Что представляет собой теплопроводность строительных материалов? Как определить теплопроводность?
Что такое теплопроводность строительных материалов
Изучение теплопроводности материалов представляет собой одну из актуальнейших задач современной техники. Работа в этой области особенно развернулась в начале текущего столетия, когда развитие строительства и рост производства оборудования обусловили необходимость изыскания действенных мер борьбы с тепловыми потерями; это и вызвало к жизни потребность тщательного исследования теплозащитных характеристик различных материалов.
Одним из пионеров в области изучения теплопроводности строительных материалов в нашей стране является профессор Петербургского технологического института Н. Н. Георгиевский, опубликовавший результаты своих опытов еще в 1903 г. .
Георгиевский охватил своими исследованиями чрезвычайно широкий для того времени круг материалов — разного рода кирпич, бетоны и растворы, древесину, стекло, различные теплоизоляционные и кровельные материалы и др.; он дал вполне четкое представление о зависимости коэффициента теплопроводности от одного из наиболее важных физических свойств материалов — степени пористости.
С. Вологдин [45] в 1908—1909 гг. провел обширное исследование коэффициентов теплопроводности керамических и иных материалов, применяющихся в строительстве металлургических печей.
В 1915 г. профессора Московского высшего технического училища В. Е. Цидзик и И. В. Арбатский [29] конструировали и осуществили один из первых прототипов современных плоских приборов для определения коэффициента теплопроводности по методу постоянного режима. На своем приборе Цидзик и Арбатский изучили коэффициенты теплопроводности большого количества различных материалов.
Уже в начале десятых годов текущего столетия иженерами Л. П. Серебровским [21], Л. А. Орловым [19], Б. С. Лаишпиым [14] и другими был опубликован ряд работ, трактующих о вопросах теплоизоляции ограждающих конструкций и теплозащитных свойствах материалов. Содержание этих работ свидетельствует о высоком уровне, на котором еще в то время находилась отечественная инженерная 1мысль в рассматриваемой области.
Однако небольшой объем строительства в дореволюционной Госсин препятствовал внедрению эффективных ограждающих конструкций и отсюда развитию науки о теплозащитных свойствах строительных материалов.
Лишь после Великой Октябрьской социалистической революции работа в области изучения коэффициентов теплопроводности материалов могла быть развернута в широком объеме. Работы Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), ЛОТИ (впоследствии ВИТГЕО и ЦКТИ), ЦИ11ПС, лаборатории Оргэиерго, Термопроекта, СтроиЦНИЛ, ВНМХИ, ЮжМИИ и многих других исследовательских организаций дали огромный экспериментальный материал, освещающий теплозащитные свойства различных строительных материалов.
Наряду с этими работами в СССР было сконструировано и осуществлено значительное количество приборов, послуживших для экспериментов по определению коэффициентов теплопроводности. Остановимся на тех из них, которые получили наибольшее распространение при испытании строительных материалов.
В 1926—1928 гг. проф. О. Е. Власов и лауреат Сталинской премии проф. Д. Л. Тимрот разработали в ВТП плоские приборы, основанные на принципе постоянного теплового режима [2, 24]. Прибор ВТИ в современном его виде [61 использован в весьма широких масштабах на практике.
Лауреат Сталинской премии проф. Г. Л. Кондратьев предложил приборы оригинальной конструкции, работающие на основе использования непостоянного потока тепла, по так называемому «регулярному режиму» [12]. Эти приборы воспроизведены в целом ряде лабораторий и послужили для определения термических констант разного рода материалов.
Резюмируя наш краткий обзор, необходимо отметить, что отечественная наука в области изучения теплопроводности строительных получила значительное развитие как в смысле объема экспериментов, так и в отношении приборостроения.
В результате работ по изучению коэффициентов теплопроводности строительных материалов, проведенных в СССР и в других странах в течение многих лет, накопились обильные экспериментальные данные, обычно используемые при теплотехнических расчетах. Однако, рассматривая эти данные, нельзя не обратить внимания на тот чрезвычайно большой разнобой в значениях величин коэффициентов теплопроводности, который имеет место для материалов одного и того же наименования (и одинакового объемного веса) по различным источникам.
Это вызвано рядом обстоятельств. Прежде всего тем, что наиболее старые экспериментальные данные (относящиеся к концу прошлого и началу текущего столетий) получены преимущественно на приборах примитивной конструкции, дававших вообще крайне неточные результаты. Далее разнобой в данных о величинах по различным источникам частично может быть вызван влиянием факторов влажности и температуры, хотя установить это не всегда возможно, поскольку в литературе часто даже и не указывается влажностного состояния образца и температуры, при которой производилось испытание.
Тем не менее, если даже отбросить такого рода сомнительные данные, то существеннейший разнобой в величинах коэффициентов теплопроводности строительных материалов, помещенных в различных монографиях, справочниках, учебниках и даже в стандарта все же остается; объясняется это, на наш взгляд двумя главными причинами.
Во-первых, на коэффициент теплопроводности весьма существенное влияние оказывает структура материалов. Так, например, нельзя рассматривать зависимость величин от основных факторов (степени пористости, влажности и температуры) для группы материалов неорганического происхождения, не учитывая, что внутри этой группы имеются материалы самой разнообразной структуры — ячеистого, зернистого, волокнистого смешанного строения.
Естественно, что на величину коэффициента теплопроводности и степень его зависимости от упомянутых основных факторов оказывает влияние характер структуры, а для материалов определенной структуры — такие показатели, как, например, размер ячеек, зерен, волокон, а также внутреннее строение основного скелета материала. То же относится и к группе материалов органического происхождения.
В то же время, как это ни странно, именно структурные характеристики материалов меньше всего привлекали внимание исследователей, работавших в области изучения коэффициентов теплопроводности. Можно указать лишь очень ограниченное количество работ, в которых производилось варьирование структурного фактора или, по крайней мере, фиксировалась характеристика материалов с этой точки зрения. В большинстве же работ структурные показатели материалов вообще полностью игнорировались.
Между тем известно, что технология позволяет резко менять свойства выпускаемой продукции; поэтому вполне возможно для материалов одного и того же наименования получать продукцию с самыми различными структурными характеристиками, видоизменяя отправные параметры технологического процесса. Так, например, в ячеистых бетонах при соответствующем изменении вида и количества пенообразователя (либо количества и тонкости помола газообразующих добавок), а также водовяжущего отношения и условий перемешивания, на практике получаются материалы как весьма дисперсной структуры, так и крупнопористые, с правильными замкнутыми ячейками одинакового размера и, наоборот, с ячейками рваной неправильной формы и неравномерного строения. Таких примеров, иллюстрирующих весьма широкий диапазон, в каком в зависимости от технологических факторов способны меняться структурные характеристики материалов одного и того же наименования можно привести множество и по линии строительной керамики, разного рода бетонов, минераловатных материалов, органических утеплителей, изоляционных мacc, засыпок и т. д.
Техническая характеристика установки для определения теплопроводности строительных материалов и изделий
Установка для определения теплопроводности должна содержать:
тепловой блок с двумя металлическими теплообменниками с размером рабочих поверхностей от 200´200 мм до 300´300 мм, служащих для создания и поддержания заданных температур на противоположных поверхностях образца (схема теплового блока приведена на черт. 1);
один или два преобразователя теплового потока, в зависимости от средней температуры испытания образцов;
не менее четырех преобразователей с диаметром проволок не более 0,3 мм (по два на каждую поверхность теплообменника) для измерения температуры поверхностей образца;
блок задания и регулирования температуры теплообменников;
блок коммутации и измерения сигналов от преобразователей температуры и теплового потока;
узел зажима образца теплообменниками;
теплоизоляционный кожух для устранения теплопотерь через торцевые грани образца.
Погрешность установки должна быть не более 5%.
Теплообменники должны обеспечивать изотермические условия на поверхности образца. Перепад температуры между центральной и периферийной зонами верхней и нижней поверхностей образца должен быть не более 0,2 °С.
При горизонтальном размещении образца в установке теплообменник с более высокой температурой должен располагаться сверху.
Преобразователь теплового потока должен быть толщиной не более 5 мм и окружен охранной зоной из того же материала; ширина охранной зоны должна составлять не менее 0,25 размера преобразователя. Размер преобразователя с учетом охранной зоны должен быть равен размеру теплообменника.
Преобразователь теплового потока размещают в центральной зоне поверхности теплообменника. Чувствительность преобразователя теплового потока должна быть не менее 0,1 мВ×м2/Вт.
Преобразователи температуры должны быть градуированы в диапазоне температур, соответствующем назначению установки; результаты градуировок должны быть согласованы с таблицами номинальных статистических характеристик, приведенных в ГОСТ 3044—84.
Преобразователи теплового потока градуируют на метрологически аттестованном устройстве либо непосредственно в установке для определения теплопроводности с использованием образцовых мер теплопроводности, аттестованных в установленном порядке.
Блок задания и регулирования температуры должен обеспечивать поддержание заданной температуры рабочих поверхностей теплообменников в диапазоне минус 40 — плюс 700°С с погрешностью не более 5%. Погрешность термостатирования — не более 0,5% в диапазоне температур минус 40 — плюс 40°С.
Для поддержания заданных температур теплообменников используют электронагреватели и жидкий охлаждающий агент (вода, жидкий азот и др.)
Блок коммутации и измерения сигналов от преобразователей должен обеспечивать их подключение ко вторичному измерительному прибору постоянного тока. В качестве вторичного измерительного прибора следует использовать цифровой прибор класса 0,2, чувствительность которого не менее 1 мкВ.
Узел зажима образца должен обеспечивать возможность смещения одного из теплообменников на расстояние не менее 100 мм от поверхности другого. Для обеспечения надежного теплового контакта образца с теплообменниками один из них должен иметь устройство, позволяющее отклонять теплообменник на угол до 15° от проектного положения. Узел зажима должен также обеспечивать возможность сжатия образцов мягких материалов с усилием, достаточным для уплотнения материала до заданного значения.
Теплоизоляционный кожух должен быть выполнен из эффективного теплоизоляционного материала толщиной не менее 50 мм.
Установку для определения теплопроводности и образцовые меры размещают в помещении, снабженном приточно-вытяжной вентиляцией и защищенном от действия прямой солнечной радиации.
Блок коммутации и измерений установки при определении теплопроводности при средней температуре испытания образцов выше 100°С устанавливают в помещении, отделенном от остальных блоков установки газонепроницаемой перегородкой.
Поверку установки для определения теплопроводности проводят не реже одного раза в год по образцовым мерам теплопроводности.
При испытании материалов или изделий с теплопроводностью менее 0,5 Вт/(м×К) градуировку прибора производят при помощи образцовой меры из органического стекла, более 0,5 Вт/(м×К) — при помощи образцовой меры из кварцевого стекла.
Поверку образцовых мер проводят в установленном порядке.
Коэффициенты теплопроводности строительных материалов
Коэффициент теплопроводности материала - важнейший показатель при использовании материала в качестве утеплителя, именно от этой характеристики зависит необходимая толщина слоя утеплителя для соответствия современным нормам энергоэффективности, описанным в СНиП 23-02-2003. Данный показатель характеризует способность материала пропускать тепло и чем он ниже, тем лучшим утеплителем послужит материал.
А какой коэффициент теплопроводности у различных строительных материалов?
Ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых строительных и конструкционных материалов. Понятно, что большинство из них никогда не используются в качестве утеплителей, их коэффициенты даны для справки, сравнения.
Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/м*оС
Алебастровые плиты 0.47
Алюминий 237
Асбест (шифер) 0.35
Асбест волокнистый 0.15
Асбестоцемент 1.76
Асбоцементные плиты 0.35
Асфальт 0.72
Асфальт в полах 0.8
Бакелит 0.23
Бетон на каменном щебне 1.3
Бетон на песке 0.7
Бетон пористый 1.4
Бетон сплошной 1.75
Бетон термоизоляционный 0.18
Битум 0.47
Бронза 105
Бумага 0.14
Вата минеральная легкая 0.045
Вата минеральная тяжелая 0.055
Вата хлопковая 0.055
Вермикулитовые листы 0.1
Войлок шерстяной 0.045
Гипс строительный 0.35
Глинозем 2.33
Гравий (наполнитель) 0.93
Гранит, базальт 3.5
Грунт 10% воды 1.75
Грунт 20% воды 2.1
Грунт песчаный 1.16
Грунт сухой 0.4
Грунт утрамбованный 1.05
Гудрон 0.3
Древесина - доски 0.15
Древесина - фанера 0.15
Древесина твердых пород 0.2
Древесно-стружечная плита ДСП 0.2
Дюралюминий 160
Железобетон 1.7
Зола древесная 0.15
Золото 318
Известняк 1.7
Известь-песок раствор 0.87
Иней 0.47
Ипорка (вспененная смола) 0.038
Камень 1.4
Картон строительный многослойный 0.13
Картон теплоизолированный БТК-1 0.04
Каучук вспененный 0.03
Каучук натуральный 0.042
Каучук фторированный 0.055
Керамзитобетон 0.2
Кирпич кремнеземный 0.15
Кирпич пустотелый 0.44
Кирпич силикатный 0.81
Кирпич сплошной 0.67
Кирпич шлаковый 0.58
Кремнезистые плиты 0.07
Латунь 110
Лед -20°С 2.44
Лед -60°С 2.91
Лед 0°С 2.21
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности) 0.15
Медь 380
Мипора 0.085
Опилки - засыпка 0.095
Опилки древесные сухие 0.065
ПВХ 0.19
Пенобетон 0.3
Пенопласт ПС-1 0.037
Пенопласт ПС-4 0.04
Пенопласт ПХВ-1 0.05
Пенопласт резопен ФРП 0.045
Пенополистирол ПС-Б 0.04
Пенополистирол ПС-БС 0.04
Пенополиуретан напыляемый 0.02
Пенополиуретановые листы 0.035
Пенополиуретановые панели 0.025
Пеностекло легкое 0.06
Пеностекло тяжелое 0.08
Пергамин 0.17
Перлит 0.05
Перлито-цементные плиты 0.08
Песок 10% влажности 0.97
Песок 20% влажности 1.33
Песок 0% влажности 0.33
Песчаник обожженный 1.5
Плитка облицовочная 1.05
Плитка термоизоляционная ПМТБ-2 0.036
Полистирол 0.082
Поролон 0.04
Портландцемент раствор 0.47
Пробковая плита 0.043
Пробковые листы легкие 0.035
Пробковые листы тяжелые 0.05
Резина 0.15
Рубероид 0.17
Серебро 429
Сланец 2.1
Снег 1.5
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450...550 кг/куб.м, 15% влажности) 0.15
Сосна смолистая (600...750 кг/куб.м, 15% влажности) 0.23
Сталь 52
Стекло 1.15
Стекловата 0.05
Стекловолокно 0.036
Стеклотекстолит 0.3
Стружки - набивка 0.12
Тефлон 0.25
Толь бумажный 0.23
Цемент-песок раствор 1.2
Цементные плиты 1.92
Чугун 56
Шлак гранулированный 0.15
Шлак котельный 0.29
Шлакобетон 0.6
Штукатурка сухая 0.21
Штукатурка цементная 0.9
Эбонит 0.16
Эбонит вспученный 0.03
Измеритель теплопроводности строительных материалов ИТП-МГ4 "100"
Назначение измерителей теплопроводности стройматериалов
К строительным материалам, а также к материалам, используемым для теплоизоляции коммуникаций и промышленных установок, предъявляются жесткие требования по соответствию их теплопроводных свойств установленным стандартам. Тепловой контроль указанных материалов осуществляется в лабораториях предприятий-производителей стройматериалов с использованием измерителей теплопроводности.
Принцип работы
Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 "100" выполняет измерения согласно методике, которая установлена требованиями ГОСТ 7076 (и соответствует ISO 8301). Предварительно высушенный образец помещается в тепловую камеру, в которой создается направленный тепловой поток (от нагреваемой грани к противоположной "холодной"). Контрольные отсчеты снимаются после достижения постоянства (стационарности) теплового потока.
Измеряемые параметры
В процессе испытаний измеряется плотность теплового потока, температура противоположных граней (нагреваемой и "холодной"), а также толщина испытуемого образца. По результатам измерений вычисляется термическое сопротивление и теплопроводность испытуемого материала.
Особенности модели
Для выполнения измерений из проверяемого материала изготавливается образец с длиной и шириной 100 мм, и толщиной не менее 3 мм, но не более 28 мм. В процессе испытаний регулирование температур нагревателя и холодильника осуществляется автоматически. На один цикл измерений затрачивается не более 60 мин. (с учетом термостатирования образца). Объем памяти электронного блока позволяет сохранять результаты 200 замеров.
Многофункциональный измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 "100/ЗОНД"
Проверка качества строительных материалов
Теплопроводность материалов, используемых для строительных работ и для теплоизоляции коммуникаций и промышленных агрегатов, является одним из основных критериев, определяющих качество этого вида продукции. И тепловой неразрушающий контроль, выполняющий проверку соответствия фактической теплопроводности нормативным показателям, в данном случае выступает как одно из мероприятий проверки качества.
Стандарты
Руководящими документами, регламентирующими методику измерений теплопроводности строительных материалов, являются ГОСТ 7076 (для измерений при стационарном режиме) и ГОСТ 30256 (для измерений с использованием зонда), которые соответствуют Европейским нормам ISO 8301 и ISO 8302. В соответствии с требованиями Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 "100/ЗОНД" разработан специальным конструкторским бюро "Стройприбор" в соответствии с требованиями указанных стандартов.
Характеристика
Особенностью измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 "100/ЗОНД" является то, что он укомплектован и нагревательной камерой, и цилиндрическим зондом, что обеспечивает его многофункциональность и более широкие возможности по использованию прибора в различных условиях. В тепловой камере могут испытываться образцы размером 100х100х3-28 мм, изготовленные из проверяемого материала. Зонд диаметром 5 мм обеспечивает измерения в массиве материала и в готовых изделиях.
Особенности многофункциональных моделей
Модели измерителей ИТП-МГ4, которые комплектуются зондом и тепловой камерой, имеют порт для связи с компьютером (кабель и программное обеспечение поставляется в комплекте). Память электронного блока рассчитана на хранение 100 результатов измерений, выполненных с помощью зонда, и 200 результатов измерений с использованием тепловой камеры.
- 1 из 646
- ››