CC BY
163
Сорбционные свойства стеновых материалов с применением микросфер
А.Н.Сапелин
Сорбционные свойства строительных материалов являются важнейшей характеристикой, используемой при оценке тепловлажностного состояния ограждающих конструкций. Под сорбцией неорганических строительных материалов чаще всего понимается физическая адсорбция водяного пара из воздуха на внутренних капиллярах, щелях, пустотах и прочих поверхностях в теле материала, а также капиллярная конденсация водяного пара в его порах [1].
Сорбционную влажность строительных материалов можно определять различными способами, однако наибольшее распространение получил так называемый эксикаторный способ по ГОСТ 24816 или EN ISO 12571.
Для расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций важное значение имеет показатель теплопроводности при эксплуатационной влажности.
Примером новых строительных материалов с пониженной эксплуатационной влажностью являются материалы на основе алюмосиликатных (зольных) микросфер. Алюмосиликат-ные микросферы представляют собой отходы производства тепловой энергии, получаемой при сжигании углей на ТЭЦ. Это полые шарики размером 10-500 мкм с толщиной стенки до 10% диаметра. Насыпная плотность микросфер составляет приблизительно 360 кг/м3.
Сорбционные свойства алюмосиликатных микросфер были исследованы эксикаторным способом по ГОСТ 24816 и представлены ниже в таблице 1 и на рисунке 1.
Максимальное сорбционное увлажнение алюмосиликатных микросфер не превышает по массе 0,3%. На основе полученных в исследовании данных было выдвинуто предположение, что при использовании микросфер в качестве
Влажность воздуха, % Рис. 1. Сорбционная кривая алюмосиликатных микросфер
легкого наполнителя сорбционная влажность искусственного строительного конгломерата снизится, что обеспечит более низкую теплопроводность в эксплуатационных условиях.
Для исследования влияния алюмосиликатных микросфер в качестве легкого наполнителя на тепловлажностные характеристики были разработаны составы и технология получения материалов на основе портландцемента, жидкого стекла и глиняного черепка [2,3].
В работе [4] было установлено, что некоторые соли могут парить и осаждаться на материал, образуя налет, влияющий на измерение сорбции. Было выявлено, что насыщенный раствор бромноватокислого натрия NaBrO3 и пятиводной сернокислой меди CuSO^5H2O нельзя применять для поддержания влажности воздуха в целях измерения сорбции строительных материалов. Такой вывод подтверждает эксперимент с пластилином, на котором во время эксикаторного увлажнения в этих солях образовывался тонкий налет соли. В нашем эксперименте применялись соли KNO3 и K2SO4 для относительной влажности соответственно 93 и 97%. В ходе эксперимента бюксы со всеми тремя материалами находились в одном эксикаторе. Время проведения эксперимента составило 6 месяцев, по истечении которых был сделан вывод об отсутствии образования солевого налета на образцах, следовавший из того, что образец материала из микросфер и глиняного черепка увлажнился за один месяц и далее его масса на протяжении четырех месяцев оставалась неизменной. При эффекте образования солевого налета его масса продолжала бы расти.
Результаты сорбции представлены в таблице 2 и на рисунке 2. Следует отметить, что реальный эксперимент по определению сорбционного увлажнения для влажности 50, 65 и 80% производился в специально оборудованном помещении, где поддерживались влажность и температура, а для влажности 93 и 97% - в эксикаторах над растворами солей по EN ISO 12571.
Рассмотрим теперь влияние сорбционного увлажнения на теплопроводность вышеописанных материалов. Чтобы его определить, для каждого материала проводилась серия экспериментов, включавшая измерение его теплопроводности в сухом состоянии и в состоянии полного насыщения.
Таблица 1. Сорбционные свойства алюмосиликатных микросфер
Относительная влажность воздуха (ф), % 40 60 80 90 97
Сорбционная влажность (w), % 0,027 0,038 0,067 0,106 0,294
Как показывают таблица 3 и рисунок 3, теплопроводность исследованных материалов практически линейно зависит от влажности.
Сравним зависимость теплопроводности от влажности двух теплоизоляционных материалов на основе цемента:
• материал на основе цемента с использованием для облегчения микросфер - плотность 631 кг/м3;
• материал на основе цемента с использованием для облегчения воздушных пор - плотность 600 кг/м3.
Для адекватного сравнения приведем график зависимости теплопроводности от влажности для ячеистого бетона и для микросфер с портландцементным вяжущим. Конечные точки (справа) соответствуют влажности при условиях эксплуатации Б, промежуточные - влажности при условиях эксплуатации А (рис. 4).
Портландцемент Жидкое стекло Глина
Относительная влажность воздуха, %
Рис. 2. Экспериментальные данные по сорбционным свойствам строительных материалов с применением алюмосиликатных микросфер
Микросферы на портландцементе
Микросферы на жидком стекле
Микросферы на глине
10 20 30 40 Влажность материала, %
Рис. 3. Зависимость теплопроводности от влажности строительных материалов с применением алюмосиликатных микросфер
Таблица 2. Результаты экспериментальных определений сорбционных свойств материалов
Относительная влажность воздуха (Ф) Микросферы на портландцементном связующем % Микросферы на жидкостекольном связующем % Микросферы на глиняном связующем %
0,50 2,94 0,65 0,033
0,65 3,2 1,06 0,0088
0,80 4,4 2,05 0,022
0,93 10,85 11,69 0,04
0,97 15,5 21,4 0,06
Таблица 3. Изменение теплопроводности при увлажнении строительных материалов с применением алюмосиликатных микросфер
Влажность, % по массе Теплопроводность, Вт/м^С
Микросферы на портландцементном связующем Микросферы на жидкостекольном связующем Микросферы на глиняном связующем
0 0,16 0,177 0,233
0,04 - - 0,230
2,39 - 0,187 -
7,90 0,165 - -
19,61 0,220 - -
38,65 - - 0,460
42,70 - - 0,477
43,44 0,317 - -
44,62 - 0,327 -
50,02 - 0,345 -
102
3 2013
Если сравним приращение теплопроводности на каждый процент влажности, то увидим, что материалы на основе микросфер имеют заметно меньший прирост.
Для корректной оценки теплозащитных качеств строительных материалов необходимо по возможности точно определять их сорбционные свойства.
Применение солевых растворов для определения сорбции эксикаторным методом может давать погрешность на результат в силу летучести соли, а также зависимости относительной влажности над раствором от температуры. Применение серной кислоты для поддержания относительной влажности является более стабильным и надежным источником данных о сорбции, однако известны случаи негативного влияния серной кислоты и триокиси серы на измерение сорбции некоторых материалов. По данным И.Я.Киселева, при измерении сорбции эксикаторным методом над водными растворами кислот погрешность поддержания относительной влажности составляет 0,2-0,5%.
Метод ускоренного определения сорбции, основанный на фильтрации увлажненного воздуха через образец обладает рядом преимуществ, главным из которых является проведение испытания в течение не более 10-15 суток. В НИИСФ разработана многоканальная установка по ускоренному определению сорбции строительных материалов. Проведенные расчеты показывают, что применение вместо медь-константановых термопар платиновых термометров сопротивления позволит достичь точности поддержания относительной влажности ±0,03%, что в 7-15 раз превысит точность измерения сорб-ционной влажности над растворами кислот.
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:
1. Максимальное сорбционное увлажнение алюмосили-катных микросфер весьма мало. Поэтому их применение в качестве наполнителя в искусственных строительных конгломератах положительно влияет на тепловлажностные характеристики последних. В частности, снижается не только эксплуатационная влажность, но и прирост теплопроводности на каждый процент влажности строительных материалов.
2. Для определения сорбции при относительной влажности 93 и 97% допустимо применение солевых растворов
X = f (w)
%
Рис. 4. Зависимость теплопроводности от влажности материалов на основе микросфер и ячеистого бетона
KNO3 и K2SO4 соответственно; выпадение солевого осадка не наблюдается.
3. Необходимо дальнейшее совершенствование способов измерения сорбционной влажности как одного из главных параметров, влияющих на теплозащитные качества строительных материалов.
Литература
1. ГагаринВ.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., 2000.
2. Патент на изобретение № 2455253 «Способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер». Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 10 июля 2012 г. (Бессонов И.В., Сапелин А.Н., Кордюков Н.П.).
3. Патент на изобретение № 2473504 «Сырьевая смесь для изготовления керамических строительных изделий». Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 27 января 2013 г. (Сапелин А.Н., Бессонов И.В., Кордюков Н.П., Четников Ю.Ю.).
4. Киселев И.Я. Ошибки измерения равновесной сорбционной влажности материалов ограждающих конструкций эксикаторным методом // Academia. 2010. №3. С. 623-629.
Literatum
1. Gagarin V.G. Teorija sostojanija i perenosa vLagi v stroiteL-nyh materiaLah i tepLozashсhitnye svojstva ograzhdajushсhih konstrukcij zdanij: dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni doktora tehnicheskih nauk. M., 2000.
2. Patent na izobretenie № 2455253 «Sposob poLuchenija konstrukcionno-tepLoizoLjacionnogo stroiteLnogo materiaLa na osnove aLumosiLikatnyh mikrosfer». Zaregistrirovan v Gosreestre izobretenij RF 10 ijuLja 2012 g. (Bessonov I.V., SapeLin A.N., Kordjukov N.P.).
3. Patent na izobretenie № 2473504 «Syrjevaja smes dLja izgotovLenija keramicheskih stroiteLnyh izdeLij». Zaregistrirovan v Gosreestre izobretenij RF 27 janvarja 2013 g. (SapeLin A.N., Bessonov I.V., Kordjukov N.P., Chetnikov Ju.Ju.).
4. KiselevI.Ya. Oshibki izmerenija ravnovesnoj sorbcionnoj vLazhnosti materiaLov ograzhdajushchih konstrukcij eksika-tornym metodom // Academia. 2010. №3. S. 623-629.
Sorption Properties of the Wall Materials with Use of
Microspheres. By A.N.Sapelin
The articLe deaLs with the resuLts of the study of the sorption properties of buiLding materials, which are used as Lightweight fiLL aLumino-siLicate microspheres. The use of siLica-aLumina microspheres for reducing the operating humidity of buiLding materiaLs.
Ключевые слова: сорбция, микросферы, теплопроводность, теплозащитные качества.
Key words: sorption, microspheres, thermaL conductivity, heat-proof quaLity.
