Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы
Румянцева
К.Д., сдудент1, Иноземцев
А.С., к.т.н., м.н.с.2
1ИСА НИУ МГСУ,
2НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии», НИУ МГСУ, Россия
Термические деформации и
теплофизические свойства высокопрочных легких бетонов на полых микросферах*
* Работа
выполнена при поддержке Гранта Президента РФ молодым российским ученым – кандидатам
наук МК-5950.2015.8
Для обеспечения комфортных
условий к зданиям и сооружениям предъявляются определенные требования по теплофизическим
свойствам. В климатических условиях России часто используются различные
утеплители.
Такие теплофизические
характеристики как коэффициент температуро- и теплопроводности, удельная
теплоемкость, учитываются при проектировании изделий на предприятиях по изготовлению
ЖБИ, при зимнем бетонировании, а также при оценке поведения материала в условиях
экстремальных температур.
В работе показаны
особенности формирования структуры высокопрочного легкого бетона [1-3] при твердении в условиях тепло-влажностной
обработки (ТВО) и выполнено исследование теплофизических свойств такого бетона.
Поскольку для ускорения
процессов структурообразования и твердения изделий из бетона важнейшей
операцией является ТВО, то для оптимизации технологического процесса и улучшения
качества высокопрочных легких бетонов было выполнено исследование влияния режимов
ТВО на структуру и свойства высокопрочных легких бетонов. Для этого привлекались методы математической теории
эксперимента. Эмпирическое исследование для построения линейной регрессионной модели
|
|
(1) |
,где R
– предел прочности при сжатии, T – максимальная
температура изотермической выдержки при ТВО; t –
продолжительность изотермической выдержки при максимальной температуре, было
выполнено в соответствии с планом полного факторного эксперимента 22.
Натуральные значения уровней варьирования входных переменных составляли 
, 
.
По результатам исследований
были найдены параметры ЭС-модели, описывающей изменение прочности ВПЛБ в
зависимости от температуры и продолжительности изотермической выдержки при ТВО:
|
|
(2) |
.Линии равного уровня
представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость
предела прочности при сжатии (1 сутки, после ТВО) от температуры ТВО и
продолжительности изотермической выдержки
Видно, что увеличение
температуры изотермической выдержки в выбранном диапазоне варьирования
сопровождается негативным эффектом – снижением предела прочности. Это может
быть связано с накоплением внутренних термических напряжений, возникающих
одновременно с протеканием процессов гидратации цемента. Накоплению термических
напряжений может способствовать избыточный модуль градиента температур, возникающего
при нагреве с 25 до 80 oC. Анализ полученной зависимости показывает, что
оптимальным режимом ТВО для разработанных составов ВПЛБ является режим,
включающий изотермическую выдержку продолжительностью 6…7 часов при температуре
60…65 oC, что
позволяет изготавливать изделия без потери прочностных показателей.
Таким образом,
дополнительным фактором, характеризующим эффективность применения высокопрочных
легких бетонов, является менее энергоемкое производство изделий из такого
бетона.
Теплопроводность, как один
из основных теплофизических показателей для теплоизоляционных материалов,
характеризующий способность материала передавать тепло, зависит от плотности
материала [4]. Определяющим фактором для теплофизических свойств (таблица 1)
высокопрочных легких бетонов является коэффициент теплопроводности полых
алюмосиликатных микросфер, который составляет 0,06…0,09 Вт/(м·К) и их
содержание в объеме материала. В многокомпонентных системах показатели
теплофизических свойств также (в меньшей степени) будут зависеть от теплофизических
свойств цементно-минеральной матрицы, обволакивающей наполнитель.
Таблица 1 – Теплофизические свойства
|
Состав |
vf |
ρср,
кг/м3 |
λ, Вт/(м·К) |
a, 10–7, м2/с |
c, кДж/(кг·К) |
|
1 |
0,532 |
1250…1300 |
0,480…0,510 |
3,43 |
1,081 |
|
2 |
0,485 |
1350…1400 |
0,585…0,595 |
3,76 |
1,113 |
|
3 |
0,438 |
1450…1500 |
0,688…0,695 |
4,04 |
1,175 |
В
таблице Ошибка!
Источник ссылки не найден. использованы обозначения: vf – объемное содержание микросфер;
ρср –
средняя плотность; λ – коэффициент теплопроводности; a
– коэффициент температуропроводности; c – удельная теплоемкость.
Известна [5] эмпирическая
формула, связывающая среднюю плотность пористого материала с его
теплопроводностью:
|
|
.Линейная аппроксимация
приведенных в таблице 2 значений теплопроводности дает зависимость:
|
|
.Следует подчеркнуть, что
зависимости (3) и (4) близки.
Линейная аппроксимация
значений теплоемкости дает зависимость:
|
|
(5) |
.Сравнительные
теплофизические показатели различных строительных материалов, вместе с
показателями исследуемых бетонов, сведены в таблицу 2.
Таблица
2 – Сравнительные характеристики теплофизических свойств строительных
материалов различного назначения [6]
|
Состав |
ρср,
кг/м3 |
λ, Вт/(м·К) |
a,·10–7 м2/с |
c, кДж/(кг·К) |
|
НМВПЛБ |
1400 |
0,58 |
3,77 |
1,11 |
|
Тяжелый бетон |
2000 |
1,30 |
7,74 |
0,84…1,00 |
|
Железобетон |
2400 |
1,60 |
– |
– |
|
Пенобетон |
300 |
0,12 |
– |
– |
|
Гипс |
1250 |
0,35 |
2,56 |
1,09 |
|
Кирпич клинкерный |
2250 |
1,60 |
8,08 |
0,88 |
|
Стекло боросиликатное |
– |
0,92…1,30 |
– |
0,67…1,14 |
|
Береза |
720 |
0,15 |
1,73 |
1,20 |
|
Сосна |
545 |
0,15…0,40 |
0,38 |
0,82 |
|
Вата минеральная |
250 |
0,057 |
– |
– |
|
Пенопласт |
100 |
0,047 |
0,10 |
0,44 |
Сопоставление значений высокопрочного
легкого бетона с показателями теплофизических свойств других материалов
(таблица 2) свидетельствует, что исследуемые бетоны обладают близкими к теплоизоляционным
материалам показателями коэффициентов теплопроводности, температуропроводности
и удельной теплоемкости. Это позволяет классифицировать предлагаемые бетоны как
материалы полифункционального назначения, обладающие как конструкционными
качествами [1, 7], так и высокими показателями теплоизоляционных свойств.
Литература:
1. Иноземцев А.С., Королев
Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких
бетонов // Нанотехнологии
в строительстве: научный Интернет-журнал.
– 2013. – №1. – С.24-38.
2. Иноземцев А.С. Средняя
плотность и пористость высокопрочных легких бетонов // Инженерно-строительный
журнал. – 2014. – №7 (51). – С. 31-38. doi: 10.5862/MCE.51.4
3. Иноземцев А.С., Королев
Е.В. Деформации высокопрочных легких бетонов на полых микросферах и способ их
снижения // Строительные материалы. – 2015. – № 9. – С. 23-31.
4. Факторович, Л.М.
Теплоизоляционные материалы и конструкции [Текст]. Ленинград, 1957. – 451 с.
5. Фокин, К.Ф. Строительная
теплотехника ограждающих частей зданий [Текст]. М.: Стройиздат, 1973. – 287 с.
6. Бабичев, А.П. Физические
величины: Справочник [Текст] / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и
др. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
7. Иноземцев А.С., Королев
Е.В. Деформации высокопрочных легких бетонов на полых микросферах и способ их
снижения // Строительные материалы. – 2015. – № 9. – С. 23-31.