ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Изучение теплопроводности материалов представляет собой одну из актуальнейших задач современной техники. Работа в этой области особенно развернулась в начале текущего столетия, когда развитие строительства и рост производства оборудования обусло­вили необходимость изыскания действенных мер борьбы с теп­ловыми потерями; это и вызвало к жизни потребность тщательного исследования теплозащитных характеристик различных материа­лов.

Одним из пионеров в области изучения теплопроводности строительных материалов в нашей стране является профессор Пе­тербургского технологического института Н. Н. Георгиевский, опубликовавший результаты своих опытов еще в 1903 г. [4].[1]Георгиевским охватил своими исследованиями чрезвычайно широкий для того времени круг материалов — разного рода кир­пич, 'бетоны и растворы, древесину, стекло, различные теплоизо­ляционные и кровельные материалы и др.; он дал вполне четкое представление о зависимости коэффициента теплопроводности от одного из наиболее важных физических свойств материалов — степени пористости.

С. Вологдин [45] в 1908—1909 гг. провел обширное исследова­ние коэффициентов теплопроводности керамических и иных мате­риалов, применяющихся в строительстве металлургических печей.

В 1915 г. профессора Московского высшего технического учи­лища В. Е. Цидзик и И. В. Арбатский [29] "конструировали и осу­ществили один из первыч прототипов современных плоских при­боров для определения коэффициента теплопроводности по ме­тоду постоянного режима. На своем приборе Цидзик и Арбатский изучили коэффициенты теплопроводности большого количества l>.i итчпых. материалов.

Уже н начале десятых тдои текущего еі-олеіия инженерами А. П. Серебровским [21], А. А. Орловым |Ш|, І). С. Лапшиным [14J и другими был опубликован ряд работ, трактующих о вопросах теплоизоляции ограждающих конструкции п теплозащитных свойствах материалов. Содержание этих работ свидетельствует о высоком уровне, на котором еще в то время находилась отече­ственная инженерная мысль в рассматриваемой области.

Однако небольшой объем строительства в дореволюционной Госсин препятствовал внедрению эффективных ограждающих конструкций и отсюда развитию науки о теплозащитных свой­ствах строительных материалов.

Лишь после Великой Октябрьской социалистической револю­ции работа в области изучения коэффициентов теплопроводности материалов могла быть развернута в широком объеме. Работы Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), ЛОТИ (впо­следствии ВИТГЕО и ЦКТИ), ЦНИПС, лаборатории Оргэнерго, Термопроекта, СтроііЦНИЛ, ВНИХИ, ЮжНИИ и многих других исследовательских организаций дали огромный эксперименталь­ный материал, освещающий теплозащитные свойства различных строительных материалов.

Наряду с этими работами в СССР было сконструировано и осуществлено значительное количество приборов, послуживших для экспериментов по определению коэффициентов теплопровод­ности Остановимся па тех и:і чімч, которые получили наибольшее распространение при испытании строительных материалов.

В 1926—1928 гг. проф. О. Е. Власов и лауреат Сталинской премии проф. Д. Л. Тимрот разработали в ВТП плоские приборы, основанные на принципе постоянного теплового режима [2, 24J. Прибор ВТИ в современном его виде [61 использован в весьма ши­роких масштабах «а практике.

Лауреат Сталинской премии проф. Г. М. Кондратьев предло­жил приборы оригинальной конструкции, работающие на основе использования непостоянного потока тепла, по так называемому «регулярному режиму» [12]. Эта приборы воспроизведены в целом ряде лаборатории и послужили для определения термических кон­стант разного рода материалов.

Резюмрируя наш краткий обзор, необходимо отметить, что оте­чественная наука в области изучения теплопроводности строитель - -1 ных материалов получила значительное развитие как и смысле пбі. і-ма імисрпмпі тої;. і: і к п її пгмиїїісііші щшборос1 росини

Н рс і.'іі>їм іс р;іочг по ii. iVMi'ii'ino ко )і|и|іііціичі ині їси. юпроно^ пости строительных материалов, проведенных п СССР п u других странах п течение мшогих лет, накопились обширные эксперимен­тальные данные, обычно используемые при теплотехнических рас­четах. Однако, рассматривая эти данные, нельзя не обратить вни­мания на тот чрезвычайно большой разнобой в значениях величин коэффициентов теплопроводности, который имеет место для мате­риалов одного и того же наименования (и одинакового объемно­го веса) по различным источникам.

Это вызвано рядом обстоятельств. Прежде всего тем, что наи­более старые экспериментальные данные (относящиеся к концу прошлого и началу текущего столетий) получены преимуществен­но на приборах примитивной конструкции, дававших вообще крайне неточные результаты. Далее разнобой в данных о величи­нах ^ по различным источникам частично может быть вызван влиянием факторов влажности и температуры, хотя установить это не всегда возможно, поскольку в литературе часто даже и не указывается влажностного состояния образца и температуры, при которой производилось - испытание.

Тем не менее, если даже отбросить такого рода сомнительные данные, то существеннейший ра. шобой в величинах коэффициен­тов теплопроводности строительных материалов, помещенных в различных монографиях, справочниках, учебниках и даже в стан­дартах. игр же остается; объясняется это. па наш взгляд, дпумя главными причинами.

Во-первых, на коэффициент теплопроводности весьма суще­ственное влияние оказывает структура материалов. Так, напри­мер, нельзя рассматривать зависимость величин ^ от основных факторов (степени пористости, влажности и температуры) для группы материалов неорганического происхождения, не учиты­вая, что внутри этой группы имеются материалы' самой разнооб­разной структуры — ячеистого, зернистого, волокнистого, смешан­ного строения.

Естественно, что на величину коэффициента теплопроводности ч степень его зависимости or упомянуіьіх основных факторов ока - зыьа г влиян: характер структуры, а для материалов опреде­ленней структуры — такие показатели, как, например, размер ячеек, зс-ptи, волокон, а также внутреннее строение основного

Скелета материала. То же относится и к группе материалов

Органического происхождения.

В то же время, как это нн странно, именно структурные харак­теристики материалов меньше всего привлекали внимание иссле­дователей, работавших в области изучения коэффициентов тепло­проводности. Можно указать лишь очень ограниченное количество работ, в которых производилось варьирование структурного фак­тора или, по крайней мере, фиксировалась характеристика мате­риалов с этой точки зрения. В большинстве же работ структурные показатели материалов вообще полностью игнорировались.

Между тем известно, что технология позволяет резко менять свойства выпускаемой продукции; поэтому вполне возможно для материалов одного и того же наименования получать продукцию с самыми различными структурными характеристиками, видоиз­меняя отправные параметры технологического процесса. Так, на­пример, в ячеистых бетонах при соответствующем изменении вида и количества пенообразователя (либо количества и тонкости по­мола газообразующих добавок), а также водовяжущего отноше­ния и условий перемешивания, на практике получаются мате­риалы как весьма дисперсной структуры, так и крупнопористые, с правильными замкнутыми ячейками одинакового размера и, наоборот, с ячейками рваной неправильной формы и неравномер­ного строения. Таких примеров, иллюстрирующих весьма широ­кий диапазон, в каком в зависимости от технологических факторов способны! меняться структурные характеристики материалов одно­го и того же наименования, можно привести множество и но ли­нии строительной керамики, разного рода бетонов, минераловат- ных материалов, органических утеплителей, изоляционных імасс, засыпок и т. д.

Отсюда представляется крайне необходимым иметь для целей практики систему достаточно достоверных общих зависимостей, характеризующих взаимосвязь между коэффициентом теплопро­водности и структурными характеристиками материалов, с учетом влияния факторов пористости, влажности и температуры.

Вторая причина разнобоя в экспериментальных данных о вели­чинах * для материалов одного и того же наименования по раз­личным источникам связана с некоторой ненадежностью резуль­татов испытаний на теплопроводность вообще. На этом обстоя­тельстве необходимо заострить внимание, ибо широкие круги строителей недостаточно осведомлены о том, что пока, к сожале - 6 нию, испытание на теплопроводность, даже па наиболее совершен­ных приборах, является значительно менее надежным, чем любые другие испытании, обычно выполняемые в строптельпич лабора­ториях.

Практика показывает, что даже в лабораториях, имеющих большой опыт теплофизических исследований, очень часто при испытаниях на теплопроводность различных образцов одного и того же материала, а иногда и при повторных испытаниях одного и того же образца, получаются значительные расхождения.

Эта ненадежность результатов испытаний в большинстве слу­чаев является следствием методических погрешностей, имеющих место при определении коэффициентов теплопроводности па раз­ного рода приборах. Так, например, при использовании стандар­тизованных плоских приборов, работающих по принципу постоян­ного теплового режима, результаты испытаний могут подвергнуть­ся значительному искажению вследствие боковых теплопогерь обраної (эти теплопотери имеют место даже в приборах с защит­ным кольцом, если высота и диаметр образца существенно отли - чаютс от оптимальных для данного прибора), а также из-за наличия значительного термического сопротивления контактной прослойки между поверхностями образцов и прибора (особенно оказывающего влияние в материалах большого объемного веса). Помимо того, если образцы1 испытываются во влажном состоянии, то на полученную величину может оказать существенное влия­ние также неравномерное распределение влаги в образце в про­цессе испытания (неравномерность особенно проявляется при на­личии нигокпч перепадов іеміп-рагур г. приборе).

Наконец, следует иметь в виді, чю конструкции всех суще ствующих в настоящее время приборов для испытаний на тепло­проводность, в общем, настолько сложны, что случайные неис­правности отдельных деталей и элементов прибора остаются боль­шей частью незамеченными в процессе испытания и о наличии этих дефектов зачастую можно догадаться только впоследствии, прн получении «выпадающих» или «скачущих» результатов испы­таний.

Если к изложенному выше добавить влияние случайных неза­меченных дефектов образца, например, трещин, внутренних ка­верн и т. п., а также погрешности в работе лаборанта (в данном случае тем более вероятные и частые, что приходится иметь дело с прибором сложным, капризным и хрупким), то станет ясным, что отдельным результатам испытаний, даже при наличии 2— 3 испытаний-близнецов, вообще никогда нельзя полностью дове­рять.

Следует помнить, что само проведение пшыгаппн па теплопро­водность эти только полонина дела. Вторая, и не менее важная, половина его заключается в том, чтобы правильно оценить ве­роятность результата каждого проведенного испытания. Но такая оценка может быть произведена лишь путем сопоставления полу­ченного результата с достаточно достоверными данными о тепло­проводности материалов, близких по своим структурным харак­теристикам к (испытанному образцу.

Таким образом, и для целей правильной оценки результатов испытаний на теплопроводность образцов разного рода новых ма­териалов также необходимо знание системы тех общих зависимо­стей, характеризующих влияние структуры на величину А, о кото­рых указьшалось выше.

К сожалению, однако, мы не находим в литературе такого рода зависимостей. Многие попытки построения таких зависимо­стей были обречены на неудачу, ибо они носили в связи с значи­тельным разбросом экспериментальных точек (вызванным игно­рированием структурных характеристик материалов и нередко методическими неточностями при испытании образцов) резко усредненный характер и, по существу, являлись лишь зависимо­стями качественного порядка, между тем как для практических целей мам необходимы количественные зависимости.

Изложенное побудило автора обратиться к попытке воспол­нить упомянутый пробел.

Автор, выполняя еще в довоенное время в б. СтронЦПИЛ Нар - комстроя ряд исследовательских работ в области технологии лег­ких бетонов, ячеистых материалов, пористой керамики, разного рода теплоизоляторов и других строительных материалов, есте­ственно, не мог игнорировать такого важного обстоятельства, как наличие существенного влияния технологических факторов на структурные свойства материалов. Это позволило автору полу­чить в свое распоряжение необходимые образцы и дало возмож­ность, поставив широкое изучение коэффициентов теплопроводно сти строительных материалов, выявить в весьма обширном диапазоне влияние структуры материалов на величину >.. Пред­варительно были выполнены специальные исследования в области методики испытаний, позволившие в дальнейшем избежать мето­дических погрешностей, изложенных выше.

Проведенное автором в последнее время обобщение результа­том тгоі'і работы (совместно с привлеченными данными некоторых ДРУГИХ іис. їе'ІОІІЛМ'Леп) цало Во ІМОЖІЮСГІ. СО ГІ..Ill, псиоми» СИ стому ОПІЩІХ іавпспмосіеіі, чаракіерп чующих влипшие прукі^рі. і, степени пористости, влажности и температуры на теплопровод­ность строительных материалов [9].

Общин объем специально поставленных для этой цели экспе­риментов включает свыше 2 200 определении коэффициентов теп­лопроводности более чем 350 образцов различных материалов (не считая ряда вспомогательных и проверочных определений вели­чины связанных с установлением оптимальной методики ра­боты). Столь обширная программа позволила широко охватить номенклатуру материалов, знание величины коэффициента тепло­проводности которых имеет для строительства практическое зна­чение. Эти материалы по своим основным структурным признакам могут быть разбитьи на следующие 6 групп

1) неорганические связанные материалы ячеистого строения;

2) неорганические сыпучие материалы зернистого строения;

3) неорганические связанные материалы смешанного строе­ния;

4) неорганические рыхлые материалы волокнистого строения;

5) органические рыхлые материалы волокнистого строения;

6) органические связанные материалы волокнистого строения.

Специальный подбор и изготовление соответствующих образ­цов позволили внутри каждой из этих групп установить взаимо­связь между коэффициентами теплопроводности и численными показателями структуры материалов (размер ячеек, зерен, воло­кон и т. д.), а математическая обработка экспериментальных дан­ных придала полученным зависимостям необходимую общность. Таким образом, оказалось возможным создать систему зависимо­стей не только качественного, но и количественного порядка, удо­влетворив тем самым запросы практики.

Полученные зависимости, поскольку ими установлена четкая взаимосвязь между теплопроводностью и структурой, могут быть использованы и при выборе оптимальной структуры материалов. Технологи bimciot возможность и довольно пределах из­менять структуру изготовляемых ими материалов, но они сегодня в большинстве случаев еще не знают, какая же структура являет­ся оптимальной.

Правда, выбор оптимальной структуры не может быть произ­веден, только исходя из свойств теплопроводности материалов. Не менее важными, а в ряде случаев и решающими, здесь яв­ляются такие свойства, как прочность, морозостойкость, водопо - глощаемость и др. Оптимальная структура должна выбираться, исходя из совокупности всех этих свойств.

К такому выбору пока нельзя приступить, ибо взаимосвязь ме­жду совокупностью основных свойств и структурой строительных материалов по существу мало изучена. Данной работой в области теплопроводности сделан соответствующий вклад в этом напра­влении. Надо надеяться, что со временем работа по выбору опти­мальной структуры строительных материалов будет поставлена, и тогда результаты нашего исследования смогут быть использованы также и для указанной цели.