы с микросферами характеризуются низкой сорбционной способностью. Сорбционная влажность раствора с КМС средней плотностью 900 кг/м3 составила 9,3%, во-допоглощение по массе - 23,6%.
На рисунке представлена микроструктура образцов кладочного раствора с содержанием наполнителя 30; 50; 70; 90% от массы портландцемента.
Как видно из рисунка, с изменением объемной доли наполнителя в растворе изменяется не только его структура, но и характер разрушения. При содержании наполнителя до 50% включительно от массы вяжущего структура камня отличается высокой
плотностью, разрушение происходит по стенкам микросфер.
При содержании 70% КМС от массы портландцемента разрушение идет как по контактной зоне микросфера - цементная матрица, так и по наименее прочным стенкам микросфер. Растворы, содержащие 90% КМС от массы вяжущего, характеризуются достаточно рыхлой структурой цементной матрицы, в особенности на контакте с микросферами вследствие высокого водоцементно-го отношения. Низкая прочность контактной зоны подтверждается отсутствием на фотографиях микроструктуры разрушенных микросфер.
Таким образом, использование полых керамических микросфер в качестве наполнителя для кладочных растворов позволяет получить растворы со средней плотностью 900-1400 кг/м3, маркой М100-М350 при расходе КМС 20-70% от массы вяжущего, предназначенные для кладки эффективных керамических изделий. Разработанные на основе проведенных исследований сухие кладочные смеси для эффективных мелкоштучных изделий позволяют обеспечить высокую термическую однородность ограждающей конструкции, выполнять кладочные швы толщиной 4-5 мм. Установлено, что растворы, полученные из таких смесей, обладают необходимой средней плотностью, водоу-держивающей способностью более 95%, однородностью, высокими физико-механическими показателями. Применение предлагаемых смесей дает возможность снизить материальные затраты при строительстве, повысить энергоэффективность ограждающих конструкций.
Список литературы
1. Матросов Ю.А. Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения. М.: НИИСФ, 2008. 496 с.
2. Вылегжанин В.П., Пинскер В.А. Эффективность ячеистых бетонов в ограждающих конструкциях. В кн.: Ячеистые бетоны в строительстве. СПб.: ООО «Стройбетон». 2008. С. 35-37.
3. Ливчак В.И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий // Энергосбережение. 2012. № 6. С. 14-20.
4. Бакунин Е.И. Анализ способов энергосбережения и повышения энергоэффективности жилых зданий // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. № 1. С. 41-46.
5. Овсянников С.Н., Вязова Т.О. Теплозащитные характеристики наружных стеновых конструкций с теплопроводными включениями // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 24-27.
6. Шеина С.Г., Миненко А.Н. Анализ и расчет «мостиков холода» с целью повышения энергетической эффективности жилых зданий // Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 22. № 4-1. С. 131-135.
7. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Перспективы повышения энергетической эффективности жилых зданий в России // Вестник МГСУ. 2011. Т. 1. № 3. С. 192-200.
References
1. Matrosov Yu.A. Energosberezhenie v zdaniyakh. Problema i puti ee resheniya [Energy saving in buildings. The problem and its solutions]. Moscow: NIISF. 2008. 496 p.
2. Vylegzhanin V.P., Pinsker V.A. The efficiency of walling cellular concrete materials. In book: Yacheistye betony v stroitel'stve [Cellular concretes in construction]. Saint-Petersburg: OOO «Stroi-beton». 2008, pp. 35-37.
3. Livchak V.I. ANo.ther argument in favor of increasing thermal performance of buildings. Energosberezhenie. 2012. No. 6, pp. 14-20. (In Russian).
4. Bakunin E.I. Analysis methods of energy conservation and energy efficiency of residential buildings. Izvestiya TulGU. Nauki o Zemle. 2011. No. 1, pp. 41-46. (In Russian).
5. Ovsyannikov S.N., Vyazova T.O. Heat characteristics of exterior wall constructions with heat-conducting inclusions. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 24-27. (In Russian).
6. Sheina S.G., Minenko A.N. Analysis and calculation of «cold bridges» in order to increase the energy efficiency of residential buildings. Inzhhenernyi vestnik Dona. 2012. No. 4-1, pp. 131. (In Russian).
7. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Prospects for increasing the energy efficiency of residential buildings in Russia. Vestnik MGSU. 2011. No. 3(1), pp. 192-200. (In Russian).
18
июнь 2015
J^j ®
Reports of the VI Academic reading «Actual issues of building physics»>
8. Горшков А.С., Гладких А.А. Влияние растворных швов кладки на параметры теплотехнической однородности стен из газобетона // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 3. C. 39—42.
9. Сиразин М.Г. Теплая керамика — перспективный материал для жилищного строительства в России // Строительные материалы. 2006. № 4. С. 18—19.
10. Гудков Ю.В., Ахундов А.А. Стеновые материалы на основе ячеистых бетонов // Строительные материалы. 2014. № 1. С. 9-10.
11. Кацынель Р.Б. Ячеистый бетон и энергоэффективное строительство // Жилищное строительство. 2013. № 4. С. 24-26.
12. Тихонов Ю.М., Коломиец В.И. Подбор составов, свойства и применение легких сухих строительных смесей на основе вспученных перлита и вермикулита // Вестник гражданских инженеров. 2006. № 3. С. 83-88.
13. Удодов С.А., Черных В.Ф. Штукатурные составы для ячеистых бетонов // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 31-33.
14. Семенов В.С., Розовская Т.А. Сухие кладочные смеси с полыми керамическими микросферами // Научное обозрение. 2013. № 9. С. 195-199.
15. Орешкин Д.В., Беляев К.В., Семенов В.С. Высококачественные строительные и тампонажные растворы с полыми стеклянными микросферами // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 10. С. 56-58.
16. Семенов В.С., Орешкин Д.В., Розовская Т.А. Свойства облегченных кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами и противомороз-ными добавками // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 3. С. 9-11.
17. Клочков А.В., Павленко Н.В., Строкова В.В., Беленцов Ю.А. К вопросу об использовании стеклянных полых микросфер для теплоизоляционно-конструкционных кладочных растворов // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 64-66.
18. Орешкин Д.В., Беляев К.В., Семенов В.С. Теплофизические свойства, пористость и паропро-ницаемость облегченных цементных растворов // Строительные материалы. 2010. № 8. С. 51-54.
19. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Полые микросферы -эффективный заполнитель для высокопрочных легких бетонов // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 10. С. 80-83.
20. Korolev E.V., INo.zemtcev A.S. Preparation and research of the high-strength lightweight concrete based on hollow microspheres // Advanced Materials Research. 2013. No. 746, pp. 285-288.
21. Blanco F., Garc a P., Mateos P., Ayala J. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres // Cement and Concrete Research. 2012. No. 30, pp. 1715-1722.
22. Данилин Л.Д., Дрожжин В.С., Куваев М.Д., Куликов С.А., Максимова Н.В., Малинов В.И., Пикулин И.В., Редюшев С.А., Ховрин А.Н. Полые микросферы из зол-уноса - многофункциональный наполнитель композиционных материалов // Цемент и его применение. 2012. № 4. С. 100-105.
23. Теряева Т.Н., Костенко О.В., Исмагилов З.Р., Шикина Н.В., Рудина Н.А., Антипова В.А. Физико-химические свойства алюмосиликатных полых микросфер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2013. № 5. С. 86-90.
24. Сапелин А.Н. Сорбционные свойства стеновых материалов с применением микросфер // Academia. Архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 101103.
8. Gorshkov A.S., Gladkikh A.A. Influence of masonry mortar joints on the parameters of heat engineering homogeneity walls of aerated concrete. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2010. No. 3, pp. 39—42. (In Russian).
9. Sirazin M.G. Warm ceramic - a promising material for housing construction in Russia. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 4, pp. 18-19. (In Russian).
10. Gudkov Yu.V., Akhundov A.A. Building materials based on cellular concrete. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 1, pp. 9-10. (In Russian).
11. Katsynel' R.B. Cellular concrete and energy-efficient construction. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 4, pp. 24-26. (In Russian).
12. Tikhonov Yu.M., Kolomiets V.I. Selection of compositions, properties and applications of light dry building mixtures based on expanded perlite and vermiculite. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2006. No. 3, pp. 83-88. (In Russian).
13. Udodov S.A., Chernykh V.F. Plaster compositions for cellular concrete. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 6, pp. 31-33. (In Russian).
14. Semenov V.S., Rozovskaya T.A. Dry masonry mixture with hollow ceramic microspheres. Nauchnoe obozrenie. 2013. No. 9, pp. 195-199. (In Russian).
15. Oreshkin D.V., Belyaev K.V., Semenov V.S. High quality construction and grouting mortars with hollow glass microspheres. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. No. 10, pp. 56-58. (In Russian).
16. Semenov V.S., Oreshkin D.V., Rozovskaya T.A. The properties of lightweight mortars with hollow glass microspheres and antifreeze additives. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 3, pp. 9-11. (In Russian).
17. Klochkov A.V., Pavlenko N.V., Strokova V.V., Belentsov Yu.A. On the question about the use of hollow glass microspheres for thermal-structural masonry mortars. VestnikBGTUim. V.G. Shukhova. 2012. No. 3, pp. 64-66. (In Russian).
18. Oreshkin D.V., Belyaev K.V., Semenov V.S. Thermophysical properties, porosity and vapour permeability of light-weight cement mortars. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 8, pp. 51-54. (In Russian).
19. Inozemtsev A.C., Korolev E.V. Hollow microspheres -an effective filler for high-strength lightweight concrete. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 10, pp. 80-83. (In Russian).
20. Korolev E.V., Inozemtcev A.S. Preparation and research of the high-strength lightweight concrete based on hollow microspheres. Advanced Materials Research. 2013. No. 746, pp. 285-288.
21. Blanco F., Garc a P., Mateos P., Ayala J. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres. Cement and Concrete Research. 2012. No. 30, pp. 1715-1722.
22. Danilin L.D., Drozhzhin V.S., Kuvaev M.D., Kulikov S.A., Maksimova N.V., Malinov V.I., Pikulin I.V., Redyushev S.A., Khovrin A.N. Hollow microspheres of evils ash - a multifunctional filler composite materials. Tsement i ego primenenie. 2012. No. 4, pp. 100-105. (In Russian).
23. Teryaeva T.N., Kostenko O.V., Ismagilov Z.R., Shikina N.V., Rudina N.A., Antipova V.A. Physico-chemical properties of alumiNo.silicate hollow microspheres. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2013. No. 5, pp. 86-90. (In Russian).
24. Sapelin A.N. The sorption properties of wall materials with microspheres. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2013. No. 3, pp. 101-103. (In Russian).
июнь 2015
19
