vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2024-26-1-127-139vestniktgasu-1695Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSИсследование теплоизоляционных материалов с использованием заполнителей на основе вспененных природных силикатовHeat-insulating foam-silicate materialsВасиловскаяН. Г.VasilovskayaN. G.

Василовская Нина Григорьевна, канд. техн. наук, доцент

660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79/10

Nina G. Vasilovskaya, PhD, A/Professor

79/10, Svobodnyy Ave., 660041, Krasnoyarsk

vasng46@mail.ruБарановаГ. П.BaranovaG. P.

Баранова Галина Павловна, канд. техн. наук, доцент

660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79/10

Galina P. Baranova, PhD, A/Professor

79/10, Svobodnyy Ave., 660041, Krasnoyarsk

putinap@mail.ruРоотЛ. О.RootL. O.

Роот Людмила Олеговна, канд. техн. наук

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Lyudmila O. Root, PhD

30, Lenin Ave., 634050, Tomsk

tolbanowa@tpu.ruВерещагинВ. И.VereshchaginV. I.

Верещагин Владимир Иванович, докт. техн. наук, профессор

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Vladimir I. Vereshchagin, DSc, Professor

30, Lenin Ave., 634050, Tomsk

vver@tpu.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Тоmsk Polytechnic UniversityRussian Federation202423022024261127139Copyright © Василовская Н.Г., Баранова Г.П., Роот Л.О., Верещагин В.И., 20242024Василовская Н.Г., Баранова Г.П., Роот Л.О., Верещагин В.И.Vasilovskaya N.G., Baranova G.P., Root L.O., Vereshchagin V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1695

Актуальным в гражданском и промышленном строительстве является уменьшение материалоемкости строительных конструкций и снижение теплопроводности строительных материалов при сохранении достаточной прочности.

Целью работы является исследование плотности, теплопроводности и прочности теплоизоляционных материалов и мелкозернистых бетонов на цементном вяжущем с применением вспененных силикатов. Для получения пористых заполнителей использовались вермикулит Татарского месторождения (Красноярский край), перлиты Хасынского (Магаданская область) и Мухор-Талинского (Республика Бурятия) месторождений, трепел Потанинского месторождения (Челябинская область).

Результаты. Установлено, что прочность материалов на цементном вяжущем с использованием вспененных силикатов определяется прочностью цементного камня, заполнителя и прочностью контактной зоны цементного камня с заполнителем. Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов на основе вспененных гранул природного дисперсного сырья (вермикулит, перлит, трепел) на цементной связке (23,5 % об.) находится в границах 0,112–0,181 Вт/(м·K), что в 1,5–1,6 раза больше по сравнению с коэффициентом теплопроводности насыпанного слоя гранул.

Предел прочности при сжатии полученных материалов составляет 2,0–4,0 МПа. Прочность при сжатии легких мелкозернистых бетонов при дополнительном введении кварцевого песка до 32 % об. с использованием пластификатора возрастает до 8,5 МПа в композициях с вермикулитом и до 9,4 МПа в композициях с перлитом Мухор-Талинского месторождения.

В зависимости от содержания кварцевого песка плотность бетонов со вспененным вермикулитом меняется от 1100 до 1400 кг/м3, а со вспененным перлитом – от 1300 до 1600 кг/м3. При этом коэффициенты теплопроводности для бетонов с минимальными плотностями соответствуют значениям 0,193 Вт/(м·K) в композиции с вермикулитом и 0,286 Вт/(м·K) в композиции с перлитом. При максимальных плотностях мелкозернистых бетонов коэффициенты теплопроводности увеличиваются до значений 0,277 и 0,411 Вт/(м·K) соответственно.

Purpose

Purpose: The aim of this work is to study the density, thermal conductivity and strength of insulating materials and fine-grained concrete based on cement binder with the use of foamed silicates. Vermiculite from Tatarsky deposit (Krasnoyarsk region), perlite from Khasynsky (Magadan region) and Mukhor-Talinsky (Republic of Buryatia) deposits, and tripoli from Potaninsky deposit (Chelyabinsk region) are used to obtain porous fillers.

Research findings

Research findings: It was found that the strength of materials based on cement binder and foamed silicates is determined by the strength of hydrated cement, aggregate, and contact zone of hydrated cement and filler. The coefficient of thermal conductivity of insulating materials based on foamed granules of natural dispersed raw materials (vermiculite, perlite, tripoli) with cement (23.5 vol. %) ranges from 0.112 to 0.181 W/(m·deg), which is 1.5–1.6 times higher than thermal conductivity of the granular layer.

Compressive strength of the obtained materials ranges between 2.0 and 4.0 MPa. Compressive strength of lightweight concrete with the silica sand content of 32 vol.% and plasticizer, increases up to 8.5 MPa in compositions with vermiculite and up to 9.4 MPa in compositions with perlite from Mukhor-Talinskoe deposit.

Depending on the quartz sand content, the density of concrete with foamed vermiculite and foamed perlite varies from 1100 to 1400 kg/m3 and from 1300 to 1600 kg/m3, respectively. Thermal conductivity of concretes with minimum density is 0.193 W/(m·deg) in the composition with vermiculite and 0.286 W/(m·deg) in the composition with perlite. At the maximum density of fine-grained concrete, the thermal conductivity increases to 0.277 and 0.411 W/(m·deg), respectively.

теплоизоляционный материаллегкий бетонвспененный заполнительвермикулитперлиттрепелпрочностьплотностьтеплопроводностьheat-insulating materiallightweight concretefoamed fillervermiculiteperlitetripolistrengthsoliditythermal conductivityReferencesИскусственные пористые заполнители и легкие бетоны на их основе : справочное пособие / под ред. Ю.П. Горлова. Москва : Стройиздат, 1987. 304 с.Gorlov Yu.P. (Ed.) Artificial porous aggregates and lightweight concrete based on them. Reference guide. Moscow: Stroiizdat, 1987. 304 p. (In Russian)Сапелин А.Н. Лёгкие бетоны нового поколения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 4. С. 79–83.Sapelin A.N. Advanced lightweight concrete. Vestnik BSTU n.a. V.G. Shukhov. 2014; (4): 79–83. (In Russian)Muhtar. Performance-based experimental study into quality zones of lightweight concrete using pumice aggregates // Case Studies in Construction Materials. 2023. V. 18. e01960. URL: https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01960Muhtar. Performance-based experimental study into quality zones of lightweight concrete using pumice aggregates. Case Studies in Construction Materials. 2023; 18: e01960. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01960Karthika R.B., Vidyapriya V., Nandhini Sri K.V., Beaula K.M.G., Harini R., Sriram M. Experimental study on lightweight concrete using pumice aggregate // Materials Today: Proceedings. 2021. 43. P. 1606–1613. URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.762Karthika R.B., Vidyapriya V., Nandhini Sri K.V., Beaula K.M.G., Harini R., Sriram M. Experimental study on lightweight concrete using pumice aggregate. Materials Today: Proceedings. 2021; 43: 1606–1613. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.762Hariyadi H.T. Enhancing the performance of porous concrete by utilizing the pumice aggregate // Procedia Engineering. 2015. V. 125. P. 732–738. URL: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.11.116.Hariyadi H.T. Enhancing the performance of porous concrete by utilizing the pumice aggregate. Procedia Engineering. 2015; 125: 732–738. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.11.116Shannag M.J., Charif A., Dghaither S. Developing structural lightweight concrete using volcanic scoria available in Saudi Arabia // Arabian Journal for Science and Engineering. 2014. V. 39. P. 3525–3534. URL: https://doi.org/10.1007/s13369-014-1019-5Shannag M.J., Charif A., Dghaither S. Developing structural lightweight concrete using volcanic scoria available in Saudi Arabia. Arabian Journal for Science and Engineering. 2014; 39: 3525–3534. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1019-5Rashad A.M. A short manual on natural pumice as a lightweight aggregate // Journal of Building Engineering. 2019. V. 25. P.100802. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.100802Rashad A.M. A short manual on natural pumice as a lightweight aggregate. Journal of Building Engineering. 2019; 25: 100802. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.100802Rajeswari S., George S. Experimental study of light weight concrete by partial replacement of coarse aggregate using pumice aggregate // International Journal of Scientific Engineering and Research. 2015. V. 4. № 5. P. 50–53. URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.762Rajeswari S., George S. Experimental study of light weight concrete by partial replacement of coarse aggregate using pumice aggregate. International Journal of Scientific Engineering and Research. 2015; 4 (5): 50–53. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.762Гладких И.В., Волынкина Е.П. Утилизация зольных микросфер Западно-Сибирской ТЭЦ при получении безобжиговых композиционных материалов // Экология и промышленность России. 2009. № 2. С. 32–36.Gladkikh I.V., Volynkina E.P. Utilization of ash microspheres from the West Siberian thermal power plant in the production of non-firing composite materials. Ecology and Industry of Russia. 2009; (2): 6.Мальцев Е.В., Козлов А.В., Каклюгин А.В., Козлов Г.А. Ячеистые бетоны на основе зольных микросфер Новочеркасской ТЭС // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2003. № 5-2. С. 404–405.Mal'tsev E.V., Kozlov A.V., Kaklyugin A.V., Kozlov G.A. Cellular concrete based on ash micro-spheres at Novocherkassk Thermal Power Plant. Vestnik BSTU n.a. V.G. Shukhov. 2003; 5-2: 404–405. (In Russian)Мальцева И.В., Мальцев Е.В. Мелкозернистые конструкционно-теплоизоляционные легкие бетоны на заполнителе из зольных микросфер // Научное обозрение. 2015. № 20. С. 120–123.Mal'tseva I.V., Mal'tsev E.V. Fine-grained structural and thermal insulation lightweight concrete with filler made of ash microspheres. Nauchnoe obozrenie. 2015; 20: 120–123. (In Russian)Теряева Т.Н., Костенко О.В., Исмагилов З.Р., Шикина Н.В., Рудина Н.А., Антипова В.А. Физико-химические свойства алюмосиликатных полых микросфер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2013. № 5 (99). С. 86–90.Teryaeva T.N., Kostenko O.V., Ismagilov Z.R., Shikina N.V., Rudina N.A., Antipova V.A. Physicochemical properties of aluminosilicate hollow microspheres. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2013; 5(99): 86–90. (In Russian)Енджиевская И.Г., Василовская Н.Г., Гофман О.В., Игнатьев Г.В. Композиционный материал на основе вспученного вермикулита для огнезащитных покрытий // Фундаментальные исследования. 2016. № 2–1. С. 48–53. URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39878Endzhievskaya I.G., Vasilovskaya N.G., Gofman O.V., Ignat'ev G.V. Composite material based on expanded vermiculite for fire retardant coatings. Fundamental'nye issledovaniya. 2016; 2-1: 48–53. (In Russian). Available: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39878Лотов В.А., Кутугин В.А. Использование термической поризации смесей при получении плит из вспученного вермикулита // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 89–91.Lotov V.A., Kutugin V.A. The use of thermal porous mixtures in the production of expanded vermiculite slabs. Stroitel'nye materialy. 2015; (5): 89–91. (In Russian)Жерновой Ф.Е., Мирошников Е.В., Жерновая Н.Ф. Перлит Мухор-Талы как стекольное сырье // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 32–36.Zhernovoi F.E., Miroshnikov E.V., Zhernovaya N.F. Mukhor-Taly perlite as glass raw material. Vestnik BSTU n.a. V.G. Shukhov. 2012; (3): 32–36. (In Russian)Никитин А.И., Стороженко Г.И., Казанцева Л.К., Верещагин В.И. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе трепелов Потанинского месторождения // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 34–36.Nikitin A.I., Storozhenko G.I., Kazantseva L.K., Vereshchagin V.I. Heat-insulating materials and products on the basis of tripolis of Potanin deposit. Stroitel'nye materialy. 2014; (8): 34–36. (In Russian)Казанцева Л.К., Юсупов Т.С., Лыгина Т.З., Шумская Л.Г., Цыплаков Д.С. Пеностекло из механоактивированных бедных цеолитсодержащих пород // Стекло и керамика. 2013. № 10. С. 18–22.Kazantseva L.K., Yusupov T.S., Lygina T.Z., Shumskaya L.G., Tsyplakov D.S. Foam glass from mechanoactivated zeolite-poor rock. Glass and Ceramics. 2014; 70 (9–10): 360–364. https://doi.org/10.1007/s10717-014-9580-7Казанцева Л.К. Особенности изготовления пеностекла из цеолитщелочной шихты // Стекло и керамика. 2013. № 8. С. 3–7.Kazantseva L.K. Particulars of foam glass manufacture from zeolite-alkali batch. Glass and Ceramics. 2013; 70 (7–8): 277–281. https://doi.org/10.1007/s10717-013-9560-3Казьмина О.В., Верещагин В.И., Семухин Б.С., Абияка А.Н. Низкотемпературный синтез стеклогранулята из шихт на основе кремнеземсодержащих компонентов для получения пеноматериалов // Стекло и керамика. 2009. № 10. С. 5–8.Kaz’mina O.V., Vereshchagin V.I., Semukhin B.S., Abiyaka A.N. Low-temperature synthesis of granular glass from mixes based on silica-alumina-containing components for obtaining foam materials. Glass and Ceramics. 2009; 66 (9–10): 341–344. https://doi.org/10.1007/s10717-010-9193-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.