Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРФА В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

1.1 Краткая историческая справка

1.2 Характеристика современного состояния изучаемой проблемы

1.3 Обзор производителей торфяных теплоизоляционных плит

1.4 Обзор устройств и систем, защищенные охранными документами

1.5 Материалы, отраженные в открытых источниках СМИ

1.6 Анализ результатов исследований

1.6.1 Сравнение материалов, защищенных охранными документами

1.6.1 Сравнение материала, представленных в открытых источниках СМИ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

2.1 Описание теплоизоляционного материала

2.1.1 Общие сведения

2.1.2 Теплофизические свойства

2.1.3 Постановка задачи

2.2 Методика испытаний

2.3 Планирование эксперимента

2.3.1 Цель эксперимента

2.3.2 Задачи эксперимента

2.3.3 Нормативная база

2.3.4 Экспериментальное оборудование

2.3.5 Описание экспериментальных образцов

2.3.6 Последовательность действий

2.4 Описание экспериментального стенда

2.5 Результаты расчетно-экспериментальных исследований

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ ПЛИТ НА ОСНОВЕ ТОРФА

3.1 Описание теплоизоляционного материалы

3.1.1 Общее сведение

3.1.2 Теплофизические и механические свойства торфяных плит

3.2 Торфяные теплоизоляционные плиты (производство технопарк высоких технологий Автономного учреждения Ханты-Мансийского автономного округа - Югра)

3.2.1 Описание экспериментального стенда

3.2.2 Результаты эксперимента

3.3 Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов, изготовленных на основе торфа

3.3.1 Теплофизические и механические свойства композиционного материала на основе торфа

3.3.2 Результаты эксперимента

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПРОДУКТА

4.1 Расчет капитальных затрат на производство материала

4.2 Расчет сроков окупаемости

4.3 Расчет себестоимости готового продукта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

торфяной теплопроводимость теплоизоляционный влажность



ВВЕДЕНИЕ

На современном рынке строительных материалов имеется широкий спектр различных по своим свойствам теплоизоляционных материалов. Все они выполняются по определенным стандартам и имеют технические условия в эксплуатации с указанием их теплофизических свойств. При проведении проектных расчетов тепловых потерь зданий, для дальнейшей компенсации их системой отопления, определяют сопротивляемость ограждающих конструкций теплопередаче. На этом этапе происходит подбор вида и толщины теплоизоляционных материалов. При этом главную роль играет коэффициент теплопроводности материала, который указан производителем в паспорте материала.

Итак, коэффициент теплопроводности является основным показателем теплоизоляционных материалов, он указан в ГОСТ и паспортах к каждому материалу, но ввиду особенностей производственных процессов изготовления материалов, их хранения и монтажа возможны изменения физических свойств в связи с воздействиями различных факторов внешней среды.

Таким образом, значение фактической теплопроводности в сравнении с проектной может значительно отличаться, что может привести к увеличению тепловых потерь, в случае, если фактическая теплопроводность будет выше проектной. Если же фактическая теплопроводность будет ниже проектной, то это приведет к перерасходу теплоизоляционного материала.

В магистерской диссертации будут произведены исследования двух видов теплоизоляционных материалов: органических и неорганических.

Среди большого разнообразия теплоизоляционных изделий из органического сырья наибольший интерес представляют плиты древесноволокнистые, фибролитовые, торфяные, натуральная пробковая теплоизоляция. Данные материалы применяются для тепло- и звукоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений. Преимуществом изготавливаемых плит из указанного выше сырья, где основной материал почти полностью защищен от увлажнения, а, следовательно, и от загнивания; кроме того, в процессе производства плит его подвергают обработке антисептиками и антипиренами, повышающими его долговечность. Но, существует ряд недостатков используемого сырья: длительный процесс изготовления; индивидуальное хранение готовой продукции и транспортировка.

В свою очередь неорганические теплоизоляционные материалы и изделия изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлака, стекла, асбеста). К этой группе относят минеральную, стеклянную вату и изделия из них, некоторые виды легких бетонов на пористых заполнителях (вспученном перлите и вермикулите), ячеистые теплоизоляционные бетоны, пеностекло, асбестовые и асбестосодержащие материалы, керамические и др. Эти материалы используют как для утепления строительных конструкций, так и для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов. Развитие современного индустриального строительства связано с созданием и повышением качества теплоизоляционных материалов. При этом наибольший интерес представляют теплоизоляционные материалы на минеральной основе, не подверженные гниению и более долговечные, чем материалы из растительного волокна. Однако нельзя не сказать и о недостатках используемого материала в качестве утеплителя в жилых зданиях и сооружениях, так как при увлажнении и горении данного материала в атмосферу вырабатывается вредные вещества.

В данной работе, рассмотрены неорганические теплоизоляционные материалы из минеральной ваты и органические теплоизоляционные материалы, выполненные на основе торфа. При исследовании теплоизоляционных материалов выявлены зависимости теплопроводности от величины относительной влажности материала. Влажность плиты может быть изменена в ходе неправильного хранения, транспортировки, монтажа, а также воздействия условий окружающей среды (осадки, влажность воздуха).

Итак, выполнив все исследования, а именно: определение зависимости теплопроводности от относительной влажности у неорганических и органических теплоизоляционных материалов; выявление закономерностей теплопроводности от физических свойств у органических материалов; изготовление композиционного теплоизоляционного материала на основе торфа (экспериментальный подбор компонентов), после чего можно будет сделать выводы об экономической выгоде определения фактической теплопроводности теплоизоляционных материалов и поддержании ее в постоянном значении.

Актуальность. Согласно ФЗ № 261 от 23.11.2009 “Об энергетической эффективности” [1], актуальность данных исследований основывается на следующих принципах:

1. Эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;

2. Поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

3. Системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности;

4. Планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

5. Использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно - технологических, экологических и социальных условий.

Помимо данного федерального закона используются основные ГОСТ ЕN 1609-2011 “Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Методы определения водопоглощения при кратковременном частичном погружении” [2] и СП 50.13330.2012 “Тепловая защита зданий” [3].

Согласно этим законам и стандартам, требования изделий теплоизоляционных и тепловой защиты зданий должны быть обоснованы расчетами.

В настоящее время энерго- и ресурсосбережение -- одна из важнейших проблем современного строительства. Её решение достигается, прежде всего, посредством применения наружных ограждающих конструкций с новыми эффективными теплоизоляционными материалами. Решение проблемы энерго- и ресурсосбережения в строительстве вызвало необходимость повышения точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов.

Однако отсутствие методов расчёта теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов и методов расчёта сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов, а также ошибочная методология измерения теплопроводности теплоизоляционных строительных материалов являются причиной завышения расчётных значений теплофизических показателей строительных материалов и, как следствие, причиной увеличения материалоёмкости ограждающих конструкций зданий.

Решение этих задач достигается путём разработки методов расчёта и методов экспериментального определения теплофизических показателей теплоизоляционных строительных материалов с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий, которые позволяют получить более точную информацию об этих показателях.

Цель работы. Получение продукта переработки торфа и разработка новых технологий производства теплоизоляционных торфяных плит с определением гидрофобности и применением экологически чистых природных материалов (строительный гипс, эпоксидная смола).

Задачи работы:

1. Возможность использования торфа как теплоизоляционный материал;

2. Определение состава теплоизоляционных плит на основе торфа;

3. Определение фактической плотности готового продукта, изготовленного в лабораторных условиях;

4. Выявление и сравнение зависимостей коэффициента теплопроводности от относительной влажности неорганических и органических материалов;

5. Разработка технико-экономического обоснования коммерциализации разрабатываемого продукта.

Объект исследования. Объектом исследования является теплоизоляционный материал из неорганического и органического сырья, а именно: минеральная вата; торфяные плиты Ханты-Мансийского автономного округа - Югра; плиты, изготавливаемые на основе торфа с добавлением органических реагентов в лабораторных условиях.

Предметом исследования. Предметом исследования являются получение теплоизоляционного материала для исследования теплофизических и механических характеристик, определения технико-экономического обоснования полученного продукта.

Апробация работы:

а) хозяйственно-договорная работа:

1. “Исследование теплофизических свойств торфо-древесных композиционных материалов” по договору № 20-2/2-2016 от 18.01.2016г. Заказчик ООО “МИП “Югра-Биотехнологии”.

б) принятие участия в конференциях и мероприятиях:

1. Межрегиональная научная конференция X ежегодной сессии аспирантов и молодых ученых. Секция: Теплогазоснабжение, вентиляция, кондиционирование и промышленная теплоэнергетика. 23 ноября 2016 г. Доклад “Анализ возможности применения торфа в качестве теплоизолятора ограждающих конструкций в жилищно-коммунальном секторе”;

2. Первый международный научно-инновационный форум Инновологда 2016. 23-25 ноября 2016г. Доклад: “Анализ возможности применения торфа в качестве теплоизолятора ограждающих конструкций”;

3. Science Slam Vologda. 25 ноября 2016 г. Доклад: “Торф лучше торта”;

4. Программа “Умник”. Секция: Современные материалы и технология их создания. Область техники: Строительные материалы и изделия. 29 ноября 2017 г. Доклад “Технология получения композиционного теплопроводного материала”;

5. 47-я Студенческая научно-техническая конференция ВоГУ. Секция: Теплогазоснабжение, вентиляция и промышленная теплоэнергетика. 16 марта 2018 г. Доклад “Получение нового композиционного материала на основе торфа”;

6. Международная научная конференция “Молодые исследователи - регионам”. Секция: Теплогазоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха и промышленная теплоэнергетика. 17 апреля 2018 г. Доклад “Технология получения нового композиционного материала на основе торфа”.

в) публикации по теме исследования: “Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов, изготовленных на основе торфа”:

1. Анализ возможности применения торфа в качестве теплоизолятора ограждающих конструкций в жилищно-коммунальном секторе. Сборник: Материала межрегиональной научной конференции X Ежегодной научной сессии аспирантов и молодых ученых. 4 т. Министерство образования и науки Российской Федерации; Вологодский государственный университет. 2016 г. с. 113-117;

2. Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов. Сборник: Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном секторе в сборнике материалов III Поволжской научно-практической конференции. 2 т. 2017 г. с. 313-318;

3. Получение нового композиционного теплоизоляционного материала на основе торфа. Сборник: Материалы международной научно-практической конференции “Перспективы использования материалов устойчивых к коррозии в промышленности республики Таджикистан”. 1 т. 28 майя 2018 г. с. 215-217.

4. Технология получения нового композиционного материала на основе торфа. Сборник: Материалы международной научной конференции (Вологда, 16-20 апреля 2018г.) 4т. Министерство образования и науки Российской Федерации; Вологодский государственный университет. 2018г. (в публикации).



1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРФА В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

1.1 Краткая историческая справка

Проблема производства строительных материалов с улучшенными физико-механическими и теплофизическими свойствами с использованием в качестве сырьевых компонентов некондиционных веществ и отходов промышленности была и остается объектом исследований и инноваций.

Использование торфяных болот на территории России началось с древнейших времен. О нем упоминается в карело-финском эпосе “Калевала”, возникшем еще в эпоху разложения родового строя. Содержание девятой руны (песни) эпоса позволяет утверждать, что уже в то время на территории Карелии началась добыча болотной руды для выплавки железа и изготовления из него таких предметов, как топоры и копья.

Первые упоминания о торфе, как источнике энергии, датируются 1113 годом. В письме одного из настоятелей монастыря в Нидерландах упоминалось о разрешении на добычу торфа на монастырских болотах. В 12 веке в Европе добыча торфа была отдельной хозяйственной отраслью. В Шотландии и Германии данный вид топлива стал популярен в 13 веке, а во Франции лишь в 17.

Изучение болот и торфяного дела на Руси началось во времена Петра I [4]. Совершая поездку в составе Великого посольства в 1697-1698 гг. по странам Европы, Петр I в Голландии изучал горное дело, в том числе и добычу торфа. Вернувшись в Россию, он организовал работу по добыче торфа в районе г. Воронеж, а в последующие годы уделял внимание использованию торфа в стране. В последние годы своей разносторонней научной деятельности М. В. Ломоносов много писал о естественных богатствах России, необходимости их исследования и использования для нужд страны.

Чуть позже торф стал активно применяться в качестве топлива не только на тепловых станциях, но и в сельском хозяйстве. Согласно официальным документам впервые добыча торфа в промышленных масштабах началась в 1789 году в Санкт-Петербурге. До 1918 года добыча торфа осуществлялась в небольших масштабах и едва превышала 2 миллиона тонн в год. Связано это было со сложностью добычи породы. Все работы в основном производились руками рабочих и были связаны с определенными рисками.

В 1937 г. началось строительство Вологодской теплоэлектроцентрали; в качестве топлива должен был использоваться торф с Турундаевских торфоразработок, а 5 февраля 1955 г. была построена вторая очередь ТЭЦ, для которой основным топливом являлся торф, а мазут - резервным.

На сегодняшний день торфяная продукция, в том числе и органическое топливо, пользуются достаточно большим спросом. Связано это, прежде всего, с его доступностью и невысокой стоимостью. В России, Канаде, Белоруссии и США имеются специальные научные институты, изучающие полезные качества торфа, а также ищущие альтернативные способы его применения.

1.2 Характеристика современного состояния изучаемой проблемы

В настоящий момент вопрос о теплоизоляции ограждающих конструкций с использованием натурального сырья является актуальным для любого предприятия и находит свое отражение в трудах как зарубежных, так и российских ученых.

Теплопроводность - это один из частных способов теплообмена, заключающийся в передаче энергии за счет непосредственного взаимодействия микрочастиц вещества. Механизм распространения тепла теплопроводностью зависит от физических свойств тела. В газах и жидкостях он происходит путем соударения частиц между собой, а также посредством диффузии молекул и атомов. В металлах теплопроводность осуществляется в результате диффузии свободных электронов и частично - упругих колебаний кристаллической решетки; в твердых телах - диэлектриках, в основном, за счет упругих колебаний кристаллической решетки.

Торфяные теплоизоляционные изделия в настоящее время изготовляют в виде плит, скорлуп и сегментов и используют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий III класса и поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре от 60 до -100°C. На рисунке 1.1 показана классификация торфяных плит.

Рисунок 1.1 - Классификация торфяных плит

Плотность плит около 170 кг/мі, а коэффициент теплопроводности составляет 0,06 Вт/(мЧК). Теплопроводность таких плит зависит существенно от плотности: при г = 275; л = 0,064, а при 350 - 0,076. Выпускают торф, как теплоизоляционный строительный материал в виде блоков и кирпичей. Их плотность различна: 250 - 500 кг/мі, а коэффициент теплопроводности 0,066 - 0,083 Вт/(мЧК). Сменные матрицы позволяют изготавливать блоки различных размеров.

Сырьем для их производства служит малоразложившийся верховой торф, имеющий волокнистую структуру, что благоприятствует получению из него качественных изделий путем прессования. Плиты изготовляют размером 1000X500X30 мм путем прессования в металлических формах с последующей сушкой при температуре 120...150°С. В зависимости от начальной влажности торфяной массы различают два способа изготовления плит: мокрый (влажность 90...95%) и сухой (влажность около 35%). При мокром способе излишняя влага в период прессования отжимается из торфяной массы через мелкие металлические сетки. При сухом способе такие сетки в формы не закладываются.

Свойства торфяных теплоизоляционных плит определяются качеством торфа. Их пористость характеризуется волокнистой однородной массой, которую составляют собирающиеся мелкие поры. Точное значение пористости может колебаться в пределах 84…91 %. Прочность и плотность во многом будет зависеть от того, какого качества используемое сырье. При изготовлении таких плит торфяная структура нарушается не сильно, поэтому плотность (средняя) изделий очень близка к плотности (средней) торфа - сырца и может колебаться от 170 до 260 кг/мі. Торфяные плиты по средней плотности принадлежат к группе высококачественных теплоизоляционных материалов. При изгибе прочность плит составляет от 0.3 до 0.5 МПа, это обеспечивает хорошие условия для их монтажа и транспортировки. Водопоглощение плит очень высокое. Их высокопористое строение благоприятствует гигроскопическому увлажнению и капиллярному подсосу. Так, у обычных плит водопоглощение (по массе) за сутки составляет от 170 до 190 %, а у водостойких плит, получаемых с помощью введения гидрофобных добавок в массу водопоглощение - 50 %. Теплопроводность в сухом состоянии у торфяных плит составляет 0,052… 0,075 Вт/мЧ°С. Объясняется это их мелкопористой смешанной структурой также органическим происхождением твёрдой фазы. Что касаемо огнестойкости торфяных плит, то она незначительная, следовательно, торфяные плиты - это сгораемый материал. Температура их воспламенения составляет примерно 160 єС, а температура самовоспламенения около 300єС [5]. Торфяные плиты при хранении в штабелях в увлажнённом состоянии склонны к микробиологическому самовозгоранию даже при более низкой температуре, именно поэтому температура эксплуатации и хранения плит ограничена и составляет 100°С.

1.3 Обзор производителей торфяных теплоизоляционных плит

Выпуск торфяных теплоизоляционных плит уменьшается в связи с сокращением сырьевой базы и закрытием ряда предприятий в Центральном районе РФ. На рисунке 1.2 представлены балансовые запасы торфа в Российской Федерации на 2018 г.

Рисунок 1.2 - Балансовые запасы торфа в Российской Федерации

Снижение добычи торфа связано со многими факторами, где основным фактором является снижение потребности торфа как вида топлива. Кроме того, закрытие такой отрасли как мелиорация, которая являлась основным разработчиком торфобалот. Снижение сельскохозяйственных работ, а как следствие снижение применения торфа как органического удобрения и применение его в других видах производства. Но не смотря на это торф является одним из видов материала, который можно использовать в различных отраслях: сельское-хозяйство; растениеводство; животноводство; медицина; энергетика; строительство.

Однако, на современном рынке строительных материалов представлен широкий выбор теплоизоляции, которая претендует на звание “экологически чистой и безопасной”. Основными производителями торфяных тепло плит на рынке Российской Федерации являются предприятия Северо-Западного и Уральского региона, а именно ЗАО “Ронгинское торфобрикетное предприятие”, ООО “Велторф”, ООО “ЭкоДомПроект”. На рисунке 1.3 представлено географическое расположение предприятий, производящих теплоизоляцию на основе торфа.

Рисунок 1.3 - Географическое расположение предприятий, изготавливаемые торфяные плиты

Для работы в производстве торфяных плит необходимо заключение экологов для обеспечения экологической безопасности. Для анализа исследуемой темы необходимо произвести обзор устройств и систем по защищенным охранным документам (ГОСТ, СНиП, патенты) и по открытым источникам СМИ.

1.4 Обзор устройств и систем, защищенные охранными документами

В данном обзоре представлены 3 наиболее альтернативных решений торфяных плит.

А) Плиты торфяные теплоизоляционные (ГОСТ 4861-74) [6].

Торфяные плиты применяются для тепловой изоляции строительных конструкций промышленных зданий, зданий холодильников, при сооружении постоянных и передвижных холодильных установок, и рефрижераторов, а также могут применяться для изготовления многослойных панелей и подобных им конструкций. Торфяные плиты применяются также для тепловой изоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов, имеющих температуру 100 °С. В таблице 1.1 представлен состав торфяных плит по ГОСТ 4861-74 с указанием массовой доли.

Таблица 1.1 - Состав торфяных плит по ГОСТ 4861-74

Состав:	Количество, %
Слаборазложившийся сфагнум торфа	Не менее 70
Грубые древесные волокна и материалы растительного происхождения	Не более 30
Вода	5-6

Способ изготовления:

Производство торфяных теплоизоляционных плит происходит мокрым способом, который состоит из следующих основных последовательно выполняемых операций: подготовки сырья, приготовления однородной торфяной гидромассы, формования и тепловой обработки плит и изготовления из них изоляционного материала.

Подготовка сырья осуществляется в волк-машине, работающей по принципу зубчатой валковой дробилки, затем, происходит варка гидромассы заключается в прогреве ее острым паром до 45--50°С в зависимости от степени разложения торфа и выдерживании при этой температуре 20--30 мин. Формование торфяных плит осуществляется в гидравлических прессах, преимущественно карусельного типа. Для прессования используют металлические формы с сетчатыми поддонами, удельное давление прессования 0,2 МПа. Тепловая обработка торфяных плит заключается в понижении их влажности с 80--85% до 5--10% путем испарения воды. При этом отдельные волокна торфа, сближаясь, склеиваются в местах контактов выделяющимися из торфа смолообразными продуктами. Продолжительность сушки торфоплит зависит в основном от начальной влажности плиты и составляет 24--32 ч.

В данном способе изготовления основным преимуществом является коэффициент теплопроводности, который равен 0,045 Вт/(м°С), а основным недостатком является продолжительное время изготовления торфяных теплоизоляционных плит, что приводит к большим затратам на электроэнергию.

Б) Торфодревесная композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов (патент на изобретение 2307813) [7].

Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе торфодревесного сырья и может найти применение при изготовление плит, блоков, скорлуп для теплоизоляции жилых, промышленных зданий и промышленного оборудования. В таблице 1.2 представлен состав торфяных плит по патенту 2307813 с указанием массовой доли.

Таблица 1.2 - Состав торфяных плит с использованием гипсового вяжущего материала

Состав	Количество, %
Древесные опилки	5-10
Низинный торф	80-90
Армирующая добавка из синтетических волокон	58-10
При водотвердом соотношении (В/Т)	2,0-2,5

Способ изготовления:

Низинный торф измельчают совместно с водой в шаровой мельнице до степени измельчения 5-10 мкм. К полученному торфовяжущему добавляют древесные опилки и армирующую добавку из синтетических волокон. Смесь тщательно перемешивают до однородного состояния, формуют вибролитьевым способом, которые затем сушат при температуре 60-80°С в течение 24 ч. Затем повышают температуру до 130-150°С и в течение 1 часа образцы “закаливают”.

Проанализировав данный способ можно сделать вывод, что коэффициент теплопроводности и процентное соотношение влагостойкости соответствует нормативным требованиям, а именно ГОСТ 4861-74 [5], но существенным недостатком данной технологий является: получение материалов высокой средней плотности 1300 кг/мі, что приводит к понижению его прочностных характеристик.

В) Теплоизоляционный композиционный материал (патент на изобретение 2409529) [8]

Изобретение относится к теплоизоляционным материалам, а более конкретно к стеновым конструкционно-теплоизоляционным материалам с повышенной теплозащитой, изготовленным из местных сырьевых материалов, которые могут найти применение в строительстве малоэтажных зданий промышленного и сельскохозяйственного назначения, жилых домов, а также при изготовлении межкомнатных и межквартирных перегородок. В таблице 1.3 представлен состав торфяных плит по патенту 24095929 с указанием массовой доли.

Таблица 1.3 - Состав теплоизоляционного композиционного материала с использованием фторангидрита, как отвердителя

Состав	Количество, %
Строительный гипс	32-51
Фторангидрит	2,39-2,58
Карбамидоформальдегидная смола	12,0-12,93
Низинный торф	10,26-24
Вода	24-28

Способ изготовления:

Процесс приготовления теплоизоляционного композиционного материала состоит из следующих операций: дозирование компонентов, их смешивание, формование и сушка. Смешивание происходит путем раздельного перемешивания компонентов: заполнителя, строительного гипса и воды, отвердителя и смолы до получения однородной массы. Формование изделий проводится методом требования с последующей тепловой обработкой при 90-100°С в течении 30-40 минут.

Основным преимуществом данной технологии является быстрый способ изготовления плит, что приводит к сокращению расходов на электроэнергию, но помимо этого есть ряд недостатков. Существенным недостатком данной технологии, повышенный расход полимерного связующего карбамидоформальдегидной смолы. Помимо этого, установлено, что основные характеристики получаемого композита зависит от содержания фторангидрита. Применение фторангидрита приводит к повышению плотности материала при одновременном снижении прочности.

1.5 Материалы, отраженные в открытых источниках СМИ

А) Теплоизоляционный блок “Геокар”

Блок применяется как теплоизоляционный материал при строительстве жилых высотных зданий: навесные стены, колодцевая кладка, межкомнатные и межквартирные перегородки, утепление чердачных и межэтажных перекрытий, а также хозяйственных построек. “ГеоКар” может применяться как термоизоляция холодильного оборудования и изоляция трубопроводов, транспортирующих как теплоносители, так и хладагенты. В таблице 1.4 представлены основные характеристики продукта, а на рисунке 1.4 представлена торфяной плита, изготавливаемая производителем ООО “Марси ГРУП”.



Таблица 1. 4 - Характеристики теплоизоляционного блока “Геокар”

Производитель (страна)	ООО “ЭкоДомПроект” (Россия)
Габариты, мм	510Ч250Ч88
Коэффициент теплопроводности, Вт/мЧК	0,047-0,08
Предел прочности при сжатии, кг/смІ	10,7-12
Долговечность, лет	Не менее 75	Рисунок 1.4 - “ГеоКар”

Б) Теплоизоляционные плиты на основе торфа - Торфостеклосиликатная плита (ТССП)

Торфостеклосиликатные плиты применяются для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений. Применение технологии производства данных плит позволяет при строительстве энергоэффективных зданий придать ограждающим конструкциям низкую теплопроводность при достаточной прочности на изгиб и сжатие, негорючестью и экологичностью, включая целебные бактерицидные свойства. При этом значительно снижается общая стоимость реализации проекта строительства, благодаря использованию местного дешевого сырья. В таблице 1. 5 приведены основные характеристики торфостеклосиликатной плиты, на рисунке 1.5 представлен материал, изготавливаемый Томским государственным архитектурно-строительным университетом.

Таблица 1.5 - Характеристики теплоизоляционной торфостеклосиликатная плиты (ТССП)

Производитель (страна)	Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ), Россия
Коэффициент теплопроводности, Вт/мЧ°С	0,09
Предел прочности при сжатии, кг/смІ	0,02-0,05
Водопоглощение, %	20-30
1	2	3
Продолжение таблицы 1.5
1	2	3
Плотность, кг/мі	90-120	Рисунок 1.5 - Торфостеклосиликатная плита (ТССП)

1.6 Анализ результатов исследований

Проведенный анализ патентов по теплоизоляционным материалам, представленных в СМИ: торфяных плит и композиционных материалов на основе торфа позволит нам выявить преимущества и недостатки материалов при сравнении друг с другом, а также подобрать тот тип материала, который можно реализовать.

1.6.1 Сравнение материалов, защищенных охранными документами

В таблице 1.6 представлены основные сравнительные критерии материалов, защищенных охранными документами.

Таблица 1.6 - Сравнительные характеристики материалов, представленных в защищенных охранных документах

Критерии	ГОСТ 4861-74	Патент № 2307813	Патент № 2409529
1. Использование только органических составляющих	+	±	-
2. Технология изготовления плит в соответствии с ГОСТ 4861-74	+	+	+
3. Минимальный период времени для производства продукции	-	-	+
4. Применение теплоизоляционных плит в различных направлениях	+	+	-

На основании данных сравнительных результатов можно сделать следующие выводы: наиболее примирителен патент № 2307813, так как в данном патенте использует преимущественно органические составляющие; способ изготовления соответствует нормативному значению; имеется применение готовых изделий в различных направлениях строительства. Патент № 2409529 менее примирителен, так как в его составе преимущественно используются не органические материалы, которые могут принести вред как человеку, так и окружающей среде, но основным преимуществом является быстрый способ изготовления, который по сравнению с ГОСТ 4861-74 менее энерго- и время затратный.

1.6.2 Сравнение материала, представленных в открытых источниках СМИ

В таблице 1.7 представлены основные характеристики материалов, представленных в открытых источниках СМИ и сравнены с ГОСТ 4861-74.

Таблица 1.7 - Сравнительные характеристики материалов, представленных в открытых источниках СМИ

Характеристики	ГОСТ 4861-74	“ГеоКар”	“Торфостек-лосиликат-ная плита” (ТССП)
1. Габариты (ДЧШЧВ), мм	1000Ч500Ч30	510Ч220Ч88	нет информации
2. Коэффициент теплопроводности, Вт/мЧ°С	0,06	0,047-0,08	0,09
3. Предел прочности при сжатии, кг/смІ	3-4	10,7-12	0,02-0,05
4. Плотность, кг/мі	170-260	250-350	90-120
5. Влажность, %	Не более 15	Не более 15	20-30
6. Долговечность, лет	нет информации	Не менее 75	нет информации

В соответствии с представленными характеристиками можно сделать вывод: наиболее применительным материалом можно считать “ГеоКар”, так как данные теплоизоляционные плиты не значительно расходятся с параметрам, представленными в ГОСТ 4861-74, а параметры “ТССП” значительно уступают значениям приведенного ГОСТ.

Таким образом, не смотря на снижение производства и добычи торфа, а также применение его в различных областях народного хозяйства, на современном этапе развития промышленности найдено новое применение торфа в строительстве как теплоизоляционного материала. Приведенные выше данные говорят о его успешном применение в научной разработке для практического применения в промышленности и гражданском строительстве.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

2.1 Описание теплоизоляционного материала

2.1.1 Общие сведения

Минеральная вата -- это негорючие, гидрофобизированные, тепло-, звукоизоляционные плиты из минеральной ваты на основе горных пород базальтовой группы. Плиты минеральной ваты (рисунок 2.1) предназначены для тепло-, звукоизоляции строительных конструкций жилых зданий и промышленных сооружений, в которых утеплитель не воспринимает внешней нагрузки.

Рисунок 2.1 - Маты из минеральной ваты

В понятие минеральная вата согласно ГОСТ 31913-2011 “Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения” [9], входят следующие разновидности ваты:

- Стеклянная вата: минеральная вата, изготовленная из расплава стекла.

- Каменная вата: минеральная вата, изготовленная преимущественно из расплава изверженных горных пород.

- Шлаковая вата: минеральная вата, изготовленная из расплава доменного шлака.

Технология производства минеральной ваты заключается в подготовке сырьевой смеси (измельчение горной породы, шлаков, боя красного или силикатного кирпича и др.), ее расплавлении в вагранке, ванной печи или другом плавильном агрегате и переработке расплава в нити толщиной до 8 мкм, длиной от 5 до 40 мм. Из этих нитей и образуется минеральная вата.

Производство минеральной ваты не зависит от типа плавильного агрегата, а также способа получения волокон и включает следующие основные технологические операции:

- подготовка и загрузка сырьевых материалов в плавильный агрегат;

- плавка сырья, получение расплава в плавильном агрегате;

- переработка расплава на центрифуге или другим способом;

- осаждение минеральных волокон ваты, образование минерало-ватного ковра в камере волокноосаждения.

Производство изделий: после процесса волокнообразования вводится связующее путем распыления связующего на волокна, полива ковра из каменной ваты или приготовления гидромасс. Ковер из каменной ваты с нанесенным на волокна связующим подвергается термообработке, где теплоноситель с температурой 180--230 °С провоцирует реакцию поликонденсации связующего. Содержание органических веществ в готовой продукции, как правило, составляет примерно 3 % по массе. Затем происходит резка изделий на необходимые размеры, упаковка и складирование.

Вата минеральная предназначена для изготовления теплоизоляционных и звукоизоляционных изделий, а также в качестве теплоизоляционного материала в строительстве и промышленности для изоляции поверхностей с температурой до + 700 °C.

Необходимо помнить, что в изделиях из минеральной (каменной) ваты на синтетическом связующем (фенолформальдегидные смолы) при температуре около 300--350 °С начинается процесс деструкции связующего.

Применение:

- в качестве ненагруженной изоляции горизонтальных, вертикальных и наклонных строительных ограждающих конструкций всех типов зданий;

- в системах наружного утепления штукатурного типа;

- в качестве теплоизоляционного слоя в навесных вентилируемых фасадах;

- в системах с утеплителем с внутренней стороны ограждающей конструкции;

- в системах с утеплителем внутри ограждающей конструкции (трёхслойные бетонные или железобетонные панели, трёхслойные сэндвич-панели с металлическими обшивками, слоистая кладка);

- в качестве тепловой изоляции промышленного оборудования, резервуаров и трубопроводов тепловых сетей, магистральных нефте- и газопроводов, технологических трубопроводов электростанций, металлургических, нефтехимических и др. промышленных предприятий;

- в качестве нижнего теплозвукоизоляционного слоя в многослойных покрытиях плоских кровель, в том числе при укладке на поверхность без устройства цементной стяжки;

- в качестве теплозвукоизоляционного слоя в покрытиях плоских кровель, в том числе при укладке на поверхность без устройства цементной стяжки;

- в качестве верхнего теплозвукоизоляционного слоя в многослойных покрытиях плоских кровель, в том числе при укладке на поверхность без устройства цементной стяжки.

Существуют ряд документов (ГОСТ), согласно которым регламентируются основные показатели изделий из минеральной ваты:

1. ГОСТ 9573-2012 “Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем теплоизоляционные. Технические условия” [10];

2. ГОСТ 21880-2011 “Маты из минеральной ваты прошивные теплоизоляционные. Технические условия” [11];

3. ГОСТ 22950-95 “Плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем. Технические условия” [12].

Большинство производителей в настоящий момент производят минеральную вату по собственным Техническим условиям (ТУ); в этих документах прописывается гораздо более высокие требования к выпускаемому утеплителю, чем те, которые фигурируют в ГОСТ.

2.1.2 Теплофизические свойства

Минеральная вата помимо теплофизических свойств обладает также другими свойствами, делающими ее наиболее распространенным теплоизоляционным материалом: звукопоглощение, паропроницаемость, гидрофобность, прочность, химическая и биологическая стойкость, экологичность, низкий уровень гигроскопичности.

Теплопроводность минераловатных изделий складывается из трех составляющих: теплопроводности волокон, теплопроводности воздушной среды и влаги, находящихся между волокнами, а также передачи тепла лучеиспусканием. Теплопроводность твердой основы как основная составляющая общей теплопроводности зависит от геометрии и ориентации волокон в пространстве. При заданной плотности наиболее эффективным теплоизолятором является минеральная вата с хаотически расположенными и беспорядочно ориентированными волокнами. Коэффициент теплопроводности каменной ваты находится в пределах 0,035 -- 0,040 Вт/м*К. Воздух, заключенный в порах ваты, обладает низкой теплопроводностью и находится в статичном состоянии, именно это определяет ее отличные теплоизоляционные качества

Минеральная вата изготовлена из базальтового волокна и поэтому является негорючим материалом. Температура плавления волокон - более 1200 ?С. Благодаря этому изоляционные материалы из минеральной ваты могут использоваться в качестве противопожарных преград и огнезащиты.

2.1.3 Постановка задачи

Теплопроводность является одним из самых важных свойств любого теплоизоляционного материала, в том числе и минеральной ваты, поэтому точное определение теплопроводности становится важнейшей задачей при проектировании теплоизоляции зданий и различных конструкций. В настоящее время при проектировке теплоизоляции основываются на стандартизированных показателях теплопроводности, указанных в ГОСТ и технических условиях используемых теплоизоляционных материалов, однако данные показатели могут значительно отличаться от фактических показателей при эксплуатации в реальных климатических условиях.

Целью работы является выявление зависимости теплопроводности от относительной влажности минеральной ваты. Как показывают исследования других авторов, изучающих теплопроводность строительных материалов, влажность значительно влияет на теплопроводность. Причиной этого является то, что в процессе увлажнения материала воздух в поровом пространстве замещается водой, теплопроводность которой значительно больше теплопроводности воздуха. Так, при температуре +25 ⁰С теплопроводность воздуха равна 0,0261 Вт/(м*°С), воды -- 0,608 Вт/(м*°С).

2.2 Методика испытаний

Для определения теплопроводности воспользуемся измерителем теплопроводности ИТС-1 “150”. Принцип действия прибора основан на определении теплопроводности и термического сопротивления широкого спектра строительных и теплоизоляционных материалов методом стационарного теплового потока по ГОСТ 7076-99 “Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме” [13] и по ГОСТ 30256 “Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом” [14].

Для определения теплопроводности необходимо заготовить образцы, которые представляют собой параллелепипеды с линейными размерами 150х150 мм и толщиной 5-25 мм. Для определения геометрических размеров и толщины в ГОСТ 17177-94 “Материалы и изделия строительные. Метод испытаний” [15] указаны следующие методики.

Для определения линейных размеров образца применяют линейку металлическую по ГОСТ 427-75 “Линейки измерительные металлические. Технические условия” [16]. Длину и ширину плиты, блока, мата измеряют в трех местах: на расстоянии мм от каждого края и посередине изделия.

Для определения толщины в ГОСТ 17177-94 указан метод с применением толщинометра (рисунок 2.2). Масса основания 6 с корпусом 5 толщиномера должна создавать удельную нагрузку Па, если в нормативных документах на продукцию конкретного вида не указана другая нагрузка.

Рисунок 2.2 - Толщинометр: 1 - ручка; 2 - втулка; 3 - зажимной винт; 4 - вставка; 5 - корпус; 6 - основание; 7 - крепежный винт; 8 - игла; 9 - табличка; 10 - крепежный винт; 11 - шкала; 12 - стекло



Для проведения измерения толщиномер устанавливают на поверхности изделия, помещенного на столе. Затем винтом 3 освобождают вставку 4 толщиномера, левой рукой придерживают корпус 5, а правой - ручку 1. Нажимая правой рукой на ручку 1, опускают вниз вставку 4 с иглой 8, при этом игла 8 вертикально прокалывает изделие до упора о поверхность стола. После этого левой рукой плавно опускают корпус толщиномера с основанием на изделие. Через 5 мин (если в нормативных документах на продукцию конкретного вида не указано другое время) по шкале 11 при помощи указателя на стекле 12 отсчитывают толщину изделия.

В матах измеряют толщину в четырех углах на расстоянии мм от смежных краев, затем через каждый метр длины мата в трех местах по ширине: в двух местах на расстоянии мм от краев и один раз по средней линии.

При отсутствии толщинометра и небольших геометрических размерах образца воспользуемся методом, основанным на конструктивных особенностях прибора ИТС-1 “150”. Суть метода в определении разности высоты положения прижимной плиты прибора без образца и с образцом схема опыта приведена на рисунок 2.3.

Рисунок 2.3. Определение толщины образца из минеральной ваты: 1 - корпус прибора ИТС-1 “150”; 2 - прижимная плита прибора ИТС-1 “150”; 3-образец из минеральной ваты

Определяем высоту h₁ от вершней кромки прибора до прижимной плиты при помощи штангенциркуля без образца, затем высоту h₂ c размещенным под прижимной плитой образцом. Разница высот h₁- h₂ и будет толщиной образца h.

Для определения влажности в ГОСТ 17177-94 указана следующая методика.

Средства контроля:

- электрошкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева до и автоматическое регулирование температуры с пределом допускаемой погрешности ;

- весы, имеющие предел допускаемой погрешности взвешивания г;

- стаканчики стеклянные типа СВ или СН по ГОСТ 25336-82 “Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры” [17] или тигли по ГОСТ 9147-80 “Посуда и оборудование лабораторные фарфоровые. Технические условия” [18];

- эксикатор по ГОСТ 25336-82;

- кальций хлористый плавленый.

Порядок проведения испытания: пробу массой г помещают в предварительно высушенный и взвешенный стаканчик или тигель и высушивают в сушильном электрошкафу до постоянной массы.

После высушивания перед каждым повторным взвешиванием стаканчик или тигель с пробой охлаждают в эксикаторе над хлористым кальцием.

Влажность органических ячеистых изделий определяют на образцах. Образцы высушивают и охлаждают в эксикаторе над хлористым кальцием.

Обработка результатов: влажность W в процентах вычисляют по формуле:

	(2.1)



где - масса стаканчика или тигля с пробой до высушивания, г;

- масса стаканчика или тигля с пробой, высушенной до постоянной массы, г;

- масса стаканчика или тигля, г.

Влажность органических ячеистых изделий вычисляют по формуле

	(2.2)

где - масса образца до сушки, г

- масса образца после сушки, г.

Результат вычисления округляют до 0,1 %.

Для определения относительной влажности образца данный метод будет модернизирован, его описание указано в разделе планирование эксперимента.

2.3 Планирование эксперимента

2.3.1 Цель эксперимента

Основной целью эксперимента является выявление зависимости теплопроводности образцов, изготовленных из каменной ваты на основе базальтовых пород фирмы ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® от их относительной влажности, определение зависимости на основе ряда опытов с различной влажностью.

2.3.2 Задачи эксперимента

Основные задачи эксперимента:

- подготовка образцов из теплоизоляционных плит, изготовленных из каменной ваты на основе базальтовых пород;

- определение массы полностью сухих образцов;

- определение теплопроводности сухих образцов;

- увлажнение образцов до заданной влажности;

- определение массы влажных образцов с последующим определением их относительной влажности;

- определение теплопроводности увлажненных до определенной влажности образцов;

- установление зависимости теплопроводности образцов от их относительной влажности.

2.3.3 Нормативная база

Нормативной базой проводимых экспериментов является ГОСТ 17177-94, в котором указаны методики подготовки экспериментальных образцов, определение их геометрических размеров, массы, влажности. Кроме того, методики определения теплопроводности и термического сопротивления широкого спектра строительных и теплоизоляционных материалов методом стационарного теплового потока указан в ГОСТ 7076-99 и ГОСТ 30256. На основе этих методик работает прибор для определения теплопроводности ИТС-1 “150”.

2.3.4 Экспериментальное оборудование

Основное экспериментальное оборудование:

1. Линейка металлическая ГОСТ 427-75;

2. Штангенциркуль ГОСТ 166-89 [19];

3. Весы ГОСТ Р 53228-2008 [20];

4. Железные ножницы;

5. Нож с длинным лезвием;

6. Распылитель;

7. Пакеты зиплок с контролем вскрытия;

8. Измеритель теплопроводности ИТС-1 “150”.



2.3.5 Описание экспериментальных образцов

Все экспериментальные образцы представляют собой параллелепипеды размерами 150х150 мм и толщиной 5-25 мм, вырезанные из мата каменной ваты на основе базальтовых пород ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® ТУ 5762-004-45757203-99 “Минераловатные плиты Лайт Баттс” (рисунок 2.4). Образцы имеют правильную геометрическую форму, однородную структуру, на них отсутствуют загрязнения и посторонние включения. Образцы хорошо просушены.

Рисунок 2.4. Этикетка матов их минеральной ваты

2.3.6 Последовательность действий

Подготовка экспериментального образца: Из мата минеральной ваты на основе базальтовых пород ROCKWOOL ЛАЙТ БАТТС® ТУ 5762-004-45757203-99 при помощи железных ножниц и металлической линейки вырезаются образцы с размерами 150х150 мм. Так как толщина мата 50 мм, а толщина образца не должна превышать 25 мм, получившийся образец при помощи ножа с длинным лезвием разрезается вдоль на две равные половины. После получившиеся образцы просушиваются (в нашем случае, на радиаторе системы отопления) не менее 24 часов.

Для определения массы образца воспользуемся автоматическими весами по ГОСТ Р 53228-2008. Готовый и полностью просушенный образец размещается на одной из чаш весов, после чего при помощи разновесов достигается положение равновесия чаш. Сумма разновесов будет соответствовать массе образца.

Теплопроводность образцов определяется при помощи прибора ИТС-1 “150”. Для каждого образца измерение провести не менее трех раз для определения погрешности измерения.

Принцип действия прибора основан на создании проходящего через исследуемый плоский образец стационарного теплового потока. По величине этого теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность образца л по формуле:

, Вт/мЧК,	(2.3)

где d - толщина образца, мм;

q - плотность теплового потока, проходящего через образец, Вт/мІ;

ДT- разность температур между противоположными гранями образца, К.

Тепловое сопротивление R образца вычисляется по формуле:

, КЧмІ/Вт	(2.4).

Исследуемый образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда, лицевые грани которого - квадрат с размерами 150Ч150 мм. Толщина образца должна находиться в пределах 10…25 мм.

Планируемым результатом эксперимента является выявление некой зависимости теплопроводности образцов с одинаковой плотностью от размеров ячеек этих образцов, а также выявление зависимости теплопроводности от истинной плотности. В ходе эксперимента будет определена марка каждого образца, исходя из его плотности.

Увлажнение и определение относительной влажности образцов. После определения теплопроводности сухих образцов необходимо их увлажнить до определенной влажности. При помощи распылителя равномерно смачиваются водой все поверхности образцов, после чего они упаковываются в полиэтиленовые пакеты типа “зиплок” с контролем вскрытия и укладываются на источник тепловой энергии (радиатор системы отопления) на 24 часа. Вследствие герметично закрытого контура пакета и теплового потока вода, испаряясь, пропитывает равномерно весь образец.

Непосредственно перед началом определения теплопроводности увлажненного образца он извлекается из пакета типа “зиплок”, взвешивается на весах и определяется его относительная влажность по формуле 2.5:

,	(2.5),

где т_вл - масса влажного образца, г,

т_сух - масса сухого образца, г.

После определения теплопроводности влажного образца он снова увлажняется до требуемого значения и укладывается в пакет типа “зиплок” для повторного определения теплопроводности. Теплопроводность определяется не менее трех раз для каждого образца с измерением влажности перед каждым опытом.

Планируемым результатом экспериментов является выявление некой зависимости теплопроводности образцов из минеральной ваты от их относительной влажности.



2.4 Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд (рисунок 2.5) состоит из прибора для определения теплопроводности ИТС-1 “150”, металлической линейки и штангенциркуля для определения геометрических размеров образцов, электронных весов для определения массы сухого и увлажненного образцов, распылителя воды и полиэтиленовых пакетов типа “зиплок” с контролем вскрытия для увлажнения образцов до заданной температуры.

Рисунок 2.5 - Экспериментальный стенд