Теплопроводность дерева и газобетона сравнить: Газобетон и дерево — АлтайСтройМаш

Вы можете узнать больше об устойчивости строительных материалов в наших руководствах «От колыбели до колыбели в строительстве» и «Устойчивое строительство».

Что еще нужно знать о строительных материалах 

Давайте перейдем от выбора правильных строительных материалов к их применению на практике. Мы объясняем, что вы должны иметь в виду в реальной жизни, когда речь идет о строительных материалах.

Как правильно рассчитать количество строительных материалов?

Правильный расчет количества с самого начала защищает не только ваш кошелек, но часто и окружающую среду. В этом помогут цифровые решения, такие как строительное программное обеспечение Bluebeam Revu. Вы можете узнать, как работает количественная оценка с помощью этого инструмента, здесь: 

• «Как компании, специализирующиеся на строительстве корпусов, могут максимально эффективно использовать Bluebeam Revu?»
• «5 основных причин использовать объемную ссылку в Revu»
• «Как делать оценки в Revu»
• «Количественные оценки — это самый большой секрет в Bluebeam Revu»

Как лучше всего управлять строительными материалами?

Лучше всего в составе строительной документации указать, какие строительные материалы были доставлены, когда и в каком количестве. Вы также должны записать название конкретного типа и партию. В сомнительных случаях это помогает при рекламациях или осмотре места в случае претензии, особенно если позже строительные материалы больше не видны.

Наш совет: Используйте приложения для руководителей объектов, чтобы следить за строительной площадкой и используемыми строительными материалами.

Какие строительные материалы определят будущее?

Мы верим, что строительные материалы будущего будут экологичными. Многие исследователи работают над созданием строительных материалов с низким содержанием CO2, которые отвечают требованиям с точки зрения функциональности, стоимости и удобства использования. Такие технологии, как 3D-печать в строительстве, также играют здесь все более важную роль.

Прогнозы по строительным материалам на 2022 год

Чтобы иметь возможность предсказывать будущее строительной отрасли, важно обращать внимание на строительные материалы, а также на их цены и наличие. Вот краткий обзор самых важных вещей.

Как долго будут сохраняться перебои с поставками строительных материалов?

Узкие места в поставках строительных материалов существуют с начала пандемии в 2020 году и неоднократно усугублялись множеством различных кризисов. Текущий прогноз (по состоянию на апрель 2022 г.) заключается в том, что дефицит строительных материалов в 2022 г. останется. Узнайте больше об этом, прочитав нашу статью о нехватке строительных материалов.

Когда строительные материалы снова подешевеют?

Наряду с трудностями с доставкой и инфляцией цены на строительные материалы в некоторых случаях резко выросли. Нет никаких признаков этого ослабления в 2022 году (по состоянию на апрель 2022 года). Узнайте больше о тенденциях цен на строительные материалы, прочитав эту связанную статью.

Заключение: устойчивость и кризисы определяют параметры торговли строительными материалами Но что касается строительных материалов, то здесь есть и положительные тенденции: экологичность, как одна из тенденций в строительной отрасли, приобретает все большее значение, когда речь идет о строительных материалах. В то время как бетон все чаще подвергается критике из-за высоких выбросов CO2, все более популярными становятся натуральные строительные материалы, такие как дерево или глина.

Что такое воплощенный углерод в строительстве и как его можно сократить?

Подробнее

Фото предоставлено: Изображение на обложке © Adobe Stock/Flamingo Images, изображение 1 © Adobe Stock/anderssehen, изображение 2 © Adobe Stock/Erik Schumann, изображение 3 © Adobe Stock/OKA, изображение 4 © Adobe Stock /Satoshi, изображение 5 © Adobe Stock/Martin Debus, изображение 6 © Adobe Stock/Alex G, изображение 7 © Adobe Stock/Tomasz Zajda

Теплопроводность теплоизолированных бетонов в корпусе ядерной безопасности реакторного свода: экспериментальная интерпретация

На этой странице

РезюмеВведениеРезультаты и обсуждениеЗаключениеДоступность данныхКонфликты интересовБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Бетоны с теплоизоляцией представляют собой тип альтернативного строительного материала, который помогает улучшить тепловую эффективность в приложениях безопасности для ядерных реакторов. В работе представлены экспериментальные результаты значений теплопроводности легких бетонных материалов при различных температурах. Чтобы свести к минимуму теплопроводность бетона, в качестве альтернативы крупному заполнителю используются различные легкие заполнители и вермикулит. Для расчета значений теплопроводности образцов используются как линейный, так и плоский подходы к источнику тепла. Полученные данные подчеркивают, что увеличение доли легких частиц в бетоне может резко снизить теплопроводность, а легкие заполнители играют жизненно важную роль в теплоизоляции. Включение вермикулита микронного размера еще больше снижает теплопроводность; однако эффект менее очевиден, чем у легких частиц.

1. Введение

Бетон является основным материалом активной зоны, используемым в строительстве хранилища безопасности ядерного реактора, которое действует как последний барьер против высокотемпературных тепловых волн реактора и других продуктов деления. Теплопроводность бетона имеет решающее значение для улавливания тепла и предотвращения его рассеивания в окружающую среду. Из-за их превосходной теплопроводности теплоизолированные бетоны предпочтительнее стандартных бетонов. Это достигается путем замены крупных заполнителей соответствующими легкими заполнителями. Пемза, скорлупа кокосового ореха и вулканическая порода являются наиболее распространенными легкими заполнителями, используемыми в конструкционных легких бетонах. Добавление этого LWA увеличивает теплоизоляцию без ущерба для механических свойств бетона. Плотность, проводимость и коэффициент диффузии падают на 50% при 900°C по сравнению со значениями комнатной температуры. Теплоемкость неуклонно растет до 500°С, затем снижается от 7000°С до 900°С, а затем возрастает выше 900°С [1–3]. Пористость LWA объясняет большее поглощение влаги, чем стандартные заполнители, что влияет на тепловые свойства конструкционного бетона [3, 4]. Прочность бетона на сжатие через 28 дней, рассчитанная с использованием заполнителя из скорлупы кокосового ореха, составляет 19,1 Н/мм ² , что выше стандартного требования к конструкционному легкому бетону [5]. Теплопроводность бетона варьируется от 2,01 до 2,9.5 Вт/м/К в зависимости от заполнителя [6]. Теплопроводность обычного бетона колеблется от 2,194 Вт/м/К до 1,027 Вт/м/К при температуре от 20 ^o C до 1100 ^o C [7]. Согласно исследованиям, теплопроводность традиционных бетонов колеблется от 0,6 до 3,3 Вт/м/К, а легких бетонов — от 0,4 до 1,89 Вт/м/К [8]. Хотя легкие бетоны классифицируются как газобетоны и легкие заполнители (LWA), последний имеет более высокую прочность и плотность, а также более низкую теплопроводность, в дополнение к тому, что требует высокоэнергетического метода производства [9].]. При использовании в качестве мелкого заполнителя пемза резко снижает теплопроводность до 40% [10]. На теплопроводность заполнителя существенное влияние оказывают величина удельной массы заполнителя и объем матрицы заполнителя к общему объему [11]. Введение золы-уноса в определенной пропорции с водой в состав смеси повышает прочность бетона при одновременном снижении теплопроводности [12]. При температуре от 0°C до 50°C обычные бетоны имеют теплопроводность 0,7–0,8 Вт/м·K, тогда как легкие бетоны имеют теплопроводность 0,5–0,6 Вт/м·K. Поскольку LWAC может использоваться для перегородок или барьерных стен из-за его высокой теплопроводности и малого удельного веса, пористость является одним из основных параметров, который напрямую влияет на его теплопроводность [13]. По результатам испытаний DCT увеличение влажности оказывает влияние на механические характеристики бетона [14]. Растрескивание бетона резко снижает теплопроводность при сохранении той же удельной теплоемкости [15]. Как внутренний свод, в котором находится основной сосуд, так и внешний свод, в котором находится спасательный сосуд, представляют собой цилиндрические конструкции. Температура хранилища ограничена 65 градусами по Цельсию, несмотря на то, что температура основного сосуда может достигать 5000 градусов по Цельсию. Температура в армированных внутреннем и внешнем сводах колеблется от 500°C до 550°C и от 65°C до 9°C. 0°С соответственно [16]. Бетон из скорлупы кокосового ореха хорошо известен своей превосходной прочностью сцепления и долговечностью без потери качества [17]. Из-за высоких значений пористости снижаются как теплопроводность, так и прочность на разрыв. Степень повреждения бетона меняется в зависимости от веса, снижения теплопроводности [18]. Было определено, что теплопроводность LWAC пропорциональна объему LWA. Теплопроводность снижается на 7 % при замене пемзой 25 % крупных заполнителей и на 20, 28 и 47 % при использовании 50, 75 и 100 % пемзовых заполнителей соответственно. Теплопроводность снижается с 0,96 до 0,65 Вт/м·К при добавлении 10% вермикулита и нагревании до 900°С. Повышаются механическая прочность и теплопроводность [19]. Поскольку степень снижения прочности существенна при 400 ^o С [20], механическая прочность бетона прямо пропорциональна крупному заполнителю. Когда 40% традиционного заполнителя заменяется кокосовой скорлупой, бетон становится легче, а его плотность снижается на 7,5%. Через 7 дней прочность бетона из кокосовой скорлупы значительно выше, чем у контрольного бетона. Соотношение вода/цемент, по-видимому, зависит от количества используемой скорлупы кокосового ореха; поскольку требовалось больше цемента по мере увеличения количества кокосовой скорлупы [21]. 9Значения 0758 k теплоизоляционных материалов испытаны в стандартных лабораторных условиях. Когда материал подвергается воздействию различной влажности и климатических условий, его тепловые характеристики резко меняются [22]. Увеличение содержания цемента без изменения удобоукладываемости LWAC резко повышает его стойкость [23]. Цель этой публикации — показать, как теплозащитные конструкционные бетоны могут быть использованы в защитных корпусах ядерных реакторов. Текст разделен на две части: Из-за использования легких заполнителей и вермикулита теплопроводность снижается, а прочность увеличивается. С помощью термоигольчатого зонда в сочетании с методом испытаний на термическое формование оценивается теплопроводность. Кроме того, также обсуждается, как эта подходящая комбинация бетонной конструкции будет улучшена для защиты хранилища сосуда ядерной безопасности с помощью экспериментального анализа.

2. Эксперимент

2.1. Первичные материалы

Обыкновенный портландцемент, летучая зола, GGBS (гранулированный доменный шлак), мелкий заполнитель, крупный заполнитель и три легких крупных заполнителя являются основными компонентами [24]. В таблице 1 приведены характеристики цемента и летучей золы. Тщательно промытый и просеянный песок М40 используется в качестве мелкого заполнителя, тогда как балласт используется в качестве стандартного крупного заполнителя, как показано в таблице 2. Модуль крупности крупного заполнителя представлен значением индекса, указывающим средний размер частиц. входит в состав крупного заполнителя. Он оценивается как часть процедуры ситового анализа и выполняется с использованием обычных сит. Стоимость мелких заполнителей может быть рассчитана путем сложения совокупного процента, удерживаемого каждым фильтром, и деления на 100. Пемза, вулканическая порода и дробленая кокосовая скорлупа — это три различных легких заполнителя, получаемых из различных ресурсов и процедур, которые используются в качестве альтернативы обычным крупные заполнители для улучшения тепловых характеристик. В табл. 3 приведены физические параметры легких заполнителей. Вместо заполнителей используется вермикулит микрометрового размера. Вермикулит улучшает тепловые характеристики в сочетании с цементным тестом, поскольку он имеет низкую теплопроводность и плотность, как показано в таблице 4. Оптические изображения изоляционных материалов LWA, использованных для этого исследования, показаны на рисунке 1.

2.2. Испытанные образцы

В таблице 3 показаны 10 возможных смесей заполнителя и вермикулита с различными схемами смешивания. Название образца сокращается с помощью символа, за которым следует число. Число указывает объемный % добавленного вермикулита (т. , N : нормальный заполнитель, P : пемза, V : вулканическая порода и C : скорлупа кокосового ореха) (т. е. N : нормальный заполнитель, P : пемза, V : вулканическая порода и C : скорлупа кокосового ореха) . В таблице 3 показан состав смеси N 0 для конструкционного изолированного бетона, используемого в реакторе с пределом прочности при сжатии более 27 МПа. Относительная плотность и удельный вес компонентов учитываются при расчете количества каждого наименования, необходимого для кубометра бетона. Например, образец идентифицируется по первой букве основного ингредиента, за которой следует общее количество заменяемого вермикулита. Особенности и характеристики обычных и облегченных крупных заполнителей описаны в табл. 4 и 5 соответственно.

2.3. Изготовление и отверждение

Для испытания прочности на сжатие отливается куб размером 150 мм × 150 мм × 150 мм. Для расчета теплопроводности изготавливают форму размером 300 мм × 300 мм × 300 мм. Все кубики извлекаются из формы и отверждаются в резервуаре при комнатной температуре в течение 28 дней (20 ± 3°C). Прочность на сжатие, модуль упругости, плотность и прочность на растяжение при раскалывании измеряют через 28 дней отверждения. Термоформы должны храниться при комнатной температуре и относительной влажности 50% не менее 14 дней. Теплопроводность измеряют только по прошествии не менее 28 дней.

2.4. Измерение теплопроводности

Обычный подход к расчету теплопроводности в адиабатических условиях заключается в измерении теплового потока через образец, что требует сложной экспериментальной установки. В данной работе используются три подхода: метод термоигольчатого зонда, метод термоформования (одномерные и двумерные стационарные условия) и метод термоформования (одномерные и двумерные стационарные условия). Теплопроводность лучше всего измерять в стационарных условиях. Уравнение стационарного состояния выглядит следующим образом:

2.5. Метод термоигольчатого зонда

Два игольчатых зонда используются для выработки тепла в процессе смешивания бетона. Термоигольчатый зонд используется для оценки теплопроводности. Термистор и нагревательный провод встроены в игольчатый зонд из нержавеющей стали длиной 90 мм и диаметром 1,3 мм. В центре вводятся два игольчатых зонда с последующим перемешиванием и затвердеванием бетона. Тепло создается радиально от зонда за счет использования постоянного тока. В течение 2 минут температура регистрируется каждую 1 секунду. Используя уравнение (2), линейная часть изменения температуры во времени используется для расчета теплопроводности k .Q, использованная тепловая энергия. ∆t, изменение во времени. ∆T, изменение температуры.

Для каждого термодатчика измерения проводятся три раза для двух разных входных напряжений (т. е. 10 и 15 В). Поскольку на начальный участок изменения температуры влияет игольчатое соединение с бетоном, проводимость рассчитывается по линейному приращению температуры участка с использованием логарифмической шкалы времени. Бетонные смеси, использованные в данном исследовании, состоят из изотропных и гомогенных компонентов.

2.

6. Метод термического формования

Этот метод передачи тепла предпочтительнее использования термоигольчатого зонда, поскольку последний имеет более низкую эффективность передачи тепла. В этой технике используются нагревательные пластины для передачи тепла от нагревательной пластины к форме. Как в одном, так и в двух измерениях для расчета теплового потока используется метод постоянного теплового потока. В методе одномерного теплового потока используется только одна нагревательная пластина, а остальная часть формы полностью изолирована. При работе с двумерным установившимся тепловым потоком две нагревательные пластины размещают с каждой стороны формы, друг напротив друга. Форма теплоизолирована листовым асбестом, чтобы уменьшить потери тепла. На рис. 2 показана схема образца, а также расположение термопар. Постоянный ток проходит через нагревательные пластины, в результате чего выделяется тепло. Нагревательные плиты состоят из нихромовых спиралей, которые вставляются в фарфоровые канавки и покрываются асбестовым материалом для предотвращения рассеяния тепла в процессе нагрева. Источник постоянного тока (DC), который питает оборудование нагревательной плиты, составляет 3 киловатта. Девять термопар расположены последовательно для измерения температуры каждые 10 секунд. Распространение тепла через форму контролируется четырьмя термопарами, помещенными в форму до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние. Термическое формование превосходит игольчатый зонд, потому что тепло передается по всему образцу за счет плоскостного нагрева образца. Две нагревательные пластины поставляются для обеспечения равномерного распространения тепла с обеих сторон нагревательного элемента. Тепловые свойства оцениваются с помощью уравнения закона Фурье (3), которое учитывает потери тепла из-за атмосферы, тем самым удовлетворяя принципу сохранения энергии. Например, общий объемный процент вермикулита по отношению к заполнителям и удельная теплоемкость образца бетона показаны в таблицах 6 и 7. α -, температуропроводность [м ² /с]. К, теплопроводность [Вт/м/К]. , удельная теплоемкость [Дж/г/к]. &Rgr;, плотность [кг/м³]. Коэффициент тепловых потерь, λ   =   .

В то время как коэффициент тепловых потерь контролирует установившуюся температуру, коэффициент диффузии контролирует скорость повышения температуры. Изменение температуры во времени анализируется с использованием метода конечных разностей, и в уравнение (3) вносятся поправки. Теплопроводность измеряется с использованием удельной теплоемкости и плотности образцов, которые собираются экспериментально после 28 дней отверждения. Согласно табл. 7 средняя удельная теплоемкость бетона составляет 890 Дж/кг/К. В результате рассчитывается теплопроводность. Коэффициент тепловых потерь и прогнозируемая теплопроводность независимы и не влияют на повышение температуры.

2.7. Одномерное стационарное состояние

Если пространственное распределение температур в проводящем объекте больше не меняется, поскольку разность температур, определяющая проводимость, остается постоянной, такая форма проводимости называется установившейся проводимостью. Одномерный тепловой поток применяется, когда тепловая энергия течет по нормали к поверхности.

Если k — константа, то [4]., продольная проводимость. q, внутреннее тепловыделение. , тепловая инерция. , температуропроводность.

При этой процедуре образец бетона подвергается тепловому потоку только с одной стороны, а остальные стороны теплоизолируются для уменьшения рассеивания тепла, как показано на рис. 3. Бетон нагревается до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние. . Температуру образца измеряют каждые две минуты в течение часа. Повышение температуры начинается с термопары, ближайшей к источнику тепла, и продолжается таким образом. Измерения температуры получаются путем присоединения термопар к системе регистратора данных, а теплопроводность рассчитывается на основе значений с использованием уравнения (4). На рис. 4 показана внутренняя структура бетонного свода.

3. Результаты и обсуждение

Из преобладающих действующих факторов для расчета теплопроводности используются методы термоигольчатого зонда и термоформования. Значения одномерного стационарного метода анализируются с записями двух методов для проверки правильности эксперимента. Результаты испытания образца бетона с различными характеристиками отмечаются и анализируются.

3.1. Влияние легких заполнителей и вермикулита

На рис. 5 представлена ​​теплопроводность обычного бетона с различным содержанием вермикулита. Средняя проводимость 2,175 Вт/м/К наблюдается для бетона без добавления вермикулита. Теплопроводность снижается до 1,30 Вт/м/К по мере увеличения количества вермикулита (соответственно уменьшается объем крупного заполнителя), что составляет примерно 43% уменьшение при 30% вермикулита (образец N30). Во избежание исключения крупных заполнителей добавление вермикулита ограничивается не более 30 %.

На рис. 6 показана теплопроводность образцов бетона из пемзы [серия P] по сравнению с образцами бетона с обычным заполнителем. Пемза имеет более высокую пористость и, следовательно, превосходную теплопроводность. Вермикулит добавляют в бетонную смесь для придания механической тонкости и прочности. Кроме того, при повышении объемного содержания вермикулита от 0 до 20 % проводимость образцов пемзобетона падает до 30 %.

На рис. 7 теплопроводность бетона из вулканической породы и кокосовой скорлупы сравнивается с теплопроводностью обычного бетона и бетона на основе пемзы. Сплошная линия представляет теплопроводность обычного бетона по мере увеличения доли вермикулита. Пунктирная линия используется для обозначения того же, что и пемзобетон (серия P). Теплопроводность образца вулканического бетона V0 составляет 1,75 Вт/м/К. Теплопроводность образца была снижена до 1,5 Вт/м/К после добавления 20% объема вермикулита. Теплопроводность снижается на 14% по мере увеличения объема вермикулита. Значения теплопроводности для C0 и V20 сопоставимы. Однако вермикулит не добавляют в бетоны из скорлупы кокосовых орехов для обеспечения тонкости механических свойств. Стоит отметить, что у пемзы самая низкая теплопроводность. Образцы пемзы с 20 % вермикулита обладают наименьшей теплопроводностью.

Сравнение образцов без вермикулита и с 20 % вермикулита для четырех образцов с различными заполнителями показано на рис. крупные заполнители.

3.2. Эффективный диапазон метода термоигольчатого зонда

Игольчатый зонд вставляется в образец бетона до затвердевания и обеспечивает радиальное нагревание образца до определенного расстояния. Поскольку игольчатый зонд находится внутри образца бетона на протяжении всего процесса литья, зарегистрированное значение в различных диапазонах температур отражает характеристики материала в пределах эффективного объема. Количество тепла, создаваемого зондом, измеряется с помощью термопар, заключенных в образец бетона, а теплопроводность рассчитывается с использованием уравнения (1). Основным недостатком этого подхода является то, что выделяемое тепло не полностью рассеивается по блоку; следовательно, используется метод термического формования.

3.3. Результаты метода термического формования

Изменение температуры во времени для четырех отдельных образцов показано на рис. 9 с использованием термопар внутри образца. Разность температур между образцом и нагревательной пластиной представлена ​​красной линией. На основе уравнения экспериментальные данные представлены сплошными линиями, а температура обозначена пунктирными линиями (2). Когда пластина начинает нагреваться, температура быстро повышается и достигает 600 градусов по Цельсию. Температура неуклонно повышается от первой термопары до нагревательной пластины. В переходные периоды наблюдается отставание.

Температура повышается на каждой термопаре по очереди. Если нет потерь тепла, то имеет место совпадение между температурой термопары и асимптотическим значением в установившемся режиме. Несмотря на изоляцию, в стационарном режиме наблюдаются изменения температуры из-за потерь тепла в окружающую среду. Коэффициент тепловых потерь достаточен для учета повышения температуры на четырех термопарах с течением времени. Теплопроводность, измеренная методами термического формования и игольчатым зондом, хорошо согласуется на рисунке 10, демонстрируя важность крупных частиц и вермикулита. Низкая удельная теплоемкость приводит к худшей проводимости при термоформовочном анализе, поскольку теплопроводность имеет обратную и линейную связь. В таблице 8 приведены значения удельной теплоемкости нескольких бетонных материалов, которые варьируются от 79от 5 до 1000 Дж/кг/К. Изменение температуры в течение переходного периода по методу игольчатого зонда можно использовать для расчета удельной теплотворной способности. На рисунках 11 и 12 показаны плотность образцов в зависимости от процентного содержания использованного вермикулита, а также прочность на сжатие в зависимости от доли использованного вермикулита.

3.4. Результаты метода одномерного нагрева

Наносятся на график показания термопар для соответствующих образцов бетона. На рис. 13(а)) показаны показания температуры термопарами в образцах нормальных заполнителей ( 9серия 0758 N ). Каждая композиция обозначена разными символами для большей наглядности. Термопары обозначаются T вместе с номером их позиций ( T 1, T 2 и т. д.). При изучении отмечается, что образец N30 показывает низкую теплопроводность среди других образцов в Серия N при добавлении в смесь 30% фракции вермикулита. На рисунке 13(b) показана температура, зарегистрированная термопарами образцов пемзобетона. Среди всех образцов эффективное снижение теплового потока демонстрирует образец Р20. Пемза действует как отличный изолятор при более высоких температурах.

На рис. 13(в)) показаны значения температуры образцов вулканических пород V0 и V20. Из двух образцов теплопроводность V20 ниже, чем у V0. Здесь распространение тепла дополнительно снижается за счет добавления вермикулита. На рис. 13(d)) показано снижение температуры по всему образцу C0, зарегистрированное термопарами. Из приведенного выше рисунка видно, что среди всех образцов образец Р20 имеет наименьшую теплопроводность и, следовательно, обеспечивает лучшую изоляцию, чем остальные.

3.5. Применение термозащитных бетонов

В таблице 8 приведены механические характеристики затвердевшего бетона после 28 дней твердения. Нормальная плотность бетона колеблется примерно на 15% от 2389 кг/м ³ в N 0 до 2023 кг/м ³ в N 30 при замещении вермикулита до 30%. Согласно рисунку 10, добавление вермикулита в объем не оказывает существенного влияния на снижение плотности в других LWAC. За исключением смеси, содержащей 30 % вермикулита, все смеси достигают прочности на цилиндрическое сжатие в течение 28 дней, равной 28 МПа. Прочность на сжатие обычных бетонов и бетонов LWAC значительно снижается по мере увеличения объема замены вермикулита; однако изменение прочности на сжатие и плотности бетонов из кокосовой скорлупы незначительно. Модуль упругости и прочность на разрыв при раскалывании имеют свойства, сравнимые с плотностью и прочностью на сжатие. Распределение и размер LWA оказывают значительное влияние на механические характеристики бетона. Применительно к конструктивным элементам, таким как стенка защитного корпуса ядерного реактора, механические характеристики изолированного бетона с LWA и вермикулитом соответствуют основному стандарту и нормам. строительства зданий.

3.6. LWA Vermiculate Concrete

Модель RV, показанная на рис. 14, представляет собой увеличенную копию настоящего RV в ядерном реакторе. Он построен из цилиндрического блока высокопрочного бетона с трубой CS, проходящей через середину. Бетонный блок имеет диаметр 10 дюймов и длину 12 дюймов. Труба CS имеет диаметр 1 дюйм и длину 18 дюймов. Оба конца трубы КС соединены с фланцем, который соединяет ее с внешней установкой. Затем модель RV присоединяется к внешней установке, которая обеспечивает циркуляцию теплоносителя (воды) при более высокой температуре. Тепло, выделяемое водой, собирается трубами и передается через бетон.

3.7. Изготовление модели RV

Для изготовления цилиндрического бетонного блока создается соответствующая форма из вермикулита LWA. Основная причина этого заключается в том, что различные строительные материалы требуют разного времени для схватывания. Хотя введение добавок или примесей изменяет время схватывания бетона, все же необходимо следить за тем, чтобы бетон сохранял свою правильную форму. В качестве внешней границы используется блок из ПВХ диаметром 10 дюймов, через середину муфты из ПВХ проходит труба CS диаметром 1 дюйм, а для закрытия одного из отверстий используется деревянная доска. После затвердевания бетона форму для вермикулитового бетона LWA удаляют.

3.7.1. Процедура эксперимента для модели RV

Модель RV прикрепляется к внешней установке с помощью фланца, представляющего собой квадратную часть с просверленными в ней монтажными отверстиями. Труба CS, проходящая через модель RV, также снабжена фланцем того же размера, что и внешняя конфигурация. Внешняя прокладка интерфейса установки поставляется для предотвращения утечки в жилом доме. Резервуар обычно заполнен теплоносителем, которым является вода. С помощью погружного нагревателя он нагревается до температуры 60°C. Скорость потока жидкости регулируется и поддерживается на нужном уровне. Расход определяется расходомером. По мере циркуляции горячей воды по контуру бетон постепенно нагревается. Измерения температуры записывают и заносят в таблицу каждые 5 минут на каждой термопаре. Через заданный промежуток времени модель RV выходит на стационарное состояние и дополнительного роста температуры не происходит.

3.8. Конвективная теплопередача через трубы и бетонную поверхность

На фотографиях показаны многочисленные этапы передачи тепла от воды к бетонной поверхности. Конвективный перенос тепла от горячей воды к трубе показан на рис. 14. Средняя температура воды, протекающей по трубе, была определена равной 56°C, так как тепло передается от воды к поверхности трубы по мере ее течения. Можно заметить, что температура трубы на входе близка к температуре воды, как показано красным цветом, и постепенно снижается по мере приближения к выходу, как показано зеленым цветом. Тепло от поверхности трубы передается на внешнюю поверхность модели RV за счет конвекции, поскольку внешняя установка подвергается воздействию окружающей среды, как показано на рис. 15. Хотя на теплопроводность приходится большая часть передачи тепла через бетон, действие движения воздуха по бетонной поверхности также передает тепло. Поскольку область рядом с трубой поглощает тепло быстрее, чем самая внешняя поверхность, цвет варьируется от оранжевого в начале до темно-синего в конце. Модель RV анализируется с использованием программного обеспечения ANSYS для детального изучения свойств теплопередачи через бетонный материал. Поскольку основным принципом проекта является передача тепла посредством теплопроводности, вся модель RV разбита на мельчайшие узлы с помощью сетки. Понятие создания сетки представляет собой создание сетки по всей модели для анализа таких параметров, как температура, тепловой поток и температурный градиент в определенных точках модели, известных как узлы, и получения результатов.

3.9. ANSYS Thermal Gradient and Thermal Flux Vector Sum

Если в качестве входных данных заданы условия поступления, на этом графике отображаются значения температурного градиента по всем трем осям ( x , y и z ) модели RV. Очевидно, что значения температурного градиента вблизи трубы большие, со значением 702,18 Вт/м, и имеют минимальное значение 75,98 Вт/м на внешней поверхности. По мере приближения к поверхности значения температурного градиента становятся более похожими на условия воздуха. На рис. 16 представлены результаты исследования движения тепла через цилиндрический бетонный блок, а также конвекции в окружающую среду. В центре и на поверхности были узлы с наибольшим тепловым потоком, а на блоке были узлы с наименьшим тепловым потоком, с максимальным значением 1098,93 Вт/м ² . Тепловой поток по оси x для узлового решения отрицательный, со значением 1097,88, обозначающим направление, противоположное потоку против ранее принятого направления, с максимальным значением 1098,93 Вт/м ² в центре и значением −121,639 Вт/м ² по мере приближения к наружным стенам.

4. Заключение

Исследованы экспериментально определенные значения теплопроводности для теплоизолированных бетонов с легкими заполнителями и вермикулитом в качестве материалов-заменителей и объяснены результаты. на основе метода теплового игольчатого зонда и испытаний на термическое формование в одномерном и двумерном тепловом потоке. (2) Замена обычного заполнителя на LWA эффективно снижает теплопроводность, подверженную воздействию сырья. (3) Крупные частицы имеют более сильное воздействие, чем вспученный вермикулит. В этом исследовании пемза с электропроводностью 0,9Показано, что наиболее эффективной изолирующей добавкой является W/m/K на 20–30 % вермикулита. (4) Для обеспечения механической прочности добавление вермикулита ограничено до 20 %. Количественное значение теплопроводности, оцененное при высоких температурах, становится жизненно важным фактором для моделирования и анализа теплового поведения свода безопасности ядерного реактора, построенного из этих бетонов с легким заполнителем. (5) Высокопрочный бетон был залит в соответствии с проектной смесью. Эксперимент проводился на установке, выполнялись расчеты и валидация значений с использованием программного обеспечения ANSYS. Значения теплопроводности (K) для труб из мягкой стали и высокопрочного бетонного материала были определены как 53,3717 Вт/мК и 1,56503 Вт/мК соответственно, что соответствует теоретическим значениям. сосуд (нагревательная пластина) устанавливается на 100°C, разница температур между внутренней (T49) и наружных граней (Т55) внутреннего бетонного свода составляет 3°С, что меньше допустимой разницы температур. При 200°С разница температур между внутренней (Т49) и внешней гранями (Т55) внутреннего бетонного свода составляет 5°С, что меньше допустимой разницы температур. При 300°С разница температур между внутренней (Т49) и внешней гранями (Т55) внутреннего бетонного свода составляет 7°С, что меньше допустимой разницы температур. При 400°C разница температур между внутренним (T49) и наружных граней (Т55) внутреннего бетонного свода составляет 13 ^o С, что меньше допустимой разности температур. При 500°С разница температур между внутренней (Т49) и внешней гранями (Т55) внутреннего бетонного свода составляет 21°С, что меньше допустимой разницы температур.(7)При температуре основного сосуда ( плита нагревателя) была установлена ​​на 57 ⁷ °C, температура внутренней и внешней поверхностей внутреннего бетонного свода составила 7 ¹ °C (T49) и 4 ⁷ °C (T55) соответственно с разницей в 24 °C, что было менее чем допустимым при использовании теплоизоляционных бетонов с легкими заполнителями и вермикулитом в качестве альтернативных материалов. ниже в простом бетоне марок Н0, Н5 и легком заполнителе с теплопроводностью 1,65 Вт/мК, 1,59 Вт/мК и 1,703 Вт/мК соответственно. Это означает, что легкие заполнители вермикулятного бетона сохраняют тепловую энергию, передаваемую теплопроводностью от трубы, не позволяя ей отдавать тепло в окружающую среду.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, включены в статью. Дополнительные данные или информацию можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Университету МизанТепи, Эфиопия, за помощь в проведении исследований и подготовке рукописи. Авторы благодарят Sathyabama Institute of Science and Technology, CMR Institute of Technology и Seoul National University of Science and Technology за помощь в выполнении этой работы. Этот проект был поддержан Исследователями, поддерживающими номер проекта (RSP-2021/315) Университета короля Сауда, Эр-Рияд, Саудовская Аравия.

Ссылки

1. К. Ю. Шин, С. Б. Ким, Дж. Х. Ким, М. Чанг и П. С. Юнг, «Теплофизические свойства и переходная теплопередача бетона при повышенных температурах», Nuclear Engineering and Design , vol. 212, нет. 1–3, стр. 233–241, 2002 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. А. Сайгылы и Г. Байкал, «Новый метод улучшения теплоизоляционных свойств летучей золы», Энергетика и здания , том. 43, нет. 11, стр. 3236–3242, 2011.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. Л. Х. Нгуен, А. Л. Бокур, С. Ортола и А. Нумове, «Экспериментальное исследование тепловых свойств бетонов с легким заполнителем при различном содержании влаги и температуре окружающей среды», Строительство и строительные материалы , том. 151, стр. 720–731, 2017.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

4. C. Tasdemir, O. Sengul и M.A. Au, «Сравнительное исследование теплопроводности и механических свойств легких бетонов», Energy and Buildings , vol. 151, стр. 469–475, 2017.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. К. Гунасекаран и П. С. Кумар, «Легкий бетон с использованием скорлупы кокосовых орехов в качестве заполнителей», в материалах международной конференции по достижениям в области бетона и строительства , стр. 450–459., Вашингтон, округ Колумбия, 30 октября 2008 г.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

6. K. H. Kim, S. E. Jeon, J. K. Kim, and S. Yang, «Experimental Study on Thermal Conduct of бетон», Cement and Бетонные исследования , вып. 33, нет. 3, стр. 363–371, 2003 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. Т. Д. Браун и М. Ю. Джаваид, «Теплопроводность свежего бетона», Matériaux et Constructions , том. 3, нет. 6, стр. 411–416, 1970.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. Т. С. Юн и Ю. Дж. Т.-С. К.-С. Чжон, «Оценка теплопроводности теплоизолированных бетонов», Energy and Buildings , vol. 61, стр. 125–132, 2013 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. Ким Х.К., Чон Дж.Х. и Ли Х.К. Удобоукладываемость, механические, акустические и тепловые свойства бетона с легким заполнителем с большим объемом вовлеченного воздуха, Строительство и строительные материалы , вып. 29, стр. 193–200, 2012.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. С. Видодо, Ф. Маариф, Б. С. Ган и Б. С. Ган, «Теплопроводность и прочность на сжатие легкого раствора с использованием брекчии пемзы в качестве мелкого заполнителя», Procedia Engineering , vol. 171, стр. 768–773, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. М. Давраз, М. Кору и А. Э. Акдаг, «Влияние физических свойств на теплопроводность легкого заполнителя», Procedia Earth and Planetary science , vol. 15, стр. 85–92, 2015 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. А. Нараянан и П. Шанмугасундарам, «Экспериментальное исследование геополимерного раствора на основе летучей золы при различных режимах отверждения для термического анализа», Energy and Buildings , vol. 138, стр. 539–545, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. Сенгул О. , Азизи С. Ф., Ау М. А. Влияние вспученного перлита на механические свойства и теплопроводность легкого бетона, стр. 9.0758 Энергетика и здания , том. 43, нет. 2–3, стр. 671–676, 2011.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

14. H. Kallel, H. Carré, C. La Borderie, B. Masson и NC Tran, «Влияние температуры и влажности на мгновенное поведение бетона», Cement and Concrete Composites , vol. 80, стр. 326–332, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

15. Шен Л., Чжан Р. К., Чжан Л., Хан Ю., Кусатис Г., Кусатис Г., «Экспериментальное и численное исследование эффективной теплопроводности бетона с трещинами», Строительство и строительные материалы , вып. 153, стр. 55–68, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. С. Дивья Рани и М. Сантанам, «Влияние умеренно повышенных температур на инженерные свойства бетона, используемого для сводов ядерных реакторов», Цементные и бетонные композиты , том. 34, нет. 8, стр. 917–923, 2012 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

17. П. Р. Кальяна Чакраварти, Р. Джанани, Т. Иланго и К. Дхарани, «Свойства бетона, частично замененного кокосовой скорлупой, в качестве крупного заполнителя и стальных волокон в дополнение к объему бетона», Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия , том. 183, ID статьи 012028, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

18. W. Zhang, H. Min, X. Gu и Y. Y. Xi, «Мезомасштабная модель теплопроводности бетона», Construction and Building Materials , vol. 98, стр. 8–16, 2015 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

19. Л. Х. Нгуен, А.-Л. Бокур, С. Ортола и А. Нумове, «Влияние объемной доли и природы мелких легких заполнителей на тепловые и механические свойства конструкционного бетона», Строительство и строительные материалы , вып. 51, стр. 121–132, 2014.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

20. М. Сутку, «Влияние вспученного вермикулита на физические свойства и теплопроводность глиняных кирпичей», Ceramics International , vol. 41, нет. 2, стр. 2819–2827, 2015.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

21. Ö. С. Бидечи, «Влияние высокой температуры на легкие бетоны, изготовленные с пемзовыми заполнителями, покрытыми колеманитом», Строительство и строительные материалы , вып. 113, стр. 631–640, 2016.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

22. А. Каноджиа и С. К. Джайн, «Эффективность кокосовой скорлупы в качестве крупного заполнителя в бетоне», Строительство и строительные материалы, , том . 140, pp. 150–156, 2017.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

23. I. Budaiwi и A. Abdou, «Влияние изменения теплопроводности влажной волокнистой изоляции на энергетические характеристики зданий при нагревании влажные условия» Энергетика и здания , том. 60, стр. 388–399, 2013.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

24. М. Аниш, Б. Каниможи, С. Рамачандран и Дж. Н. Джаяпрабакар, «Анализ теплопередачи через высокопрочный бетон с круглой трубой в предохранительном корпусе свода реактора», Международный журнал окружающей среды. , том. 39, нет. 7, стр. 678–684, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Академия Google

Copyright

Copyright © 2022 M. Anish et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Плюсы и минусы каждого

Дерево и бетон широко используются в строительстве. В течение многих лет эти два материала использовались в некоторых из самых знаковых зданий по всему миру.

Древесина легче, с ней легко работать, она долговечна и приводит к меньшему образованию мостиков холода. Бетон, с другой стороны, позволяет проектировать устойчивые и надежные здания.

Оставшаяся часть этой статьи даст вам обзор каждого строительного материала, то есть дерева и бетона. Вы также узнаете плюсы и минусы каждого из них и факторы, которые следует учитывать при выборе строительных материалов.

Базовый обзор использования древесины в строительстве

Население во всем мире уже много лет занимается деревянным строительством. Древесина по своей природе обладает сложными свойствами, но люди успешно использовали эти уникальные характеристики. Древесина используется для строительства различных конструкций, таких как лодки, дома, мебель и предметы интерьера.

Традиционно древесину делят на две категории: хвойные (шишконосные) и лиственные (лиственные). Лиственные породы часто используются для изготовления стен, полов и потолков, а хвойные – для изготовления оконных рам, мебели и дверей. Сегодня также используется инженерная древесина, которая часто используется в строительстве.

Искусственная древесина создается в результате довольно сложного производственного процесса, при котором шпон, древесные стружки, другие виды древесины и волокна соединяются для создания композитного материала, используемого в определенных строительных целях. Некоторые из этих инженерных пород древесины включают клееный брус, ориентированно-стружечные плиты, ДСП и фанеру. Эти изделия используются в промышленном, коммерческом и жилом строительстве.

Одним из преимуществ дерева, которое делает его популярным, является то, что это натуральный продукт, что делает его доступным и доступным. Древесину можно резать на разные формы и размеры. Он экологически устойчив, поскольку является возобновляемым и обеспечивает изоляцию от холода. Помимо этого, существует множество преимуществ и недостатков использования древесины.

Преимущества дерева в строительстве

Древесина уже много лет используется в строительстве. Хотя есть желание сократить его использование по экологическим причинам, его преимущества по-прежнему перевешивают преимущества других продуктов. Некоторые из его плюсов:

Древесина физически жесткая и прочная. По сравнению с другими материалами, он также гибкий и легкий. Древесина имеет структуру годичных колец и прироста, что означает, что вы можете сломать или согнуть ее. Однако вы не можете сжать или растянуть его, потянув за противоположную сторону, поскольку он анизотропен. По сравнению с прочностью на растяжение древесина легкая.

Разные породы дерева имеют разную прочность, но в основном их прочность на растяжение позволяет им выдерживать свой вес лучше, чем другие материалы. Это снижает требования к опорам в различных конструкциях зданий и позволяет увеличить пространство. Это также делает его отличным выбором для тяжелых строительных материалов, таких как конструкционные балки.

Древесина обладает термическими свойствами, которые дают ей преимущество с точки зрения устойчивости к высоким температурам. При повышении температуры древесина высыхает и становится прочнее. Он имеет низкую теплопроводность, что является преимуществом. Это свойство позволяет применять его в различных частях здания, таких как ручки, двери, полы, потолки и стены.

Дерево, в отличие от других материалов, таких как сталь, устойчиво к воздействию электрического тока. Поэтому он оптимален для электроизоляции. В домах, где много электроприборов, это свойство обеспечивает некоторую степень безопасности.

Древесина является возобновляемой, поскольку ее можно выращивать и выращивать заново. На каждое срубленное старое дерево можно посадить новое. Это позволяет более рационально использовать древесину, не нанося вреда планете. Это также делает его легко доступным на местном уровне во многих областях. Таким образом, владельцы зданий экономят на транспортных расходах от мукомольного производства до строительной площадки.

Древесина обладает такими акустическими свойствами, как эхо и звукопоглощение. По этой причине он пользуется большим спросом в конструкциях, где эти акустические свойства пригодятся. Они включают социальные и концертные залы. Вместо того, чтобы отражать или усиливать звук, дерево поглощает его, снижая уровень шума в офисах и жилых помещениях, обеспечивая дополнительный комфорт.

Одним из самых привлекательных аспектов дерева является его естественная красота и визуальная теплота. Древесина, которую архитекторы давно предпочитают для внутренней отделки, также используется на внешних фасадах, чтобы подчеркнуть эстетическую красоту здания. В строительстве используются различные породы дерева. Мягкие породы дерева, такие как пляж, сосна, ясень, кедр, гикори и береза, идеально подходят для изготовления оконных рам, дверей и мебели. Лиственные породы, такие как клен, вишня, дуб, тик, орех и красное дерево, часто используются для изготовления полов, стен и потолков.

В последнее время большое внимание уделяется предотвращению вырубки лесов за счет минимизации использования древесины в строительстве и, возможно, управления парниковым эффектом. Тем не менее, древесина действует как хранилище углерода, который отвечает за парниковые газы. С политикой посадки деревьев, когда вы вырубаете другие, окружающая среда защищается, принося пользу подрядчику и жильцам.

Древесина является натуральным продуктом, поэтому она выделяет меньше углекислого газа и ЛОС (летучих органических соединений). Вместо этого древесина расслабляет жильцов дома, выделяя естественные органические соединения. Другие строительные материалы, такие как бетон и сталь, не поддаются биологическому разложению. Однако древесина при утилизации быстро разрушается и пополняет почву.

Процесс производства древесины довольно прост, поскольку древесина легкодоступна по сравнению с другими материалами, такими как бетон и сталь. В процессе производства древесины меньше воздействия на окружающую среду и образования сточных вод по сравнению со сталью. Побочные продукты, такие как кора и щепа, пригодятся в качестве биотоплива на лесопилках, способствуя снижению нагрузки на ископаемое топливо.

Системы для измерения влажности, такие как Grade Recovery Program и Wagner Meters’ Moisture Management, позволяют лесопильным заводам производить меньше отходов и подстилающих материалов, максимально повышая эффективность.

Теплоизоляционные свойства древесины делают ее относительно энергоэффективной. По сути, это означает, что он сохраняет тепло при низких температурах, что позволяет сэкономить на расходах на кондиционирование воздуха. При использовании в качестве напольного покрытия экономится потребность в отоплении, особенно при очень низких температурах в зимнее время. Кроме того, поскольку древесина легкодоступна, ее производство не требует больших затрат энергии.

Минусы использования древесины в строительстве

Хотя древесина традиционно использовалась в строительстве из-за ее природных качеств, тот факт, что она создана на растительной основе, делает ее чувствительной к погоде и условиям окружающей среды. Кроме того, поскольку это натуральный материал, он чувствителен к определенным факторам окружающей среды.

Древесина неустойчива к воздействию воды и влаги. Со временем даже обработанная древесина не сможет противостоять влаге, поэтому будет восприимчива к грибку, вредителям и мокрой гнили.

Грибы и вредители могут выживать при температуре от 25 до 30 градусов Цельсия при наличии достаточного количества кислорода. Влага создает для них благоприятную среду для выживания и переваривания ее в качестве продуктов питания.

Некоторыми насекомыми, ответственными за порчу древесины из-за бурения и забивки тросов, являются морские бурильщики, термиты, муравьи-древоточцы и жуки-почтальоны. Когда функциональность древесины нарушается, она требует обработки или замены, что может быть очень дорогостоящим.

Древесина деформируется, когда она сжимается, набухает или скручивается из-за возраста, влажности окружающей среды и изменений температуры. Как гигроскопичный материал, древесина будет поглощать окружающие пары, которые могут конденсироваться, и отдавать влагу воздуху ниже точки насыщения волокна. Деформация приводит к снижению функциональности областей, требующих точных расчетов, таких как оконные рамы и двери, когда окружающая среда изменяется в соответствии с определенными требованиями.

Если речь идет о пожаробезопасности, древесина не является идеальным строительным материалом. Древесина быстро сгорает, а в худшем случае обработанная древесина выделяет токсичные химические вещества, такие как мышьяк, который смертелен и может привести к смерти в закрытых помещениях. Толстая древесина может увеличить температуру возгорания, но инженерные материалы, такие как двутавровые балки или ориентированно-стружечные плиты, очень горючи и распространяют огонь очень быстро.

Древесина, если оставить ее натуральной и неокрашенной, со временем приобретает серебристый вид. Дерево требует большого ухода, такого как обработка, перекраска и ремонт, которые очень дороги, чтобы сохранить свою молодую привлекательность. Через несколько лет древесина легко ослабевает из-за изменений окружающей среды и погоды, и иногда это может представлять угрозу безопасности, если не принять меры немедленно.

Краткий обзор использования бетона в строительстве

Бетон является распространенным, прочным и жизненно важным элементом, используемым при строительстве многих типов конструкций, таких как тротуары, автостоянки, фундаменты, заборы, стены зданий, мосты и дороги. Бетон подвергается химическому процессу, известному как гидратация, когда он затвердевает и затвердевает после смешивания с водой и укладки. Бетон производится путем смешивания цемента, песка, заполнителя, мелких камней, воды и гравия с получением камнеподобного материала.

Бетон на основе гидравлического цемента был изобретен римлянами, а улучшен и популяризирован англичанами. Сегодня во всем мире люди ежегодно используют более 6 миллиардов тонн бетона. Бетон является пористым в зависимости от пространств, захваченных воздушными пустотами в процессе смешивания и капиллярных пор, заполненных водой после смешивания.

Бетон должен обладать особыми качествами, такими как износостойкость, устойчивость к оттаиванию и замерзанию, ударная вязкость, низкая водопроницаемость и водонепроницаемость, при соблюдении низкого водоцементного отношения. Дополнительные добавки к бетону используются для достижения определенных целей, таких как сокращение времени отверждения.

Плюсы бетона в строительстве

Бетон является неотъемлемым строительным товаром и широко используется. По сравнению с другими материалами бетон обладает уникальными преимуществами, такими как:

Стоимость производства бетона по сравнению с другими конструкционными материалами очень низкая. Его основные ингредиенты, вода, заполнители и цемент, доступны на местном рынке по низкой цене. Его доступность, отказоустойчивость, долговечность, энергоэффективность и низкие требования к обслуживанию снижают эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание, делая его экономичным. Стоимость страховки также ниже по сравнению с другими материалами.

Бетон становится прочнее по мере старения и служит дольше, чем другие материалы. При температуре окружающей среды или обычной комнатной температуре бетон схватывается, затвердевает и набирает прочность, поскольку сцепляется при низких температурах. Независимо от погодных условий бетон сохраняет свою прочность, а значит, и долговечность. Однако его прочность может быть оптимизирована за счет использования добавок.

Бетон может накапливать свою тепловую массу, что способствует снижению температуры в помещении, а также снижению потребности в охлаждении и обогреве до 8%. При использовании с такими технологиями, как водяное или геотермальное отопление, системы охлаждения и теплые полы, бетон повышает энергоэффективность на 70%.

В случае отключения таких услуг, как вода, топливо для отопления или электроэнергия, бетонное здание повышает «пассивную живучесть» за счет минимизации энергопотребления, тем самым повышая комфорт для жильцов. При использовании в дорожном строительстве бетон энергоэффективен по-разному.

Исследования показывают, что по сравнению с асфальтовыми покрытиями бетон требует только одной трети первичной энергии при восстановлении, обслуживании и строительстве. Его жесткая поверхность снижает расход топлива транспортными средствами и выбросы энергии большегрузными автомобилями до 7%. Эффект теплового острова уменьшается из-за их светлого цвета, что, в свою очередь, снижает требования к внешнему освещению и охлаждению.

Химические вещества в воде могут вызвать коррозию бетона. Однако по сравнению с деревом и сталью бетон имеет более высокий уровень устойчивости, что предотвращает серьезное ухудшение качества и снижение качества. Благодаря этому аспекту бетон можно использовать в различных подводных применениях, таких как каналы, трубопроводы, дамбы, набережные и облицовочные сооружения.

В чистой воде бетон не портится, как в загрязненной воде, а добавки углекислого газа, хлоридов и сульфатов вызывают его коррозию. Бетон – плохой проводник тепла. Он может выдерживать и переносить значительное количество тепла в течение примерно от 2 до 6 часов. В случае пожара этого времени достаточно для прибытия спасателей и его локализации.

Бетон полностью инертен после затвердевания и не выделяет никаких токсичных соединений, летучих органических соединений или газов. Инновации, такие как Contempra, которые отверждают бетон углекислым газом вместо воды, позволяют конструкциям содержать самые низкие углеродные компоненты в их жизненном цикле. Поэтому бетон выделяет углерода на 6% меньше, чем древесина.

Бетон функционален и прочен после затвердевания, но его пластичность позволяет дизайнерам создавать из него различные поверхности, текстуры и формы, когда он только что замешан. Существуют такие инновации, как фотокаталитический, предыдущий и сверхвысококачественный бетон. Они позволили найти новые и творческие способы использования, а также сделали возможным решение проблем устойчивого развития.

Бетонные здания прочны, огнестойки и водостойки, а также обладают шумоизоляцией. По этим причинам в течение срока службы они легко трансформируются в другие типы размещения. Повторное использование этих зданий помогает в охране окружающей среды и сохранении ресурсов за счет ограничения разрастания городов.

Бетон можно использовать в качестве подстилающего слоя на автостоянках, дорожном полотне, каменной наброске береговой линии и габионных стенах, перерабатывая его в виде заполнителя или гранулированного материала. Использование бетонных отходов снижает воздействие на окружающую среду при новом строительстве, где потребуется первичный материал.

Бетонные здания не требуют регулярного нанесения, например покраски или покрытия для защиты. Бетон сохраняет свою целостность и форму в течение многих лет без необходимости вмешательства. Покрытия регулярно обновляются и заменяются, что снижает затраты на техническое обслуживание по сравнению с древесиной.

Минусы использования бетона в строительстве

Хотя бетон является широко используемым строительным материалом, с ним связано много недостатков. Их можно модифицировать, добавляя добавки или изменяя ингредиенты и структуру бетона, но все равно будут ограничения, такие как:

Бетон – это  квазихрупкий материал, поскольку он проявляет характеристики деформации и размягчения. Он подвергается минимальным деформациям без предупреждения перед выходом из строя. Бетон имеет значительно низкую ударную вязкость, что способствует его разрушению. В сочетании со сталью он эффективно увеличивает нагрузки на растяжение и сжатие.

Низкая прочность бетона на растяжение приводит к образованию трещин, а усадка происходит из-за высыхания или расширения из-за влаги. Следовательно, необходимо укрепить его арматурными стержнями и предусмотреть строительные швы, чтобы компенсировать естественное расширение и сжатие материала. Из-за низкой пластичности бетон может испытывать ползучесть, которая со временем приводит к деформации. Поэтому необходимо внимательно относиться к высотным зданиям, выдерживающим большие нагрузки.

Опалубка необходима для придания формы жидкому бетону и поддержки его веса. Закупка и установка опалубки являются дорогостоящими и требуют много времени и трудоемких работ по установке. Существуют инновации в области сборных и сборных конструкций, позволяющие устранить эти ограничения.

Чтобы бетон достиг указанной прочности на сжатие, он должен затвердевать в течение 28 дней после заливки. Также требуется надлежащая температура окружающей среды, которую контролируют в течение месяца, чтобы набрать полную силу. Период отверждения можно сократить за счет добавления добавок или отверждения в микроволновой печи и паре. Однако они увеличивают стоимость.

Бетонные конструкции требуют квалифицированной рабочей силы и строгого контроля качества при укладке, отверждении и смешивании. Это гарантирует высокое качество бетона. В противном случае бетон будет испытывать проблемы с производительностью, низкой долговечностью и прочностью. В некоторых случаях требуется специализированная техника, особенно при высотном строительстве, чтобы сохранить его качество и облегчить работу.

Что следует учитывать при выборе строительного материала

При строительстве дома или коммерческого здания используемый материал отвечает не только за внешний вид, но и за его прочность и долговечность. При выборе строительного материала учитывайте следующие факторы:

Цены на строительные материалы существенно различаются. Несмотря на то, что существует множество материалов на выбор, важно провести анализ затрат и результатов. Самый дешевый материал не всегда самый лучший. Однако, если удовлетворены другие потребности, такие как долговечность, экономичный материал, который вписывается в ваш бюджет, может работать.

Эстетика может играть важную роль при выборе строительного материала. Структура должна иметь хороший внешний вид. От стен и отделки выбранный строительный материал должен помочь добиться желаемого вида.

Тип возводимой конструкции также определяет тип используемого материала. Например, в случае высотного здания сталь или бетон, вероятно, будут лучшим вариантом. Древесина обычно используется для малоэтажных домов. В случае коммерческого здания, где существует риск возгорания, дерево может быть не идеальным вариантом, поскольку оно быстрее сгорает по сравнению с бетоном.

Обычно лучше всего выбирать материал, который легко доступен на месте. Таким образом, его можно будет доставить удобно, избегая задержек. Доступность строительных материалов также играет роль в снижении транспортных расходов по сравнению с их транспортировкой на большие расстояния.

Выбранный строительный материал должен обладать особыми инженерными характеристиками, чтобы он мог работать эффективно. К таким характеристикам относятся прочность, долговечность, звукоизоляция, огне- и водонепроницаемость.

Строительный материал должен обладать конструктивными способностями выдерживать строительные нагрузки. Его свойства должны гарантировать, что жильцы могут жить комфортно, не испытывая каких-либо неблагоприятных воздействий, таких как химические выбросы.

Климат играет жизненно важную роль при выборе строительных материалов. Например, в очень холодных районах или зимой древесина может стать отличным выбором из-за ее изоляционных свойств. В тропических районах или летом бетон способен сохранять прохладу в здании. В целом, это позволит сэкономить на расходах на кондиционирование воздуха в эти сезоны, в зависимости от строительного материала. Окружающая среда на протяжении десятилетий игнорировалась, когда речь шла о строительстве. Однако экологические проблемы, такие как использование сырья, истощение природных ресурсов, химические выбросы, содержание энергии и глобальное потепление, сегодня рассматриваются все больше и больше.

Здания нуждаются в техническом обслуживании, чтобы сохранить их эстетическую красоту, долговечность и безопасность. При выборе материалов необходимо учитывать, будет ли их легко обслуживать, как часто это требуется и какие затраты будут понесены.

Материал хорошего качества обычно требует меньшего и более доступного обслуживания. Дешевые строительные материалы могут поначалу укладываться в краткосрочный бюджет, но в будущем они будут стоить дороже.

Различные строительные материалы имеют разные строительные процессы. Некоторым может потребоваться специализированный персонал и оборудование, поэтому они являются более дорогостоящими.

В других случаях на строительной площадке потребуются дополнительные работы, такие как уборка мусора, выравнивание земли и углубление для более устойчивого фундамента. Безопасность рабочих также важна, когда материал требует много работы и использования опасного оборудования.

Надежный поставщик сделает все возможное, чтобы обеспечить качественные материалы и отличный сервис. Качественные материалы дают зданиям желаемый результат и делают их долговечными. Надежный поставщик также предложит вам такие услуги, как транспортировка до места, а иногда и доставка, когда возникают внезапные потребности.

Как правило, рекомендуется работать с местным поставщиком и проверять отзывы или рекомендации бывших клиентов.

Строительная отрасль быстро развивается. Наряду с ростом спроса на бетонные материалы также растет спрос на многоразовые и экологически чистые материалы. Возобновляемые материалы, такие как древесина, снижают потребность в будущем производстве новых материалов. Процесс строительства также определяет возможность повторного использования материалов.

Заключение

Дерево и бетон являются популярными строительными материалами, имеющими различные преимущества и недостатки. Владельцы зданий должны учитывать техническое обслуживание, доступность, поставщика, климатические и экологические условия, тип конструкции, устойчивость, процесс строительства и долговечность, прежде чем совершать покупку.

Бетон имеет такие преимущества, как низкие требования к обслуживанию, универсальность, долговечность и водостойкость, и недостатки, такие как длительное время отверждения, низкая прочность на растяжение и квазихрупкость. Древесина обладает теплоизоляционными свойствами, эстетической красотой, экологична. Однако он подвержен заражению вредителями и гниению из-за проникновения влаги.

Источники

• Понимание строительства зданий: дерево/древесина/ пиломатериалы как строительный материал
• RTF: 8 факторов, которые следует учитывать при выборе материалов для вашего проекта
• Civil RnD: 7 факторов, влияющих на выбор строительных материалов
• The Herald: факторы, которые необходимо учитывать при выборе строительных материалов
• Hunker: недостатки древесины
• Team Инжиниринг: плюсы и минусы дерева как строительного материала
• Измерители Вагнера: преимущества дерева как строительного материала
• Pro Crew: Бетон в строительстве; его использование, преимущества и типы
• Откройте для себя заново бетон: преимущества бетона
• Civil Digital: преимущества бетона
• Lafarge: 10 преимуществ бетона перед другими строительными материалами
• Engineering Civil: ограничения бетона; 8 причин
• О Civil. com: Недостатки бетона в строительстве

Тепловые свойства и преимущества изоляционных пенобетонных пен

Введение

Изменение климата является одной из самых тревожных глобальных проблем, которые мировые лидеры пытались решить с момента начало 21 века. Поскольку осведомленность общественности об экологических проблемах продолжает расти, это также оказывает более заметное влияние на выбор потребителей. Глобальные усилия по обеспечению более устойчивого образа жизни получили широкое распространение, о чем свидетельствует резкий рост производства и продажи экологически чистых технологий на многих мировых рынках.

Одним из примеров отрасли, на которую сильно влияет стремление потребителей к устойчивому развитию, является строительный сектор. Производители на этом рынке пытаются производить более экологически чистые продукты и производить их с использованием устойчивых и экологически чистых технологий. Это повышенное внимание к энергосберегающим возможностям продукта привело к резкому росту популярности изоляционных пенобетонов (ICF) в качестве предпочтительного материала для строительства новых зданий. Недавно провозглашенная оценка и увеличение спроса на МКФ привели к более глобальному производству материала, поскольку он используется во многих странах для различных коммерческих проектов, включая строительство квартир, отелей, магазинов и зданий кинотеатров.

ICF R-значение

Изоляционные пенобетонные пены предлагают более прочную, изоляционную и устойчивую альтернативу традиционным зданиям с деревянным каркасом, которая имеет как долгосрочные экономические, так и экологические преимущества с точки зрения снижения затрат и энергопотребления. Секрет их тепловой мощности заключается в сочетании пониженной теплопроводности и конвекции, а также в высокой тепловой массе. Эта выигрышная комбинация не только снижает энергопотребление здания, но и повышает комфорт внутри, блокируя сквозняки и обеспечивая превосходное поглощение тепла. На большинство желаемых тепловых свойств, отображаемых ICF, указывает их высокое значение R. «r» в значении R означает сопротивление материалам с более высоким значением R, имеющим лучшее сопротивление тепловому потоку по сравнению с материалами с низким значением R. Пенополистирол, из которого изготовлен ICF, является одним из лучших изоляционных материалов на рынке. ICF обычно содержат 5-дюймовую изоляцию из пенополистирола с испытательными изоляционными свойствами в диапазоне от R-22 до R-26.

Изоляция EPS также обладает оптимальными звукопоглощающими свойствами. Они пропускают только примерно на 12,5–25 % больше звука по сравнению с деревянными стенами. В глазах владельца бизнеса этот ключевой компонент МКФ делает его крайне желательным, особенно если здание расположено на шумной городской улице или в центре мегаполиса. Кроме того, здания и дома, построенные с использованием этих материалов, обеспечивают уровень безопасности, с которым мало кто может сравниться. В среднем они в 10 раз прочнее стандартной рамной конструкции и в несколько раз прочнее конструкции CMU из «шлакоблоков».

Комбинация ICF и EPS пользуется большой популярностью у военных и правоохранительных органов благодаря своей взрыво- и баллистической стойкости. Пенополистирол уникален тем, что он не горит при воздействии высокой температуры, а вместо этого плавится. Несмотря на плавление в этих условиях, он не станет топливом для огня и обладает самозатухающими свойствами благодаря антипирену, добавляемому в пенополистирол всеми ведущими производителями ICF.

Рис. 1: Крупный план изоляции ICF с металлическим армированием.

Значения R являются ключевыми для измерения теплового сопротивления материала, однако при попытке оценить энергетические характеристики здания им не хватает уровня детализации, необходимого для определения фактических свойств теплопередачи в качестве единственной рассматриваемой величины. К основным факторам, которые более точно отражают энергетические характеристики здания, относятся теплопроводность, конвекция, излучение и масса.

Рисунок 2: Механизмы теплообмена, включая теплопроводность, излучение и конвекцию.

Теплопроводность ICF

Теплопроводность материала напрямую связана с его способностью эффективно способствовать передаче тепла через него. Теплопроводность также часто называют теплопроводностью, которая представляет собой передачу тепла через материал путем прямого контакта одной молекулы с другой. Проводимость – единственный фактор, который напрямую измеряется значением R. Изоляция с деревянным каркасом имеет значение R, доступное только с точки зрения самого высокого номинального компонента самой изоляции стены. Это значение может вводить в заблуждение, так как большинство строителей обычно называют здание со стенами R-13 или R-21, не раскрывая при этом, что эти значения являются единственным показателем самого высокого и наиболее теплоизолирующего материала во всей конструкции.

Деревянный каркас состоит из нескольких компонентов, которые имеют различные R-значения, что значительно снижает подлинную теплоизоляционную способность здания, а в некоторых случаях составляет лишь половину рекламируемой ценности. С другой стороны, стены ICF состоят из центральной полости, предназначенной для размещения бетона между двумя слоями изоляционной пены EPS, которая обеспечивает два в основном непрерывных слоя изоляции с рейтингом R-22 или выше.

Рис. 3: Пенополистирольные блоки EPS

Тепловая конвекция и ICF

Несмотря на то, что основное внимание изоляционных материалов обычно сосредоточено на теплопроводности, именно тепловая конвекция способствует большей части потерь тепла в здании. Конвекция характеризуется передачей тепла, которая происходит за счет движения токов внутри жидкости или газа. Когда речь идет о конвекции внутри здания, обычно это движение воздуха между внутренней и внешней частью здания или «фильтрация воздуха», которая характеризует качество изоляционного материала.

Обычной мерой измерения, используемой в строительной отрасли для описания фильтрации воздуха, является «обмен воздуха в час» при перепаде давления, создаваемом дверцей вентилятора, в 50 паскалей (ACH50). Стандарты энергетической звезды США для новых домов требуют менее 4-7 ACH50. Эти стандарты чрезвычайно смягчены по сравнению с более строгими правилами, установленными в Канаде, где стандарт R-2000 составляет 1,5 ACH50, и в Швеции, где требуется 0,5 ACH50 или меньше. С точки зрения измерения изоляционных качеств, чем выше значение ACH50, тем сильнее происходит внутренняя и внешняя фильтрация воздуха.

В стандартном здании с деревянным каркасом конвекция проявляется в виде сквозняков и часто является самой большой причиной потерь энергии в здании. Инфильтрация воздуха может составлять более 40% от общей потери энергии, поскольку воздух часто просачивается через многочисленные трещины и стыки между «спичками», составляющими каркас деревянного здания. Типичный недавно построенный деревянный дом будет иметь ACH50 от 1,75 до 3, однако через пару лет это число может резко возрасти до значений от 5 до 10, поскольку древесина сжимается и портится. В старых деревянных домах отсутствует почти какая-либо теплоизоляция, и обычно их значения ACH50 составляют в среднем от 10 до 20.

Здания ICF намного превосходят деревянные каркасные конструкции с точки зрения блокирования воздушного потока и поддержания стабильной температуры в помещении независимо от внешней погоды или климата. Большинство зданий ICF имеют ACH50 0,5-2,5 или меньше, причем эти значения сильно зависят от типа крыши и герметизирующего материала. Этот ограничительный воздушный поток полезен с точки зрения регулирования температуры, однако в этих герметичных зданиях необходимо поддерживать адекватный воздухообмен за счет использования механической вентиляции. Этот тип умеренного воздушного потока можно комбинировать с установками рекуперации тепла/энергии или наземными теплообменниками для дополнительной экономии.

Тепловое излучение и ICF

Тепловое излучение является еще одним важным регулятором использования энергии в здании, и многие не учитывают его при выборе материала для использования при строительстве конструкции. Тепловое излучение характеризуется передачей тепла через электромагнитные волны, которые в случае здания исходят в основном от УФ-излучения, испускаемого солнцем. Влияние этого метода теплопередачи на обмен энергией, происходящий внутри здания, в значительной степени зависит от таких факторов, как местоположение участка и преобладающий климат в этом регионе. Пассивные солнечные конструкции зданий могут помочь оптимизировать поглощающие и отражающие способности здания за счет использования солнечной ориентации, размещения окон и выбора идеальных элементов затенения, таких как выбор отделки и включение тепловой массы.

Рисунок 4: Компоненты конструкции пассивного дома, выходящие за пределы изоляции ICF.

Тепловая масса материала относится к его способности накапливать тепло. Бетон и сырцовые кирпичи имеют большую тепловую массу и действуют как батарея, хранящая тепло, которое высвобождается при понижении температуры окружающей среды. ICF с бетонным внешним видом может накапливать тепло в дневную жару, а затем отдавать его внутри ночью, поддерживая комфортную температуру при почти нулевом потреблении энергии. В умеренном климате бетон выполняет контрастную роль, задействуя пассивный солнечный дизайн, позволяя сильному зимнему солнцу нагревать стены и полы с высокой тепловой массой внутри и снаружи здания. Деревянные рамы почти не имеют тепловой массы, поэтому они не предлагают ни одного из этих преимуществ энергосбережения. Конструкция с высокой тепловой массой может быть легко встроена в стены и полы ICF, что снизит потребность в активных системах отопления и охлаждения за счет поддержания стабильной температуры окружающей среды в течение более длительного периода.

Возможность повторного использования ICF

При изучении тепловых свойств зданий ICF совершенно очевидно, что они могут экономить больше энергии и уменьшать фильтрацию воздуха по сравнению со стандартным деревянным домом, но их преимущества выходят за рамки физических свойств материала. Использование бетона вместо дерева для строительства может сэкономить значительное количество деревьев, потому что весь деревянный каркас исключается. Многие бетоны содержат переработанные компоненты за счет использования дополнительных материалов, таких как летучая зола или шлак, для замены части цементного заполнителя. Старый измельченный цемент также может быть переработан, чтобы уменьшить потребность в первичных заполнителях, и большинство стальной арматуры, используемой в процессе строительства, также могут быть переработаны.

Рисунок 5: Бетонная смесь, содержащая более крупные заполнители.

Здания ICF являются явным лидером среди строительных материалов, поскольку они предлагают лучшие экономические и экологические преимущества по сравнению со стандартными деревянными каркасными зданиями. Хотя первоначальная стоимость строительства из материалов ICF примерно на 3-5% выше по сравнению с классическим деревом, стоимость обслуживания и проживания значительно ниже. Расходы на страхование зданий ICF, как правило, дешевле из-за их повышенной прочности и огнестойкости. Владельцы зданий в конечном итоге скажут примерно на 20% больше о затратах на энергию при строительстве с использованием ICF по сравнению с деревянным.

Заключение

Если предположить, что срок службы здания составляет 100 лет, один дом ICF может сэкономить примерно 110 тонн CO2, что более чем компенсирует выбросы CO2, связанные с производством цемента, используемого для изготовления бетона, и может способствовать усилиям компании стать углеродно-нейтральными или углеродно-отрицательными. В то время, когда все думают об изменении климата, как никогда важно обеспечить совместную работу по минимизации нашего углеродного следа. Одним из способов достижения этой цели является замена устаревших строительных материалов, таких как древесина, современными пенобетонными изоляционными материалами, что позволит как домовладельцам, так и крупным застройщикам внести свой вклад в смягчение негативного воздействия на окружающую среду и сокращение выбросов CO2.

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Каталожные номера

Нужна ли теплоизоляция кирпичному дому? | Кирпичный сайдинг. (2020, 20 марта). Современный дизайн . https://gambrick.com/does-a-brick-home-need-insulation/

Бетонные опалубки с изоляцией — энергоэффективность и R-значения (н.д.). Утепленные бетонные формы ICF от Quad-Lock. Получено 26 мая 2021 г. с https://www.quadlock.com/insulated-concrete-forms/ICF_energy_performance.htm

Изоляционные бетонные формы (ICF) . (н.д.). Получено 26 мая 2021 г. с https://www.cement.org/cement-concrete/paving/buildings-structures/concrete-homes/building-systems-for-every-need/insulating-concrete-forms-(ICFs)

14 июля, Сопротивление, 2020 | Катастрофа, Эффективность, E., Истории, F., Затраты, ICF и ICF?, W. (nd). Преимущества жизни в доме ICF | Журнал ICF Builder . Получено 26 мая 2021 г. с https://www.icfmag.com/2020/07/benefits-of-living-in-an-icf-home/ 9.