CC BY
44
УЕБТЫНС
мвви
УДК 697.1+666.3-127
А.Д. Жуков, И.В. Бессонов*, А.Н. Сапелин*, Н.В. Наумова**
ФГБОУВПО «МГСУ», *НИИСФ РААСН, **«Кселла-Аэроблок-Центр»
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗА СЧЕТ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ МИКРОСФЕР
Предложена методика повышения эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций за счет применения керамических материалов с эффективным высокопористым наполнителем. Разработана технология таких материалов. Она аналогична технологии стеновых керамических изделий и не предполагает значительных капитальных затрат на реконструкцию производств.
Ключевые слова: керамика, теплопроводность, стеновые конструкции, технология, высокопористый наполнитель.
Быстрые темпы развития современного строительства диктуют необходимость создания новых строительных материалов и совершенствование конструкций [1]. Все большим спросом у специалистов пользуются конструкционные системы на основе ячеистого бетона и поризованной керамики. Эти системы соответствуют конструкционным требованиям и обеспечивают необходимые теплофизические показатели [2—5].
Керамические стеновые изделия классифицируют по прочности, плотности, размерам, по наличию в них пустот и т.д. Наличие пустот в изделии наиболее важный параметр, определяющий основные свойства конкретного вида кирпича или камня [6, 7]. Керамический кирпич может быть полнотелым или с пустотами. Камень изготавливают только пустотелым.
В соответствии со спецификацией, установленной ГОСТ 530—20071, керамический камень — это крупноразмерное пустотелое керамическое изделие, предназначенное для устройства кладок. Кроме полнотелого и пустотелого есть еще третья разновидность — пустотелый поризованный кирпич (или камень), больше известный как теплая керамика (табл. 1). Отметим, что ячеистая структура является оптимальной для энергоэффективных материалов.
Марку камня по прочности устанавливают по значению предела прочности при сжатии. Водопоглощение рядовых изделий должно быть не менее 6,0 %, лицевых изделий — 6,0...14,0 %. Марка по морозостойкости лицевых изделий должна быть не ниже F50 [8, 9]. Допускается по согласованию с потребителем F35. Керамические кирпич и камень относятся к негорючим строительным материалам в соответствии с ГОСТ 30244—942. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в изделиях должна быть не более 370 Бк/кг.
1 ГОСТ 530—2007. Кирпич и камень керамические : Общие технические условия. М. : Стандартинформ, 2007. 40 с.
2 ГОСТ 30244—94. Материалы строительные : Методы испытаний на горючесть. М. : Стандартинформ, 2008. 18 с.
ВЕСТНИК
МГСУ-
7/2014
Табл. 1. Классы по плотности и группы изделий по теплотехническим характеристикам
Средняя плотность, кг/м3 Класс по средней плотности Группы по теплотехническим Теплопроводность кладки в сухом состоянии, Вт/(м-К)
характеристикам
до 800 0,8 Высокой эффективности до 0,20
801.. .1000 1,0 Повышенной эффективности св. 0,20 до 0,24
1001...1200 1,2 Эффективные св. 0,24 до 0,36
1201.1 400 1,4 Условно-эффективные св. 0,36 до 0,46
св. 1400 2,0 Малоэффективные (обыкновенные) св. 0,46
В строительных конструкциях с пустотелым керамическим камнем в реальном строительстве наблюдается частое пренебрежение рекомендациями производителей, в связи с чем пустоты заполняются кладочным раствором и из-за этого теплозащитные свойства конструкции существенно ухудшаются [10, 11].
Одним из решений проблемы повышения энергоэффективности стеновых материалов стала разработка эффективного конструкционно-теплоизоляционного материала на основе алюмосиликатных микросфер [12] с повышенной прочностью и пониженной теплопроводностью при эксплуатационном увлажнении [13, 14]. Термостойкость алюмосиликатных микросфер высокая (1200 °С), что делает возможным их использование в составе керамических обжиговых материалов. Химический состав алюмосиликатных микросфер представлен в табл. 2.
Табл. 2. Химический состав алюмосиликатных микросфер
Оксиды SiO2 А12О3 ^2О3 СаО MgO К2О №2О тю2
Содержание, % 55.65 25.33 1.6 0,2.0,6 1.2 0,2.4 0,3.2 0,5.1
Технология изготовления материалов на основе микросфер и глины (МСГ) включает следующие шаги: смешивание глины с микросферами согласно указанным составам; тщательное перемешивание с добавлением воды до образования однородной формовочной массы; формовка в пресс-форме согласно указанному давлению; расформовка. Наконец, обжиг изделия по температурному режиму: поднятие температуры от комнатной до 100 °С за 15 мин; выдержка при 100 °С — 10 мин; поднятие температуры до 650 °С за 120 мин; выдержка при температуре 650 °С — 60 мин; поднятие температуры до 1050 °С за 120 мин; выдержка при температуре 1050 °С — 120 мин; нормальное остывание печи.
Подбор составов для МСГ производится с помощью рототабельного планирования второго порядка, конечное уравнение для прочности адекватно при уровне значимости 0,95 и имеет следующий вид:
г ,. л
Я = 3,7 + 21,627
Ы,
ы„
1 -
ы.
ы„
0,3213р(1 -0,00753р), МПа
1 стг V стг /
где Мг — масса глины, кг; Мстг — масса стекла с глиной, кг; р — давление прессования, кг/см2.
Следует отметить, в интервале [0,9...1,3] отношение массы стекла с глиной к массе микросфер (Мс1г /Мм) существенного влияния на конечную прочность материала не оказывает.
Основываясь на полученных от рототабельного планирования данных, были выбраны составы (табл. 3). Эти составы стали основой для патента.
Табл. 3. Составы материала на глиняном связующем
Маркировка состава Массовая доля микросферы, % Массовая доля глины, % Величина давления формования, кг/см2
МСГ-1 65 35 16
МСГ-2 65 35 32
МСГ-3 70 30 32
МСГ-4 75 25 32
МСГ-5 65 35 50
МСГ-6 70 30 50
МСГ-7 75 25 50
Материалы были всесторонне исследованы по следующим параметрам: плотность, прочность, морозостойкость, сорбционные характеристики, водо-поглощение, теплопроводность в сухом и влажном состояниях, пористость, паропроницаемость, коэффициент абсорбции воды (скорость всасывания). Прочностные свойства материалов на основе микросфер представлены в табл. 4.
Табл. 4. Прочность материалов МСГ
Маркировка Плотность, кг/м3 Прочность в сухом состоянии, МПа Прочность в водонасыщен-ном состоянии, МПа
на сжатие на изгиб на сжатие на изгиб
МСГ-1 648 3,9 1,2 4,3 5,3
МСГ-2 760 6,6 1,6 5,9 8,4
МСГ-3 715 4,5 2,8 4,3 5,6
МСГ-4 653 3,7 3,4 3,4 3,7
МСГ-5 821 10,1 3,2 8,0 10,4
МСГ-6 795 8,6 3,4 6,6 8,1
МСГ-7 773 6,7 2,6 5,0 7,0
Морозостойкость всех исследуемых материалов составила более 100 циклов. Сорбционные характеристики материалов на основе микросфер исследовались как традиционным эксикаторным способом, так и расчетом по результатам ртутной порометрии. Динамика сорбции алюмосиликатных микросфер представлена на рисунке. Сорбция материала МСГ-3 представлена в табл. 5. Водопоглощение керамического материала составляет до 41,7 % по массе. Теплопроводность в сухом состоянии составляет 0,233 Вт/(мК). Теплопроводность при влажности, соответствующей условиям эксплуатации— 0,33.0,38 Вт/(мК). Паропроницаемость для сухого климата составляет 0,111, а для влажного климата — 0,101 мг/(м-ч-Па).
ВЕСТНИК
МГСУ-
7/2014
Сорбционная кривая алюмосиликатных микросфер Табл. 5. Сорбция материала МСГ-3
Относительная влажность воздуха, % Значения сорбции
Расчет по ртутной порометрии Экспериментальные данные
50 0,78 0,033
65 0,94 0,0088
80 1,63 0,022
93 6,73 0,04
97 8,39 0,06
Существенное различие между сорбционным экспериментом и расчетом сорбции по результатам ртутной порометрии связано, в частности, с тем, что размеры и объем пор оцениваются по давлению, при котором ртуть вдавливается в пустоты [15, 16]. При этом возможно наличие «фантомных» объемов мелких пор, образующихся при вдавливании ртути в большую пору через малое сечение входного отверстия, в частности в микросферу с небольшим отверстием или трещиной. Также ошибка может быть связана с большим количеством принимаемых допущений в величинах некоторых значений, участвующих в расчетах (например, площадь поверхности молекулы воды, угол смачивания поверхности материала пор и т.д.).
Изделия на основе микросфер и глины в своем технологическом цикле изготовления имеют шаг формовочного прессования, а, следовательно, типоразмеры выпускаемых изделий будут зависеть от пресс-формы. Наиболее рационально в этом случае использовать пресс-форму с выходом заготовки в виде кирпича. Это может быть как кирпич типоразмера 1 НФ (250*120*65 мм), так и камень 14,3 НФ (510*250*219 мм). Причем камень, ввиду свойств материала на микросферах, не нуждается в дополнительном пустотообразовании в виде воздушных щелей.
Решение вопросов энергосбережения, оптимизации затрат и расходов энергии являются не только задачей из области техники и технологий про-
изводства и применения материалов [17, 18]. Важными аспектами этого направления являются сокращение потребления невозобновляемых энергоносителей, снижение отрицательной нагрузки на окружающую среду, связанной с выбросом продуктов сгорания топлива, равно как и других воздействий. Для этого созданы и запатентованы составы для изготовления строительных материалов на основе микросфер, в широком спектре исследованы свойства полученных материалов, предложены планировочные решения для ограждающих конструкций и несущих стен, рассчитаны теплотехнические и прочностные характеристики.
Библиографический список
1. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 8—16.
2. Шмелев С.Е. Пути выбора оптимального набора энергосберегающих мероприятий // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 7—9.
3. Ашмарин Г.Д., Салахов А.М., Болтакова Н.В., Морозов В.П., Геращенко В.Н., Салахова Р.А. Влияние порового пространства на прочностные характеристики керамики // Стекло и керамика. 2012. № 8. С. 24—30.
4. De Lange R.S.A., Hekkink J.H.H., Keizer K., Burggraaf A.J. Microporous solgel modified membranes for hydrogen separation : In Proceedings of ICIM-2, 1—4 July, 1991. Montpellier, France // Key Engineering Materials. Trans. Tech. Publishers. Zurich, Switzerland, 1992. Vol. 61—62. Pp. 77—82.
5. Baker R.B. Membrane Technology and Applications. 2nd ed. John Wiley and Sons Ltd., 2004. 538 p.
6. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Принципы создания новых строительных материалов // Интернет-Вестник ВолгГАСУ Сер.: Политематическая. 2012. Вып. 3 (23). Режим доступа: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/RumyantsevZhukov-2012_3(23).pdf.
7. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Теплопроводность высокопористых материалов // Вестник МГСУ 2012. № 3. С. 108—114.
8. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4—12.
9. Grigorieva T.F., Vorsina I.A., Barinova A.P., Boldyrev V.V. Mechanochemical interaction of the kaolinite with the solid state acids // XIII International Symposium on the Reactivity of Solids. Hamburg, Germany : Abstr. and Program. 1996. P. 132.
10. Moore F. Rheology of Ceramic systems. Institute of Ceramics Textbook Series, Applied Science Publishers, 1965. 170 p.
11. Vos B., Boekwijt W. Ausfüllung des Hohlraumes in bestehengen hohlmauern // Gesundheits-Ingenier. 1974. No. 4. Pp. 36—40.
12. Орешкин Д.В. Высококачественные цементные тампонажные материалы с полыми стеклянными микросферами // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2003. № 7. С. 20—31.
13. Сапелин А.Н. Сорбционные свойства стеновых материалов с применением микросфер // Academia. Архитектура и строительство. 2013. № 3. C. 101—104.
14. Сапелин А.Н., Бессонов И.В. Коэффициенты структуры как критерий оценки теплотехнического качества строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 6. C. 26—28.
15. Pedersen Т. Experience with Selee open pore foam structure as a filter in aluminium continuous rod casting and rolling // Wire Journal. 1979. Vol. 12. No. 6. Pp. 74—77.
ВЕСТНИК Т/ОП4 Л
7/2014
16. Worral W.E. Clays and Ceramic Raw Materials. Great Britan, University of Leeds, 1978. 277 p.
17. ZhukovA.D., Smirnova T.V., Zelenshchikov D.B., Khimich A.O. Thermal treatment of the mineral wool mat // Advanced Materials Research (Switzerland). 2014. Vol. 838—841. Рр. 196—200.
18. Hall ChA.S. Energy Return on Investment : Introduction to Special Issue on New Studies in EROI. 2011. No. 3 (10). Pp. 1773—1777. Режим доступа: www.mdpi.com/2071-1050/3/10/1773. Дата обращения: 15.01.2014.
Поступила в редакцию в январе 2014 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Бессонов Игорь Вячеславович — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (ФГБУ «НИИСФ РААСН»), 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, [email protected];
Сапелин Андрей Николаевич — аспирант, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (ФГБУ «НИИСФ РААСН»), 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, [email protected];
Наумова Наталья Владимировна — руководитель отдела технической поддержки, ЗАО «Кселла-Аэроблок-Центр», 109544, г. Москва, ул. Рабочая, д. 93/2, Natalia. [email protected].
Для цитирования: Жуков А.Д., Бессонов И.В., Сапелин А.Н., Наумова Н.В. Повышение энергоэффективности стеновых конструкций за счет материалов на основе алюмосиликатных микросфер // Вестник МГСУ. 2014. № 7. С. 93—100.
A.D. Zhukov, I.V. Bessonov, A.N. Sapelin, N.V. Naumova
INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF WALL MATERIALS WITH THE HELP
OF CENOSPHERES
Hollow filling by brick mortar may take place in engineering structures with hollow tiles, which leads to thermal properties worsening of a construction. One of solutions to the problem of increasing energy efficiency of enveloping structures is the development of heat insulation material based on cenospheres with increased strength and decreased thermal conductivity in case of operational watering.
Homogeneous construction systems based on cellular concrete and porous ceramics meet the structural requirements and also provide required thermal performance. In order to improve operational characteristics of enclosing structures it is possible to apply ceramic materials with effective high porous filler. Manufacturing technology of materials based on high porous filler and clay does not require significant capital expenditures to upgrade existing facilities and it's similar to technology of ceramic wall materials.
Key words: ceramics, thermal conductivity, wall structures, technology, high porous aggregate.
References
1. Gagarin V.G. Makroekonomicheskie aspekty obosnovaniya energosberegayushchikh meropriyatiy pri povyshenii teplozashchity ograzhdayushchikh konstruktsiy zdaniy [Macro-
economic Aspects of Energy Saving Measures' Substantiation by Increasing Thermal Protection of Enclosing Structures of Buildings]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 3, pp. 8—16.
2. Shmelev S.E. Puti vybora optimal'nogo nabora energosberegayushchikh meropriyatiy [Ways of Selecting the Optimal Set of Energy-saving Measures]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013, no. 3, pp. 7—9.
3. Ashmarin G.D., Salakhov A.M., Boltakova N.V., Morozov V.P., Gerashchenko V.N., Salakhova R.A. Vliyanie porovogo prostranstva na prochnostnye kharakteristiki keramiki [The Influence of Pore Space on the Strength Behaviour of Ceramics]. Steklo ikeramika [Glass and Ceramics]. 2012, no. 8, pp. 24—30.
4. De Lange R.S.A., Hekkink J.H.H., Keizer K., Burggraaf A.J. Microporous sol-gel Modified Membranes for Hydrogen Separation. In Proceedings of ICIM-2, 1—4 July, 1991. Montpellier, France. Key Engineering Materials. Trans. Tech. Publishers, Zurich, Switzerland, 1992, vol. 61—62, pp. 77—82.
5. Baker R.B. Membrane Technology and Applications. 2nd ed. John Wiley and Sons Ltd., 2004, 538 p.
6. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D. Printsipy sozdaniya novykh stroitel'nykh materialov [Principles of Creation of New Construction Materials]. Internet-Vestnik VolgGASU. Seriya: Politematicheskaya [VolgGASU Internet Bulletin. Series: Polytopical]. 2012, no. 3 (23). Available at: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/RumyantsevZhukov-2012_3(23).pdf.
7. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.V. Teploprovodnost' vysokoporistykh materialov [Heat Conductivity of Highly Porous Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 108—114.
8. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Teoreticheskie predposylki rascheta privedennogo soprotiv-leniya teploperedache ograzhdayushchikh konstruktsiy [Theoretical Premises of the Calculation of Reduced Resistance to Heat Transfer of Enclosing Structures]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 12, pp. 4—12.
9. Grigorieva T.F., Vorsina I.A., Barinova A.P., Boldyrev V.V. Mechanochemical Interaction of the Kaolinite with the Solid State Acids. XIII International Symposium on the Reactivity of Solids. Hamburg, Germany, Abstr. and Program, 1996, p. 132.
10. Moore F. Rheology of Ceramic Systems. Institute of Ceramics Textbook Series, Applied Science Publishers, 1965, 170 p.
11. Vos B., Boekwijt W. Ausfüllung des Hohlraumes in bestehengen Hohlmauern. Ge-sundheits-Ingenier, 1974, no. 4, pp. 36—40.
12. Oreshkin D.V. Vysokokachestvennye tsementnye tamponazhnye materialy s polymi steklyannymi mikrosferami [High Quality Oil-well Cement Materials with Hollow Glass Microspheres]. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more [Construction of Oil and Gas Wells on Land and Sea]. 2003, no. 7, pp. 20—31.
13. Sapelin A.N. Sorbtsionnye svoystva stenovykh materialov s primeneniem mikros-fer [Sorptive Properties of the Wall Materials Using Microspheres]. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and Construction]. 2013, no. 3, pp. 101—104.
14. Sapelin A.N., Bessonov I.V. Koeffitsienty struktury kak kriteriy otsenki teplotekh-nicheskogo kachestva stroitel'nykh materialov [Pattern Coefficients as a Criterion for Assessing Thermal Performance of Construction Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 6, pp. 26—28.
15. Pedersen T. Experience with Selee Open Pore Foam Structure as a Filter in Aluminium Continuous Rod Casting and Rolling. Wire Journal. 1979, vol. 12, no. 6, pp. 74—77.
16. Worral W.E. Clays and Ceramic Raw Materials. Great Britan, University of Leeds, 1978, 277 p.
17. Zhukov A.D., Smirnova T.V., Zelenshchikov D.B., Khimich A.O. Thermal Treatment of the Mineral Wool Mat. Advanced Materials Research (Switzerland). 2014, vol. 838—841, pp. 196—200.
18. Hall Ch.A.S. Energy Return on Investment: Introduction to Special Issue on New Studies in EROI. 2011, no. 3 (10), pp. 1773—1777. Available at: www.mdpi.com/2071-1050/3/10/1773. Date of access: 15.01.2014.
ВЕСТНИК Т/ОП4 Л
МГСУ_7/2014_
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Bessonov Igor' Vyacheslavovich — Candidate of Technical Sciences, leading research worker, Scientific and Research Institute of Construction Phisics of Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), 21 Lokomotivnyy proezd, Moscow, 127238, Russian Federation; [email protected];
Sapelin Andrey Nikolayevich — postgraduate student, Scientific and Research Institute of Construction Phisics of Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), 21 Lokomotivnyy proezd, Moscow, 127238, Russian Federation; [email protected];
Naumova Natal'ya Vladimirovna — head, Technical Support Department, Xella-Aero-
block-Centre, 93/2 Rabochaya str., Moscow, 109544, Russian Federation; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Bessonov I.V., Sapelin A.N., Naumova N.V. Povyshenie en-ergoeffektivnosti stenovykh konstruktsiy za schet materialov na osnove alyumosilikatnykh mikrosfer [Increasing Energy Efficiency of Wall Materials with the Help of Cenospheres]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 7, pp. 93—100.
