Зависимость теплопроводности от плотности строительных материалов

Зависимость теплопроводности от плотности представляется довольно очевидной. Она определяется типом материала скелета, а также теплопроводностью самого скелета, которая варьируется для органических и неорганических составов.

Таблица 1 -Теплопроводность скелета

Материал скелета

Значение теплопроводности Вт / (моС)

Органические материалы

0,29 / 0,41

Неорганические

3,26

Кристаллические

4,6 / 7

Кристаллические, при потоке параллельном кристаллической поверхности

14

Пластмассы

0.77 / 0.35

 

Таблица 2 – Теплопроводность воздуха в порах материала

Воздух в порах радиусом 0,1 мм

0,024

Воздух в порах радиусом 2 мм

0,027 – 0,028

 

Теплопроводность в таблицах наглядно демонстрирует, что для мелкопористых материалов (поры около 0,1 мм) она составляет примерно 0,024 Вт/(м оС), тогда как для более крупных пор — около 0,027–0,028 Вт/(м оС). Это указывает на то, что, увеличивая воздух в структуре и уменьшая плотность, теплопроводность снижается до уровня, не ниже теплопроводности воздуха.

Рисунок 1 – Теплопроводность ячеистых бетонов в сухом состоянии (по Кюнцелю)

В сухом состоянии ячеистых бетонов значение теплопроводности подтверждается работами Владимира Геннадьевича Гагарина, который ссылается на Кюнцеля, выдающего значения на уровне 0,1 Вт/(моС) при плотности 400 кг/м3. При этом температура воздуха составляла 10 оС, тогда как у нас в России определение эталонной теплопроводности проводилось при + 25 оС. Это расхождение в условиях приводит к различию в теплопроводности более чем на 3 %. Методические ошибки также оказывают влияние на результаты, так как образцы с высокой сорбционной способностью могут искажать итоги испытаний. Таким образом, если ячеистые бетоны после измерения теплопроводности будут дополнительно высушены и учитывать, что испытания проводились во влажном состоянии, то мы также получим значение, равное 0,1.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициентов теплопроводности исследованных материалов от плотности (1 – модифицированный полистиролбетон на портландцементном вяжущем, 2 – полистиролбетон на магнезиальном вяжущем, 3 – автоклавный газобетон; прямая линия проведена через точки, соответствующе автоклавному газобетону).

Сравнивая газобетон и полистиролбетон, по данным НИИСФ РААСН, можно заметить, что при одинаковой плотности их теплопроводность близка, но газобетон имеет чуть меньшие показатели.

Таблица 3 – Теплопроводность газобетона в зависимости от плотности по ГОСТ 31359-2007

Марка бетона по средней плотности

Коэффициент теплопроводности бетона в сухом состоянии λ0, Вт / (моС)

D 200

0,048

D 250

0,06

D 300

0,072

D 350

0,084

D 400

0,096

D 450

0,108

D 500

0,12

D 600

0,14

D 700

0,17

D 800

0,19

 

Зависимость теплопроводности строительных материалов от температуры

Теплопроводность изменяется в зависимости от температуры, и, как уже упоминалось ранее, при каждом увеличении температуры на 0,25 % наблюдается увеличение на 10°С до 2,5 %. При повышении температуры теплопроводность увеличивается.

λ = λ0 (1+βt),

где λ0 – теплопроводность при 0оС;

β = 0,0025 1/оС.

 

Зависимость теплопроводности строительных материалов от влажности

Рисунок 3 – Общий вид зависимости теплопроводности от температуры

 

Влажность значительно влияет на теплопроводность. При определённых условиях происходит быстрое поглощение влаги, что приводит к резкому увеличению теплопроводности, после чего наблюдается линейный рост данного параметра.

 

Рисунок 4 – Зависимость теплопроводности от объемной влажности газобетона по Х. Кюнцелю, 1970 г. (теплопроводность воды – 0,58 Вт/(м оС), воздуха – 0,024-0,028 Вт/(м оС))

 

Если при заданных условиях теплопроводности воды и воздуха заменить часть воздуха водой, то теплопроводность влажного материала возрастает. В данном графике приведена теплопроводность для плотности 430. При объёмной влажности в 5 %, что соответствует 12 % массовой влажности, мы получаем теплопроводность 0,15 Вт/(м оС), которая оставалась неизменной в течение долгого времени в нашем СНИП.

 

Рисунок 5 – Зависимость теплопроводности от уровня влажности

 

Здесь представлена зависимость теплопроводности от уровня влажности: объёмная влажность и массовая, выраженная в литрах на кубометр, влияют на теплопроводность линейным образом.

Величина  является приблизительно постоянной для каждого вида материала.

Для теплоизоляционных материалов :

Для ячеистых бетонов :

Повышение теплопроводности материала с ростом влажности поддается простой формуле, которая позволяет вычислить КТК21 – коэффициент теплотехнического качества.

КТК21 указывает нам на приращение теплопроводности при увеличении влажности на 1 % по массе; значение этого коэффициента варьируется. Для большинства теплоизолирующих материалов он обычно составляет от 2 до 4,5. Для ячеистого бетона значения колеблются от 3,6 до 5, но чаще всего близки к 4. В российских нормативных документах закреплено значение 4 %, что указывает на то, что при массовой влажности материала в 5 % его теплопроводность увеличивается, относительно сухой на 20 %. Это и есть физический смысл рассматриваемого коэффициента.

В России этот коэффициент называется КТК21, тогда как в Германии - Zunahme.

Таблица 4 – Приблизительные значения КТК21 для строительных материалов.

Материал

Значение   

Бетоны на природных пористых заполнителях

6,0

Керамзитобетоны

 

на керамзитовом песке

4,5

на кварцевом песке

6,0

на перлитовом песке

3,5

Шлакопемзобетоны

6,0

Ячеистые бетоны

4,0

Растворы

6,0

Кирпичная кладка

15,0

Древесные материалы

 

фибролит и арболит

6,0

остальные древесные материалы

5,0

Эффективные теплоизоляционные материалы

3,5

Пеногипс

11,0

Для ячеистых бетонов коэффициент составляет 4, тогда как для кирпичной кладки он равен 15, то есть на каждый процент массовой влажности кирпичная кладка существенно больше приращивает теплопроводность.

Таблица 5 – Теплопроводность и КТК газобетона по измерениям НИИСФ*

№

Плотность,

γ0, кг/м3

λ0,

Вт/(м оС)

КТК21*

100 %

КТК1*104,

(Вт/м оС) / (кг/м3)

Газобетоны

-

432

0,118

4,4

2,7

-

500

0,137

3,7

2,7

-

541

0,145

3,7

2,7

-

600

0,156

3,5

2,6

КТК21* = ∆λ / λ0, КТК1* = λ0 / γ0

 

Итак, в таблице представлен коэффициент теплотехнического качества (КТК21), который составляет приблизительно 4 %, а КТК1 – это соотношение теплопроводности к плотности. Независимо от плотности ячеистого бетона это значение оказывается примерно одинаковым. Исследование зависимости «Zunahme» от плотности газобетона по Кюнцелю показывает, что влажность в объеме оказывает значительное влияние. В общем, массовая влажность приводит к увеличению теплопроводности газобетона на 3,7 единиц за каждый процент влажности. В методических рекомендациях Минстроя указаны более осторожные оценки. Для ячеистых бетонов с автоклавной обработкой коэффициент теплотехнического качества «Zunahme» составляет около 4 %.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что теплопроводность увеличивается с повышением влажности. Различные источники подтверждают, что результаты довольно схожи.   

Сравнение теплопроводности газобетона с другими материалами даёт эксперт компании BONOLIT в нашем видео: