CC BY
34УДК 625.861
А.В. КОЧЕТКОВ1, д-р техн. наук (soni_81@mail.ru); Ш.Н. ВАЛИЕВ2, канд. техн. наук; С.Ю. АНДРОНОВ3, канд. техн. наук; Д.А. КЛИМОВ4, инженер
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29)
2 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) (125319, г. Москва, Ленинградский пр., 64)
3 Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77)
4 Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых (600000, г. Владимир, ул. Горького, 87)
Методы определения теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов
Проект отраслевого дорожного методического документа разработан Федеральным автономным учреждением РОСДОРНИИ. Проект устанавливает рекомендации по определению теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов при исследовании возможного диапазона изменения влажности, плотности и температуры материалов и грунтов, расположенных в дорожных конструкциях в районах сезонного промерзания (оттаивания) автомобильных дорог и искусственных сооружений на них, выбора методов измерения и приборов, обеспечивающих достоверные и воспроизводимые результаты определения теплофизических характеристик материалов дорожных одежд и грунтов земляного полотна.
Ключевые слова: теплофизические свойства, объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, теплоусвояемость, дисперсные материалы, грунты.
A.V. KOCHETKOV1, Doctor of Sciences (Engineering); Sh.N. VALIYEV2, Candidate of Sciences (Engineering); S.Yu. ANDRONOV3, Candidate of Sciences (Engineering); D.A. KLIMOV4, Engineer
1 Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky Avenue, 614990, Perm, Russian Federation).
2 Moscow Automobile and Road State Technical University (MADI) (64, Leningradsky Avenue, 125319, Moscow, Russian Federation)
3 Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77, Politekhnicheskaya Street, 410054, Saratov, Russian Federation)
4 Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (87, Gorkogo Street, 600000, Vladimir, Russian Federation)
Techniques of Determination of Heat-Physical Properties of Road-Building Materials and Soils
A draft industry road methodical document has been developed by the Federal Autonomous Institution ROSDORNII. The draft sets recommendations for determining heat-physical properties of road-building materials and soils when studying the possible range of changes in humidity, density, and temperature of materials and soils located in road constructions in areas of seasonal freezing (thawing) of motor roads and artificial structures on them, selection of measuring methods and instruments ensuring reliable and reproducible results of determination of heat-physical characteristics of road pavement materials and soils of the motorway subgrade.
Keywords: heat-physical properties, volumetric heat capacity, heat conductivity coefficient, heat diffusivity coefficient, heat comprehensibility, disperse materials, soils.
Согласно п. 5 ст. 18 Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» проектная документация здания или сооружения должна содержать пределы допустимых изменений параметров, характеризующих безопасность объектов и геологической среды в процессе строительства и эксплуатации.
В проектной документации может быть предусмотрена необходимость проведения в процессе строительства и эксплуатации проектируемого здания или сооружения мониторинга компонентов окружающей среды (в том числе состояния окружающих зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительства и эксплуатации проектируемого здания или сооружения), состояния основания, строительных конструкций и систем инженерно-технического обеспечения проектируемого здания или сооружения, сооружений инженерной защиты (1—3; СНиП 11-3—79* «Строительная теплотехника»; СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий»; СТО 218.3.001—2006 «Проектирование и устройство теплоизолирующих слоев из экструдиро-ванного пенополистирола STYROFOAM на автомобильных дорогах России»; ГОСТ 7076—99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме»; ГОСТ 30256—94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом»; ГОСТ 30290—94 «Материалы и изделия строительные. Метод определе-
ния теплопроводности поверхностным преобразователем»; СП 23-101—2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»).
Для оценки эксплуатационных показателей материалов дорожных одежд и глинистых грунтов земляного полотна рассматриваются: удельная теплоемкость С; объемная теплоемкость С; теплопроводность X; коэффициент температуропроводности к = Х/С'.
Измерение удельной теплоемкости дорожно-строительных материалов регулируется ГОСТ 23250. Стандарт распространяется на строительные материалы и устанавливает метод определения их удельной теплоемкости в диапазоне 20—100оС. Метод определения удельной теплоемкости основан на измерении количества теплоты, отданной калориметру образцом известной массы, нагретым до заданной температуры. Данный метод является определяющим.
Метод является лабораторным, применим для сплошных и сыпучих материалов. Сплошные материалы перед измерением измельчают; измельченный материал засыпают и утрамбовывают в специальную измерительную капсулу. Методика требует высушить исследуемое вещество перед измерением до постоянной массы. Температуру сушки определяют видом материала, она не должна вызывать в нем деструктивных изменений. Масса исследуемого материала не менее 5 г.
Относительная погрешность определения удельной теплоемкости по данной методике не превышает 5%.
■ ■■■','J'.-: i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал ® сентябрь 2016
Данная погрешность является минимальной для всех табличных значений удельной теплоемкости, приведенных в строительных справочниках. Результаты экспериментального определения значений удельной теплоемкости материала асфальтобетонного покрытия в течение его жизненного цикла имеются в справочной и технической литературе. Например, пределы удельной теплоемкости от времени принимают значения от 975 до 1578 Дж/(кг-°С), в зависимости от условий эксплуатации дорожного покрытия и типа асфальтобетона.
Величина удельной теплоемкости может являться феноменологическим параметром для определения обоснованных сроков ремонтных мероприятий. Зависимость теплоемкости от времени существенная (за пять лет на 15%), определяется на основании результатов испытаний.
Рекомендуется учитывать, что время начала выполнения ремонтных работ tp асфальтобетонного покрытия определяется моментом утраты квазилинейности графиками функции удельной теплоемкости от времени эксплуатации покрытия. При этом в начальный период эксплуатации покрытия вследствие продолжающихся процессов формирования структуры асфальтобетона происходит увеличение плотности асфальтобетона в дорожном покрытии и удельная теплоемкость убывает.
С учетом зависимости теплофизических характеристик дорожного покрытия от времени рекомендуется использовать мобильный контролер, который фиксирует изменение поверхностной температуропроводности асфальтобетонного покрытия.
Значения удельной теплоемкости используют для проведения расчетов при прогнозировании теплофизи-ческих режимов технологий дорожного строительства.
Качество большинства технологических процессов определяется их теплофизическим режимом. В условиях неопределенности теплофизического режима возникает риск утраты требуемого качества или простоя, что приводит к существенному повышению себестоимости работ. Например, из-за температурной неоднородности асфальтобетонных смесей при укладке недоуплотняется около 10% площади. По результатам прогнозирования влажностного режима грунтовых резервов на стадии разработки проекта производства работ удается повысить выработку до 50% и снизить себестоимость работ более чем на 20%.
Современное дорожное строительство предполагает непосредственную оценку свойств дорожно-строительных материалов и грунта на месте строительства. При этом учитывают особенности состава и фактуры материалов, используемых на месте производства работ [4—8].
В настоящее время действуют стандартные методы измерения теплопроводности для дорожно-строительных материалов [1—6]. Используют следующие методы определения теплопроводности:
— метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом по ГОСТ 30256, погрешность метода при доверительной вероятности 0,9 составляет 7%;
— импульсный метод определения теплопроводности поверхностным преобразователем применим в лабораторных и полевых условиях; недостаток метода: «разрушение» целостности образца, необходимого для установки зонда;
— метод определения теплопроводности поверхностным преобразователем заключается в создании одностороннего кратковременного теплового импульса на поверхности изделия и регистрации изменения температуры на этой поверхности. Стандарт не распространяется на многослойные изделия. Погрешность определения теплопроводности составляет не более 7%;
— метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076; стандарт не распространяется на материалы и изделия с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м-К).
При установлении требований к образцам, прибору и его градуировке приняты две основные схемы испытания: асимметричная (с одним тепломером) и симметричная (с двумя тепломерами).
Основные характеристики стандартных методов приведены в табл. 1. Согласно табл. 1 измерение влажных материалов в широком диапазоне температуры может быть выполнено методом цилиндрического зонда с разрушением целостности образца. Погрешность метода до 7%.
Отмечают узкий диапазон допустимых значений теплопроводности — до 2 Вт/(м-К).
Если рассмотреть диапазон изменения теплопроводности материалов, используемых в дорожном строительстве (согласно СТО 218.3.001—2006, табл. 2.1), то предел в 2 Вт/(м-К) является недостаточным.
В табл. 1 приведены показатели теплопроводности в зависимости от метода ее измерения.
Среди современных методов определения теплопроводности дорожно-строительных материалов и грунтов следует выделить методы начальной стадии теплового процесса; методы регулярного режима первого рода; методы регулярного режима второго рода; методы температурных волн; методы монотонного режима; нестационарные методы (импульсный и мгновенного источника теплоты).
Таблица 1
Параметры ГОСТ 30256 ГОСТ 30290 ГОСТ 7076
Тепловой режим Нестационарный тепловой режим. Нагреваемый цилиндрический зонд Импульсный тепловой поток. Поверхностный преобразователь Стационарный тепловой поток. Тепломер
Диапазон теплопроводности материала 0,01-2 Вт/(м.К) 0,02-1 Вт/(м.К) не более 1,5 Вт/(м.К)
Диапазон значений температуры 90-573 К (183-200оС) 278-313 К(5-40оС) 233-293 К (40-200оС)
Требование к влажности образца нет нет да
Сыпучие образцы да да да
Разрушение целостности образца да нет нет
Погрешность метода, % Более 7 Не более 7 Не превышает 3 при строгом соблюдении условий
Полевые условия (передвижная лаборатория) да да да
научно-технический и производственный журнал ^^(д
сентябрь 2016
Приборы с горячей плоской плитой, снабженной охранным кольцом для адиабатизации боковых поверхностей, применяются в качестве первичных приборов для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов.
Использованный в этих приборах метод был принят в качестве стандартного в 1954 г. Международным объединением лабораторий испытаний строительных материалов (ИШЕМ). Возможны варианты расположения горячей плиты между двумя холодными. Возможно использование центрального нагревателя и цилиндрического исследуемого образца. Приборы изготавливаются с нагревательными элементами, равномерно распределенными по площади квадратной, круглой или прямоугольной пластины и выполненными в виде линейного источника тепла.
Подготовка образцов грунта к эксперименту. Материал вырезают по изотермической поверхности. Образцы мерзлого грунта с места отбора доставляют в специальных термостатированных контейнерах с целью сохранения ненарушенной структуры согласно нормативной документации. Температура в термостатирую-щем контейнере должна соответствовать температуре, при которой залегал грунт в месте отбора образца. По прибытии в лабораторию образцы грунта хранят в морозильной камере при постоянной температуре, соответствующей условиям их залегания.
Исследуемый образец мерзлого грунта ненарушенной структуры представляет собой, например, суглинок суммарной влажностью 0,3 д. е. и плотностью 1880 кг/м3. Проводят серию измерений на трех установках в одинаковых условиях в диапазоне -10 — +20оС.
Выполняют подготовку экспериментальной установки для проведения исследований. В отведенный промежуток времени для проверки прибора и увеличения точности измерений производят тарирование экспериментальной установки, которое также может быть произведено в случае, если имеются сомнения в достоверности показаний прибора. Тарирование производят по аналогичной схеме с экспериментом, роль исследуемого образца выступает эталонный образец с известным коэффициентом теплопроводности, определенным заранее с высокой точностью. Проводят серию замеров с применением различных комбинаций эталонных образцов, и по результатам строится тари-ровочная зависимость угла поворота реохорда от соотношения между исследуемым и эталонным образцами. Минимальные и максимальные значения коэффициентов теплопроводности эталонов, применяемых при тарировании, ограничивают диапазон измерения прибора.
Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта измеряют только до -6оС. Это связано с тем, что нагревательные элементы при температуре выше, чем -6оС, перегревают испытуемый образец, что приводит к фазовому переходу и плавлению. В связи с особенностями прибора индикация данных невозможна, так как при фазовом переходе грунта происходит поглощение или выделение большого количества тепла, а чувствительные элементы прибора на это не рассчитаны.
Для комплексного определения теплофизических характеристик строительных материалов и изделий методом неразрушающего контроля используют методику Фокина—Чернышова [8] основанную на контактном измерении температуры на поверхности образца в виде призмы квадратного сечения. Разработано приборное и программное обеспечение для экспериментального определения коэффициента температуропроводности, объемной теплоемкости, теплопроводности строительных материалов и изделий, а также методические указания по проведению опытов.
Метод рекомендуется для экспериментального определения теплофизических характеристик бетона, цементного раствора и силикатного кирпича при различных условиях нагрева и охлаждения. Измерения проводят в двух точках: на ребре и в середине грани призмы. Определяемая характеристика — коэффициент температуропроводности материала.
Особенности проведения эксперимента. Жесткие требования к форме образца: призма квадратного сечения, длина грани призмы в шесть и более раз превышает ширину; необходимо тщательное крепление спаев термопар к образцу; требуется печь для нагрева образца.
Коэффициент теплопроводности или значение теплоемкости могут быть найдены в результате пересчета; погрешность измерений неоднородна: для материалов неоднородной структуры, например жаропрочного бетона, погрешность измерения температуропроводности достигает 7%; погрешность пересчета теплопроводности и теплоемкости составляет от 5 до 7%.
Методы линейного источника нагретой нити и оптического сканирования являются комплексными и позволяют определить три основные теплофизические характеристики материала: теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость. Возможности метода зависят от градуировки измерительной системы по образцам с заранее известными свойствами. Имеется возможность обнаружить и выделить анизотропию свойств в объеме образца. Точность методов не уступает известным и стандартизированным методам стационарного теплового потока, например в ГОСТ 25820.
Метод линейного источника относится к методам нестационарного теплового потока и требует внедрения датчика (нагретой нити) в образец. Нить является источником теплового потока и прибором температурных измерений. Достоинства метода определяются возможностью записи сигнала нити и последующей программно-вычислительной обработки полученных данных.
Метод оптического сканирования представляет собой метод измерения расплывания теплового пятна, созданного точечным источником излучения, например лазерным лучом. Точность метода зависит от возможности градуировки измерительной системы с использованием по образцам с заранее известными свойствами. Метод оптического сканирования рассматривают совместно с другими методами, в частности с методом линейного источника. Погрешность данных методов определяется трудностью проведения эксперимента и сложностью обработки экспериментальных данных. Точность методов не уступает традиционным и стандартизированным методам определения стационарного теплового потока, например отраженным в ГОСТ 25820.
Применение методов линейного источника и оптического сканирования позволяет существенно расширить диапазон измерения теплопроводности (до 6 Вт/(м-К) при сохранении высокой точности измерений.
В России проведена адаптация методов линейного источника и оптического сканирования применительно к задачам определения теплофизических свойств дисперсных пород. Методы позволяют работать с сухими и влагонасыщенными образцами. Главный недостаток этих методов — требование высокой научной квалификации персонала.
В настоящее время существуют хорошо разработанные методы экспериментального определения теплофи-зических свойств дорожных материалов и подстилающих грунтов. Погрешность данных методов определяется трудностью проведения эксперимента и сложностью обработки экспериментальных данных.
■ '■■Ч'.-: > Л ■ Г;-' научно-технический и производственный журнал ® сентябрь 2016
Теплопроводность строительных материалов в настоящее время определяется с погрешностью 3%, теплоемкость — 5%. Значительно сократилось время проведения эксперимента, увеличилась экономическая и технологическая эффективность за счет проведенных исследований.
Для определения теплофизических характеристик дисперсных материалов используются также новые методы и приборы [4—11]:
1. Методы определения теплоемкости дисперсных материалов:
— балансный метод (калориметр);
— метод адиабатического калориметра (калориметр с непрерывным вводом).
2. Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов:
— абсолютные стационарные методы (определение коэффициента теплопроводности методом пластины);
— сферический метод определения теплопроводности образца;
— прибор для определения теплопроводности методом цилиндрического слоя).
3. Методы, основанные на регулярном тепловом режиме:
— методы акалориметров и лямбда-калориметров;
— методы двух и многих точек (установка для определения теплофизических характеристик по методу двух точек/многих точек);
— методы бикалориметров (шаровой бикалориметр со слаборазвитым ядром/сильно развитым ядром; простой бикалориметр; цилиндрический бикало-риметр).
4. Квазистационарные методы определения тепло-физических характеристик дисперсных материалов.
5. Нестационарные методы определения теплофизи-ческих характеристик:
— схема установки Плотникова;
— изотермический плоский зонд;
— изотермический цилиндрический зонд;
— мгновенный плоский зонд;
— плоский зонд с мгновенным импульсом тепла;
— цилиндрический зонд постоянной мощности;
— шаровой зонд постоянной мощности и др.
Основным достоинством стационарных методов является высокая точность, так как на результат не влияет начальное распределение температуры в образце и теплоемкость датчиков. Стационарные методы наиболее приемлемы для исследования мерзлых грунтов, а также вблизи границы фазового перехода. Следует учитывать, что при измерениях влажных талых грунтов и возникновении температурного градиента начинает происходить миграция влаги к источнику холода.
Известно также большое количество установок по определению коэффициента теплопроводности, основанных на стационарном методе. Существенным недостатком установок, основанных на таком методе, является длительное время измерения: чем больше размер образца и меньше градиент температуры, тем ниже скорость измерений.
Нестационарные методы подразделяют: на измерения на начальной стадии теплового процесса; исключительно нестационарные; регулярного теплового режима; квазистационарные. Метод начальной стадии теплового процесса характеризуется значительным влиянием начальных и граничных условий исследования, свойств и размеров образца на получаемые результаты. Такие установки позволяют измерять целый комплекс теплофизических свойств материалов, и мерзлых грунтов в частности, за счет возможности задания небольшого градиента значений температуры.
К нестационарным методам можно отнести импульсный способ, способ мгновенного источника тепла. Импульсный метод базируется на скоростном самонагреве образца под воздействием импульса электрического тока и измерении изменения температуры в зависимости от времени нагрева. Развитие стало возможным в связи с появлением пирометрии высокоскоростного разрешения и быстродействующих АЦП.
Импульсные методы особенно перспективны для исследования теплоемкости и других теплофизических свойств в экстремальных условиях (вблизи точки плавления, в условиях теплового удара и т. д.), когда длительное поддержание системы на высоком температурном уровне представляет технически сложную задачу. При использовании импульсных методов принимают во внимание, что в силу резкого изменения температуры образца во времени они зачастую неприменимы для материалов с большим временем релаксации тепловых процессов, например полимеров. Эта особенность при возможности варьирования мощностью импульсов оказывается полезной при исследовании релаксационных процессов.
Метод регулярного теплового режима (автор Г.М. Кондратьев) основан на исследовании упорядоченного теплового процесса, когда распределение температуры для различных точек системы становится неизменным и не зависит от начальных условий. Метод заключается в определении темпа охлаждения (нагрева) образца, помещенного в среду с постоянной температурой [9].
Разработано значительное количество приборов по измерению коэффициента теплопроводности грунтов в талом и мерзлом состояниях. К достоинствам метода относят теоретическую обоснованность и возможность исследования образцов различных форм и размеров. К недостаткам относят трудоемкость вычисления искомых параметров и значительный объем необходимого оборудования. Квазистационарный тепловой метод основан на условии постоянства скорости теплового нагрева образца или теплового потока на его поверхности.
Эти методы относятся к скоростным и позволяют путем несложных вычислений находить искомые величины теплофизических свойств. Их разработкой занимались А.В. Лыков, Ю.А. Попов. Разработан метод с использованием подвижного точечного источника тепловой энергии, в качестве которого может применяться лазер.
Научное направление технологической теплофизики было создано академиком Н.Н. Рыкалиным. В его основу были положены усовершенствования математической теории теплообмена, в частности метода источников теплоты [10, 11].
В математической теплофизике используют метод Грина, его аналог в теплопроводности твердых тел — уравнение Кельвина — фундаментальное решение уравнения теплопроводности. Оно описывает изменение температуры в неограниченном твердом теле, происходящее после выделения конечного количества теплоты в виде мгновенного точечного источника. Тепловой процесс в неограниченном теле, вызванный источником теплоты любой формы и интенсивности, действующий постоянно или временно, движущийся или неподвижный, может быть изображен как комбинация температурных полей, создаваемых мгновенными точечными источниками теплоты. На практике различают три механизма распространения тепла: теплопроводность, конвекцию, и передачу тепла излучением. Технологическая теплофизика в силу особенностей технологических процессов основана на положениях теории теплопроводности.
научно-технический и производственный журнал ^^(д
сентябрь 2016
Таблица 2
Характеристики физически сшитого пенополиэтилена
Показатели сшитого пенополиэтилена
Цвет Молочно-белый
Толщина листа, мм 0,5-50
Плотность, кг/м3 33 (±5), 66 (±5)
Рабочая температура, оС -60 - +100
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С), не более 0,031
Коэффициент теплопоглощения, Вт/(м-°С), не более 0,34
Паропроницаемость, мг/(м.ч.Па), не более 0,002-0,003
Индекс снижения ударного шума, дБ, не менее 18
Напряжение сжатия при 25% линейной деформации, МПа, не менее 0,035
Водопоглощение по объему при полном погружении 96 ч, не более, % 1
Удельная теплоемкость, оС, кДж/(кгоС) 2
Уравнение теплопроводности для мгновенного точечного источника тепла с различными коэффициентами теплопроводности в различных направлениях [23]:
с р
Э0 dt
—— +—— + —-Эх 3j> dz ,
(i)
тепловые потоки (количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади в направлении оси) через три плоскости, перпендикулярные координатным осям, будут равны (соотношения Фурье):
_ . Э0 . Э0 . ээ
(2)
где q — тепловой поток; 0 — температура; X — коэффициент теплопроводности.
Закон Фурье показывает, что тепло распространяется от более высокой температуры к более низкой. Считают, что изменение температуры пропорционально изменению по координате и что решения можно суммировать.
В предположении, что теплопроводность во всех направлениях одинакова — = Ху = уравнение теплопроводности для точечного мгновенного источника теплоты имеет вид:
э© .Г
Э20 Э20 Э20 дх2 ду2 dz2.
(3)
или при применении оператора: Э0
имеем:
ср -gj- — А.Д0. В упрощенном виде: ~^- = аА®.
В системе координат полупространства уравнение температуры имеет вид уравнения Кельвина:
Q(x,y,z,t)=
ср(4яа()^2
ехр
сx-x'fHy-y')2Hz-z'f
4 at
где х, у, I — координаты точки измерения температуры относительно координат мгновенного точечного источника х', у', z'.
При интегрировании последнего уравнения:
{x-x'j+(y-yi+{z-z'î
©Сх, г)=J
б cp(4nat)3/2
ехр
4 at
dt.
Используя типовые сокращения, получаем:
Q(x,y,z)=- "
47гАг'
где г = ■\!(х-х')2+(у-у')2+(^-^)2,
знаменатель имеет следующий вид: д(х,у^) = е К '. В конечном виде для полупространства имеем:
0(х, У, z,t) =
ср
4na\t +
4 ак
ехр
4 a\t +
R
2^
4 ак
Э I Э I Э _А Эх2 Ъу2 dz2 Э0.
где к — коэффициент сосредоточенности.
Анализ научно-исследовательских работ, проводимых в РФ и за рубежом, позволяет отметить высокий уровень исследования теплофизических свойств теплоизоляционных материалов, применяемых в дорожном строительстве. Для широкого применения в дорожном хозяйстве рекомендуются материалы с улучшенными теплофизическими свойствами, в том числе пенопла-сты; полученные для них значения теплопроводности основаны на обработке большого массива опытных данных.
Теплопроводность пенопластов характеризуется вариативностью коэффициента теплопроводности для 45 марок различных производителей, от 0,032 до 0,035 Вт/м (СП 25.13330.2012 К).
Многолетние исследования показывают, что пено-полистирол является достаточно стойким по отношению к действию влаги. За счет наличия закрытопори-стого строения водопоглощение пенополистирола составляет менее 0,2 об. %. Такое незначительное водопоглощение обеспечивает малое изменение теплопроводности во влажных условиях и составляет не более 0,002 Вт/(м-К). Это позволяет применять экструзион-ный пенополистирол без дополнительной гидроизоляции. Пренебрежимо мал коэффициент паропроницае-мости (в зависимости от плотности материала — менее 0,02 мг/(м-ч-Па). С увеличением кажущейся плотности и при повышенных температурах проницаемость водяных паров в пенополистироле снижается.
Пенопласты подробно исследованы на морозостойкость. Даже после 1000 циклов замораживания-оттаивания изменение термического сопротивления материала не превышает 5%.
Результаты исследования теплофизических свойств пенопластов в зависимости от времени показывают, что за 20 лет эксплуатации теплопроводность образцов практически не изменилась.
Исследовалось влияние агрессивных сред (противогололедные реагенты) на теплофизические свойства пенопластов. Показано, что постоянство коэффициента теплопроводности при воздействии погодно-клима-тических факторов и агрессивных сред указывает на сохранение макроструктуры материала в процессе эксплуатации. Исследованы механические характеристики пенопластов: зависимость от вида, цикличности нагрузки, продолжительности воздействия в условиях неблагоприятных внешних факторов и т. д. Высокие современные требования к исследованию поведения материалов в условиях эксплуатации подчеркивают важность точного определения и формулировки требований к теплофизическим свойствам материалов дорожных одежд и подстилающего грунта.
■ ■■■','J'.- : i Л ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал
® сентябрь 2016 IF
Для широкого применения в дорожном хозяйстве в качестве материала с улучшенными теплофизическими свойствами и повышенным сроком службы также рекомендуется физически сшитый пенополиэтилен (табл. 2). Важным положительным свойством физически сшитого пенополиэтилена является то, что это материал химически инертный и экологически чистый, стоек к гниению и деструкции (расчетный срок его эксплуатации 25 лет), обладает высокой адгезией к грунтам и всем известным строительным материалам. Благодаря сшитой закрыто-ячеистой структуре пенополиэтилен имеет высокую эластичность и низкую остаточную деформацию.
Список литературы
1.
3.
5.
Рекомендации по комплексному определению теп-лофизических характеристик строительных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 30 с. Методические рекомендации по опробованию и инженерной оценке меловых и мергелистых грунтов. Министерство транспортного строительства. Москва. 1985. 76 с.
Руководство по определению физических, теплофи-зических и механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1973. 191 с. Бойков Г.П., Видин Ю.В., Фокин В.М. Определение теплофизических свойств строительных материалов. Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1992. 172 с.
Власов В.В. Автоматические устройства для определения теплофизических характеристик твердых материалов. М.: Машиностроение, 1977. 168 с. Чернышова Т.И., Чернышов В.Н. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. М.: Машиностроение, 2001. 240 с. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Под ред. А.В. Лыкова. М.: Энергия, 1973. 336 с.
Фокин В.М., Чернышов В.Н. Теоретические основы определения температуропроводности строительных материалов методом неразрушающего контроля. Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2004. Вып. 4-1. Т. 10. С. 936—945. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 с.
10. Барац Я.И., Маслякова И.А., Барац Ф.Я. Математические модели технологической теплофизики и физических взаимодействий. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. 92 с.
11. Овчинников И.Г., Аржанухина С.П., Кочетков А.В. Теоретические и правовые основы применения чистых противогололедных материалов на основе хлоридов кальция и натрия. Дорожная держава. 2009. № 16. С. 58-63.
References
Rekomendatsii po kompleksnomu opredeleniyu teplo-fizicheskikh kharakteristik stroitel'nykh materialov [Recommendations for a comprehensive definition of thermal performance of building materials.]. Moscow: Stroyizdat. 1987. 30 p.
Metodicheskie rekomendatsii po oprobovaniyu i inzhen-ernoy otsenke melovykh i mergelistykh gruntov [Guidelines for testing and evaluation of engineering and chalk marl soils]. Moscow. 1985. 76 p. Rukovodstvo po opredeleniyu fizicheskikh, teplo-fizicheskikh i mekhanicheskikh kharakteristik merzlykh gruntov [Guidelines for the determination of physical, thermal and mechanical characteristics of frozen soil]. Moscow: Stroyizdat. 1973. 191 p.
8.
9.
2.
4. Boikov G.P., Vidin Yu.V., Fokin V.M. Opredelenie tep-lofizicheskikh svoistv stroitel'nyh materialov [Determination of thermal properties of building materials]. Krasnoyarsk: Publishing House of the University of Krasnoyarsk. 1992. 172 p.
5. Vlasov V.V. Avtomaticheskie ustroistva dlya opredeleniya teplofizicheskikh kharakteristik tverdykh materialov [Automatic device for determining the thermal characteristics of solid materials]. Moscow: Mashinostroenie. 1977. 168 p.
6. Chernyshova T.I., Chernyshov V.N. Metody i sredstva nerazrushayushchego kontrolya teplofizicheskikh svoistv materialov [Methods and tools for non-destructive testing of thermal properties of materials]. Moscow: Mashinostroenie. 2001. 240 p.
7. Metody opredeleniya teploprovodnosti i temperaturo-provodnosti [Methods for determination of thermal conductivity and thermal diffusivity.]. Ed. by Lykov A.V. Moscow: Energiya. 1973. 336 p.
8. Fokin V.M., Chernyshov V.N. Theoretical basis of determining the thermal diffusivity of building materials by non-destructive testing. Vestnik Tambovskogo gosudarst-vennogo tekhnicheskogo universiteta. 2004. Iss. 4—1. Vol. 10, pp. 936-945. (In Russian).
9. Kondrat'ev G.M. Regulyarnyi teplovoi rezhim [Regular thermal conditions]. Moscow: Gostekhizdat. 1954. 408 p.
10. Barats Ya.I., Maslyakova I.A., Barats F.Ya. Matemati-cheskie modeli tekhnologicheskoy teplofiziki i fizi-cheskikh vzaimodeistviy [Mathematical models of thermal physics and technology of physical interactions]. Saratov: Saratov State Technical University. 2002. 92 p.
11. Ovchinnikov I.G., Arzhanukhina S.P., Kochetkov A.V. Theoretical and legal basis for the use of net-icing materials based on calcium and sodium chlorides. Dorozhnaya derzhava. 2009. No. 16, pp. 58-63. (In Russian).
3
научно-технический и производственный журнал ii/ VUJji I'SJliiil^l-' 84 сентябрь 2016
