Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для повышения удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов. Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов включает дополнительное введение к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя, в частности теплоемкого заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема. В качестве теплоаккумулирующего вещества используют стоки аффинажного производства, при этом указанный заполнитель вводят в количестве от 10 до 90% объема. Технический результат - повышение удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов для обеспечения повышения энергоэффективности строительных объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, включая отрицательные значения, утилизация отходов. 1 ил., 4 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для повышения удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов.

Известен способ получения теплоемких материалов на основе талькомагнезита, включающий получение 30-60% водной суспензии талькомагнезита путем измельчения талькомагнезита, смешение его с водой, дополнительное введение в суспензию 5-15 мас.% окислов железа, 0,5-4 мас.% жидкого стекла, 0,05-7 мас.% цемента, обработку в роторном кавитационном аппарате при числе оборотов ротора 3000-12000 в минуту, температуре 15-70°C, числе циклов обработки 5-50, формование полученной массы под давлением и ее термическую обработку (Патент РФ №2259974, дата приоритета 24.03.2004, дата публикации 10.09.2005, автор Штагер В.П., RU).

Недостатком известного аналога является сложный химический состав и технологический процесс производства материалов, незначительное повышение удельной теплоемкости, а также ограниченная область его применения, обусловленная ограничением сырьевой базы по составу и возможностью получения теплоемких материалов на основе талькомагнезита, что свидетельствует о том, что способ не является универсальным.

Известны бетоны (ГОСТ 7473, ГОСТ 25192) или раствор (ГОСТ 28013), характеризующиеся удельной теплоемкостью 0,84 кДж/кг°C (по данным СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»).

Однако для оценки и повышения энергоэффективности строительных объектов важно учитывать такие теплотехнические характеристики, как теплоемкость, так и теплоаккумулирующую способность строительных материалов. В частности, применение материалов с высокой теплоемкостью и высокой теплоаккумулирующей способностью позволяет замедлить изменение температуры конструкции в течение периода времени с изменением температуры окружающей среды. Таким образом, представляется возможным уменьшить амплитуду колебания температуры конструкции с обеспечением сдвига фаз пиковых значений температуры в течение, например, ночного и дневного времени суток. Данный эффект с экономической целесообразностью может быть использован в наружных и внутренних ограждающих конструкциях при наличии автоматизированной системы отопления, а также в полах с подогревом и конструкциях промышленных холодильников с учетом того, что себестоимость электроэнергии в периоды времени с минимальной нагрузкой сети (как правило, ночные) более низкая.

В качестве прототипа принят способ повышения теплоаккумулирующей способности строительных элементов из бетона, характеризующийся введением в состав при изготовлении строительных элементов инкапсулированного материала, обладающего скрытой теплотой (энтальпией - ΔH, [Дж/г]) фазового перехода, в частности парафиновой смеси или воска, причем инкапсулированный материал добавляют в качестве заполнителя в форме микрокапсул с оболочкой из полимера (Патент РФ №2391319, дата приоритета 21.04.2006, дата публикации 10.06.2010, авторы ВИТТХОН Михель и др., DE, прототип).

Недостатком прототипа является ограниченная область применения теплоаккумулирующих материалов, полученных известным по прототипу способом, в связи с тем, что наличие в материале парафиновых микрокапсул обеспечивает теплоаккумулирующий эффект до 200 Дж/г за счет плавления парафина в диапазоне температур от 22°C до 28°C, что обуславливает целесообразное их использование в регионах с теплым климатом.

Задачей изобретения является получение теплоемких и теплоаккумулирующих бетонов и строительных растворов для повышения энергоэффективности строительных объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, включая отрицательные значения.

Для решения поставленной задачи в способе повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов путем дополнительного введения к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя, в частности теплоемкого заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема, согласно изобретению в нем используют капсулированный заполнитель со стоками аффинажного производства, имеющими большую удельную теплоемкость, чем у обычного бетона, причем капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объема.

В практическом применении максимальное объемное содержание теплоемкого заполнителя в бетоне (растворе) зависит от гранулометрического состава заполнителя и требуемых теплофизических свойств бетона (раствора) и может быть меньше 90%. Объемное содержание заполнителя меньше 10% не оказывает значительного влияния на повышение удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности в бетонах и строительных растворах.

Кроме того, в качестве теплоаккумулирующего вещества в капсулированном заполнителе может быть использована вода или солевые растворы, также повышающие теплоемкость и теплоаккумулирующую способность бетонов и строительных растворов. К тому же, целесообразно использование капсулированного заполнителя с солевыми растворами, теплоемкость и агрегатное состояние которых не изменяется при отрицательных температурах, в отличие от других жидких материалов.

Введение в состав бетонной или растворной смеси капсулированного заполнителя с любым указанным жидким высокотеплоемким веществом на стадии приготовления смесей приводит к повышению удельной теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов.

На практике теплоемкость инкапсулированного заполнителя цементных бетонов можно изменять в значительных пределах и при этом использовать материалы с изменяющимся фазовым состоянием, весьма перспективных с позиции энергосбережения и энергоэффективности. Эффективность применения таких материалов оценивается величиной скрытой энергии, выделяемой или поглощаемой в процессе кристаллизации, плавления, испарения и конденсации.

Составы бетонов обычно рассчитывают по абсолютным объемам. Расчетную величину плотности бетона ρ, содержащего менее плотный, но имеющий значительно большую теплоемкость заполнитель (инкапсулированная вода и ее солевые растворы), можно определить как сумму плотностей растворной части и заполнителя, умноженных на соответствующие доли их содержания в 1 м³ бетона:

где ρ_m - плотность затвердевшей растворной части бетона, в которой распределен заполнитель; ρ_L - плотность теплоемкого заполнителя; φ_m - объемная доля растворной части в бетоне.

Таким образом, зная расчетную плотность бетона ρ, теплоемкости растворной части c_m и заполнителя c_L, общую теплоемкость системы C можно рассчитать по формуле:

В данном случае плотностью и теплоемкостью капсулы пренебрегаем.

Примеры реализации способов получения теплоемких и теплоаккумулирующих бетонов и строительных растворов основаны на том, что на стадии приготовления бетонной или растворной смеси вводится заполнитель из высокотеплоемкого вещества, заключенного в капсулы с прочной и химически стойкой оболочкой, например из полимера.

Полученные результаты сведены в следующие таблицы: таблица 1 - теплофизические свойства бетонов с матрицей из тяжелого бетона и инкапсулированной водой; таблица 2 - теплофизические свойства бетонов с матрицей из легкого бетона и инкапсулированной водой; таблица 3 - теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором плотностью 1,28 кг/м³; таблица 4 - теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором плотностью 1,38 кг/м³.

Пример 1. В качестве известного высокотеплоемкого вещества использована вода (удельная теплоемкость 4,2 кДж/кг°C и теплоаккумулирующая способность (ΔH - энтальпия фазового перехода) до 333 Дж/г при н.у.) или ее солевые растворы.

Согласно приведенному выражению (2) и таблице 1, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя с водой в объеме от 10 до 90% в 1 м³ бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,7 раза, а теплоаккумулирующий эффект, характеризующийся величиной энтальпии фазового перехода, до 300 Дж/г за счет кристаллизации воды или плавления льда при температуре около 0°C.

Таблица 1.
Теплофизические свойства бетонов с матрицей из тяжелого бетона и инкапсулированной водой
№ п/п	Объемная доля заполнителя	Плотность бетона, кг/м3	Теплоемкость системы	Энтальпия фазового перехода, Дж/г
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10-3	Объемная теплоемкость, Дж/м3·°C×10-6
1	0,9	1138	3,476	3,956	300
2	0,8	1278	2,926	3,741	266
3	0,7	1419	2,485	3,525	233
4	0,6	1559	2,123	3,309	200
5	0,5	1699	1,821	3,094	167
6	0,4	1839	1,565	2,878	133
7	0,3	1979	1,345	2,663	100
8	0,2	2120	1,155	2,447	67
9	0,1	2260	0,987	2,232	33

Таблица 2.
Теплофизические свойства бетонов с матрицей из легкого бетона и инкапсулированной водой
№ п/п	Объемная доля заполнителя	Плотность бетона, кг/м3	Теплоемкость системы	Энтальпия фазового перехода, Дж/г
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10-3	Объемная теплоемкость, Дж/м3·°C×10-6
1	0,9	958	3,971	3,805	300
2	0,8	918	3,744	3,438	266
3	0,7	879	3,496	3,071	233
4	0,6	839	3,224	2,705	200
5	0,5	799	2,926	2,338	167
6	0,4	759	2,596	1,971	133
7	0,3	719	2,230	1,604	100
8	0,2	680	1,821	1,238	67
9	0,1	640	1,361	0,871	33

Согласно приведенному выражению (2) и таблице 2, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя с водой в объеме от 10 до 90% в 1 м³ бетона с матрицей из легкого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,5 раза, а теплоаккумулирующий эффект, характеризующийся величиной энтальпии фазового перехода, до 300 Дж/г за счет кристаллизации воды или плавления льда при температуре около 0°C.

Пример 2. В качестве высокотеплоемкого заполнителя использованы отходы промышленности, в частности водные солевые растворы, полученные в результате утилизации стоков аффинажного производства завода ОАО «Красцветмет» в г. Красноярске:

1 - солевой раствор плотностью 1,28 кг/м³, pH составляет 8,2, имеющий удельную теплоемкость не менее 3 кДж/кг·°C, не кристаллизуется при охлаждении (не замерзает) до минус 30°C, с химическим составом: $$S{O}_4^{-}$$ - 360 мг/л, Cl^- - 147000 мг/л, $$N{O}_3^{-}$$ - 111000 мг/л, Ca⁺ - 31600 мг/л, Fe - 0,78 мг/л, Cu - 0,141 мг/л, Ni - 0,0078 мг/л, Zn - 1,14 мг/л, Pb - 8,6 мг/л.

Таблица 3.
Теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором на основе стоков аффинажного производства плотностью 1,28 кг/м3
№ п/п	Объемная доля заполнителя	Плотность бетона, кг/м3	Теплоемкость системы
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10-3	Объемная теплоемкость, Дж/м3·°C×10-6
1	0,9	1392	2628	3658
2	0,8	1504	2311	3475
3	0,7	1616	2038	3293
4	0,6	1728	1800	3110
5	0,5	1840	1591	2928
6	0,4	1952	1407	2746
7	0,3	2064	1242	2563
8	0,2	2176	1094	2381
9	0,1	2288	961	2198

Согласно приведенному выражению (2) и таблице 3, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя из представленных солевых растворов в объеме от 10 до 90% в 1 м³ бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,35 раза.

2 - солевой раствор плотностью 1,38 кг/м³, pH составляет 5,2, имеющий удельную теплоемкость не менее 3 кДж/кг·°C, не кристаллизуется при охлаждении (не замерзает) до минус 60°C, с химическим составом: $$N{H}_4^{+}$$ - 3000 мг/л, $$S{O}_4^{-}$$ - 45 мг/л, Cl^- - 210000 мг/л, $$N{O}_3^{-}$$ - 260000 мг/л, Ca⁺ - 126000 мг/л, Fe - 0,88 мг/л, Cu - 3,5 мг/л, Ni - 0,52 мг/л, Zn - 5,8 мг/л, Pb - 0,63 мг/л.

Таблица 4.
Теплофизические свойства бетонов с инкапсулированным солевым раствором на основе стоков аффинажного производства плотностью 1,38 кг/м3
№ п/п	Объемная доля заполнителя	Плотность бетона, кг/м3	Теплоемкость системы
Удельная теплоемкость, Дж/кг·°C×10-3	Объемная теплоемкость, Дж/м3·°C×10-6
1	0,9	1482	2650	3928
2	0,8	1584	2345	3715
3	0,7	1686	2078	3503
4	0,6	1788	1840	3290
5	0,5	1890	1629	3078
6	0,4	1992	1439	2866
7	0,3	2094	1267	2653
8	0,2	2196	1111	2441
9	0,1	2298	970	2228

Согласно приведенному выражению (2) и таблице 4, отражающей зависимость теплофизических свойств бетона от объемного содержания заполнителя, следует, что наличие капсулированного высокотеплоемкого заполнителя из представленных солевых растворов в объеме от 10 до 90% в 1 м³ бетона с матрицей из тяжелого бетона позволяет повысить теплоемкость системы в 4,67 раза.

Результаты исследования теплоаккумулирующей способности цементных бетонов (растворов) представлены на рисунке в виде графических зависимостей (1-5), отражающих накопление тепловой энергии при нагреве водой и бетонами различных составов, включая бетоны с объемным содержанием теплоемкого заполнителя с водой, составляющим 80%. Приведенные графики относятся к воде (удельная теплоемкость 4,2 кДж/кг°C) (1), теплоемкому тяжелому бетону (удельная теплоемкость 2,93 кДж/кг°C) (2), теплоемкому легкому бетону (удельная теплоемкость 3,74 кДж/кг°C) (3), обычному тяжелому бетону (удельная теплоемкость 0,84 кДж/кг°C) (4) и обычному легкому бетону (удельная теплоемкость 0,84 кДж/кг°C) (5). На графиках (1-5) видно, что удельное количество тепла, накопленное при нагреве разработанными составами, меньше, чем у воды, однако, значительно больше, чем у рядовых составов тяжелых и легких бетонов. Большее накопление тепловой энергии теплоемкими материалами по сравнению с обычными позволит нивелировать экстремальные значения изменения температур (на поверхности и во всем объеме) бетонов, аккумулировать тепловую энергию и, тем самым, экономить электрическую и тепловую энергию при эксплуатации строительных объектов.

Для реализации способа предпочтительно использовать капсулированный заполнитель сферической формы с размерами от 0,3 мм до 5 мм, который можно получить на известных установках, например по патенту РФ №2420350. При этом размер заполнителя выбирается в соответствии с требуемыми теплофизическими свойствами бетонов или растворов и зависит от его объемного содержания в смесях.

Предлагаемый способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности является универсальным и может быть использован для бетонов и растворов различных составов.

Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов путем дополнительного введения к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя, в частности теплоемкого заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема, отличающийся тем, что в нем используют капсулированный заполнитель со стоками аффинажного производства, имеющими большую удельную теплоемкость, чем у обычного бетона, причем капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объема.