CC BY
30
строительные материалы и конструкции
Экспериментальное определение теплофизических характеристик строительных материалов на основе теории подобия
B.C. Ройфе
Традиционные методы определения теплофизических характеристик строительных материалов, основанные на тепловом воздействии на испытуемый образец материала стационарным или нестационарным тепловым потоком [1—3], обладают рядом известных недостатков, из которых основными являются длительность опыта и недопустимость его повторения без временной выдержки, необходимой для достижения изотермического состояния испытуемого образца.
Наиболее экспрессными из тепловых методов определения теплофизических характеристик строительных материалов являются нестационарные тепловые методы. Один из таких методов [4] может быть использован для неразрушающего контроля теплозащитных свойств материалов ограждающих конструкций в натурных условиях, хотя и не свободен от таких недостатков как низкая точность и ограниченный круг контролируемых материалов.
Косвенные электрические методы определения состава и свойств твердых веществ и материалов являются безинерционными и широко используются во многих отраслях народного хозяйства для нераз-рушающего контроля различных физических и технологических характеристик. Одним из таких методов, получивших широкое распространение на практике, в частности в строительной отрасли, является диэлькометрический метод определения влажности [5]. Метод основан на корреляционной связи диэлектрической проницаемости материала с его влажностью.
Ранее автором была выдвинута гипотеза о подобии тепловых и электрофизических характеристик капиллярно-пористых строительных материалов, в которой использованы основные положения теории подобия, базирующиеся на критериальных уравнениях, построенных путем соответствующей обработки экспериментальных данных [6, 7].
Для экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы был проведен большой объем экспериментальных исследований на образцах различных строительных материалов. С целью обобщения результатов проверки были выбраны материалы, широко применяемые в современном строительстве, с одной стороны, и существенно отличающиеся друг от друга составом, структурой и теплофизическими характеристиками, с другой стороны.
Были выбраны следующие разновидности строительных материалов: кирпич керамический р = = 1800 кг/м3, керамзитобетон р = 1000 кг/м3, пенобетон р = 600 кг/м3 и минвата р = 100 кг/м3. Каждый тип материала представлен несколькими (от трех до шести) образцами размером 250x250x50 мм. В процессе экспериментов каждый образец искусственно увлажнялся и выдерживался во влагонепроницаемой оболочке при температуре 40—45°С в течение определенного времени с целью более равномерного распределения влаги по объему образца. Фактическую влажность образцов w определяли стандартизованным методом путем их периодического подсушивания и взвешивания [8].
Экспериментальное определение диэлектрической проницаемости (ДП) £ проводилось на лабораторной установке, состоящей из диэлькометричес-кого (емкостного) датчика поверхностного типа, преобразователя емкости в частоту {, частотомера и блока питания. Предварительно на этой установке с помощью эталонных мер была получена эмпирическая формула для вычисления £ при £ > 1:
£ = 0,45-Д{ - 1,
где Д{ = { — { , {0 — начальная частота (датчик находится в воздухе), { — измеряемая частота (датчик установлен на образце испытуемого материала).
Экспериментальное определение теплопроводности X проводилось на лабораторной установке типа ПИТ-1, реализующей стандартизированный метод стационарного теплового потока [9].
Результаты экспериментов с образцами перечисленных выше материалов по определению диэлектрической проницаемости £ и теплопроводности X образцов в зависимости от их влажности приведены на рисунке 1 и 2, соответственно.
Из этих рисунков виден аналогичный характер зависимостей диэлектрической проницаемости и теплопроводности исследованных материалов от их влажности, близкий к линейному.
На рисунке 3 приведена зависимость между теплопроводностью и ДП перечисленных выше материалов, построенная по полученным данным, из которой следует, что между теплофизическими и электрофизическими характеристиками одноименных строительных материалов наблюдается тесная корреляционная связь.
строительные материалы и конструкции
10
влажность, %
■ кирпич керам.
■ пенобетон
- керамзитобетон -минвата
Рисунок 1. Зависимости диэлектрической проницаемости (ДП) материалов от их влажности
10 15
ДП, отн.ед.
■ кирпич .пенобетон
керамзитобетон - минвата
Рисунок 3. Корреляция между диэлектрической проницаемостью и теплопроводностью строительных материалов
10 10
влажность, % -*— кирпич керам. -ш— керамзитобетон -а-пенобетон -«—минвата
Рисунок 2. Зависимости теплопроводности материалов от их влажности
Теоретическое обоснование физического подобия поведения капиллярно-пористых строительных материалов в тепловом и электрическом поле дано автором в работе [10], в которой введено понятие коэффициента потенциалопроводности электрического смещения б, выражаемого формулой:
О = юе-Р/и)^^),
где ю — круговая частота электрического поля, создаваемого диэлькометрическим датчиком в материале; Р1(и) — подвижность связанных зарядов, являю-
щаяся функцией напряженности поля, компенсирующей действие потенциального барьера, препятствующего смещению связанных зарядов под действием электрического поля; Р2(щ^) — некоторая функция объемной плотности связанных зарядов.
Для определения численных значений б следует раскрыть вид функций Р1(и) и Р2(щ^, для чего воспользуемся следующими априорными физическими соображениями: Величина потенциального барьера, препятствующего смещению связанных зарядов, зависит, в первую очередь, от типа молекул, составляющих данный материал. При изменении влажности материала естественно ожидать изменения величины этого барьера, так как дипольный момент молекул воды почти на два порядка больше диполь-ного момента неполярных молекул, составляющих скелет большинства неметаллических строительных материалов. При этом, чем больше будет в материале молекул воды, тем меньшая напряженность поля понадобится для преодоления действия указанного барьера, т.е. функция Р1(и) обратно пропорциональна влажности материала w. На основании приведенных рассуждений эту функцию можно, в первом приближении, аппроксимировать выражением:
Р/и) = 1/(и + к»,
где и0 и к 1 — эмпирические константы для данного материала. Что же касается второй функции — Р2(Яу), входящей в выражение для б, то очевидно, что она должна быть прямо пропорциональна плотности материала, так как чем больше молекул дан-
строительные материалы и конструкции
ного вида в единице объема, тем больше связанных зарядов в том же объеме, т.е. тем больше их объемная плотность. Эту связь в первом приближении можно считать линейной и представить ее в виде:
Р2^) = к 2Р, где к 2 — также эмпирическая константа для данного материала.
С учетом приведенных рассуждений выражение для бе можно представить в виде:
Э = юе/(и0 + к к 2р,
однако для практических расчетов удобнее пользоваться формулой:
Э = к1е/( 1 + к^)р, где к1 = ю/иок2 = к1/ио.
На основании полученных экспериментальных данных и проведенных расчетов построена зависимость между введенным нами коэффициентом по-тенциалопроводности электрического смещения Э и температуропроводностью а испытанных материалов, приведенная на рисунке 4.
Температуропроводность материалов была рассчитана по известной формуле:
а = ^/си
где су — объемная теплоемкость, вычисляемая по формуле:
С = (Со + Св^)-р/(1 + w),
где с0 и св — табличные значения удельной теплоемкости сухого материала и воды, соответственно.
70 60
• •
•
♦ . t «
* }
■
О 50 »40
■1зо
-в-п §20
10
0
0 2 4 6 8 10 12
температуропроводность а ♦ кирпич ■ керамзитобетон пенобетон • минвата
Рисунок 4. Корреляция между коэффициентами температуропроводности и потенциалопроводности электрического смещения строительных материалов
Из рисунка 4 со всей очевидностью следует вывод о том, что между значениями О и а объективно существует однозначное соответствие, причем все экспериментально исследованные материалы подчиняются общей закономерности, несмотря на существенно разные составы и структуры. Таким образом, экспериментально подтверждено, что коэффициент потенциалопроводности электрического смещения капиллярно-пористых строительных материалов, находящихся в переменном электрическом поле, является диэлектрическим аналогом коэффициента температуропроводности этих материалов.
Этот вывод существенно расширяет возможности применения диэлькометрического метода измерений в строительной физике, значительно сокращая длительность проведения теплофизических экспериментальных исследований.
Литература
1. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Под ред. А.В.Лыкова. М.: Энергия, 1973. 336 с.
2. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М. ;Л. :Машгиз, 1957.-244 с.
3. Соколов H.A. Метрологическое обеспечение энергосбережения. СПб: НИУПЦ «Межрегиональный институт окна», 2005. 128 с.
4. ГОСТ 30256-94. Материалы и изделия строительные: Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом.
5. ГОСТ 21718-84. Материалы и изделия строительные: Диэлькометрический метод измерения влажности.
6. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованиям тепло- и массообмена. М.: Высшая школа, 1967. 198 с.
7. Вейник А.И. Техническая термодинамика и основы тепло- передачи. М.: Металлургиздат, 1956. 431 с.
8. ГОСТ 24816-81. Материалы строительные: Метод определения сорбционной влажности.
9. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные: Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.
10. Ройфе В.С. Измерение теплофизических характеристик материалов без теплового воздействия // Измерительная техника. 2007. № 9. С. 44-47.
строительные материалы и конструкции
Экспериментальное определение теплофизических характеристик строительных материалов на основе теории подобия
Приведены результаты экспериментальных исследований наиболее типичных строительных материалов, подтвердивших выдвинутую автором ранее теоретическую гипотезу о физическом подобии их электрических и тепловых характеристик. Получены корреляционные зависимости между ними, позволяющие существенно расширить возможности применения диэлькометрического метода измерений в строительной физике.
Ключевые слова: строительные материалы, теп-лофизические характеристики, теория подобия, ди-элькометрический метод измерений.
Experimental definition of thermal physical characteristics of building materials on the basis of the similarity theory
by V.S.Royfe
Results of experimental researches of the most typical building materials which have confirmed the theoretical hypothesis put forward by the author about physical similarity of their electric and thermal characteristics. All correlation dependences between these results are received, allowing essentially to expand application possibilities dielcometric method of measurements in the building physics.
Key words: building materials, thermal physical characteristics, the similarity theory, dielcometric method of measurements.
