Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка ресурсосберегающей технологии многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов для строительства энергоэффективных зданий

Номер контракта: 14.574.21.0124

Руководитель: Яценко Елена Альфредовна

Должность: зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов»

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергоэффективность строительных конструкций, многослойные теплоизоляционные материалы, золошлаковые отходы, пеностекло, стеклокомпозиционные материалы, ресурсосбережение

Цель проекта:
Разработка технологических решений для создания новых многослойных энергосберегающих теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов для повышения эффективности теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Повышение эффективности переработки отходов пылеугольных электростанций, за счет частичной замены дефицитного сырья (стеклобоя) на золошлаковые отходы при производстве многослойных энергосберегающих теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов, обеспечение уменьшения отрицательного воздействия отходов на окружающую среду и ресурсосбережение.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будут разработаны технологические основы производства теплоизоляционных строительных материалов с использованием в составе шихты - золошлаковых отходов пылеугольных электростанций и бытовых стеклоотходов: стеклогравий искусственный пористый, теплоизоляционные плиты из ячеистого стекла, легкий бетон и получения на их основе многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов, представляющих собой трехслойные стеновые панели с эффективным утеплителем согласно ГОСТ 31310-2005 и декоративным покрытием. Будут установлены принципы комбинаторного синтеза шихт, разработаны технологические режимы влияния на температурно-временные параметры производства, получены новые знания о структуре и свойствах синтезируемых материалов, определяющие их физико-механические, эксплуатационные и декоративные свойства. В рамках проекта будут изготовлены экспериментальные образцы материалов и проведены исследовательские испытания для оценки их соответствия заявленным физико-механическим характеристикам и действующей нормативной документации. Основные характеристики экспериментальных образцов многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов (не менее 9 шт.): размер (350х350х300)±5 мм – не менее 3 шт., (350х350х350)±5 мм – не менее 3 шт., (350х350х400)±5 мм – не менее 3 шт.; коэффициент теплопроводности по ГОСТ 7076-99 не более 0,35 Вт/(м∙°С); типы декоративного покрытия: фасадная керамическая плитка, декоративная штукатурка и бетон с каменной крошкой; расчетное приведенное сопротивление теплопередаче по ГОСТ Р 54851-2011 не менее 2,63 (м²∙°С)/Вт для продукта толщиной 400 мм; группа горючести по ГОСТ 30244-94 – НГ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом будут являться образцы нового многослойного теплоизоляционно-декоративного стеклокомпозиционного материала для повышения эффективности теплозащиты ограждающих конструкций зданий, состоящего из трех слоев:
1) внутренний слой ((350х350х 100; 125; 150)±5 мм): экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3;
2) теплоизоляционный слой ((350х350х100)±5 мм): экспериментальный образец теплоизоляционной плиты из ячеистого стекла плотностью не более 500 кг/м3;
3) наружный слой ((350х350х 100; 125; 150)±5 мм): экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3 с декоративной отделкой.
Наружный слой экспериментальных образцов многослойного теплоизоляционно-декоративного стеклокомпозиционного материала предусматривает применение трех типов декоративного покрытия: фасадная керамическая плитка, декоративный бетон с каменной крошкой и декоративная штукатурка.
Тема исследований соответствует стратегической программе развития технологической платформы «Малая распределенная энергетика» по направлениям «Технологии низких тепловых потерь» и «Комплексные строительные, энергетические, инженерные и архитектурно-планировочные решения поселений и малых городов в целях стандартизации и эффективного использования средств малой распределенной энергетики».
Планируемые результаты проекта позволят решить актуальную задачу по повышению энергетической эффективности гражданского и промышленного строительства, за счет разработки нового типа эффективного и одновременно дешевого теплоизоляционного материала – многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов, при одновременной утилизации золошлаковых материалов пылеугольных электростанций (ЗШМ) и стеклоотходов. Данное технологическое решение будет содействовать снижению объема потребления топливно-энергетических ресурсов, а, следовательно, и уменьшению количества отходов, образующихся на электростанциях.
Новизна выбранного способа решения поставленных задач, заключается в том, что впервые будут разработаны и методологически систематизированы физико-химические и технологические основы комплексной технологии переработки как бытовых стеклоотходов, представляющих смешанный мало востребованный в настоящее время стеклобой разносортного стекла (зеленого и полубелого тарного, оконного и др.), так и ЗШО пылеугольных электростанций и синтез на их основе новой продукции - МТДСМ; будут установлены принципы комбинаторного синтеза шихт, выявлены температурно-временные параметры синтеза, а также влияние данных факторов на фазовый состав и структуру материалов, определяющие их технологические, эксплуатационные и декоративные свойства.
При решении комплексной задачи повышения класса энергоэффективности зданий совместно с декоративной отделкой фасадов и цоколей, а также утилизации и рециклинга ЗШО впервые разработана ресурсосберегающая технология и метод синтеза многослойных теплоизоляционных стеклокомпозиционных материалов, отличающийся от известного метода прессования сэндвич-панелей, имеющих трёхслойную структуру из двух листов жёсткого материала (металл, ПВХ, ДВП, магнезитовая плита) и слоя утеплителя (пенополистирол, минераловатные плиты) между ними тем, что при синтезе конструкции используется метод соединения различных слоев материала без применения токсичного формальдегидного, полиуретанового или другого клея, а используемые материалы химически инертны, выдерживают существенные нагрузки, негорючи, отличаются высокой прочностью, морозостойкостью и долговечностью, разработаны параметры формирования оптимальной структуры, эксплуатационных (плотность, прочность, стойкость к воздействию различных сред и др.) и декоративных свойств многослойных теплоизоляционных стеклокомпозиционных материалов на основе золошлаковых отходов ТЭС. По результатам исследований подано 2 заявки на изобретение (патент РФ).
Для изучения процессов физико-химической переработки ЗШМ и синтеза МТДСМ будет использоваться имеющаяся уникальная приборно-аналитическая база, имеющаяся в университете и созданная в рамках программы инновационного развития вузов, развития инновационной инфраструктуры и др. программ Минобрнауки России. А именно:
а) современное высокоточное оборудование мирового уровня в лабораториях ЦКП «Нанотехнологии)» ЮРГПУ(НПИ): «Пробоподготовка», «Рентгеновские методы исследования», «Спектроскопия», «Высокотемпературный синтез»;
б) научное оборудование кафедры «Технологии керамики, стекла и вяжущих веществ» (высокотемпературные печи, аналитические и лабораторные весы, мельницы, сушильные камеры и др.). Использование современного оборудования и методов диагностики позволит повысить точность и прецизионность критериев оценки производимых исследований, выполнить исследования на высоком научно-техническом уровне и обеспечить высокую конкурентоспособность результатов ПНИ. Качество выполнения ПНИ будет достигаться участием в коллективе высококвалифицированных специалистов в области производства новых материалов.
Полученные статистические данные позволят сформулировать рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках, и выявить технические, художественно-конструкторские и других решения, созданные в процессе выполнения ПНИ с целью отнесения их к охраноспособным объектам интеллектуальной собственности и обосновать целесообразность правовой охраны в стране и за рубежом, выбрать страны патентования. В рамках проекта будет создано не менее 3-х результатов интеллектуальной деятельности, способных к правовой охране, в том числе: в 2015 году – 2; в 2016 году – 1.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ, направленных на создание высокотехнологичного производства трехслойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных стеновых панелей с декоративным покрытием. Применение разработанных технологий утилизации золошлаковых отходов ТЭС с производством многослойного теплоизоляционно-декоративного материала будет способствовать ресурсосбережению и расширению сырьевой базы стройиндустрии, т.к. значительную часть теплоизоляционного слоя многослойного материала составляют золошлаковые отходы - источник дешевого и уже подготовленного сырья. Это в свою очередь так же будет способствовать минимизации техногенное воздействие энергетической промышленности на окружающую среду; позволит высвободить и вернуть в хозяйственный оборот значительные площади земельных угодий, занимаемые отвалами; сократить расходы на содержание отходов на полигонах; обеспечить производство дешевым и подготовленным сырьем.
Разработанные экспериментальные образцы многослойного теплоизоляционно-декоративного материала могут быть применены в строительстве в качестве теплоизоляциионно-отделочных материалов фасадов и цоколей зданий и сооружений. Исключительные свойства данного материала позволят применять его в тех случаях, когда любой другой теплоизолирующий материал будет малоэффективен или вовсе не будет соответствовать требованиям безопасности и техническим условиям. Применение разработанных материалов предполагается при строительстве крупномасштабных зданий и сооружений, в частности в рамках реализации Федеральной целевой программы "Социально-экономическое развитие Республики Крым и города федерального значения Севастополя до 2020 года" предусматривается развитие туристической инфраструктуры полуострова.
Полученные теории, функции, модели и физико-химические основы формирования структуры золы-уноса, шлака, их смеси и синтезируемого на их основе теплоизоляционного слоя будут способствовать развитию и научно-технического задела в области утилизации золошлаковых отходов ТЭС, а также получению новых знаний о структуре и свойствах строительных теплоизоляционных материалов на их основе. Это в свою очередь будет способствовать совершенствованию теоретической подготовки специалистов, инженеров и бакалавров строительных и энергетических специальностей. Кроме того возможно осуществление переподготовки кадров на курсах повышения квалификации и в других формах обучения.

Текущие результаты проекта:
Определены составы для синтеза ячеистых стекломатериалов: а) экспериментального образца стеклогравия искусственного пористого (состав № 1), мас. %: золошлаковые отходы Новочеркасской ГРЭС – 20, стеклобой марки 1-ЗС – 35, стеклобой марки 1-ЗС – 35, первичный порообразователь и модифицирующая добавка – 10; б) экспериментального образца теплоизоляционной плиты из ячеистого стекла (состав № 2), мас. %: золошлаковые отходы Новочеркасской ГРЭС – 50, стеклобой марки 1-ЗС – 20, стеклобой марки 1-БС – 20, первичный порообразователь и модифицирующая добавка – 10, вторичный порообразователь - плавень – 10 (сверх 100 %). Установлены составы порообразователей: а) первичный, мас. %: жидкое стекло – 4, глицерин – 4, вода – 2; б) вторичный, мас. %: натрий фтористый (NaF) – 6, борная кислота (H3BO3) – 4. Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов (МТДСКМ) ПДБК.583127.001ПМ, комплект эскизной конструкторской документации ПДБК.583127.001 и технологическая инструкция ПДБК.25160.00001 для их изготовления. Разработана методика расчета эффективности применения МТДСКМ в строительстве. Разработаны варианты декоративного слоя МТДСКМ, выбраны материалы (фасадная плитка, декоративный бетон и штукатурка) и геометрическая форма фасадных элементов. Синтезированы экспериментальные образцы МТДСКМ: стеклогравия искусственного пористого - 180 л; теплоизоляционных плит из ячеистого стекла - 20 шт.; легкого бетона - 50 кг; МТДСКМ с декоративными покрытиями: фасадной керамической плиткой, декоративной штукатуркой и бетоном с каменной крошкой - 9 шт. Принято участие в 4 конференциях. Разработана программа и методики испытаний спектрофотометрических характеристик декоративного слоя МТДСКМ (ПДБК.574619.001ПМ), проведены испытания и установлены цветовые схемы RGB и CMYK, построена спектрофотометрическая кривая. Полученные результаты соответствуют существующим научным концепциям в данной области и подтверждены многосторонними экспериментальными и теоретическими данными.
В 2015 году по результатам исследовательской работы были достигнуты следующие значения показателей результативности предоставления субсидии: опубликовано 2 статьи в научных журналах «Glass and Ceramics» и «Biosciences, Biotechnology Research Asia», индексируемых в базе данных Scopus; подано 2 заявки на выдачу патентов на изобретения РФ; доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта – 76,6 процентов; объем привлеченных внебюджетных средств – 0,90000112 млн. руб.; средний возраст исследователей - участников проекта – 35 лет; принято участие в 7 международных, всероссийских и региональных конференциях; использовано при выполнении проекта оборудование центра коллективного пользования «Нанотехнологии» ЮРГПУ(НПИ).