Использование теплопроводности в качестве критериального показателя оптимизации составов поробетонов специального назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Использование теплопроводности в качестве критериального показателя оптимизации составов поробетонов специального назначения

Королёв Е.В.

Структуру теплоизоляционных поробетонов можно представить в виде сложной системы, состоящей из совокупности подсистемы растворной части и воздушных элементов, взаимно структурированных с целью снижения теплопроводности материала. Топологические особенности структуры поробетона формируются в результате процессов, происходящих на двух уровнях:

1 - на уровне микроструктуры подсистема вяжущего формируется в результате физико-химических процессов твердения материала межпоровых перегородок. Оптимизацию подсистемы «растворная часть» можно производить выбором одного или нескольких параметров (показателей свойств). В первом случае основная трудность оптимизации заключается в выборе единственного интегрального параметра. В отсутствии дополнительных условий в качестве основного критерия оптимизации обычно используют прочность материала, величина которой зависит от характера структурообразующих процессов, условий твердения, технологии формирования и других факторов. Вместе с тем, выбор механической прочности в качестве единственного показателя оптимизации ячеистого материала не устраняет проблему вариативности решения, т. е., заданной величине прочности может соответствовать некоторая рецептурная и технологическая область. В этом случае на вариативную область решения наносят основные ограничения, связанные с главным критерием эффективности системы поробетона (теплоизолирующие свойства), а также дополнительные - технико-экономические показатели, дефицитность сырья, экологичность, пожаробезопасность.

2 - на уровне макроструктуры процесс формирования параметров системы имеет вероятностный характер, что заключается в практической трудности контроля за распределением воздушных пор, их взаимным расположением, средним размером, преобладающей формой и т.д.

Исследовать эти важнейшие процессы, определяющие степень соответствия разрабатываемой системы ячеистого материала своему назначению, т.е. качество материала, можно путём проведения соответствующих экспериментальных исследований применительно к каждому конкретному аппарату и составу. После формирования необходимого массива экспериментальных данных, их сопоставления, анализа входных воздействий и реакции системы поробетона (формирование показателей свойств) производится построение расчетных моделей в графическом или математическом виде.

Методологическим принципом, использованным для исследования возможности управления процессами структурообразования поробетонов, изготавливаемых способом пенообразования, являлся метод «чёрного ящика». Инструментарием оптимизации процесса подбора составов с использованием принципа «чёрного ящика» являлось математическое планирование проведения эксперимента с использованием экспериментально - статистических моделей, на основании которых осуществлялось построение функций отклика в виде приведенных полиномов. Анализ полиномиальных зависимостей позволил определить наличие синергетического эффекта исследуемого свойства при изменении отдельных рецептурных и других факторов. После построения пространственных диаграмм проводился графический анализ поверхностей отклика для определения их топологии и оптимального сочетания рецептурных, технологических или других факторов с учётом заданных параметров оптимизации.

При использовании метода «чёрного ящика» главная рецептурно- технологическая задача заключается в обоснованном выборе плана проведения эксперимента, а значит варьируемых параметров и диапазона их изменения. В качестве параметров, определяющих параметры макросистемы, были приняты вид и количество порообразователя, стабилизатора пены, В/Т - отношение, тип и конструктивные особенности технологического оборудования. При этом получены статические и динамические экспериментально - статистические модели структурообразования (рис. 1). В динамических моделях введена дополнительная ось (или дополнительная переменная в уравнении (1)), по которой указан исследованный диапазон времени (рис. 2) или эксплуатационный показатель, определяющий качество разрабатываемого специального поробетона (рис. 3).

Рис. 1. Изолинии прочности при сжатии растворной части поробетона в зависимости от соотношения компонентов сырьевой смеси состава «ВГЦ: Шамот: Глина» поробетон теплозащитный качество излучение

Примером динамической модели, полученной нами после обработки результатов экспериментальных исследований, является уравнение кинетики изменения механических свойств растворной части поробетона на алюминатном цементе

Rсж= (3,77+28,24t-3,11t2)Ц+(1,058+0,033t+0,019t2)П+(0,338+1,443t-

-0,011t2)Д+(-14,95-21,888t+3,52t2)Ц П+(-1,9-22,228t+3,01t2)ЦД+

+(-40,54+42,592t-5,37t2)ПД. (1)

где t - время твердения, сут.

По уравнению (1) построена объемная диаграмма, показывающая кинетику набора прочности разработанных составов в области исследованного экспериментального пространства (рис. 2).

Рис. 2. Объемная концентрационная диаграмма зависимости предела прочности растворной части ПБЖ от времени

Вариативность и степень воздействия эксплуатационных факторов на свойства материала после его изготовления определяется степенью открытости системы. Существенное влияние на этот показатель оказывает технология изготовления поробетона, наличие и глубина дополнительной термической или термо-влажностной обработки, применение которых повышает невосприимчивость структуры материала к деструктивным эксплуатационным факторам. По степени закрытости системы материала поробетоны можно расположить в следующем порядке:

1. Наиболее открытый тип системы поробетона формируется в процессе естественного твердения. К материалам этого типа относятся безобжиговые поробетоны на клинкерных или смешанных минеральных вяжущих, предназначенные для теплоизоляции строительных конструкций. Основным видом теплоизоляционного поробетона общестроительного назначения является неавтоклавный пенобетон. Необходимость использования большого количества пенообразующего ПАВ с целью создания высокой пористости негативно влияет на механических свойствах пенобетона и приводит к увеличению усадочных деформаций (рис.3, 4). Это объясняется процессами адсорбции молекул ПАВ на наиболее активных участках поверхности частиц минерального вяжущего, созданием экранирующей или малопроницаемой плёнки, влияющей на морфологию и увеличение вариативности гидратных новообразований.

Рис. 3. Кинетика набора прочности при нормальных условиях твердения растворов ВГЦ с добавками пенообразующих ПАВ, % от массы цемента: 1- без добавок; 2- с добавкой «Морпен» в количестве 0,132 %; 3 - с добавкой «Пеностром» в количестве 0,132 %; 4 - с добавкой «Неопор» в количестве 0,132 %; 5 - с добавкой «ПО -6К» в количестве 0,132 %

Рис. 4. Кинетика набора прочности ГЦП - вяжущим (добавка ПАВ 0,2 % от массы вяжущего)

2. Поробетоны автоклавного твердения для изоляции строительных конструкций (автоклавный ячеистый бетон). Наличие термо-влажностной обработки в процессе изготовления автоклавного поробетона позволяет эффективно управлять процессами структурообразования и целенаправленно синтезировать минеральные образования, повышающие степень закрытости системы (например, гидротермальный синтез низко основных силикатов кальция).

3. Обжиговые пенобетоны на алюмосиликатной связке с добавлением алюминатного цемента, предназначенные для температурной изоляции горячих поверхностей в теплоэнергетическом строительстве. В результате высокотемпературного нагрева происходит изменение минералогического состава микроструктуры поробетона, в которой образуется муллит, значительно увеличивающий закрытость системы и время безотказной эксплуатации пористого материала.

При рационально подобранной рецептуре и технологии степень открытости системы поробетона (О) зависит от количества реакционно-способных компонентов (К), участвующих в процессах формирования параметров подсистемы растворной части, и количества управляющих воздействий (В - теплое воздействие или давление): О=К - В+1

Главным критерием эффективности поробетона, как структурированной системы, является теплоизолирующая способность, а достаточность других показателей свойств (прочность, термостойкость, трещиностойкость) обеспечивается оптимизацией по локальным критериям на уровне подсистемы «растворная часть». Количественным показателем эффективности теплоизоляционной способности является величина коэффициента теплопроводности материала.

Анализ механизма теплопередачи по структуре поробетона, проведенный с использованием положений концепции об аналогии между переносом электричества и тепла, позволил выразить зависимость коэффициента эффективной теплопроводности жаростойкого поробетона (эффПБЖ)

- при нормальных условиях

- при высоких температурах в процессе эксплуатации

где возд20 - теплопроводность воздуха при температуре 20С (0,025 Вт/(мС)); d - средний диаметр воздушных ячеек в структуре ПБЖ, м; р.ч. - коэффициент теплопроводности растворной части поробетона; t - температура эксплуатации,С; hc/ - коэффициент конвективной теплоотдачи внутренней поверхности воздушной ячейки (0,5 Вт/(м2С)); - постоянная Стефана-Больцмана; - степень черноты внутренней поверхности воздушной ячейки (0,7…0,8); Г - геометрический фактор (для воздушных пор шарообразной формы равен 0,7).

Использование формул (1, 2) позволяет на начальном этапе проектирования составов теплоизоляционного жаростойкого поробетона рассчитать величину пористости при заданном значении коэффициента теплопроводности растворной части (р.ч.). В свою очередь, теплопроводность материала межпоровых перегородок, состав которых формируется в результате твердения двухкомпонентной системы «вяжущее- наполнитель», можно рассчитать по ф-ле (3) [1]:

,

где вяж и нап - коэффициенты теплопроводности материала вяжущего и наполнителя, Вт/(мС).

Формула (3) позволяет провести выбор компонентов растворной части теплоизоляционного поробетона, обоснованный по критерию теплопроводности. Так, при выборе компонента растворной части жаростойкого поробетона более целесообразно использование глинозёмистого цемента, так как экспериментально определённая теплопроводность искусственного камня на его основе на 15 …20 % меньше аналогичного показателя для высокоглиноземистого цемента.

Применительно к обжиговым поробетонам на основе керамической или стеклянной матрицы оптимизацию подсистемы растворной части по критерию теплопроводности можно проводить на уровне микроструктуры, варьируя количественным содержанием отдельных окислов в смеси [2].

i - числовой коэффициент, соответствующий данному оксиду; mi - содержание оксида в системе, % по массе.

Использование предлагаемого подхода позволило спроектировать составы специальных стекло- поробетонов, сочетающих хорошие теплозащитные качества (сп0,25 Вт/(мС)) с высокой плотностью (2500 кг/м3), обеспечивающей защиту от проникающего излучения. В качестве стеклянного компонента использованы тяжёлые флинты, в состав которых входит значительное количество оксида свинца. Высокая плотность соединений свинца замедляет скорость распространения тепловой волны по структуре материала, что снижает коэффициент его теплопроводности.

Список литературы

1. Прошин А.П., Береговой В.А, Соломатов В.И. Береговой А.М. Расчетная схема теплопроводности высоконаполненных материалов // Журнал “Известия Вузов. Строительство.” - 2000. - №1.- С. 14-16.

2. Стекло. Справочник. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М. Стройиздат, 1973. - 487 с.

Размещено на Allbest.ru