Прогнозна оцінка теплозахисних і механічних властивостей конструкційно–теплоізоляційних керамічних матеріалів

Abstract

Пропонується комплексний підхід до визначення раціональної конструкції виробів стінової кераміки на основі моделювання їх поведінки в умовах експлуатації, який використано при розробці технології поризованої конструкційно–теплоізоляційної будівельної кераміки для енергозберігаючого будівництва. Для двох моделей пористо–пустотілих керамічних виробів з поризованим каркасом (40% пустот) і щільним каркасом (60% пустот) проведена прогнозна оцінка їх теплозахисних і механічних властивостей. Розрахунками еквівалентного коефіцієнту теплопровідності моделей на основі закону Фур‘є встановлено, що при зменшенні пустотності виробів з поризованою стінкою коефіцієнт їх теплопровідності знижується на 12%, що покращує теплозахисні властивості. За результатами комп‘ютерно–імітаційного 3D–моделювання поведінки моделей під дією статичних силових навантажень визначено, що поризація керамічного каркасу виробів за їх меншої пустотності приводить до деградації механічної міцності майже пропорційно зниженню пустотності. Проаналізовано напружено–деформований стан 3D–моделей керамічних структур з різною геометрією пор (сферичні, глобулярні, еліпсоїдні) і показано, що напруги концентруються в контактних зонах керамічної матриці з порами, а найбільш міцною є структурна модель зі сферичними порами. Показана доцільність організації такої структури, необхідність зміцнення керамічної матриці матеріалів та локальних зон, оточуючих пори як найбільш уразливих структурних ділянок. Результати прогнозних розрахунків експериментально підтверджені при розробці технології конструкційно–теплоізоляційних керамічних матеріалів композиційного типу на основі легкотопкого суглинку та зольних мікросфер, які забезпечували задану структурну картину керамічного матеріалу.

An integrated approach to determine the rational design of wall ceramic products based on modeling their behavior under operating conditions is proposed. This approach was used in the development of technology for heat–efficient insulating construction ceramic materials for energy–saving construction. For two models of porous–hollow ceramic products with a porous frame (40 % of voids) and a dense frame (60 % of voids), a predictive assessment of their heat–shielding and mechanical properties was carried out. Calculations of the equivalent coefficient of thermal conductivity of models based on Fourier‘s law established that with a decrease in the voidness of products with a porous wall, the coefficient of their thermal conductivity decreases by 12 %, which improves the heat–shielding properties. Based on the results of computer simulation of the behavior of models under the influence of static power loads, it was determined that porosity of the ceramic framework of products leads to degradation of mechanical strength almost proportionally to a decrease in voidness. The stress–strain state of 3D models of ceramic structures with different pore geometry (spherical, globular, ellipsoidal) is analyzed and it is shown that stresses are concentrated in the contact zones of a ceramic matrix with pores. It is shown that the most durable is the structural model with spherical pores. The expediency of organizing such a structure, the need to strengthen the ceramic matrix of materials and zones surrounding the pores, as the most vulnerable structural sites, is shown. The results of predictive calculations have been experimentally confirmed in the development of technology for structural and heat–insulating composite–type ceramic materials based on low–melting loam and ash microspheres, which provide a given structural picture of the ceramic material.