СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТИ БЕТОНОВ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2024 года по МПК C04B28/00 C04B38/00 

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

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

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

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

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

В качестве прототипа принят способ повышения теплоемкости и теплоаккумулирующей способности бетонов и строительных растворов, характеризующийся введением в состав при изготовлении строительных элементов инкапсулированного материала со стоками аффинажного производства, в частности воды или солевого водного раствора в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема (Патент РФ № 2562633, дата приоритета 21.11.2013, дата публикации 10.09.2015, авторы Назиров Р.А., Волков А.Н., Пересыпкин Е.В.).

Недостатком прототипа является ограниченное число ресурсных источников стоков аффинажного производства из перечня организаций, имеющих право осуществлять аффинаж драгоценных металлов, недостаточный теплоаккумулирующий эффект от инкапсулированного материала в виде воды или солевого водного раствора, а также недостаточное условие устойчивости к замерзанию инкапсулированного материала при низких температурах наружного воздуха.

Задачей изобретения является получение теплоемких бетонов и строительных растворов для повышения энергоэффективности строительных объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, включая отрицательные значения температуры окружающей среды в условиях строительства для северных широт.

Для решения поставленной задачи в способе повышения теплоемкости бетонов и строительных растворов путем дополнительного введения к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя, в частности теплоемкого заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в прочной химически стойкой оболочке с возможностью температурного изменения его объема, согласно изобретению, в нем используют капсулированный заполнитель на основе природного сульфата натрия, имеющего большую удельную теплоемкость, чем у обычного бетона, а также бетона, капсулированного заполнителем на основе воды или солевого водного раствора, при этом капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объема.

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

В качестве теплоаккумулирующего вещества в капсулированном заполнителе могут быть использованы как водный раствор природного сульфата натрия (75% всего объема добычи в СНГ по данным 2022 г.; их объемы достаточны для масштабного производства (только у ПАО «Кучуксульфат» - 600 тыс. тонн в год)), так и водный раствор на основе промышленного сульфата натрия.

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

Составы бетонов обычно рассчитывают по абсолютным объемам. Расчетную величину плотности бетона, содержащего менее плотный, но имеющий значительно большую теплоемкость заполнитель, можно определить как сумму плотностей растворной части и заполнителя, умноженных на соответствующие доли их содержания в 1 м³ бетона. Таким образом, зная расчетную плотность бетона, теплоемкости растворной части и заполнителя, можно определить общую теплоемкость системы (композита) по формуле:

где С - удельная теплоемкость системы, кДж/(кг-K); c_m -теплоемкость матрицы бетона, кДж/(м³⋅K); c_L - теплоемкость инкапсулированного раствора, кДж/(м³⋅К); ϕ - доля инкапсулированного раствора в 1 м³ системы; ρ - плотность системы, кг/м³.

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

На фиг. 1 представлена зависимость накопления тепловой энергии материалами от температуры, где 1 - теплоемкий тяжелый бетон с водным солевым раствором; 2 - теплоемкий легкий бетон с водным солевым раствором; 3 - вода; 4 - теплоемкий тяжелый бетон с добавлением инкапсулированного водного раствора сульфата натрия (Na₂SO₄).

Видно, что удельное количество тепла, накопленное при нагреве разработанными составами, меньше, чем у воды, однако, значительно больше, чем у рядовых составов тяжелых и легких бетонов. Большее накопление тепловой энергии теплоемкими материалами по сравнению с обычными позволит аккумулировать тепловую энергию и, тем самым, экономить электрическую и тепловую энергию при эксплуатации строительных объектов.

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

Предлагаемый способ повышения теплоемкости является практически реализуемым и может быть использован для бетонов и растворов различных составов.

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для повышения удельной теплоемкости бетонов и строительных растворов. Способ повышения теплоёмкости бетонов и строительных растворов включает дополнительное введение к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в виде солевого водного раствора в полимерной оболочке с возможностью температурного изменения его объёма, причём капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объёма, а в качестве водного раствора в капсулированном заполнителе используют водный раствор сульфата натрия. Технический результат - повышение удельной теплоемкости бетонов и строительных растворов для обеспечения повышения энергоэффективности строительных объектов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, в том числе в условиях строительства для северных широт. 1 ил.

Способ повышения теплоёмкости бетонов и строительных растворов путём дополнительного введения к основным компонентам на стадии приготовления бетонной или растворной смеси теплоаккумулирующего капсулированного заполнителя в форме капсул, содержащих теплоаккумулирующее вещество в виде солевого водного раствора в полимерной оболочке с возможностью температурного изменения его объёма, причём капсулированный заполнитель вводят в количестве от 10% до 90% объёма, отличающийся тем, что в качестве водного раствора в капсулированном заполнителе используют водный раствор сульфата натрия.