Способ определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона

Способ определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к строительству, а именно к способу определения теплофизических свойств строительных материалов, и может найти применение при проектировании конструкций из пенобетона.

Известен способ определения коэффициента эффективной теплопроводности сыпучих материалов, состоящий в том, что пространство между гранулами заливают жидким парафином, нагретым до температуры 55-60°С, после отвердевания полученной композиции определяют объемное содержание гранул и парафина, а затем находят коэффициент теплопроводности сыпучего материала по формуле:

где λ_м - коэффициент теплопроводности гранул сыпучего материала, Вт/(м·К);

λ_n - коэффициент теплопроводности парафина в твердом составе, Вт/(м·К);

λ_к - коэффициент теплопроводности композиции парафина и гранул сыпучего материала, Вт/(м·К);

V_м - объемное содержание гранул в композиции, доли единиц, определяемое из выражения:

где Р_Фк - масса формы с композицией, кг;

Р_Фз - масса формы, заполненной сыпучим материалом, кг;

γ_n - объемная масса парафина, определяемая заранее до заливки, кг/м³;

V_к - объем композиции, м³.

(Авт.св. СССР №1163233 МПК G01N 25/18, 1983).

Недостатком этого способа является его сложность и невозможность определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ (патент РФ №2295720 МПК G01N 25/18 заявл. 04.04.2005, опубл. 10.09.2006) определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в том, что на теплоизолируемую поверхность исследуемого образца воздействуют тепловым потоком, а именно тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования, в процессе которого регистрируют температуры в точке, расположенной на фиксированном расстоянии от линии воздействия на поверхности образца, определяют разности температур, по которым, используя градуировочные зависимости, определяют искомые характеристики.

Недостатком известного способа является сложность и невозможность определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона.

Задачей изобретения является упрощение способа определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона.

Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона, состоящем в том, что на поверхность исследуемого образца воздействуют тепловым потоком и измеряют перепад температур на поверхностях исследуемого образца, при этом для каждого из исследуемых образцов определяют процентное содержание основных химических элементов портландцемента SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, СаО, а в пенобетоне определяют объем пор V_в, и затем находят коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона по формуле:

λ_эф=((4,2·SiO₂-15,45·Al₂O₃-7,95·Fe₂O₃+1,06·CaO)/100)·(1-V_в)+(0,024+5,25·d)·V_в,

где λ_эф - коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона, Вт/(м·К);

SiO₂ - процентное содержание оксида кремния, %;

Al₂O₃ - процентное содержание оксида алюминия, %;

Fe₂О₃ - процентное содержание оксида железа, %;

СаО - процентное содержание оксида кальция, %;

V_в - доля объема пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, доли единиц;

d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом способе для каждого из исследуемых образцов определяют процентное содержание основных химических элементов портландцемента SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, СаО, а в пенобетоне определяют объем пор V_в и затем находят коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона по формуле:

λ_эф=((4,2·SiO₂-15,45·Al₂O₃-7,95·Fe₂O₃+1,06·СаО)/100)·(1-V_в)+(0,024+5,25·d)·V_в,

где λ_эф - коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона, Вт/(м·К);

SiO₂ - процентное содержание оксида кремния, %;

Al₂O₃ - процентное содержание оксида алюминия, %;

Fe₂O₃ - процентное содержание оксида железа, %;

СаО - процентное содержание оксида кальция, %;

V_в - доля объема пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, доли единиц;

d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого способа с другими техническими решениями показывает, что известен способ определения коэффициента эффективной теплопроводности сыпучих материалов, состоящий в том, что пространство между гранулами заливают жидким парафином, нагретым до температуры 55-60°С, после отвердевания полученной композиции определяют объемное содержание гранул и парафина, а затем находят коэффициент теплопроводности сыпучего материала по формуле:

где λ_м - коэффициент теплопроводности гранул сыпучего материала, Вт/(м·К);

λ_n - коэффициент теплопроводности парафина в твердом составе, Вт/(м·К);

λ_к - коэффициент теплопроводности композиции парафина и гранул сыпучего материала, Вт/(м·К);

V_м - объемное содержание гранул в композиции, доли единиц, определяемое из выражения:

где Р_Фк - масса формы с композицией, кг;

Р_Фз - масса формы, заполненной сыпучим материалом, кг;

γ_n - объемная масса парафина, определяемая заранее до заливки, кг/м³;

V_к - объем композиции, м³.

(Авт.св. СССР №1163233 МПК G01N 25/18, 1983).

Однако такой способ очень сложен и не позволяет определить коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона в зависимости от его химического состава, тогда как заявляемый способ обеспечивает новое свойство - позволяет находить коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона по формуле, определив для каждого из исследуемых образцов процентное содержание основных химических элементов портландцемента SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, а в пенобетоне определяют объем пор V_в. То есть способ позволяет прогнозировать теплопроводность изделий из пенобетона на стадии проектирования в зависимости от его химического состава. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

Пример осуществления изобретения.

На основании закона Фурье, справедливого для твердых тел, в которых перенос тепла осуществляется кондуктивной теплопроводностью, т.е. эффективной теплопроводностью, которая слагается из кондуктивной теплопроводности твердого скелета, образующего пористую структуру (портландцементный камень с пенообразователем), эквивалентного коэффициента теплопроводности воздуха в порах, находящегося в капиллярах или ячейках пор:

где λ_пцк - кондуктивная теплопроводность портландцементного камня, Вт/(м·К); λ_эк - эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в порах пенобетона, Вт/(м·К); V_в - доля объема пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, доли единиц.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в порах пенобетона определяется аналогично эквивалентному коэффициенту теплопроводности в воздушной прослойке, т.е. кондуктивной теплопроводностью (λ_к) воздуха в порах и радиационной теплопроводностью (λ_р):

Кондуктивная теплопроводность неподвижного воздуха в закрытых порах при температуре 20°С, λ_к=0,024 Вт/(м·К), радиационная теплопроводность воздуха в порах определяется по формуле:

где d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м; α_л - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К), определяется из выражения:

где ε - приведенная степень черноты системы тел, для пенобетона ε=0,91; С₀=5,77 Вт/(м²·К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; - температурный коэффициент, принимаемый по номограмме зависимости θ=f(t₁, t₂), для температур от 0°С до 50°С температурный коэффициент θ=0,82÷1,38.

Из соотношений (2-4) эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в порах пенобетона различного диаметра определяется по формуле:

где d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м.

Для определения эффективной теплопроводности пенобетона, в начале определяли теплопроводность портландцементного камня (λ_пцк) (без учета содержания в нем пор), создающего несущий скелет пенобетона. Для этого испытания проводились на портландцементе с разным химическим составом (табл.1). Процентное содержание основных химических элементов портландцемента SiO₂, Al₂О₃, Fe₂О₃, СаО предоставлено заводом для каждой партии цемента.

Таблица 1Химический состав портландцемента
Цемент	П.п.п. (потери при прокаливании)	SiO2	Al2О3	Fe2O3	СаО	Остальное	Н.О. (нерастворимый остаток)
1	1,04	20,28	4,74	4,40	61,84	8,74	0,93
2	1,31	23,86	5,82	3,77	57,68	8,87	2,14
3	1,13	20,49	4,60	4,55	61,68	8,68	0,83
4	1,28	20,16	4,71	4,29	62,27	8,57	0,66

Образцы изготавливались из портландцемента и воды 100×100×15 мм (длина, ширина и высота), в зависимости от нормальной густоты цементного теста, для портландцемента №1 нормальная густота цементного теста (В/Ц) составляет 25%, для №2 27,25%, для №3 26,5%, для №4 50%.

Теплопроводность испытуемых образцов () определяли методом стационарного теплового потока прибором ИТП-МГ4 в соответствии с ГОСТ 7076-99. Объем пор () образцов определяли методом ртутной порометрии на анализаторе «Porosimeter 2000», а теплопроводность портландцементного камня () (без учета содержания в нем пор) определяли, как разность теплопроводности портландцементного камня () и теплопроводности воздуха в порах образца (λ_в):

В табл.2 представлены результаты испытаний теплопроводности четырех видов портландцементного камня (), где поры отсутствуют.

Далее на основании корреляционно-регрессивного анализа экспериментальных данных определили регрессионную зависимость, связывающую теплопроводность портландцементного камня () с химическим составом (SiO₂ - x₁, Al₂O₃ - x₂, Fe₂O₃ - х₃, СаО - x₄), тогда теплопроводность портландцементного камня (λ_пцк):

где SiO₂, Al₂O₃, Fe₂О₃, СаО - процентное содержание основных оксидов портландцемента, %.

Из данного анализа следует, что регрессионная зависимость обладает высоким коэффициентом корреляции (R=0,967), а оценка по критерию Фишера F существенно выше ее табличного значения: F_{табл(0,05)}=2,689, F_табл(0,01)=4,017, F_эксп=22,67, т.е. характеризуется как весьма значимая.

Таблица 2Коэффициент теплопроводности портландцементного камня методом стационарного теплового потока
№ образца	Коэф. теплопроводности Вт/(м·К)	Термическое сопротивление R, (м2·К)/Вт	Тепловой поток, q, Вт/м	Плотность, ρ кг/м3	Масса m, г	Объем V, см3	Размеры, мм
δ	a	b
1/1	0,533	0,029	375,8	2221	348,7	156,9	15,6	100,5	100,1
1/2	0,358	0,045	244,6	2118	340,3	160,7	16,1	99,2	100,6
1/3	0,467	0,033	331,4	2069	329,8	159,4	15,5	100,8	102
1/4	0,388	0,039	275,4	2168	342,5	158,0	15,5	101,6	100,3
1/5	0,359	0,044	248,4	2122	336,8	158,7	15,9	99,2	100,6
1/6	0,392	0,039	276,4	2221	345,9	155,7	15,6	99,3	100,5
1/7	0,375	0,041	262,7	2147	338,4	157,6	15,7	99,8	100,6
1/8	0,503	0,031	348,0	2143	343,9	160,4	15,9	100,2	100,7
1/9	0,368	0,042	261,2	2189	348,8	159,3	15,5	99,8	103
1/10	0,487	0,030	357,1	2126	329,8	155,1	15	100,2	103,2
2/1	0,526	0,029	373,3	1933	326,3	168,8	15,5	101,8	107
2/2	0,493	0,031	345,4	2081	326,0	156,7	15,7	100,8	99
2/3	0,478	0,032	340,3	2211	341,7	154,5	15,5	99,7	100
2/4	0,421	0,038	290,2	2087	339,6	162,7	16	100,7	101
2/5	0,336	0,044	247,1	2101	318,2	151,5	15	100	101
2/6	0,272	0,056	194,3	2094	324,1	154,8	15,4	99,5	101
2/7	0,427	0,037	293,6	2187	354,1	161,9	16	101	100,3
2/8	0,421	0,036	294,0	2135	337,3	158,0	15,5	100,1	101,9
2/9	0,342	0,044	247,1	2092	322,5	154,1	15,2	100,5	100,9
3/1	0,678	0,022	493,9	2212	337,4	152,5	15,1	100,9	100,1
3/2	0,385	0,040	273,2	2294	352,3	153,6	15,5	100	99,1
3/3	0,365	0,043	255,7	2261	351,7	155,6	15,7	100	99,1
3/1	0,454	0,037	297,8	2245	378,7	168,7	16,8	100,5	99,9
3/4	0,480	0,033	329,4	2226	364,0	163,5	16	100,7	101,5
3/5	0,352	0,040	269,1	2155	316,6	146,9	14,4	101,2	100,8
3/6	0,365	0,043	250,9	2123	347,3	163,5	16	101,3	100,9
4/1	0,515	0,028	358,9	1857	276,6	149,0	14,9	100,7	99,3
4/2	0,487	0,030	358,9	1856	277,0	149,0	14,9	100,8	99,4
4/3	0,499	0,027	394,9	1734	247,1	142,5	13,9	101	101,5
4/4	0,382	0,039	282,0	1761	270,3	153,5	14,9	101	102
4/5	0,371	0,033	299,8	2073	264,3	127,5	12,4	102	100,8
4/6	0,374	0,037	263,4	1828	264,0	144,4	14,2	100,2	101,5
4/7	0,483	0,030	356,3	1846	276,7	149,9	14,9	99,6	101
4/8	0,376	0,039	255,5	1787	269,9	151,0	14,7	100,9	101,8
Примечание: 1/1 - первая цифра - это номер портландцемента по химическому составу, вторая цифра - это номер испытываемого образца портландцементного камня.

Далее определяем долю объема пор в пенобетоне, который должен быть создан порообразователем с заданной средней плотностью пенобетона (ρ_ср) и В/Т (отношение объема воды затворения к массе твердых веществ, т.е к массе портландцемента):

где ρ_ср - средняя плотность пенобетона, кг/л; В/Т - отношение объема воды затворения к массе твердых веществ, т.е к массе портландцемента.

Определенный диаметр пор пенообразователя образуется в пеногенераторе, в пенобетоносмесителе образуется пенобетонный раствор с определенным объемом и диаметром пор. Средний диаметр пор в пенобетоне принимается от 0,05·10^-3 м до

0,2·10^-3 м.

Подставляя зависимость (7) в формулу (1) и учитывая объем и диаметр пор, получим коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона:

где λ_эф - коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона, Вт/(м·К);

SiO₂ - процентное содержание оксида кремния, %;

Al₂O₃ - процентное содержание оксида алюминия, %;

Fe₂О₃ - процентное содержание оксида железа, %;

CaO - процентное содержание оксида кальция, %;

V_в - доля объема пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, доли единиц;

d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м.

Например, процентное содержание основных химических элементов используемого портландцемента ПЦ 400 Д 20 в пенобетоне: SiO₂=23,86%, Al₂O₃=5,82%, Fe₂O₃=3,77%, CaO=57,68%; средняя плотность пенобетона ρ_cp=500 кг/м³; В/Т составляет 27,25%. Определяем долю объема пор в пенобетоне по формуле (8):

V_в=(1-ρ_ср·(0,34+В/Т))/1,1=(1-0,5·(0,34+0,2725))/1,1=0,72.

Средний диаметр пор в пенобетоне принимаем d=0,05·10^-3 м. Коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона рассчитываем по формуле (9):

λ_эф=((4,2·23,86-15,45·5,82-7,95·3,77+1,06·57,68)/100)(1-0,72)+(0,024+5,25·0,00005)-0,72=0,133 Вт/(м·К).

Экспериментально коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона определяли методом стационарного теплового потока, прибором ИТП-МГ4, в соответствии с ГОСТ 7076-99, λ_эф=0,136 Вт/(м·К). Объем пор в пенобетоне (V_в) определен методом ртутной порометрии на анализаторе «Porosimeter 2000» V_в=0,709, а средний диаметр составляет d=0,045 мм.

Расчетные и экспериментальные данные согласуются. Формула (9) справедлива только для пенобетона на портландцементном вяжущем.

Таким образом, предлагаемый способ упрощает определение коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона и позволяет прогнозировать теплопроводность изделий на стадии проектирования.

Способ определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона, состоящий в том, что на поверхность исследуемого образца воздействуют тепловым потоком и измеряют перепад температур на поверхностях исследуемого образца, отличающийся тем, что для каждого из исследуемых образцов определяют процентное содержание основных химических элементов портландцемента SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, СаО, а в пенобетоне определяют объем пор V_в и затем находят коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона по формулеλ_эф=((4,2·SiO₂-15,45·Al₂O₃-7,95·Fe₂O₃+1,06·СаО)/100)·(1-V_в)+(0,024+5,25·d)·V_в,где λ_эф - коэффициент эффективной теплопроводности пенобетона, Вт/(м·К);SiO₂ - содержание оксида кремния, %;Al₂O₃ - содержание оксида алюминия, %;Fe₂O₃ - содержание оксида железа, %;СаО - содержание оксида кальция, %;V_в - объем пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, доли единиц;d - средний диаметр пор в структуре пенобетона, м.