Введение к работе
Актуальность темы. Энергосбережение во всех странах уже около 30 лег является приоритетным направлением технико-экономического и социального развития. Основные пути его реализации заключаются в сокращении энергии на отопление зданий, в первую очередь, за счет минимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции. А достигается это, в основном, повышением их термического сопротивления с помощью высокоэффективных теплоизоляционных материалов (ТИМ) с Я < 0,08 Вт/м К. Подсчитано, что 1 м3 теплоизоляции обеспечивает экономию 1,4-1,6 т условного топлива в год.
Новые изменения №3 и 4 в СНиП-П-3-79 "Строительная теплотехника" уже законодательно заставляют применять в проектах и в реальном строительстве высокоэффективные ТИМ. Огромным по объему и воспроизводимым источником сырья для получения ТИМ могут служить остатки однолетних сельскохозяйственных растений - стеблей злаковых культур и других волокнистых органических отходов, в первую очередь, соломы. Сейчас только в Татарстане многие сотни тысяч тонн соломы ежегодно сжигаются ввиду ее низкой пригодности в качестве корма для скота и необходимости освобождения полей для посева. Однако, даже известные ТИМ на основе растительного сырья (ДВП, торфоплита, камышит и др.) не могут быть отнесены в настоящее время к перспективным изоляционным материалам ввиду их горючести, недостаточной водо- и - биостойкости, хотя большинство из них и характеризуются высокими теплотехническими показателями. Пока они используются лишь во временных зданиях и сооружениях.
В связи с этим, разработка способа превращения соломы в эффективный строительный материал, лишенный указанных выше недостатков, представляет собой весьма актуальную в технико-экономическом и экологическом плане задачу. Это касается практической стороны вопроса. В научном отношении решение этой задачи связано с отысканием эффективных связующих, технологически совместимых с соломой, выбором оптимальных структур ТИМ на ее основе и установлением закономерностей их формирования на стадии смешения, формования и твердения композиционного материала.
Диссертационная работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы "Архитектура и строительство" (1994-1997 г.г. - раздел 12.1.1.1) по теме "Строительная система - Эко-коттедж".
Целью работы является разработка композиций и технологии изготовления теплоизоляционных плит строительного назначения на основе измельченной соломы колосковых культур и негорючих связующих.
Для этого необходимо решить следующие задачи: произвести экспериментальный подбор оптимальных соотношений растительного сырья и связующего; осуществить модификацию связующего для разработки водостойких композиций; отработать оптимальные режимы смешения и формования сие-
темы наполнитель - связующее; исследовать упруго-деформационные, тепло-физические и другие свойства разработанных композиций; исследовать структуру каркасно-волокнистых материалов и установить ее влияние на основные свойства; разработать технологические схемы производства теплоизоляционных плит и конкретные варианты их применения в ограждающих конструкциях; обосновать технико-экономическую целесообразность производства и применения разработанных ТИМ.
Научная новизна. 1 .Разработаны основные принципы формирования каркасно-волокнистых теплоизоляционных материалов на основе рубленой соломы, основанные на установленных зависимостях структуры материала от соотношения "наполнитель - связующее", химического строения связующего, типа волокнистых наполнителей и технологических параметров формования: давления прессования и способа термообработки. Впервые в качестве связующего использованы кремнезоли - высокомодульные жидкие стекла.
2.Установлены особенности механического поведения формовочной смеси (солома + связующее) при постоянном давлении, заключающиеся в высоких значениях остаточной деформации, обусловленной влиянием вязкого связующего. Для описания деформационного поведения предложена усовершенствованная четырехэлементная модель вязкоупругого тела, включающая элемент ограниченной пластичности, и дано уравнение для расчета деформаций;
3.Предложена модель структуры каркасно-волокнистого ТИМ на основе рубленой соломы. Выявлена эффективность использования двухкомпонентно-го наполнителя с резко отличающимися значениями диаметра волокна. Установлено, что главным структурным параметром, определяющим свойства материала, при монофракционном наполнителе является длина волокна, а при полифракционном наполнителе - поперечное сечение.
4.0ценена применимость известных уравнений теплопроводности волокнистых материалов к новому ТИМ (соломату) и предложено уравнение для определения коэффициента теплопроводности каркасно-волокнистого материала на основе двухкомпонентного наполнителя (грубо- и тонковолокнистого), основанная на учете вклада каждого структурообразующего компонента.
Достоверность результатов работы подтверждается лабораторными испытаниями, выполненными современными методами исследований, сопоставлением полученных экспериментальных результатов с расчетными по известным моделям структур волокнистых материалов, корреляцией результатов исследований, полученных разными независимыми методами.
Практическое значение работы состоит в разработке нового негорючего, экологически чистого ТИМ на основе рубленой соломы и жидкого стекла, названного соломатом, и технологических схем производства из него теплоизоляционных плит строительного назначения. Рекомендованы различные схемы двух- и трехслойных ограждающих конструкций с применением этих
плит, которые удовлетворяют новым требованиям СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника" для территории Татарстана. Проведено технико-экономическое обоснование производства плит "Соломат" из нового теплоизоляционного материала при различных проектных вариантах (создании нового производства ТИМ; размещении производства на существующих площадях, сблокированного с одновременным выпуском товарного жидкого стекла). Показана конкурентоспособность и рентабельность производства теплоизоляционных плит на основе рубленой соломы и жидкостекольного связующего. Начата подготовка к производству плит из соломата на базе УПТК "Камгэсэнергострой" в г. Набережные Челны.
Реализация работы. Результаты научных исследований использованы при разработке проекта технических условий на "Плиты из рубленой соломы и неорганического связующего теплоизоляционные" и составлении технологической инструкции производства плит "Соломат". Выполнены дипломные проекты по теме диссертации. Разработка экспонировалась на республиканских и международных выставках. Отмечена золотой медалью выставки изобретений и ноу-хау "EWEI-98" (Болгария, 1998). Плиты "Соломат" вошли в "Рекомендации по проектированию тешюэффективных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий для условий РТ", разработанных по заданию Министерства строительства и архитектуры РТ (часть2, раздел5).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на Вторых и Третьих академических чтениях "Современные проблемы строительного материаловедения" (Казань, 1996 г., Саранск, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии производства строительных материалов" (Новосибирск, 1997 г.), на международной конференции по механике композитных материалов (Рига, 1998 г.), на Первом Международном конгрессе "Земля и школа"(Казань, 1998 г.). По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получен патент РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 155 наименований и приложений. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 34 рисунка.