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

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

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

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

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.