Рекомендации по определению теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 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 (614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29);

2 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (125319, г. Москва, Ленинградский просп., 64);

3 Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)

4 Владимирский государственный университет им. Николая Григорьевича и Александра Григорьевича Столетовых (600000, Владимирская обл., г. Владимир, ул. М. Горького, 87)

Рекомендации по определению 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) (soni.81@mail.ru ); 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, Perm, 614990, Russian Federation)

2 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (64, Leningradsky Avenue, 125319, Moscow, Russian Federation)

3 Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77, Politechnicheskaya Street, 410054, Saratov, Russian Federation)

4 Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (87, M. Gorky Street, 600000, Vladimir, Russian Federation)

Recommendations for Determining Thermal-Physical Properties of Road-Building Materials and Soils

A draft branch road methodical document has been developed by the Federal Autonomous Institution of "ROSDORNII". The draft provides recommendations for determining thermal-physical properties of road-building materials and soils in the course of the study of the possible range of changes in humidity, density and temperature of materials and soils located in road structures in areas of seasonal freezing (thawing) of auto roads and artificial constructions on them, selection of measuring methods and devices ensuring reliable and reproducible results of determining the thermal-physical characteristics of materials of road pavements and the roadbed soils.

Keywords: thermal-physical properties, volumetric thermal capacity, heat conductivity coefficient, temperature conductivity coefficient, heat absorption, disperse materials, soils.

Проект отраслевого методического документа для дорог разработан Федеральным автономным учреждением «РОСДОРНИИ». Проект устанавливает рекомендации по определению теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов при исследовании возможного диапазона изменения влажности, плотности, 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 с учетом [1—8].

Согласно п. 3 ст. 16 Федерального закона «Технический регламент «О безопасности зданий и сооружений» в расчетах строительных конструкций и оснований должны быть учтены все виды нагрузок, соответствующих функциональному назначению и конструктивному решению здания или сооружения, климатические, а в необходимых случаях технологические воздействия, а также усилия, вызываемые деформацией строительных конструкций и оснований. Для элементов строительных конструкций, характеристики которых, учтенные в расчетах прочности и устойчивости здания или сооружения, могут изменяться в процессе эксплуатации под воздействием климатических факторов или агрессивных факторов наружной и внутренней среды, в том числе под воздействием технологических процессов, которые могут вызывать усталостные явления в материале строительных конструкций, в проектной до-

кументации должны быть дополнительно указаны параметры, характеризующие сопротивление таким воздействиям, или мероприятия по защите от них. Условия обеспечения надежности по предельным значениям, устанавливаемым нормами проектирования конструкций или оснований автомобильных дорог, задаются согласно ГОСТ 27751. В соответствии с ним возможные отклонения принятой расчетной модели от реальных условий работы элементов конструкций, соединений, зданий и сооружений и их оснований, а также изменения свойств материалов вследствие влияния температуры, влажности, длительности воздействия, его многократной повторяемости и других факторов, не отражаемых непосредственно в расчетах, учитывают коэффициентами условий работы. Коэффициенты условий работы и способ их введения в расчет устанавливают на основе экспериментальных и теоретических данных о действительной работе материалов, конструкций и оснований в условиях эксплуатации и производства работ.

К теплофизическим свойствам и характеристикам дорожно-строительных материалов относят порядка 70 величин. Практическое определение (измерение) тепловых свойств материалов признается одной из труднейших задач метрологии. В настоящее время единство измерений в нашей стране осуществляют на основе международной температурной шкалы МТШ-90. Государственная поверочная схема для средств измерений теплопроводности твердых тел в диапазоне от 0,02 до 20 Вт/(м.К) при температуре 90—1100 К определяется ГОСТ 8.140.

В общем случае теплопроводность является функцией структуры, плотности, влажности, давления и температуры, при которой находится исследуемый материал. Теплопроводность материала точно предсказать теоретически невозможно. Единственным способом определения достоверного значения теплопроводности является непосредственный опыт. При разработке методов определения интерес представляют внутренние обратные задачи теории теплопроводности, связанные с тепловым воздействием, температурным полем и геометрией образца. Основу точных методов определения теплопроводности составляют аналитические закономерности одномерных плоских или цилиндрических тепловых и температурных стационарных полей в образцах, которые могут быть отнесены к классу плоского или цилиндрического полупространства.

Оценка степени промерзания дорожных одежд и грунтов земляного полотна непосредственно связана с определением теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов. Ее результаты учитывают при проектировании автомобильных дорог на всей территории Российской Федерации. Нормативные методы расчета глубин промерзания базируются на полуэмпирических положениях [10,11, СНиП II -3-79, СНиП 23-02-2003. ГОСТ 8.190-2009, ГОСТ З8.621-2006, ГОСТ 23250-78, ГОСТ 30256.94, ГОСТ 30290-94.

В настоящее время существуют вычислительные комплексы и отдельные программы, позволяющие решать задачи промерзания дорожных одежд и грунтов земляного полотна с точностью, удовлетворяющей требованиям автоматизированного проектирования строительства и ремонта автомобильных дорог. Для обеспечения высокой точности необходим соответствующий уровень исходных данных. Основное место в данных рекомендациях отводится теплофизическим характеристикам дорожно-строительных материалов и грунтов.

В современных подходах к решению теплотехнических задач по промерзанию дорожных конструкций рекомендуется использовать годовой цикл изменения температуры воздуха с учетом радиационного баланса на свободной поверхности. При решении теплотехнических задач собирают данные о теплофизических свойствах дорожно-строительных материалов и грунтов в реальном интервале изменения температуры. Это относится в большей степени к водонасыщенным грунтам, свойства которых меняются в зависимости от процентного содержания в них замерзшей воды и их засоления.

К определению рекомендуются параметры, характеризующие теплотехнические свойства дорожно-строительных материалов и грунтов, которые могут быть использованы в теплотехнических расчетах при проектировании автомобильных дорог на особо сложных по мерзлотно-грунтовым условиям участках. К теплофи-зическим характеристикам относят следующие:

1. Термические характеристики:

а) коэффициент теплопроводности Я;

б) коэффициент температуропроводности Л;

в) объемная теплоемкость С';

г) теплоусвояемость в;

2. Массообменные характеристики:

а) коэффициент влагопроводности К;

б) коэффициент термовлагопроводности 8Т;

в) коэффициент массы емкости 8м.

В настоящих методических рекомендациях рассматривается комплекс термических характеристик, т. е. величины Я, Л, С'и в. Для оценки тепловых свойств дисперсных материалов и для основных термических процессов, протекающих в них при самых различных

режимах и условиях, достаточно знания этих четырех параметров.

Рассматривается задача нахождения температурного поля в области теплообмена внутри твердых тел, которая состоит в определении температуры Т в любой точке тела М (х, у, в любой момент времени t :

T = f(x,y,z,t) .

(1)

Стационарное температурное поле представляется в виде распределения температуры от одной точки поля к другой независимо от времени, нестационарное поле - в виде распределения температуры по координатам х, у, z и во времени t.

При исследовании вопросов переноса тепла через тело, о теплоотводе в окружающую среду, о тепловых потерях и теплоаккумуляции ищут решения уравнения (1) для случаев, являющихся частными решениями основного дифференциального уравнения теплопроводности:

ГЪ2

_Г 7гТ_ сгГ

Эх2 + ду2 + dz2

_г,дТ

э*.

(2)

В уравнение (2) входят коэффициент теплопроводности Я и объемная теплоемкость С'. Коэффициент температуропроводности к определяется из Я и С':

, л

к = с (3)

Коэффициент теплоусвояемости в представляет собой результат преобразования величин Я и С':

(4)

Коэффициент теплопроводности Я равен количеству тепла, проходящему в стационарном состоянии в единицу времени через две противоположные грани единицы объема материала, на которых поддерживается разность температур в 1оС. Эта величина характеризует степень проводимости тепла материалом или грунтом. Размерность Я — ккал/(м.ч.град).

Объемная теплоемкость С'численно равна количеству тепла, необходимому для нагревания или охлаждения единицы объема на 1оС. Эта величина характеризует интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении. Размерность С' — ккал/м3.

Для оценки быстроты выравнивания температуры и степени теплоаккумуляции также используют коэффициенты температуропроводности к и теплоусвояемости в. Размерности Л — м2/ч; в — ккал/(м2.ч1/2.град1/2).

Рассматривают изменяющееся во времени температурное поле внутри образца материала, вырезанного по изотермической поверхности. Повышение температуры в образце в данный момент времени связано с накоплением проводимого к нему тепла и будет тем больше, чем меньше теплоемкость единицы объема образца. Скорость прогрева материала, мерой которой является его коэффициент температуропроводности Л, обратно пропорциональна С'. Она обусловлена интенсивностью передачи тепла при данной разности значений температуры от соседнего слоя к рассматриваемому. Коэффициент температуропроводности Л пропорционален коэффициенту теплопроводности Я:

, п Я

к = , (5)

где D0 — коэффициент, численная величина которого зависит от выбора единиц для расчета Я, Л, и С'.

При D0 = 1 имеем к = —-.

(6)

научно-технический и производственный журнал

М' ® июнь 2016 75

С' определяют как произведение плотности материала на его удельную теплоемкость с:

С' = ср к = —. (7)

ср

Уравнения (1—7) связывают теплофизические характеристики материала. Характеристики Л, k, и С'порознь, в совокупности и в различных комбинациях входят в расчетные формулы температурного поля, тепловых потоков, теплоаккумуляции и тепловых потерь.

Для практического использования при определении теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов в настоящих методических рекомендациях в качестве информативных параметров рекомендуются к определению средствами измерения коэффициент теплопроводности Л и теплоемкость (удельная c или объемная С'). Коэффициенты температуропроводности k и теплоусвояемости в получают расчетным путем.

Неметаллические материалы группируют в несколько типов, каждый из которых объединяет материалы, сходные по природе, геометрическим особенностям, способу их исследования:

1. Твердые капиллярно-пористые материалы (связанные) — большое количество изоляционно-строительных материалов по признаку твердости. К этому типу материалов относят мрамор, известняк, бетоны, гранит и др.

2. Насыпные материалы (зернистые) — изоляционные засыпки, щебень, песок, шлак, минеральный порошок, глины, зола.

3. Волокнистые материалы — волокнистый асбест, хлопок, дерево вдоль и поперек волокон и т.п. Методика исследования этих материалов отличается от методики исследования теплофизических свойств зернистых материалов. Для волокнистой, чешуйчатой, пластинчатой структуры материала учитывают различные тепловые свойства вдоль и поперек волокон.

4. Материалы в виде тонких слоев — резиновые листы, пленки, слои мастики, лаки, краски, термопластики и т.д. Эти материалы можно объединить между собой, так как геометрическое сходство (малая толщина) требует специфических методов исследования тепло-физических характеристик.

5. Замороженные материалы — лед, снег, мерзлые грунты и т. п. При исследовании их тепловых свойств возникают специальные задачи, связанные с недопустимостью подтаивания материала, а также с недопустимостью миграции влаги и водяных паров.

Минеральные материалы, применяемые для испытаний, выбирают в соответствии, например, с ГОСТ 10832, ГОСТ 12801, ГОСТ 22263, ГОСТ 25820, ГОСТ 16136 и др.

Образцы смесей асфальтобетонных, органомине-ральных, грунтов, укрепленных органическими вяжущими, и асфальтобетона, применяемых для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог, приготавливаются при подборе состава и контроле качества согласно ГОСТ 12801.

Статистическую обработку результатов определений (изменений) теплофизических характеристик рекомендуется проводить с помощью существующих процессоров статистических вычислений, например EXCEL, STATISTICA 6 и др. Оценку систематических и случайных отклонений рекомендуется проводить на основе методики ГОСТ Р 8621—2006.

Места отбора проб грунта назначают с учетом водно-тепловых режимов. Теплофизические свойства грунтов земляного полотна и материалов дорожной одежды с повышением влажности изменяются. Влажность, температура грунтов и материалов изменя-

ются в зависимости от сезонных колебаний температуры воздуха, количества и характера атмосферных осадков. Водяной пар в грунтах, находящийся в насыщенном состоянии и в процессе перемещения, может конденсироваться и переходить в жидкое состояние. Вода в результате внутрипорового испарения может переходить из жидкого в парообразное состояние и перемещаться под действием давления, возникающего в пленках.

В зимний период промерзание грунта приводит к интенсивному перемещению в нем влаги. Скорость промерзания земляного полотна зависит от погодно-климатических условий и от его поперечного профиля.

Чем больше в грунте пылеватых и особенно глинистых частиц, тем больше в нем содержится незамерзающей воды.

Водно-тепловой режим морозного пучения зависит от вида и мощности источников увлажнения. В теплый период грунт увлажняется за счет выпадения дождя, от стока поверхностных вод и проникновения их в земляное полотно через его откосы и обочины. Грунт может увлажняться капиллярной водой, поднимающейся от уровня грунтовых вод. В осенний период пары перемещаются от более теплых нижних слоев к более холодным поверхностным. Вследствие большей теплопроводности материалов дорожной одежды, чем покрытого снегом грунта, он замерзает сначала под дорожной одеждой. У границы промерзания конденсируется пар, все поры грунта заполняются водой, вытесняющей воздух в нижние слои. Это происходит в зоне междуфазового перехода, в которой грунт имеет отрицательную температуру, а вода в его порах находится еще в жидком состоянии. Пленочная вода замерзает при -30С и ниже, а капиллярная вода — при более низкой температуре, в зависимости от тонкости капилляров. В этой зоне при температуре грунта ниже 00С вода может находиться в жидком состоянии и к ней поднимаются новые частицы пара; конденсирующаяся вода заполняет все пустоты между частицами грунта, вытесняя воздух. По мере понижения температуры глубина промерзания увеличивается и большая часть воды переходит в лед.

Если процесс промерзания происходит медленно и вода успевает заполнить все пустоты между частицами грунта, то при переходе в лед увеличивается объем замерзшей части земляного полотна и происходит пучи-нообразование. Теплообмен осуществляется за счет теплопроводности грунтов и фазовых превращений влаги. В зоне конденсации пара тепло освобождается, а в зоне образования льда поглощается.

Рекомендуется учитывать неоднородность физико-механических свойств грунта земляного полотна и неравномерность заполнения пор водой и льдом и режима промерзания, зависимость пучинообразования и его размеров от пористости и степени влажности грунта.

Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой. В это время может прекратиться дальнейшее промерзание грунта, а затем начнется его оттаивание. Оттаивание происходит сверху и снизу промерзшего грунта. При повсеместном оттаивании грунта в центре земляного полотна остается на некоторое время не оттаявший массив замерзшего грунта блюдце-образной формы (донник). Донник образуется за счет большей глубины промерзания земляного полотна под дорожной одеждой.

Использование закономерностей и представлений об основных схемах движения воды в верхней части земляного полотна позволяет обоснованно назначить места отбора образцов грунта для определения основных теплофизических характеристик.

Согласно принятым нормам СП 25.13330.2012, по особенностям физико-механических свойств среди

вечномерзлых грунтов выделяют сильнольдистые, засоленные и биогенные (заторфованные) грунты, твердо-мерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые грунты.

Необходимые для расчета оснований и фундаментов физические и деформационно-прочностные характеристики вечномерзлых грунтов определяют на основании их полевых или лабораторных испытаний. Характеристики грунта устанавливают для выделенных при изысканиях инженерно-геологических элементов на основании статистической обработки результатов экспериментальных исследований в соответствии с учетом предусмотренного проектной документацией состояния и температуры грунтов основания.

Согласно общим строительным нормам для оснований зданий и сооружений СП 22.13330.2011 основания рассчитывают по двум группам предельных состояний: по несущей способности и деформациям грунтов. В качестве основных параметров механических свойств грунтов, определяющих несущую способность оснований и их деформации, используют прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения j, удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Яс и т. п.).

Для расчета вечномерзлых оснований помимо физических и механических характеристик грунтов, предусмотренных в СП 22.13330.2011, дополнительно учитываются:

1. Физические и теплофизические характеристики мерзлых грунтов:

а) суммарная влажность мерзлого грунта и влажность мерзлого грунта между включениями льда;

б) суммарная льдистость мерзлого грунта и льди-стость мерзлого грунта за счет включений льда;

в) степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой;

г) влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды;

д) температура начала замерзания грунта;

е) теплофизические характеристики грунта (теплопроводность и объемная теплоемкость);

ж) теплота таяния (замерзания) грунта;

2. Деформационные и прочностные характеристики грунтов для расчета мерзлых оснований по деформациям и несущей способности:

а) коэффициент сжимаемости мерзлого грунта;

б) расчетное давление и сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания;

3. Деформационные характеристики грунтов для расчета оттаивающего основания по деформациям:

а) коэффициент оттаивания и сжимаемости оттаивающего грунта;

б) относительная осадка оттаивающего грунта;

в) характеристики грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания для расчета оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения грунтов, а также характеристики мерзлых грунтов для расчета оснований на горизонтальные статические и сейсмические воздействия.

При необходимости определяют и другие характеристики мерзлых грунтов, характеризующие особенности их состояния или взаимодействия с элементами конструкции автомобильной дороги:

— вид криогенной текстуры;

— коэффициент вязкости;

— эквивалентное сцепление грунта;

— скорость вязкопластического течения льда;

— негативное трение оттаивающего грунта и др.

Часть характеристик для различных грунтов определяют по таблицам согласно СП 25.13330.2012.

Дополнительно выделяют следующие характеристики грунта:

а) степень засоленности грунта;

б) плотность сухого грунта (скелета грунта);

в) плотность талого и мерзлого грунта;

г) вязкость льда, определяемая из испытаний образцов льда на одноосное сжатие;

д) плотность грунта;

е) плотность мерзлого грунта;

ж) плотность частиц грунта;

з) коэффициент пористости мерзлого грунта.

При расчетах характеристик различных грунтов согласно СП 25.13330.2012 также учитывают:

а) расчетную среднегодовую температуру вечно-мерзлого грунта;

б) среднюю высоту снегового покрова, м, принимаемую по метеоданным;

в) среднюю плотность снегового покрова, т/м, принимаемую по метеоданным;

г) среднюю скорость ветра в зимний период;

д) нормативные глубины сезонного оттаивания и промерзания;

е) среднюю по многолетним данным температуру воздуха за период отрицательных значений температуры, 0С, и продолжительность периода, ч;

ж) природное (бытовое) давление в грунте на уровне подошвы фундамента от массы вышележащих слоев грунтов (до отметки природного рельефа), кПа (кгс/см2);

з) дополнительное (к природному) вертикальное давление на грунт под подошвой фундамента, кПа;

и) среднее давление на грунт под подошвой фундамента от постоянных и длительных долей временных нагрузок, кПа;

к) расчетный срок эксплуатации сооружения;

л) тепловое влияние сооружения.

Влияние засоления на теплофизические свойства засоленных многолетнемерзлых пород неоднозначно. Это обусловлено совместным влиянием соотношения льда и незамерзшей воды, изменением теплопроводности порового раствора в зависимости от концентрации, температуры и других факторов.

Рекомендуется учитывать, что коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением засоленности, а коэффициент теплоемкости увеличивается в указанном диапазоне концентраций.

При расчетах температурного состояния сооружений некоторых классов и их оснований, а также при выполнении предварительных теплотехнических расчетов расчетные значения теплофизических характеристик талых и мерзлых песков, супесей, суглинков, глин, за-торфованных грунтов и торфа при наличии засоленности допускается принимать из таблиц по [10]. В табл. 1 приведены некоторые значения теплопроводности и теплоемкости искусственных насыпных грунтов в зависимости от концентрации солей при одинаковой суммарной влажности.

При увеличении пористости теплопроводность понижается в талом и мерзлом состоянии. Имеется зависимость коэффициента теплопроводности от степени К заполнения пор влагой.

В проекте ОДМ оценивается влияние глубины сезонных оттаиваний и промерзаний на пористость грунта, температуры начала замерзания грунта, миграции влаги вследствие неравномерности промерзания грунта, а также среднего давления на пористость грунта.

Присутствие в мерзлых грунтах того или иного количества незамерзшей воды обусловливает зависимость их свойств от температуры. Переход грунта из талого в мерзлое состояние характеризует Ть/ ,0С,. Для незасоленных песчаных и крупнообломочных грунтов значение Ть/ рекомендуется принимать равным 00С.

научно-технический и производственный журнал июнь 2016

Таблица 1

Концентрация порового раствора, т/м3 Плотность сухого грунта, т/м3 Суммарная влажность грунта, доли ед. Теплопроводность грунта, Вт/(м°С) [ккал/(м.ч°С)] Объемная теплоемкость грунта, Дж/(м3.°С)10-6 [ккал/(м3.°С)]

1/

Засоление хлоридами Nа

0,04 1,8 0,13 0,99 (0,85) 0,86 (0,74)

0,16 1,8 0,13 1,14 (0,98) 1,04 (0,89)

0,26 1,8 0,13 1,08 (0,93) 0,92 (0,8)

Примечания. 1. 1л; 1/ - теплопроводность талого и мерзлого грунтов соответственно. 2. Ст; С(- объемная теплоемкость талого и мерзлого грунтов.

Таблица 2

Грунты Температура начала замерзания грунта Ты, °С, при концентрации порового раствора ср8, доли ед.

0 0,005 0,01 0,02 0,03 0,04

Песчаные 0 -0,6 -0,8 -1,6 -2,2 -2,8

Пылевато-глинистые:

супеси -0,1 -0,6 -0,9 -1,7 -2,3 -2,9

суглинки и глины -0,2 -0,6 -1,1 -1,8 -2,5 -3,2

Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и заторфованных грунтов Ть/ устанавливают опытным путем.

Для предварительных расчетов мерзлых оснований значение Ть/ принимают по табл. 2 (СП 25.13330.2012) в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора ср8.

В проекте ОДМ определены факторы, влияющие на теплофизические характеристики дисперсных материалов. Определение и изменение теплофизических характеристик системы проводят в результате варьирования состояния системы, определяемого тремя факторами: пористостью, температурой и влажностью. После выбора системы с заданной структурой и химико-минералогической основой определяют возможности изменения величин ее теплофизических характеристик: уплотнением или рыхлением системы; ее нагреванием или охлаждением, увлажнением или сушкой.

Влияние на теплофизические характеристики материалов структурно-механических факторов (размера, формы зерен и способов контактирования), определяющих состояние системы (плотная, рыхлая, влажная, сухая, горячая, холодная), может широко варьироваться экспериментатором. В качестве объекта исследования рекомендуется выбирать наиболее сложную из неметаллических материалов дисперсную систему.

При учете резкой зависимости теплофизических характеристик от факторов состояния системы учитывают возможности рационального регулирования параметров структурно-механических и химико-минералогических факторов. Такое регулирование проводят за счет примешивания к скелету системы различных фракций частиц или цементирующих, балластных или иных связок. При этом изменяют пористость и фактически создают систему с измененными свойствами. Для конкретной системы ограничиваются пористостью, температурой и влажностью — факторами, способными привести на практике к желательным значениям теплофизиче-ских характеристик.

Чем выше влажность грунта, тем больше его удельная теплоемкость и температуропроводность. С увеличением влажности при ее некотором значении, характерном для данного типа грунтов, уменьшается удельный объем. В известном интервале вероятно по-

стоянство влажности, так как теплопроводность растет с увеличением плотности и удельной теплоемкости. Дальнейшее понижение температуропроводности с увеличением влажности связано с затуханием теплопроводности материала до значения теплопроводности воды. С увеличением влажности грунта появившиеся тонкие, а потом утолщающиеся водные пленки выполняют роль водяных мостов, по которым тепло распространяется от одной частицы к другой, при этом значения Я и Л начинают расти. Рекомендуется учитывать плотность, пористость, крупность зерен, природу материала.

Учитывают мелкодисперсность материала, при которой снижается теплопроводность. Важны величины Я и Л, для определения которых устанавливают влажность, пористость, механический состав или дисперсность. При одинаковых значениях влажности и пористости важна дисперсность материала, обусловливающая степень связности скелета с влагой.

Выводы, полученные для грунтов, могут быть распространены на другие порошкообразные и зернистые материалы с учетом их особенностей [1—6]:

1. В зависимости от крупности зерен дисперсные материалы разделяют на три группы: крупно-, средне-, и мелкодисперсные. При увеличении малых значений влажности теплопроводность дисперсных материалов увеличивается в линейной зависимости, причем темп этого возрастания тем больше, чем крупнее зерна материала.

2. При дальнейшем увлажнении материала, начиная с определенной степени его увлажнения, рост теплопроводности затухает (крупнозернистые материалы), либо становится сильно выраженным (мелкозернистые материалы), либо продолжает подчиняться линейной зависимости (среднедисперсные материалы).

3. Наблюдается близкое к линейному изменение теплопроводности многих строительных и изоляционных материалов с изменением влажности (при невысоких влажностях материалов среднедисперсной структуры).

4. В пределах каждой из трех групп материалов в довольно широких пределах изменения степени зернистости характер зависимости коэффициента теплопроводности от влажности сохраняется одинаковым.

Список литературы

1. Бойков Г.П., Видин Ю.В., Фокин В.М. Определение теплофизических свойств строительных материалов. Красноярск: Красноярский университет, 1992. 172 с.

2. Власов В.В. Автоматические устройства для определения теплофизических характеристик твердых материалов. М.: Машиностроение, 1977. 168 с.

3. Чернышова Т.И., Чернышов В.Н. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. М.: Машиностроение, 2001. 240 с.

4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

5. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Под ред. А.В. Лыкова. М.: Энергия, 1973. 336 с.

6. 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.

7. Барац Я.И., Маслякова И.А., Барац Ф.Я. Математические модели технологической теплофизики и физических взаимодействий. Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2002. 92 с.

8. Аржанухина С.П., Овчинников И.Г., Кочетков А.В. Теоретические и правовые основы применения чистых противогололедных материалов на основе хлоридов кальция и натрия // Дорожная держава. 2009. № 16. С. 58-63.

9. Киялбаев А.К. Экологическая безопасность при эксплуатации автомобильных дорог и городских улиц. Алматы: НИЦ «Гылым», 2003. 300 с.

10. Рекомендации по комплексному определению теп-лофизических характеристик строительных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 30 с.

11. Руководство по определению физических, тепло-физических и механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1973. 194 с.

References

1. Boikov G.P., Vidin Yu.V., Fokin V.M. Opredelenie teplofizicheskikh svoistv stroitel'nykh materialov [Determination of thermal properties of building materials]. Krasnoyarsk: Publishing Krasnoyarsk University. 1992. 172 p.

2. Vlasov V.V. Avtomaticheskie ustroistva dlya opredele-niya teplofizicheskikh kharakteristik tverdykh materi-alov [Automatic device for determining the thermal characteristics of solid materials]. Moscow: Mashino-stroenie. 1977. 168 p.

3. 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.

4. Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti [The theory of heat conduction]. Moscow: Vysshaya shkola. 1967. 599 p.

5. Metody opredeleniya teploprovodnosti i temperaturo-provodnosti [Methods for determination of thermal conductivity and thermal diffusivity]. Moscow: Energiya. 1973. 336 p.

6. Fokin V.M., Chernyshov V.N. Teoreticheskie osnovy opredeleniya temperaturoprovodnosti stroitel'nykh materialov metodom nerazrushayushchego kontrolya

[Theoretical basis of determining the thermal diffusivity of building materials by non-destructive testing]. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2004. Vol. 4-1. No. 10, pp. 936-945. (In Russin).

7. Barats Ya.I., Maslyakova I.A., Barats F.Ya. Matematicheskie modeli tekhnologicheskoi teplofiziki i fizicheskikh vzaimodeistvii [Mathematical models of thermal physics and technology of physical interactions]. Saratov: Saratov State Technical University. 2002. 92 p.

8. Arzhanukhina S.P., Ovchinnikov I.G., 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).

9. Kiyalbaev A.K. Ekologicheskaya bezopasnost' pri ekspluatatsiy avtomobil'nykh dorog i gorodskikh ulits [Environmental safety in the operation of highways and city streets]. Almaty: NITs «Gylym». 2003. 300 p.

10. 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.

11. Rukovodstvo po opredeleniyu fizicheskikh, teplo-fizicheskikh i mekhanicheskikh kharakteristik mer-zlykh gruntov [Guidelines for the determination of physical, thermal and mechanical characteristics of frozen soil]. Moscow: Stroyizdat. 1973. 194 p.

Ж

27-29 октября

г. Симферополь,

крым

Стройиндустрия

Энергосбережение

Энергосбережение 27-29 октября

г. Симферополь,

МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА ул. КиевСКЭЯ, 115,

Современные строительные материалы и технологии.

Краски, лаки. Л

Строительные машины и механизмы. _ I ; V

Окна, двери. д

Экология. Системы очистки воды^Е Системы отопления, вентиляцимИ и кондиционирования. |

Электротехническое и осветительное ЩР оборудование.

Энергосбережение и использование ^

нетрадиционных экологически чистых

4НЯ у ^ИЙ1^

источников энергии.

Системы автоматизации. Программное обеспечение предприятий строительной, энергетической, электротехнической отраслей промышленности.

ДКП

ФОРУМ

МСКИЕ Т А ВК И

Оргкомитет: Республика Крым,

г Симферополь, ул. Горького, 6, оф. 27,

моб.:+7 978 78 178 8 J,

тел./факс: +7(3652) 54-60-66,

+7(3652) 54-67-46,

E-mail: marketirig@e)(poforum.bii,

http:WeKpoforuim.biz/

ы- ®

июнь 2016

79