Сравнительный анализ современных стеновых теплоизоляционных материалов и материалов на основе золошлаковых отходов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Сравнительный анализ современных стеновых теплоизоляционных материалов и материалов на основе золошлаковых отходов

у ы

а

Е

а

ей б Е Е

Медведева Галина Александровна

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», [email protected]

Сафиуллина Гузель Рамилевна

бакалавр кафедры «теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции», ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», [email protected]

На современном этапе строительства основным направлением ресурсосбережения является использование вторичных материалов, т.е. отходов производства. Новые нормативы по энергосбережению требуют более высоких показателей термического сопротивления наружных ограждающих конструкций. Таких характеристик тяжело или невозможно добиться с помощью традиционных материалов, которые используются в отечественном производстве. Поэтому создаются новые технологии многослойных конструкций с применением эффективных утеплительных материалов. В данной научно-исследовательской работе приведено описание нового теплоизоляционного материала изготовленного на основе золошлаковых отходов ТЭЦ-2 в г. Казани. В работе приведено описание изготовления образцов данного материала, его физико-механические свойства и экономическое обоснование целесообразности изготовления и применения в строительстве. Данный композиционный материал представляет собой цементный материал, содержащий зо-лошлаковые отходы, с защитным покрытием (полученном при пропитке в серном расплаве) и без него. Исследование показало, что материал, изготовленный из золошлаковых отходов ТЭЦ-2 г. Казань и пропитанный серой имеет удовлетворительные параметры с точки зрения основных показателей, а именно: - энергосбережение, так как имеет низкий коэффициент теплопроводности и может использоваться как теплоизоляционный материал;

- прочность, выступает как конструктивный материал, так как имеет удовлетворительные параметры по показателю прочности;

- экономические целесообразен для применения в строительстве.

Т.е. данный материал оптимально совмещает в себе характеристики и теплоизоляционного материала и несущего стенового материала. Также одним из основных аргументов для использования данного материала является экологический аспект. Если золы и шлаки различных производств, в частности энергостанций, получат перспективный способ вторичного применения, то будут решены многие экологические проблемы по утилизации этих отходов. Ключевые слова: теплоизоляционный материал, золошла-ковые отходы, композиционный материал, энергосбережение.

Введение

В данной научно-исследовательской работе приведено описание нового теплоизоляционного материала изготовленного на основе золошлаковых отходов (ЗШО) ТЭЦ-2 в г. Казани. В работе приведено описание изготовления образцов данного материала, его физико-механические свойства и экономическое обоснование целесообразности изготовления и применения в строительстве.

Основная часть

Данный композиционный материал представляет собой цементный материал, содержащий золошлаковые отходы, с защитным покрытием (полученном при пропитке в серном расплаве) и без него.

Исходными материалами являлись:

1) Цемент класса прочности 42,5Н (ГОСТ 31108-2003);

2) Сера-отход Нижнекамского нефтеперарабатывающего завода (ГОСТ 1273 ) Строительный песок (ГОСТ 8736-93);

4) ЗШО - отходы ТЭЦ-2 г. Казань состава:

Таблица 1

Состав ЗШО Казанской ТЭЦ-2

Наименование Масс.%

ЭЮ2 47,7-52,2

CaO+MgO 4,3

Р20 1,84-19,03

А12О3+ТЮ2 21,24-25,28

Fe20з 5,2-5,9

Э03 0,2

Методом рассева золошлаковые отходы были разделены на зольную и шлаковую составляющие. В работе использовали зольную составляющую с размером частиц менее 1 мм.

Образцы композиции готовили путем смешения исходных компонентов - цемент, песок и золошлаковые отходы. Оптимальным с точки зрения прочностных свойств материала, является соотношение цемент : наполнитель (песок и ЗШО) равное 1:3. Поэтому в работе поддерживали именно это соотношение компонентов. Полученные смеси направляли на формование

образцов с заливкой в формы размером 2х2х6 см. После распалубки форм (через 28 суток) изделия сушили при температуре 100°С в течение 2 ч. в сушильном шкафу.

Введение в состав цементного бетона зо-лошлаковых отходов позволяет улучшить теплоизоляционные свойства бетона [1]. С увеличением в составе ЗШО теплопроводность образцов уменьшается с 0,311 Вт/м*°С до 0,24 Вт/м*°С, что объясняется формированием пористой структуры.

Увеличение доли золошлаковых отходов в наполнителе приводит к понижению прочности в 2,5 раза. Образцы, в которых наполнителем являлся только золошлаковый отход, имеют крайне низкую прочность и даже при небольшом усилии рассыпаются. Это обусловлено образованием рыхлой, пористой структуры образцов и отсутствием адгезии между вяжущим и наполнителем. Плотность композиции также уменьшается, что объясняется низкой удельной плотностью золошлакового наполнителя и наличием большого числа пор и пустот в материале. Наличие открытых пор в образцах, наполненных золошлаковыми отходами, является причиной высокого водопоглощения. Так, для композиции цемент : ЗШО этот показатель составил 4-5 %, что не приемлемо для использования в строительстве.

Для изготовления балочек с защитным покрытием полученные образцы загружали в емкость с расплавленной серой при температуре 120-130°С и осуществляли пропитку серой в течение 1 ч. После этого изделия извлекали из пропиточной камеры и охлаждали до температуры окружающей среды. Процесс охлаждения сопровождался кристаллизацией расплава в поровом пространстве и свойства материала изменялись [2].

После модифицирования образцов в серном расплаве их прочность существенно повысилась, прочность на сжатие повысилась почти в 8 раз. Материал на основе ЗШО оптимального состава имел прочность на сжатие 4,2 МПа, материал, пропитанный серой 39,7 МПа. Также они стали более плотными, плотность увеличилась

3 3

с 1,44 г/см до 2,178 г/см и водостойкими (водо-поглощение понизилось до 1,3 %). Теплопроводность образцов тоже несколько понизилась: с 0,15 Вт/м*°С до 0,128 Вт/м*°С.

Область применения: такие материалы можно применять как в сухих помещениях, например, как теплоизоляционная прослойка в межкомнатных перегородках, так и в качестве теплоизоляции в наружных стенах.

Для сравнительного анализа были рассмотрены традиционные теплоизоляционные материалы, такие как минеральная вата различных видов, пе-нополистирол и пенопласт [3, 4]. Физико-

механические характеристики теплоизоляционных материалов представлены в сводной таблице 2.

Таблица 2

Сравнение физико-механических свойств теплоизоляци-

Материалы Состав образца, соотношение Плот ность, г/см3 Прочность, МПа Водо погло ще-ние, % Теплопро водность, Вт/м0С

Теплоизо- Це-

ляц. мате- мент:Песок:

рил, на основе ЗШО, ЗШО= 1:1:2 1,44 4,2 4-5 0,15

оптимально-

го состава

Теплоизо- Це-

ляц. мате- мент:Песок:

рил, на ос- ЗШО=

нове ЗШО пропитан- 1:1:2, пропитан- 2,178 39,7 1,3 0,128

ный серой ные расплавом серы

Минвата: 90% горные

а) стеклянное волокно породы, 10% добав- 0,0300,052

б) шлаковата ки 0,0350,2 0,08 1-2 0,46-0,48 0,048-

в) каменная 0,077

вата 0,035-

г) базальто- 0,042

вая вата

Пенополист 2% поли-

ирол мер винил-бензола (гранул), 98% воздушная жидкость 0,045 0,24 0,4 0,0280,034

Пенопласт 2% стирол, 98% газ 0,0120,035 0,08 1,0 0,0330,041

Таким образом, проанализировав свойства композиционного материала на основе ЗШО без пропитки и пропитанного серой и, сравнив его с традиционными теплоизоляционными материалами можно сделать вывод о том, что данный материал по показателям теплопроводности уступает традиционным теплоизоляционным материалам, но по показателю прочности в 39,7 МПа композиционный материала на основе ЗШО пропитанный серой приближается к традиционному красному кирпичу марки М300 имеющему предел прочности на сжатие 30 МПа [5]. Поэтому можно сделать вывод, что композиционный материал на основе ЗШО пропитанный серой можно рассматривать как несущий стеновой материал с высокими теплоизоляционными характеристиками.

Экономическое обоснование изготовления композиционного материала на основе ЗШО. Сравнение с традиционными материалами.

Для изготовления композиционного материала на основе ЗШО необходимо: цемент, песок, золошлаковые отходы, вода.

I I

б

£

I

т П Н

у

ы ей Е

а

ей б Е Е

Цемент: ЦЕМ I 42,5Н - портландцемент с добавками, класс по прочности при сжатии на 28-е сутки 42,5 МПа, подкласс по прочности на сжатие на 2 (7) сутки нормальнотвердеющий, нормативный документ ГОСТ 31108-2003, прочность на сжатие в возрасте 2-х суток не менее 10 МПа, прочность на сжатие в возрасте 7-и суток не нормируется, прочность на сжатие в возрасте 28-и суток и более 62,5 МПа, начало схватывания не ранее 60 мин.

Средняя стоимость на рынке: 1 упаковка (50 кг) - 280 руб.

Песок: Песок строительный - это сыпучий материал неорганической природы, с размером зерен, не превышающим 5 мм. Основу строительных песков составляют частицы горных пород, образовавшиеся в процессе их естественного разрушения под воздействием времени и внешней среды. В виде небольших включений, могут содержать глину и органические вещества. Нормативный документ: ГОСТ 8736-93.

Средняя стоимость на рынке: 100 руб/м3

ЗШО: отходы ТЭЦ-2 г. Казань;

Средняя стоимость на рынке: бесплатно.

Для изготовления 1 м3 композитного материала составом цемент : песок : ЗШО = 1:1:2 необходимо:

1) Цемент - V = 0,25м3; средняя плотность р=1100 кг/м3;

т =1100*0.25=275 кг

Стоимость 50 кг цемента 300 руб, следовательно, стоимость 275 кг составит 1540 руб.

2) Песок - V=0,25 м3;

Стоимость 1м3 песка составляет 100 руб, следовательно стоимость 0,25 м2 составит 25

руб. 3

3) ЗШО - V=0,5 м3;

Суммарная стоимость композиционного материала на основе ЗШО: 1540+25=1565 руб/м3.

В данной статье с помощью методики, изложенной в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», рассчитывается тепловой и экономический расчет простенка в климатических условиях города Казань изготовленный из:

1) композиционного материала на основе ЗШО пропитанный серой;

2) красного глиняного кирпича с утеплителем из минеральной ваты;

3) красного глиняного кирпича с утеплителем из пенополистирола;

4) красного глиняного кирпича с утеплителем из пенопласта.

Геометрические характеристики простенка:

ширина: a=3м. высота: И=3м.

толщина: 2 кирпича (510мм) и утеплитель по расчету.

Теплофизические характеристики материалов принимаем по таблице 2.

Средние рыночные цены на материалы приведены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование Средняя стоимость на рынке, руб/м3

Минеральная вата 1400

Пенополистирол 1500

Пенопласт 1500

Композиционный материал на основе ЗШО 1565

Кирпич красный 10 руб/шт

Цементно-песчаный раствор 1670

Климатические характеристики холодного периода года района необходимые для расчета принимаются по СП131.13330.2012 «Строительная климатология» для г. Казани:

Температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 -31°С

Средняя температура воздуха периода со средней суточной температурой воздуха <8°С -4,8°С

Продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха <8°С 208 сут

Порядок расчета

Основной теплозащитной характеристикой ограждения является величина, Я0пр (м2°С)/Вт, которая называется приведенное сопротивление теплопередачи и она должна быть не меньше нормируемого значение, то есть удовлетворять условию . Для увеличения данной характеристики и обеспечения данного условия в состав ограждения вводят теплоизоляционный слой.

Принимаем по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 °С для г. Казани:

?в=20°С ; ^от= -4,8°С ; гот=208 сут/год.

ГСОП= «в -¿от)-гот=(20+4,8)*208=5158,4 (°Ссут/год)

Значения Р0тр для величин ГСОП следует определять:

"отр = а-ГСОП + Ь, где а=0,00035 ; Ь=1,4 Тогда: "отр=0,00035*5158,4+1,4=3,2 Вт/(м2 °С) "о норм=1*3,2=3,2 Вт/(м2 °С) Значение сопротивление теплопередачи простенка в условиях города Казани должно быть не меньше 3,2 Вт/(м2 °С).

1) Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, "опр, (м2 °С)/Вт, рассчитывается по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

2.1) Расчет простенка из композиционного материала на основе ЗШО пропитанного серой.

норм пр "о = "о = " о

Конорм=г*( )

Отсюда найдем толщину простенка, который будет удовлетворять необходимому значению сопротивления теплопередачи Ро норм=3,2 Вт/(м2 °С) 5=^0, м

_1___1_

<5=0,0128(^8 В,? ~ 23)=О,532 м. Исходя из этих условий и размеров стандартного кирпича 250х120х65 принимаем стену толщиной в 2,5 кирпича (640 мм). Объем кирпичной кладки:

У

кирп.кладки

=3*3*0,64=5,76 м3

Около 15 % кирпичной кладки составляет цементно-песчаный раствор:

У

=5,76*0,15=0,864 м3

раствора

Тогда, объем кирпича: ^кирп=5,76-0,864=4,896 м3 С учетом средних цен на материалы представленных в табл. 3 стоимость простенка из композиционного материала на основе ЗШО составит: 4,896*1565+0,894*1670=9105,12 руб. 2.2) Расчет простенка из красного глиняного кирпича с утеплителем из минеральной ваты:

1 ах Ях 1 _ 1 ег25 0,25 1 и5-'С йв-^т^ъ+^-щ*а!?4-23" ' "ВТ

Определение толщины слоя утеплителя из минеральной ваты: =3,2-0,84=2,36

Вычисленное значение корректируем в соответствии с требованиями унификации конструкции ограждений, плиты минераловатные из каменного волокна выпускаются стандартно толщиной 60 мм, поэтому принимаем ближайшее большее стандартное значение 120 мм следовательно, 2 плиты толщиной 60 мм.

Условие не выполняется, т.к. 2,76 < 3,2 Добавим еще одну плиту утеплителя: 3 плиты толщиной 60 мм, общая толщина утеплителя 180 мм.

Условие выполняется, т.к. 3,72 > 3,2 Объем кирпичной кладки толщиной в 2 кирпича:

У

кирпич. кладки

=3*3*0,5=4,5 м3

Тогда, объем цементно-песчаного раствора и объем кирпича:

раствора кирпича

=0,15*4,5=0,675 м3 =4,5-0,675=3,825 м3

Объем одного стандартного кирпича:

Ус

=0,25*0,12*0,065=0,00195 м3

ст.кирпича

Количество кирпичей:

^ кирпича/ Уст.кирпича=3,825/0,00195=1962 шт Стоимость кирпича для данного простенка: 1962*10=19620 руб. Стоимость раствора: 0,675*1670=1127,25 руб.

У

=3*3*0,18=1,62 м3

утеплителя

С учетом средних цен на материалы представленных в таблице 3 стоимость простенка из красного кирпича с утеплителей из минеральной ваты составит:

19620+1127,25+1,62*1400=23015,25 руб.

2.3) Расчет простенка из красного глиняного кирпича с утеплителем из пенополистирола

' ~ есв + ~ + 23 " ' Вт

Определение толщины слоя утеплителя из пенополистирола:

=3,2-0,84=2,36

Плиты из пенополистирола выпускаются стандартно толщиной 50 мм, поэтому принимаем ближайшее большее стандартное значение 100 мм следовательно, 2 плиты толщиной 50 мм.

Условие выполняется, т.к. 3,5 > 3,2

V

=3*3*0,1=0,9 м3

утеплителя

С учетом средних цен на материалы представленных в таблице 3 стоимость простенка из красного кирпича с утеплителей из пенополи-стирола:

19620+1127,25+0,9*1500=22097,25 руб.

2.4) Расчет простенка из красного глиняного кирпича с утеплителем из пенопласта

1 Ùt ôs 1 1 Û,25 D,25 1 и ¡.'С Д. = — J—- j—i. J--—-J—:—J—;—J--— iw-

0 квЧЧ «н y sia ESfî a i,UT> Вт

Определение толщины слоя утеплителя из пенопласта:

=3,2-0,84=2,36

Плиты из пенопласта выпускаются стандартно толщиной 50 мм, поэтому принимаем ближайшее большее стандартное значение 50 мм следовательно, 2 плиты толщиной 50 мм.

I I

б

£

I

m П i

менения, то будут решены многие экологические проблемы по утилизации этих отходов.

Условие выполняется, т.к. 3,5 > 3,2

V

=3*3*0,1=0,9 м3

утеплителя

С учетом средних цен на материалы представленных в таблице 3 стоимость простенка из красного кирпича с утеплителем из пенопласта: 19620+1127,25+0,9*1500=22097,25 руб. Расчеты сведем в итоговую таблицу 4.

Таблица 4

№ Материалы простенка Толщина, мм Сопротивление теплопередачи, м2*°С/Вт Стоимость, руб

1 Композиционный материал на основе ЗШО пропитанный серой 640 4,12 9105,12

2 Красный глиняный кирпич с утеплителем из минеральной ваты 690 3,72 23015,25

3 Красный глиняный кирпич с утеплителем из пенополистирола 610 3,5 22097,25

4 Красный глиняный кирпич с утеплителем из пенопласта 610 3,5 22097,25

У Ы tt Е

5

«

tt

6 Е Е

Выводы

Таким образом, исследование показало, что материал, изготовленный из золошлаковых отходов ТЭЦ-2 г. Казань и пропитанный серой имеет удовлетворительные параметры с точки зрения основных показателей, а именно:

- энергосбережение, так как имеет низкий коэффициент теплопроводности и может использоваться как теплоизоляционный материал;

- прочность, выступает как конструктивный материал, так как имеет удовлетворительные параметры по показателю прочности;

- экономически целесообразен для применения в строительстве.

Т.е. данный материал оптимально совмещает в себе характеристики и теплоизоляционного материала и несущего стенового материала. Как показали расчеты в климатических условия г. Казани стена в 2,5 кирпича из данного композиционного материала может обеспечить и несущую способность и необходимое сопротивление теплопередачи, а стоимость данной конструкции будет в среднем в 2 раза дешевле, чем конструкции из традиционных материалов.

Также одним из основных аргументов для использования данного материала является экологический аспект. Если золы и шлаки различных производств, в частности энергостанций, получат перспективный способ вторичного при-

Литература

1. Медведева Г.А., Ахметова Р.Т., Пятко Ю.Н. Переработка отходов теплоэнергетики в водостойкие теплоизоляционные материалы строительного назначения // Журнал Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на промышленных предприятиях, в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве: Сб. статей XII Междунар. науч.-практич. конференции. -Пенза. - 2012. - С. 30-35.

2. Королев Е.В. Строительные материалы на основе серы / Е.В. Королев, А.П. Прошин, В.Т. Ерофеев, В.М. Хрулев, В.В. Горетый. - Пенза, 2003. - 372 с.

3. Зарубина Л. П. Теплоизоляция зданий и сооружений. Материалы и технологии. 2-е изд. -СПб.: БХВ-Петербург. 2012. - С. 416.

4. Камзолов С. М., Корниенко В. Н., Руденко Г. С. Тепловая изоляция. Учебное пособие. - М.: МГУПБ. 2010. - С. 120.

5. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Высшая школа, 1987.- 414 с.

Comparative analysis of modern wall heat insulating materials and materials based on bottom ash waste from the thermal power station Medvedeva G.A., Safiullina G.R.

Kazan state university of architecture and engineering At the current stage of construction, the use of secondary materials is the main area of resource conservation (production waste). New standards for energy conservation require higher values of thermal resistance of external enclosing structures. Such characteristics are difficult or impossible to achieve with the help of traditional materials used in domestic production. Therefore, new technologies for multi-layer structures are created with the use of effective insulation materials. This research project is dedicated to a description of a new thermal insulating material made on the basis of ash and slag wastes taken from CHP-2 in Kazan. The paper describes the sampling of this material, its physical and mechanical properties and the economic feasibility of its manufacture and use in construction. This composite material represents a cement material that contains ash and slag wastes with and without a surface coating (obtained by an impregnation in the sulfur melt). The study has shown that the material made of ash and slag wastes from CHP-2 in Kazan and impregnated with sulfur has satisfactory parameters in terms of the main indicators, namely: - energy-savings, as it has a low coefficient of thermal conductivity and can be used as a thermal insulating material;

- strength, it acts as a structural material and has satisfactory

parameters in terms of strength indicators;

- economically reasonable for use in construction.

So it means that this material optimally combines the characteristics of both thermal insulating material and the supporting wall material. As calculations in the climatic conditions of Kazan have shown, the wall of 2.5 bricks made of this composite material will provide both the bearing capacity and the necessary heat transmission resistance, and furthermore, the cost of this construction will be on average in 2 times cheaper than that of traditional materials.

Also, one of the main arguments for using this material will be the ecological aspect. If the ash and slag from various industries, in particular power plants, receive a promising way of secondary use, then many environmental problems with the utilization of this waste could be solved.

Keywords: Thermal insulating material, ash and slag wastes, composite material, energy-savings

References

1. Medvedeva G.A., Akhmetova R.T., Pyatko Yu.N. Processing of heat energy waste into waterproof heat-insulating materials for construction purposes // Journal of Ecology and Resource- and Energy-Saving Technologies at Industrial Enterprises, in Construction, in Transport and in Agriculture: Sat. articles XII of the Intern. sci. - Practical. conference. -Penza. - 2012. - P. 30-35.

2. Korolev E.V. Building materials based on sulfur / E.V. Korolev,

A.P. Proshin, V.T. Erofeev, V.M. Khrulev, V.V. Sorrowful. -Penza, 2003. - 372 p.

3. Zarubina L.P. Thermal insulation of buildings and structures.

Materials and technologies. 2 nd ed. - St. Petersburg: BHV-Petersburg. 2012. - P. 416.

4. Kamzolov S.M., Kornienko V.N., Rudenko G.S. Thermal insulation. Tutorial. - Moscow: MGUPB. 2010. - P. 120.

5. Bazhenov Yu.M. Technology of concrete. - Moscow: Higher

School, 1987. - 414 p.

I I

б R t* £

I

R m

i