автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Теплофизические свойства композиционных материалов для защиты от радиации

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

РГ6 ОД

" 3 поп

На правах рукописи

Береговой Виталий Александрович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИАЦИИ

Специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 1997

Работа выполнена в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель - чл.-корр. РААСН, заслуженный дея-

тель науки и техники России, доктор технических наук, профессор А.П. Прошин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фокин Г.А.

кандидат технических наук Кожевников М.А.

Ведущая организация: АО Пензенское научно-производствен

ное предприятие "Эра".

Зашита состоится "<¿3 1997 года в ^'""час. на заседании специализированного совета К 064.73.01 в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: г.Пенза, 440028, ул. Титова 28, аудитория №_.

Просим принять участие в защите и направить ваши отзывы по адресу: г.Пенза, ул. Титова,28, Ученый совет.

Автореферат разослан "^^/#£#997 г.

Ученый секретарь специализированного совета /т—-V Р

к.т.н., доцент /Со^й«,*,г> Скачков Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нехватка энергетических ресурсов - одна из основных глобальных проблем развития человеческой цивилизации в конце 20 10 и начале 21 10 века. Атомная промышленность, являясь поставщиком важнейшего альтернативного вида энергии, уже не может успешно функционировать и развиваться без проведения крупномасштабных исследований по безопасной эксплуатации объектов ядерной энергетики, градостроительных структур, гражданских и промышленных зданий.

С момента зарождения атомной энергетики минуло всего несколько десятков лет, но вследствие катастроф различного характера на ее объектах обширные территории нашей страны в западных, центральных и северных областях, а также в Приуралье подверглись радиоактивному заражению. На человека, архитектурную среду, ее здания и сооружения стали оказывать неблагоприятное воздействие такие новые факторы, как повышенный фон радиоактивного излучения и накопление вредных отходов атомной промышленности.

Традиционные ограждающие конструкции и их материалы, предназначенные для зашиты внутренней среды обитания от неблагоприятных климатических и агрессивных воздействий в этих условиях не могут обеспечить ее защиту от проникающего излучения и формирование необходимых параметров микроклимата помещений. В связи с этим весьма актуальной является задача создания материалов и конструкций с высокими защитными свойствами от гамма- и нейтронного излучения.

В то же время острый энергетический кризис требует концентрации усилий специалистов на разработке эффективных теплозащитных материалов, что, с одной стороны, обеспечивает существенную экономию расходования энергоресурсов на отопление, горячее водоснабжение и другие нужды эксплуатируемых зданий, а с другой - позволяет уменьшить экологический ущерб от извлечения из недр, транспортировки и сжигания миллионов тонн топлива. Действительно, энергоснабжение только гражданских зданий требует более 1/3 добываемого в нашей стране твердого и газообразного тоилива, а использование эффективных теплоизоляционных материалов в рационатьно спроектированных наружных ограждающих конструкциях здания дает возможность уменьшить его теплопотери в среднем на 10-20%.

Эти актуальные вопросы развития науки в области материаловедения позволили сформулировать цель настоящей работы.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является создание и исследование защитных материалов (на основе промышленных отходов) от ионизирующего излучения, обладающих повышенными теплозащитными свойствами. Помимо этого, в задачу работы входило также исследование таких важных эксплуатационных качеств этих материалов, как термическое расширение, сорбпионная способность, прочность.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:

1. Исследовать процессы теплопередачи в высоко- и предельнона-полненных композитах путем использования концептуальных подходов к описанию теплопроводности в 1Сгерогенных телах и построения на их основе упрошенной расчетной схемы теплопроводности для исследуемых типов материалов.

2. Исследовать влияние вида и количества связующего на теплофизи-ческие и другие эксплуатационные свойства.

3. Исследовать влияние гранулометрического состава на прочностные и теплофизические свойства композитов.

4. Разработать составы композитов, обладающих одновременно хорошими теплоизоляционными и прочностными свойствами.

5. Изучить защитные свойства разработанных составов от действия проникающей радиации.

6. Выполнить анализ теплотехнической эффективности полученных композитов в сравнении с традиционными материалами, широко используемыми в архитектуре и строительстве.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе концептуальных представлений о формальной схожести процессов переноса тепла и электричества для ПНКМ была разработана рабочая гипотеза, на основании которой предложена упрощенная расчетная схема по опенке величины теплопроводности исследованных композиционных материалов. Анализ полученных результатов экспериментов показал возможность использования данной расчетной схемы для предварительной оценки теплопроводности изучаемых ПНКМ.

На основе экспериментальных данных построены экспериментально-статистические зависимости теплопроводности (ЭС модели) от состава

л

ПНКМ. Показана эффективность использования симплскс-решетчатых планов для нахождения зависимостей такого рола.

Получены составы высоконаполненных композиционных материалов для зашиты от радиации, обладающих оптимальным сочетанием теплоизоляционных и прочностных свойств, а также другими улучшенными тепло-физическими характеристиками. Обоснована возможность создания композитов с высокой плотностью (3000...4000 кг/м1) из отходов производства с целью их использования в конструкциях тепловой зашиты зданий, проектируемых или эксплуатируемых на территориях с повышенным фоном радиоактивного излучения в различных климатических условиях.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Построена экспериментально-статистическая (ЭС) модель, которая позволяет описать взаимосвязь между видом связующего, гранулометрическим составом, степенью наполнения ПНКМ с одной стороны и коэффициентом теплопроводности - с другой. На основании полученных ЭС уравнений была решена практическая задача по оптимизации состава ПНКМ для условий, когда основным фактором оптимизации является теплопроводность материала, знание величины которой позволяет изготовить ПНКМ с повышенными теплозащитными или теплоотводяшими свойствами в зависимости от вида проектируемого сооружения и условий эксплуатации.

Разработаны рецептурно-технологические параметры изготовления элементов ограждающих конструкций в виде плиток с улучшенными теп-лофизическими свойствами на основе ПНКМ высокой плотности, применяемых для зашиты от радиации.

Разработанные составы композитов и элементы на их основе получили промышленную проверку на заводе АО "Красный гигант" путем устройства защитных слоев на поверхности ограждающих конструкций.

Экологическая значимость работы заключается в использовании для получения композитов отходов местного промышленного производства, а также в разработке материала с повышенными теплозащитными свойствами, что обеспечивает определенную экономию топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации зданий и, как следствие, некоторое улучшение экологической обстановки в местах добычи и сжигания топлива.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады и сообщения: на III Международной научно-практической конференции

"Вопросы застройки городов" (23-24 мая 1996 I.), г. Пенза, на Международной научно-практической конференции "Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования" (27-28 ноября 1996 г.), г. Пенза, на XXIX научно-технической конференции ПГАСА (24-28 марта 1997 г.), г. Пенза, па IV Международной научно-практической конференции (29-30 мая 1997 г.), г. Пенза.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 10 работ, подана заявка на патент.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, приложения, содержит 153 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 44 таблицы. Список литературы состоит из 94 работ советских и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении дается обоснование актуальности темы. Изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой г.шве проведен анализ состояния вопроса. Обзор литературных источников показывает, что на теплофизические свойства материалов для зашиты от радиации определенное влияние оказывают их плотность и структурные особенности на молекулярном и надмолекулярном уровнях, обусловленные химическим составом, формой, концентрацией и размером частиц.

На сегодняшний день использование тех или иных методов теории теплопроводности дает возможность получить с учетом имеющихся экспериментальных данных эмпирические зависимости, которые позволяют с достоверностью определить значения теплофизических показателей материала. Вместе с тем, отсутствие четких модельных представлений о тепло-переносе в наполненных композитах делает необходимым проведение экспериментальных и теоретических исследований по определению этих показателей для каждого конкретного типа материала в зависимости от рецептурных и технологических параметров его изготовления.

Проведение подобной работы является тем более важным, что предметом исследований являются новые материалы для защиты от радиации, рекомендуемые для использования не только в сооружениях специального назначения, но и в обычных зданиях, на микроклимат помещений которых в значительной степени влияют теплофизические свойства ограждающих конструкций.

Во второй главе сформулированы цели и задачи исследований с учетом ан&чиза состояния вопроса и заключений, выполненных в обзорной главе. Показаны основные характеристики применяемых материалов и методика проведения экспериментов.

В качестве связующего (вяжущего) вещества использовали следующие материалы: эпоксидную смолу марки ЭД-20, которую отверждали полиэти-ленполиамином (ПЭПА); натриевое жидкое стекло (ГОСТ 9179-70) с инициатором твердения кремнефтористым натрием (Лг/Л7"6), портландцемент марки М-400.

С целью повышения плотности и уменьшения теплопроводности получаемых композиционных материалов (КМ) предпочтение было отдано тяжелым фракциям огходов производства оптического стекла, так называемым тяжелым флинтам (ТФ), которые использовались для наполнения композиций.

Оптическое стекло марки ТФ-110 имело плотность 5100 кг/м3 и содержало компоненты (окислы), % по массе :РЛО-70.93, 5/0^- 27.00, К20-1.27, N(1 ¿0-0.50, А^О.гО.ЗО.

Свойства предельнонаполненных композиционных материалов (ПНКМ) определяли с применением современных методов исследований. Теплофизические и физико-механические показатели материалов измеряли согласно требованиям соответствующих ГОСТ. Экспериментальные исследования проводили, используя методы математического планирования. Обработку экспериментальных данных выполняли, основываясь на современных статистических методах с номощыо ПК 1ВМ-486.

Измерение теплопроводности производили на приборе ИТМ-1М в соответствии с требованиями действующего ГОСТ 7076-87 "Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности".

Измерение коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) производили по известной методике, основанной [{а сравнении величин термического расширения изученного и исследуемого материалов. Величину КЛТР определяли по смещению толкателя при помощи индикатора стрелочного типа с ценой деления 0,01 мм.

Измерение удельной теплоемкости С0 выполняли на приборе ИТ-с-400 в соответствии с требованиями действующего ГОСТ 23250-78 "Материалы строительные. Методы определения удельной теплоемкости".

Определение плотности композиционных материалов различных составов проводили, основываясь на требованиях ГОСТов 12730.1-78 "Бетоны. Метол определения плотности" и 10181.1-81 "Смеси бетонные. Методы определения плотности". Плотность эпоксидной смолы и жидкого стекла определяли с помощью пикнометра Пинкевича.

Сорбционную влажность композиционных материалов определяли в соответствии с ГОСТ 24816-81 "Материалы строительные. Методы определения сорбционной влажности".

Прочность на сжатие композиционных материалов определяли по ГОСТ 4652-78 на универсальной машине типа П-50.

Статистическая оценка результатов полученных экспериментальных данных и построение экспериментально-статистической модели проводились для исследования зависимости коэффициента теплопроводности и прочности от гранулометрического состава, количества и вида вяжущего.

Полученные ЭС-модели проверяли по дополнительным экспериментальным значениям и по критерию Стыодента. Сделан вывод об адекватности полученных ЭС-моделей экспериментальным данным при уровне значимости сх =5%.

Третья глаза содержит разработанную нами с использованием элементов теории тепловых цепей и определенных допущений упрощенную физико-математическую модель теплопроводности высоко- и предельно-наполненных композиционных полимерных материалов для защиты от радиации.

При разработке рабочей гипотезы теплопроводности ПНКМ предполагалось, что в процессе регулирования структуры в материалах данного вида могут быть существенно повышены теплоизоляционные свойства материалов. Поскольку полимерная смесь, располагаясь в межзерновом пространстве, представляет собой поризованный теплоизоляционный материал, то с целью упрощения расчета теплопроводности высоко- и предельно-наполненных композитов допускалось, что доминирующее влияние на передачу тепла в этих материалах оказывают теилопроводяшие характеристики материала зерен заполнителя, а теплопроводностью полимерной матрицы можно пренебречь. При этом зоны контакта зерен в процессе прохождения теплового потока рассматривались как добавочные сопротивления, которые являются причиной уменьшения общей эффективной теплопроводности ПНКМ.

Термическое сопротивление проводника цилиндрической формы, имеющего постоянное по длине поперечное сечение находится по формуле: = (1)

где г -радиус поперечного сечения зерна заполнителя цилиндрической формы. Для нахождения термического сопротивления зерна заполнителя в формулу (1) подставим среднюю площадь проводника шарообразной формы

Среднюю площадь (8) поперечного сечения проводника тепла шарообразной формы можно найти интегрированием уравнения:

(2)

Л 3 3

Б = л • г2 = л • (II2 - х2), где г = ^/и.2 - х2

Величина площади Б составляет 0,675. Нахождение величины сопротивлений по формулам (1) и (2) позволило сделать вывод, что уменьшение поперечного сечения зерен заполнителя в зонах их контакта приводит к увеличению термического сопротивления композита в 1,49 раза.

Отсюда эффективная теплопроводность полимерною композиционного материала при предельной степени наполнения определится из выражения:

об + '^возд = ^к л V* П + "^возд ^возд

Лей зоп ПЁозд

где V, - объемная концентрация компонента в композите, которая находится по правилу смесей: у =у,+у,+у3 - —'-+ —+ — ,

Ц К?

где у, - плотность /'ого компонента в смеси, /и- масса /0,0 компонента смеси.

На основе предлагаемой расчетной схемы были найдены коэффициенты теплопроводности для полимерного композиционного материала с вяжушим из эпоксидной смолы при рахтичных степенях наполнения. При этом расхождение экспериментальных и теоретических значений коэффициента теплопроводности составляет:

для ПН КМ при степени наполнения, соответствующей 3 и 6% содержания полимерного связующею 2...4%

для ПНКМ при степени наполнения, соответствующей 9% содержания полимерного связующего 6...9%

По результатам проведенных экспериментальных исследований с использованием математического метода планирования эксперимента был реализован "симплекс-решетчатый план Шеффе" второго порядка и получены для исследованных ПНКМ аналитические и графические (в виде диаграмм "Состав-свойство") зависимости величины теплопроводности от I ранулометрического состава и содержания вяжущего. Результаты экспериментов позволили установить, что при одинаковом гранулометрическом составе теплопроводность всех исследованных композитов возрастает с повышением содержания вяжущего и увеличением плотности материала.

Зависимость между гранулометрическим составом и теплопроводностью этих композитов носит более сложный характер. Теплопроводность полимерного композита повышается с увеличением размера частиц заполнителя при содержании связующего 3 и 6%.

Для цементной и жидкостекольной композиции результаты экспериментов показали, что теплопроводность исследованных композитов максимальна в области гранулометрического состава, который соответствует наибольшей плотности получаемого материала. При этом по мере уменьшения содержания воздушных включений увеличивается общая теплопроводность композита за счет меньшего вклада в величину его термического сопротивления вовлеченного воздуха.

Построенные по результатам экспериментов диаграммы "Состав-свойство" позволяют для всех исследованных высоко- и предельнонапол-ненных композитов, а выведенные из рассмотрения физико-математической модели теплопроводности уравнения - и для более широкого круга композитов - регулировать теплопроводность материалов при их изготовлении в достаточно широких пределах (уменьшать или увеличивать се значения; например, для экспериментально исследованных ПНКМ с вяжущими из эпоксидной смолы - на 16...21%, жидкого стекла - на 18...31%, портландцемента - на 20...28% в зависимости от содержания вяжущего и гранулометрического состава заполнителя). В качестве примера на рис.1 показана диаграмма "Состав-свойство" для полимерного композиционного материала.

Yf=2,5мм, Yj-0,64мм, К?=0,14мм.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности X, Вт/м К, от гранулометрического состава заполнителя при содержании полимерного связующего: а) 3% от массы заполнителя; б) 6% от массы заполнителя.

Для автоматизации процесса обработки результатов экспериментальных исследований теплопроводности было разработано программное обеспечение в виде электронной таблицы Excel! 5.0 Corporation Microsoft.

Результаты обработки экспериментальных данных по данной программе приведены в приложении к диссертации.

Использование программы позволило также вычислить коэффициенты в уравнении регрессии для расчета теплопроводности в зависимости от гранулометрического состава, а для некоторых композитов - и в зависимости от содержания связующего. Например, уравнение для расчета эффективной теплопроводности композита в зависимости от его гранулометрического состава (Y,, Y2, Y,) и от количества связующего X (3%<Х<9 ,% от массы заполнителя) имеет вид:

ф = ехр(-1.847 + 0.1733 Х -0.0111 X2) Y, + (-1.942+ 0.092 X) Y2 + +(-2.199 + 0.254 X 0.017 Хг) Y3 + (1.522 - 0.517■ X +0.0367■ X2) Y, Y2 + +(0.034 - 0.124 X + 0.0115 ■ X2 J У, Y3 + (-0.756 + 0.316 ■ X -0.0251 ■ X2)Y2 Y3;

По этой же программе были проверены результаты экспериментальных исследований и данные расчета по уравнению регрессии, а так же был сделан вывод об их адекватности.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований сорбционной способности, удельной теплоемкости, коэффициента линейного термического расширения ПНКМ.

Кинетика сорбции ПНКМ при одинаковых значениях <р,% и 1°С воздушной среды в значительной степени зависит от вида вяжущего и заполнителя, количества вяжущего в составе материала, а также структуры последнего. Наибольшее сорбционное увлажнение среди исследуемых материалов характерно для композитов на основе жидкостекольного вяжущего. Количество сорбированной влаги для этого композита увеличивается с увеличением содержания вяжущего в составе композита. По сорбционной способности композиты с цементным вяжущим занимают промежуточное положение между композитами с вяжущим из эпоксидной смолы и композитами с вяжущим из жидкого стекла. Для композитов на основе жидкого стекла и портландцемента кривая роста сорбционной влажности имеет вид латинской буквы 5.

Для композитов, плохо смачиваемых водой (гидрофобных), 5 - образная форма изотерм не характерна, так как силы притяжения между поверхностью композиционною материала и молекулами водяного пара приближаются по своему энергетическому уровню к силам притяжения между самими молекулами. Композиты с полимерным вяжущим обладают слабой сорбционной способностью, что, очевидно, объясняется природой вяжущего из эпоксидной смолы, обладающей хорошими влагозащитными свойствами. В образцах с вяжущим из этого материала наблюдалось заметное уменьшение количества атаги с увеличением содержания эпоксидной смолы с 3 до 6%. Полученные по экспериментальным данным кривые зависимости сорбционной влажности полимерных образцов от относительной влажности воздуха описываются следующими уравнениями: /(м)=-0.4597-0.991х+0.445 при содержании вяжущего 3% от массы заполнителя

/(м)=-0.247-0.992х+0.236 при содержании вяжущего 6% от массы за-

полнителя

где х - относительная влажность воздуха, в %.

Теплопроводность композитов нелинейно возрастает с повышением сорбционного шшгосодержания и увеличением содержания вяжущих. Быстрый рост коэффициента теплопроводности с увеличением влажности материала характерен для композитов с неорганическими вяжущими, тогда как эта зависимость выражается более пологой кривой для полимерного ПНКМ.

На основании экспериментальных данных получены аппроксимирующие уравнения со =/{<р) и л=/(ш), позволяющие находить расчетным путем сорбционное влагосодержание и теплопроводность исследованных композитов в пределах принятых значений влияющих факторов.

Удельная теплоемкость исследуемых композитов повышается с увеличением количества вяжущего в составе материала.

Результаты экспериментов по исследованию зависимости КЛТР от типа вяжущего и степени наполнения показали, что образцы на полимерном связующем отличаются большими значениями а„ чем образцы с неорганическим типом вяжущего. Это объясняется тем, что влияние состава на величину а, многокомпонентной системы обычно близко к аддитивному, а для твердых полимеров характерны более высокие значения а„ чем для низкомолекулярных твердых тел. При значительных (до 5...6 раз) расхождениях в величине а, вяжущих материалов расхождение КЛТР у исследованных предельнонаполценных композиционных материалов уменьшается и находится в пределах 50...80%. Это позволило сделать заключение, что при предельных степенях наполнения коэффициент термического расширения композита в целом приближается по своему значению к величине а, материала заполнителя.

Экспериментальным путем устанавливали влияние температуры на коэффициент а, ПНКМ. Так, например, для композитов на портландцементе оно выражается линейной зависимостью:

при количестве вяжущего 25%: а,- = ¡0,3-^0,00894 при количестве вяжущего 20%: а,-1^=9,06-^0,016-1 где / - температура образца, в °С.

В пятой главе исследуются физико-механические свойства ПНКМ для зашиты от радиации. Как показали результаты экспериментальных исследований, прочность исследуемых композитов повышается с увеличением фракций среднего и меньшего размера и количества вяжущего (в указанных ниже пределах). Например, для ПНКМ на основе жидкого стекла зависимость прочности на сжатие от гранулометрического состава показана на рис. 2.

У/ =2,5 мм , ¥¿=0,63 мм, У(=0,14 мм.

Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие Ясж, МПа, от гранулометрического состава заполнителя для ПНКМ на основе жидкого стекла при содержании последнего: а) 9% от массы заполнителя; б) 13% от массы заполнителя.

На основании статистического анализа результатов проведенных экспериментов были получены уравнения рефессии, описывающие зависимость прочности от гранулометрического состава и от степени наполнения. Построенная по результатам расчета объемная диаграмма наглядно иллюстрируют влияние этих факторов на прочность композиционного материала.

Рис.3. Зависимость прочности на сжатие Ясж, МПа, от гранулометрического состава и степени наполнения полимерного композита.

Наиболее значительное изменение прочности лля полимерного композита отмечается при небольших принятых количествах вяжущего (в пределах от 3 до 6%), тогда как для композитов на основе жидкого стекла и портландцемента интенсивный рост прочности происходит и при гораздо большем содержании вяжущих (соответственно вплоть ло 13 и 25 %).

Сравнение результатов работы, изложенных в главах 3 и 5, позволяет сделать выводы о том, что теплопроводность и прочность исследованных ПНКМ увеличиваются с повышением содержания вяжущего в составе материала. Однако при этом наблюдается различный характер влияния гранулометрического состава на теплоизоляционные и механические свойства данных композитов, что обуславливает полезность разработки удобного для практического пользования графического и расчетного материала по подбору гранулометрического состава. Соста&тенные на основании исследований диаграммы "Состав-свойство" и аппроксимирующие уравнения дают возможность при изготовлении композитов регулировать в достаточно широких пределах их теплопроводность и прочность, в том числе устанавливать оптимальное сочетание этих свойств.

В соответствии с диаграммами, уменьшая гранулометрический состав заполнителя, прочность исследованных композитов можно повысить, а теплопроводность несколько понизить, изменяя количество вяжущего материала.

В исследуемых композитах основную защитную функцию выполняет заполнитель (ТФ-110), имеющий плотность, равную 5100 кг/м\ Он содержит в своем составе около 71 % оксида свинца. По результатам экспери-ментатьных исследований и проведенных нами расчетов были получены следующие зависимости коэффициента линейного ослабления гамма-лучей от плотности полимерного композита (рис. 4).

Анатиз рис. 4 позволил сделать вывод об экспоненциальной зависимости между линейным ослаблением гамма-лучей (//) и плотностью исследованных ПНКМ. Математическим выражением данной зависимости является модифицированная экспонента вида:

/уС.г)~0,50(> рх]>( 267/, 13 хА где .г- плотность исследуемого композита.

Рис. 4. Зависимость линейного коэффициента ослабления гамма-лучей от плотности исследованного ПНКМ на основе эпоксидной смолы.

В главе 6 была оценена практическая значимость полученных результатов работы но теплотехническому проектированию ограждающих конструкций. Для этого устанавливалась степень соответствия теплофизиче-ских свойств исследованных ПНКМ требованиям строительных норм и правил (СНиП "Строительная теплотехника" с изменениями от 1.09.95 г.), а также проводился сравнительный анализ этих свойств у ПНКМ и традиционных строительных материалов, наиболее часто используемых в конструкциях зданий различного назначения. Как свидетельствуют результаты теплотехнического расчета в зимних условиях, исследованные композиты так же, как легкие и ячеистые бетоны, могут быть рационально использованы в однослойных наружных ограждающих конструкциях в качестве несущего и теплоизолирующего материала для ограниченной области применения (например, на II этапе проектирования и строительства только для производственных зданий в III климатическом районе). Этот же расчет устанавливает практическую целесообразность использования исследованных композитов в многослойных ограждающих конструкциях в качестве наружного и внутреннего защитных слоев и среднего слоя из эффективного утеплителя во всех климатических зонах и типах зданий.

С наибольшей эффективностью исследованные теилофизические свойства данных композитов проявляются, как показывает теплотехнический расчет для условий летнего периода, в ограждающих конструкциях зданий, к которым предъявляются повышенные требования по микроклимату и теплоустойчивости.

Так, например, по таким важным показателям теплоустойчивости, как тепловая инерция В и коэффициент затухания тепловой волны ц наружная конструкция из исследованного полимерного композита соответственно в 1,7 и 1,2 раза превосходит такую же конструкцию, изготовленную из ке-рамзитобетона плотностью 1000 кг/м\

Основные теплофизические и механические свойства разработанных составов композитов, а также показатели теплозащиты и теплоустойчивости ограждающих конструкций, изготовленных из этих и некоторых других материалов, приведены в табл. 1 и табл. 2.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики ПНКМ для защиты ог ради-

ации с повышенными теплотехническими свойствами

Тепло- Теп- Коэф. Вес.

№ Композит на провод леем - ослаб- влаж-

основе Плогнослъ ность КЛТР, кость, ления ность

Р, г/см' я, адА: МПа кДж/ кг°С -/-лучей ¡и,см при (р = 30%

а) эпоксидной смолы; % вес.

1 3 3,4...3,7 0,18... 0,24 15,8 4,5...6 0,347 0,225.. 0,24 0,083

2 6 3,7...3,9 0.25... 0,299 19,6 50...75 0,385 0,245.. 0,26 0,036

3 9 3,9...4,1 0,28... 0,31 21,8 60...90 0,4 0,26... 0,27

б) портландцемента; % вес

4 20 3,3... 3,7 0,281. 0,352 9,4 6,5...9 0,44 0,225.. 0,25 0,477

5 25 3,15... 4,1 0,36... 0,5 10,5 16...24 0,48 0,21... 0,27 0,525

в) технического силиката натрия: (ГОСТ 9179-70), % вес

6 9 3,15... 3,41 0,24.. 0,298 10,1 8,5...1 0 0,37 0,205.. 0,23 0,615

7 13 3,0... 3,99 0,3... 0,44 12,2 10.. 18,5 0,39 0,2... 0,26 1,069

Таблица 2.

Показатели теплозащиты и теплоустойчивости однослойной ограждающей конструкции толщиной 25 см.

Материал конструкции р, кг/м1 Вт/м2°С Р Си, КД*/ м'С Я , м2 °С/Вт V

Композиты на основе

эпоксидной смолы 4000 5,65 1200 0,78 4,41 32,4

технического силиката натрия 3700 6,22 1110 0,6 3,7 18,9

портландцемента 3700 6,44 1110 0,56 3,58 17,1

Керамзитобетон на

керамзитовом песке 1000 6,13 840 0,61 3,74 19,51

кирпич глиняный обыкновенный 1800 10,12 1584 0,31 3,14 11,05

Тяжелый бетон 2400 ' 17,88 2016 0,13 2,4 6,5

Основные выводы

1. Разработана упрощенная физико-математическая модель теплопроводности высоко- и пределыюнапо.1 ненных композитов, которая позволяет расчетным путем определять величину коэффициента теплопроводности в зависимости от типа вяжущею, гранулометрического состава и степени наполнения материала, обеспечивая при этом незначительное расхождение теоретически и экспериментально найденных значений (в пределах 2...9%).

2. Проведено экспериментальное исследование и получены аппроксимирующие уравнения теплопроводности композитов в зависимости от упомянутых выше факторов влияния.

3. На основании экспериментальных данных проведено исследование теплофизических показателей, а также механических свойств композитов на различных вяжущих: термического расширения, удельной теплоемкости, сорбции влаги и влияния сорбционного увлажнения на теплопроводность материала, его прочности.

4. Установлено, что путем полбора гранулометрического состава смеси и наполнения возможно получение высоко- и предельнонаполненных композитов с достаточно высокими значениями уровня теплоизоляции (Л, Вт/м-°С, в пределах 0,2...0,5) и величиной прочности (Яб, МПа, в пределах 4,5...90), что не характерно для традиционных строительных материалов (бетоны и растворы), используемых в теплозащитных конструкциях.

5. По результатам экспериментальных исследований и с привлечением аппарата математического планирования составлены диаграммы "Состав-свойство", облегчающие проведение работ по подбору составов композитов с регулируемыми величинами теплопроводности и прочности.

6. Для высоко- и предельнонаполненных композитов изучены технологические параметры изготовления и разработаны составы, оптимальные по комплексу исследованных теплофизических и механических свойств.

7. Полученные результаты работы и оценка их практической значимости по нормам теплотехнического проектирования ограждающих конструкций позволили установить, что разработанные составы композитов обладают полифунциональностью - комплексом защитных, теплофизических и механических свойств, позволяющих эффективно использовать эти материалы в несущих и самонесущих конструкциях зданий для формирования необходимых параметров микроклимата и улучшения экологических показателей внутренней среды обитания (защиты помещения от радиак-гивного излучения, повышения их теплоустойчивости, теплоизоляции и, в целом, тепловой зашиты).

8. Разработано и использовано в данной работе программное обеспечение по обработке результатов экспериментальных исследований коэффициента теплопроводности и прочности на сжатие ПНКМ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Худяков В.Л., Пикалов А.А., Бердников В.М., Береговой В.А. Теп-дофизические свойства модифицированных композитов //Материалы XXVIII научно-технической конференции. Пенза, ПГАСИ. 1995. - с. 44

2. Прошин А.П., Береговой A.M., Береговой В.А.. Теплотехническая эффективность использования высоконаполненных композитов в ограждающих конструкциях //Промышленное и гражданское строительство.

1996. -№ 11. - с. 42-43.

3. Прошин А.П., Соломатов В.И., Береговой В.А., Береговой A.M. Тешюгехнические свойства тяжелых композитов для защиты от радиации //Материалы Международной научно-практической конференции "Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования". Пенза, 1996. - с.96-98.

4. Береговой A.M., Прошин А.П., Береговой В.А.. Вопросы энергосбережения при проектировании наружных ограждающих ограждений из тяжелых композитов //Материалы Международной научно-практической конференции "Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования". Пенза, 1996. - с.24-26.

5. Береговой В.А. Определение коэффициента линейного термического расширения a, (KJ1TP) тяжелых композитов для защиты от радиации // Материалы XXIX научно-технической конференции. Пенза, ПГАСА. 1997-с.6.

6. Береговой А.М., Викторова O.J1., Береговой В.А.. О недостатках норм теплотехнического проектирования ограждающих конструкций //Материалы XXIX научно-технической конференции. Пенза, ПГАСА.

1997. - с.8.

7. Прошин А.П., Береговой В.А., Прочностные характеристики пре-дельнонаполненных композитов с регулируемыми теплотехническими свойствами //Сборник материалов IV Международной конференции "Вопросы застройки и планировки городов". Пенза, ПГАСА, 1997. - с.130.