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

Теплопроводность является одним из самых важных свойств любого теплоизоляционного материала, поэтому точное определение теплопроводности становится важнейшей задачей при проектировании теплоизоляции зданий и различных конструкций. В связи с этим, целью работы является выявление зависимости теплопроводности от относительной влажности торфяных плит, так как известно, что коэффициент теплопроводности зависит от насыщаемости образца влажностью.

При выполнении экспериментов по определению зависимости теплопроводности от относительной влажности подробно описана в предыдущей главе (п. 2.2) и исследования проведены на образцах присланные технопарком высоких технологий.

Эксперимент состоит из следующих этапов:

а) подготовка образцов из теплоизоляционных плит;

б) определение массы полностью сухих образцов;

в) определение теплопроводности сухих образцов;

г) определение теплотехнических свойств торфяных плит, и оценка влияния влагосодержания на теплопроводность материала;

д) установление зависимости теплопроводности образцов от их относительной влажности.

Нормативной базой проводимых экспериментов является ГОСТ 17177-94 “Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний”, в котором указаны методики подготовки экспериментальных образцов, определение их геометрических размеров, массы, влажности. Кроме того, методики определения теплопроводности и термического сопротивления широкого спектра строительных и теплоизоляционных материалов.

При выполнении эксперимента пользуются следующим оборудованием:

- Линейка металлическая ГОСТ 427-75;

- Штангенциркуль ГОСТ 166-89;

- Весы ТУ 64-1-44-76;

- Нож с длинным лезвием;

- Распылитель;

- Пакеты зиплок с контролем вскрытия;

- Измеритель теплопроводности ИТС-1 “150”.

Описание экспериментальных образцов: Все экспериментальные образцы представляют собой параллелепипеды размерами 150х150 мм и толщиной 5-25 мм. Образцы имеют правильную геометрическую форму, однородную структуру, на них отсутствуют загрязнения и посторонние включения. Образцы хорошо просушены.

Последовательность действий проведения эксперимента подробно описаны в предыдущей главе (п. 2.3.6).

3.2.1 Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд (рисунок 3.4) состоит из прибора для определения теплопроводности ИТС-1 “150”, металлической линейки и штангенциркуля для определения геометрических размеров образцов, электронных весов для определения массы сухого и увлажненного образцов, распылителя воды и полиэтиленовых пакетов типа “зиплок” с контролем вскрытия для увлажнения образцов до заданной температуры.

Рисунок 3.4 - Экспериментальный стенд

3.2.2 Результаты эксперимента

В таблице 3.2 приведены результаты измерений и вычислений по определению зависимости теплопроводности от относительной влажности торфяных плит. На основании данных таблицы 3.2 строится график зависимости теплопроводности торфяных плит от относительной влажности (рисунок 3.5). На рисунке 3.6 представлены опытный образец после определения зависимости теплопроводности от относительной влажности.

Таблица 3.2 - Результаты измерений и вычислений по определению зависимости теплопроводности от относительной влажности торфяных плит (технопарк высоких технологий)

Для описания можно предложить степенную функцию типа л=0,0012w² +0,0024w+0,1821 с величиной достоверности аппроксимации 0,997. Как видно из графика, при возрастании влажности торфяной плиты возрастает ее теплопроводность. Этот процесс объясняется тем, что влага замещает воздух, расположенный между волокнами торфяной смеси, а теплопроводность воды гараздо больше, чем у воздуха.

3.3 Расчетно-экспериментальные исследования влияния влажности на теплофизические свойства строительных и теплоизоляционных материалов, изготовленных на основе торфа

Торфяная формовочная смесь предназначена для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий. На рисунке 3.7 показан опытный образец композиционного теплоизоляционного материала на основе торфа, изготовленного в лабораторных условиях Вологодского государственного университета (ВоГУ). В таблице 3.3 представлен процентный состав изготавливаемого материала.

Технический результат достигается тем, что по способу изготовления сырьевой смеси состоящая из подготовленного торфа, строительного гипса и силикатной смолы (эпоксидная смола).

Для формирования более равномерной гомогенной структуры исходная смесь на первом этапе подлежит тщательному перемешиванию с последующим механическим формованием в металлических формах.

3.3.1 Теплофизические и механические свойства композиционного материала на основе торфа

Сушка готовой смеси осуществляется в муфельной печи марки СНОЛ-7-2/1100, который изображен на рисунке 3.8 при температуре 220-240 °С. При этой температуре наблюдается не только дегидратация (отщепление воды с последующим испарением), а также протекают реакции полимеризации за счет, которых формируется твердая структура с повышенной механической прочностью.

Рисунок 3.8 - Муфельная печь

Для определения времени сушки образцы исследуются на механическую прочность с помощью прибора Вика, изображенный рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Прибор Вика

Прибор позволяет определить сроки схватывания растворенной смеси при помощи иглы Вика и нормальную густоту торфяного теста при замене иглы на пестик. Конструкция прибора достаточно проста и включает в себя следующие основные части:

- стойка прибора, в которой свободно перемещается стальной стержень и при необходимости фиксируется стопорным устройством;

- указатель для отсчета перемещений стержня;

- измерительная шкала с ценой деления 1 мм.

Результаты исследований свидетельствуют, что только через 1,5 часа, когда игла прибора Вика проходит примерно на 2,5 мм начинается схватывание торфяной смеси. А окончательное схватывание и формирование твердой структуры наблюдается через 2,5 часа, при этом глубина проникновения иглы составляет 0,25 мм.

Следует отметить, что влагопоглощение материала одна из основных теплофизических характеристик. Для этого необходимо экспериментальным путем определить влагопоглощения образцов, которые перед помещением в воду взвешиваются на лабораторных весах. Далее образцы помещаются в воду на одни сутки, после чего измеряется полученная масса опытного образца после пропитки водой. Результаты эксперимента представлены в таблице 3.3.

Известно, что коэффициент теплопроводности материала зависит от его плотности. Поэтому экспериментальным путем определяется плотность материала методом вытеснения воды, показанная на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Экспериментальное определение плотности теплоизоляционного материала на основе торфа в лабораторных условиях

Полностью высушенный, взвешенный образец помещается в измерительный сосуд, откалиброванный по объему, далее снимаются экспериментальные данные и вычисляется объем помещенного материала. Зная массу образца, можно рассчитать его истинную плотность по формуле 3.1:

где - масса образца до определения плотности;

- масса образца после определения плотности;

- объем воды, налитый в измерительный сосуд;

- объем воды после помещения в измерительный сосуд испытываемый образец.

В практике имеется большое значение свойство теплоизоляционных материалов - морозостойкость, которая проверяется экспериментальным путем: исследуемые образцы насыщаются водой, в течение одних суток, затем помещаются в холодильную камеру на 20 суток, которая обеспечивает температуру ниже -15°С, далее они подвергаются температурному воздействию водой равной 100°С.

Кроме того, одним из важных показателей является температура возгорания материала. Известно, что если берется торф без пропитки, то он вспыхивает при температуре равной 140°С и приостановить данный процесс практически не возможно. Лабораторные исследования свидетельствуют, что температура плавления на аппарате ТВЗ для определения температуры вспышки в закрытом тигле, который изображен на рисунке 3.11, соответствует 430°С. Для проведения измерения температуры вспышки пользователь выбирает одну из заданных программ, соответствующую испытываемому продукту, помещает в камеру нагрева тигель с образцом, устанавливает в рабочее положение привод мешалки, термодатчик и детектор вспышки. Запуск испытания осуществляется простым нажатием клавиши. В ходе испытания аппарат автоматически нагревает и перемешивает пробу с требуемой скоростью и вносит в тигель горелку через заданные интервалы температур согласно выбранной программе. Текущая температура образца, атмосферное давление и заданные параметры испытания отображаются на дисплее. Вспышка регистрируется автоматически при помощи детектора вспышки, при этом процесс нагревания прекращается, а на дисплее аппарата отображается значение температуры вспышки. По окончании процесса автоматически включается вентилятор принудительного охлаждения нагревателя.

В отличие от других теплоизоляционных материалах исследуемые образцы не горят, а только плавятся за счет использования эпоксидной смолы, которая является существенным преимуществом с другими технологиями.

Рисунок 3.11 - Аппарат ТВЗ для определения температуры вспышки в закрытом тигле

В настоящее время используется при производстве материалов полимеры, однако, при разрушении их в атмосферу поступают продукты разложения многие, из которых относятся к токсичным.

Так, например, известная технология (патент на изобретение 2307813), где теплоизоляционный материал получают с применением фенолформальдегидной смолы и добавлением фталевой кислоты, при разрушении такого материала в атмосферу поступает формальдегид, который относится ко 2 классу токсичности.

В отличии от типовой технологии при использовании эпоксидной смолы в атмосферу не выделяются токсичные вещества, что доказано экспериментальным путем на приборе Биолат, который изображен на рисунке 3.12. Следует также отметить, что при помещении полученных образцов в воду их токсичность не изменяется, а, следовательно, не происходит разрушение материала под действием влаги и при повышенных температурах.