Техника и методика эксперимента

Испытание материала на морозостойкость производят путем многократного объемного или одностороннего замораживания насыщенных водой образцов в воздушной среде при температуре -15 … 20^оС и оттаивания в воде при температуре +15 …20^оС.

В тех случаях, когда необходимо получить величину морозостойкости в короткие сроки, испытание проводят путем насыщения образцов раствором сернокислого натрия. Готовят насыщенный раствор путем растворения в 1 л подогретой до 30^оС дистиллированной воды 250 … 300 г безводного сернокислого натрия Na₂SO₄ или 700 … 1000 г кристаллического сернокислого натрия Na₂SO₄ ^. 10 H₂O.

Оценку морозостойкости материала производят по потере прочности при сжатии, по потере массы, по степени повреждения образцов. Признаки повреждения (расслоение, шелушение, сквозные трещины, выкрашивание) устанавливаются стандартами на конкретные материалы и изделия.

Для определения потери прочности испытание на морозостойкость и контрольные образцы (насыщенные водой) испытывают на сжатие. Потери прочности определяют в том случае, если это предусмотрено стандартами на конкретные материалы и изделия.

Характеризуют морозостойкость количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Испытание проводят на целых изделиях (кирпич, керамические камни, облицовочная плитка), на образцах кубической или цилиндрической формы (природные каменные материалы, бетоны; на образцах неправильной формы – щебень гравий).

Образцы куба могут иметь размер ребра 100, 150 или 200 мм

Предназначенные для испытания образцы высушивают до постоянной массы, затем насыщают водой до постоянной массы.

Водонасыщенные образцы укладывают в контейнеры с зазорами между образцами не менее 20 мм. Контейнеры с образцами помещают в морозильную камеру после того, как температура в ней понизилась до -15^оС. Время загрузки образцов в камеру не должно превышать 15 мин. После укладки контейнеров с образцами в камеру температура в ней не должна превышать -5^оС. Началом замораживания считают момент установления в камере температуры -15^оС. До конца замораживания температура в камере должна быть не выше -15^оС и не ниже -20^оС.

Продолжительность одного замораживания зависит от средней плотности материала, размера образцов и составляют:

2 часа - для плит толщиной до 25 мм;

4 часа - для материалов плотностью 1200 … 1800 кг/м³ с ребрами куба до 100 мм включительно; для материалов плотностью 1800 кг/м³, с ребрами куба до 150 мм;

6 часов - для материалов плотностью 1200 … 1500 кг/м³ с ребрами куба 150 мм;

8 часов - для материалов плотностью менее 1200 кг/м³ с ребрами куба 150 мм.

При одновременном проведении испытаний в морозильной камере образцов разных размеров или из разных материалов время замораживания принимают наибольшим.

Перерыв в процессе одного замораживания не допускается.

После окончания замораживания образцы в контейнерах полностью погружаются в сосуд с водой. Температура воды должна быть +15 … 20^оС и ее поддерживают на этом уровне в течение всего периода оттаивания.

Продолжительность одного оттаивания должна быть не менее половины продолжительности замораживания.

Одно замораживания и последующее оттаивание составляют один цикл, продолжительность которого не должна превышать 24 часа.

В случае временного прекращения испытания образцы после оттаивания должны храниться в воздушной среде.

При оценке морозостойкости по степени повреждения образцы осматривают через каждые 5 циклов при 15 и 25 циклах попеременного замораживания и оттаивания и через каждые 10 циклов при 35 и 50 циклах. Осмотр образцов производят после их оттаивания.

При оценке морозостойкости по потере массы после испытания образцы природного камня и керамических материалов высушивают при температуре 105 … 110^оС до постоянной массы, образцы других материалов взвешивают в насыщенном водой состоянии с погрешностью не более 0,2 %.

При определении морозостойкости ускоренным методом высушенные до постоянной массы образцы помещают в сосуд с раствором сернокислого натрия так, чтобы образцы были полностью погружены в раствор. Образцы в растворе выдерживают в течение 20 часов при комнатной температуре. Затем образцы вынимают из раствора и помещают в сушильный шкаф, где при температуре 105 … 110^оС в течение 4 часов их сушат. После этого охлажденные до комнатной температуры образцы вновь помещают в раствор сернокислого натрия, выдерживают в течение 4 часов и вновь помещают в сушильный шкаф на 4 часа. В такой последовательности операцию повторяют требуемое число раз. После 3, 5, 10, 15 циклов образцы промывают горячей водой для удаления сернокислого натрия и сушат до постоянной массы.

Потерю массы М образцов вычисляют в процентах по формуле

,

где m₁ - масса образца, высушенного до постоянной массы перед

испытанием, г;

m - масса образца, высушенного до постоянной массы после

испытания, г.

Допускаемая величина потери массы образцов устанавливается стандартами на конкретные материалы и изделия.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

З а д а н и е 1

Определение морозостойкости методом циклического

замораживания и оттаивания

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Камера холодильная;

Контейнер сварной из стальных стержней;

Сосуд с деревянной решеткой для насыщения водой и оттаивания образцов;

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг.

1. Взвесить образцы.

2. Насытить образцы водой.

3. Уложить в контейнер.

4. Контейнер поместить в холодильную камеру.

5. После окончания замораживания контейнер поместить в сосуд с водой для оттаивания.

6. Повторить пункты 4 и 5 необходимое число раз.

7. Высушить образцы.

8. Взвесить образцы.

З а д а н и е 2

Определение морозостойкости ускоренным методом

в растворе сернокислого натрия

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг;

Сосуд металлический для насыщения образцов раствором сернокислого натрия.

1. Взвесить образцы.

2. Поместить их в раствор сернокислого натрия.

3. После насыщения вынуть из раствора.

4. Поместить в сушильный шкаф.

5. Повторить пункты 2-4 три-пять раз.

6. Промыть образцы горячей водой.

7. Высушить образцы до постоянной массы.

8. Взвесить образцы.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Потери массы образцов после испытания на морозостойкость вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний пяти образцов.

При испытании щебня или гравия для определения потери массы берут две пробы от каждой фракции материала.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради и содержит название и цель работы, понятие морозостойкости, метод определения морозостойкости, результаты испытания, по которым устанавливается марка.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется морозостойкостью?

2. Чем оценивается морозостойкость?

3. От каких факторов зависит морозостойкость?

4. Зачем надо знать морозостойкость различных материалов?

5. Какими методами можно определить морозостойкость?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

КОНСТРУКЦИЙ

Ц е л ь р а б о т ы : изучение метода экспериментального определения величины теплопроводности различных материалов, применяемых в строительстве; использование найденных в ходе выполнения лабораторной работы величин теплопроводности для расчета термического сопротивления ограждающих конструкций.

Теплопроводность – способность строительного материала передавать сквозь свою толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность численно характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, Вт/(м^.оС), который равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку материала толщиной в 1 м и площадью в 1 м² за 1 ч (3600 с) при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1^оС:

,

где Q - количество тепла, прошедшее через стенку, выполненную

из испытываемого материала, Дж;

l - толщина стены из испытываемого материала (толщина образца), м;

S - площадь сечения, через которое передается тепло, м²;

z - время прохождения теплового потока, с;

Δt - разность температур на противоположных сторонах проводника

тепла, ^оС.

От величины теплопроводности материала зависит термосопротивление, (м^2.оС)/Вт, тепловому потоку стенки из этого материала

,

где δ - толщина стенки, через которую проходит тепло, м;

λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ^{. о}С).

Низкое значение теплопроводности является положительной характеристикой для стеновых и теплоизоляционных строительных материалов, так как позволяет повысить величину термосопротивления конструкций без увеличения их толщины.

Точный теплотехнический расчет общей толщины стены позволяет, с одной стороны, обеспечить санитарно-гигиенические и энергосберегающие требования, а с другой - не допустить перерасхода дорогостоящих строительных материалов. Необходимым условием получения достоверного расчетного результата является по возможности более точное определение теплофизических показателей материала конструкций ограждения.

Определение фактического коэффициента теплопроводности

строительных материалов с использованием электронного

измерителя теплопроводности ИТП-МГ4

Прибор ИТП-МГ4 предназначен для оперативного определения теплопроводности строительных материалов в образцах путем измерения плотности теплового потока по ГОСТ 7076-99 и методом теплового зонда в изделиях.

П о р я д о к в ы п о л н е н и я р а б о т ы :

1. На первом этапе работы определяют величину средней плотности исследуемых материалов, которую заносят в табл. 1.

2. С использованием справочных таблиц СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника" находят нормативное значение величины удельной теплоемкости с, соответствующей исследуемым материалам. Для большинства строительных материалов значение удельной теплоемкости можно принять:

- для неорганических строительных материалов

С_неорг. ≈ 0,88 кДж/(кг ^{. о}С);

- для полимерных строительных материалов

С_полим. ≈ 1,34 кДж/(кг ^{. о}С).

3. Переключателем "сеть" на блоке управления включают питание прибора ИТП-МГ4 (рис. 3), при этом на индикаторе появляется "0" с мигающим символом "^оС", что свидетельствует о готовности прибора к работе и необходимости ввода в память прибора требуемых данных.

Рис. 3. Общий вид прибора для измерения теплопроводности

строительных материалов ИТП-4МГ

4. Найденные ранее показатели свойств материала следует ввести в электронный блок прибора в следующем порядке:

а) γ - средняя плотность материала, кг/м³;

б) с - удельная теплоемкость материала, кДж/(кг ^{. о}С);

в) α - коэффициент теплообмена в зоне контакта рабочей поверхности теплового зонда с исследуемым материалом. В зависимости от используемого материала смазки следует принять следующие значения коэффициента α: для глицерина – 3,63 см²/ч, для вазелина и литола – 3,05 см²/ч.

После ввода всех необходимых значений производится непосредственное измерение коэффициента теплопроводности путем нажатия на кнопку "ПУСК". По окончании цикла измерения (через 8 … 10 минут в зависимости от исследуемого строительного материала) прибор автоматически вычисляет коэффициент теплопроводности λ по формуле

,

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ^{. о}С);

Р - удельная мощность нагрева зонда, определяемая прибором в

Зависимости от условий испытаний, Вт;

α - коэффициент температуропроводности в зоне контакта зонда,

см²/ч;

с - удельная теплоемкость материала, кДж/(кг ^{. о}С);

ΔТ – приращение температуры зонда за фиксированный интервал

времени, ^оС.

Результаты определения коэффициента теплопроводности строительных материалов рекомендуется записывать в табличной форме (табл. 1).

Таблица 1

№ п/п	Наименование материала	Средняя плотность, кг/м3	λ, Вт/(м . оС)
1.	Пенополистирольный утеплитель (ППС)
2.	Силикатный кирпич
3.	Мипора ("Пеноизол")

С увеличением влажности теплопроводность строительных материалов существенно возрастает. Поэтому для неорганических материалов, поверхностные слои которых характеризуются достаточно высокой способностью к адсорбции водяного пара из окружающего воздуха, необходимо уточнить полученную величину теплопроводности с учетом их влажности.

,

где λ - теплопроводность изделий в сухом состоянии, Вт/(м ^{. о}С);

W_эксп - фактическое значение влажности материала в % по массе;

К – коэффициент приращения значения теплопроводности в

зависимости от влажности материала;

λ_влаж - теплопроводность, экспериментально определенная при

влажности материала W_эксп , %.

Для силикатных стеновых материалов значение коэффициента К выбирается в зависимости от средней плотности изделий:

К = 0,009 – для изделий средней плотностью от 1200 до 1500 кг/м³;

К = 0,011 – для изделий средней плотностью от 1500 до 1700 кг/м³;

К = 0,013 – для изделий средней плотностью свыше 1700 до 1900 кг/м³.

П р и м е ч а н и е . За величину влагосодержания материала, находившегося долгое время в воздушно-сухих условиях, можно принять равновесную влажность, равную величине его сорбционного увлажнения. Для кирпича силикатного W_{эксп .} ≈ W_сорб ≈ 4 %.

Расчетный метод определения коэффициента

теплопроводности силикатного кирпича

Теплопроводность являясь структурно-чувствительной характеристикой строительного материала, интегрально зависит от множества факторов: плотности, дефектов структуры, фазового и минералогического состава вяжущего и заполнителей, гранулометрического состава, влагосодержания, пористости.

Рядом исследователей поддерживается концепция доминирующего влияния плотности материала на его теплопроводящие свойства. На основании этого предположения были получены теплопроводности строительных материалов (табл. 2). Средняя плотность большинства строительных материалов и изделий является справочной величиной, что значительно упрощает использование последней в теплотехнических расчетах.

Таблица 2

Некрасов В.П.
Спектор Б.В.
Власов О.Е.
Кауфман Б.Н.
Бужевич Г.А.

П р и м е ч а н и е . В формулах табл. 2: γ – относительная плотность материала, равная отношению средней плотности исследуемого строительного материала к плотности стандартного вещества, в качестве которого принимается вода при температуре +4^оС.

Анализ вычислений по формулам, приведенным в табл. 2, показывает большой разброс величины теплопроводности материала при одинаковой плотности. Поэтому для использования в инженерных расчетах большинства формул, приведенных в табл. 2, необходимо более точно определить, для какого конкретного материала подходит та или иная формула.

Студентам предлагается выполнить расчеты и выяснить, какая из формул, приведенных в табл. 2, подходит для прогнозирования величины теплопроводности исследованного силикатного кирпича.

П р и м е р расчета коэффициента теплопроводности силикатного кирпича.

Данные для расчета: силикатный кирпич средней плотностью 1700 кг/м³ и влажностью (по объему) 10 %. Необходимо найти коэффициент теплопроводности полнотелого и эффективного силикатного кирпича с объемом технологических пустот, равным 31 %.

По формуле проф. В.П. Некрасова рассчитываем коэффициент теплопроводности сухого кирпича:

Вт/(м^{. о}С).

Находим водопоглощение силикатного кирпича по массе:

.

За окончательный результат необходимо принять значение теплопроводности изделий с учетом их влажности

Вт/(м^{. о}С),

где λ - теплопроводность изделий в сухом состоянии, Вт/(м ^{. о}С);

W_эксп - фактическое значение влажности материала по массе, %;

К – коэффициент приращения значения теплопроводности в

зависимости от влажности материала.

Для определения коэффициента теплопроводности эффективного силикатного кирпича можно использовать формулы, учитывающие термосопротивление от воздушных включений:

,

где λ _кирп - коэффициент теплопроводности полнотелого силикатного

кирпича;

λ _возд - коэффициент теплопроводности воздуха, принимаемый

равным 0,025 Вт//м ^{. о}С);