Управление теплопроводностью композиционных покрытий с учетом природы твердых фаз Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Общетехнические и социальные проблемы

133

3. Выбор технологии производства изделий из ячеистого бетона. Ч. 2 / С. В. Коляда, В. И. Песцов, Ю. В. Гудков, М. Н. Гиндин // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ1 века. - 2004. - №3.

4. Управление свойствами пенобетонов разных технологий изготовления / Л. Б. Сватовская, А. М. Сычева, А. В. Хитров, Т. С. Титова, Е. А. Попова, Д. И. Дробышев // XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы : краткие сообщения. - Екатеринбург: Уро Ран, 2005.

5. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / ред. Л.Б. Сватовская - СПб.: ОАО «Издательство Стройиздат СПб.», 2004.

УДК 999.666

Л. Б. Сватовская, А. В. Бородуля

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С УЧЕТОМ ПРИРОДЫ ТВЕРДЫХ ФАЗ

Теплозащита ограждающих конструкций определяется теплопроводностью материалов, составляющих конструкцию, в частности строительных растворов. Рассмотрены возможности улучшения теплофизических свойств строительных растворов на основе современных представлений об особенностях строения неорганических твердых тел, которые используются как добавки к цементному раствору для снижения его теплопроводности.

теплопроводность, сухая смесь, гидратообразование, структура фаз, энергосодержание, молярные массы.

Введение

Улучшение теплофизических свойств строительных растворов носит опытный характер и обеспечивается введением в качестве заполнителей или пористых материалов, таких как вермикулитовый, перлитовый керамзитовый песок, или таких веществ, как асбест. И первая, и вторая группы веществ имеют строительно-технические или экологические ограничения, в том числе канцерогенность. Однако современный уровень естественнонаучных знаний предлагает решения, основанные на резервах цементных самотвердеющих систем, связанных с особенностями природы твердых тел.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/4

134

Общетехнические и социальные проблемы

1 Теория управления теплопроводностью

Основная идея данной работы состоит в том, что для создания теплозащитной сухой строительной смеси, с учетом фононного механизма теплопроводности, наряду с параметрами изменения энтальпии -И°298, кДж/моль, и мольной массы М, г/моль, составляющих веществ [1], [2] следует учитывать особенности гидратообразования и структуры твердых фаз.

В качестве параметра, отражающего эти особенности, можно рассмотреть отношение радиуса катиона rk к радиусу аниона ra (rk/ra), как, с одной стороны связанного с формированием различных структур, а с другой - с гидратообразованием. Информация, представляемая кристаллохимией о существовании границ в значении отношения rk/ra, и разделяющая структуры веществ с большой долей ионности связи может быть использована для прогнозирования теплозащитных свойств фаз и материалов на их основе. В этом случае существует значение rk/ra ниже которого возможно образование сложных или гидратных структур, сопровождающееся уменьшением изменения энтальпии —АЫ°298, кДж/моль, увеличением мольной массы М, г/моль, и, соответственно, падением теплопроводности фаз и материалов.

Анализ веществ производится по отношению rk/ra, структурному мотиву, гидратообразованию и прогнозу влияния на теплопроводность затвердевшей строительной смеси (таблица 1, графа 9).

Таблица позволила разделить вещества на две группы по отношению rk/ra, и если отношение < °,3, то возможно образование сложных структур либо в виде гидратов, либо гидрогелей или слоистых (конденсированных полимерных) структур, включающих продукты диссоциации воды (конституционной воды), что должно способствовать возникновению препятствия передаче фононов и, соответственно, падению теплопроводности. Разрушение структуры жидкой воды и включение ее в структуру твердых тел в виде гидратной, конституционной или гелевой имеет в предлагаемой системе рассмотрения принципиальное значение, так как твердение цементов происходит путем химического связывания воды и взаимосвязь этого процесса с изменением теплопроводности относится к одной из определяющих.

Анализ таблицы показывает также, что переход от простых структур (углерод, NaCl) к сложным сопровождается уменьшением отношения rK/ra, усложнением структуры вещества, что с одновременным падением энтальпии образования, ростом молекулярной массы должно привести к падению теплопроводности материала в соответствии с фононным механизмом.

Алмаз и его аналоги были взяты в качестве теоретического примера того, как в системе знаний учета структур тетраэдрические кристаллы спо-

2006/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы

135

собствуют росту теплопроводности фаз [1алмаз > 2000 Вт/(м°С)] и недопустимы для целей теплозащиты.

Для проверки высказанного положения о влиянии природы составляющих на теплопроводность затвердевшей строительной смеси на цементной основе и с целью разработки наиболее теплозащитных сухих строительных смесей нами были проведены эксперименты. Эксперименты включали в себя определение теплопроводности смеси на основе Пикалев-ского ПЦ М400, как одного из самых доступных в России, с веществами определенной природы из таблицы с учетом концентрационной зависимости и при разном В/Ц. Кроме того, исследовалась теплопроводность цементов различных марок и производителей при прочих равных условиях, а также особенности физико-химических превращений в цементной смеси в присутствии отдельных веществ из таблицы. На рисунках 1, 2, 3 представлены результаты исследований теплопроводности затвердевшего цементного камня на основе цементов различных марок и производителей в присутствии веществ из таблицы.

Датский белый М700 Пикалевский ПЦ М400 Щуровский белый М400 Алюминатный М500

Вид цемента

□ Контрольный bAL2(SQ4)3*18H2Q hAL(OH)3 иГипс двуводный

Рис. 1. Теплопроводность цементного камня в присутствии 10 % твердых веществ -AL2(SO4)3-18H2O, AL(OH)3, гипса двуводного

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/4

Проблематика транспортных систем

5

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/4

6

Проблематика транспортных систем

Кремнезоль вводился по методу, предложенному авторами [2]. Анализ приведенных результатов показывает, что при прочих равных условиях (В/Ц, время твердения, плотность смеси в рамках одного цемента) наиболее теплозащитным является щуровский белый цемент М400, затем пика-левский ПЦ М400, алюминатный М500 и датский белый М700 (см. рис. 1, 2). При концентрации добавок, соответствующей 10%, наибольшее снижение теплопроводности наблюдается при введении Al2(SO4)3-18H2O, Al(OH)3, а также гипса, талька, каолина.

Ос

н

PQ

Ас

0,78

0,73 0,72

iiil ■|

ill

1

!

i

i

i

Датский белый М700

Пикалевский ПЦ М400

Щуровский белый М400

Алюминатный М500

Вид цемента

[□Контрольный В Тальк Ш Каолин □ Кембрийская глина |

Рис. 2. Теплопроводность цементного камня в присутствии 10 % твердых веществ -

талька, каолина, кембрийской глины

0,78

0,73

0,69

0,68

0,68

0,58

0,48

0,43

0,38

и

О

%

РР

0,47

0,38

Количество золя в воде затворения,%

♦ Щуровский белый цемент М400 —■— Пикалевский ПЦ М400

Рис. 3. Изменение теплопроводности цементного камня щуровского белого цемента М400 и пикалевского ПЦ М400 в присутствии кремнезоля

2006/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

7

2 Физико-химические исследования

Физико-химические исследования затвердевшего цемента с добавками показали, что в присутствии некоторых теплозащитных добавок количество выделяемого тепла (по калориметрическим исследованиям) увеличивается. Это соответствует понижению уровня энергосодержания системы и росту ее теплозащищенности. Труднорастворимый А1(ОН)з, имеющий слоистую гидраргиллитовую решетку неорганического полимера [А1(ОН)з]п и другие слоистые гидраты сохраняются в камне без взаимодействия, но при этом катализируют образование гелевых гидратов. Расчет и анализ дериватограмм (рис. 4) показал, что существует зависимость для каждого цемента между химически связанной водой геля и снижением теплопроводности. Проведенные исследования позволили разбить фазы, понижающие теплопроводность затвердевшего строительного раствора, на три группы в рамках отношения rj/ra < 0,3 - за счет фаз сложного состава, например гидраргиллитового типа, которые катализируют образование гелевых гидратов; за счет образования при гидратации кристаллогидратных фаз еще более сложного состава (эттрингит) и за счет процесса реализации кремнезоль-гель-перехода.

Рис. 4. Взаимосвязь теплопроводности и количества воды в гелях в цементном камне

для различных цементов

Заключение

1. Установлено, что для улучшения теплозащитных свойств затвердевших сухих строительных смесей при прочих равных условиях следует рассматривать отношение радиуса катиона гк к радиусу аниона ra (rj/ra)

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/4

8 Проблематика транспортных систем

составляющих смесь веществ как отражающих способность к образованию кристаллических или гелевых гидратов, слоистых структур с конституционной водой, а также фаз, реализующих гель-процесс.

2. Выявлены взаимосвязи теплопроводности затвердевшей сухой строительной смеси на цементной основе и природы составляющих фаз, что позволило производить рациональный выбор цементов, добавок и заполнителей для получения теплозащитных сухих строительных смесей.

Библиографический список

1. Инженерная химия. Ч. 1 / Л. Б. Сватовская. - СПб.: ПГУПС, 1994.

2. Термодинамические и электронные аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / ред. Л. Б. Сватовская. - СПб.: Стройиздат, 2004.

УДК 574.253

М. С. Старинец

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Рассмотрена возможность применения отходов производства кристаллического кремния Братского алюминиевого завода и золы-унос от сжигания углей Ирша-Бородинского месторождения при производстве фосфатных материалов.

отход производства кристаллического кремния, зола-унос, фосфатные материалы.

Введение

Среди актуальных проблем защиты и сохранения биосферы проблема загрязнения окружающей среды отходами занимает особо важное место. В промышленной индустрии ежегодно скапливаются в огромном объеме разнообразные отходы. Предприятия тратят огромные средства на их вывоз и захоронение, в то время как содержание полезных элементов в этих отходах подчас выше, чем в природных ресурсах.

В условиях сложившейся экологической ситуации необходим ресурсосберегающий и экологически обоснованный подход к организации промышленного производства. При этом наиболее рациональна такая организация промышленных комплексов, при которой отходы одного производства являются сырьем для другого.

2006/4

Proceedings of Petersburg Transport University