Теплофизические свойства строительных материалов

Теплофизические свойства. Отношение к тепловому воздействию определяет технологические и эксплуатационные показатели качества материалов.

Мера тепловой энергии, необходимая для повышения температуры материала на 1°С, называется теплоемкостью. Теплоемкость определяют экспериментально с помощью калориметров с использованием уравнения теплового баланса системы. Теплоемкость зависит от химического состава, строения материалов, их температуры и влажности. Удельная теплоемкость для стекла различных видов в интервале температур 15—100° С колеблется от 0,335 до 1,047 кДж/(кг-° С), природных и искусственных каменных материалов — от 0,754 до 0,921 кДж/(кгХ Х°С), для органических материалов она значительно выше, чем для неорганических.

При различии температур в материале происходит передача теплоты от более нагретых поверхностей к менее нагретым. Теплопроводность обусловлена колебательным движением частиц (керамика, природные камни, стекло) или движением электронов и столкновением их с атомами (металлы). Для минеральных кристаллических материалов теплопроводность уменьшается с повышением температуры, для аморфных материалов характерна обратная зависимость.

Мерой теплопроводности I является количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу поверхности материала при разности температур в ГС. Ее находят экспериментально, основываясь на уравнении:

где 0 — количество теплоты, Дж; И — площадь сечения, перпендикулярная направлению теплового потока, м2; т — время прохождения теплового потока; А/ — разность температур, °С; б — толщина материала, м.

Величина, обратная теплопроводности, называется термическим сопротивлением. Теплопроводность уменьшается по мере усложнения химического состава материалов, строения их пространственной решетки, перехода от кристаллического строения к аморфному, однако в наибольшей мере она чувствительна к изменению пористости.

Ниже приведены для сравнения значения теплопроводности некоторых материалов к, Вт/(м-°С), имеющих различную среднюю плотность оп. кг/м3:

	Ро	X
	.........    2600—2800	2,72
	.........         530	0,17
	.........        7860	58
Минеральная     вата	.........     200-400	0,06-0,9
	.........         1900	0,8
	1200	0.44

По мере увеличения пористости материалы насыщаются воздухом, имеющим наименьшую теплопроводность из известных веществ [0,023 Вт/(м-°С)]. Для материалов пониженной теплопроводности желательно мелкопористое строение, так как в этом случае практически незначителен перенос теплоты за счет конвекции, т. е. перемещения нагретого воздуха.

Теплопроводность — один из определяющих показателей качества теплоизоляционных материалов и материалов, применяемых для возведения стен и покрытий зданий.

Увеличение амплитуды колебаний при нагревании приводит к изменению межатомного расстояния и к тепловому расширению твердых тел. Для характеристики теплового расширения используют обычно температурный коэффициент линейного расширения, учитываемый при устройстве температурных швов, нанесении защитных покрытий, подборе составов композиционных материалов. Он характеризуется относительным удлинением образца при нагревании его на ГС. Температурный коэффициент линейного расширения органических полимерных материалов значительно больше, чем неорганических. Так, если для кварцевого стекла он равен 0,5-10~6, дюралюминиевого сплава 2,2-10~6, стали 12-10~6, то для поливинилхлорида (80—90) X ХЮЛ полиэтилена (160—230) • 10~~6 град"'.

С уменьшением коэффициента линейного расширения возрастает термостойкость — способность материала сохранять механические характеристики при одно- и многократных термических воздействиях. Термостойкость определяют обычно температурой, нагревание до которой при последующем быстром охлаждении резко понижает прочность материала. Термостойкость увеличивается с повышением теплопроводности и прочности, уменьшением модуля упругости, увеличением однородности материалов.

Свойство материала противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь, называется огнеупорностью. Огнеупорность характеризуют температурой, при которой образец в форме пирамиды деформируется и вершиной касается основания. К огнеупорным относятся материалы с огнеупорностью не менее 1580° С (динас, шамот, хромит, карборунд и др.).

При высоких температурах материалы могут разрушаться до начала плавления. Способность материалов противостоять химическому и механическому разрушению при высокой температуре называется жаростойкостью, а сохранять физико-механические свойства при воздействии огня в условиях пожара — огнестойкостью. Предел огнестойкости — продолжительность сопротивления воздействию огня до потери прочности. Предел огнестойкости, например, незащищенных металлических конструкций составляет 0,54, железобетона 1—2, бетона 2—5 ч. По степени пожарной опасности материалы делят на сгораемые, трудносгораемые и несгораемые. Примерами сгораемых являются многие органические материалы, а трудносгораемых — материалы органо-минерального происхождения (арболит, фибролит и др.). Для повышения огнестойкости применяют защитные вещества — антипирены (аммонийные соединения, борно- и фосфорнокислые соли, силикаты и др.).