12. Теплопроводность и теплоёмкость строительных материалов. Теплопроводность
Теплопроводность – способность материала проводить тепловой поток через свою толщину при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Показателем теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ. Иногда теплопроводность выражают величиной, обратной λ,— термическим сопротивлением (R = 1 / λ).
Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала, его строения, пористости и влажности. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен по сравнению с материалом аморфного строения. Коэффициент теплопроводности слоистых (слоистые пластики) и волокнистых (древесина) материалов существенно зависит от направления теплового потока по отношению к слоям или волокнам. Так, у древесины вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек.
Величина λ тем больше, чем крупнее поры в материалах. Коэффициент снижается с уменьшением средней плотности однородных материалов, причем наименьшую теплопроводность имеют материалы с развитой пористостью и небольшой влажностью. При увлажнений материала теплопроводность его увеличивается, так как коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз больше, чем воздуха. Ниже приводятся коэффициенты теплопроводности различных материалов, Вт / (м · °С); для сравнения даются значения λ воды и воздуха:
медь……………………. 403,00
сталь……………………. 58,00
гранит……………………. 2,92
бетон тяжелый…………. 1,28—1,55
кирпич глиняный………. 0,70—0,85
туф……………………….. 0,35—0,45
сосна:
вдоль волокон 0,30
поперек волокон 0,17
минеральная вата 0,06—0,09
бетон теплоизоляционный . .0,03—0,08
вода… … 0,599
воздух 0,023
Теплопроводность имеет практическое значение при выборе материалов для наружных стен, перекрытий и покрытий зданий, изоляции теплосетей, холодильников, котлов и т. п.
Теплоемкость
Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать при охлаждении. Отношение теплоемкости к единице количества материала (по массе или объему) называется удельной теплоемкостью, которая численно равна количеству тепла (в Дж), необходимому для нагревания I кг материала на I °С. Удельная теплоемкость, кДж / (кг -°С), приведенных ниже материалов составляет:
медь 0,38
сталь 0,46—0,48
алюминиевые сплавы 0,90
природные каменные материалы 0,75—0,93
бетон тяжелый 0,80—0,92
кирпич 0,74
сосна . . 2,51
Теплоемкость учитывают при определении теплоустойчивости наружных ограждений отапливаемых зданий (требуются материалы с наиболее высокой удельной теплоемкостью), при расчете подогрева составляющих бетона и раствора, также мастик для работ в зимнее время и т. п.
13. Термическая стойкость материалов.
Термической стойкостью огнеупоров называют способность их не разрушаться, т. е. сохранять первоначальную форму без отколов, трещин и посечек при резком изменении температуры.
Указанные разрушения огнеупорных изделий могут пройти в связи с возникновением в них внутренних напряжений, обусловленных появлением градиента температуры по сечению изделий. Следовательно, внутренние напряжения (сдвиг или растяжение) в огнеупорном материале при прочих равных условиях зависят от его температурного коэффициента линейного расширения: они увеличиваются с увеличением последнего. Когда значение этих напряжений становится больше прочности материала на сдвиг или растяжение, происходит разрушение изделия сухая градирня.
Силы сцепления, противодействующие разрушению изделий, характеризуются наличием упругого состояния материала—.модулем упругости при сдвиге или растяжений. Сопротивление материала возникающим в нем термическим напряжениям уменьшается с увеличением значения модуля упругости. Модуль упругости материала прямо пропорционален его пределу прочности при .сжатии, следовательно, термическая стойкость материала находится в обратной зависимости от его предела прочности при сжатии.
Разрушение (деформация) огнеупорных материалов от термических напряжений происходит в две стадии: в первой происходит зарождение трещин, во второй — их распространение и развитие.
Термическая стойкость огнеупорных материалов в общем виде, т. е. если не учитывать их размеры, структурные особенности и условия испытания, может быть охарактеризована коэффициентом термостойкости Kт.
где λ — теплопроводность материала; σ — предел ,прочности при растяжении; с—теплоемкость; ρ — объемная масса; а — температурный коэффициент линейного расширения; E — модуль упругости.
Термическую стойкость плотных огнеупорных материалов определяют в соответствии со стандартной методикой (по ГОСТ 7875—56) числом теплосмен (нагревов и резких охлаждений), которые может выдержать материал до определенной степени разрушения: Для испытания берут Целые изделия или выпиливают из них образцы размерам 230×113×65 мм. Образцы перед испытанием высушивают и взвешивают с точностью до 5 г. Нагревают их в специальной электрической печи с карборундовыми нагревателями. Образцы вводят в разогретую до 1300°С печь торцом (наименьшей гранью) на глубину 50 мм (по длине образца) и выдерживают в течение 10 мин при этой температуре. После нагревания образцы вынимают из печи и опускают нагретым концом в бак с проточной водой температурой 5—259С на глубину 50 мм на 5 мин. Затем образцы ,выдерживают 5—10 мин на воздухе. Нагрев и резкое охлаждение повторяют до тех пор, пока образец не потеряет 20% массы. Один нагрев с последующим охлаждением составляет теплосмену. Результаты испытаний выражают числом целых теплосмен, которые выдержал образец до потери 20% своей первоначальной массы. Теплосмену, в которой потеря /массы образца превысила 20%, не засчитывают гари определении термостойкости образца.
Для определения термической стойкости огнеупорных легковесов (теплоизоляционных огнеупорных изделий) стандартной методики в настоящее время нет.
Известны и применяются следующие методы определения термической стойкости любых пористых материалов.
1.Материал нагревают до различных температур на керамических или металлических плитах, затем охлаждают на воздухе. Эти процессы проверяют и фиксируют число циклов нагревание— охлаждение до появления трещин или разрушения испытуемых образцов.
2.Метод тот же, но охлаждают материал струей сжатого воздуха или ,в холодной воде.
3.Определяют потери прочности материала при сжатии после одного или нескольких циклов нагревания — охлаждения на воздухе (воздушные теплосмены).
4.В процессе нагревания или охлаждения испытуемого образца определяют максимальный температурный перепад в его стенке до появления трещин, т. е. допустимую скорость нагревания и охлаждения
Термическая стойкость. Термич. напряжения возникают вследствие градиента темп-ры. Они наблюдаются при неравномерном распределении темп-ры, при неоднородности фазового состава (и обусловленного им термич. расширения), а также при анизотропии термич. расширения. Степень влияния термич. напряжений в разных изделиях зависит от величины этих напряжений, их распределения по объему, а также от структуры и св-в материала. Термическая стойкость, термостойкость — способность хрупких материалов выдерживать без разрушения термич. напряжения при одно- и многократных изменениях темп-ры. Обычно критерием Т.е. является критич. тепловое состояние, соответствующее появлению видимой термич. трещины. Часто Т.е. характеризуют темп-рой, нагрев до к-рой и последующее быстрое охлаждение резко снижают механич. прочность материала вследствие появления в нем повреждений, обусловл. действием термич. напряжений. Т.е. определяют также по изменению прочности образцов до и после резкого темп-рного скачка (теплосмена), напр. путем резкого охлаждения на воздухе или в воде нагретого в печи образца. В большинстве случаев количеств, мерой сопротивления термич. напряжениям считают макс, разность темп-р между изотермич. поверхностями, при к-рой происходит разрушение тела в определ. условиях теплопередачи. При разрушении величина термич. напряжений равна пределу прочности материала; в общем виде макс, разность темп-р при этом определяется произведением двух показателей — сопротивления материала термич. напряжению R и фактора формы S: А tmax ** RS. Критерий R зависит от условий нагрева и осн. св-в материала. Фактор 5 учитывает зависимость термич. напряжений от формы и размеров изделий. Роль термич. напряжений существенна только для поведения хрупких материалов; при наличии пластичности или в обл. пластичности при высоких темп-рах хрупких материалов эти напряжения ре-лаксируют. Их роль увеличивается при скоростях изменения темп-ры больше скорости пластич. деформирования. В большинстве случаев Т. оценивают экспериментально по качеств, показателям; методика испытаний при этом должна приближаться к условиям службы изделий. Методики заключаются в определении состояния опытных образцов до и после воздействия темп-рного градиента. Их можно разделить на испытания с одним термич. циклом, повторные или циклические нагревания и охлаждения и в пост. темп-рном режиме. Чаще определяют кол-во теплосмен, к-рое может выдержать изделие. Т. характеризуют кол-вом теплосмен до появления трещин и до потери 20% массы. В исследоват. практике применяют и др. методики: меняют вид теплосмен (напр., нагревают до 800 °С или охлаждают на воздухе), определяют потерю прочности после одной теплосмены или неск., разрушающий темп-рный перепад и т.д. Сравнение материалов по Т. проводят часто по измерению комплекса их св-в, комбинируя св-ва в разл. критерии, к-рые показывают способность материала сопротивляться возникновению и распространению трещин. Разность темп-р, вызывающая разрушение (или появление трещины), при полном ограничении темп-рной деформации R- Соь(1 -ft)/Ea, где С — const; оь — предел прочности; /и — коэф. Пуассона; Е — модуль упругости; а — коэф. линейного термич. расширения. При мгновенном изменении темп-ры поверхности константа С равна 1, при малых скоростях теплопередачи она равна коэф. теплопроводности и при изменении темп-ры с пост, скоростью — коэф. температуропроводности. Иногда разрушением считается не появление трещины, а распространение ее через тело, поскольку зародышевые трещины существуют в структуре материала. Тогда критерием термостойкости может служить величина, по смыслу обратно пропорциональная разрушающей упругой деформации, накопленной в ед. объема R — Е/оь , или сопротивление материала распространению трещины R — Eu/ст ъ (и — уд. эффективная поверхностная энергия).