ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЯЗАННЫЕ МАТЕРИАЛЬІ Волокнистого СТРОЕНИЯ

В органических связанных материалах волокнистого строения, так же как и в других рассмотренных выше материалах, в каче­стве одного из важнейших факторов, влияющих на величину коэффициента теплопроводности, должна являться структура. Очевидно, что размер волокон (их сечение) определяет как раз­мер воздушной прослойки между волокнами, так и количество волокон и прослоек в единице объема материала, что соответ­ственно и отражается па величине К

Нужно, впрочем, указать, что большинство обычных плитных теплоизоляционных материалов органического происхождения не имеет вполне правильной волокнистої! структуры; правда, во­локна в этих материалах в своей основной массе ориентированы параллельно плоской стороне плиты, но некоторая часть волокон неизбежно располагается нормально или под углом к этой пло­скости. Помимо этого, у некоторых разновидностей органических теплоизоляционных материалов, как, например, торфоплиты, длина волокон, вообще, весьма неравномерна, изменяясь вплоть до крайне незначительной величины, и, следовательно, в данном случае, собственно говоря, мы имеем дело с материалом смешан­ного. не чисто волокнистого строения. Такое же определение мо­жет быть дано материалам типа пробковых плит, которые состоят из отдельных зерен весьма дисперсной волокнистой структуры, скрепленных между собой органическими вяжущими. Наконец, материалы типа фибролита, получаемые путем скрепления дре­весной шерсти и стружки минеральным вяжущим, также не могуг быть отнесены к чистоволокипетым материалам.

Однако, несмотря на наличие всех этих обстоятельств, все же очевидно, что в связи с влиянием воздушных прослоек между волокнами увеличение среднего сечения волокон должно вызы­вать соответствующее повышение коэффициента теплопровод­ности материала.

Это положение наглядно подтверждается опубликованными И. Каммерером [35—5] данными, показывающих^ влияние объем­ного веса на коэффициент теплопроводности трех основных раз­новидностей органических теплоизоляционных материалов. Дан­ные Каммерера, пересчитанные на абсолютно сухое состояние, иллюстрируются рис. 65.

Из этих данных видно, что наибольшими ;hjv: от­

Дают материалы из древесной шерсти (фибролит), имеющие сравнительно грубую структуру, а наименьшими - материалы из расщепленного древесного волокна (так называемые древесно­волокнистые плиты, или оргалит), обладающие весьма дисперсной

Структурой. Торфоизоляционные плиты и пробковые плиты зани­мают, как и следовало ожидать, промежуточное положение.

Автором проведены испытания ряда органических плитных теплоизоляционных материалов:

А) грубоволокнистой структуры — соломит и фибролит;

Б) средневолокнистой и смешанной структуры — специально изготовленные образцы плит на базе неизмельченной льняной костры (так называемый морозин), грубоизмельченной отду - бины (так называемый флоэмалит) и грубоизмельченной дре весной массы, а также материалы промышленного выпуска — строительный войлок, пробковые плиты и торфоизоляционные плиты;

В) тонковолокнистой структуры шлиты на базе тонкорас - щепленного древесного волокна промышленного выпуска.

Помимо указанных теплоизоляционных материалов, автором проведено также исследование теплопроводности органических связанных материалов наиболее дисперсного волокнистого строе­ния— древесины сосны и дуба (поперек волокон). Результаты всех этих испытаний приведены в табл. 20.

Таблица 20

Теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения

Таким образом, мы обладаем знанием коэффициентов тепло­проводности достаточно широкого круга материалов, для того чтобы можно было установить взаимосвязь между объемным ве­сом и величиной с учетом структурных характеристик этих материалов.

Поскольку, однако, количество испытанных нами образцов древесины крайне невелико, обратимся к использованию имею щихся в литературе результатов испытаний теплопроводности древесины, проведенных рядом других исследователей.

На рис. 64 изображены кривые, характеризующие зависи­мость коэффициента теплопроводности древесины от объемного веса Эти кривые построены по результатам испытаний Ф Роулея [40], М. Ван-Дузена [46], Е. Аллкута [31] и Ф. Кольмана 136]; здесь же нанесены и результаты экспериментов автора. Как ви-

Лим, все эти кривые располагаются весьма близко друг к другу и хорошо согласуются с нашими данными.

Поскольку имеется столь близкое совпадение рассмнтрпвне MUX кривых, каждая из которых основана на результатах много­численных испытаний, нецелесообразно разбирать вопрос о том, какая из этих кривых является наиболее вероятной. Нами пред­лагается в качестве таковой принять кривую, построенную по средним значениям величины >. из всех 4 вышеуказанных кривых (показана сплошной линией на рис. 64).

Упомянутая кривая, как видно из ее характера, может быть представлена полиномом 3 степени Свободный член этого поли­нома находится при экстраполяции кривой до оси ординат из условия, что при Х= 0 теплопроводность материала должна быть близка к величине кондуктивной теплопроводности воздуха — Хи =0,022 ккал/м час град, поскольку древесина обладает крайне дисперсной структурой.

Тогда, оперируя обычным способом наименьших квадратов, находим для нашей кривой следующую зависимость:

X = 0,136т2 — 0,072т3 —;0,097Т + 0,022.

Результаты испытаний органических теплоизоляционных ма­териалов различной структуры нанесены па график рис. 65. Здесь же приведена кривая для древесины. Как видим из этого гра­фика, точки, соответствующие материалам определенной струк­туры, располагаются вполне закономерно, подтверждая качест­венную сторону отмеченного выше положения Каммерера.

Как видно из рис. 65, характер зависимости между объемным весом и коэффициентом теплопроводности теплоизоляционных материалов такой же, как у древесины. Таким образом, после ряда предварительных прикидок искомая общая зависимость мо­жет быть представлена выражением

= 0,136f — 0,072т3 - 0,097т + 0,022 + Лт", (24)

Где /.— коэффициент теплопроводности материала в сухом состоянии при средней температуре 25 + 5° в ккал/м час град;

7—объемный вес материала в сухом состоянии в т/мъ А, п—коэффициенты, равные.

Для материалов грубоволокнистой структуры А = 0,052; п — = 0,55;

Для материалов оредиеволокншстой структуры Л — 0,027; п = 0,7;

Длз материалов тонковолокнистой структуры А = 0,0073; п = 0,8;

Для древесины (поперек волокон) А = 0.

Соответствующие формуле (24) кривые, как видно из рис. 65, вполне удовлетворительно сходятся с результатами испытаний. Это выражение справедливо при изменении объемного веса орга-
ническнх ієн л о изол я ци оі шы материалов п пределах от 0,1 до 0,7 тім?, а древесины- от 0,3 до 0,7 т/м3, что с избытком отве­чает тем преде,'п. иым шачеппим объемны* иееои мн мніериіілои. которые могут ік іретпп. ея на практике.

Как видно из рис. 65, кривые Каммерера располагаются зна­чительно ниже всех наших кривых, в том числе ниже кривой для древесины. Мало того, необходимо указать, что результаты опре­делений коэффициентов теплопроводности различных органиче­ских теплоизоляционных материалов, произведенных советскими if зарубежными исследователями, дали, как правило, значительно меньшие величины X, чем полученные нами, причем данные всех других исследователей, лишь за немногими исключениями, все группируются вблизи кривых Каммерера.

Таким образом, оказывается, что величины коэффициентов теплопроводности органических теплоизоляционных материалов н--^" кинете гс стрс-енпЕ. пе-тученные е еезультате э~г*кт«льнеге тз£ ЕЖггг^пб чнхо-.нгг. енничн ^ с ; - е -' в і тел я м >:. s ^воен основной массе имеют меньшие значения, чем величины '

Для древесины {поперек волокон). Такое положение само по себе совершенно невероятно. Дело в юм, чп» древесина имеет дис­персное волокнистое строение, н, следовательно, при всех уело впях коэффициент теплопроводности рассмл трпваемых іеіілоіізо - ляциопных материалов, обладающих, как правило, Гюлее грубой структуроіі, ДОЛЖЄН быть выше, чем у древесины.

Надо еще учесть, что у древесины структура имеет к тому же и наиболее правильно выраженный волокнистый характер, в то время как у рассматриваемых теплоизоляционных материалов структура имеет либо вообще лишь частично волокнистое строе­ние (как, например, у торфоизоляционных плит, пробковых плит, фибролита), либо часть волокон располагается непараллельно плоской стороне плитных материалов (как например, у древесно­волокнистых плит) и, следовательно, находится при испытании под углом к тепловому потоку, а иногда и параллельно ему. Все эти моменты, как известно, отнюдь не могут способствовать сни­жению величины коэффициента теплопроводности материалов рассматриваемого вида по сравнению с древесиной.

Попытаемся вскрыть причины столь странного занижения ре­зультатов определений коэффициентов теплопроводности органи­ческих теплоизоляционных материалов, тем более непонятного, что оно имело место у подавляющего большинства из много­численных исследователей, работавших в этой области.

Нам представляется, что основная причина этого явления за­ключается в наличии в данном случае весьма большого терми­ческого сопротивления в месте контакта образца с поверхностями нагревателя и холодильника прибора.

В испытаниях автора, вследствие очень тщательной обра­ботки поверхности образцов, величина этого так называемого «переходного сопротивления», специально определенная путем испытания образцов различной толщины для ряда материалов, составляла не более # = 0,014. Автором при обработке резуль­татов испытаний и вычислении >. всегда учитывалось среднее зна­чение величины переходного сопротивления, принимавшееся рав­ным # = 0,01 м*/час град ккал для всех материалов.

Большинство же исследователей совершенно игнорировало значимость наличия переходного сопротивления, особенно для материалов с небольшим коэффициентом теплопроводности, к ко­торым принадлежат все органические теплоизоляционные мате­риалы. В отношении последних большинство авторов, как пра­вило, не принимало надлежащих мер но отшлифовке поверхности образцов (или иной их обработке). При этом ошибочно полагали, что в связи со сравнительной упругостью органических теплоизо­ляционных материалов можно путем нагрузки на образец (или при помощи специальных зажимов; создать настолько плотное примыкание образца к поверхностям прибора, что переходное сопротивление окажется не выше, чем при обычных шлифованных образцах из неупругих материалов, т. е. будет иметь небольшую величину, которая не сможет сколько-нибудь существенно отра­зиться на значении коэффициента теплопроводности.

Может, однако, возникнуть вопрос о том, почему же получен­ные различными авторами коэффициенты теплопроводности дре­весины (при определении которых па обычных приборах, естест­венно, также имело место переходное сопротивление) и выведен­ная на основе этих данных средняя кривая приняты нами в каче­стве величин, настолько стабильных, что с ними-возможно сопо­ставлять значення органических теплоизоляционных материалов, как это сделано выше.

На это следует указать, что при испытаниях древесины всеми исследователями, как правило, производилась достаточно тща­тельная острожка, а иногда даже и шлифовка образцов (по­скольку упругость древесины не настолько велика, чтофы можно было рассчитывать на сколько-нибудь существенное обжатие об­разцов древесины в приборе), вследствие чего переходное сопро­тивление в данном случае действительно не могло играть особо существенной роли.

Раз возникла необходимость убедиться в том, насколько от­сутствие тщательной обработки образцов органических теплоизо­ляционных материалов может отразиться на величине переход­ного сопротивления, по заданию автора и под его руководством в Термопроекте был специально поставлен следующий опыт.

Образец торфоизоляционной плиты объемным весом 0,176 т/м3 и толщиной 2,70 см не подвергался никакой обработке и был испытан обычным порядком на приборе типа ВТИ; при этом было получено значение коэффициента теплопроводности X = 0,0405. После этого образец был разрезан (по толщине) попо­лам, каждая из половинок утонена и склеена с другой половин­кой тончайшей пленкой столярного клея (наружная поверхность образца при этом осталась без изменений); затем образец общей толщиной 1,62 см был снова пены таи и получено X— — 0,0372 ккал/м час град.

Вычисленное на основе этих данных переходное сопротивле­ние испытанного образца торфоизоляционной плиты составляет R = 0,09, что во много раз превышает значения величин переход­ного сопротивления для шлифованных образцов (/? = 0,0062— 0,014 мг час град/ккал).

В том, что переходное сопротивление у образцов из органиче­ских плитных теплоизоляционных материалов достигает значи­тельных величин, можно убедиться и на основании данных, имею­щихся в литературе. Так, например, вычисленная на основании результатов испытаний Аллкута (31] величина переходного со­противления для необработанной плиты из древесной фибры со­ставляет R — 0,049 м2 час град/ккал.

Если пересчитать коэффициенты теплопроводности теплоизо­ляционных материалов с необработанной поверхностью — торфо - —?. т к н - £ ".ЕТЫ, Тс!!4"."г:г:~;м1 ':■; йі

Древесной фибры, испытаннон Аллкутом, с учетом соответствую­щих величин переходного сопротивления, то окажется, чго эти пересчитанные величины >• близко сходятся с кривыми автора (риє. (і(і). Оіедоватсль - ио, наше нре;иноложе - ние, что именно нали­чие ^неучитываемого большого переходного сопротивления являет­ся причиной заниже­ния экспериментально полученных значении коэффициентов тепло­проводности органи­ческих плитных мате­риалов у большинства исследователей, яв­ляется правильным.

В том, что это пред - полол<енис правильно, можно убедиться и на основании тех экспери­ментальных данных, к сожалению, немного­численных, в отноше­нии которых достовер­но известно, что они получены в условиях, исключающих влияние переходного сопротив­ления.

Так, 15. /Чейссиср и Р. Иммлер [38J, иссле­довавшие теплопровод­ность пробковой плиты на плоском приборе, по таким образом, что термопары для изме­рения теплового пере­пада закладывались непосредственно в те­ло образца в разных его местах по толщине, также (получили вели­чину >-, значительно болеб высокую, чем у прочих и с сіє їо. чаи-лей, (рис. 66).

Для того чтобы окончательно доказать справедливость уста­новленной выше зависимости, автором проделано следующее спе­циальное исследование.

В ЦНИПС были изготовлены образцы фпбригных (фпбробн - туминозных) теплоизоляционных плит различной структуры н объемного веса. Часть плит имела в качестве заполнителя станоч­ную стружку (грубоволокнистая структура), другая часть плит была изготовлена на мелких опилках (средневолокнистая струк­тура) и, наконец, в третьей части плит заполнителем служил ли­гнин •—дисперсное волокно, являющееся отходом гидролизного производства (тонковолокнистая структура). В качестве вяжу­щего в плитах применялась битумная паста.

Плиты были направлены в Термопроект, где после предвари­тельного высушивания до постоянного веса при температуре 105—110° испытаны на приборе ВТП при средних температурах +30, 4-40° таким образом, что термопары закладывались непо­средственно в тело образца, вследствие чего влияние переходного сопротивления было исключено. Результаты указанных испыта­ний хорошо согласуются с кривыми автора (рис. 66).

Таким образом, можно считать, что установленная нами ко­личественная зависимость между коэффициентом теплопровод­ности, объемным весом и характером структуры сухих органиче­ских связанных материалов волокнистого строения является до­статочно достоверной, данные же Каммерера и ряда других исследователей, игнорировавших наличие переходного сопротив­ления и не принимавших мер к его полному или частичному устранению, — неправильны.

И. Каммерер [35—3, 4, 5] установил зависимость между влажностью и теплопроводностью материалов органического про исхождения. Рекомендуемые Каммерером значения S№ колеб­лются в пределах от 10—12,5% для материалов объемного веса 0,1 т/м3 до 2,5—2,9% для материалов объемного веса 0,5 т/м3. <

Нельзя, однако, не отметить, что Каммерер эти свои данные относит к любым материалам органического происхождения, без­относительно от их структуры. Если даже ограничиться интере­сующими нас связанными волокнистыми материалами, то не сле­дует забывать, что и в этой группе имеются материалы различ­ного строения, отличающиеся между собой размерами исходного волокна и степенью правильности н равномерности структуры. Между тем из изложенного выше явствует, что размер добавки на влажность всегда находится в тесной связи со структурой материала.

Очевидно, что это положение должно в той или иной мере сохраниться и для материалов органических.

Таким образом, установленную Каммерером зависимость Между ІИ.1ПЧПІИІЦ 1>к, II oOU'MHUM пегим можно, н лучшем слу чае, раеемаїрннаїї. лини, как клчееінению характеристик пліш­ини нлажноетп. Достоверные же количественные значения Zw для органических волокнистых материалов различной структуры остаются по существу не установленными.

Результаты проведенных автором испытаний теплопровод­ности образцов древесины сосны и дуба (поперек волокон) во влажном состоянии показаны на рис. 67, а соответствующие ве­личины — в табл. 20. Эти данные, конечно, не­достаточны для того, что­бы на основе их пытаться установить интересующую пае,-г. первую очередь дли древесины, количествен­ную характеристику за­висимости между объем­ным весом и величи­ной '<w.

Воспользуемся поэто­му результатами обшир­ного исследования Ф. Роу - лея [40], При этом ограни­чимся только теми дан­ными, которые относятся к породам лесоматериа­лов, широко используе­мым в строительстве — сосне, ели, пихте и дуб. 1 la I рафике рне. (і!) н. тне сеиы полученные нами н Роулеем значения вели­чины Од, для древесины. Как видим отсюда, математический характер зависимости между объемным весом древесины и величиной йщ. устанавливается до­статочно наглядно. Прибегнув к обычному способу наименьших квадратов, представляем рассматриваемую зависимость следую­щим выражением:

Влияние влажности на коэффициент теплопроводности части из испытанных автором органических теплоизоляционных мате­риалов иллюстрируется рис. 68. Из этих данных видно, что зави­симость между влажностью и теплопроводностью в общем носит прямолинейный характер (в исследованном диапазоне изменения

10-239
илажпостн), т. е. налицо то же явление, которое имеет место и в неорганических материалах.

Средние значения величин <>w г. орі. шичсски. ч теплоизоля­ционных материалах, полученные из опытов автора, сведены в

Материалы тонковолокнистой структуры

О - Целотекс............................. f. Q 165 т/м3

О -ЛреВеснобопокнистоп плита у-0,325 т/м3

°--------------------------------- -—/-0,328 т/м3

<*----------------- «----------------------- .— ^ 0,468 т/м J

•------------------------------------- —--у 0,510 т/м3

Рис. 68. Влияние влажности на теплопроводность органических связанных материалов волокнистого строения —

Табл 20. Если нанести эти величины на график (рнс. 69), то, несмотря на некоторый разброс точек, все экспериментальные данные сравнительно легко объединяются тремя кривыми, при-
мсчїительно к трем основным группам opi анпческих ті-нлоіполя цпшших м ііі рпа. мон, ммичающихея «'ичп'і сі|>ум'р<>й іон Костью иолокиа. Ды ни шм, чіп чем грубее волокно мл и риалом, тем большее значение имей г нелнчинл . л с уменьшением обьем - ного веса ■ падает. Таким образом, материалы органического происхождения подчиняются, с рассматриваемой точки зрения, тем же общим закономерностям, которые SCT. HIOB It'llI I выше для материалов неорганических, и, очевп і. по, по тем же причинам.

Как видно из рис. 69, характер зависимости между объемным весом и величиной й„, у органических теплоизоляционных мате­риалов такой лее, как у древесины. Таким образом, после ряда предварительных прикидок искомая общая зависимость может быть представлена следующим выражением:

(25)

Где —прирост коэффициента теплопроводности/- на каждый процент объемного влагосодержания материала в %; В — коэффициент, равный: для материалов грубоволокнистой структуры В = 1,50; для материалов средневолокнистой структуры В = 1,05; для материалов тонковолокнистой структуры В - 0,35; для древесины (поперек волокон) В — 0.

Соответствующие формуле (25) кривые, как видно из рис. 09, вполне удовлетворительно сходятся с результатами испытаний. Формула (25) действительна прн содержании в материале влаги до 25% (по объему). Определение Х1{( производится по приведен­ной выше формуле (11).