XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование методов повышения энергоэффективности конструкции выполненных из бетона и железобетона

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Библова С.И. 1Максимова М.А. 2Агафонов Т.А. 3

---

1ГОУ ЯО «Лицей № 86», г. Ярославль

2ГОУ ЯО «Лицей № 86», Ярославль

3ГОУ ЯО «Лицея № 86», г. Ярославль

Петров А.И. 1Петрова Е.О. 1

---

1ГОУ ЯО «Лицей № 86», г. Ярославль

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Повышение требований к энергосбережению и теплоизоляции строительных конструкций потребовало изменения подхода к выбору утеплителя, а также к созданию новых теплоизоляционных материалов. При выборе утеплителя следует принимать в расчёт широкий спектр его характеристик. Важными характеристиками являются геометрические параметры, теплопроводность, гидрофобность, огнестойкость, долговечность, удельный вес, однородность, пористость.

Среди представленных современным рынком теплоизоляционных материалов сложно выделить образец с оптимальными характеристиками. Так как большинство существующих материалов оптимизированы лишь по одному свойству, чаще всего по высоким теплотехническим характеристикам, но не учитывают важный показатель - паропроницаемость материала.

Таким образом на данный момент необходим комплексный подход к созданию теплоизоляционного изделия, которое будет эффективным не только по теплотехническим параметрам, но и по показателям паропроницаемости, жесткости, долговечности, а также экономической целесообразности.

Целью работы – исследовать влияние введение вторичного полимера в состав конструкционного бетона на его физико-механические характеристики.

Задачи:

1) Изучить литературу по представленной теме;

2) Изучить как меняется прочность на сжатие при введении различных полимеров;

3) Изучить как меняется прочность на изгиб при введении различных полимеров;

4) Изучить как меняется паропроницаемость при введении различных полимеров;

5) Изучить как меняется теплопроводность при введении различных полимеров.

1 Обзор литературных источников и патентной информации

Проведённый анализ интеллектуальных разработок на территории России позволил установить патентную чистоту разрабатываемого решения, по причине отсутствия прямых аналогов. В ходе патентного поиска был определён ряд наиболее близких аналогов разрабатываемого комбинированного теплоизоляционного изделия, которые представляют композитные теплоизоляционные системы.

Их сравнение с разрабатываемым комбинированным теплоизоляционным материалом позволило выделить ряд его преимуществ, а именно:

-возможность варьирования свойств путем изменения толщины полимерного слоя и процентного соотношения вторичного полимера к массе, вяжущего;

-высокая прочность;

-сравнительная простота изготовления;

-сочетание высоких теплотехнических показателей и паропроницаемости, которая не учитывается в изделиях-аналогах.

2 Подбор состава бетона с различными модификациями и результаты экспериментальных исследований

2.1 Проектирование и испытание состава бетона

1) Свойства мелкого заполнителя для бетона. Определение свойств мелкого заполнителя ведем согласно методике, описанной в ГОСТ.

Таблица 1 – результаты просеивания песка

Модуль крупности:

– песок средней крупности

Рисунок 1 – Результаты просеивания песка

2) Свойства портландцемента

Определение плотности насыпной и истиной ведем по ГОСТ:

Масса пикнометра: m_п = 33,26 г,

Масса пикнометра с песком: m_п.п = 66,83 г,

Масса пикнометра с песком и водой: m_{п.п + вода} = 101,82 г,

Масса пикнометра с водой: m_{п + вода} = 83,17 г.

3) Проектирование состава бетона с различными модификациями

- Бетон В25,

- Портландцемент обычный с R_ц=42,5 МПа, =3100 кг/м³, =1405кг/м³,

- Мелкий заполнитель – песок кварцевый средней крупности, =2250кг/м³, =1495кг/м³, W=0%.

- Вода затворения – водопроводная,

- Подвижность бетонной смеси по ОК = 6 см.

Рисунок 2 – Проведение испытаний по определению подвижности бетонной смеси

В качестве добавки используем вторично переработанный полимер HIPS и PLA в объеме до 5%. Результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – результаты испытаний на изгиб

Таблица 3 - результаты испытаний на сжатие

Испытания по теплопроводности проводились по методике, описанной в ГОСТ. Для проведения испытаний использовались цифровые датчики температуры Pasco и приложение по сбору и обработке данных SPARKvue (рис. 3,4). Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Рисунок 3 – Цифровой датчик температуры PASCO

Рисунок 4 – Приложение SPARKvue

Таблица 4 – результаты испытаний на теплопроводность

Испытания на паропроницаемость ведем по методике, описанной ГОСТ. В качестве оборудования используем прибор собственного производства. Прибор представляет собой емкость ступенчатой формы. Нижняя часть имеет квадратную форму в плане с размером углубления 95*95 мм, верхняя часть имеет отверстие 105*105 мм, толщина стенки составляет 5 мм. Прибор изготовлен методом 3D печати из PLA пластика с последующей обработкой внутренней поверхности лаком за 2 слоя.

Рисунок 5 – Процесс взвешивания испытуемого образца

Во внутрь заливалась дистиллированная вода до отметки, которая обеспечивала образование воздушного зазора от верхней кромки воды до низа испытуемого образца в 15 мм. На уступы устанавливался стандартный образец бетона в виде куба 100*100*100 мм. Далее зазор между образцом и стенками сосуда в верхней части заполнялся герметиком. Далее прибор с образцом и водой устанавливался на цифровые лабораторные весы «Adventurer ARC120» с точностью измерения до 0,01 г и взвешивался. Акт поверки прибора приведен в приложении работы. По окончанию взвешивания образец переставлялся на место хранения, где поддерживалась постоянная температура и влажность. По истечению 24 часов взвешивание повторялось, а также фиксировались температура и влажность воздуха. Далее проводился расчет по следующему алгоритму:

По результатам взвешивания испытательного сосуда с образцом вычисляют плотность потока водяного пара через образец , мг/(ч*м²), по формуле

где ∆m - изменение массы испытательного сосуда с образцом за интервал времени , мг

- интервал времени между двумя последовательными взвешиваниями, ч

А — площадь рабочей поверхности образца, через которую проходит поток водяного пара, м².

Сопротивление паропроницанию образцов R_п, (м²*ч*Па)/мг, вычисляют по формуле

где Е - давление насыщенного водяного пара в испытательном сосуде, Па; определяют по приложению Д;

е — давление водяного пара в камере вокруг сосуда, Па;

- сопротивление паропроницанию воздуха, (м²*ч*Па)/мг, определяемое по формуле

где - толщина слоя воздуха (расстояние от поверхности воды в испытательном сосуде до нижней поверхности образца), м;

- паропроницаемость воздуха в испытательном сосуде, мг/(м*ч*Па), определяют по приложению А.

Давление водяного пара в камере вокруг испытательного сосуда определяют по формуле

где - относительная влажность воздуха в камере вокруг испытательного сосуда с образцом, %

Коэффициент паропроницаемости материала μ, мг/(м*ч*Па), определяют по формуле

где d – средняя толщина испытуемого образца, м

Таблица 5 - результаты испытаний образцов на паропроницаемость

2.2 Выбор технологии изготовления полимерной части утеплителя

Для изготовления полимерного слоя композитного утеплителя целесообразно использовать 3D принтеры с технологией FDM/FFF с кинематикой Core-XYZ или Core-XY, так как в этих принтерах стол неподвижен и таким образом качество и надежность печати будет максимальной. По своему устройству данные типы принтеров обеспечивают продолжительную бесперебойную работу и качество печати на высоком уровне.

2.3 Теплотехнический расчет конструкции покрытия с использованием композитного материала (на примере г. Кострома)

Разработанный состав мелкозернистоного бетона с добавлением 2,5% вторичного PLA пластика и полимерным слоем с воздушными пустотами переменного сечения возможно заменить вместо классического слоя из цементно-песчанного раствора в конструкциях перекрытий и покрытий. В данном здании предусмотрены мероприятия по техническому перевооружению. При проведении работ, необходимо предусматривать мероприятия по повышению энергоэффективности как отдельных конструкций, так и всего здания в целом. Разработанный композитный материал предлагается использовать в конструкциях подвального перекрытия и конструкциях покрытия. Ниже приводим теплотехнический расчет конструкции покрытия в составе в заложенном проекте и при использовании композитного материала (расчет выполнен при помощи онлайн-сервиса https://www.smartcalc.ru/thermocalc)

Рисунок 6 – исходные климатические данные для расчета

Рисунок 7 – результаты расчета проектного состава конструкции покрытия

Рисунок 8 – Результаты расчета проектного состава конструкции покрытия

Как видно из результатов расчетов:

1. В конструкции покрытия с применением композитного материала отсутствует возможность образования конденсата в толще конструкции.

2. Сопротивление теплопередачи повысилось на 6% с 4,29 (м2* º С)/Вт до 4,56 (м2* º С)/Вт.

3. Потери тепла через конструкцию покрытия снизились так же на 6% с 11,42 Вт*ч до 10,74 Вт*ч.

Таким образом доказана эффективность использования разработанного композитного решения в гражданском строительстве.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Введение в состав пескобетона гранул вторичного полимера позволяет улучшить теплотехнические свойства материала. При этом введение гранул PLA пластика диаметром 1,75 мм и длинной 4-7 мм 2,5% по массе, теплопроводность пескобетона изменяется с 1,1 на 0,643 Вт/м2*К. При увеличении расхода полимера до 5% - теплопроводность поднимается до 0,746 Вт/м2*К. Добавляя в смесь гранулы HIPS пластика диаметром 2,75 мм и длиной 3 мм 2,5 % по массе теплопроводность изменяется с 1,1 на 0,691 Вт/м2*К. Увеличивая расход до 5% теплопроводность повышается до 0,794 Вт/м2*К.

2. Добавление в состав смеси полимерных частиц ведет к снижению прочностных характеристик материала, так прочность на сжатие снижается с 34,9 МПа до 16,24 МПа, а прочность на изгиб с 19,69 МПа до 10,08 МПа. Данное снижение не является критичным, так как при устройстве слоев перекрытия/покрытия будет обеспечена необходимая несущая способность материала.

3. При введении в состав пескобетона полимерных компонентов и полимерного слоя значительно снижает паропроницаемость материала с 0.03 до 0,016 мг/(м*ч*Па).

Список использованных источников

1. Теплоизоляционные материалы и конструкции. [Электронный ресурс] // Электронная библиотека технической литература Библиотекарь.Ру URL: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-33/11.htm

2. Коэффициент теплопроводности [Электронный ресурс] // Термоконтур URL: https://termo-systema.ru/index.php-option%3Dcom_content%26view%3Darticle%26id%3D63-lamda%26catid%3D35-artikle-%26Itemid%3D89.htm

3. Бобров Ю.Л; Овчаренко Е.Г.; Шойхет Б.М.; Петухова Е.Ю. Теплоизоляционные материалы и конструкции: Учебник для профессионально-технических учебных заведений. – М.: ИНТРА-М,2003. – 268 с.: ил.

4. Теплоизоляция [Электронный ресурс] // Электронная библиотека технической литература Библиотекарь.Ру URL: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-126-teploizolyacia/15.htm

5. Малявина Е.Г. Строительная теплофизика: Учебное пособие/ Моск. гос. строит. ун-т.- М.: МГСУ,2011- 152с.

6. Свойства пенопласта [Электронный ресурс] // общ.с огран. ответств. Стройтеплокомплект URL: http://www.stkpenoplast.ru/properties.htm

7. МУ 50-06-91. Проектирование составов строительных бетонов и растворов: Метод. указания к лабораторным работам/ И. Н. Серова, А. Б. Лебедев: Яросл. политехн. ин-т. – Ярославль, 1991. – 50 с.

8. ГОСТ 8735-88*. Песок для строительных работ. Методы испытаний.

9. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

10. ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Общие требования.

11. Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности [Электронный ресурс] // WebПолитех URL: https://webpoliteh.ru/lekciya-13/

12. ГОСТ 25898-2012 Материалы и изделия строительные. Методы определения паропроницаемости и сопротивления паропроницанию

13. Разновидности кинематик FDM 3D-принтеров [Электронный ресурс] // 3DiY Shop URL: https://3d-diy.ru/wiki/3d-printery/raznovidnosti-kinematik-fdm-3d-printerov/

14. ГОСТ 31913-2011. Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения.

15. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть.

16. ГОСТ 8735-88. Песок для строительных работ. Методы испытаний.

17. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка.

18. Кабанов В. А. и др. т. 2. Л - Полинозные волокна // Энциклопедия полимеров. — М.: Советская Энциклопедия, 1974. — 1032 с.