От каких факторов зависят теплофизические свойства материалов

Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию.

Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Удельная теплоемкость с (кДж/(кг·°С)) характеризуется количеством тепла, кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1°С:

Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/(кг·°С)), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/(кг·°С), каменные 0,75…0,92 кДж/(кг·°С), сталь 0,48 кДж/(кг·°С), поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой при перепаде температур на противоположных поверхностях материала.

Теплопроводность оценивают коэффициентом теплопроводности λ (Вт/(м·°С)), который характеризуется количеством теплоты (Q), проходящим через материал площадью S=1 м2, толщиной a=1 м, в течении одной секунды (τ), при разности температур на противоположных поверхностях в Δt=1°С:

Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также температуры, при которой происходит передача тепла.

Рис. 1.22. Прибор ИТП-МГ4 для определения коэффициента теплопроводности

Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения.

В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, теплопроводность которого составляет 0,0232 Вт/(м·°С). Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95%) пористость. При одинаковой величине пористости, мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией.

Теплопроводность является функцией средней плотности строительного материала:

Приближенно коэффициент теплопроводности таких материалов как бетон, природный камень, полнотелый кирпич, можно определить по формуле В.П. Некрасова:

Теплопроводность некоторых строительных материалов: пенопласт – 0,03…0,05 Вт/(м·°С); минеральная вата – 0,06…0,09 Вт/(м·°С); древесина – 0,18…0,36 Вт/(м·°С); кирпич керамический полнотелый – 0,8…0,9 Вт/(м·°С); кирпич керамический пустотелый – 0,3…0,5 Вт/(м·°С); бетон тяжелый – 1,3…1,5 Вт/(м·°С); ячеистый бетон – 0,1…0,3 Вт/(м·°С); сталь – 58 Вт/(м·°С).

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, т.к. вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/(м·°С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м·°С), что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.

Сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление) – свойство строительной конструкции сопротивляться проникновению сквозь свою толщу теплового потока.

Условное приведенное сопротивление теплопередаче однородного фрагмента ограждающей конструкции:

αв=8,7 коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2×оС) (см. табл. 4 СП 50.13330.2012);

αн =23 коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2×оС) (см. табл. 6 СП 50.13330.2012);

δ i – толщина каждого слоя стены, м;

λi – коэффициент теплопроводности каждого слоя стены, Вт/(м×оС).

Расчет выполняется из условия:

Тепловое расширение – свойство материала изменять линейные размеры при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного температурного расширения:

Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР). Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580°С называют огнеупорными, от 1350°С до 1580°С – тугоплавкими, ниже 1350°С – легкоплавкими, до 1000°С – жаропрочными.

Показатели пожарной опасности строительных материалов нормируются в соответствии с Федеральным законом от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 13.07.2014 г.).

Пожарная опасность строительных материалов характеризуется следующими свойствами:

Горючесть – определяется экспериментально по показателям: температура дымовых газов; продолжительность самостоятельного горения; степень повреждения образца по длине и по массе (табл. 1.2):

· НГ – негорючие;

· Г1 – слабогорючие;

· Г2 – умеренногорючие;

· Г3 – нормальногорючие;

· Г4 – сильногорючие.

Материал относится к негорючим, если при стандартном испытании прирост температуры в установке не превышает 50°С, образец не воспламеняется в течение 10 с, а потеря массы образца не превышает 5%. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Если эти условия не выполняются, материал считают горючим и подвергают испытанию для определения группы горючести (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Группы горючести строительных материалов

Воспламеняемость(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):

· В1 – трудновоспламеняемые (>35);

· В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);

· В3 – легковоспламеняемые (<20).

Способность распространения пламени по поверхности(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):

· РП1 – нераспространяющие (>11);

· РП2 – слабораспространяющие (8…11);

· РП3 – умереннораспространяющие (5…8);

· РП 4 – сильнораспространяющие (<5).

Дымообразующая способность(определяется экспериментально по значению коэффициента дымообразования, характеризующего оптическую плотность дыма, образующегося при горении или тлении определенного количества материала в условиях специальных испытаний, м2/кг):

· Д1 – с малой дымообразующей способностью (<50);

· Д2 – с умеренной дымообразующей способностью (50…500);

· Д3 – с высокой дымообразующей способностью (>500).

Токсичность продуктов горения(определяется экспериментально по значению показателя токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных, г/м3):

Таблица 1.3

Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения

На основании приведенных показателей пожарной опасности строительных материалов устанавливается интегральный показатель – класс пожарной опасности строительного материала (таблица 1.4).

Таблица 1.4

Классы пожарной опасности строительных материалов

Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и пожарной опасности.

Огнестойкость – свойство строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре до наступления одного или нескольких предельных состояний.

Численной характеристикой огнестойкости является предел огнестойкости (мин, не менее):15; 30; 45; 60; 90; 120; 150; 180; 240; 360, который характеризует время с момента начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или нескольких предельных состояний:

R – по потере несущей способности (обрушение несущей конструкции);

E – по потере целостности конструкции (появление в ограждающей конструкции трещин, через которые дымовые газы могут проникнуть на пути эвакуации или в помещение, где находятся люди);

I – по потере теплоизолирующей способности (нагрев поверхности конструкции свыше установленных пределов).

По сути, предел огнестойкости характеризует время, доступное для безопасной эвакуации людей из здания в случае пожара.

Пожарная опасность строительной конструкции характеризует степень участия строительных конструкций в развитии пожара и их способность к образованию опасных факторов пожара (таблица 1.5):

· К0 – непожароопасные;

· К1 – малопожароопасные;

· К2 – умереннопожароопасные;

· К3 – пожароопасные.

Таблица 1.5

Классы пожарной опасности строительных конструкций