Эмпирический Способ определения теплопроводности стеновых материалов, полученных с использованием химических добавок

УДК 691.44

А. Р. Мавлюбердинов

ЭМПИРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК

Ключевые слова: керамические изделия, химические добавки, кирпич, теплопроводность, средняя плотность, сырьевая смесь.

Основной целью исследований является изучение механизмов снижения средней плотности керамического черепка при введении в состав сырьевых смесей выгорающих добавок органического происхождения и как следствие улучшения его теплофизических характеристик. В данной работе рассматриваются вопросы получения керамического пустотело-пористого кирпича из местного глинистого сырья, выгорающих добавок органического происхождения и отходов промышленности (химических добавок). Рассмотрено изменение теплопроводности в зависимости от количества вводимых выгорающих и химических добавок в составы сырьевых смесей. Результатом работы является получение керамического кирпича с улучшенными теплофизическими характеристиками.

Keywords: ceramic products, chemical additives, bricks, thermal conductivity, average density, the raw material mixture.

The main objective of the research is to study mechanisms to reduce the average density of the ceramic body, when introduced into the composition of the raw mix burnable additives of organic origin and as a result improve its thermal characteristics. This paper discusses issues of production of ceramic hollow-porous brick made from local clay raw materials, burnable additives of organic origin and industrial wastes (chemical additives). We have considered variation of thermal conductivity depending on the amount of typing fade and chemical additives to compositions of raw mixtures. The result is a ceramic brick with improved thermal and physical characteristics.

Введение

На современном этапе развития экономики, а именно ее строительного сегмента в связи с постоянно повышающимися требованиями к теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений осваивается выпуск современных строительных материалов, среди которых «эффективные» пористо-пустотелые стеновые материалы [1].

В ряде научных исследований отражается эффективность введения для получения пористого кирпича различных органических выгорающих добавок, таких как угольная мелочь, лигнин, древесные опилки и волокна, отходы переработки продуктов растительного происхождения [2-6].

Для снижения средней плотности керамического черепка предлагается вводить в составы сырьевых смесей древесные опилки, солому, торф, листву деревьев, хвойные иглы, шелуху гречихи, лузгу от семян подсолнечника, древесную пыль и др. Выгорая в процессе обжига, эти добавки оставляют в толще материала сеть незамкнутых пор с неровной поверхностью.Однако это значительно снижает прочностные характеристики керамического черепка. С целью компенсации потери прочности черепка рекомендуется вводить в составы сырьевых смесей химические добавки.

Экспериментальная часть

В научных лабораториях Казанского государственного архитектурно-строительного университета с целью снижения средней плотности черепка до 1300 кг/м3 и теплопроводности до 0,35 Вт/м*0С в составы сырьевых шихт на основе малопластичного глинистого сырья (с числом пластичности - 7) вводить в количестве до 50 % в составы сырьевой шихты смесь выгорающих добавок из опилок лиственных пород деревьев и активного ила. При этом использование ила в качестве выгорающей добавки,

пластификатора и ПАВ позволили повысить прочность товарной продукции с 7,5 до 20,0 МПа.

Одним из факторов, определяющим теплопроводность материала является его пористость. Теплопроводность пористых материалов зависит от объема пор, их вида и характеристик пористой структуры.

Наиболее полное представление о зависимости коэффициента теплопроводности от степени пористости материала далиГеоргиевский Н.Н. [7]. Некрасов В.П., Кауфман Б.П., Власов О.Е., которыми предложены эмпирические зависимости для определения теплопроводности неорганических материалов [8].

Целью исследований является получение пористо-пустотелого кирпича на основе местного глинистого сырья со средней плотностью менее 1000 кг/м3 и улучшение его физико-механических и теплотехнических характеристик.

В исследованиях было использовано средне- и умереннопластичное, низкодисперсное, легкоплавкое глинистое сырье Приказанской зоны РТ. Для уменьшения средней плотности и регулирования пористости черепка в состав шихты вводили добавки в виде шелухи гречихи; древесной пыли; опилок, а для регулирования прочности черепка - подмыль-ный щелок.

Шелуха гречихи представляет собойпродукт-сельхозперерабатывающей промышленности РТ, а опилки и древесная пыль побочными продуктами предприятий деревообрабатывающей индустрии РТ.

Для исследований возможности максимального снижения средней плотности черепка за счет введения вышеуказанных органических порообразующих добавок изготавливались контрольные образцы в виде кубиков размером 50x50x50 мм, которые готовились по следующей технологии.

Глину для проведения исследований предварительно подсушивали и размалывали на лаборатор-

ных бегунах. Компоненты сырьевых смесей дозировались, увлажнялись до формовочной влажности, вылеживались в течении 48 часов для равномерного увлажнения. Затем формовались образцы, которые высушивались и обжигались в лабораторной электропечи при оптимальных температурных режимах, достаточных для получения керамического черепка.

Определение основных физико-механических характеристик обожженных образцов осуществлялось согласно требованиям современных нормативных документов.

По результатам испытаний контрольных образцов были построены зависимости прочности и плотности от количества вводимых органических порообразующих добавок и выявлены их оптимальные дозировки. Было определено, что прочность изделий в 7,5 МПа достигается при введении в состав шихты шелухи гречихи в количестве 20, или опилок - 15, или древесной пыли - 10 % от расхода глины, но при этом средняя плотность кирпича по сравнению с нулевым составом (без добавок) снижается с 1900-1700 кг/м3. Если в качестве аналога брать стеновые изделия типа «Унипор», «Термо-пор», «Поротон» и др., у которых минимальная прочность в 4 МПа при плотности 800 кг/м3 достигается при введении в состав шихты шелухи гречихи в количестве 40, или опилок - 32, или древесной пыли - 20 %. При этом средняя плотность изделий принимает значения 1150, 1230, 1300 кг/м3 соответственно.

Дальнейшее снижение средней плотности до значений менее 1000 кг/м3 достигается созданием пустотности свыше 36 %, согласно ГОСТ 530.

Известно, что с увеличением количества органических добавок, вводимых в шихту уменьшается средняя плотность изделий, а следовательно улучшаются теплофизические свойства, но к сожалению снижается прочность. Поэтому в целях улучшения физико-механических характеристик керамического черепка рекомендуется вводить в составы шихт флюсующие компоненты, такие как техническая сода, под-мыльный щелок, отходы травления алюминия, отходы гальванического производства, осадки сточных вод, шлам от процесса дубления кожи и т.д.

Также были проведены исследования повышения прочности пористого черепка, путем введения химических добавок, таких как подмыльный щелок.

Подмыльный щелок, являющийся побочным продуктом промышленности имеющий плотность 1,05-1,2 гр/см2, представлен следующими компонентами, мас. %: хлорид натрия-15, свободная едкая щелочь - 1,2, свободная углекислая сода - 1,5, жирные кислоты - не более 1, вода - остальное.

Подмыльный щелок добавлялся в составы шихт в количестве от 0 до 3 % от массы глины с шагом 0,5. Контрольные образцы обжигались при температурах 900, 950, 1000, 1050 °С.

Введение подмыльного щелока позволило компенсировать потерю прочности керамического черепка.

По результатам экспериментальных данных по эмпирическим зависимостям В.П. Некрасова, Б.Н. Кауфмана, О.Е. Власова была определена теплопроводность и выведены закономерности влияния

средней плотности керамического черепка и количества выгорающих добавок на теплопроводность и общую пористость керамического черепка.

Результаты исследований

Результаты исследований показали, что с увеличением в составах сырьевых шихт количества шелухи гречихи (Рис. 1) в количестве от 0 до 56 %, и соответствующего уменьшения при этом средней плотности черепка с 1950 до 1200 кг/м3, теплопроводность, определенная по формуле В.П. Некрасова снижается с 0,93 до 0,53; по формуле Б.Н. Кауфмана - с 0,65 до 0,27, а по формуле О.Е. Власова - с 0,58 до 0,31 ВТ/м*"С.

60

0,2 ----- 0

0 10 20 JO "ID 50

Количество добавки, %

1950 1770 1620 1480 Е320 1180

Средняя плотность черепка, кг/м'

Рис. 1 - Влияние количества шелухи гречихи на теплопроводность, общую пористость и среднюю плотность пористого черепка, изготовленного на основе среднепластичной Сарай-Чекурчинской глины: 1 - общая пористость; 2,3,4 -теплопроводности рассчитанные по формулам В.П.Некрасова, Б.Н. Кауфмана и О.Е. Власова соответственно

Увеличение вводимых в составы сырьевых смесей древесной пыли (рис. 2) в количестве от 0 до 50 % снижает среднюю плотность черепка с 1950 до 1180 кг/м3. При этом теплопроводность, определенная по формуле В.П. Некрасова снижается с 0,93 до 0,53; по формуле Б.Н.Кауфмана - с 0,65 до 0,27, а по формуле О.Е. Власова - с 0,58 до 0,31 ВТ/м*С.

0 Ю so 30 40

Количество добавки, %

1950 1500 ИЗО 1700 1160

Средня* плотность черепка, кг/м3

Рис. 2 - Влияние количества древесной пыли на теплопроводность, общую пористость и среднюю плотность пористого черепка, изготовленного на основе среднепластичной Сарай-Чекурчинской глины: 1 - общая пористость; 2,3,4 - теплопроводности рассчитанные по формулам В.П.Некрасова, Б.Н. Кауфмана и О.Е. Власова соответственно

55

О -10 20 30 АО 50 56 Количсстпо добавки, %

1950 1820 1750 1640 14% 1300 Средняя плотность черепка, к [УМ

Рис. 3 - Влияние количества древесных опилок на теплопроводность, общую пористость и среднюю плотность пористого черепка, изготовленного на основе среднепластичной Сарай-Чекурчинской глины: 1 - общая пористость; 2, 3, 4 - теплопроводности рассчитанные по формулам В.П.Некрасова, Б.Н. Кауфмана и О.Е. Власова соответственно

С увеличением в составах сырьевых смесей древесных опилок от 0 до 40 % (рис. 3) снижается средняя плотность черепка с 1950 до 1160 кг/м3. При этом теплопроводность, определенная по формуле Некрасова В.П. снижается с 0,93 до 0,51; по формуле Кауфмана Б.Н. - с 0,65 до 0,26, а по формуле Власова О.Е - с 0,58 до 0,29 ВТ/м*0С.

Заключение

1. Снижение средней плотности керамического черепка достигается путем введения в составы сырьевых смесей порообразующих добавок растительного происхождения.

2. Компенсация потери прочности керамического черепка достигается путем введения добавки подмыльного щелока в составы сырьевых смесей.

3. Компенсация потери прочности объясняется увеличением площади контакта нерасплавившихся

частиц кварца, полевых шпатов, аморфных составляющих за счет образования большого объема кремненатриевойстеклофазы, способствующей при оптимальном ее количестве интенсивной цементации черепка.

4. Расчетная минимальная теплопроводность пористого черепка, полученного путем введения в обычные средне-, умеренно- и малопластичные глины большого объема выгорающих добавок равна

0.27.Вт/м*С.

Литература

1. Мавлюбердинов А.Р. Автореф. дисс. канд. техн. наук, Казанская гос. арх-строит. академия. - Казань, 2001. -19 С.

2. Способ производства керамического кирпича: пат. РФ № 2089526 С04В 33/02; опубл. 10.09.97, Бюл. № 25. -6 с.

3. Способ приготовления шихты для изготовления керамики: Авт.свид. СССР № 761441 С04В 33/02; опубл. 04.09.80. Бюл. № 13. - 2 с.

4.Керамическая масса для изготовления строительных изделий: Авт.свид. СССР № 658111; опубл. 25.04.79. Бюл. № 15. - 4 с.

5.Пористый глиняный кирпич: Заявка ФРГ 3518318, С04В 38/06; опубл. 27.11.86. Бюл. № 27. - 9 с.

6. Способ изготовления дырчато-пустотелого кирпича: Авт.свид. СССР № 1738793 С04В 33/02; опубл 07.06.92. Бюл. № 21. - 4 с.

7. Георгиевский Н.Н. // Журнал русского физ.-хим. общества, 1903, вып 8. - 35 с.

8.Комохов П.Г., Грызлов В.С. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологодский научный центр, 1992. - С.121-137.

© А. Р. Мавлюбердинов, кандидат технических наук, доцент, каф. «Технология строительного производства» КГАСУ, mazatr73 @mail.ru.

© A. R. Mavlyuberdinov, Ph.D. in Engineering, Associate Professor of Dept. of Technology of building production, Kazan State University of Architecture and Engineering, mazatr73@mail.ru.