Теплофизические свойства строительных материалов

Теплофизические свойства строительных материалов

Свойства материалов в условиях, связанных с изменением температуры окружающей среды, относятся к теплофизическим. Они важны для жаростойких и теплоизоляционных материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих и набирающих свою прочность при тепловой обработке.

Теплопроводность — это способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается количеством тепла, проходящим через образец толщиной 1 м, площадью поперечного сеченая 1 м 2 при разности температур в 1°С за единицу времени и характеризуется коэффициентом теплопроводности, вычисляется по формуле:

λ= Qδ/F/t₂-t₁/τ, Вт/м°С, 11

где Q — количество тепла, проводимое материалом, Вт; δ — толщина образца, м; F — площадь поперечного сечения, м 2 ; t₂-t₁— градиент температур на поверхностях материала, °С; τ — время проведения испытания, с.

Теплопроводность — одна из определяющих характеристик качества стеновых и теплоизоляционных материалов. С увеличением таких свойств как влажность и плотность теплопроводность материалов повышается, а увеличение пористости ведет к ее снижению. Современные методы измерения теплопроводности основываются на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Измерения по соответствующим методикам можно производить в широком диапазоне температур: от 20 до 700 °С.

Огнестойкость — способность материалов и изделий сохранять физико-механические свойства под действием огня и высоких температур. Огнестойкость строительных материалов и изделий определяют по степени возгорания при помощи методов огневой трубы и коллометрии. По степени огнестойкости материалы делят на три группы:

несгораемые, которые под действием огня и температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (природный камень, кирпич, бетон);

трудносгораемые — под действием огня и температур обугливаются, тлеют и с трудом возгораются, но после удаления источника огня их тление и горение прекращается (асфальтобетон, цементированный фибролит);

— сгораемые материалы — горят или тлеют под воздействием огня и высоких температур, продолжают гореть после его устранения (органические вещества, древесина, рубероид).

Следует учитывать, что при длительном действии огня некоторые материалы (известняки, мрамор, гипс) могут разлагаться или деформироваться. Для повышения огнестойкости строительных материалов применяют различные огнезащитные покрытия, в том числе и краски, некоторые из которых выполняют также функцию отделочного покрытия.

1.6. Механические свойства строительных материалов

Механические свойства строительных материалов имеют решающее значение для строительных изделий и конструкций, работающих под действием нагрузок. Длительные внешние нагрузки вызывают деформацию либо разрушение материала. Сопротивление материала механическому разрушению характеризуется их прочностными показателями: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлению удару, износу. Механические свойства непосредственно связаны со структурой материала, силами сцепления между частичками, а также особенностями их теплового движения.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Мерой прочности материалов является предел прочности — наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается.

Предел прочности при сжатии или растяжении (МПа, кг/см 2 ) равен отношению разрушающей силы к площади поперечного сечения образца, подвергающегося испытанию и вычисляется по формуле:

R_c = Р_разр./F, 12

R_сж = Р_разр./F, 13

где Р_разр. — разрушающая нагрузка, кг; F- площадь поперечного сечения, см 2

Предел прочности при изгибе материала прямоугольного сечения и при одной сосредоточенной нагрузке в его середине вычисляют по формуле:

R_изг=3Pl/2bh 2 , кг/см 2 , Мпа 14

где Р_разр. — разрушающая нагрузка, кг; l — расстояние между опорами, мм; b и h— ширина и высота поперечного сечения образца, мм.

Для определения прочностных характеристик строительных материалов используются как разрушающие так и неразрушающие методы. При разрушающих методах применяются гидравлические и механические пресса, разрывные машины и другое оборудование. Скорость приложения нагрузки должна быть не более 10 кг/с. В зависимости от характера нагрузки (сжатие, изгиб, растяжение, кручение и пр.) и вида материалов в соответствии с требованиями нормативных документов испытывают образцы определенных форм и размеров, проводят необходимую подготовку к испытаниям, создают определенные условия твердения, набора прочности и проведения испытаний.

Ряд неразрушающих методов (ударные молотки, маятниковые приборы, радиометрические и ультразвуковые методы) связан с оценкой пластических деформаций в испытуемом материале как после ударных воздействий, так и при определении скорости распространения ультразвукового импульса и интенсивности его затухания.

Прочность материала определяется, главным образом, его структурой. Такие материалы как гранит и бетон сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но намного хуже изгибу и растяжению. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются прочности при сжатии, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет ее анизотропность, в результате значения пределы прочности вдоль и в поперек волокон существенно отличаются.

Твердость — свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (металл, бетон, древесина, строительный раствор) определяют вдавливанием в них закаленного стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твердости, равное отношению силы вдавливания к площади поверхности с другими видами прочности, она зависит отпечатка. Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по шкале Мооса, содержащей десять минералов, из которых каждый последующий оставляет царапину на всех предыдущих. Минералы шкалы расположены в порядке возрастания твердости: от 1 (для талька) до 10 (алмаз). Прочность по твердости самая высокая по сравнению от химического состава, состояния поверхности, энергии кристаллической решетки. Однако высокая прочность не всегда говорит о высокой твердости материала: мрамор прочен, но сравнительно не тверд, пластмассы прочны, но не тверды, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а по твердости намного уступает ему и т.д. Чем выше твердость, тем ниже истираемость материала.

Истираемость — свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Истираемость вычисляет по формуле:

И=(m₁-m₂)/S, г/см 2 15

где: m₁-m₂ – масса образца до и после истирания, г; S — площадь истирания, см 2 .

Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют отношение к действию на них тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), сохранять или изменять свойства при изменении температур (тепло-, термо-, и морозостойкость, огнестойкость).

Показатели этих свойств используются для характеристики различных материалов и изделий, а также для определения их назначения.

Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для повышения температуры материала на 1 °С в определенном интервале температур от до С₂. Вычисляют теплоемкость (С, Дж/°С) по формуле

где Q — количество теплоты, Дж;

t₂ и t_x — соответственно начальная и конечная температура материала, °С.

Если теплоемкость отнести к определенному количеству вещества (г, кг), то получим удельную теплоемкость в Дж /(г · °С). Отношение удельной теплоемкости к единице массы вещества С/ га — это массовая теплоемкость, а к объему вещества — объемная теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала.

Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло при разности температур между отдельными участками материала. Она зависит от химического состава, плотности, пористости, температуры и влажности материала.

Наибольшую теплопроводность имеют материалы высокой плотности. С увеличением пористости теплопроводность падает, т. е. материалы с большим количеством пор обладают низкой теплопроводностью. В обычных условиях поры заполнены воздухом, теплопроводность которого очень мала. Но при увеличении размеров пор и если они сообщаются и тем более если становятся сквозными, теплопроводность резко повышается за счет увеличения конвекции.

С повышением влажности теплопроводность пористых материалов возрастает, так как поры заполняются водой, а теплопроводность воды в 24 раза выше, чем воздуха. При увеличении скорости воздушного и теплового потоков и давления теплопроводность повышается.

Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности А, Вт · м/(м 2 · °С), который характеризует интенсивность теплопередачи и показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м 2 материала толщиной 1 м при разности температур верхней и нижней поверхностей материала в 1 °С:

где Ф — тепловой поток, Вт;

? — толщина образца, м;

S — площадь пробы материала, м 2 ;

t_l~t₂ — разность температур между поверхностями, °С.

Для некоторых материалов, используемых для изготовления одежды и обуви, наиболее важны обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление, теплозащита. К таким показателям относятся тепловое сопротивление R, м 2 · °С/ Вт, или удельное тепловое сопротивление р, м 2 · °С/(Вт-м).

Материалы с малым коэффициентом теплопроводности (вата, мех, пенополиуретан) используют в качестве утеплителей при изготовлении зимней одежды, утепленной обуви.

Термическое расширение характеризует способность материала изменять размеры при изменении температуры. Учитывается при оценке качества материалов и изделий, которые эксплуатируются при резких изменениях температуры (режущий инструмент, стеклянная и керамическая посуда). Если материал имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться. Термическое расширение должно учитываться при производстве двухслойных материалов и изделий (глазурованных и эмалированных изделий, стеклоизделий с нацветом). Термическое расширение основного материала и эмали или основной и цветной стекломассы должно быть по возможности одинаковым.

Показателем термического расширения материалов является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества и наличия примесей. Различают линейный и объемный температурный коэффициенты в определенном интервале температур.

Коэффициент линейного расширения (а · 10′ 6 ) вычисляют по формуле

где А1 — изменение длины тела при изменении температуры на 1 °С, мм;

l₂ — длина образца при конечной температуре t₂, мм;

— длина образца при начальной температуре t_v мм.

Коэффициент объемного расширения (?) рассчитывают по формуле

где V₂ — объем тела при конечной температуре t₂ °С, см 3 ;

V₁ — объем тела при начальной температуре ^ °С, см 3 ;

V — изменение объема тела при изменении температуры на 1 °С, см 3 .

Коэффициент определяют на специальных приборах — дилатометрах. Увеличение коэффициента линейного расширения отрицательно влияет на термическую стойкость материалов. Материалы с высоким коэффициентом термического расширения (стекло и стеклоизделия) при незначительных колебаниях температуры разрушаются.

Теплостойкость характеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах. Теплостойкость (термостойкость) определяет стойкость к термической деструкции. Она оценивается по изменению свойств после нагрева и выдержки в нормальных условиях. Термостойкость имеет значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению (стеклянная и керамическая посуда, режущий инструмент и др.). Она влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделий.

Термическая стойкость изделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также от состояния поверхности изделия, наличия тех или иных внутренних и наружных дефектов, острых граней и плавных переходов и от других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.

Она тем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в материале возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости материала, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает.

По термостойкости материалы и изделия подразделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относят материалы, предназначенные для эксплуатации при температуре 250—400 °С. Например, термостойкое текстильное волокно кевлар применяется для изготовления специальной одежды для пожарников, литейщиков. Жаростойкие материалы сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000-2500 °С.

Огнестойкость определяет стойкость материалов и изделий к воздействию пламени огня. Она зависит от природы материала. По степени огнестойкости выделяют негорючие, трудно сгораемые и легкосгораемые материалы.

К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. Это металлические и силикатные материалы и изделия из них, а также некоторые виды пластических масс.

Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудно сгораемым (шерсть, кожа и др.).

Материалы и изделия, которые быстро воспламеняются и продолжают гореть и тлеть при удалении из пламени, относятся к легкосгораемым (хлопок, древесина, бумага и др.).

Теплофизические свойства строительных материалов

Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию.

Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Удельная теплоемкость с (кДж/(кг·°С)) характеризуется количеством тепла, кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1°С:

Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/(кг·°С)), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/(кг·°С), каменные 0,75…0,92 кДж/(кг·°С), сталь 0,48 кДж/(кг·°С), поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой при перепаде температур на противоположных поверхностях материала.

Теплопроводность оценивают коэффициентом теплопроводности λ (Вт/(м·°С)), который характеризуется количеством теплоты (Q), проходящим через материал площадью S=1 м 2 , толщиной a=1 м, в течении одной секунды (τ), при разности температур на противоположных поверхностях в Δt=1°С:

Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также температуры, при которой происходит передача тепла.

Рис. 1.22. Прибор ИТП-МГ4 для определения коэффициента теплопроводности

Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения.

В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, теплопроводность которого составляет 0,0232 Вт/(м·°С). Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95%) пористость. При одинаковой величине пористости, мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией.

Теплопроводность является функцией средней плотности строительного материала:

Приближенно коэффициент теплопроводности таких материалов как бетон, природный камень, полнотелый кирпич, можно определить по формуле В.П. Некрасова:

Теплопроводность некоторых строительных материалов: пенопласт – 0,03…0,05 Вт/(м·°С); минеральная вата – 0,06…0,09 Вт/(м·°С); древесина – 0,18…0,36 Вт/(м·°С); кирпич керамический полнотелый – 0,8…0,9 Вт/(м·°С); кирпич керамический пустотелый – 0,3…0,5 Вт/(м·°С); бетон тяжелый – 1,3…1,5 Вт/(м·°С); ячеистый бетон – 0,1…0,3 Вт/(м·°С); сталь – 58 Вт/(м·°С).

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, т.к. вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/(м·°С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м·°С), что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.

Сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление) – свойство строительной конструкции сопротивляться проникновению сквозь свою толщу теплового потока.

Условное приведенное сопротивление теплопередаче однородного фрагмента ограждающей конструкции:

α_в=8,7 коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м 2 × о С) (см. табл. 4 СП 50.13330.2012);

α_н =23 коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м 2 × о С) (см. табл. 6 СП 50.13330.2012);

δ i – толщина каждого слоя стены, м;

λi – коэффициент теплопроводности каждого слоя стены, Вт/(м× о С).

Расчет выполняется из условия:

Тепловое расширение – свойство материала изменять линейные размеры при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного температурного расширения:

Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР). Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580°С называют огнеупорными, от 1350°С до 1580°С – тугоплавкими, ниже 1350°С – легкоплавкими, до 1000°С – жаропрочными.

Показатели пожарной опасности строительных материалов нормируются в соответствии с Федеральным законом от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 13.07.2014 г.).

Пожарная опасность строительных материалов характеризуется следующими свойствами:

Горючесть – определяется экспериментально по показателям: температура дымовых газов; продолжительность самостоятельного горения; степень повреждения образца по длине и по массе (табл. 1.2):

Материал относится к негорючим, если при стандартном испытании прирост температуры в установке не превышает 50°С, образец не воспламеняется в течение 10 с, а потеря массы образца не превышает 5%. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Если эти условия не выполняются, материал считают горючим и подвергают испытанию для определения группы горючести (табл. 1.2).

Группы горючести строительных материалов

Воспламеняемость(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м 2 ):

· В1 – трудновоспламеняемые (>35);

· В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);

Способность распространения пламени по поверхности(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м 2 ):

· РП1 – нераспространяющие (>11);

· РП2 – слабораспространяющие (8…11);

· РП3 – умереннораспространяющие (5…8);

· РП 4 – сильнораспространяющие (<5).

Дымообразующая способность(определяется экспериментально по значению коэффициента дымообразования, характеризующего оптическую плотность дыма, образующегося при горении или тлении определенного количества материала в условиях специальных испытаний, м 2 /кг):

· Д1 – с малой дымообразующей способностью (<50);

· Д2 – с умеренной дымообразующей способностью (50…500);

· Д3 – с высокой дымообразующей способностью (>500).

Токсичность продуктов горения(определяется экспериментально по значению показателя токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных, г/м 3 ):

Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения

Показатель токсичности продуктов горения в зависимости от времени экспозиции

На основании приведенных показателей пожарной опасности строительных материалов устанавливается интегральный показатель – класс пожарной опасности строительного материала (таблица 1.4).

Классы пожарной опасности строительных материалов

Свойства пожарной опасности строительных материалов

Классы пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп

Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и пожарной опасности.

Огнестойкость – свойство строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре до наступления одного или нескольких предельных состояний.

Численной характеристикой огнестойкости является предел огнестойкости (мин, не менее):15; 30; 45; 60; 90; 120; 150; 180; 240; 360, который характеризует время с момента начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или нескольких предельных состояний:

R – по потере несущей способности (обрушение несущей конструкции);

E – по потере целостности конструкции (появление в ограждающей конструкции трещин, через которые дымовые газы могут проникнуть на пути эвакуации или в помещение, где находятся люди);

I – по потере теплоизолирующей способности (нагрев поверхности конструкции свыше установленных пределов).

По сути, предел огнестойкости характеризует время, доступное для безопасной эвакуации людей из здания в случае пожара.

Пожарная опасность строительной конструкции характеризует степень участия строительных конструкций в развитии пожара и их способность к образованию опасных факторов пожара (таблица 1.5):

Источник https://studfile.net/preview/5166243/page:4/

Источник https://studref.com/347257/tovarovedenie/teplofizicheskie_svoystva

Источник https://studopedia.ru/22_40113_teplofizicheskie-svoystva-stroitelnih-materialov.html