Прогрессивная концепция формирования стеновых блоков из легкого бетона на обжиговой связке Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 666.973

A.П. ПИЧУГИН, А.С. ДЕНИСОВ, В.Ф. ХРИТАНКОВ, доктора техн. наук,

B.И. БАРЕЕВ, канд. техн. наук, Новосибирский государственный аграрный университет

Прогрессивная концепция формирования стеновых блоков из легкого бетона на обжиговой связке

Керамический кирпич имеет тысячелетнюю историю применения в различных видах строительства и является универсальным и эффективным строительным материалом, обладающим высокой прочностью, долговечностью, архитектурными достоинствам. Однако кладка из кирпича малых форматов трудоемка, требует большого расхода раствора, возведения лесов или подмостей и т. д. Кроме того, конструкции, возводимые из мелкоштучных изделий, имеют относительно низкие теплозащитные характеристики и не обладают достаточными шумозащитными свойствами, что важно в современных условиях. Устраиваемые в каменной кладке теплоизоляционные вставки из органических или волокнистых теплоизоляционных материалов приводят к усложнению и удорожанию конструкции, но всегда решают задачи по повышению тепло- и шумозащитных характеристик вследствие интенсивного конденсато-образования на границе контакта материалов с резко отличающимися коэффициентами теплопроводности.

Высоких показателей тепло- и шумозащиты можно достичь при возведении стен из крупноразмерных блоков и панелей, которые можно монтировать индустриальным способом. Технология производства крупноразмерных стеновых материалов была разработана в Ростовском инженерно-строительном институте на кафедре строительных материалов под руководством профессора Г.С. Бурлакова. В основе технологии получения крупноразмерных стеновых материалов из легкого бетона на обжиговой связке, состоящей из сырьевой смеси, способной при обжиге (нагреве) образовывать хорошо спекшийся керамический камень, лежит эффект когезии и адгезии к заполнителям. В качестве заполнителя использовались топливные и металлургиче-

Рис. 1. Схема и фактическое формирование стенового блока с направленно изменяемой пористой структурой легкого бетона на обжиговой связке

ские шлаки, золошлаковые смеси, горелые шахтные породы, природные пористые и другие виды заполнителей, не разлагающиеся при температуре обжига, применение которых экономически оправданно.

На Новочеркасском заводе строительных материалов было налажено изготовление стеновых блоков из легкого бетона на обжиговой связке, имеющих достаточно большие размеры 1200x600x350 мм. Для кладки стен с перевязкой швов были изготовлены также блоки 3/4, 1/2 объема от указанных размеров блока. Для устройства перегородок блоки изготавливались в два раза меньшей толщины. Все блоки имели щелевые пустоты, предназначенные для повышения равномерности обжига, снижения средней плотности блока и улучшения теплозащитных свойств ограждающих конструкций [ 1].

При всех достоинствах и преимуществах отработанной в то время технологии получаемые крупноформатные изделия были не лишены ряда недостатков по теп-лофизическим и акустическим показателям.

Предлагаемая технология базируется на получении интегральной крупнопористой структуры материала. Разработаны теоретические положения формирования легких бетонов на крупном пористом заполнителе, эффективно снижающих шумы одновременно на низких, средних и высоких звуковых частотах за счет направленно изменяемой пористой структуры и обладающие при этом высокими теплотехническими свойствами [2—4].

На рис. 1 показана принципиальная схема формирования стенового блока из крупнопористого бетона на обжиговой связке с использованием керамзитового гравия различной гранулометрии.

Известно, что звукопоглощение материалов зависит от их физического происхождения и характера пористой структуры. Лучшими звукопоглощающими материалами являются войлок и волокнистая изоляция на основе стеклянного или минерального волокна, худшими — плотные бетоны и каменная кладка (рис. 2) [5]. Следует отметить, что все материалы, используемые в современном строительстве, практически не способ-

di

Частота звука, Гц

Рис. 2. Звукопоглощающая способность различных строительных материалов: 1 - войлок; 2 - стекловата; 3 - торф; 4 - древесина; 5 - керам-зитобетон; 6 - кирпичная стена

22

научно-технический и производственный журнал

декабрь 2011

jVJ ®

ны защитить от шумовых воздействии в интервале низких звуковых частот. Поэтому для поглощения шума с низкими частотными характеристиками устраиваются перфорированные плиты или экраны. Крупнопористый материал с интегральной пористой структурой способен поглощать шумовые воздействия в широком интервале звуковых частот за счет различной пористости.

Теоретическим обоснованием принятой концепции формирования структуры стенового материала является математическая модель, представленная ниже. В качестве акустических параметров материала приняты волновое сопротивление W и постоянная распространения у (1/м).

W = —

(1)

где Wa, Wi — действительная и мнимая составляющие величины W.

у = а + ;'Р,

(2)

где а — показатель затухания амплитуды звукового давления; в — фазовая постоянная.

Дополнительно в модель вводятся следующие показатели: пористость Н; размер пор D; извилистость q и безразмерный параметр М, характеризующий структурные особенности материала:

где р0 — плотность воздуха; 10-3 — нормировочный множитель.

Основной задачей построения математической модели является установление аналитических зависимостей: W = W(H, D, q, М) и у = у(Н, D, q, М).

Распространение звуковой волны в пористой среде включает два этапа: вначале установлены количественные связи между структурными характеристиками О и физическими показателями материала. Поскольку параметр О является фрагментом волнового сопротивления Wза вычетом единицы, его определение осуществлялось по формуле: О = Wa — 1.

Согласно теории Рэлея и с учетом толщины вязкого слоя выведено следующее выражение для величины О:

_ (1-Я)(1 + Я) 0,4ц

П НБ д/ А:р0 с0'

где к=2я//с0 — волновое число в воздухе, 1/м; f — частота звука, Гц; с0 — скорость звука в воздухе, м/с; ц — коэффициент динамической вязкости, Па-с.

Дальнейшая разработка математической модели заключается в выборе простых аналитических зависимостей для параметров Wи у в соответствии с фактическими структурными характеристиками и показателями Н, D, q и М. Поскольку согласно теории Аттенборо величина Ц^^ равна отношению извилистости к пористости, фактическая зависимость параметра Wа может быть представлена в следующем виде: Wа=1+О при /</с',.г; Wа=q/H при />/сг, где /сг — критическая частота:

Г _ 20ц(1-Я)2(1+Я)4

сг ч о *

я-р0 02(д-Н)2

(3)

Ео = о =

Е^а = ^а

д-нщ+ну ПЩГ

НБ V Атр0 с0; 1+ О при // ;

(4)

(5)

Е^а = ^а = q/H при / >/сг ; = W■ = ОН/(1+Л) ; Еа = а = к • ОН; Ев = в = к[1+ ОН(1+5)].

(6)

(7)

(8) (9)

Аналогичным образом разработана математическая модель тепломассопереноса для ограждения с интегральной (изменяемой) пористой структурой. Для теоретического обоснования работы ограждающей конструкции из легкого бетона с изменяемой гранулометрией крупнопористого заполнителя на обжиговой связке рассмотрен процесс трансмиссионной передачи тепла. Отвод тепла от слоя dх за единицу времени составит, <7®, а приток тепла к слою за это же время — Разность между входящими и выходящими потоками равна:

(10)

Величина есть функция х. Если ее разложить в

ГТЛ ^ Л"т"ОЛ

ряд Тейлора и ограничиться двумя первыми членами ряда, то можно записать:

- - ¿><7°

Согласно закону Фурье:

Эх

йх.

Э*

(11)

(12)

где I — температура в сечении ограждения, 0С; X — коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/(м-°С). Тогда:

Эх Ос**.

(13)

(14)

Разность этих потоков будет:

■,0 = 1 д2? дх2

Количество тепла, внесенного фильтрующимся воздухом в элементарный слой dх за единицу времени с учетом его удельной теплоемкости, составит = а унесенного из слоя — = ■ йх.

Разность фильтрующихся потоков тепла составит:

ау, = Х йх.

д*=свж«х-гх+ах). (15)

Так как величина есть функция от х, то:

(16)

или, подставив это в уравнение (3.6), получим:

дИ=-свЖ-^йх. (17)

За интервал времени dz в результате трансмиссионного и фильтрационного переносов тепла в слое будет накапливаться или рассеиваться тепло в количестве, равном:

Э2г

(18)

Выведены эмпирические выражения для волновых параметров Wi, а и в, совокупность которых представляет математическую модель:

Это тепло будет изменять температуру слоя. К концу интервала температура слоя материала толщиной dх с объемной теплоемкостью р изменится на величину .Ш. При этом:

2

cpйx4Lйz = ^A^гйxйz-cвJV^Lйxйz (19) 01 Эх ох

или

'^^УМ^^Ь.Н.Ы^ научно-технический и производственный журнал

М ® декабрь 2011 23

Теплофизические показатели стен из различных материалов

со м ,м оГ о? я, о

1 !о я, т о нл е с С) §■ I ° 6" я, о ы ен я, е ло ко сл т о <ц т ы ое тен " £ й сл ) ия С) ц -

Материал о о н от Пл £ 1 -О- О т н- Ко 5 а н и 3" л о а н и л" ^ ф о >- о ^ =ло <в А ! £ го ^ ё о

еп пл е 1— ол 1— пр о с ро п о с пл е 1—

Сосна (ель) 500 0,14 3,87 0,3 0,3 2,14 2,3 8,29

500 0,14 3,87 0,15 0,15 1,07 1,07 4,15

Железобетон 2500 1,92 17,98 0,55 0,55 0,286 0,444 3,15

Кирпич керамический полнотелый 1800 0,7 9,2 0,64 0,64 0,914 1,07 8,41

Кирпич керамический пустотный 1600 0,58 7,91 0,12 0,21 1,66

Полистиролбетон 300 0,1 1,68 0,18 0,57 2,57 3,47 4, 3 гчэ

Кирпич керамический пустотный 1600 0,58 7,91 0,25 0,43 3,4

Газобетон 300 0,07 1,68 0,3 0,6 4,29 4,95 7,21

Легкобетонный блок с изменяемой

гранулометрией крупного заполнителя на 450-650 0,12-0,3 0,42-1,25 0,3-0,6 0,3-0,6 3,2-3,5 2,8-4,55 5,6-6,8

обжиговой связке

Рис. 3. Специальная форма для раздельного пофракционного формования легкобетонных блоков на обжиговой связке

Эг Эх2

(20)

Полученная зависимость является дифференциальным уравнением переноса тепла через плоскую стену при нестационарном режиме в условиях возможной фильтрации воздуха в пористой структуре материала.

В экспериментальной работе для изготовления блоков применялось глинистое сырье, представляющее собой мелкие пылеватые суглинки, наиболее широко распространенные в Сибири. Для снижения усадки в их состав вводились мелкие фракции золошлаковой смеси и специальные добавки, обеспечивающие пластифицирующий эффект. В качестве заполнителя в состав бетонной смеси вводился керамзитовый гравий, предварительно разделенный на фракции 5—10; 10—20; 20—40 мм. Для некоторых составов использовались фракционированные топливные шлаки.

Формование крупноразмерных стеновых блоков из легкого крупнопористого бетона на обжиговой связке осуществляется в специальных формах, обеспечивающих раздельную пофракционную укладку приготовленных смесей (рис. 3). Бетонные смеси с заполнителями различных гранулометрических составов послойно укладываются в наружные, средние и внутренние слои, после чего уплотняются на виброплощадке, а внутренние вставки вынимаются. Продолжительность виброуплотнения составляет от 60 до 120 с и зависит от состава и технологических возможностей предприятия. Отформованный блок распалубливается и поступает в отделение сушки, из которого направляется на обжиг при температуре 950—1050оС. Испытания проводили по методике для обычного легкого бетона. Для акустических испытаний изготовляли образцы-цилиндры диаметром 100 мм, длиной 100—400 мм.

Физико-техническая характеристика блоков

Размеры, мм...............................200x200x400

Предел прочности при сжатии, МПа................2,5-7,5

Средняя плотность, кг/м3......................... 450-720

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С).........0,12-0,3

Водопоглощение, %...............................25-32

Морозостойкость, цикл............................35-50

Блоки из легкого бетона на обжиговой связке можно укладывать в стену как без дополнительной отделки лицевой стороны, так и с отделкой известково- и цемент-нопесчаным раствором, облицовкой различными фасадными материалами.

В таблице приведены сравнительные характеристики различных стеновых материалов, широко используемых в современном строительстве.

Данные таблицы показывают, что предлагаемый стеновой материал — легкобетонный блок на обжиговой связке и керамзитовом заполнителе с направленно изменяемой гранулометрией перспективен для возведения однослойных ограждающих стен.

Ключевые слова: крупноразмерный стеновой блок, теплозащита, звукозащита, керамзит, фракционированный заполнитель, обжиговая связка.

Список литературы

1. Бурлаков Г.С. Технология изделий из легкого бетона. М.: Высшая школа, 1986. 296 с.

2. Пичугин А.П., Денисов А.С., Хританков В.Ф., Авраменко В.В. Звукопоглощающий легкий бетон. Патент на изобретение № 2415824 с приоритетом от 26.05.2009.

3. Денисов А.С. Совершенствование технологии производства изделий из легких бетонов // Строительные материалы. 2006. № 3. С. 68-69.

4. Хританков В.Ф. Легкие органоминеральные бетоны с повышенной звукопоглощающей способностью // Строительные материалы. 2009. № 8. С. 60-63.

5. Пичугин А.П., Денисов А.С., Хританков В.Ф., Авраменко В.В. Эффективные органоминеральные бетоны с повышенными тепло- и звукоизолирующими свойствами // Строительные материалы. 2008. № 5. С. 73-75.

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ "24 декабрь 2011 Ы ®