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 м², 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/(м²×^оС) (см. табл. 4 СП 50.13330.2012);

α_н =23 коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²×^оС) (см. табл. 6 СП 50.13330.2012);

δ i – толщина каждого слоя стены, м;

λi – коэффициент теплопроводности каждого слоя стены, Вт/(м×^оС).

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):

· НГ – негорючие;

· Г1 – слабогорючие;

· Г2 – умеренногорючие;

· Г3 – нормальногорючие;

· Г4 – сильногорючие.

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).

Таблица 1.2

Группы горючести строительных материалов

Группа горючести	Параметры горючести
	Температура дымовых газов, °С	Степень повреждения образца по длине, %	Степень повреждения образца массе, %	Продолжительность самостоятельного горения, с
Г1	≤ 135	≤ 65	≤ 20	0
Г2	≤ 235	≤ 85	≤ 50	≤ 30
Г3	≤ 450	> 85	≤ 50	≤ 300
Г4	> 450	> 85	> 50	> 30

Воспламеняемость (определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м²):

· В1 – трудновоспламеняемые (>35);

· В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);

· В3 – легковоспламеняемые (<20).

Способность распространения пламени по поверхности (определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м²):

· 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, м²/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/м³):

Таблица 1.3

Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения

Класс опасности	Показатель токсичности продуктов горения в зависимости от времени экспозиции
	5 минут	15 минут	30 минут	60 минут
Малоопасные (Т1)	более 210	более 150	более 120	более 90
Умеренноопасные (Т2)	более 70, но не более 210	более 50, но не более 150	более 40, но не более 120	более 30, но не более 90
Высокоопасные (Т3)	более 25, но не более 70	более 17, но не более 50	более 13, но не более 40	более 10, но не более 30
Чрезвычайно опасные (Т4)	не более 25	не более 17	не более 13	не более 10

 

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

Таблица 1.4

Классы пожарной опасности строительных материалов

Свойства пожарной опасности строительных материалов	Классы пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп
	КМО	КМ1	КМ2	КМ3	КМ4	КМ5
Горючесть	НГ	Г1	Г1	Г2	Г3	Г4
Воспламеняемость	–	В1	В2	В2	В2	В3
Дымообразующая способность	–	Д2	Д2	Д3	Д3	Д3
Токсичность	–	Т2	Т2	Т2	Т3	Т4
Распространение пламени	–	РП1	РП1	РП2	РП2	РП4

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):

· К0 – непожароопасные;

· К1 – малопожароопасные;

· К2 – умереннопожароопасные;

· К3 – пожароопасные.

Таблица 1.5

Классы пожарной опасности строительных конструкций

Класс пожарной опасности конструкций	Допускаемый размер повреждения конструкций, сантиметры		Наличие		Допускаемые характеристики пожарной опасности поврежденного материала+
	вертикальных	горизонтальных	теплового эффекта	горения	Группа
					горючести	воспламеняемости	дымообразующей способности
К0	0	0	отсутствует	отсутствует	отсутствует	отсутствует	отсутствует
К1	не более 40	не более 25	не регламентируется	отсутствует	не выше Г2+	не выше В2+	не выше Д2+
К2	более 40, но не более 80	более 25, но не более 50	не регламентируется	отсутствует	не выше Г3+	не выше В3+	не выше Д2+
К3	не регламентируется