3.22 Повышение эффективности стеновых строительных блоков из арболита

Сморчков А.А., Орлов Д.А. (ЮЗГУ, г. Курск, РФ)

В статье рассматривается экологичный и эффективный строительный материал арболит, приводятся его основные достоинства и недостатки, описываются результаты исследований влияния влажности материала на его теплопроводность, а также предлагается новая эффективная конструкция стенового блока с солнечным коллектором с обоснованием эффективности его применения.

In article the harmless and effective construction material arbolit is considered, its main merits and demerits are given, results of researches of influence of humidity of a material on its heat conductivity and as the new effective design of the wall block with a solar collector with justification of efficiency of its application is offered are described.

В нашей стране люди все больше начинают задумываться об экологичности своего жилья, прежде всего, обращая внимание на строительные материалы, используемые для возведения и внутренней отделки жилых зданий.

Экологичность означает безвредность строительных материалов для человека. И в этом плане, безусловно, выигрывают традиционные природные строительные материалы, такие как камень и древесина. В средней полосе России преобладающее значение всегда имела древесина в связи с отсутствием достаточного количества природного камня.

Как каменные, так и древесные материалы имеют целый ряд своих достоинств и недостатков, которые зачастую являются взаимно противоположными. Например, к недостаткам древесины относятся ее горючесть, подверженность разрушению микроорганизмами и насекомыми, сравнительно небольшая прочность, у камня же такие проблемы отсутствуют. В свою очередь недостатками каменного материала являются высокая теплопроводность и большой вес, чего совершенно лишена древесина.

Логичным является предположение о совмещении полезных свойств древесины и камня в одном материале. Таким материалом стал арболит (от греческих слов «arbor» – дерево и «líthos» – камень).

История арболита началась в 30-х годах ХХ века в Голландии, правда тогда его называли Durisol («Дюрисол»). Создание арболита в его современном виде в СССР относят к 50-60-м годам ХХ века. Применяя зарубежный опыт, советские производители совместно с учеными, разработали оптимальный состав материала и подготовили мощную материальную базу для его производства. Более 100 заводов по производству панелей из арболита действовало на территории бывшего СССР. Арболит прошел все технические испытания, стандартизацию и ГОСТирование [1]. Строительство домов из арболита происходило на всей территории СССР. В 90-е годы ХХ века все производства арболита закрылись, и лишь спустя годы этот материал снова набирает свою популярность.

Арболит является разновидностью лёгкого бетона. Изготовляется из смеси органических заполнителей (чаще всего дроблёных отходов деревообработки), вяжущего (обычно портландцемента) и воды. Для минерализации заполнителя, улучшения сцепления древесины и вяжущего и ускорения твердения цемента в смесь вводят хлористый кальций, сернокислый глинозём совместно с известью-пушонкой или другие добавки. Объёмная масса арболита от 400 до 800 кг/м³. Из арболита изготовляют стеновые блоки, панели, плиты и т. п. для возведения малоэтажных жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий.

Этот материал в настоящее время известен и широко применяется за рубежом, он высоко ценится за свои энергосберегающие, теплосохраняющие и звукопоглощающие свойства. В разных странах аналог «арболита» имеет свое название: «дюризол» – Швейцария; «вудстоун» – США и Канада; «пилинобетон» – Чехия; «чентери-боад» – Япония; «дюрипанель» – Германия; «велокс» – Австрия. Эти материалы применяют при возведении не только частных домов, но и многоэтажных зданий различного промышленного назначения.

Благодаря тому, что арболит в среднем на 80% по объему состоит из древесной дробленки и лишь на 20 из цемента, он обладает свойствами, присущими одновременно и древесине (легкость, низкая теплопроводность и звукопроницаемость, хорошая обрабатываемость) и камню (достаточная прочность, негорючесть, стойкость к биологическим вредителям).

Имеет арболит, как и любой строительный материал, и свои недостатки. Прежде всего, это высокая влагопроницаемость и пониженная влагостойкость, поэтому наружная поверхность конструкций из арболита, соприкасающихся с атмосферной влагой, должна иметь защитный отделочный слой, а влажность воздуха в помещениях со стенами из арболита желательно поддерживать не выше 75%. Помимо этого, арболит неустойчив к действию агрессивных газов. К недостаткам можно отнести сравнительно высокий расход цемента при его производстве.

Кроме того, цена одного м³ арболита в среднем на 50% выше основных его конкурентов: газобетона и пенобетона, что, однако, нивелируется более простым выполнением отделочных работ и лучшими эксплуатационными качествами.

К субъективным недостаткам арболита можно отнести его «непрестижность» по мнению большинства застройщиков. Это связано со многими факторами, в том числе с недостаточной изученностью свойств арболита. Что бы решить данную проблему, мы занялись изучением влияния различных факторов, таких как условия формования, влажность и плотность, на теплопроводность материала.

Для этого мы изготовили из арболита стандартные образцы размером 150х150х150 мм. Серия образцов из 5 стандартных кубиков была сформована вручную и имела следующий состав на 1м³ материала: портландцемент (М400) 320 кг/м³; древесная дробленка 210 кг/м³; вода 280 кг/м³; хлористый кальций (технический по ГОСТ 450-77) 8 кг/м³ (в 10%-ном водном растворе соли – 74,07 л).

Для определения коэффициента теплопроводности ( ) материала блока использовался Мобильный измеритель теплопроводности (МИТ-1). Принцип его действия заключается в определении теплопроводности цилиндрическим зондом при нестационарном тепловом режиме в диапазоне температуры 90-573⁰ К, основанный на зависимости температуры внедренного в материал нагреваемого тела (цилиндрического зонда ⌀ 6 мм) от теплопроводности окружающего зонд материала.

Рисунок 1 - Измерение теплопроводности материала с помощью МИТ-1

Перед испытанием на теплопроводность каждый образец стандартного кубика был точно измерен и взвешен на весах с целью определения плотности и дальнейшего определения его влажности в момент испытания.

После поочередного исследования каждого образца на теплопроводность (путем помещения зонда в заранее просверленное отверстие по центру кубика) и фиксации соответствующих результатов, кубики поместили в сушильный шкаф с температурой t = 105+5°С, где они были высушены до постоянной массы.

Высушенные образцы повторно исследовались на теплопроводность. Также была вычислена плотность каждого образца. Результаты данного эксперимента сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты измерений теплопроводности контрольных образцов

№ п/п	Теплопроводность материала , Вт/(м·К) при влажности материала		Плотность материала при W=0, кг/м³	Теплопроводность материала по ГОСТ 19222-84, Вт/(м·°С)	Разница между и , %
	Начальная влажность материала W, %	Конечная влажность материала W, %
1	3	4	5	6	7
1	W=31,3; =0,341	W=0; =0,131	=578	=0,1134	16
2	W=48,1; =0,410	W= 0; =0,135	=591	=0,1173	15
3	W=15,1; =0,269	W=0; =0,132	=608	=0,1216	10
4	W=24,7; =0,254	W=0; =0,09	=391	=0,0800	12
5	W=26,2; =0,351	W=0; =0,138	=595	=0,1211	14

Полученные данные свидетельствуют о более высокой теплопроводности материала блока (арболита класса В2) в сравнении с нормативными данными ГОСТ 19222-84 и СП 23-101-2004 для арболита соответствующей плотности. Причиной этому может служить недостаточная просушка (повышенная влажность) образцов материала и погрешность измерительного оборудования.

Для анализа влияния изменения влажности материала на изменение его теплопроводности проанализируем данные эксперимента, которые позволяют сделать следующий вывод: при изменении влажности арболита (W), сформованного вручную, на 1% его теплопроводность ( ) возрастает в среднем на 5,8%. Данное обстоятельство требует повышенного внимания к предохранению от проникновения влаги во внутрь ограждающей конструкции из арболита, т.к. его теплотехнические свойства в этом случае резко ухудшаются.

Производители арболита методом вибропрессования с пригрузом, утверждают об увеличении теплопроводности материала на 3% при повышении влажности арболита на 1% [2]. Однако, по данным НИИ строительной физики, для арболита плотностью 550 кг/м³ при изменении влажности от 0 до 25% коэффициент теплопроводности колеблется от 0,099 до 0,238 Вт/(м·°С); коэффициент теплопроводности арболита плотностью 600 кг/м³ при изменении влажности от 0 до 25%, меняется в пределах 0,110-0,267 Вт/(м·°С); при плотности арболита 650 кг/м³ и тех же параметрах изменения влажности коэффициент теплопроводности меняется в пределах 0,116-0,295 Вт/(м·°С) [3].

То есть в пересчете на процент изменения теплопроводности для плотности 600 кг/м³ имеем увеличение теплопроводности материала на 5,7% при повышении влажности арболита на 1%. Это полностью подтверждает наши исследования с применением арболита ручного формования (расхождение 2%).

Для снижения материалоемкости стен отапливаемых зданий из арболита, а также для повышения эффективности сопротивления теплопередаче стены нами предложена и исследована конструкция стенового блока с солнечным коллектором в виде внутренней наклонной замкнутой воздушной прослойки.

Замкнутая воздушная прослойка имеет такую форму и расположена таким образом, что под воздействием солнечных лучей внутри нее происходит движение воздуха, что ведет к конвективному теплообмену между вертикальными поверхностями блока (рисунок 3), что значительно улучшает теплотехнические свойства ограждающего элемента [4].

Рисунок 2 – Фрагмент кладки стены Рисунок 3 – Схема движения воздуха в воздушной

прослойке

Конструкция стенового блока имеет сложную форму сечения с целью минимизировать пространство в кладке без воздушной прослойки, стремясь к максимальному сближению по вертикали воздушных полостей соседних в кладке блоков для повышения однородности теплотехнических свойств стены (рисунок 2).

Рисунок 4 - Испытания образцов на

прочность при различных схемах нагружения

Совокупная работа конструкции предложенного стенового блока дает значительный теплоизоляционный эффект, а прочность блока достаточна для применения его в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала в малоэтажном домостроении [5].

Нами вычислено сопротивление теплопроводности наклонной герметичной воздушной прослойки (R_вп) с учетом конвективного теплообмена между воздухом и поверхностями прослойки в условиях ламинарного перемещения воздуха, которое равно 0,63 м² °С/Вт, что значительно выше сопротивления традиционной вертикальной воздушной прослойки той же толщины (50 мм), равного 0,17 м² °С/Вт.

Кроме улучшения теплотехнических показателей, за счет воздушной полости достигается значительная экономия материала и облегчение стен (на 20%), что приводит к экономии не только материала стен, но и фундамента под них.

Таким образом, применение эффективных и экологичных строительных материалов, а также новых форм конструктивных элементов позволяет значительно повысить не только комфортность зданий для людей, но и экономичность при их строительстве и последующей эксплуатации.

Заключение

Полученные результаты исследования свидетельствуют о значительном влиянии влажности арболита на значение его теплопроводности, что подтверждает необходимость предотвращения намокания материала при его эксплуатации в конструкции стены здания, а также указывает на целесообразность применения новых конструкционных форм стеновых блоков, позволяющих повысить экономическую и теплотехническую эффективность ограждающих конструкций.

Литература

1. ГОСТ 19222-84 Арболит и изделия из него. Общие технические условия [Текст]. – Введ. 1985-01-01. – М. : Госстандарт СССР, 1983. – 22 с. : ил.

2. Профессиональный форум: Дом и Дача: [Электронный ресурс]. URL: http://www.forumhouse.ru/threads/145401/. (Дата обращения: 15.11.2012).

3. Ежегодная профессиональная выставка MIXBUILD: [Электронный ресурс]. URL: http://mixbuild.ru/teploprovodnost/. (Дата обращения: 15.11.2012).

4. Пат. 2122081 РФ, МКИ3, Е 04 В 2/14. Ограждающий элемент с солнечным коллектором [Текст] / Н.С. Кобелев, В.А. Морозов, А.А. Сморчков, М.А. Корсунская. - №9705245/03; Заявлено 03.04.97; опубл. 20.11.98, Бюл. №32. – 8 с.: ил.

5. Сморчков А.А., Орлов Д.А. Исследование работы комбинированных конструкций из древесно-цементных композитов для малоэтажного домостроения [Текст]; Молодежь и ХХI век. Тезисы докладов XXXV межвузовской НТК студентов и аспирантов в области научных исследований. Часть 1. -Курск: КурскГТУ, 2007. C. 157-158.