Физические характеристики строительного материала определяют сферу его применения. Теплопроводность кирпича является важным параметром, который принимается в расчет при сооружении фундамента, перекрытий, внешних стен.
Содержание
- 1 Коэффициент теплопроводности кирпичей
- 2 Теплопроводность кладки
- 3 Расчет
- 4 Уменьшение коэффициента теплоотдачи стены
- 5 Технологии укладки
- 6 Утепление здания
- 7 Что обозначает показатель
- 8 Свойства различных типов
- 8.1 Красный керамический
- 8.2 Клинкерный
- 8.3 Характеристика шамотного
- 8.4 Силикатный
- 9 Какая теплопроводность изделий
- 10 Что влияет на показатели
Коэффициент теплопроводности кирпичей
В экономике страны строительная отрасль выделяется как наиболее энергоемкая:
- 10% энергии потребляют гражданские объекты;
- 35-45% расходуют сооружения промышленного назначения;
- 50-55% энергопотребления относится к жилым зданиям.
При проектировании зданий важное значение для строительных конструкций имеют теплоизоляция и тепловая защита. От этого во многом зависят человеческие условия труда и жизни, энергоэффективность строящихся объектов.
Возведение сооружений различного назначения нуждается в правильной оценке влажностного, воздушного и теплового режимов.
Это позволяют разработать специальные методики определения теплофизических параметров стройматериалов и готовых конструкций. Эти методики будут разными для отличающихся материалов изделий.
Теплотехнические показатели по техническим и нормативным документам характеризуются коэффициентом теплопроводности (λ). Для кирпича параметр является показателем того, как изделие передает тепло.
Чем выше значение, тем меньше теплоизолирующая способность. При выборе утеплителя для дома значение λ должно быть как можно меньше.
Коэффициент определяют экспериментальным путем. Это физический показатель, который зависит от давления воздуха, температуры, влажности среды и вещества изделия, плотности и структуры последнего.
Существует формула для определения теплопроводности. В соответствии с ней коэффициент λ прямо пропорционален толщине слоя (в метрах) и обратно пропорционален сопротивлению теплопередаче слоя.
Величина, которую получают при расчетах, используются в проектировании, чтобы сопоставить значение проводимости тепла разных материалов.
Для ограждающих конструкций сопротивление теплопередаче (R0) определяется для зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ 26254-84. Для термически однородной зоны оно зависит от:
- Сопротивлений передачи тепла наружной и внутренней поверхностей.
- Температуры воздуха снаружи и внутри помещения, взятой как среднее значение измерений за расчетный период.
- От средней фактической плотности потока тепла за период измерений.
Теплопроводность кладки
По ГОСТ 26254 определяют λ для кирпичных и блочных кладок. Для этого действуют следующим образом:
- За время наблюдений определяют показания (средние арифметические) для всех термопар и типломеров.
- Для поверхностей кладок, которые находятся внутри и снаружи зданий и сооружений, вычисляется средневзвешенная температура по результатам испытаний. Принимается в расчет площадь растворных швов горизонтального и вертикального участков, а также площадь тычкового и ложкового участков.
- Определяют для кладки термическое сопротивление.
- Коэффициент теплопроводности кладки вычисляется по значению термического сопротивления.
Расчет
Теплопроводность кладки прямо пропорциональна ее толщине и обратно пропорциональна термическому сопротивлению.
После проведения испытаний и установления точных значений сопротивления теплопередачи нетрудно рассчитать величину теплопроводности стены, состоящий из несколько слоев.
Для этого нужно определить λ для каждого слоя отдельно и суммировать полученные значения.
Уменьшение коэффициента теплоотдачи стены
Существует несколько способов, которые позволяют снизить тепловые потери.
Технологии укладки
Воздушные зазоры делаются в кирпичной кладке для уменьшения накопления влаги в стенах и снижения коэффициента теплоотдачи.
Прослойку воздуха в стенах правильно обеспечивают следующим образом:
- Раствором не заполняют воздушные зазоры толщиной до 10 мм между изделиями начиная с 1 ряда. 1 метр — распространенный шаг между зазорами.
- По типу фасада с вентиляцией зазор воздуха толщиной 25-30 мм оставляют по всей высоте кладки между теплоизолятором и кирпичом. При работе зимой отопительной системы температура в доме будет оставаться постоянной. Свойства стены сохранять тепло обеспечат постоянные воздушные потоки, которые будут проходить по предусмотренным воздушным каналам.
Постоянная циркуляция по каналам воздуха внутри кладки возможна, если она на последнем ряду не закрывается перекрытием из любых стройматериалов или стяжкой из раствора.
Для частного строительства важно, чтобы, не понеся больших расходов, добиться от кирпичной стены существенного снижения коэффициента λ.
Утепление здания
Дополнительная теплоизоляция строительных объектов способствует повышению их энергоэффективности. Утеплитель может располагаться изнутри и снаружи зданий.
Материал теплоизолятора крепится к стенам дюбелями и клеем, скобами и шурупами с использованием обрешетки и без. Полимерные штукатурные и пеновые смеси могут наноситься с применением армирующей сетки.
Для наружного утепления производятся сборные изделия: термоблоки, вентилируемые фасады, закрепляющиеся к стенам с помощью специальных конструкций.
Недостатки теплоизоляции штукатуркой снаружи:
- При частой смене температуры воздуха на границе сред, образуемых элементами утеплителя и стеной, создается зона повышенной влажности. Это важно учитывать для недостаточно толстых слоев штукатурки, сделанной по металлической, стеклотканевой или полимерной сетке.
- На 3-4 году эксплуатации отделка фасада начинает разрушаться. Раствор выдерживает в среднем около 50 циклов смены тепло-холод.
- На здоровье проживающих в доме может плохо влиять поражение конструкций грибком и плесенью.
Разные системы теплоизоляции способны нарушить паропроницаемость конструкции. Это часто вызывает образование между слоями фасада, штукатуркой и утеплителями конденсата. Он снижает срок службы изоляции и отделки, приводит к разложению пенополистиролов с выделением ядовитых веществ.
Что обозначает показатель
Холодная область материала постоянно получает тепло из более теплых частей. Их этот процесс движения тепла осуществляется через электромагнитные взаимодействие на уровне квазичастиц, электронов и атомов.
Физический смысл показателя теплопроводности — какое за единичный интервал времени через единицу площади сечения проходит количество теплоты.
В зависимости от коэффициента теплопроводности ГОСТ 530-2012 разделяет эффективность складки на следующее виды:
- малоэффективная (обыкновенная) — от 0,46 и выше;
- условно-эффективная — 0,36-0,46;
- эффективная — 0,24-0,36;
- повышенная — 0,2-0,24;
- высокая — меньше 0,2.
Исходя из состава для кладочных смесей величину теплопроводности в инженерных расчетах выбирает от 0,47 и выше.
Нужный температурный режим лучше поддерживается при использовании стройматериалов с высокой теплоемкостью. Этот параметр характеризует, сколько нужно количества тепла, чтобы за единицу времени нагреть объект до заданной температуры. Единицами измерения показателя являются Дж/0С, Дж/К.
Свойства различных типов
Разные строительные материалы отличаются способностью проводить тепло, которая зависит от следующих параметров:
- Влажность. 0,6 — значение λ для воды. Влажный насыщенный воздух или капли жидкости замещают сухой воздух в порох утеплителя и стеновых конструкциях при их намокании. Это приводит к росту показателей теплопроводности.
- Плотность. Тепловая энергия лучше передается, если частицы в теле расположены более тесно и в большем количестве. Опытным путем или на основе справочных данных определяется зависимость плотности и теплопроводности материала.
- Пористость. Однородность структуры изделий нарушается из-за наличия в ее составе пор. Заполненный воздухом объем, занятый порами, передает часть энергии теплового потока. Для сухого воздуха принимает значение λ отсечной точки 0,02. Теплопроводность стройматериалов будет меньше, если воздушными порами будет занят больший объем.
- Структура пор. Тепловой поток снижает скорость при наличии в изделиях небольших пор замкнутого характера. Тепловая конвекция будет участвовать в передаче тепла, когда имеются относительно большие сообщающиеся между собой поры.
Красный керамический
Мелкозернистая глина является при производстве керамического кирпича основным компонентом. В готовую продукцию также входят вода, песок и улучшающие начальное качество сырья присадки.
Изделия меньше растрескиваются, когда в их состав входит более эластичный раствор, качество которого модифицируют с помощью пластификаторов.
Для керамического кирпича хорошая морозостойкость является основным достоинством. Он способен выдерживать 250-300 циклов замораживания и оттаивания.
Красный кирпич из керамики российского производства имеет толщину 6,5 см и 25 см в длину. Для двойного толщина составляет 13,8 см, 8,8 см — для полуторного.
У пустотелых и полнотелых изделий будет разная величина объемного веса. Построенная из кирпича конструкции будут характеризоваться теплопроводностью тем ниже, чем более пористый материал был использован при строительстве. Для полнотелого кирпича показатель пустотности не может составлять более 30%.
Чтобы внутри изделия образовались пустоты, используется «шихта» — торф, крошки угля, опилки, солома мелко порубленная. Ее добавляют в массу глины. Пустоты образуются, когда добавки выгорают при спекании глины в печах с 1000°С температурой.
По показателю плотности кирпич делится на 7 категорий — от 2,4 до 0,7. Каждый класс изделия обладает собственной теплопроводностью.
0,6-0,7 — коэффициент теплопроводности для изделий с цельной структурой. Для пустотелых — 0,5-0,25 Вт/м*0С.
Несущие стены не делают из пустотелых материалов, поэтому чаще всего они нуждаются в дополнительном утеплении.
Клинкерный
Этот тип кирпича получают из смеси силикатов и минералов, воды, тугоплавкой измельченной глины, которую обрабатывают после формовки при высокой температуре (до 13000). Для этого используют тоннельные печи.
При соблюдении технологии производства получается продукт без мелкодисперсионных пор с высокой прочностью, натуральных оттенков. Параметры готовых изделий определяются ГОСТ 530-2012.
Клинкерный кирпич чаще всего получается с точной геометрией. Для повышения теплоизоляционных качеств и облегчения веса конечной конструкции он выполняется пустотелым.
Характеристики материала:
- Морозостойкость более 100 циклов.
- Минимальная марка прочности М250.
- 1500 кг/см3 — наименьший показатель плотности.
- Высокая огнестойкость, устойчивость к биологическим угрозам, воздействию ультрафиолета.
- 6% — максимальное водопоглощение.
- Коэффициент теплопроводности — 1,15Вт/м*0С.
Характеристика шамотного
Этот вид кирпича делают из специальной глины — желтого шамота. Получаемые изделия являются жаростойким материалом, который в сложных условиях высоких температур даже под высоким давлением способен сопротивляться деформациям. Длительный контакт с открытым огнем спокойно им переносится.
Оксид алюминия является главным веществом, которое входит в огнеупорную смесь. Он обеспечивает кирпичу устойчивость к агрессивным средам и высокую прочность при механических воздействиях.
Материал делят на 8 групп по показателям пустотности. Максимальное значение — 85%, минимальное — 3%. Чем меньше удельный вес изделия, тем ниже прочностные характеристики.
Изготовленный в соответствии с государственными стандартами стройматериал обладают следующими показателями:
- 7% — водопоглощение;
- высокая устойчивость к кислотам и щелочам;
- 3,7 кг — средний вес;
- 1350°С — рабочая температура, 1750° — максимальная;
- 15-23 Н/мм2 — значение прочности на сжатие;
- 0,84-1,28 Вт/м*0С — коэффициент теплопроводности.
Силикатный
Материал получают под давлением 12 атм. и температуре 200°С автоклавным методом. В его состав входят, кроме модифицирующих добавок, извести, кварцевый песок в соотношении 1 к 9.
Стойкие к щелочи пигменты, которые добавляют в сырье на этапе прессования, помогают сделать цветные варианты изделий.
ГОСТ379-95, 379-2015 определяют требования к силикатному кирпичу. 15-31% составляет показатель пустотности. Вес изделий — от 3,2 до 5,8 кг.
Характеристики плотности:
- 1450 кг/м3 — для пустотелого кирпича марки М150;
- 1700-2100 кг/м3 — для полнотелого М150-200.
Теплопроводность пустотелых силикатных изделий составляет 0,56-0,81 Вт/м*0С, и 0,65-0,88 — для полнотелых.
Какая теплопроводность изделий
Для анализа теплопроводности изделий из кирпича принимается во внимание закон Фурье. Разница температур оказывает влияние на показатели, которые определяет тепловой поток.
Применяемые для отделки фасадов силикатные кирпичи имеют тепловые параметры ниже керамических. Поэтому изделия из силикатных материалов более теплые при одинаковых размерах конструкций.
Изделия из красного пустотелого керамического кирпича имеют коэффициент теплопроводности 0,56.
На показатели готовых зданий сооружений и влияет качество кладки. Важно, чтобы применяемые кладочные растворы были нежирными. Плотность слоя должна быть не больше 1800кг/м3 и минимальной толщины.
Теплотехнические расчеты и требуемая несущая способность определяют то, какая толщина несущей стены будет в здании. Чтобы удовлетворять современным требованиям при реконструкции домов, построенных в советское время, толщину их стен нужно сделать около 1 м. Это не может быть рентабельным, поэтому используют различные системы утепления.
Если утепляющая часть стены и сочетается с каменной, конструкция получается слоистой, то такую укладку называют эффективной. Ее часто применяют в малоэтажном строительстве, для увеличения полезной площади помещений и снижения затрат на материалы.
Что влияет на показатели
Теплопроводность стройматериала — способность сквозь свою толщину передавать тепло и стационарные внутренние процессы, происходящие внутри него при этом. Тесный контакт является обязательным условием для передачи теплоты от 1 объекта к другому, поэтому в чистом виде теплопроводность имеют только твердые тела.
На показатель λ оказывает влияние:
- влажность;
- температура;
- пористость;
- формы и структура пор;
- фазовый состав влаги;
- плотность.
Сильно снижает теплопроводность наличие замкнутых и мелких пор. Снижают эффективную теплоизоляцию конвективные потоки воздуха, которые возникают в сообщающихся между собой крупных порах. Ориентация, размер и форма пор важны для теплопередачи.
Входящие в состав материала вещества своей химической природой определяют способность удерживать тепловую энергию. Величина λ тем меньше, чем слабее связаны между собой образующие кристаллическую решетку вещества атомные группы или тяжелые атомы.
Работая с кирпичом, необходимо знать характеристики материала, от которых зависит комфортабельность и надежность постройки. Оригинальные брендовые изделия отличаются высоким качеством, а их параметры полностью отвечают требованиям ГОСТ. Заказывая керамический кирпич от производителя, Вы получаете образцовый строительный материал. Он изготавливается на современном оборудовании из лучшего сырья, поэтому прослужит заявленный ресурс.
Одним из основных параметров, которые учитывают при покупке искусственного камня, является теплопроводность. Она отличается в зависимости от плотности и сырья, из которого изготовлено изделие. В этой статье мы подробно поговорим о теплопроводности и выясним, для чего нужно знать особенности этого критерия.
Что такое теплопроводность кирпича и для чего ее рассчитывают?
Теплопроводность, это способность материала проводить тепло от более нагретой зоны в более холодную. Фактически, при отоплении дома не холод проникает в помещение, а просто настывают стены, на прогрев которых тратится тепловая энергия. Усугубляет данную ситуацию сильный ветер, из-за которого также нахолаживается кирпич.
Материалы с высокой теплопроводностью быстро настывают, у них довольно высокие теплопотери. Чтобы протопить такое помещение, потребуется довольно мощное оборудование. Летом стены также будут сильнее нагреваться, из-за чего в доме будет довольно жарко. Решить этот вопрос можно утеплением, либо использованием более качественного материала.
Коэффициент теплопроводности цельного и пустотелого керамического кирпича
Этот параметр важно учитывать и он должен обязательно отвечать требованиям ГОСТ. Данными стандартами руководствуются при составлении проектной документации, в которой и учитывают при расчете характеристики конструкции зданий. Теплопроводность нужно знать для подбора отопительного оборудования, а также для принятия решения о дополнительном утеплении здания. При необходимости возможна укладка стены в два кирпича.
Этот коэффициент согласно требованиям ГОСТ составляет:
- У полнотелого керамического камня – 0,6-0,8 ВТ/м*К. Он более массивный, его плотность равна 1700-1900 кг/м3.
- У керамического кирпича с пустотами – 0,34-0,47 ВТ/м*К. Этот материал более легкий, его плотность составляет 1100-1400 кг/м3.
Из обзора видно, что материал с ячейками обладает более низкой теплопроводностью, которая отличается практически вдвое. Он существенно легче, что снижает нагрузку на фундамент и упрощает его укладку. Однако керамический кирпич с пустотами уступает полнотелому по прочности, в связи с чем часто используется для многоэтажного строительства.
Чем объясняется разница?
Как известно, воздух – плохой проводник тепла, поэтому у кирпича с пустотами коэффициент ниже. Такой материал медленнее настывает, постройка из него получается довольно теплой. Воздушная подушка обеспечивает защиту от холода даже в условиях холодного климата. Перед строительством внимательно рассчитываются все особенности конструкции, а теплопроводностью руководствуются для того, чтобы определиться с толщиной стен.
Ячейки у пустотелого камня могут быть различной формы, этот критерий указывается в описании. Заказывая продукцию от производителя, Вы получаете изделие высокого качества, которое отвечает всем требованиям ГОСТ. Характеристики нашего материала, в том числе и теплопроводность – полностью соответствуют заявленным критериям.
Другие статьи
Современный строительный рынок все чаще пополняют новые материалы, восхищающие потребителя качественным исполнением, улучшенными свойствами, обновленными возможностями. Их преимущества над традиционными бесспорны за счет преобладания сразу нескольких характеристик по многим значимым параметрам.
При появлении новых технологий в строительной индустрии не стоит забывать и хорошо проверенные временем стройматериалы. К примеру, кирпичные материалы во все времена относились к востребованным, и никакие факторы не могут повлиять на уровень их популярности. Из них возведено большинство построек, так как они обладают способностью к противостоянию разным климатическим условиям.
С давних времен до сегодняшнего дня эта строительная продукция выдерживает весомые нагрузки, проходит долгое испытание временем. Прочность, долговечность, экологические свойства, водостойкость, морозоустойчивость, звуко- и теплоизоляционные характеристики относят его к ряду лучших стройматериалов.
Что такое теплопроводность?
Керамические изделия используют при возведении несущих стен, перегородок между комнатами, облицовочные – дают возможность придать дому и прилегающему к нему забору аккуратный и достойный вид, презентабельность, создают неповторимый стиль, а также увеличивают тепло в доме. При выборе стройматериала для постройки перекрытий, стен и полов именно такие факторы являются самыми важными.
На вопрос: «Каким же образом определить величину тепловой характеристики?», отвечают эксперты с богатым и длительным опытом работы. Они авторитетно настаивают на том, что многочисленные виды кирпичной кладки детально исследовались в лабораторных условиях. В соответствии с полученными данными выставлен определенный коэффициент теплопроводности кирпича.
Показатели указывают на различные температуры, поскольку тепловая энергия имеет способность постепенного перехода из горячего состояния в холодное. При довольно высокой температуре этот процесс можно увидеть открыто. Высокоинтенсивная передача тепла обусловлена градациями в температуре.
Закон Фурье вкратце
Величина степени переноса теплоты обозначается специальным коэффициентом (КТ) – λ, а тепловая энергия измеряется в Вт. Последняя уменьшает свой уровень при прохождении расстояния в 1 мм с различием температуры на 1 градус. В итоге меньшая потеря энергии выгоднее, а стройматериал с небольшим КТ относится к более теплому.
Теплопроводный параметр большой мерой обусловлен плотностью, при уменьшении ее уровня понижается и тепловой показатель. То есть плотные тяжелые экземпляры обладают повышенным значением Т, а более легкий вес и меньшая прочность указывает на небольшую Т. Для повышения Т влияют на состав материала, его плотность, соблюдение методики изготовления, влаговместимость.
Показатели теплопроводности разных видов кирпичей
Теплопроводность пустотелого кирпича — 0,3-0,4 Вт/м*К, то есть потеря тепла выше практически вдвое. Вследствие этого такие постройки требуют дополнительного утепления.
У кирпича облицовочного величина данной характеристики зависит от вида, ведь он подразделяется на керамический, силикатный, гиперпрессованный и клинкерный. Наиболее высокий уровень Т у клинкерного, а низкий – у керамического. Силикатный намного холоднее керамического, а наиболее популярный в этом плане – гиперпрессованный. Чем плотнее и прочнее стройматериал, тем выше уровень его Т.
Красный кирпич имеет теплопроводность, зависящую от технологии его производства. Благодаря достаточной плотности и пустотности от 40% до 50% Т составляет 0,2 – 0,3 Вт/м*К. При такой величине толщина стен может быть значительно меньшей, чем в постройке с силикатным.
Уровень тепловой характеристики у шамотного кирпича является очень важной их всех остальных показателей. Наиболее важно учитывать этот фактор при возведении печей, а также каминов. Свойство быстро отдавать тепло просто незаменимо при желании иметь у себя дома такие виды обогрева.
Как известно, степень передачи тепловой энергии формируют такие различные качественные свойства: вес, объем, влажность, пористость, плотность, влажность, виды добавок. Большое количество пор, содержащих воздух, создает низкий уровень проведения тепла. Для обеспечения тепла в жилище следует выбирать стройматериалы с низким значением КТ, поскольку он непосредственно влияет на выбор технологии утепления стен и отопительной системы.
Итак, каждый вид кирпича имеет свой коэффициент теплопроводности (КТ), измеряющийся в Вт/м°С или в Вт/м*К. Для силикатного, керамического, полнотелого и пустотелого данные указаны выше. Облицовочный (лицевой) керамический имеет достаточно низкий уровень – 0.3 – 0.5, а гиперпрессованный, наоборот, – 1.1. Красный пустотелый — лишь 0.3 — 0.5,«сверхэффективный» – от 0.25 до 0.26, полнотелый – от 0.6 до 0.7, глиняный — 0.56.
Кирпичные изделия от разных производителей имеет отличия физических характеристик. Поэтому строительные работы должны вестись с учетом значений указанных коэффициентов, обозначенных в документации от завода-изготовителя. Перед началом работ следует изучить всю сопутствующую информацию, выслушать рекомендации опытных строителей-специалистов и только потом подготовлено начать задуманное строительство.
Теплопроводность кирпича – это способность проводить тепло через толщу материала при наличии разности температур на противоположных поверхностях выравнивая температуру материала. Если обе поверхности кирпичной стены имеют одинаковые температуры, то они находятся в тепловом равновесии, и какой-либо теплообмен между ними не происходит. При наличии же разности температур происходит передача тепла из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой до тех пор, пока не установится тепловое равновесие (рис. 1).
Происходит такой теплообмен, когда молекулы приводятся в возбужденное состояние тепловой энергией, поступающей от источника с одной из сторон материала. Эти молекулы передают энергию (тепло) холодной стороне материала. Поэтому теплопроводность осуществляется в условиях тесного соприкосновения между отдельными мельчайшими частицами материала (атомами, ионами, электронами, молекулами) и неравенства температур в отдельных точках, т.е. между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразного вещества. Однако в чистом виде теплопроводность встречается, как правило, только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.
Хорошим проводником тепла является металл, средним — дерево и плохим — воздух. Если при строительстве кирпичных зданий применять материалы, то теплопроводность увеличится и потери тепла, а следовательно расходуемая энергия будут велики.
Рис. 1. Схема передачи тепла при разности температур
Теплопроводность кирпича характеризуется коэффициентом теплопроводности. Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем меньше потери тепла при одной и той же толщине материала и одинаковых климатических условиях.
Коэффициент теплопроводности кирпича зависит от многих факторов, в т.ч. от атомно-молекулярного строения вещества, но во всех случаях он во много раз превышает теплопроводность воздуха. В целом, условный ряд веществ по мере возрастания их теплопроводности Вт/(м•К) можно представить в следующем виде:
- газы [в пределах значений от 0,02 до 0,6 (воздух – 0,024)];
- полимеры (полистирол – 0,084; полиэтилен – 0,34);
- жидкости [в пределах от 0,07 до 0,7 (вода – 0,58; лёд – 2,32)];
- стекла (силикатное – 0,75);
- кристаллы (кварц – 7…8, корунд – 30, графит – 180);
- металлы (железо – 73,2; алюминий – 230; серебро – 425), т.е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз ниже, чем у серебра. Самая высокая теплопроводность у графена (разновидность, модификации углерода) – 3…5 тыс.
Теплопроводность кирпича и блоков уменьшается с увеличением их пористости. У пористых материалов тепловой поток проходит через их массу и поры, наполненные воздухом. Следовательно, теплопроводность пористых материалов имеет промежуточное значение между значениями теплопроводности их веществ и воздуха. Чем больше пористость, тем ниже теплопроводность и наоборот. Например, теплопроводность тяжёлого бетона – 1,2…1,5; лёгкого бетона на пористых заполнителях – 0,3…0,7; пено- и газобетона – 0,2…0,4; древесины – 0,16…0.30; пенопласта – 0,04…0,06 Вт/(м•К). Однако при прочих равных условиях наименьшей теплопроводностью будет обладать материал, поры у которого мелкие, равномерно распределённые по всему объёму и замкнутые. Вместе с тем наличие открытых пор в гидрофильных материалах приводит к повышению теплопроводности. Так как средняя плотность материала, так же как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности. Не стоит также забывать, что пористость снижает прочность изделий, именно поэтому станки для кирпича и плитки имеют высокие усилия прессования с целью получения плотного облицовочного кирпича.
С увеличением влажности кирпича его теплопроводность увеличивается, потому что при увлажнении происходит вытеснение сухого воздуха из пор материала и замещение его водой или влажным воздухом, теплопроводность которых значительно выше. Наглядно это можно проследить на примере материала, поры у которого могут быть заполнены воздухом, водой или льдом: теплопроводность воздуха – 0,024, воды – 0,58, а льда – 2,32 Вт/(м•К). Во втором случае теплопроводность увеличивается в 25 раз, а в третьем – в 100 раз. Либо на примере керамического полнотелого кирпича в сухом, в условиях равновесной влажности и во влажном состоянии. Теплопроводность такого кирпича соответственно будет составлять – 0,56; 0,7 и 0,81 Вт/(м•К).
Знать теплопроводность необходимо при теплотехнических расчётах стен, перекрытий, тепловой изоляции трубопроводов. Чем меньше теплопроводность материала, тем меньше толщина ограждения, а, следовательно, меньше затрачивается материала на единицу его площади. Теплопроводность является также определяющей характеристикой качества теплоизоляционных материалов, у которых теплопроводность должна быть не более 0,175 Вт/(м•К). В большинстве случаев коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов определяется опытным путем (рис. 2) [СТБ 1618, СТБ EN 12667 12 939, ГОСТ 7076].
Рис. 2. Мобильные измерители теплопроводности
В справочно-технической литературе величина теплопроводности кирпича приводится обычно в сухом состоянии при температуре и влажности в соответствии с нормативными документами и служит сравнительной характеристикой при оценке теплозащитных свойств различных материалов. Причем, согласно требованиям европейских стандартов использование показателя теплопроводности предполагается с обеспеченностью 90/90 (90%-ный доверительный интервал с уровнем вероятности 90%). Это означает, что заявленное значение показателя теплопроводности изделий теплоизоляции зданий принимается из условия, что 90 % результатов измерений этого показателя находятся в пределах 90 % от его заявленного значения (СТБ EN 12667, 12939 и 6946). Кроме того, в ряде случаев теплопроводность определяется не в Вт/(м•К), а для упрощения восприятия в мили Вт/(м•К). Например, индекс 37 на упаковке или сопроводительном документе на материал показывает, что теплопроводность составляет 0,037 Вт/(м•К), а 40 – соответственно 0,040 Вт/(м•К).
Поскольку абсолютное большинство теплоизоляционных материалов и изделий имеют пористое либо комбинированное строение, что не позволяет рассматривать их структуру как сплошную среду, то в практических условиях (в конструкциях зданий и сооружений) процесс передачи теплоты от теплой среды к холодной через разделяющее их ограждение происходит всеми видами теплообмена: на поверхностях имеет место конвективный и лучистый теплообмен, а в материальных слоях – теплопроводность. Такой сложный процесс называется теплопередачей. Следовательно, коэффициент теплопроводности пористых и комбинированных материалов – величина условная и характеризует перенос теплоты как теплопроводностью, так конвекцией и тепловым излучением через заполненные газом поры, пустоты и полости в материалах и конструкциях (например, в стеклопакетах) (рис. 3).
Рис. 3. Теплопередача через конструкцию стеклопакета
Конвекция характерна для газообразных и жидких веществ, т.е. «подвижных систем», где перенос тепла происходит в результате движения молекул и перемещения более нагретых частей среды вверх и опускания более холодных. Это вызвано тем, что повышение температуры воздуха (газа) при нагревании ведет к уменьшению его плотности и соответственно перемещению вверх, а охлажденный воздух занимает освободившееся пространство в нижней части среды.
Тепловое излучение или лучистый теплообмен представляет собой процесс передачи тепла с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту, т.е. передача тепловой энергии электромагнитными волнами. Например, излучаемая энергия Солнца, нагревает атмосферу и поверхность земли или нагретая поверхность радиатора излучает тепло и обогревает помещение. Лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, в данном случае является воздух.
Термическое сопротивление, сопротивление теплопередаче является величиной обратной теплопроводности и характеризует способность материала или конструкции (например, наружной стеновой панели) препятствовать распространению теплового потока или теплового движения молекул, т.е. характеризует теплозащитные свойства материала или конструкции (СТБ ЕН ИСО 10456, СТБ ИСО 5946 и СТБ ЕН 13162). Определяется термическое сопротивление отношением толщины слоя ограждения к теплопроводности материала.
Термическое сопротивление — величина нормируемая в каждом регионе (в зависимости от температурной зоны эксплуатации) и характеризует все типы ограждающих конструкций с точки зрения их теплозащитных свойств. В настоящее время в Республике Беларусь термическое сопротивление принято: для наружных стен 3,2 (м2•К)/Вт, совмещённых покрытий и чердачных перекрытий — 6,0 (м2•К)/Вт, световых проёмов – 1,0 (м2•К)/Вт. Для сравнения нормативные сопротивления теплопередаче для стен жилых зданий в Финляндии – 5,88, Норвегии, Швеции и Великобритании – 5,56, Германии – 3,57 и Бельгии – 2,0 (м2•К)/Вт.
От нормативного значения термического сопротивления зависит толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий. Чем выше этот показатель, тем лучше ограждение по характеристикам сохранения тепловой энергии, т.е. тем лучше его теплозащитные свойства.
По СТБ ЕН ИСО 7345 термическое сопротивление является расчетным значением, определяемым разностью температур на противоположных поверхностях, к плотности теплового потока, проходящего через слой материала в стационарных условиях.
Теплоёмкость (С) – свойство материала поглощать и аккумулировать тепло при нагревании (Дж/К). Оценивается удельной теплоёмкостью или коэффициентом теплоёмкости в Дж/(кг•К), т.е. это количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 К (ГОСТ 23250, СТБ EN ISO 7345 и 10456). Например, если вода имеет удельную теплоемкость 4,19 кДж/(кг•К), то для повышения температуры 1 кг воды на 1°К требуется 4,19 кДж.
Теплоёмкость зависит от химического состава, строения материалов, их температуры и влажности. У подавляющего большинства материалов теплоёмкость находится в пределах 0,1…2,0 кДж/(кг•К): сталь – 0,48, гранит – 0,65, кирпич и оконное стекло – 0,84, бетон – 1,13, пенополистирол – 1,34, древесина – 1,38 кДж/(кг•К). Таким образом, органические материалы имеют большие значения удельной теплоёмкости, чем неорганические. Наибольшей же теплоёмкостью обладает вода – 4,19 кДж/(кг•К). Только водород (14,3) и аммиак (35,6) обладают большей удельной теплоёмкостью, чем вода. Поэтому с увлажнением материалов их теплоёмкость возрастает, но при этом возрастает и теплопроводность.
Материалы, обладающие высокой теплоёмкостью способны выделять больше тепла при последующем их охлаждении. Как видно из примера, деревянные конструкции способны в несколько раз больше аккумулировать тепла, чем каменные, и поэтому могут постепенно отдавать это тепло, например, внутрь помещений. Учитывается теплоемкость при расчёте теплоустойчивости ограждающих конструкций, затрат на топливо и энергию при обогреве материалов и конструкций, подогреве составляющих бетона и раствора при зимних работах, а также при расчете нагревательных и термических печей.
Тепловое расширение (сжатие) – способность материалов изменять в процессе нагревания или охлаждения свои размеры и форму при постоянном давлении – расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния и объем материала увеличивается. Зависит тепловое расширение от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости материала. Характеристиками теплового расширения являются коэффициенты линейного или объёмного расширения. В строительстве чаще всего используют коэффициент линейного теплового (температурного) расширения (КЛТР).
Коэффициент линейного теплового расширения характеризует изменение линейного размера (длины) при изменении температуры на один градус, т.е. это относительное приращение длины образца, вызванное повышением его температуры на один градус [ГОСТ 32618.2 (ISO 11359-2)]. С повышением температуры коэффициент линейного расширения возрастает. Значения коэффициентов линейного теплового расширения некоторых строительных материалов в интервале температур 15…200°С приведены ниже, размерность КЛТР (10-6К-1):
- Бетон ≈ 14;
- Стекло оконное 9;
- Сталь 12;
- Медь 17;
- Алюминий 23;
- Древесина вдоль волокон 6;
- Древесина поперек волокон 30;
- Стеклянное волокно 5;
- Стеклопластик 5;
- Полиэтилен 160…230;
- Поливинилхлориид (PVC) 80…90;
- Полиэфирные смолы 80…200;
- Полиэстер 123;
- Эпоксидные компаунды 32…60.
В практических условиях нагрев или охлаждение материалов приводит к возникновению достаточно больших термоупругих напряжений, способных разрушить материал или конструкцию. Поэтому тепловое расширение, например, металлов необходимо учитывать при ковке, горячей объёмной штамповке, сварке изделий, прокладке трубопроводов и рельсов железнодорожных путей, соединении мостовых ферм и других металлических конструкций. Чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясь невредимыми, делают специальные устройства – компенсаторы, которые и воспринимают удлинение трубопроводов при их тепловом расширении, на мостах устанавливают подвижные опоры. У зданий и сооружений большой протяжённости из других материалов предусматривают термические швы. Вместе с тем примерно одинаковые коэффициенты теплового расширения бетона и стали позволили создать и обеспечить совместную работу такого материала как «железобетон».
Например, при изменении температуры от -20 до +30°С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, при этом настолько же уменьшается ширина шва между панелями.
По данным различных испытаний теплопроводность сухих силикатных кирпичей и камней колеблется от 0,35 до 0,7 Вт/(м•°С) и находится в линейной зависимости от их средней плотности, и практически не зависит от числа и расположения пустот, что отвечает также DIN 4108 для силикатного кирпича при эксплуатационной влажности (рис. 4).
Испытания в климатической камере фрагментов стен, выложенных из силикатных кирпичей и камней различной пустотности, показали, что теплопроводность стен зависит только от плотности последних. Теплоэффективные стены получаются лишь при использовании многопустотных силикатных кирпичей и камней плотностью не выше 1450 кг/м3 и аккуратном ведении кладки (тонкий слой нежирного раствора плотностью не более 1800 кг/м3, не заполняющего пустоты в кирпиче).
Рис. 4. Теплопроводность силикатного кирпича и кладки из него: 1 — кирпича при W=0%; 2 — кирпича при W=5% по DIN 4108; 3 — кладка стен толщиной в два кирпича
Рассмотрена теплопроводность кирпича различных видов (силикатного, керамического, облицовочного, огнеупорного). Выполнено сравнение кирпича по теплопроводности, представлены коэффициенты теплопроводности огнеупорного кирпича при различной температуре — от 20 до 1700°С.
Теплопроводность кирпича существенно зависит от его плотности и конфигурации пустот. Кирпичи с меньшей плотностью имеют теплопроводность ниже, чем с высокой. Например, пеношамотный, диатомитовый и изоляционный кирпичи с плотностью 500…600 кг/м3 обладают низким значением коэффициента теплопроводности, который находится в диапазоне 0,1…0,14 Вт/(м·град).
Кирпич в зависимости от состава можно разделить на два основных типа: керамический (или красный) и силикатный (или белый). Значение коэффициента теплопроводности кирпича указанных типов может существенно отличатся.
Керамический кирпич. Производится из высококачественной красной глины, составляющей около 85-95% его состава, а также других компонентов. Такой кирпич изготавливают путем формовки, сушки и обжига, при температуре около 1000 градусов Цельсия. Теплопроводность керамического кирпича различной плотности составляет величину 0,4…0,9 Вт/(м·град).
По сфере применения керамический кирпич подразделяется на рядовой строительный, огнеупорный и лицевой облицовочный. Лицевой декоративный (облицовочный) кирпич имеет ровную поверхность и однородный цвет и применяется для облицовки зданий снаружи. Теплопроводность облицовочного кирпича равна 0,37…0,93 Вт/(м·град).
Силикатный кирпич. Изготавливается из очищенного песка и отличается от керамического составом, цветом и теплопроводностью. Теплопроводность силикатного кирпича немного выше и находится в интервале от 0,4 до 1,3 Вт/(м·град).
| Кирпич | Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м·град) |
|---|---|---|
| Пеношамотный | 600 | 0,1 |
| Диатомитовый | 550 | 0,12 |
| Изоляционный | 500 | 0,14 |
| Кремнеземный | — | 0,15 |
| Трепельный | 700…1300 | 0,27 |
| Облицовочный | 1200…1800 | 0,37…0,93 |
| Силикатный щелевой | — | 0,4 |
| Керамический красный пористый | 1500 | 0,44 |
| Керамический пустотелый | — | 0,44…0,47 |
| Силикатный | 1000…2200 | 0,5…1,3 |
| Шлаковый | 1100…1400 | 0,6 |
| Керамический красный плотный | 1400…2600 | 0,67…0,8 |
| Силикатный с тех. пустотами | — | 0,7 |
| Клинкерный полнотелый | 1800…2200 | 0,8…1,6 |
| Шамотный | 1850 | 0,85 |
| Динасовый | 1900…2200 | 0,9…0,94 |
| Хромитовый | 3000…4200 | 1,21…1,29 |
| Хромомагнезитовый | 2750…2850 | 1,95 |
| Термостойкий хромомагнезитовый | 2700…3800 | 4,1 |
| Магнезитовый | 2600…3200 | 4,7…5,1 |
| Карборундовый | 1000…1300 | 11…18 |
Теплопроводность кирпича также зависит от его структуры и формы:
- Пустотелый кирпич — выполнен с пустотами, сквозными или глухими и имеет меньшую теплопроводность в сравнении с полнотелым изделием. Теплопроводность пустотелого кирпича составляет от 0,4 до 0,7 Вт/(м·град).
- Полнотелый — используется, как правило, при основном строительстве несущих стен и конструкций и имеет большую плотность. Полнотелый силикатный и керамический кирпич в 1,5-2 раза лучше проводит тепло, чем пустотелый.
Печной или огнеупорный кирпич. Изготавливается для эксплуатации в агрессивной среде, применяется для кладки печей, каминов или теплоизоляции помещений, которые находятся под воздействием высоких температур. Огнеупорный кирпич обладает хорошей жаростойкостью и может применяться при температуре до 1700°С.
Теплопроводность огнеупорного кирпича при высоких температурах увеличивается и может достигать значения 6,5…7,5 Вт/(м·град). Более низкой теплопроводностью в сравнении с другими огнеупорами отличается пеношамотный и диатомитовый кирпич. Теплопроводность такого кирпича при максимальной температуре применения (850…1300°С) составляет всего 0,25…0,3 Вт/(м·град). Следует отметить, что теплопроводность шамотного кирпича, который традиционно применяется для кладки печей, — выше и равна 1,44 Вт/(м·град) при 1000°С.
| Кирпич | Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м·град) при температуре, °С | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 100 | 300 | 500 | 800 | 1000 | 1700 | ||
| Диатомитовый | 550 | 0,12 | 0,14 | 0,18 | 0,23 | 0,3 | — | — |
| Динасовый | 1900 | 0,91 | 0,97 | 1,11 | 1,25 | 1,46 | 1,6 | 2,1 |
| Магнезитовый | 2700 | 5,1 | 5,15 | 5,45 | 5,75 | 6,2 | 6,5 | 7,55 |
| Хромитовый | 3000 | 1,21 | 1,24 | 1,31 | 1,38 | 1,48 | 1,55 | 1,8 |
| Пеношамотный | 600 | 0,1 | 0,11 | 0,14 | 0,17 | 0,22 | 0,25 | — |
| Шамотный | 1850 | 0,85 | 0,9 | 1,02 | 1,14 | 1,32 | 1,44 | — |
Источники:
- Физические величины. Справочник. А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина и др.; под ред. И. С. Григорьева — М.: Энергоатомиздат, 1991 — 1232 с.
- В. Блази. Справочник проектировщика. Строительная физика. М.: Техносфера, 2004.
- Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с. строительной физики, 1969 — 142 с.
- Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977 — 344 с.
- Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
- Х. Уонг. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. М.: Атомиздат. 1979 — 212 с.
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник.