Строительные материалы

По форме и внешнему виду ТИМ бывают:

1)штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, сегменты);

2)рулонные (маты, полосы);

3)шнуровые (шнуры, жгуты);

4)сыпучие и рыхлые (вата минеральная, стеклянная, вспученные перлит и вермикулит).

По виду сырья ТИМ делят на:

1)неорганические (минеральная и стеклянная вата, ячеистые бетоны, материалы на основе асбеста, керамические и др.);

2)органические (древесноволокнистые и древесностружечные плиты, торфяные плиты, материалы из пластмасс и др.);

3)комбинированные, состоящие из органического и неорганического сырья (фибролит, арболит, минеральные волокна с органическим связующим).

По средней плотности ТИМ делят на марки:

1)особо легкие (ОЛ): 15, 25, 35, 50, 75, 100;

2)легкие (Л): 125, 150, 200, 250, 300;

3)тяжелые (Т): 400, 450, 500, 600.

По теплопроводности различают 3 класса ТИМ:

1)низкой теплопроводности – А (меньше 0,058 Вт/(м С);

2)средней теплопроводности – Б (0,058 …0,116 Вт/(м С);

3)повышенной теплопроводности – В (не более 0,175 Вт/(м С). По возгораемости ТИМ делят на три группы:

1)несгораемые;

2)трудносгораемые;

3)сгораемые.

Теплотехнические характеристики некоторых ТИМ приведены в

табл. 13.1.

Важнейшим свойством ТИМ является пористость, от которой зависят средняя плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и другие свойства. Важное значение имеют распределение воздушных пор в материале, характер пор, химический состав, молекулярное строение каркаса и условия применения ТИМ.

Теплопроводность является главной характеристикой теплозащитных свойств материала. При равной пористости более высокими теплоизоляционными свойствами обладают материалы, имеющие мелкие замкнутые поры вследствие уменьшения передачи теп-

291

лоты конвекцией и излучением. Это особенно важно учитывать при выборе материалов для высокотемпературной изоляции. Увлажнение и тем более замерзание воды в порах материала ведут к резкому увеличению теплопроводности, так как теплопроводность воды (0,58 Вт/(м С)) примерно в 25 раз, а льда (2,32 Вт/(м С)) – в 100 раз больше, чем воздуха. Поэтому ТИМ необходимо предохранять от увлажнения. Прочность ТИМ вследствие их пористого строения относительно невелика. Предел прочности при сжатии обычно колеблется от 0,2 до 2,5 МПа. Требуется, чтобы прочностные характеристики ТИМ были достаточными для их сохранности при транспортировании, складировании, монтаже и работе в конкретных условиях эксплуатации.

Химическую и биологическую стойкость ТИМ повышают применением различных защитных покрытий и обработки антисептиками.

Применение ТИМ в строительстве позволяет резко снизить массу конструкций, затраты на сооружение зданий, уменьшить потребность в основных строительных материалах, сократить потери тепла в окружающую среду через ограждающие конструкции и тем самым уменьшить расход топлива, повысить комфортность помещений.

Весьма эффективным является использование ТИМ для изоляции тепловых агрегатов, технологической аппаратуры и трубопроводов. В холодильной промышленности ТИМ применяют для уменьшения затрат энергии на охлаждение.

В табл. 13.1 приведены основные физико-технические характеристики наиболее эффективных теплоизоляционных материалов.

Т а б л и ц а 13.1

Физико-технические характеристики теплоизоляционных материалов

292

Окончание табл. 13.1

Задания

Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЛАЖНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

К структурным характеристикам теплоизоляционных материалов относятся их средняя и истинная плотность, пористость, насыпная плотность и пустотность (для сыпучих материалов).

Приборы и материалы

1.Весы технические.

2.Штангенциркуль.

3.Образцы теплоизоляционных материалов (ячеистый бетон, пенополиуретан, жесткая минеральная плита, пенополистирольный пенопласт).

Методика испытаний

Определение плотности материала сводится к нахождению массы сухого образца и его объема в естественном состоянии. Масса образца определяется взвешиванием на технических или аналитических весах с точностью до 0,01 г. Объем образца рассчитывается по его линейным размерам, измеренным с помощью штангенциркуля. Определив плотность материала и зная плотность вещества (табл. 13.1), рассчитывают пористость испытываемых ТИМ:

где ρо средняя плотность материала, кг/м3; ρ истинная плотность материала (плотность вещества), кг/м3.

293

Определение влажности материала проводится согласно ГОСТ 12730.0-78 и сводится к определению массы влажного образца. Масса сухого образца определяется предварительно до его помещения во влажную среду. Эта величина должна быть зафиксирована на образце или в журнале лабораторных испытаний. Влажность вычисляется по формуле

где m в, m с – соответственно масса в г образца во влажном и в сухом состоянии.

Результаты испытаний

Результаты испытаний по определению средней плотности и влажности ТИМ заносят в табл. 13.2.

Среднюю плотность теплоизоляционных материалов вычисляют с точностью до 0,1 кг/м3. Истинную плотность вещества испытанных ТИМ принимают по табл. 13.1. Пористость вычисляют по формуле (13.1) с точностью до 0,1 %. Влажность определяют по формуле (13.2) с точностью до 0,1 %.

Т а б л и ц а 13.2

Результаты определения структурных характеристик и влажности ТИМ

294

Заключение

Сделать анализ результатов по пористости и влажности в зависимости от средней плотности материала.

Задание 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СУХИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Одним из важных свойств теплоизоляционных материалов является теплопроводность – способность материала пропускать через себя тепло от одной поверхности к другой при наличии перепада температур.

Теплопроводность материала оценивается количеством тепла, проходящим через образец из этого материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 час при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях образца в 1 С:

где (t2 t1) – разность температур, С; τ – время прохождения тепла, ч;

Q – количество тепла, проходящее через материал, Дж; а – толщина стенки материала, м;

F – площадь стенки, равная 1 м2.

Показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, имеющий размерность Вт/(м С).

Приборы и материалы

1.Электрический сушильный шкаф с температурой нагрева до 240 С и регулятором температуры.

2.Весы электронные 9026 ВН-3Д13.

3.Секундомер.

4.Измеритель теплопроводности строительных материалов ИТ-1.

5.Вазелин технический.

6.Исследуемые образцы (по 3 шт.) размерами 150х150х150 мм.

295

Методика испытаний

Измерение теплопроводности материала производится с помощью теплового цилиндрического зонда постоянной электрической мощности нагрева для изменения его температуры. Метод определения теплопроводности основан на принципе регулярного режима и устанавливает зависимость температуры помещенного в материал нагреваемого зонда от температуры окружающего его материала за определенный интервал времени.

Величину теплопроводности определяют расчетным путем по результатам измерений.

1. Проведение испытаний. Испытываемые образцы высушивают в сушильном шкафу при t = 100 С до постоянной массы. Затем подготавливают прибор ИТ-1 к работе. Для этого включают его в сеть, прогревают в течение 5-ти минут и вставляют зонд приборатеплоизмерителя в отверстие в центре образца-куба, предварительно смазав корпус зонда техническим вазелином для надежности термического контакта с материалом. Схема прибора приведена на рис. 13.1.

На табло прибора индицируются показания R, соответствующие температуре (в условных единицах) среды испытания в начальный момент времени τо, которые фиксируются в таблице для записи испытаний.

Рис. 13.1. Схема прибора для определения теплопроводности:

1 – испытуемый образец; 2 – зонд-измеритель тепла; 3 – нагревательный элемент; 4 – делитель напряжения; 5 – индикатор температуры среды материала;

6 – секундомер

296

Одновременно с пуском секундомера включают нагревательный элемент зонда. Нагрев производят в течение 6-ти минут, фиксируя показания температуры Ri в момент времени τ1 = 2; 2,5; 3; 4; 5; 6 минут.

После снятия показаний измеритель отключают. Следующий замер может быть осуществлен не ранее чем за 30…40 мин до полного остывания зонда и образца. Для получения достоверных результатов проводят три измерения.

Принцип регулярного режима при использовании теплового цилиндрического зонда постоянной мощности предусматривает, что изменение температуры зонда во времени подчиняется экспоненциальному закону. В связи с этим для расчета теплопроводности используется формула

где λ – теплопроводность, Вт/(м С); А – аппаратурный фактор прибора, зависящий от условий испы-

таний, температуры в начале испытаний, вида материала с зондом; τn, τm – фиксированные отсчеты времени в минутах, выбираются

при условии τn / τm = 2;

Rm, Rn – фиксированные температуры в условных единицах. Для фактических расчетов с учетом неизбежных погрешностей

опыта определяют среднеарифметическое значение R по трем параметрам фиксированных измерений:

где Rо – температура среды материала (в условных единицах) в начальный момент времени (τо = 0) испытания образца, снимается по индикатору прибора и заносится в табл. 13.3;

297

К удельная мощность нагрева зонда, зависит от начальной температуры, определяется по графику К = f (t) (рис. 13.2) (пример определения величин R и К приведен под рисунком);

коэффициент теплообмена в зоне контакта (Вт/(м2/ч), для пенопласта, газосиликата (пеногипса) и керамзитобетона в сухом состоянии соответственноравен 0,0000175, 0,0000365и 0,000451Вт/(м2/ч);

С удельная теплоемкость, для пенопласта, газосиликата (пеногипса) и керамзитобетона соответственно равна 1,34, 0,84 и 0,84 кДж/ (кг С));

средняя плотность исследуемых образцов ТИМ в сухом состоянии в кг/м3, определяется в задании № 1.

Рис. 13.2. График определения величины К в зависимости от величины R

2. Пример определения величины К в зависимости от Rо.

Имеем значение Rо = 526 у. е., снятое при показаниях прибора ИТ-1 в процессе измерений. Отложим это значение на оси абсцисс R в соответствующем масштабе (точка А). Проведем линию, параллельную оси ординат t, С, до пересечения с прямой зависимости t = f (R) в точке В. Из т. В проведем линию, параллельную оси К, до пересечения с графиком функции К = f (t) в т. С. Опустив перпендикуляр из т. С на ось абсцисс К, получим численное значение К, соответствующее значению Rо = 526 у. е., снятому по шкале прибора ИТ-1.

298

Расчетная формула теплопроводности имеет вид

где n n / m = 0,693.

За теплопроводность материала принимают среднее арифметическое трех значений.

Результаты испытаний

Т а б л и ц а 13.3

Результаты измерений и теплофизические характеристики ТИМ в сухом состоянии

299

Задание 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Известно, что на теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность: влажные материалы более теплопроводны по сравнению с сухими. Это объясняется тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Именно вода, находящаяся в порах материала в парообразном или жидком состоянии, способствует более интенсивной передаче тепла от поверхности изделия с более высокой температурой к поверхности с более низкой температурой.

Приборы и материалы

1.Весы электронные 9026 ВН-3Д13 с разновесами.

2.Секундомер.

3.Прибор-измеритель теплопроводности ИТ-1.

4.Вазелин технический.

5.ОбразцыисследуемыхТИМ(по3шт.)размерами150х150х150мм.

Методика испытаний

Методика определения теплопроводности образцов исследуемых материалов аналогична описанной в задании 2. Испытаниям подлежат образцы (по 3 шт.) из газосиликата.

Величину теплопроводности определяют расчетным путем по результатам измерений и с учетом величины влажности образцов.

Для определения влияния влажности на теплопроводность материала воспользуемся данными по плотности и влажности образцов, полученными в задании 1.

Схема испытательной установки и очередность операций по определению теплопроводности аналогична описанной в задании 2. Последовательность замера показаний температуры R и время замера τ соответствуют приведенным в предыдущем задании.

Алгоритм расчета экспериментальных данных и определения теплопроводности исследуемых теплоизоляционных материалов ана-

300