Теплофизические свойства строительных материалов

Теплофизические свойства строительных материалов

К ним относят те свойства материалов, что связаны с изменением температуры. В контексте снижения затрат на энергоносители в холодный период года важнейшими для любого владельца дома являются способность строительных материалов передавать (терять), а так же аккумулировать и держать тепло.

Теплопроводность строительных материалов

Это способность строительного материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур внутри и снаружи здания. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий) и материалов, предназначенных для теплоизоляции.

Теплопроводность стройматериала зависит от его химического состава, структуры, влажности, пористости и характера пор, разности температур на противоположных его поверхностях и средней температуры при которой происходит передача тепла

Показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент равен количеству тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 часа при разности температур образца в 1°С. Чем он больше, тем хуже теплоизоляционная способность материала. Плотные стройматериалы, материалы с крупными порами и с закрытыми порами лучше передают тепло, поэтому для целей теплоизоляции стараются применять мелкопористые материалы и материалы с открытыми порами. Наличие влаги в порах увеличивает теплопроводность в десятки раз.

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/мС): воздуха 0,023, древесины вдоль волокон 0,35 и поперек волокон 0,175, воды 0,59, керамического кирпича 0,82, льда 2,3. То есть воздушные поры в материале резко снижаются его теплопроводность, а увлажнение сильно увеличивает, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании воды в порах теплопроводность материала увеличивается еще больше, так как лед примерно в 4 раза теплопроводнее воды и в сто раз теплопроводнее воздуха. Результат лучше всего заметен на примере неграмотно утеплённой мансарды. Можно увидеть, что сырая теплоизоляция в морозную погоду практически перестаёт работать.

Теплозащитные свойства конкретной конструкции определяются коэффициентом сопротивления теплопередаче, который связывает коэффициент теплопроводности с толщиной (B) стены, перекрытия или слоя теплоизоляции: R = B / λ. Из формулы видно, что чем больше теплопроводность, тем меньше коэффициент сопротивления теплопередаче и, следовательно, хуже теплозащитные свойства ограждающей конструкции.

Удельная теплоёмкость материалов

Равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических (кДж/(кг°С). Для древесины 2,38-2,72, для стали 0,46, для воды 4,187. Видно, что наибольшую теплоёмкость имеет вода, поэтому их теплоёмкость и возрастает с повышением влажности материалов. Кстати, высокая теплоёмость воды делает её идеальным теплоносителем для системы отопления.

Тепловое расширение

Свойство материалов расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, что приводит к изменениям линейных размеров и объема. Характеризуется коэффициентом линейного расширения, показывающим, насколько расширяется материал при повышении температуры на 1С.

В конструкциях, объединяющих несколько материалов, коэффициент теплового линейного расширения необходимо всегда учитывать. У стали (11-11,9) и бетона (10-14) он почти одинаков, поэтому эти материалы так хорошо сочетаются в железобетонных конструкциях. Если же коэффициенты линейного расширения отдельных компонентов значительно различаются, в таких конструкциях возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и короблению, но и к полному их разрушению.

Аккумулирование тепла

Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.

Для более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.

Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С γ В2 / λ. Где С - удельная теплоёмкость, γ - средняя плотность, λ - коэффициент теплопроводности, B – толщина стены

Теплофизические параметры некоторых строительных материалов

Материал
С (кДж/кг°С)
γ (кг/м³)
λ (Вт/м °С)
Ячеисто-бетонные блоки D500
1.0
500
0.12
Хвойные породы дерева
2.3
650
0.18
Керамический кирпич пустотелый
0.88
1000
0.44
Силикатный кирпич
0.88
1800
0.87
Железобетон
0.84
2500
2.04

Подставляя приведенные в таблице данные в формулу и учитывая, что Вт=Дж/сек, получаем следующее соотношение времени остывания. Быстрее всего остывают железобетонные конструкции. Стена из ячеистых блоков будет остывать в 2,1 раза дольше, чем стена из пустотелого керамического и в 2,6 раза медленнее, чем из силикатного кирпича. На практике теплоаккумулирующая способность материалов видна на примере прогрева и остывания периодически отапливаемого здания, например, дачи.

Огнестойкость строительных материалов

Это способность строительного материала сохранять основные характеристики (несущая способность, прочность, твердость и пр.) под воздействием высоких температур, например, при пожаре. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы (кирпич, бетон, сталь) под действием открытого пламени или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Однако необходимо учитывать, под воздействием открытого пламени они теряют несущую способность. Некоторые несгораемые материалы (мрамор, стекло, асбестоцемент) при нагревании разрушаются полностью, а стальные конструкции сильно деформируются. Трудносгораемые материалы (фибролит, асфальтобетон) тлеют и обугливаются, но после удаления источника пламени или высокой температуры тление прекращается.

Сгораемые материалы (дерево, пластики, битумы, бумага) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть и после удаления источника пламени или температуры. Для повышения огнестойкости эти материалы обрабатывают огнезащитными составами – антипиренами, которые при нагревании выделяют газы, не поддерживающие горения, или образуют на материале пористой защитой слой, замедляющий его нагрев. Но необходимо учитывать, что состав способен проникнуть вглубь древесины лишь на несколько миллиметров и не является панацеей от пожара. Он лишь задерживает распространение пламени.

В применении к зданиям и сооружениям говорят не об огнестойкости материалов, а об огнестойкости конструкций. Так как, например, конструкции, выполненные из сгораемых материалов, но обработанные антипиренами или защищенные от огня штукатуркой или облицовкой из несгораемых материалов, по своей огнестойкости относятся к трудносгораемым.

Огнеупорность строительных материалов

Огнеупорностью называется способность материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур выше 1580°С. Огнеупорными являются шамотный кирпич, жароупорный бетон и др. Материалы, размягчающиеся при температуре ниже 1350°С, называются легкоплавкими. Материалы, выдерживающие температуру от 1350С до 1580°С без заметных деформаций, называются тугоплавкими.

Что нам стоит дом построить