Кауфман - Теплопроводность строительных материалов

Б. П. КАУФМАН

КАНД. ТЕХН. НАУК

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО литературы по строительству и архитектуре

Москва — 1955

Книга посвящена изучению влияния структурных характеристик и основных физических факторов  (объемный вес, влажность, температура) на теплопроводность строительных материалов. Полученные зависимости даны в обобщенном виде.

В книге приведены также практические рекомендации в отношении средних значений коэффициентов  теплопроводности различных строительных материалов.

Книга предназначена для  инженеров-проектировщиков и работников научных организаций и строительных лабораторий.

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]. 

Георгиевский 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 первых прототипов современных плоских приборов для определения коэффициента теплопроводности по  методу постоянного режима. На своем приборе Цидзик и Арбатский изучили коэффициенты теплопроводности большого количества различных материалов.

Уже в начале десятых годов текущего столетия иженерами Л. П. Серебровским [21], Л. А. Орловым [19], Б. С. Лаишпиым [14] и другими был опубликован ряд работ, трактующих о вопросах теплоизоляции ограждающих конструкций и теплозащитных свойствах материалов. Содержание этих работ свидетельствует о высоком уровне, на котором еще в то время находилась отечественная инженерная 1мысль 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), ЦИ11ПС, лаборатории Оргэиерго, Термопроекта, СтроиЦНИЛ, ВНМХИ, ЮжМИИ 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 на тех из них, 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, 24]. Прибор ВТИ в современном его виде [61 использован в весьма широких масштабах на практике.

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

Резюмируя наш краткий обзор, необходимо отметить, что  отечественная наука в области изучения теплопроводности строительных получила значительное развитие как в смысле объема экспериментов, так и в отношении приборостроения.

В результате работ по изучению коэффициентов теплопроводности строительных материалов, проведенных в СССР и в других странах в течение многих лет, накопились обильные 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 разнобой в величинах  коэффициентов теплопроводности строительных материалов, помещенных в различных монографиях, справочниках, учебниках и даже в  стандарта все же остается; объясняется это, на наш взгляд двумя 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 и степень его зависимости от упомянутых основных факторов оказывает влияние характер структуры, а для материалов  определенной структуры — такие показатели, как, например, размер ячеек, зерен, волокон, а также внутреннее строение основного скелета материала. То же относится и к группе материалов органического происхождения.

В то же время, как это ни 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 по линии строительной керамики, разного рода бетонов, минераловатных материалов, органических утеплителей, изоляционных мacc, 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 λ для материалов одного и того же наименования по  различным источникам связана с некоторой ненадежностью  результатов испытании на теплопроводность вообще. На этом  обстоятельстве необходимо заострить внимание, ибо широкие круги строителей недостаточно осведомлены о том, что пока, к сожалению, испытание на теплопроводность, даже на наиболее совершенных приборах является значительно менее надежным, чем любые другие испытания, обычно выполняемые в строительных 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 испытании в большинстве  случаев является следствием методических погрешностей, имеющих место при определении коэффициентов теплопроводности на  разного рода «приборах. Так, например, при использовании стандартизованных плоских приборов, работающих по принципу постоянного теплового режима, результаты испытаний могут  подвергнуться значительному искажению вследствие боковых теплопотерь образца (эти теплопотери имеют место даже в приборах с  защитным кольцом, если высота и диаметр образца существенно  отличаются- 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 образцы испытываются во влажном состоянии, то на полученную величину λ может оказать существенное  влияние также неравномерное распределение влаги в образце в  процессе испытания (неравномерность особенно проявляется при наличии высоких перепадов температур в приборе).

Наконец, следует иметь в виду, что конструкции всех  существующих в настоящее время приборов для испытаний на  теплопроводность, в общем, настолько сложны, что случайные  неисправности отдельных детален и элементов прибора остаются  большей частью незамеченными в процессе испытания и о наличии этих дефектов зачастую можно догадаться только впоследствии, при 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 испытания на теплопроводность – это только половина 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 испытании на теплопроводность образцов разного рода новых  материалов также необходимо знание системы тех общих  зависимостей, характеризующих влияние структуры на величину X, о  которых указывалось 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 нам необходимы количественные зависимости.