Теплофизические свойства строительных материалов

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаи­вания без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Определение морозостойкости материалов проводят в лаборато­риях на стандартных образцах (бетонные кубы, кирпич и т.п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого их помещают в холодильные камеры, замораживают при температуре от —15 до -20 °С и выдерживают некоторое время (4...8 ч), чтобы вода замерзла даже в тонких порах. Затем образцы оттаивают в воде комнатной температуры +20 °С в течение 4 ч и более. Одно такое испытание на­зывают циклом. Число циклов попеременного замораживания и от­таивания, которое должен выдерживать материал без разрушения при условии, что прочность его понизится не более чем на 25%, а по­теря массы не превысит 5%, и характеризует морозостойкость мате­риала. По степени морозостойкости, т.е. по числу выдержанных цик­лов, материалы подразделяют на марки: F10, F15, F25, F35, F50, F100, F150, F200, F300, F400, F500 (СТБ 4.204—94). Например, кера­мический кирпич по морозостойкости подразделяют на марки F15, F25, F35, F50; тяжелый бетон — F50, F75, F100, F150, F200, F300.

Пористые материалы, как правило, являются достаточно моро­зостойкими, если при насыщении вода заполняет не более 85% объема пор. Значит, наибольшей морозостойкостью обладают плотные ма­териалы и материалы с закрытой структурой пор и пустот. Обычно после замораживания наблюдается понижение прочности материала по сравнению с прочностью в водонасыщенном состоянии.

Отношение предела прочности при сжатии замороженного об­разца к пределу прочности при сжатии образца, насыщенного водой, называется коэффициентом морозостойкости К_F:

 

 

У морозостойких материалов К_F > 0,75. По результатам лабо­раторных испытаний строительных материалов на морозостойкость можно прогнозировать срок их службы в естественных условиях: один цикл испытаний примерно соответствует трем годам эксплуатации.

Морозостойкость гидротехнических и дорожных покрытий F50...F300. Применением поверхностно-активных веществ (ПАВ) регулируют структуру бетона и существенно повышают его морозо­стойкость.

При выборе материалов важно знать их реакцию на действие высоких температур, открытого огня, звуковых волн, различных из­лучений. Эти характеристики определяют области применения мате­риалов общего и специального назначения. Так, материалы ограж­дающих конструкций зданий и сооружений должны уменьшать теплообмен с окружающей средой; важным показателем надежности конструкционных и отделочных материалов является их огнестой­кость; при выборе материалов для звукопоглощающих облицовок нужно знать их акустические свойства.

Свойства материалов, связанные с изменением температуры, называют теплофизическими.

Теплопроводностью называют свойство материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий из-за разности тем­ператур на поверхностях, ограничивающих материал. Свойство про­водить тепло является общим для всех строительных материалов, од­нако теплопроводность разных материалов различна (см. табл. 1).

Теплопроводность материала зависит от характера пор и вида материала, его пористости, влажности, плотности и средней темпера­туры, при которой происходит передача тепла.

Степень теплопроводности различных строительных материалов характеризуется теплопроводностью, которая обозначается буквой \.

Рассмотрим передачу тепла плоской стеной с параллельными ограничивающими поверхностями из материала толщиной а (м) и площадью А (м²). Если на поверхностях стены будут различные, но постоянные температуры Т₁ и T₂ (Т₁ > Т₂), то через стену будет про­ходить постоянный тепловой поток. Количество тепла Q (Дж), прохо­дящее через стену за Z с, прямо пропорционально разности темпера­тур, площади стены и времени Z и обратно пропорционально толщине стены:

 

отсюда можно определить теплопроводность (Вт/(м·К)):

 

т.е. теплопроводность численно равна количеству теплоты, проходя­щей за 1 с через стену толщиной 1 м площадью 1 м² при разности температур на поверхностях 1 К (СТБ 4.206—94).

Большинство строительных материалов содержит поры, пусто­ты. Теплопроводность воздуха λ = 0,020 Вт/(м·К) меньше, чем у твер­дых материалов. Поэтому увеличение пористости материалов приво­дит к снижению теплопроводности. Иногда теплопроводность материалов характеризуют величиной, обратной теплопроводности — термическим сопротивлением: R =-1/λ. Теплопроводность воздуха очень низкая, вследствие этого он оказывает большое термическое со­противление прохождению теплового потока. Характер пор также влияет на теплопроводность материала. При одинаковой пористости теплопроводность материала будет тем меньше, чем мельче поры, так как в крупных порах происходит передача теплоты конвекцией. Теп­лопроводность возрастает при наличии сообщающихся крупных пор. Материалы с замкнутыми порами менее теплопроводны, чем с сооб­щающимися.

Теплопроводность материала зависит и от его структуры: у ма­териалов с волокнистым и слоистым строением теплопроводность по­перек и вдоль направления волокон неодинакова (древесина).

На теплопроводность материала оказывает влияние его влаж­ность. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как у воды λ = 0,052 Вт/(м·К), т.е. в 25 раз больше, чем у воздуха.

При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у некоторых (например, металлов) уменьшается.

Теплопроводность — важное свойство материалов для наруж­ных стен, перекрытий и покрытий, изоляции теплосетей, холодиль­ников, котлов и т.п.

Степень теплопроводности очень важно знать у материалов, используемых для устройства так называемых ограждающих конст­рукций зданий (т.е. наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже) и в особенности теплоизоляционных материалов, на­значение которых способствовать сохранению тепла в помещениях и тепловых установках.

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагрева­нии и отдавать при охлаждении определенное количество теплоты. Отношение теплоемкости к единице массы называют удельной тепло­емкостью с.

Для нагревания материала, имеющего массу (кг) от температу­ры Т₁ (К) до Т ₂ (К), необходимо затратить количество теплоты (Дж),

прямо пропорциональное массе материала и разности температур:

 

где с — удельная теплоемкость, Дж/(кг·К), отсюда

 

т.е. удельная теплоемкость численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 К. Удельная теплоемкость строительных материалов различна. Например, у сосны— 2,51 кДж/(кг·К), у природных камней— 0,75...0,93, у кера­мического кирпича — 0,74, у тяжелого бетона — 0,8...0,92, у воды — 4,187 кДж/(кг·К).

Теплоемкость строительных материалов учитывают при расче­тах теплоустойчивости наружных стен отапливаемых зданий, расчете подогрева составляющих растворов, бетонов и т.п. для работы в зим­нее время, а также при расчете отопительных систем.

Огнестойкость — способность материала противостоять дейст­вию огня, высоких температур и воды в условиях пожара.

У одних материалов (известняк, доломит, органические мате­риалы) огонь вызывает химическое разложение, другие (алюминий, пластмассы) плавятся, третьи (сталь, гранит) деформируются и раз­рушаются.

Для повышения огнестойкости материалов их пропитывают или обрабатывают специальными огнезащитными составами — антипиренами. Эти составы под действием огня выделяют газы, не под­держивающие горения, или образуют на материале пористый защит­ный слой, замедляющий его нагрев.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать продолжи­тельное воздействие высоких температур без деформаций и размяг­чения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огне­упорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

Огнеупорные материалы могут выдерживать длительное воз­действие температуры свыше 1580 °С. Их применяют для футеровки внутренних поверхностей промышленных печей (шамотный кирпич, магнезитовые и графитовые материалы).

Тугоплавкие материалы могут выдерживать без размягчения температуру 1350...1580 ° С (гжельский кирпич для кладки печей).

Легкоплавкие материалы размягчаются при температуре ниже 1350 °С (полнотелый и пустотелый керамический кирпич).