Бетон разрушится либо, когда объем резервных и других видов пор, в которые может отжиматься вода, незначителен по сравнению с увеличением ее объема за счет образования льда, либо, когда в результате многократного переменного замораживания и оттаивания все поры будут полностью обводнены и при замораживании в полном их объеме образуется лед.

Повышение морозостойкости обеспечивается созданием в бетоне резервного объема замкнутых воздушных пор, не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под действием гидростатического давления, возникающего при ее замораживании. Для этой цели применяются воздухововлекающие добавки в виде лигносульфонатов (ЛСТ), смолы древесной омыленной (СДО), смолы нейтрализованной воздухововлекающей (СНВ) и т.п. отдельно или в комплексе с суперпластификаторами, например С-3, поликарбоксилатными и др. Оптимальный объем вовлеченного воздуха составляет 3–4 %, для бетона мостовых конструкций — 4–6 %, он увеличивается с повышением содержания растворной составляющей в составе бетона, особенно при высоком содержании в песке зерен размером 0,2–1 мм, обеспечивающих наибольшее воздухововлечение при приготовлении бетонной смеси.

Комплексное применение пластифицирующих добавок является более эффективным, так как за счет высокого водоредуцирования бетонной смеси значимо снижается В/Ц, повышаются плотность и прочность бетона, улучшается его поровая структура (образуются тонкодисперсные замкнутые поры, менее проницаемые для воды), в том числе значимо уменьшается объем капиллярных пор. Повышение морозостойкости бетона, как и других видов строительных материалов, обеспечивается также применением гидрофобизующих добавок, например, алюмометилсиликоната натрия (АМСР-3), полигидросилоксанов 136-41 (бывшая кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94) и 136-57М (бывшая ГКЖ-94М), и, кроме того, предотвращением доступа воды из эксплуатационной среды в поровую структуру бетона путем кольматации пор пропиткой (полимерами, серой и др.),

втом числе покрасочными составами.

2.3.Теплофизические свойства

Ктеплофизическим свойствам строительных материалов относятся теплоемкость, теплопроводность, температурные деформации, огнестойкость, огнеупорность.

2.3.1. Теплоемкость

Нагревание материала ведет к изменению внутренней энергии (температуры) и, например, ускорению твердения бетона. Количество теплоты, которое необходимо подвести к телу для повышения его температуры на 1К, называется теплоемкостью. Истинная удельная теплоемкость (или просто удельная теплоемкость) численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу единичной массы для повышения его температуры на 1К. Удельная теплоемкость неорганических строительных материалов в сухом состоянии (природных каменных материалов; тяжелых, легких и ячеистых бетонов; кирпича и др.) практически не зависит от их вида и находится на уровне — 0,84 кДж/(кг∙°С). Это связано с тем, что и теплоемкость материалов, и их тепловое расширение связаны с колебаниями структурообразующих частиц решетки. Теплоемкость обозначает количество теплоты, необходимое для увеличения средней энергии тепловых колебаний атомов, зависящей от амплитуды колебаний, коэффициент же теплового расширения непосредственно связан со средними расстояниями между атомами, которые тоже зависят от амплитуды атомных колебаний. При комнатной температуре амплитуда этих колебаний составляет около 0,1 межатомного расстояния, т.е. величину порядка 0,1–0,2 Å.

Значение этого показателя объясняется квантовой теорией теплоемкости и связано с тем, что теплоемкость твердых тел, например одноатомных, есть универсальная для всех таких тел функция отношения характеристической температуры Дебая Θ′ к абсолютной

20

температуре Т тела. Величина Θ′= hν/k, где h — постоянная Планка; k— постоянная Больцмана; ν — характеристическая частота, или частота наиболее быстрых из 3N (N — число атомов) колебаний в твердом теле, в том числе в неорганических строительных материалах. Поэтому для различных видов неорганических строительных материалов, так же, как и для большинства других твердых тел, теплоемкость является величиной постоянной, зависящей от атомного строения вещества.

Наибольшая удельная теплоемкость (исключая металлы) у воды (4,186 кДж/(кг∙°С)), поэтому, например, при повышении влажности бетона возрастают энергетические затраты на его тепловую обработку. Применение пластифицирующих добавок, особенно суперпластификаторов, в том числе на основе поликарбоксилатов, с целью редуцирования водосодержания (на 20–30 % и более) бетонной смеси уменьшает затраты энергии на этот технологический процесс в производстве бетонных и железобетонных изделий.

Значение удельной теплоемкости необходимо для расчета тепловых балансов различных термических процессов и тепловых агрегатов, а также для расчета тепловых потерь (Q) через ограждающие конструкции:

где Q — количество тепловой энергии, кДж; m — масса нагреваемого тела, кг;

С — удельная теплоемкость тела, кДж/(кг∙°С);

t1 и t2 — начальная и конечная температура тела, °С.

2.3.2. Теплопроводность

Если в твердом теле существует разность температур между различными его частями, то теплота переносится от более нагретой к менее нагретой части.

В отличие от жидкостей и газов в твердом теле не может возникнуть конвекция, т.е. перенос теплоты движущимися массами жидкости или газа. Поэтому перенос теплоты в твердом теле осуществляется только за счет теплопроводности. В капиллярно-пористом материале, например кирпиче, бетоне и дисперсных средах с размером зерен более 4–6 мм и, соответственно, размером пор более 2 мм, возможна передача части теплоты конвекцией за счет градиента плотности воздуха или паровоздушной смеси, возникающего вследствие разности температур у различных поверхностей поры или межчастичной (межзерновой) пустоты. Вклад конвективного теплообмена в общую теплопроводность повышается с увеличением размера пустот или пор и турбулентности омывающего потока.­

Теплопроводностью называют способность твердого тела к переносу тепловой энергии в виде теплового потока, возникающего под влиянием разности температур в различных его частях или на противоположных поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, численно равным количеству теплоты, перенесенному через слой единичной толщины за единицу времени при градиенте температуры, равном единице, если площадь поверхности слоя равна единице. Коэффициент теплопроводности λ имеет размерность Вт/(м∙К) (°С), приближенно его значение для твердого тела вычисляют с помощью квантовых представлений и используют при оценке теплозащитных свойств различных материалов, в частности, для расчета температурного сопротивления ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Величина q, называемая потоком теплоты, определяется формулой:

где dT/dx — градиент температуры в направлении X.

21

Механизм переноса теплоты в твердом теле вытекает из характера тепловых движений в нем.

В теоретической физике установлено, что энергия тела меняется порциями — квантами, величина энергии кванта ε = hν (h — постоянная Планка) пропорциональна частоте колебаний ν. Перенос энергии в твердом теле при возникновении в нем тепловых волн эквивалентен распространению квантов энергии некоторых квазичастиц, получивших название фононов.

Фононы наравне с электронами, обеспечивающими проводимость металлов, осуществляют теплопроводность твердого тела, т.е. перенос теплоты в так называемом фононном газе за счет столкновений фононов с атомами решетки. Энергия фонона, как и кванта, определяется частотой ν, поэтому для данного вида фононов энергия постоянна. Изменение температуры тела означает изменение числа фононов в нем. Фононы обычно называют квазичастицами, так как в отличие от обычных стабильных частиц они могут возникать и исчезать при нагревании и охлаждении тела. При абсолютном нуле фононы отсутствуют, а с повышением температуры их число возрастает, но не линейно, а по более сложному закону (при низких температурах пропорционально кубу температуры).

Поскольку фононы появляются как некоторая форма упругих колебаний в твердом теле, то скорость их распространения должна равняться скорости распространения упругой волны, т.е. скорости звука (в воздухе при 20 °С — 340 м/с, в плотных горных породах — 3700–6150 м/с), а это должно было бы создавать очень большую теплопроводность твердого тела, во много раз превышающую ту, которая наблюдается на практике. Однако фононы испытывают многочисленные столкновения с атомами и дефектами решетки и другими фононами, рассеиваются при этом, поэтому скорость их распространения оказывается очень малой.

Поскольку фононы рассматриваются как квазичастицы или как газ, состоящий из фононов, то вводится понятие о длине свободного пробега фонона, аналогично понятию о длине свободного пробега молекулы. Свободный пробег фонона ограничивается столкновениями с граничными поверхностями и неоднородностями строения материала и столкновениями фононов между собой. Весьма сложные расчеты показывают, что средняя длина свободного пробега фононов χобратно пропорциональна абсолютной температуре (1/Т). Поэтому и коэффициент теплопроводности λ обратно пропорционален температуре:

где а — некоторая константа, которая имеет свое значение для каждого вещества.

По аналогии с теплопроводностью газов считают, что теплопроводность неметаллических кристаллов пропорциональна длине свободного пробега фононов χ, тогда коэффициент теплопроводности кристалла:

где S — площадь сечения кристалла, перпендикулярная направлению теплового потока, м;

22

t — время, с;

T1 – T2 — разность температур, °С; l — длина кристалла, м.

Теплопроводность металлических кристаллов на один-два порядка больше, что связано с участием в передаче теплоты электронов проводимости (закон Видемана и Франца). При обычных температурах электронная часть теплопроводности много больше решеточной. Этим и объясняется высокая теплопроводность металлов по сравнению с

неметаллами, в которых фононы — единственные переносчики теплоты, а теплопроводность называется решеточной.

Так, коэффициент теплопроводности алюминия равен 238 Вт/(м∙°С), железа — 58,5– 71 Вт/(м∙°С), а у кварца он не превышает значения 5 Вт/(м∙°С). Коэффициент теплопроводности газов при нормальных условиях ~10–3, у воздуха он равен 0,023 Вт/(м∙°С). На плохой теплопроводности воздуха основано снижение коэффициента теплопроводности пористых строительных материалов, в том числе поризованных и ячеистых бетонов. С увеличением пористости теплопроводность твердых тел снижается.

Расчетные соотношения для определения эффективной теплопроводности простейших капиллярно-пористой и дисперсной систем рассматриваются как система, состоящая из чередующихся друг с другом плоских слоев твердого скелета материала и газа, где слои могут быть расположены как перпендикулярно направлению теплового потока, так и параллельно ему. В первом случае эффективная теплопроводность системы будет минимальной и определяется выражением:

где λД и λН — теплопроводность соответственно диспергированной и непрерывной фаз, Вт/(м∙°С);

П — пористость.

Эти соотношения ввиду исключительности описываемых ими предельных случаев и игнорирования характера контактов и структуры применяются лишь для определения диапазона, в котором находятся значения эффективной теплопроводности реальных капил- лярно-пористых и дисперсных материалов. Они не учитывают также состояние вещества — кристаллическое, аморфное или смешанное (например, доменный гранулированный шлак). Теплопроводность одного и того же вещества, например кварца в кристаллическом и аморфном состояниях, может значительно отличаться между собой (в два раза) при низких температурах, а при повышении температуры коэффициенты их теплопроводности становятся более близкими друг к другу. При этом теплопроводность вещества в аморфном состоянии обычно остается более низкой. Такое положение связано со средней длиной свободного пробега фононов и ее зависимостью от температуры и размеров структурных ячеек материала.

Теплопроводность материалов, представленных частично кристаллической и аморфной составляющими, находящихся в полном механическом контакте, также характеризуется более низкими ее значениями относительно материалов кристаллического строения. В снижение коэффициента теплопроводности вносят вклад аморфная составляющая материала, а также увеличение теплового сопротивления в местах контактов аморфных и кристаллических областей и, видимо, это связано со значительным увеличением числа дефектов решетки в граничной зоне, рассеивающих фононы. Бетоны с использованием в качестве

23

вяжущего вещества шлакопортландцемента характеризуются более низким (на 10–15 % и более) коэффициентом теплопроводности относительно портландцементных бетонов.

Для оценочной характеристики коэффициента теплопроводности строительных материалов можно пользоваться эмпирической формулой В.П. Некрасова, связывающей теплопроводность со средней плотностью каменных материалов:

где λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°С);

d — безразмерная величина, равная по абсолютному значению средней плотности материала.

Значимое влияние на теплопроводность материалов оказывает их влагосодержание, так как во влажном капиллярно-пористом теле вместе с переносом энергии в виде теплоты происходит перенос энергии за счет массопереноса. Вода в материале распределяется в порах, ее коэффициент теплопроводности в 25 раз превышает теплопроводность воздуха и составляет 0,58 Вт/м∙°С. В результате зависимость между коэффициентом теплопроводности λЭ и влагосодержанием имеет следующий характер: при увеличении влагосодержания коэффициент теплопроводности увеличивается, а затем достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение влагосодержания тела незначимо влияет на теплопроводность, а для некоторых влажных материалов даже наблюдается снижение λЭ (зависимость λЭ (W) имеет экстремальный характер). При замораживании материала и фазовом переходе воды в лед наблюдается значимое повышение его теплопроводности, так как коэффициент теплопроводности льда составляет 2,3 Вт/м∙°С.

В табл. 2.8 приведены истинная и средняя плотность и теплопроводность наиболее распространенных строительных материалов.

24