Влияние структуры минеральных волокнистых теплоизоляционных материалов на теплофизические свойства в условиях эксплуатации

Реализация национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России» предполагает увеличение объема материалов с высокими качественными показателями и повышенной долговечностью. Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что наиболее востребованными являются волокнистые минеральные утеплители на основе горных пород, искусственного стекла и т. д.

В последние годы для теплоизоляционных материалов (ТИМ), в том числе и волокнистых минеральных, возрастают требования к таким важным, но недостаточно исследованным свойствам, как парои воздухопроницаемость.

Весьма важным теплотехническим показателем является тепломассо-проводность. Под воздействием влажности, изменения температур и деформаций, имеющим место в условиях эксплуатации, этот показатель постепенно дестабилизируется, в результате чего первоначальные теплотехнические и эксплуатационные свойства ухудшаются, а эффективность изоляции снижается.

Актуальность работы заключается в улучшении теплофизических характеристик и повышении долговечности ТИМ, в основе которых лежит стабилизация первоначальной макроструктуры и свойств, формирование замкнутой системы микропористости с позиций теории тепломассообмена. Одним из способов повышения качества для минеральных ТИМ является поверхностная модификация волокон высокодисперсными пластичными природными и техногенными материалами.

Типичным представителем пластичного материала являются природные осадки — глины, структура которых представляет собой многослойные тончайшие чешуйчатые пластины, образующие агрегаты с помощью «глиняного клея» под действием воды.

Опыт использования бентонитовой глины в качестве связующего и модификатора при изготовлении минераловатных теплоизоляционных материалов имеется на «Заводе изоляции» (Украина). Однако в России в настоящее время — дефицит бентонитовых глин, которые сосредоточены на Украине. Поэтому поиск материала, аналогичного глинам по своим условиям образования, строения и свойствам среди техногенного сырья, является перспективным направлением. К числу осадков техногенного происхождения относятся шламы — продукты водоумягчения и водоочистки, образующиеся на различных промышленных предприятиях.

Научная новизна.

— впервые в качестве поверхностного структурного модификатора минеральных волокон (MB) использованы шламы водоподготовки и водоумягчения, образующиеся на промпредприятияхправомерность сравнения шламов с бентонитовой глиной проверена статистически по химическим составам с построением тернарных диаграмм и по комплексу структурно-реологических свойств;

— с позиций структурно-энергетических свойств (валентность, координационное число, атомная масса, электроотрицательность, ионный потенциал, сила связи) шламы классифицированы на две группы: алюмокальциевые — с повышенным содержанием ри d-элементов и карбонатные — с преобладанием s-элементовтеоретически обосновано положительное полифункциональное действие шламов на теплофизические свойства минеральных волокон;

— установлено, что алюмокальциевый шлам является одновременно поверхностным модификатором и минеральным связующим по аналогии с бентонитовой глинойкарбонатный шлам относится к микродисперсным модификаторам (патент № 2 297 994 от 27.04.2007) — шлам нефтедобычи рекомендован как гидрофобный компонент для снижения сорбционной влажности и водопоглощения минеральных волокнистых ТИМ (патент № 2 298 533 от 10.05.2007);

— экспериментально изучены теплофизические свойства по теплопроводности и паропроницаемости модифицированных минераловатных изделий, а также впервые исследована воздухопроницаемость материалов с турбулентным режимом фильтрацииразработана классификация отходов по их влиянию на структуру и свойства MB.

Достоверность полученных результатов Обоснование составов минеральных волокон с добавкой комплексного модификатора на основе шламов водоумягчения и водоподготовки, а также механизма изменения их теплофизических показателей выполнено с позиций современных фундаментальных наук. Достоверность исследований обеспечена:

— количеством образцов в партии, обеспечивающим при фактической статистической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95 при погрешности 5−10%;

— подтверждением результатов экспериментальных данных теоретическому обоснованию;

— сходимостью полученных экспериментальных данных с результатами других исследователей;

— использованием комплекса современных физико-химических и теплофизических методов;

— применением математических методов статистической обработки результатов;

— актами внедрения результатов.

Практическая значимость работы и реализация научной работы.

— апробирована методика оценки парои воздухопроницаемости на образцах из модифицированных MB и разработаны рекомендации по выбору отходов в зависимости от их назначения и условий эксплуатации ТИМ;

— определены расчетные характеристики парои воздухопроницаемости модифицированных минеральных теплоизоляционных материалов на основе габбро-диабазовых пород, которые добавлены в таблицы исходных данных для расчета ограждающих конструкций на сопротивление паропроницанию и воздухопроницаниюдля расчета на сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций, состоящих из волокнистых материалов, установлен коэффициент воздухопроницаемости с турбулентным режимом фильтрации;

— разработаны требования к составу модифицированных минеральных ТИМ, дана оценка их качества и долговечности;

— на основе теплотехнической многокритериальной оценки вертикальных ограждений разработаны рекомендации по применению модифицированных минеральных волокон для утепления ограждающих конструкций жилых и общественных зданий разной этажностиконструктивные решения наружных ограждений соответствуют как нормативным показателям по теплозащите, так и санитарно-гигиеническим требованиям;

— внедрены в учебный процесс разработанные конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий с использованием предложенных материалов на минеральной основе;

— расчет экономической эффективности показал значительные преимущества применения отходов перед глинами по их долговечности и целесообразности;

— разработаны рекомендации по применению гидрофобизированного материала, работающего в условиях повышенной влажности.

На защиту выносятся:

— теоретические основы структурной модификации MB, которые позволяют направленно влиять на основные теплои гидрофизические свойства;

— новый подход к выбору и оценке качества поверхностной структуры модификатора для волокнистых ТИМ на основе габбро-диабазовых пород;

— способ модификации MB с учетом эксплуатации ТИМмеханизм действия модификаторов на основные свойства и долговечность ТИМ;

— результаты теплотехнических расчетов ограждающих конструкций зданий различной этажности с применением модифицированных минераловатных изделий и практические рекомендации по применению ТИМ;

— результаты исследований изменения сорбционной влажности, водопогло-щения и водостойкости ТИМ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных, межвузовских и областных конференциях, семинарах и конгрессах, в том числе на международной конференции «Энергосберегающие технологии» (Турция, г. Кемир, 2007), X Академических чтениях РААСН — международной научно-практической конференции «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (г. Казань, 2006 г.), международном научно-техническом семинаре (г. Белгород, 2006 г), VIII Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (г.Самара, 2004 г.), международной экологической научно-практической конференции «Процессы технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов» (г. Самара, 2003 г.), Всероссийском экологическом конгрессе (г. Самара, 2002 г.), международной конференции (г. Тверь, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях в СГАСУ по итогам НИР «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2002;2007 гг.).

Основные положения диссертации опубликованы:

1. Павлов, А. А. Применение техногенного сырья в производстве теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон / А. А. Павлов // Современные наукоемкие технологии. — 2007. — № 9. — С.93−94.

2. Коренькова, С. Ф. Пат. 2 297 994 Российская Федерация, МПК С04В38/00. Состав для изготовления водостойких газонаполненных минераловат-ных композиций / С. Ф. Коренькова, А. А. Павловзаявитель и патентообладатель ГОУВПО СГАСУ. — № 2 005 121 102/03, заявл. 05.07.2005; опубл. 27.04.2007, Бюл. — 2007. — № 12.

3. Коренькова, С. Ф. Пат. 2 298 533 Российская Федерация, МПК С04В14/46. Состав для изготовления гидрофобных теплоизоляционных минерало-ватных материалов / С. Ф. Коренькова, А. А. Павловзаявитель и патентообладатель ГОУВПО СГАСУ. — № 2 005 121 073/03- заявл. 05.07.2005; опубл. 10.05.2007, Бюл. -2007. — № 13.

4. Павлов, А. А. Статистическая обработка химических составов шламовых отходов / А. А. Павлов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — М.: Изд-во ООО ЦНТИ «Композит». — 2007. — № 6. -С. 67.

5. Павлов, А.А. К вопросу об использовании защитных коллоидных покрытий для теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон / А. А. Павлов // Кровельные и изоляционные материалы. — М.: Изд-во ООО ЦНТИ «Композит». — 2006. — № 5(11). — С. 26.

6. Коренькова, С. Ф. Основные направления улучшения теплофизических свойств минеральных волокон и материалов на их основе. Часть 1 / С. Ф. Коренькова, А. А. Павлов // Кровельные и изоляционные материалы. -М.: Изд-во ООО ЦНТИ «Композит». — 2007. — № 1(13). — С. 66−67.

7. Коренькова, С. Ф. Основные направления улучшения теплофизических свойств минеральных волокон и материалов на их основе. Часть 2 / С. Ф. Коренькова, А. А. Павлов // Кровельные и изоляционные материалы. -М.: Изд-во ООО ЦНТИ «Композит». — 2007. — № 2(14). — С. 66−68.

8. Павлов, А. А. Современные минеральные теплоизоляционные материалы с применением техногенных отходов / А. А. Павлов // Кровельные и изоляционные материалы. — М.: Изд-во ООО ЦНТИ «Композит». — 2007. -№ 3(15).-С. 12−14.

9. Коренькова, С.Ф. К вопросу о повышении теплофизических свойств минеральных волокон различной природы / С. Ф. Коренькова, А. А. Павлов // VIII академические чтения отделения строительных наук РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения». — Самара, 2005. — С. 123−125.

10. Павлов, А. А. Направления использования теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон / А. А. Павлов // Строительный вестник Российской инженерной академии. Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. В.6. — М.: Изд-во Российской инженерной академии, 2005.

11. Павлов, А. А. Перспективы использования отходов для гидрофобизации теплоизоляционных материалов / А. А. Павлов // Труды II Всероссийской научно-практической конференции. Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов. — Самара, 2003. — С. 68−69.

12. Павлов, А. А. Анализ нормативных данных по теплопроводности минеральных теплоизоляционных материалов различной структуры /.

А.А. Павлов // Прогрессивные технологические и инвестиционные процессы в строительстве. Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. В.4. — М., 2003. — С. 208−216.

13. Павлов, А. А. Исследование влаги в материале наружных стен /.

A.А. Павлов, JI.B. Павлова // Современные инвестиционные процессы и технологии строительства. Секция «Строительство» Российской инженерной академии. В.З. -М., 2002. С. 211−217.

14. Павлов, А.А. К вопросу о влиянии влажности теплоизоляционных материалов на их теплопроводность / А. А. Павлов // Перспективы развития Волжского региона. Материалы Всероссийской заочной конференции.

B.4. — Тверь, 2002. — С. 204−205.

15. Коренькова, С. Ф. Экологические и энергосберегающие аспекты современных теплоизоляционных материалов / С. Ф. Коренькова, А. А. Павлов // Труды 8 Всероссийского Конгресса серии «Экология и здоровье человека». — Самара, 2002. — С. 112−113.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ работы отечественных и зарубежных фирм по производству теплоизоляционных материалов и изделий на их основе показал, что одним из основных направлений является производство минеральных волокон на основе базальтового природного сырья (габбро-диабаз и габбро). Теплоизоляционные изделия на основе габбро и габбро-диабаза имеют: диффузионную л массопроводность для волокон плотностью 150 кг/м — 0,47 мг/(м-ч-Па), возА 2 духопроницаемость — 0,8−10″ м, а также обладают большей упругостью, чем минеральные и стекловолокна. Коэффициент теплопроводности базальтовых и стеклянных волокон 0,038 — 0,046 Вт/(м-К). Однако в условиях повышенной влажности приращение коэффициента теплопроводности базальтовых волокон меньше, чем у минеральных и стекловолокон, благодаря более низкой теплоемкости — 500. 800 Дж/(кг-К) и их высокой упругости.

2. В качестве модификатора структуры и свойств минеральных волокон впервые исследованы высокодисперсные минеральные и органоминераль-ные отходы — шламы водоочистки и водоумягчения, образующиеся на пром-предприятиях, а также побочный продукт добычи и транспортировки нефти в магистральных трубопроводах.

3. Исследование условий образования, состава, структурно-энергетических и поверхностных свойств основных оксидов шламов позволили разделить их по химической и поверхностной активности: алюмокаль-циевый шлам — шламоколлоидное связующее с преобладанием в составе ри dэлементов таблицы Менделеева и карбонатный шлам — микродисперсный модификатор полифункционального действия с преобладание s-элементов.

4. Карбонатный шлам модифицирует и наполняет структуру ТИМ, способствуя понижению паропроницаемости и воздухопроницаемости, практически не изменяя теплопроводности.

Теоретически обосновано, что алюмокальциевый шлам как типичный минеральный клей (шламоколлоидное связующее) способен создавать более плотный контакт в местах переплетения волокон, и тем самым повышать во-дои коррозионную стойкость по сравнению с бентонитовой глиной (бенто-коллоидное связующее) и карбонатным шламом (микродисперсный модификатор).

5. Анализ фазовых превращений показал, что отходы рекомендуется применять не только в гражданском, но и в промышленном утеплении:

— карбонатные шламы в изделиях при высокой температуре (480−500°С) и более низкой газопроницаемости для ТИМ в тепловых агрегатах при скоростях теплоносителя свыше 9 м/с;

— алюмокальциевые шламы в качестве связующего минеральных волокон из природного сырья для изготовления изоляции поверхностей туннельных и камерных сушил при температуре до 300 °C.

6.

Введение

шламоколлоидного связующего позволяет снизить теплопроводность практически без увеличения плотности и получить ТИМ с показателями паропроницаемости не ниже 0,35−0,45 мг/(м-ч-Па) и воздухопроницаемости — 0,2−0,25 кг/(м-ч-Па).

Микродисперсный карбонатный модификатор в большей степени влияет на изменение парои воздухопроницаемости, не изменяя теплопроводности, и обеспечивает достаточно комфортный микроклимат в помещении.

7. Получены зависимости теплофизических свойств модифицированных минераловатных изделий от количества добавки и плотности изделия, на основе которых построены номограммы для практического применения.

8. Экспериментально определено, что при использовании в качестве наполнителя карбонатного шлама, достигается понижение сорбционного увлажнения изделий из стекловолокна при плотности 13−16 кг/м3 — с 4,44% до л.

3,85%), а при плотности 50−66 кг/м — с 1,63%) до 1,4%.

В результате гидрофобизации ТИМ шламом нефтедобычи (W=60%) существенно снизилось водопоглощение при плотности изделий из стеклол л волокна 13−16 кг/м (на 35%), а при плотности 50−66 кг/м — на 11%>. Гидро-фобизированный материал рекомендуется применить в изоляции трубопроводов, инженерных коммуникаций и конструкциях, работающих в условиях повышенной влажности.

9.Теплотехническими расчётами обоснована возможность применения экспериментальных утеплителей в каркасной системе с утеплением «снаружи» с тонкослойной штукатуркой (на шламоколлоидном связующем), в бескаркасной конструктивной системе с утеплением изнутри с облицовкой из кирпича (с микродисперсным модификатором) в соответствии с нормативными показателями по теплозащите и санитарно-гигиеническими требованиями.

При проектировании системы с наружным утеплением и тонким штукатурным слоем достигается высокая теплотехническая однородность утеплённых наружных стен.

Расчетный экономический эффект от применения в конструкциях наружных стен 16-этажного здания минераловатных изделий на шламоколлоидном связующем в качестве утеплителя снаружи фасадной системы с тонкослойной штукатуркой (до 5 749 040 рублей) позволяет рекомендовать их в качестве наиболее выгодного и эффективного утеплителя (по сравнению со слоистой кладкой с применением бентоколлоидного связующего).

10. Исследования и анализ результатов по воздухопроницаемости показали, что ТИМ с микродисперсным модификатором, обладающие пониженной воздухопроницаемостью, могут применяться в зданиях до 40 этажей. Техногенные отходы позволяют снизить толщину утеплителя.

11. Для общественных и промышленных каркасных зданий в ограждающих конструкциях рекомендуется применение жестких минераловатных плит на основе техногенных отходов в качестве среднего слоя трехслойных панелей типа «сэндвич». Данные утеплители — негорючие и экологически чистые, что является одним из важных факторов при проектировании конструкций стены.