Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов



Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов
Способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов

 


Владельцы патента RU 2562633:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)

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 ρm - плотность затвердевшей растворной части бетона, в которой распределен заполнитель; ρL - плотность теплоемкого заполнителя; φm - объемная доля растворной части в бетоне.

Таким образом, зная расчетную плотность бетона ρ, теплоемкости растворной части cm и заполнителя cL, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 99,4-99,6, выгорающую добавку - сухие стебли камыша влажностью в сухом состоянии 10-12%, размолотые до прохождения через сетку № 2,5 0,3-0,5, омыленную канифоль 0,1-0,15.
Изобретение относится к составам сырьевых смесей, которые могут быть использованы для изготовления керамзита. Сырьевая смесь для изготовления керамзита включает, мас.%: кирпичную глину 96,5-98,0, каолин 0,5-1,0, жидкое стекло с силикатным модулем 3,2-4 и плотностью 1300-1500 кг/м3 1,5-2,5.

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству пористых заполнителей на основе жидкого стекла, предназначенных для изготовления легких бетонов, а также теплоизоляционных засыпок.

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству пористых заполнителей на основе жидкого стекла, предназначенных для изготовления легких бетонов, а также теплоизоляционных засыпок.
Изобретение относится к производству искусственных пористых заполнителей для бетонов. В способе изготовления искусственного пористого заполнителя, включающем послойную укладку гранулированного материала и его спекание в слоях, для образования, по меньшей мере, двух слоев толщиной 10-15 мм каждый, в качестве гранулированного материала используют бой стекла фракции 3-5 мм и гранулированный доменный шлак фракции 0,6-5 мм, после чего спекают при температуре 900-1050°C, охлаждают, подвергают дроблению и фракционированию.
Изобретение относится к области экологии и рационального природопользования и может быть использовано для переработки хвостов обогащения, в частности хвостов обогатительных фабрик золотодобычи. Техническим результатом является снижение загрязнения окружающей среды и получение продукта в виде гранул для использования их в различных каталитических системах и в качестве теплоизоляционного материала.
Изобретение относится к области производства строительных изделий и может быть использовано при изготовлении газобетонных конструкционно-изоляционных блоков, применяемых для строительства и теплоизоляции жилых, административных и промышленных зданий и сооружений.
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину кирпичную 76,0-79,5, кварцевый песок 16,0-18,0, измельченный до полного прохождения через сетку с размером отверстий 2,5 мм шунгит 1,0-1,5, измельченный до полного прохождения через сетку с размером отверстий 2,5 мм пирофиллит 3,5-4,5.

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано при переработке нефти или тяжелых углеводородных соединений для получения объемного углеродного каркаса для композитных материалов.

Способ включает плазменное напыление частиц однородного по крупности керамического материала на основе оксида алюминия на удаляемую оправку. Напыление ведут путем формирования монослоев за счет соударения напыляемых частиц керамического материала с поверхностью оправки под углом менее 45°, исключая ноль.

Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве смешанных вяжущих веществ на основе гипса и портландцемента.

Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве смешанных вяжущих веществ на основе гипса и портландцемента.

Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве смешанных вяжущих веществ на основе гипса и портландцемента.

Изобретение относится к области экологии. Предложенный изолирующий материал включает глину, известковый материал, нефтяной шлам и буровой шлам при следующем содержании компонентов, вес.
Изобретение относится к способу изготовления заполнителя для бетона. Способ изготовления заполнителя для бетона включает подготовку массы на основе легкоплавких глин, способных вспучиваться в условиях термической обработки, ее увлажнение до 17-23%, формование гранул, втапливание в поверхность отформованных гранул просеянного через сетку №5 дробленого цементного клинкера, сушку, обжиг при температуре 1100°C, охлаждение.

Группа изобретений относится к составу и способу получения комплексной добавки для бетонов и строительных растворов и может найти применение в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций (при бетонировании при низких температурах воздуха).

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для сооружения земляного полотна и устройства укрепленных дорожных оснований на дорогах I-V категорий во II-V дорожно-климатических зонах, а также покрытий на дорогах IV-V категорий в качестве материала для сооружения насыпей земляного полотна и укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок.

Изобретение относится к теоретическому и прикладному материаловедению и может быть использовано в различных областях науки и техники в целях создания новых и совершенствования известных методик создания сухих строительных смесей для бетона с заданными эксплуатационными свойствами.
Изобретение относится к области композиционных материалов на основе минеральных вяжущих, таких как портландцемент, глиноземистый цемент, магнезиальные и фосфатные вяжущие, известь, гипс или их смеси, наполненных минеральными наполнителями, включающими фракции углеродных наночастиц.
Изобретение относится к составам декоративно-облицовочных материалов, которые могут быть использованы в строительстве. Декоративно-облицовочный материал включает, мас.%: измельченное листовое стекло 75,0-77,0; молотый туф 8,0-10,0; бура 10,0-13,0; молотый тальк 3,0-4,0.
Изобретение относится к способу производства строительных материалов, в частности к технологии приготовления бетонных смесей, и может найти применение при выполнении монолитных бетонных работ для изготовления стеновых блоков, которые могут быть использованы при возведении складских помещений, гаражей и ограждений. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении прочности бетона и получении экологически безопасной продукции. Способ приготовления заключается в том, что смешивают портландцемент, щебенку и песок, дополнительно вводят охлажденный кератиновый экструдат (полученный следующим образом: берут 100 кг экструдата перо-пуховых отходов, заливают 0,1% щелочным раствором KOH в соотношении 1:5 и нагревают в емкости при температуре 75°C в течение 8 часов до полного растворения сырья), остальное - вода, при следующем соотношении, мас.%: портландцемент 25-30, щебенка 20-25, песок 15-20, кератиновый экструдат 10.
Наверх