Study of thermal conductivity of sand-free expanded clay concrete under operating conditions of buildings and structures

Толық мәтін

В связи с реализацией в Российской Федерации программы энергосбережения в строительстве возникла необходимость в применении новых конструкционно-теплоизоляционных материалов для возведения наружных стен. К таким материалам относится беспесчаный керамзитобетон, обладающий более низкими значениями коэффициента теплопроводности по сравнению с обычным керамзитобетоном. Для определения толщины наружной стены, обеспечивающей современные требования по теплозащите необходимо знать значение коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в условиях эксплуатации.

Стремление к повышению теплозащитных характеристик строительных ограждающих конструкций привело к необходимости использовать крупнопористый беспесчаный керамзитобетон плотностью от 200 до 700 кг/м³ .

По сравнению с традиционным керамзитобетоном беспесчаный керамзитобетон имеет более низкие значения коэффициента теплопроводности из-за замещения воздухом раствора на керамзитовом песке.

Для обеспечения необходимой несущей способности наружных стен гранулы керамзита с помощью специальных смесительных устройств обволакиваются цементным молоком с добавками, повышающими прочность сцепления.

В практике строительства в Российской Федерации нашли применение две технологии возведения наружных стен с использованием беспесчаного керамзитобетона.

Согласно первой технологии наружные стены, а также покрытия и перекрытия возводятся монолитным способом. При этом беспесчаный керамзитобетон укладывается в съемную опалубку. Технология возведения высотных зданий с применением беспесчаного керамзитобетона разработана под руководством академика М.Я. Бикбау [1, 2], малоэтажных зданий ‒ д.т.н., профессором И.В. Недосеко [3, 4].

Другая технология возведения наружных стен связана с использованием стеновых блоков, изготавливаемых на предприятиях стройиндустрии. Она нашла применение на территории Самарской области и представлена в работах [5, 6]. Важность выбора оптимальных теплозащитных характеристик для снижения энергозатрат была изучена в [7], где предложены методы оптимизации сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Для определения требуемой толщины беспесчаного керамзитобетона, обеспечивающей нормативные требования по теплозащите, необходимо знать значения коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации А и Б.

Информация по теплотехническим характеристикам строительных и теплоизоляционных материалов представлена в СП 50.13330.2012. К сожалению, для многих современных материалов отсутствуют расчетные значения влажностных теплофизических характеристик.

В НИИСФ РААСН под руководством д.т.н., профессора В.Г. Гагарина разработан ГОСТ Р 59985-2022, в котором изложены методы определения теплотехнических показателей теплоизоляционных материалов и изделий при эксплуатационных условиях. Основной целью внедрения указанного выше нормативного документа является уточнение расчетных характеристик теплоизоляционных материалов, применяемых при выполнении теплотехнического расчета ограждающих конструкций. С помощью достаточно простой инженерной методики можно расчетным путем определить значение коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации зданий и сооружений. В работах [8‒11] представлены результаты исследований, выполненных авторами указанной методики.

Согласно ГОСТ Р 59985-2022 коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов и изделий при условиях эксплуатации определяют по формуле

${\lambda }_{э}={\lambda }_0\left(1+\eta w_{э }\right)$, Вт/(м°С) (1)

где λ₀ – коэффициент теплопроводности материала в сухом состоянии, определяемый экспериментальным путем по ГОСТ 7076 стационарным методом, Вт/(м°С); $\eta =\frac{ {\lambda }_{э}- {\lambda }_0}{w_{э}·{\lambda }_0}$ ‒ коэффициент теплотехнического качества теплоизоляционного материала, определяемый экспериментальным путем. Для некоторых теплоизоляционных материалов его значения приведены в ГОСТ Р 59985-2022; w_э ‒ массовая эксплуатационная влажность материала, %.

Значения массовой эксплуатационной влажности наиболее распространённых материалов представлены в работе [8]. Они получены на основе обработки натурных исследований.

Рассмотрим определение показателя качества беспесчаного керамзитобетона, используя результаты экспериментальных исследований коэффициентов теплопроводности, полученных в лаборатории теплотехнических испытаний СамГТУ в 2011 году в сухом состоянии и в условиях эксплуатации А и Б. Исследование теплопроводности беспесчаного керамзитобетона проводились согласно ГОСТ 7076 на измерителе теплопроводности ИТП-МГ 4 «250». Плотность образцов из беспесчаного керамзитобетона изменялась от 200 до 700 кг/м³. На рис. 1 представлена фотография одного из исследуемых образцов, на рис. 2 ‒ фотография измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 «250».

 

Рис. 1. Образец из керамзитобетона

Fig. 1. Expanded clay concrete sample

 

Рис. 2. Измеритель теплопроводности ИТП-МГ 4 «250»

Fig. 2. Thermal conductivity meter ITP-MG 4 “250”

 

Для определения коэффициента теплопроводности образцов из беспесчаного керамзитобетона в условиях эксплуатации А и Б перед испытанием они выдерживались над парами воды в закрытом шкафу до достижения 80 и 97 % влажности соответственно согласно СП 23-101-2004.

Результаты испытаний на теплопроводность беспесчаного керамзитобетона были включены в СТО-НО «СПКиК»-001-2015 [12].

Значения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона, полученные экспериментальным путём, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1.Теплопроводность беспесчаного керамзитобетона в сухом состоянии и условиях эксплуатации

Table 1. Heat conductivity of sand-free expanded clay concrete in dry condition and operating conditions

Показатель	Значение показателя
1. Средняя плотность, кг/м3	200	300	400	500	600	700
2. Коэффициент теплопроводности Вт/(м°С): в сухом состоянии,	0,085	0,095	0,105	0,120	0,13	0,135
в условиях эксплуатации А	0,095	0,105	0,115	0,13	0,14	0,145
в условиях эксплуатации Б	0,10	0,11	0,125	0,14	0,15	0,155
3. Коэффициент теплотехнического качества η: в условиях эксплуатации А	0,0336	0,0301	0,0272	0,0238	0,022	0,0212
в условиях эксплуатации Б	0,0294	0,0263	0,0317	0,0278	0,0256	0,0247
4. Расчетное массовое отношение влаги в материале,٪ в условиях эксплуатации А				3,5
в условиях эксплуатации Б				6,0
5. Среднее значение ηcp.i	0,0315	0,0282	0,0295	0,0258	0,0238	0,023

 

По результатам испытаний на теплопроводность среднее значение коэффициента теплотехнического качества беспесчаного керамзитобетона определяем по формуле

${\eta }_{ср}=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{\eta }_{ср.i}}}{n}$, (2)

 где n ‒ количество испытанных марок беспесчаного керамзитобетона.

${\eta }_{ср}=\frac{\mathrm{0,0315}+\mathrm{0,0282}+\mathrm{0,0295}+\mathrm{0,0258}+\mathrm{0,0239}+\mathrm{0,023}}{7}=\mathrm{0,027}$.

Таким образом, для определения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в условиях А и Б можно использовать следующие формулы:

• в условиях эксплуатации А

${\lambda }_{А}={\lambda }_0\left(1+\mathrm{0,027}{W}_{А}\right)$, Вт℃/м, (3)

• в условиях эксплуатации Б

${\lambda }_{Б}={\lambda }_0\left(1+\mathrm{0,027}{W}_{Б}\right)$, Вт℃/м. (4)

Согласно ГОСТ 31359-2024 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения» требуются результаты определения теплопроводности в сухом состоянии образцов из ячеистого бетона автоклавного твердения аппроксимировать линейной функцией вида:

${\lambda }_0=a{\rho }_{0 ср.}+b, Вт/м℃$ (5)

где ρ_{0 cp.} ‒ средняя плотность марки бетона, кг/м³; a и b – коэффициенты, исследуемые с помощью применения метода наименьших квадратов при обработке результатов испытаний.

На рис. 3 представлена зависимость коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона от плотности.

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона от средней плотности

Fig. 3. Dependence of thermal conductivity coefficient of sand-free expanded clay concrete on average density

 

В результате математической обработки результатов эксперимента получена аналитическая зависимость для определения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в сухом состоянии вида:

${\lambda }_0=\mathrm{0,00011}{\rho }_{0 ср.}+\mathrm{0,0641,} Вт/м℃$ (5)

Согласно ГОСТ 31359-2024 формулу (5) можно исследовать лишь в том случае, если расхождение с экспериментальными данными по теплопроводности не превышает 5 %.

В табл. 2 представлены расчетные значения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в сухом состоянии и в условиях эксплуатации.

 

Таблица 2. Расчетные значения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона

Table 2. Design values of thermal conductivity coefficient of sand-free expanded clay concrete

Показатель	Значение показателя
1.Средняя плотность, кг/м3	200	300	400	500	600	700
2.Расчетное значение коэффициента теплопроводности по формуле (5)	0,0861	0,0971	0,108	0,119	0,13	0,141
3.Относительная погрешность аппроксимации линейной зависимости по формуле (5), ٪	1,3	2,2	2,9	0,8	0	4,4
4.Расчетные значения коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации, Вт/м°С ‒ по формулам (3), (4): в условиях эксплуатации А	0,094	0,106	0,118	0,13	0,142	0,154
в условиях эксплуатации Б	0,10	0,113	0,125	0,138	0,151	0,164

 

Анализ расчетных значений коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона позволил сделать следующие выводы:

1. Получена аппроксимирующая зависимость для определения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в сухом состоянии. Максимальное расхождение с экспериментальными данными не превышает 4 %.

2.Определено значение коэффициента теплотехнического качества для беспесчаного керамзитобетона η = 0,027.

3. Получена аналитическая зависимость для определения коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона в условиях эксплуатации вида:

${\lambda }_{э}=\left(\mathrm{0,00011}{\rho }_{0 ср.}+\mathrm{0,0641}\right)\left(1+\mathrm{0,027}W{ }_{э}\right), Вт/м℃$.

4. Сравнение с экспериментальными данными показывает незначительное отличие расчетных и экспериментальных значений коэффициента теплопроводности беспесчаного керамзитобетона.

Авторлар туралы

Yu. Vytchikov

Samara State Technical University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: git.2008@mail.ru

PhD in Engineering Science, Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Ресей, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

М. Saparev

Samara State Technical University

Email: msx072007@yandex.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Ресей, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

D. Konyakina

Samara State Technical University

Email: d.konyakina@yandex.ru

Post-graduate student of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Ресей, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар