Теплопроводность различных строительных материалов

В начале годов физики научились получать вещества, состоящие из кристалликов нанометровых размеров (м. ). Нанокристаллические композиты позволяют получать материалы с заданными физическими свойствами. За ХХ век в мире произведено столько материалов, сколько за всё предшествующее тысячелетие. Научные исследования позволили существенно улучшить оптические, химические, тепловые и другие свойства уже известных материалов и создать тысячи новых, которых не знала природа.

Строительный бум в России ХХI века породил спрос на теплоизолирующие материалы и конструкции. Кроме того, с началом 2000 года в силу вступили новые требования к теплозащите ограждающих конструкции. Утепление зданий современными строительными материалами позволяет значительно снизить теплопотери. Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают малой теплопроводностью.

Передачей теплоты или теплообменом называется, переход внутренней энергии от одного тела к другому в результате теплового контакта (соприкосновения) без совершения работы

Теплопроводность — один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры тела.

Посредством этого вида теплообмена происходит передача теплоты через стенку дома в зимнее время. Так как температура внутри дома выше, чем вне его, наиболее интенсивное тепловое колебательное движение совершают частицы, образующие внутреннюю поверхность стенки. Сталкиваясь с частицами соседнего более холодного слоя, они передают им часть энергии, в результате чего движение частиц этого слоя, оставаясь колебательным, становится более интенсивным. Так от слоя к слою растет интенсивность колебаний частиц, а следовательно, и их внутренняя энергия. Таким образом, при теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомом, электронов), обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией.

С помощью теплопроводности теплота может передаваться в твердых, жидких и газообразных телах. Самой большой теплопроводностью обладают металлы. Это объясняется тем, что переносчиками внутренней энергии здесь, кроме молекул, являются свободные электроны. Хуже проводят тепло дерево, стекло, животные и растительные ткани; еще меньшую теплопроводность имеют жидкости

(за исключением жидких металлов, например ртути): и газы. Так, воздух в тысячи раз хуже проводит тепло, чем железо. Очень важно знание теплопроводности материалов, используемых при устройстве так называемых ограждающих конструкций зданий

(т. е. наружных стен, верхних перекрытий, полон в нижнем этаже) и в особенности теплоизоляционных материалов, предназначенных для сохранения тепла в помещениях и тепловых установках.

Регулирование теплообмена является одной из основных задач строительной техники. В холодное время года теплота теряется помещением в силу теплопроводности стен и просачивания через них воздуха, уходит вместе с нагретым воздухом через вентиляционные каналы и щели. Чтобы температура в жилых и производственных помещениях соответствовала нормальным условиям жизни и деятельности человека, необходимо уменьшить эти потери. С этой целью стены домов делают из материалов с малой теплопроводностью — естественных (дерева, камыша, различных видов торфа, пемзы, пробки) или искусственных (кирпича, бетона, пенопласта и др. ). Теплоизолирующие свойства этих материалов различны.

Широкое распространение в настоящее время получили каркасные здания, на постройку которых требуется гораздо меньше материалов, чем для здании других типов. Основу каркасного здания составляет металлический или железобетонный каркас, играющий в здании ту же роль, которую выполняет скелет в организме животных: воспринимает нагрузку. На каркасе укрепляют стены из теплоизолирующих пористых материалов. Поры таких материалов заполнены воздухом, поэтому они имеют сравнительно небольшой вес и плохо проводят тепло, так как теплопроводность воздуха очень мала, а конвекция воздуха в пористых материалах невозможна.

При изготовлении теплоизоляционных материалов в заготовленную массу вводят пузырьки воздуха. Для этого ее взбивают или добавляют специальную пену либо вещества, которые, вступая в химическую реакцию с заготовленной смесью, выделяют пузырьки газа. Некоторые пористые теплоизоляционные строительные материалы изготавливает термическим способом. Например, при производстве пеностекла стеклянный порошок смешивают с небольшим количеством размельченного известняка, засыпают в металлические формы и нагревают. При температуре 550—600 °С стеклянный порошок расплавляется, образуя сплошную массу. Когда температура достигает 750—780 °С, начинается разложение известняка, из которого выделяются газы. Вспучивай расплавленную массу, они придают ей пористость. После застывания образуется материал, сохраняющий все свойства обычного стекла: негорючесть, стойкость по отношению к влаге и кислотам и т. д. В то же время этот материал обладает новыми замечательными качествами: он прочен, легко поддается обработке-пилится, строгается, не трескается, когда в него забивают гвозди. Использование теплоизоляционных материалов и примышленном и гражданском строительстве не только удешевляет, но и увеличивает полезную площадь помещений, повышает их огнестойкость и звуконепроницаемость.

2. 2 Теплопередача в строительстве.

Кровля, стены и окна называются наружными ограждающими конструкциями здания из-за того, что они ограждают жилище от разного рода атмосферных воздействий пониженных температур, солнечной радиации, влаги, ветра. С образованием разности температур между внутренней и наружной поверхностями ограждения в материале ограждения зарождается тепловой поток, который направлен в сторону понижения температуры. В это время ограждение оказывает большее или меньшее сопротивление R0 тепловому потоку. Конструкции, имеющие большее тепловое сопротивление лучшей теплозащитой. Теплозащитные свойства стены будут зависеть от ее толщины и коэффициента теплопроводности материала, из которого она построена. В случае, если стена состоит из нескольких слоев (допустим, кирпич—утеплитель—кирпич), ее термическое сопротивление будет зависеть от толщины и коэффициента теплопроводности материала каждого из слоев. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций в большой степени зависят от влажности материала. Почти все строительные материалы содержат мельчайшие поры, которые в сухом состоянии заполняются воздухом. С повышением влажности поры заполняются влагой, коэффициент теплопроводности которой по сравнению с воздухом в 20 раз больше, а это приводит к резкому снижению теплоизоляционных характеристик, как материалов, так и конструкций. В связи с этим в процессе проектирования и строительства потребуется предусмотреть мероприятия, которые препятствовали бы увлажнению конструкций атмосферными осадками, грунтовыми водами и влагой, образующейся в результате конденсации водяных паров. В процессе эксплуатации домов из-за воздействия внутренней и наружной среды на ограждающие конструкции материалы находятся не в абсолютно сухом состоянии, а отличаются несколько повышенной влажностью. Это неизбежно приводит к увеличению коэффициента теплопроводности материалов, а также к снижению их теплоизолирующей способности. Именно поэтому при оценке теплозащитных характеристик конструкций важно использовать реальное значение коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации, а не в сухом состоянии. Влагосодержание теплого внутреннего воздуха выше, чем холодного наружного, и в результате диффузия водяных паров через толщу ограждения всегда проистекает из теплого помещения в холодное. Если с наружной стороны ограждения расположить плотный материал, который плохо пропускает водяные пары, то часть влаги, не имея возможности выйти наружу, начнет скапливаться в толще конструкции. А если у наружной поверхности располагается материал, не препятствующий диффузии водяных паров, то вся влага будет удаляться из ограждения достаточно свободно.

Еще на стадии проектирования дома необходимо учитывать тот факт, что однослойные стены толщиной 400-650 мм из кирпича, мелких блоков из ячеистого бетона (или керамзитобетона) или керамических камней обеспечивают относительно невысокий уровень теплозащиты (примерно в 3 раза меньше требуемой). Повышенными теплоизоляционными характеристиками, удовлетворяющими современные требования, обладают трехслойные ограждающие конструкции. Состоят они из внутренней и наружной стенок из кирпича или блоков, между которыми находится слой теплоизоляционного материала. Наружная и внутренняя стенки, соединенные гибкими связями в виде арматурных стержней или каркасов, уложенных в горизонтальные швы кладки, придают конструкции прочность, а внутренний (утепляющий) слой обеспечивает требуемые теплозащитные параметры. Толщину утепляющего слоя выбирают в зависимости от климатических условий и вида утеплителя. В связи с неоднородностью структуры трехслойной стены и применения материалов с различными теплозащитными и пароизоляционными характеристиками в толще конструкции может образовываться конденсат. Присутствие последнего в значительной степени снижает теплоизоляционные свойства ограждения. Из-за этого при возведении трехслойных стен необходимо предусмотреть их влагозащиту. Совсем недавно приняты новые нормативные документы по теплосбережению. Как раз поэтому теплоизоляция жилых зданий становится на сегодняшний день одной из важнейших проблем строительства. Особенно остро проблема теплоизоляции стоит в коттеджном и дачном строительстве, поскольку, правильно сделанная, она позволяет уменьшить расходы на отопление в 3, а то и в 4 раза.

На рисунке приведен пример распределения теплопотерь через различные конструктивные элементы дома площадью 120 м2

Если утеплить кирпичные стены дома пенополистиролом толщиной лишь в 80 мм, это позволяет снизить удельное потребление топлива более чем в 4 раза за отопительный сезон. Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают малой теплопроводностью.

2. 3 Классификация теплоизоляционных материалов.

Все теплоизоляционные материалы подразделяются на несколько крупных групп:

▪ минераловатные;

▪ стекловатные и стекловолокнистые;

▪ газонаполненные полимеры — пенопласты: полиуретановые и пенополиуретановые, полистирольные и пенополистирольные, полиэтиленовые, из феноловой пены, полиэфирные;

▪ теплоизоляция из натуральных материалов и продуктов их переработки: пробки, бумаги, торфяных блоков и т. п. ;

▪ теплоизоляция на основе синтетического каучука;

▪ теплоизоляция из отходов кремниевого производства;

▪ теплоизоляционные панели и конструкции;

▪ модифицированные бетоны: полистиролбетон, ячеистый бетон (пенобетон).

Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают достаточно высокими теплоизоляционными свойствами.

И все-таки значительно чаще возникает проблема теплоизоляции кирпичного коттеджа, который только еще строится, или уже давно построенного дома. Безусловно, наибольший интерес представляют высокоэффективные теплоизоляционные материалы. К ним обычно относят материалы со средней плотностью в пределаях 200 кг/м3 и Ктепл менее 0,06 ВтДм'К). Такого рода материалы достаточно быстро, за 5-10 лет эксплуатации, окупаются, позволяя экономить на энергозатратах.

Прежде всего к числу высокоэффективных относятся стекло- и минераловатные материалы, доля которых в производстве теплоизоляции на сегодняшний день составляет порядка 50%. Из основных достоинств стоит отметить пожаробезопасность, химическую стойкость, стабильность размеров, хорошие звукопоглощающие свойства и низкое влагопоглощение. Производство стекловолокна происходит при температуре, близкой к 1500 °С. Жидкое расплавленное стекло продавливается через пластины с отверстиями диаметром 4-5 микрон. В результате стеклянные волокна имеют толщину приблизительно 6 микрон — это в 20 раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Далее, чтобы скрепить их между собой, на них разбрызгиваются связующие вещества в виде аэрозоля. Из получившейся в результате стекловатной массы формуются изделия нужной толщины и плотности, которые затем подвергаются термической обработке. При температуре 250 °С происходит полимеризация связующих веществ, и материал жестким. В это же время на поверхность материала могут быть нанесены различные облицовочные материалы: крафт-бумага, нетканые материалы, алюминиевая фольга, стеклоткань и т. п. Выпускаются утеплительные материалы в виде рулонов и мягких, полужестких и жестких матов и плит, разных по плотности и размерам.

В последние несколько лет все большую популярность приобретают «каменные», а если быть более точным — базальтовые ваты. Такая вата представляет собой несгораемый экологически чистый материал, отличающийся высокими водоотталкивающими свойствами, но при этом паропроницаемый. Базальтовые материалы по своим теплоизоляционным свойствам значительно превосходят традиционные стекловаты, но, к сожалению, они дороже последних. Данные материалы относятся к группе несгораемых. Теплоизоляционные изделия из полимеров или бумаги сгорают при пожаре за 5 минут. Утеплители, выполненные из стекловаты при температуре 650 °С, которая достигается всего за 7 минут при обычном пожаре внутри помещения, расплавляются и спекаются в стеклянный шар. Что же касается минеральной ваты на базальтовой основе — она даже при температуре 1000 °С не расплавляется и не теряет первоначальной формы.

И базальтовые, и стеклянные утеплительные материалы безопасны как для производства, так и для использования при соблюдении рекомендуемой технологии работы.

Утеплительные материалы из базальта также выпускаются самых разных размеров и типов (рулоны, жесткие и мягкие, маты и плиты) для их более рационального и эффективного применения. Коэффициент их теплопроводности, в зависимости от плотности, колеблется от 0,034 до 0,042 Вт/(м*К). Совсем недавно появившаяся на российском рынке базальтовая теплоизоляция используется для утепления кровель, пола и стен, наполнения перегородок, обустройства мансард, выпускается в виде плит, профильных изделий и, конечно же, рулонов.

Газонаполненные полимеры является одним из самых эффективных видов теплоизоляции. Самый распространенный и широко используемый из них — это пенопласт (пенополистирол). Невысокая теплостойкость и горючесть пенопластов не являются помехой при использовании их в слоистых конструкциях в сочетании с кирпичом или бетоном. Пенополистирол либо производят беспрессовым методом.

2. 4 Теплоизоляционные свойства материалов.

Основной показатель теплоизоляционных свойств материала—коэффициент теплопроводности. Этот показатель в значительной степени зависит от содержания в нем влаги, каждый процент содержания которой снижает коэффициент на 4%. Помимо этого в зимнее время присутствующая в пенополистирольных плитах влага, замерзая и превращаясь в лед, со временем разделяет материал на отдельные гранулы, а это резко снижает долговечность беспрессового пенопласта. Беспрессованный пенопласт традиционно производят в России.

Этих недостатков лишен экструзионный пенополистирол. Обладая весьма низким водопоглощением (менее 0,3%) за счет замкнутой структуры ячеек и высокой механической прочностью, панели из экструзионного пенополистирола могут быть использованы для наружной теплоизоляции, для теплоизоляции подземных частей зданий, фундаментов, подвалов, стен, где использование большинства прочих утеплителей попросту невозможно из-за капиллярного подъема грунтовых вод.

Теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности меньше

0,06 Вт/(м-К) окупаются в среднем за 5-7 лет эксплуатации за счет экономии энергии.

Еще одна очень интересная группа — теплоизоляции, производимые из натуральных материалов и продуктов их переработки. Например, к таковым относятся теплоизоляционные материалы, которые изготавливаются из бумажных отходов с добавлением перлита, опилок и других связующих их наполнителей.

Ниже в таблице приведены коэффициенты теплопроводности строительных материалов.

Вид утеплителя Коэффициент теплопроводности,

Br/(M&Middot; К)

Полнотелый кирпич 0,7

Фиброцемент 0,55

Безавтоклавный пенобетон 0,45

Сухой песок 0,3

Твердые породы дерева 0,25

Теплоизоляционный ячеистый бетон 0,12

Битумный асфальт 0,1

Торфодревесные блоки 0,07

Керамика 0,07

Пробковый утеплитель 0,047

Эковата (бумага) 0,046

«Пеноизол» (пенопласт) 0,04

Базальтовая вата. 0,039

Стекловата 0. 038

Пенополиэтилен 0,035

Пенофольгированный утеплитель Low-E 0,027

Пенополистирол 0,027

Пенополиуретан 0,025

Воздух 0,022

Эти материалы пропитаны веществами для снижения влагопоглощения, антипиренами для придания материалу негорючести и антисептиками. Они обладают достаточно неплохими теплоизоляционными свойствами (Кт гл =0,078 Вт/(м-К) и вполне могут быть использованы для утепления наружных и внутренних стен, потолков. Материалы выпускаются в виде панелей или в виде эковаты.

Относительно новым теплоизолятором являются плиты и рулоны из прессованной пробки. Этот материал изготавливается из наружного слоя коры пробкового дуба, произрастающего в Средиземноморье. Изделия из прессованной пробки отличает эстетичный внешний вид, они экологически чисты и применяются для внутреннего утепления жилых помещений, чаще всего стен, в то же время, выполняя функцию декоративной отделки. Часто пробка используется и для утепления полов. Пробковые щиты также могут быть использованы и для утепления наружных стен или фасадов.

3. Практическая часть.

3. 1Материалы и методика исследования.

Исследования проводились в кабинете физики лицея при комнатной температуре (23 – 270С). Для проведения измерений был освоен и использован компьютерный измерительный блок с датчиком температур от до С. С этого датчика сигналы передавались на ноутбук. В результате на дисплее наблюдаются кривые роста температур. По оси абсцисс отображается время с точностью до тысячных долей. По оси ординат – отображается рост температуры, с такой же точностью. Эти кривые отражают процесс теплопроводности в исследуемых образцах.

В данной работе исследованы теплопроводящие свойства 12 различных материалов: алюминий, сталь, латунь, медь, древесина, кирпич, минеральная вата, пена монтажная, пенопласт, утеплитель, шифер, стекло оконное, стекло витринное. Крутизна полученных кривых характеризует теплопроводность материалов как отношение изменения температуры ко времени, за которое это изменение произошло. Для уменьшения потерь энергии при нагревании на открытую часть образцов надевались теплоизоляционные оболочки из пенопласта. Это позволило уменьшить погрешность измерений.

3. 2. Экспериментальная задача – получение кривых роста температур.

Алюминий

Асбестоцементный лист

Стекловата

Базальтовый утеплитель

Пенополистирол

Пенополиуреант

Древесина

3. 3 Результаты измерений скорости изменения температуры.

Анализируя полученные графики роста температуры, вычислили теплопроводность материалов как отношение изменения температуры ко времени, за которое это изменение произошло .

Таблица №1.

№ Материал Теплопроводность Теплопроводность

Экспериментальная С /с Табличная Вт/(м*К)

1. Медь 0,737 384

2. Алюминий 0,417 209

3. Бронза 0,157 52

4. Сталь 0,143 47

5. Асбестоцементный лист 0,139 0,8

6. Стекло 0,114 0,7

7. Кирпич 0,079 0,56

8. Дерево 0,055 0. 25

9. Пенополистирол 0,045 0. 04

10. Базальтовая плита 0,036 0,039

11. Стекловата 0,030 0,038

12. Пенополиуретан 0,010 0,025

Анализ графиков и результатов измерений показал - какими уникальными теплоизоляционными возможностями обладают современные материалы. Из таблицы следует, что минимальной теплопроводностью обладают: пенополистирол, базальтовые материалы, современная стекловата, а особенно пенополиуретан. (диаграмма).

3. 4 Количественная оценка отношения теплопроводящих свойств материалов.

Таблица №2

Материалы Экспериментальные данные Табличные данные

Медь и алюминий 1,87

Бронза и сталь 1,09 1,10

Асбестоцементный лист и стекло 1,21 1,14

В таблице представлена количественная оценка отношений теплопроводностей для нескольких материалов, полученных в ходе эксперимента и табличных данных. Сравнение этих отношений дает в среднем различие в 5%. Это позволяет судить о достоверности полученных результатов.

4. Заключение и выводы:

Освоив методику исследования теплопроводности с помощью компьютерного измерительного блока, получены кривые роста температуры для различных материалов.

Анализируя полученные данные, вычислены теплопроводность материалов как отношение изменения температуры ко времени, за которое это изменение произошло.

Изучив литературу по теме исследования и сравнив экспериментально полученные результаты с табличными значениями позволяет судить о малой погрешности измерений.

Полученные в ходе исследований результаты, показывают какими уникальными теплоизоляционными возможностями обладают современные материалы и приводят к выводу о необходимости информировать и даже пропагандировать среди населения современные строительные материалы. Тем более что на современном строительном рынке достаточно широко представлены высококачественные теплоизоляционные материалы из стекловолокна, базальтовые материалы. Эти утеплители экологически чистые и пожароустойчивые.

Такие материалы более дорогие и поэтому недостаточно широко используются в строительстве. В нашем городе эти материалы уже применяются при строительстве новых зданий, а также для утепления уже возведенных строений. Причем данные материалы применяются как на крупных строительных площадках, так и при строительстве частных домов.

Высокоэффективное использование в данных исследованиях компьютерного измерительного блока позволяет в перспективе применить его в других исследованиях с различными датчиками.