СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ И ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БЕТОНОВ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
METHOD OF INCREASING HEAT CAPACITY AND HEAT-RETAINING CAPACITY OF CONCRETE AND MORTAR

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для повышения удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов.
Известен способ получения теплоемких материалов на основе талькомагнезита, включающий получение 30-60% водной суспензии талькомагнезита путем измельчения талькомагнезита, смешение его с водой, дополнительное введение в суспензию 5-15 мас.% окислов железа, 0,5-4 мас.% жидкого стекла, 0,05-7 мас.% цемента, обработку в роторном кавитационном аппарате при числе оборотов ротора 3000-12000 в минуту, температуре 15-70°C, числе циклов обработки 5-50, формование полученной массы под давлением и ее термическую обработку (Патент РФ №2259974, дата приоритета 24.03.2004, дата публикации 10.09.2005, автор Штагер В.П., RU).
Недостатком известного аналога является сложный химический состав и технологический процесс производства материалов, незначительное повышение удельной теплоемкости, а также ограниченная область его применения, обусловленная ограничением сырьевой базы по составу и возможностью получения теплоемких материалов на основе талькомагнезита, что свидетельствует о том, что способ не является универсальным.
Известны бетоны (ГОСТ 7473, ГОСТ 25192) или раствор (ГОСТ 28013), характеризующиеся удельной теплоемкостью 0,84 кДж/кг°C (по данным СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»).
Однако для оценки и повышения энергоэффективности строительных объектов важно учитывать такие теплотехнические характеристики, как теплоемкость, так и теплоаккумулирующую способность строительных материалов. В частности, применение материалов с высокой теплоемкостью и высокой теплоаккумулирующей способностью позволяет замедлить изменение температуры конструкции в течение периода времени с изменением температуры окружающей среды. Таким образом, представляется возможным уменьшить амплитуду колебания температуры конструкции с обеспечением сдвига фаз пиковых значений температуры в течение, например, ночного и дневного времени суток. Данный эффект с экономической целесообразностью может быть использован в наружных и внутренних ограждающих конструкциях при наличии автоматизированной системы отопления, а также в полах с подогревом и конструкциях промышленных холодильников с учетом того, что себестоимость электроэнергии в периоды времени с минимальной нагрузкой сети (как правило, ночные) более низкая.
В качестве прототипа принят способ повышения теплоаккумулирующей способности строительных элементов из бетона, характеризующийся введением в состав при изготовлении строительных элементов инкапсулированного материала, обладающего скрытой теплотой (энтальпией - ΔH, [Дж/г]) фазового перехода, в частности парафиновой смеси или воска, причем инкапсулированный материал добавляют в качестве заполнителя в форме микрокапсул с оболочкой из полимера (Патент РФ №2391319, дата приоритета 21.04.2006, дата публикации 10.06.2010, авторы ВИТТХОН Михель и др., DE, прототип).
Недостатком прототипа является ограниченная область применения теплоаккумулирующих материалов, полученных известным по прототипу способом, в связи с тем, что наличие в материале парафиновых микрокапсул обеспечивает теплоаккумулирующий эффект до 200 Дж/г за счет плавления парафина в диапазоне температур от 22°C до 28°C, что обуславливает целесообразное их использование в регионах с теплым климатом.
Задачей изобретения является получение теплоемких и теплоаккумулирующих бетонов и строительных растворов для повышения энергоэффективности строительных объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, включая отрицательные значения.
Для решения поставленной задачи в способе повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов путем дополнительного введения к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя, в частности теплоемкого заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема, согласно изобретению в нем используют капсулированный заполнитель со стоками аффинажного производства, имеющими большую удельную теплоемкость, чем у обычного бетона, причем капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объема.
В практическом применении максимальное объемное содержание теплоемкого заполнителя в бетоне (растворе) зависит от гранулометрического состава заполнителя и требуемых теплофизических свойств бетона (раствора) и может быть меньше 90%. Объемное содержание заполнителя меньше 10% не оказывает значительного влияния на повышение удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности в бетонах и строительных растворах.
Кроме того, в качестве теплоаккумулирующего вещества в капсулированном заполнителе может быть использована вода или солевые растворы, также повышающие теплоемкость и теплоаккумулирующую способность бетонов и строительных растворов. К тому же, целесообразно использование капсулированного заполнителя с солевыми растворами, теплоемкость и агрегатное состояние которых не изменяется при отрицательных температурах, в отличие от других жидких материалов.
Введение в состав бетонной или растворной смеси капсулированного заполнителя с любым указанным жидким высокотеплоемким веществом на стадии приготовления смесей приводит к повышению удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов.
На практике теплоемкость инкапсулированного заполнителя цементных бетонов можно изменять в значительных пределах и при этом использовать материалы с изменяющимся фазовым состоянием, весьма перспективных с позиции энергосбережения и энергоэффективности. Эффективность применения таких материалов оценивается величиной скрытой энергии, выделяемой или поглощаемой в процессе кристаллизации, плавления, испарения и конденсации.
3
Составы бетонов обычно рассчитывают по абсолютным объемам. Расчетную величину плотности бетона ρ, содержащего менее плотный, но имеющий значительно большую теплоемкость заполнитель (инкапсулированная вода и ее солевые растворы), можно определить как сумму плотностей растворной части и заполнителя, умноженных на соответствующие доли их содержания в 1 м бетона:
m
L
m
где ρ - плотность затвердевшей растворной части бетона, в которой распределен заполнитель; ρ - плотность теплоемкого заполнителя; φ - объемная доля растворной части в бетоне.
m
L
Таким образом, зная расчетную плотность бетона ρ, теплоемкости растворной части c и заполнителя c, общую теплоемкость системы C можно рассчитать по формуле:
В данном случае плотностью и теплоемкостью капсулы пренебрегаем.
Примеры реализации способов получения теплоемких и теплоаккумулирующих бетонов и строительных растворов основаны на том, что на стадии приготовления бетонной или растворной смеси вводится заполнитель из высокотеплоемкого вещества, заключенного в капсулы с прочной и химически стойкой оболочкой, например из полимера.
3
3
Полученные результаты сведены в следующие таблицы: таблица 1 - теплофизические свойства бетонов с матрицей из тяжелого бетона и инкапсулированной водой; таблица 2 - теплофизические свойства бетонов с матрицей из легкого бетона и инкапсулированной водой; таблица 3 - теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором плотностью 1,28 кг/м; таблица 4 - теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором плотностью 1,38 кг/м.
Пример 1. В качестве известного высокотеплоемкого вещества использована вода (удельная теплоемкость 4,2 кДж/кг°C и теплоаккумулирующая способность (ΔH - энтальпия фазового перехода) до 333 Дж/г при н.у.) или ее солевые растворы.
3
Согласно приведенному выражению (2) и таблице 1, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя с водой в объеме от 10 до 90% в 1 м бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,7 раза, а теплоаккумулирующий эффект, характеризующийся величиной энтальпии фазового перехода, до 300 Дж/г за счет кристаллизации воды или плавления льда при температуре около 0°C.
Таблица 1.
Теплофизические свойства бетонов с матрицей из тяжелого бетона и инкапсулированной водой
№ п/п
Объемная доля заполнителя
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
Теплоемкость системы
Энтальпия фазового перехода, Дж/г
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10<sup>-3</sup>
Объемная теплоемкость, Дж/м<sup>3</sup>·°C×10<sup>-6</sup>
1
0,9
1138
3,476
3,956
300
2
0,8
1278
2,926
3,741
266
3
0,7
1419
2,485
3,525
233
4
0,6
1559
2,123
3,309
200
5
0,5
1699
1,821
3,094
167
6
0,4
1839
1,565
2,878
133
7
0,3
1979
1,345
2,663
100
8
0,2
2120
1,155
2,447
67
9
0,1
2260
0,987
2,232
33
Таблица 2.
Теплофизические свойства бетонов с матрицей из легкого бетона и инкапсулированной водой
№ п/п
Объемная доля заполнителя
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
Теплоемкость системы
Энтальпия фазового перехода, Дж/г
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10<sup>-3</sup>
Объемная теплоемкость, Дж/м<sup>3</sup>·°C×10<sup>-6</sup>
1
0,9
958
3,971
3,805
300
2
0,8
918
3,744
3,438
266
3
0,7
879
3,496
3,071
233
4
0,6
839
3,224
2,705
200
5
0,5
799
2,926
2,338
167
6
0,4
759
2,596
1,971
133
7
0,3
719
2,230
1,604
100
8
0,2
680
1,821
1,238
67
9
0,1
640
1,361
0,871
33
3
Согласно приведенному выражению (2) и таблице 2, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя с водой в объеме от 10 до 90% в 1 м бетона с матрицей из легкого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,5 раза, а теплоаккумулирующий эффект, характеризующийся величиной энтальпии фазового перехода, до 300 Дж/г за счет кристаллизации воды или плавления льда при температуре около 0°C.
Пример 2. В качестве высокотеплоемкого заполнителя использованы отходы промышленности, в частности водные солевые растворы, полученные в результате утилизации стоков аффинажного производства завода ОАО «Красцветмет» в г. Красноярске:
3
-
+
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>4</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mi>N</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>3</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow>
1 - солевой раствор плотностью 1,28 кг/м, pH составляет 8,2, имеющий удельную теплоемкость не менее 3 кДж/кг·°C, не кристаллизуется при охлаждении (не замерзает) до минус 30°C, с химическим составом:
- 360 мг/л, Cl - 147000 мг/л,
- 111000 мг/л, Ca - 31600 мг/л, Fe - 0,78 мг/л, Cu - 0,141 мг/л, Ni - 0,0078 мг/л, Zn - 1,14 мг/л, Pb - 8,6 мг/л.
Таблица 3.
Теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором на основе стоков аффинажного производства плотностью 1,28 кг/м<sup>3</sup>
№ п/п
Объемная доля заполнителя
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
Теплоемкость системы
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10<sup>-3</sup>
Объемная теплоемкость, Дж/м<sup>3</sup>·°C×10<sup>-6</sup>
1
0,9
1392
2628
3658
2
0,8
1504
2311
3475
3
0,7
1616
2038
3293
4
0,6
1728
1800
3110
5
0,5
1840
1591
2928
6
0,4
1952
1407
2746
7
0,3
2064
1242
2563
8
0,2
2176
1094
2381
9
0,1
2288
961
2198
3
Согласно приведенному выражению (2) и таблице 3, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя из представленных солевых растворов в объеме от 10 до 90% в 1 м бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,35 раза.
3
-
+
<mrow><mi>N</mi><msubsup><mi>H</mi><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>4</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mi>N</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>3</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow>
2 - солевой раствор плотностью 1,38 кг/м, pH составляет 5,2, имеющий удельную теплоемкость не менее 3 кДж/кг·°C, не кристаллизуется при охлаждении (не замерзает) до минус 60°C, с химическим составом:
- 3000 мг/л,
- 45 мг/л, Cl - 210000 мг/л,
- 260000 мг/л, Ca - 126000 мг/л, Fe - 0,88 мг/л, Cu - 3,5 мг/л, Ni - 0,52 мг/л, Zn - 5,8 мг/л, Pb - 0,63 мг/л.
Таблица 4.
Теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором на основе стоков аффинажного производства плотностью 1,38 кг/м<sup>3</sup>
№ п/п
Объемная доля заполнителя
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
Теплоемкость системы
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10<sup>-3</sup>
Объемная теплоемкость, Дж/м<sup>3</sup>·°C×10<sup>-6</sup>
1
0,9
1482
2650
3928
2
0,8
1584
2345
3715
3
0,7
1686
2078
3503
4
0,6
1788
1840
3290
5
0,5
1890
1629
3078
6
0,4
1992
1439
2866
7
0,3
2094
1267
2653
8
0,2
2196
1111
2441
9
0,1
2298
970
2228
3
Согласно приведенному выражению (2) и таблице 4, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя из представленных солевых растворов в объеме от 10 до 90% в 1 м бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,67 раза.
Результаты исследования теплоаккумулирующей способности цементных бетонов (растворов) представлены на рисунке в виде графических зависимостей (1-5), отражающих накопление тепловой энергии при нагреве водой и бетонами различных составов, включая бетоны с объемным содержанием теплоемкого заполнителя с водой, составляющим 80%. Приведенные графики относятся к воде (удельная теплоемкость 4,2 кДж/кг°C) (1), теплоемкому тяжелому бетону (удельная теплоемкость 2,93 кДж/кг°C) (2), теплоемкому легкому бетону (удельная теплоемкость 3,74 кДж/кг°C) (3), обычному тяжелому бетону (удельная теплоемкость 0,84 кДж/кг°C) (4) и обычному легкому бетону (удельная теплоемкость 0,84 кДж/кг°C) (5). На графиках (1-5) видно, что удельное количество тепла, накопленное при нагреве разработанными составами, меньше, чем у воды, однако, значительно больше, чем у рядовых составов тяжелых и легких бетонов. Большее накопление тепловой энергии теплоемкими материалами по сравнению с обычными позволит нивелировать экстремальные значения изменения температур (на поверхности и во всем объеме) бетонов, аккумулировать тепловую энергию и, тем самым, экономить электрическую и тепловую энергию при эксплуатации строительных объектов.
Для реализации способа предпочтительно использовать капсулированный заполнитель сферической формы с размерами от 0,3 мм до 5 мм, который можно получить на известных установках, например по патенту РФ №2420350. При этом размер заполнителя выбирается в соответствии с требуемыми теплофизическими свойствами бетонов или растворов и зависит от его объемного содержания в смесях.
Предлагаемый способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности является универсальным и может быть использован для бетонов и растворов различных составов.