Full Text

Введение Развитие современных технологий не стоит на месте, и ученые стараются не только изобретать новые строительные материалы, но и находить нестандартное применение различного сырья, которое ранее считалось непригодным для использования. Кроме того, строительные материалы будущего должны совмещать прочность и жесткость, износоустойчивость, практичность, долговечность и экологичность, а заказчики строительной продукции предпочитают, чтобы материалы были на 90-100 % натуральными [1]. Основная часть Зачастую застройщики при проектировании здания задаются вопросом: стоит ли производить утепление дома при строительстве и какой утеплитель для стен дома лучше выбрать? Многие эксперты утверждают, что лучше всего производить строительство дома без дополнительного утепления. Для северных регионов необходимо, чтобы толщина стен дома соответствовала требованиям энергоэффективности. Рассчитать оптимальную толщину стен, чтобы в ней не образовывался конденсат и в доме зимой всегда было тепло, поможет теплотехнический расчет. Если все-таки решено использовать утеплитель при строительстве дома с ограждающими конструкциями, удовлетворяющими только требованиям прочности стен, то следует рассмотреть все варианты теплоизоляции более детально. Наиболее распространенными являются минеральные утеплители, которые сегодня представлены на рынке в виде плит из базальта, стекловолокна и т.п. К преимуществам данных утеплителей относят хорошую теплоизоляцию, паропроницаемость и низкую теплопроводность. Теплоизоляция для стен и различных вертикальных конструкций в виде матов есть в линейке у каждого производителя: УРСА, РОКЛАЙТ, КНАУФ, ТЕХНОНИКОЛЬ, ИЗОВОЛ, ИЗОРОК и т.д. В табл. 1 представлены эксплуатационные характеристики теплоизоляционных материалов (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»). Таблица 1 Эксплуатационные характеристики теплоизоляционных материалов Table 1 Operational characteristics of insulating materials Название параметра Плита минераловатная каменная Плита из стеклянного волокна Влажность, % 2-5 2-5 Теплопроводность, Вт/м·ºС 0,045-0,048 0,046-0,05 Теплоусвоение (при периоде 24 ч), Вт2/м·ºС 0,74-0,81 0,51-0,57 Паропроницаемость, мг/(м·ч·Па) 0,3 0,5 Кроме того, каменная вата выдерживает многие виды химических и биологических воздействий. На поверхности не образовывается плесень, грибок, не распространяется инфекция. С находящимися рядом химически активными веществам иона в реакцию не вступает [2]. Качественная вата, каменная или базальтовая, обладает рядом преимуществ. Она способна выдержать значительные температуры и перепады. После нагревания в атмосферу не выделяется никаких вредных веществ. Состав не притягивает загрязнения и устойчиво их переносит. Плиты легко транспортировать, удобно производить монтаж [3]. Каменная вата на базальтовой основе относится к категории минеральных и произведена на основе горных (каменных) пород, в том числе базальта. В зависимости от производителя средняя цена утеплителя в Магаданской области колеблется от 2 до 4 тыс. руб. за 1 м2 при толщине от 50 до 150 мм [4]. На наш взгляд, серьезной альтернативой базальту при производстве теплоизоляционных материалов выступает вулканический пепел, поскольку и базальт, и пепел являются вулканическими породами. Вулканический пепел - один из продуктов измельчения магмы. Состоит из частей пыли и песка менее 2 мм в диаметре. Выбрасывается в воздух при извержениях вулканов, а затем оседает на земле. Одной из основных особенностей вулканического пепла являются его строительные качества, такие как хорошая теплоизоляция и экологическая безопасность. Вулканический пепел представляет собой рыхлую тонкообломочную породу с размерами частиц менее 5 мм, состоящих из вулканического стекла и кристаллов различных горных пород, преимущественно мелких зерен вулканического шлака и пемзы [5]. Месторождения вулканического пепла имеются на Камчатском полуострове, в Закавказье и на Северном Кавказе. Например, Кенженское и Каменское месторождения Кабардино-Балкарии располагают запасами вулканического пепла 20-25 млн м3 [6]. Химический состав вулканического пепла может колебаться от кислого (68-72 % SiО2) до основного (48-52 % SiО2). Объемная масса вулканического пепла 500-1300 кг/м3, истинная плотность 2,8 г/см3, пустотность 50-55 %, пористость 50-70 %, водопоглощение до 35 %. Для сравнения приведем химический состав базальта: SiО2 45-52 %, Al2O3 15-18 %, Fe3O4 8-15 %, CaO6 6-12 %, MgO 5-7 %. Как видим, по химическому составу они схожи [7]. Вулканический пепел применяется сельскими строителями в качестве мелкого заполнителя в керамзитобетоне, в качестве заполнителя в плотных и поризованных конструкционно-теплоизоляционных пеплобетонах марок 50-100 объемной массой 1200-1550 кг/м3 и в штукатурных растворах [8]. В рамках данного исследования нами выбрана Магаданская область, где имеются месторождения вулканических пеплов. Приведем их краткую характеристику. Хасынское и Уптарское месторождения вулканических пеплов находятся в 60 и 40 км к северу от Магадана, они открыты в 30-40-е гг. прошлого века. Месторождение Хасынское (Красавинское) - 60°02'52'' c.ш., 150°47'23'' в.д., расположено на правобережье руч. Красавица в 2 км к северо-востоку от пос. Стекольный. Мощность верхней залежи от 0,4 до 20,3 м, длина 750 и ширина до 530 м. Мощность нижней залежи до 6 м, длина 1100 и ширина до 500 м. Мощность вскрыши от 1 до 24 м. В западной части месторождения обе залежи сливаются, образуя единое тело мощностью 30 м. Преобладает белый и серо-белый вулканический пепел, на 99,8 % состоящий из обломков кислого вулканического стекла. Плотность пеплов 2,33, объемная масса 1,50-1,82 г/см3, естественная влажность 20,8-36,2 %, температура плавления до 1200 °С. По состоянию на 1.01.1992 запасы в целом по месторождению по категориям А+В+С1 составляют 3757 тыс. м3. Отработка месторождения проводилась открытым способом. Сейчас месторождение законсервировано. В естественном залегании вулканические пеплы представляют собой снежно-белые тонкозернистые и тонкопористые рыхлые, постоянно сухие (гидрофобные) породы, относительно слабосцементированные, но способные удерживать вертикальные стенки. Они легко режутся ножом, в руке рассыпаются в мелкий порошок с едва ощутимой зернистостью [9, с. 19]. Вулканический пепел может применяться в естественном виде (в строительстве), но чаще используется вспученный перлит. Использование перлита в строительстве позволяет повысить характеристики тепло-, звукоизоляции и пожаробезопасности возводимых сооружений, значительно сократив при этом массу и объемы конструкций. По заключению Киевского НИИ стройматериалов, хасынский вулканический пепел является наилучшим в мире сырьем для производства облегченных бетонов и теплоизоляторов. Достоинство магаданских пеплов в том, что, в отличие от камчатских, они не требуют измельчения и обогащения и при нагревании до 1000 °С превращаются в тонкодисперсный вспученный белый порошок. Сейчас Хасынское месторождение не отрабатывается, а подвергается эрозионному разрушению за счет выноса пепла временными водными потоками. Аналогов данным месторождениям в России нет. Возможные покупатели пепла и продукции на его основе за рубежом - Корея, Китай [10, c. 61]. Исследователи считают, что если заменить составляющие цемента измельченной вулканической породой, то это позволит снизить потребление энергии и выброс СО2 при производстве строительных материалов почти на 20 % [11]. Сегодня магаданские ученые располагают необходимой базой для полноценных исследований вулканического пепла. В активе сотрудников современное оборудование, которое позволяет анализировать все на местах, не отправляя образцы в другие институты России или зарубежья [12, 13]. Поскольку нами рассматривается возможность производства теплоизоляционных материалов на основе вулканического пепла [14], необходимо выполнить теплотехнический расчет ограждающих конструкций [15]. Теплотехнический расчет наружной стены здания I. Сбор исходных данных для города Магадана 1. Расчетная температура наиболее холодных пяти суток (табл. 3.1, столб. 5 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология») 2. Средняя температура отопительного периода (табл. 3.1, столб. 12 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология») 3. Продолжительность отопительного периода (табл. 3.1, столб. 11 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология») дней. 4. Расчетная температура внутреннего воздуха 5. Относительная влажность воздуха 6. Влажностный режим помещения (прил. В, СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»): сухой. 7. Зона влажности (табл. 1, СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»): нормальная. 8. Условия эксплуатации (табл. 2, СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»): А. II. Определение градусосуток отопительного периода (1) где ГСОП - градусосутки отопительного периода, °С·сут/год; tв - расчетная температура внутреннего воздуха; - средняя температура отопительного периода, °С; - продолжительность отопительного периода, дни. По табл. 3 СП 50 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» определяем , используя интерполирование таблицы: м2·°С/Вт. (2) где - требуемое сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; - минимальное сопротивление теплопередаче в табл. 3 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», м2·°С/Вт; - максимальное сопротивление теплопередаче в табл. 3 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», м2·°С/Вт; ГСОП - градусосутки отопительного периода, °С·сут/год; - минимальные градусосутки отопительного периода в табл. 3 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», °С·сут/год; - максимальные градусосутки отопительного периода в табл. 3 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», °С·сут/год. III. Определение толщины утеплителя и приведенного сопротивления теплопередаче многослойной ограждающей конструкции В табл. 2 представлены характеристики материалов принятой стены здания из кирпича толщиной 0,38 м. Таблица 2 Характеристики материалов Table 2 Characteristics of materials № п/п Наименование материала r, кг/м3 d, м l, Вт/м×°С R, м2×°С/Вт 1 ГКЛ 800 0,015 0,15 0,1 2 Кирпич трепельный 1200 0,38 0,47 0,809 3 Плита минераловатная каменная 200 d3 0,046 d3/0,046 4 Штукатурка 950 0,02 0,41 0,049 Находим требуемые условные сопротивления теплопередаче по формуле м2·°С/Вт, (3) где - требуемое условное сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; - требуемое сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности, принимаемый равным 0,87 (табл. 6 СП 23-10-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»). Определяем требуемые значения сопротивления теплопередаче слоя утеплителя по формуле (4) где - требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя, м2·°С/Вт; - требуемое условное сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции: , м2·°С/Вт. - сопротивление тепловосприятию. В данном выражении заменяется коэффициентом теплоотдачи внутренней поверхности (табл. 4 СНиП II-3-79*): (5) - сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности, заменяется коэффициентом теплоотдачи наружной поверхности ограждения . (6) Определяем требуемое сопротивление теплоотдаче слоя утеплителя: м2·°С/Вт. (7) Рассчитываем толщину утеплителя: (8) где - толщина слоя утеплителя, м; - требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя, м2·°С/Вт; - коэффициент теплопроводности слоя утеплителя, Вт/м2·°С. IV. Определение приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены м2·°С/Вт, (9) где - приведенное сопротивление телопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - сопротивление тепловосприятию; - сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности; - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции: , м2·°С/Вт. м2·°С/Вт, (10) где - сопротивление теплопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - приведенное сопротивление телопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности, принимаемый равным 0,87. Проверяем условие: - условие сопротивления теплопередаче выполнено, значит, толщина утеплителя подобрана верно. V. Проверка конструкции на невыпадение конденсата на внутренней поверхности ограждения Определяем температуру внутренней поверхности ограждающей конструкции: (11) где - температура внутренней ограждающей конструкции, °С; - расчетная температура внутреннего воздуха, °С; - расчетная температура наиболее холодных пяти суток, °С; - сопротивление теплопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности; n - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (n = 1). Температура точки росы равна 9,3 °С. Проверяем условие: - условие невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения выполняется. VI. Определение толщины промерзания ограждающей конструкции (графическим методом) Строим график и определяем глубину промерзания конструкции (рис. 1). Рис. 1. График промерзания стены Fig. 1. The chart of freezing of the wall Из графика видим, что глубина промерзания ограждающей конструкции VII. Проверка ограждающей конструкции на температурный перепад Температурный перепад между температурой воздуха внутри помещения и температурой ограждающей конструкции не должен превышать нормированный . Проверяем условие: - условие выполняется. Таким образом, температурный перепад выдержан. В табл. 3 представлены характеристики материалов принятой стены здания из кирпича толщиной 0,51 м. Находим требуемые условные сопротивления теплопередаче по формуле м2·°С/Вт, (12) где - требуемое условное сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; - требуемое сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности, принимаемый равным 0,87 (табл. 6 СП 23-10-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»). Таблица 3 Характеристики материалов Table 3 Characteristics of materials № п/п Наименование материала r, кг/м3 d, м l, Вт/м×°С R, м2×°С/Вт 1 ГКЛ 800 0,015 0,15 0,1 2 Кирпич трепельный 1200 0,51 0,47 0,809 3 Плита минераловатная каменная 200 d3 0,046 d3/0,046 4 Штукатурка 950 0,02 0,41 0,049 Определяем требуемые значения сопротивления теплопередаче слоя утеплителя по формуле (13) где - требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя, м2·°С/Вт; - требуемое условное сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт; - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции: , м2·°С/Вт. - сопротивление тепловосприятию. В данном выражении заменяется коэффициентом теплоотдачи внутренней поверхности (табл. 4 СНиП II-3-79*): (14) - сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности, заменяется коэффициентом теплоотдачи наружной поверхности ограждения : . (15) Определяем требуемое сопротивление теплоотдаче слоя утеплителя: м2·°С/Вт. (16) Рассчитываем толщину утеплителя: (17) где - толщина слоя утеплителя, м; - требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя, м2·°С/Вт; - коэффициент теплопроводности слоя утеплителя, Вт/м2·°С. VIII. Определение приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены м2·°С/Вт, (18) где - приведенное сопротивление телопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - сопротивление тепловосприятию; - сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности; - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции: , м2·°С/Вт. м2·°С/Вт, (19) где - сопротивление теплопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - приведенное сопротивление телопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности, принимаемый равным 0,87. Проверяем условие: - условие сопротивления теплопередаче выполнено, значит, толщина утеплителя подобрана верно. IX. Проверка конструкции на невыпадение конденсата на внутренней поверхности ограждения Определяем температуру внутренней ограждающей конструкции: °С, (20) где - температура внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С; - расчетная температура внутреннего воздуха, °С; - расчетная температура наиболее холодных пяти суток, °С; - сопротивление теплопередаче наружной стены, м2·°С/Вт; - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности; n - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (n = 1). Температура точки росы равна 9,3 °С. Проверяем условие: - условие невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения выполняется. X. Определение толщины промерзания ограждающей конструкции (графическим методом): Строим график и определяем глубину промерзания конструкции (рис. 2). Из графика видим, что глубина промерзания ограждающей конструкции Рис. 2. График промерзания стены Fig. 2. The chart of freezing of the wall XI. Проверка ограждающей конструкции на температурный перепад Температурный перепад между температурой воздуха внутри помещения и температурой ограждающей конструкции не должен превышать нормированный Проверяем условие: - условие выполняется. Таким образом, температурный перепад выдержан. Рассмотрим расходы на транспортировку вулканического пепла от месторождения до пункта предполагаемого производства теплоизоляционного материала. Примем для транспортировки автомобиль марки МАЗ-6501С9 при условии, что автомобиль находится в лизинге. Среднее расстояние перевозки груза 80 км. Результаты расчета приведены в табл. 4-6. Таблица 4 Результаты расчета по перевозке груза Table 4 The results of the calculation of shipping Показатели Ед. изм. Значение Расстояние перевозки груза км 80 Объем загрузки автомобиля м3 20 Насыпная плотность материала кг/м3 1500 Средняя скорость движения автомобиля по автодороге км/ч 60 Среднее время на загрузке мин 20 Среднее количество рабочих дней в месяце дней 26 Среднее количество рабочих часов в сутках ч 20 Стоимость топлива руб./л 50 Средний расход топлива л/100 км 60 Количество водителей, работающих на одном автомобиле чел. 2 Средние расходы на ремонт и ТО на один автомобиль тыс. руб./мес. 150 Лизинговые расходы на один автомобиль тыс. руб./мес. 200 Прочие расходы, включая дорожные сборы на один автомобиль тыс. руб./мес. 100 Налоговые выплаты, за исключением налогов с заработной платы 5 % от выручки Плановая сумма прибыли на один автомобиль тыс. руб./мес. 200 Таблица 5 Тариф на перевозку груза самосвалом Table 5 Tariff for transportation of goods by dump truck Наименование показателя Абсолютное значение Относительное значение руб./м3 руб./т руб./м3·км руб./т·км Тариф на перевозку самосвалом на расстояние 50 км (V = 20 м3) 370 248 7,4 5 Таблица 6 Расходы на перевозку груза Table 6 Shipping costs Наименование показателя Значение показателя за сутки за месяц Пробег автомобиля, км 857 22 286 Среднее количество поездок 8,6 223 Средний объем перевезенного материала, м3 171 4457 Количество затраченного топлива, л 514 13 371 Расходы на перевозку, тыс. руб., в том числе: 63,7 1655 - расходы на топливо, тыс. руб. 30,9 802 - расходы на заработную плату водителей, включая налоги с з.п., тыс. руб. 4,6 120 - расходы на ремонт и ТО, тыс. руб. 5,8 150 - прочие расходы, тыс. руб. 3,8 100 - налоги, кроме налогов с заработной платы, тыс. руб. 3,2 83 - расходы на лизинг, тыс. руб. 7,7 200 Прибыль, тыс. руб. 7,7 200 Заключение Таким образом, вулканический пепел может широко использоваться в странах с высокой вулканической активностью в качестве недорогого сырья для изготовления стройматериалов. Он не требует дополнительной обработки и обладает рядом полезных свойств.

About the authors

A. V Bolotin

Northeastern State University

S. M Sergeev

Northeastern State University

A. A Lunegova

Northeastern State University

E. A Kochetkova

Northeastern State University

References

Statistics

Views

Abstract - 1511

PDF (Russian) - 253

Refbacks

• There are currently no refbacks.