5
10
10
18
19
28
32
32
40
43
45
51
60
63
63
67
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...............................................
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................
Требования к материалам наружных стен для климатических
условий Республики Таджикистан.........................
Сырьевые минеральные материалы в составе композиционных материалов для наружных стен зданий................
Сельскохозяйственные отходы и пути их рационального использования в производстве строительных материалов.....
Объекты исследования...................................
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ГИГРОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ РЫХЛОЙ И СВЯЗАННОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ... Экспериментальные исследования механических и пиротехнических свойств материалов рыхлой структуры на основе
растительного сырья................................................................
Экспериментальные исследования механических свойств
материалов связанной структуры на основе РВК...........
Механические свойства материалов на основе растительногипсовой композиции (РГК)..............................
Механические и гигротехнические свойства материалов на
основе растительно-цементной композиции (РЦК)..........
Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на свойства цементсодержащих композиций.......................
Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на стойкость цементного камня в агрессивных средах............
Интенсификация процесса твердения арболита.............
Влияние влажности арболита на его прочность............
Твердение и тепловая обработка материалов и изделий из арболита...............................................
3
Глава 3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ РЫХЛОЙ И
СВЯЗАННОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ................................... 70
3.1. Теплопроводность органических материалов рыхлой структуры в сухом состоянии......................................... 70
3.2. Влияние влажности и насыпной плотности на теплопроводность материалов рыхлой структуры ........................... 74
3.3. Математическое моделирование температурного поля наружных стен при изменении внешних и внутренних факторах 75
3.4. Теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения в сухом состоянии............... 84
3.5. Влияние влажности и плотности на теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения 94
3.6. Экспериментальные исследования теплотехнических свойств материалов связанной структуры на основе гуза-паи... 97
3.7. Теплопроводность материалов на основе растительно-
гипсовой композиции (РГК)............................. 105
3.8. Теплопроводность материалов на..............основе.растительноцементной композиции (РЦК) 107
3.8.1. Теплопроводность арболита в сухом состоянии........... 107
3.8.2. Влияние влажности на теплопроводность арболита........ 109
3.9. Теплопроводность гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала (ГГТТМ).................................. 111
3.9.1. Исследование теплопроводности ГТТТМ математикостатистическим методом планирования эксперимента 111
3.9.2. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности ГТТТМ различной плотности в зависимости
от влажности........................................... 121
3.10. Экономическая эффективность применения материалов на основе минерального и растительного сырья в многослойных
наружных стеновых панелях............................. 127
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...................................... 132
ЛИТЕРАТУРА............................................. 134
ПРИЛОЖЕНИЯ............................................. 148
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ В/Ц - водоцементное отношение;
ГГГТМ - гипсо-грунто-гузапаитовый теплоизоляционный материал;
ГГТМ - гипсо-гузапаитовый теплоизоляционный материал;
ГСП - гузапаито-стружечная плита;
ДВП- древесно-волокнистая плита;
ДОЗ - Деревообрабатывающий завод;
ДОК - Деревообрабатывающий комбинат;
ДСК - Домостроительный комбинат;
ДСП - древесно-стружечная плита;
КМ - композиционные материалы;
НИИЖБ - НИИ бетона и железобетона;
НИИСФ - НИИ строительной физики;
ННХК - нитрит нитрат хлористого кальция;
РВК - растительно-вяжущая композиция;
РГК - растительно-гипсовая композиция;
РКВК -растительно-комбинированно-вяжущая композиция;
РЖ - растительно-лессовая композиция;
РЦК - растительно-цементная композиция;
ТИМНОГХ - теплоизоляционный материал на основе гуза-паи хлопчатника; ФФС - фенолформальдегидная смола ХД - химическая добавка;
Ц - цемент;
ЦНИИЭП - Центральный НИИ экспериментального проектирования;
ЦСП - цементно-стружечная плита;
ЩЭСХ - щелочный экстракт стеблей хлопчатника.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Значительным резервом повышения эффективности производства, в частности строительства, является снижение материалоемкости и использование вторичных ресурсов при производстве строительных материалов и конструкций. Это становится возможным при широком внедрении прогрессивных научно-технических достижений, ресурсо- и энергосберегающих технологий, последовательном сокращении расхода материальных и трудовых ресурсов на единицу продукции.
Сырьевым ресурсом для производства композитов с использованием целлюлозосодержащих заполнителей являются отходы сельскохозяйственного производства и дикорастущие растения: костра льна, конопли, джута, кенафа, стебли хлопчатника, тростника, рисовой соломы и др.
Эффективность применения материалов на основе растительновяжущей композиции (РВК) и практически неограниченная сырьевая база дают право рассматривать развитие их производства как одно из важнейших направлений в освоении новых прогрессивных строительных материалов.
Расширение применения РВК позволит наряду с удовлетворением потребностей массового и индивидуального строительства решать также и экологическую задачу по очистке территорий от производственных отходов.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией развития топливно-энергетического комплекса Республики Таджикистан на период 2003-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства Республики Таджикистан от 03 августа 2002 года № 318.
В связи с вышеизложенным, в диссертационной работе сделана попытка с единых теоретических позиций рассмотреть и экспериментально подтвердить целесообразность получения и применения материалов на основе РВК, исследуя теплотехнические и механические их свойства.
Цель работы заключается в исследовании теплопроводности и механических свойств теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкцион-
6
ных строительных материалов на основе местного минерального и растительного сырья, обеспечивающего энерго- и ресурсосбережение.
Поставленная цель исследований достигается решением нижеследующих задач:
- анализ особенностей климата Таджикистана и условий, вызывающих перегрев помещений в летний период;
- изучение конструкций стен на основе местных материалов, применяемых в малоэтажном строительстве Таджикистана;
- экспериментальное исследование механических свойств органически рыхлых и органически связанных материалов на основе растительновяжущей композиции (РВК);
- экспериментальное исследование теплопроводности органически рыхлых и органически связанных материалов на основе РВК;
- проведение технико-экономического анализа конструкций наружных стен с использованием теплоизоляции на основе РВК из гуза-паи.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- научно обоснована возможность получения РВК на основе гуза-паи и безобжиговых вяжущих;
- разработана математическая модель передачи тепла при гармонически изменяющихся внешних и внутренних факторах;
- получены аппроксимационные зависимости, определяющие коэффициент теплопроводности материалов на основе РВК в зависимости от влажности и структуры - грубо-, средне- и тонковолокнистости;
- предложен аналитический метод расчета теплофизических характеристик материалов на основе растительно-комбинированно-вяжущих композитов (РКВК) - стеблей хлопчатника (гуза-паи), гипса и грунта (гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала - ГТГТМ) в зависимости от соотношений его компонентов;
Практическая ценность работы:
- получены экспериментальные значения теплопроводности органически рыхлых и органически связанных материалов на основе РВК, что восполняет банк данных по теплопроводности материалов;
- разработаны рекомендации по применению РКВК - ГГГТМ в наружных стенах малоэтажных зданий;
- на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обоснована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных па-
л
нелей на панели с утеплителем из ГГГТМ; экономический эффект на 1 м глухой части панели составил 3,70 у.е.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
- в ОАО «Монолитстрой» Республики Таджикистан - при производстве строительных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов, а также конструкций на их основе для малоэтажного жилищного строительства;
- в Академии архитектуры и строительства Республики Таджикистан -при инженерно-физических расчетах по проектированию ограждающих конструкций жилых зданий; в нормативных документах как справочные материалы и при составлении методики расчета температурно-влажностного режима материалов и конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований теплопроводности и механических свойств сельскохозяйственных отходов и строительных материалов на их основе;
- результаты математического моделирования процесса теплопередачи через наружные стены зданий при гармонически изменяющихся внешних и внутренних факторах и его применение при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций зданий и сооружений;
- методика прогнозирования теплопроводности, механических свойств и расчета рационального состава материалов на основе РВК, в частности гип-
со-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала (ГТГТМ), по соотношениям составляющих компонентов;
- предложения по применению ГТГТМ в наружных стенах малоэтажных зданий;
- технико-экономическое обоснование применения панелей с использованием теплоизоляции из ГГГТМ для наружных стен малоэтажных зданий (для условий Республики Таджикистан).
Достоверность результатов исследований подтверждена:
- необходимым объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях;
- расчетными данными, полученными при оптимизации моделей теплового баланса зданий на персональном компьютере (ПК);
- идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований с помощью лабораторного оборудования и расчетных данных на ПК.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции, поев. 80-летию А.С.Сулейманова (Душанбе, ТТУ, 1998 г.); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2004 г.); 1-ой Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (Душанбе, ТТУ, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Современная химическая наука и ее практические аспекты» (Душанбе, Академия наук Республики Таджикистан, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы в соавторстве 1 монография и 8 научных статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, основных выводов, списка использованной литературы и 7 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 164 страниц
компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 147 страницах, включая 25 рисунков, 26 таблиц и список использованной литературы из 149 наименований на русском и иностранных языках.
10
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Требования к материалам наружных стен для климатических условий Республики Таджикистан
Природно-климатические факторы совместно с инженерно-геологическими и социально-экономическими условиями, сложившимися в том или ином регионе, оказывают непосредственное влияние на архитектурно-планировочную структуру и конструктивные решения зданий. Ведущая роль в этом принадлежит ограждающим конструкциям зданий, которые должны отвечать требованиям экономичности с позиции рационального использования местного сырья, а также соответствовать географическим и климатическим условиям местонахождения.
Эти требования имеют решающее значение в условиях жаркого климата, где обеспечение благоприятного теплового режима в жилище в сочетании с экономичностью использования местных материалов играют перво- , степенную роль.
Разработка мероприятий, направленных на создание внутри зданий благоприятных микроклиматических условий, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям, во многом зависит от правильного учета местных природно-климатических факторов и их особенностей.
Таджикистан, расположенный в самой северной части субтропической зоны земного шара, является одной из самых южных территорий СНГ. Микроклимат этого региона характеризуется большими сезонными колебаниями температуры воздуха, интенсивной солнечной радиацией, что определяет две основные особенности его климата: резкую континентальность и засушливость [108]. Резкая континентальность климата выражена прежде всего в больших колебаниях температуры как в течение года, так и в течение суток.
В связи с тем, что Таджикистан является аграрно-промышленной страной республикам нашей страны, большой интерес представляет био-
климати-ческое районирование республики. Согласно научным исследованиям, на территории республики установлено 6 ярко выраженных биокли-матических поясов [108]:
1) низинно-равнинный, очень жаркий, тонковолокнистого хлопчатника, светлых и типичных сероземов и пустынной растительности;
2) предгорный (предгорно-адырный), умеренно жаркий, скороспелого хлопчатника, темных сероземов и пустынно-эфэмеровой растительности;
3) низкогорный, теплый, среднеспелого и позднеспелого хлопчатника, виноградно-фруктово-бахчевый, горно-коричневых почв, широколиственных лесов, кустарников и лугостепей;
4) среднегорный, прохладный, зерновой, овощной, горно-коричневых почв, арчовых и лиственных лесов и степей;
5) высокогорный, холодный, животноводческий, пастбищный, высокогорно-степных и луговых почв, высокогорных степей, лугов и колючетра-вий;
6) нивальный, скалы, осыпи, ледники, снежники (для жизни непригоден).
Особенности климата и почвы каждого пояса определяют направление развития сельского хозяйства, характер расселения жителей, принципы формирования и способы эксплуатации жилой среды.
Как видно, в 1-, 2- и 3-м биоклиматических районах имеются условия для возделывания культуры хлопчатника, и с этой точки зрения далее в работе рассматривается использование разработанных панелей с теплоизоляцией на основе стеблей хлопчатника в качестве наружных стен зданий.
Влияние климата необходимо рассматривать с позиций комплексного воздействия метеорологических факторов на ограждающие конструкции. Исследованиями широко освещены вопросы строительной климатологии. Разработаны практические методы учета климатических воздействий на тепловой режим зданий (В.И. Ильинский, В.Н. Богословский, Б.Ф. Васильев,
А.М. Шкловер, К.Ф. Фокин, Ф.В. Ушков, В.П. Титов, Э.Л. Дешко, Ю.А. Та-
12
бунщиков, А.Н. Могилат и др. [14, 19, 35, 36, 72, 107, 110, 117, 122, 134 и др.]), даны научно-методические обоснования природно-климатической типологии жилища (В.К. Лицкевич, К.К. Шевцов, Я. Ржеганек и др.) [65, 88, 131, и др.], выявлены объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные мероприятия, обеспечивающие оптимальный микроклимат в помещениях (A.B. Ершов, Н.В. Оболенский, И.С. Суханов, Е.А.и др.) [34,102 и др.].
Малоэтажные здания в основном строятся в сельской местности, где живет более 2/3 населения Таджикистана [29]. Эти постройки имеют свою специфику защиты от внешних тепловых воздействий, как в объемнопланировочном, так и в конструктивном решениях. Однако методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций современных малоэтажных зданий при тепловых воздействиях апериодического вида на них недостаточно разработана.
Таким образом, основными критериями разработки мероприятий по улучшению жилой среды и эксплуатации сельских зданий являются социально-экономические условия, демография сельских жителей, специфика их отношения к ведению личного подсобного хозяйства и к сельскому хозяйству в целом при строгом учете географических и реальных климатических условий местонахождения жилища.
Подводя итог всему вышесказанному, можно отметить, что разнообразие природно-климатических условий Таджикистана требует использования в каждой зоне своих, особых приемов и средств для улучшения микроклимата южного жилища. Одним из этих приемов является применение ограждающих конструкций зданий с повышенными теплозащитными свойствами, которые должны отвечать требованию экономичности, с позиции рационального использования местных стройматериалов и отходов производства.
Производство строительных конструкций, и конструкций стен в частности, на местной сырьевой базе является основополагающим фактором в традиционном и современном жилищном строительстве.
13
Сельское строительство имеет свою специфику, отличающуюся рассредоточенностью и удаленностью объектов строительства от производственной базы. Все большее внимание приобретают вопросы снижения трудозатрат на строительной площадке, что достигается за счет увеличения сбор-ности зданий и применения конструкций заводской готовности.
В настоящее время, наряду с глиной и суглинками, в сельском строительстве широко используются известь, гипс, отходы сельскохозяйственного производства и другие местные материалы, которыми богаты почти все села и кишлаки республики.
Строительные материалы, изготовленные на основе сельхозотходов, особенно стеблей хлопчатника, недостаточно изучены. Однако обзор отечественной и зарубежной литературы показывает, что из этих отходов возможно получать строительные материалы с меньшими издержками производства и достаточно приемлемого качества для теплоизоляции наружных стен малоэтажных жилых зданий [84]. Это означает, что в теплотехническом отношении для наружных стен малоэтажных жилых зданий с теплоизоляцией на основе РВК необходимо учитывать теплотехнические свойства как теплоизоляционного материала, так и наружной стены в целом. Это имеет свою отличительную специфику в теплотехнических расчетах.
Если провести анализ практики применения местных материалов для наружных стен при строительстве жилых зданий в условиях Таджикистана, то целесообразно в разряде традиционного строительства взаимоувязывать следующие вопросы:
1. Наличие минерального сырья и сельхозотходов для производства строительных материалов.
2. Распространенность ограждающих конструкций из местных материалов и сложившиеся архитектурно-планировочные решения зданий.
3. Соблюдение требований, предъявляемых к наружным стенам из местных материалов при эксплуатации в особых природно-климатических условиях республики.
14
В Таджикистане наиболее распространенным материалов является природный камень [70]. Однако практика строительства жилых домов с применением природного камня весьма ограничена, за исключениехМ некоторых районов ГБАО. В этих регионах встречаются варианты использования природного камня в качестве стен зданий.
Ограниченность применения природного камня объясняется, во первых, тем, что камень является весьма теплопроводным материалом (для естественных и искусственных материалов: с = 0,75-0,94 кДж/(кг*К). Во-вторых, конструкции из природного камня получаются массивными, что уменьшает их сейсмостойкость. Третьей, тоже существенной, причиной ограничения этого варианта решения является то, что в жаркий период года в стенах из этих материалов могут заводиться различные насекомые, представляющие угрозу для здоровья человека.
С древности на всей территории Таджикистана возводились и в настоящее время возводятся глинобитные дома. Стены возводят из глиняной смеси. После недельного высыхания в естественных условиях они приобретают прочность 3-6 МПа (в зависимости от качества и вида исходного сырья). Исходным сырьем в основном служат глины и различные лессы и лессовидные суглинки. При соблюдении приемов национального зодчества, в смысле придания конструкциям сейсмостойкости, глинобитные дома способны выдержать до 7 баллов. Известны случаи, когда до наших дней сохранились мечети и другие постройки [108].
В настоящее время проводятся различные исследования по совершенствованию конструктивных схем глинобитных домов (домов из «похсы»). Например, Узагропромстрой разработал серию глинобитных домов для районов с сейсмичностью до 8 баллов. Подобные исследования проводятся в Таджикгипросельстрое и Таджикколхозпроекте. В названных институтах на основе традиционных конструкций разработаны проекты зданий с продольными и поперечными несущими стенами из «похсы», а также проекты кар-
- Київ+380960830922