CC BY
23УДК 691
И.В. БЕССОНОВ, канд. техн. наук, А.Н. САПЕЛИН, инженер, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва)
Коэффициенты структуры как критерий оценки теплотехнического качества строительных материалов
После ужесточения теплотехнических требований к ограждающим конструкциям к теплотехническим характеристикам стеновых материалов стали предъявляться также более жесткие требования. Известно, что теплотехнические свойства материалов, в частности бетонов, в том числе ячеистых, зависят от их плотности и влажности.
На основе анализа расчетной теплопроводности материалов, которая является важнейшим теплотехническим показателем, д-р техн. наук, член-корр. РААСН В.Г. Гагарин [1] предложил к применению четыре коэффициента теплотехнического качества (КТК), приведенных в табл. 1.
Коэффициент теплотехнического качества КТК11 в общем случае можно назвать коэффициентом структуры строительного материала по теплопроводности (КСТ). Примем, что для пористых материалов с одинаковой плотностью матрицы действительна зависимость, выведенная Г.Н. Дульневым и В.В. Новиковым [2].
1-Рп
(2-Р0)[1-У(1-Р0)]
' 1 + з/(1-Ро)
)
(1)
где Хм — коэффициент теплопроводности матрицы, Хв — теплопроводность воздуха, составляющая 0,026 Вт/(м-°С), р0 = рм/р.
Для ячеистых бетонов в диапазоне средней плотности 300—1200 кг/м3 истинная плотность матрицы составляет рм=2650 кг/м3 [3], а теплопроводность Хм=1,364 Вт/(м-оС), при этом справедлива зависимость:
кст =
Х- 0,026
р1Д2 ,
(2)
где X — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-оС); р — средняя плотность материала в сухом состоянии, кг/м3.
Р 0,5.
со 0,4
200 400 600 800 Средняя плотность, кг/м3
1000
Рис. 1. Совпадение теоретических (сплошная линия) и выведенных (пунктирная линия) зависимостей для разных теплопроводностей каркаса
КСТ — коэффициент структуры по теплопроводности (КСТ) это упрощенный случай теоретической зависимости проводимости по Г.Н. Дульневу и В.В. Новикову. Теоретическая зависимость теплопроводности от плотности по Дульневу—Новикову выведена для кубической упаковки шаров. Следовательно, и упрощенная формула должна быть справедлива для кубической упаковки шаров. Для учета влияния формы и расположения пустот в массиве материала на теплопроводность в коэффициент структуры по теплопроводности необходимо ввести поправочную компоненту в, тогда зависимость примет вид:
КСТ = ДХМ) • р/р,
1,12
(3)
где р — новый коэффициент, отражающий влияние формы и расположения пустот, который равен 1, для кубической упаковки шаров.
На рис. 1 представлено совпадение теоретической зависимости Дульнева—Новикова с упрощенной зависимостью для материалов с одинаковой теплопроводностью и плотностью матрицы.
При уменьшении теплопроводности, коэффициент структуры по теплопроводности будет также уменьшаться, следовательно, при одинаковой плотности, меньший коэффициент структуры по теплопроводности будет отражать меньшую теплопроводность материала.
В настоящее время для оценки теплопроводности могут быть использованы следующие коэффициенты: X о Хв
— КТК11 = —р— (без учета влияния теплопроводности воздуха);
— Хо/р — оценочный коэффициент (учитывает влияние теплопроводности воздуха).
Таблица 1
1200
Обозначение коэффициента Расчетная формула Физический смысл
КТКц КТК11= ^ Показывает, на сколько увеличивается теплопроводность скелета материала (без влияния теплопроводности воздуха) при увеличении плотности материала на 1 кг/м3
КТК12 ¿0 КТК12= л 3 Л0 ЛВ Показывает влияние теплопроводности воздуха на теплопроводность материала в сухом состоянии. Чем ближе теплопроводность материала к теплопроводности воздуха, тем больше КТК12, приближаясь к бесконечности
КТК21 КТК21= ДЯ/Я0 Показывает долю увеличения теплопроводности материала при увеличении влажности на 1%. Является характеристикой материала
КТК22 КТК22=ш Является расчетной влажностью материала. Характеризует не только материал,но и конструкцию,условия эксплуатации и климатические условия
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 28 июнь 2012 Ы *
Марка Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/(м-оС) КСТ
0300 300 0,08 90,8 267
0350 350 0,09 90,5 257
0400 400 0,1 90,1 250
0500 500 0,12 89,2 240
0600 600 0,14 88,2 233
0700 700 0,18 100,2 257
0800 800 0,21 103,1 263
0900 900 0,24 105,1 267
01000 1000 0,29 115,2 290
01100 1100 0,34 123,2 309
01200 1200 0,38 126 317
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
Х=317-р
Х=Х=0,026+126р1,1^„ **
-Х=233р
J_!_
Х=Х=0,026+88,2.р112
300
500
700 900
Плотность, кг/м3
1100
1300
Рис.
ства
3. Коэффициенты структуры при оценке теплотехнического каче-строительных материалов
Рис. 2. Виды пустот в строительном материале: а - пустоты, характерные для ячеистого бетона низкой плотности; б - теоретическая модель; в - пустоты, характерные для ячеистого бетона высокой плотности; г - теоретическая модель
При малой плотности поры имеют сотовую, а не шарообразную структуру (рис. 2, а), причем происходит наложение пустот друг на друга в одной плоскости. Как будет показано дальше, после определенного момента, с увеличением плотности коэффициент структуры по теплопроводности начинает увеличиваться, что может быть вызвано отсутствием наложения пустот друг на друга, уменьшением длины теплового пути, приближением упаковки шаров к кубической. В то же время коэффициент структуры по теплопроводности можно уменьшить с помощью изменения формы пустот, вследствие чего, может увеличиться длина теплового пути (рис. 2, г). Все это отражает качество материала с теплотехнической точки зрения, которое может быть создано как путем направленного порообразования (при малых плотностях) так и принудительно изменяя форму пустот, введением специальных наполнителей, например алюмосиликатных микросфер [3].
В качестве примера использования коэффициента структуры по теплопроводности в табл. 2 представлены теплотехнические свойства ячеистого бетона для марок, указанных в ГОСТ 25192.
Данные табл. 2 показывают, что чем ниже коэффициент КСТ, тем лучше его теплозащитные свойства.
Таблица 2
Следовательно, при выборе материала с теплотехнической точки зрения следует ориентироваться на материалы с более низким КСТ. Коэффициент КСТ удобно использовать при разработке новых строительных материалов конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения.
На рис. 3 сплошной линией показано реальное распределение теплопроводности ячеистого бетона, пунктирными линиями ограничена область вычисления теплопроводностей с использованием наибольшего и наименьшего коэффициента структуры по теплопроводности, точками — то же для отношения Хо/р. Используя предлагаемый коэффициент КСТ можно спрогнозировать теплопроводность в широком диапазоне плотности при сохранении формы и расположения пустот (рис. 2).
Таким образом, коэффициент структуры по теплопроводности может быть полезен для проектировщиков при выборе материалов для ограждающих конструкций, а так же для разработчиков новых строительных материалов при подборе оптимальных составов конструкционно-теплоизоляционных строительный материалов.
Ключевые слова: строительные материалы, теплопроводность, плотность, коэффициенты структуры, качество, расположение пустот.
Список литературы
1. Гагарин В.Г. «Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. НИИСФ. Москва. 2000 г.
2. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991. 248 с.
3. Пинскер В.А. Некоторые вопросы физики ячеистого бетона. Сб. трудов «Жилые дома из ячеистого бетона». Л.: Госстройиздат, 1963. С. 123—143.
4. Бессонов И.В., Сапелин А.Н., Кордюков Н.П. Решение о выдаче патента на изобретение от 19.01.2012 г. по заявке № 2011107564/03 «Способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер» кл. С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 111/40, патентообладатель НИИСФ РААСН.
а
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® июнь 2012 29"
