Повышение точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов с учетом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, доктор технических наук Киселев, Игорь Яковлевич

• Киселев, Игорь Яковлевич
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Киселев, Игорь Яковлевич

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И РАВНОВЕСНАЯ СОРБ-ЦИОННАЯ ВЛАЖНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ. ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Основные положения феноменологической теории теплопроводности

1.2. Теплопроводность газов, жидкостей и твёрдых тел

1.3. Теплопроводность теплоизоляционных материалов

1.3.1. Общие положения

1.3.2. Теплопроводность волокнистых и ячеистых материалов

1.3.3. Теплопроводность гранулированных материалов

1.4. Зависимость теплопроводности строительных материалов от температуры и влажности

1.5. Определение расчётных значений теплопроводности строительных материалов

1.6. Методы измерения теплопроводности

1.7. Образцы-эталоны теплопроводности

1.8. Равновесная сорбционная влажность строительных материалов

1.9. Экспериментальные методы определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ОТ ПЛОТНОСТИ, ХАРАКТЕРИСТИК МАТРИЦЫ И ЗАПОЛНЯЮЩЕГО ПОРЫ ГАЗА, ДИАМЕТРА ВОЛОКОН ИЛИ ПОР, ТЕМПЕРАТУРЫ

2.1. Общие положения

2.2. Кондукционный теплоперенос через газы в порах материалов

2.3. Кондукционный теплоперенос через матрицу материалов

2.4. Радиационный теплоперенос через поры материалов

2.5. Конвекционный теплоперенос через газы в порах материалов

2.6. Теплопроводность эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов

2.7. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 3 РАСЧЁТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 3.1. Общие положения

3.2. Международное межлабораторное сопоставление ре- 98 зультатов измерения теплопроводности, проведённое техническим комитетом ИСО/ТК 163 «Теплоизоляция»

3.3. Международное межлабораторное сопоставление ре- 101 зультатов измерения теплопроводности, проведённое НИИ строительной физики

3.3.1. Лаборатории-участники международного меж- 101 лабораторного сопоставления результатов измерения теплопроводности

3.3.2. Образцы, предназначенные для проведения ме- 103 ждународного межлабораторного сопоставления результатов измерения теплопроводности

3.3.3. Сопоставление результатов проведённых в Рос- 105 сии и Канаде измерений теплопроводности образцов, изготовленных в Канаде

3.3.3.1. Сопоставление результатов измерения те- 106 плопроводности на оснащённых тепломерами отечественных приборах с результатами измерения теплопроводности на оснащённом тепломером приборе канадского Института исследований в области строительства

3.3.3.2. Сопоставление результатов измерения те- 107 плопроводности на оснащённых тепломерами отечественных приборах с результатами измерения теплопроводности на приборе с горячей охранной зоной канадского Института исследований в области строительства

3.3.3.3. Сопоставление результатов измерения те- 108 плопроводности на оснащённом тепломером приборе канадского Института исследований в области строительства с результатами измерения теплопроводности на приборе с горячей охранной зоной этого же института

3.3.3.4. Ошибки измерения теплопроводности на 108 отечественных и канадском оснащённых тепломерами приборах

3.3.4. Сопоставление результатов проведённых в Рос- 111 сии, Литве и Канаде измерений теплопроводности образцов, изготовленных в России и Литве

3.3.5. Сопоставление результатов проведённых в Рос- 114 сии, Литве и Финляндии измерений теплопроводности образцов, изготовленных в России и Литве

3.4. Сопоставление результатов проведённых в России и 116 США измерений теплопроводности образца, изготовленного в США

3.5. Ошибки измерения теплопроводности на отечествен- 118 ных оснащённых тепломерами приборах, причина возникновения которых — ошибки, имеющих место при их градуировке

3.5.1. Ошибки измерения теплопроводности, являю- 118 щиеся следствием завышенных значений теплопроводности образцов-эталонов теплопроводности, применяемых при градуировке приборов

3.5.2. Ошибки измерения теплопроводности, являю- 120 щиеся следствием зависимости градуировочного коэффициента тепломеров от плотности теплового потока

3.6. Пересмотр ГОСТ 7076-87 «Материалы и изделия 129 строительные. Метод определения теплопроводности»

3.6.1. Недостатки ГОСТ 7076

3.6.2. Градуировка оснащённого тепломером прибора

3.6.2.1. Общие требования

3.6.2.2. Градуировка прибора собранного по асим- 131 метричной схеме

3.6.2.3. Градуировка прибора собранного по сим- 132 метричной схеме

3.6.3. Прибор с горячей охранной зоной 132 3.7. Зависимости теплопроводности и термического сопротивления слоя эффективных теплоизоляционных материалов от толщины слоя 3.8. Основы методики пересчёта результатов лаборатор- 138 ных измерений теплопроводности строительных материалов и изделий

3.8.1. Общее рассмотрение

3.8.2. Пересчёт теплопроводности по температуре

3.8.3. Пересчёт теплопроводности по влажности

3.8.4. Пересчёт теплопроводности, учитывающий «эф- 141 фект толщины» изделия 3.9. Анализ расчётных значений теплопроводности строи- 144 тельных материалов и изделий, приведённых в СП 23-101-2004 « Проектирование тепловой защиты зданий »

3.9.1. Коэффициенты пересчёта по температуре, 144 влажности и фактор пересчёта по толщине

3.9.2. Зависимость расчётных значений теплопровод- 148 ности строительных материалов и изделий от температуры

3.9.2.1. Сопоставление значений теплопроводно- 148 сти строительных материалов и изделий, представленных в СП 23-101 -2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» и в стандартах на эти материалы

3.9.2.2. Значения теплопроводности строительных 151 материалов и изделий в сухом состоянии при различных расчётных температурах

3.9.3. Сопоставление коэффициентов пересчёта по 152 влажности, вычисленных по данным СП 23-101 -2004 и приведённых в документах ИСО и СЕН

3.9.4. Сопоставление расчётных значений теплопро- 154 водности строительных материалов и изделий

3.9.4.1. Сопоставление расчётных значений теп- 154 лопроводности строительных материалов и изделий, представленных в СП 23-101 -2004 и определённых в соответствии с рекомендациями ИСО и СЕН

3.9.4.2. Сопоставление расчётных значений 156 теплопроводности строительных материалов и изделий, представленных в

СП 23-101 -2004 и в проекте европейского стандарта ЕН 12524:

3.9.5. Улучшение теплотехнических и физико- 159 механических показателей минераловатных изделий

3.9.6. Предложения по корректировке таблицы Д.1 159 «Расчётные теплотехнические показатели строительных материалов и изделий» СП 23101-2004 « Проектирование тепловой защиты зданий »

3.10. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАВ- 166 НОВЕСНОЙ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 4.1. Общие положения

4.2. Исследование возможности применения водных рас- 166 творов серной кислоты и насыщенных водных растворов различных солей при определении сорбционной влажности строительных материалов

4.3. Экспериментальное исследование зависимости сорб- 172 ционной влажности строительных материалов от температуры

4.4. Экспериментальная проверка методов расчёта изотерм 183 сорбции

4.4.1. Метод А.Е. Пасс

4.4.2. Метод М. Поляни

4.4.3. Метод М.М. Дубинина

4.4.4. Метод А.Э. Алумяэ

4.4.5. Метод В.Г. Гагарина

4.5. Изотермы сорбции паров воды строительными мате- 201 риалами при температуре -20 °С

4.6. Ошибки измерения сорбционной влажности строи- 206 тельных материалов эксикаторным методом

4.7. Метод ускоренного определения равновесной сорб- 217 ционной влажности строительных материалов

4.7.1. Общие положения

4.7.2. Одноканальная установка для ускоренного оп- 219 ределения равновесной сорбционной влажности строительных материалов

4.7.3. Двухканальная и пятиканальная установки для 229 ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов

4.8. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 5. РАСЧЁТ РАВНОВЕСНОЙ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖ

НОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

5.1. Определение адсорбционных характеристик строи- 235 тельных материалов

5.1.1. Методы обработки изотерм сорбции

5.1.2. Сопоставление результатов обработки изотерм 238 сорбции по различным методам

5.2. Эмпирические уравнения изотерм сорбции

5.3. Зависимость от температуры ёмкости монослоя wm, 245 константы с, относительной влажности воздуха <рт и площади Ат

5.4. Методы определения интегральной пористости и 256 удельной поверхности строительных материалов

5.5. Изотермы сорбции паров воды строительными мате- 264 риалами при различных температурах

5.5.1. Метод расчёта изотерм сорбции паров воды 264 строительными материалами при различных температурах

5.5.2. Сопоставление результатов расчётов равновес- 269 ной сорбционной влажности строительных материалов с результатами экспериментов

5.5.3. Эмпирические формулы, описывающие зависи- 369 мость равновесной сорбционной влажности строительных материалов от относительной влажности воздуха и температуры

5.5.4. Метод расчёта полимолекулярно - адсорбиро- 276 ванной и капиллярно - конденсированной составляющих равновесной сорбционной влажности строительных материалов

5.6. Критика метода К. Пирса

5.7. Анализ изотерм сорбции паров воды строительными 288 материалами при температуре -20 °С

5.8. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 6. РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕ

НОСА ЧЕРЕЗ НАРУЖНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов с учетом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий»

Актуальность. В настоящее время энерго- и ресурсосбережение — одна из важнейших проблем современного строительства. Её решение достигается прежде всего посредством применения наружных ограждающих конструкций с новыми эффективными теплоизоляционными материалами. Решение проблемы энерго- и ресурсосбережения в строительстве вызвало необходимость повышения точности определения теплофизиче-ских свойств теплоизоляционных строительных материалов.

Однако отсутствие методов расчёта теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов и методов расчёта сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов, а также ошибочная методология измерения теплопроводности теплоизоляционных строительных материалов являются причиной завышения расчётных значений теплофизических показателей строительных материалов и, как следствие, причиной увеличения материалоёмкости ограждающих конструкций зданий.

Решение этих задач достигается путём разработки методов расчёта и методов экспериментального определения теплофизических показателей теплоизоляционных строительных материалов с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий, которые позволяют получить более точную информацию об этих показателях.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации от 03 апреля 1996г. № 28-ФЗ «Об энергосбережении» и Постановлением Правительства Российской Федерации от 02 ноября 1995г. № 1087 « О неотложных мерах по энергосбережению».

Цель и задачи. Цель — разработка методов определения теплопроводности и сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов, которые направлены на повышение точности определения этих показателей и уменьшение материалоёмкости ограждающих конструкции зданий.

В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи: теоретически обосновать методологию повышения точности определения теплофизических показателей на основе анализа процесса теплопереноса через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы и процесса сорбции паров воды теплоизоляционными строительными материалами с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий; разработать методы расчёта и экспериментального определения теплопроводности и сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов.

Научная новизна работы: разработаны теоретические положения о повышении точности определения теплофизических показателей теплоизоляционных строительных материалов на основе анализа процесса теплопереноса через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы и процесса сорбции паров воды теплоизоляционными строительными материалами с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий; установлены зависимости теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов, в том числе её кондукционных, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности от плотности материала, теплопроводности и плотности его матрицы, от теплопроводности, вязкости, температурного коэффициента объёмного расширения, размера молекул и давления газа в его порах, от диаметра волокон или пор и от температуры в диапазоне от -20 до +35°С; получены закономерности изменения теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта теплопроводности этих материалов, в том числе её кондукционных, радиационной и конвекционной составляющих; установлены зависимости равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимо-лекулярно-адсорбированной и капиллярно-конденсированной составляющих от относительной влажности воздуха в диапазоне от 0,2 (20%) до 0,99 (99%) и температуры в диапазоне от -20 до +35°С ; получены закономерности изменения равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта равновесной сорбционной влажности этих материалов, в том числе её полимолекулярно-адсорби-рованной и капиллярно-конденсированной составляющих; показано, что значение равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов определяется главным образом её полимолекулярно-адсорбированной составляющей, её капиллярно-конденсированная составляющая играет существенную роль только при относительной влажности воздуха, близкой к 1 (100%); установлены зависимости ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения Брунауэра-Эммета-Тейлора (БЭТ), относительной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного монослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов от температуры в диапазоне от -10,4 до +35°С; установлено, что при уменьшении температуры от +35°С до -10,4 °С равновесная сорбционная влажность теплоизоляционных строительных материалов линейно увеличивается, а при температуре, близкой к

-20°С, наблюдается уменьшение равновесной сорбционной влажности, что объясняется уменьшением подвижности молекул воды первого адсорбированного монослоя паров воды и замерзанием капиллярно-конденсированной воды при этой температуре.

Практическая значимость: разработан метод расчёта теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов, в том числе её кондукционных, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности в температурном диапазоне от -20 до +35°С; разработан метод расчёта равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимо-лекулярно-адсорбированной и капиллярно-конденсированной составляющих в температурном диапазоне от -10,4 до +35°С; разработан метод расчёта ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения БЭТ, относительной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного монослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов; разработан метод экспериментального определения равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов при отрицательной температуре и получены зависимости равновесной сорбционной влажности материалов от температуры в диапазоне от -20 до +35°С; на основании международного межлабораторного сопоставления результатов измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов показано, что при измерении теплопроводности на отечественных приборах имела место систематическая ошибка, равная +15%; выявлены и устранены причины этой ошибки; установлено, что расчётные значения теплопроводности строительных материалов, приведённые в СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», необходимо пересмотреть и аргументировано предложение перейти при определении расчётных значений теплопроводности строительных материалов от расчётной температуры материалов +25°С к расчётной температуре +10°С; проведён анализ ошибок измерения равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом, установлено преимущество использования растворов серной кислоты в качестве генератора влажного воздуха по сравнению с растворами глицерина и солей; усовершенствован метод определения зависимостей удельной интегральной пористости и удельной поверхности теплоизоляционных строительных материалов от радиуса пор, основанный на уравнении капиллярной конденсации Кельвина и определены эти зависимости для ряда строительных материалов; усовершенствован метод ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов, позволяющий сократить время испытания до 6 - 8 часов, то есть в 300 - 400 раз, и созданы одно-, двух- и пятиканальные установки для определения равновесной сорбционной влажности по этому методу.

Внедрение результатов исследований. На основании результатов исследований автором разработаны следующие ныне действующие нормативные документы:

ГОСТ 12852.6-77 Бетон ячеистый. Метод определения сорбционной влажности;

ГОСТ 24816-81 Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности;

ГОСТ 17177-94 Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. Метод ускоренного определения сорбционной влажности;

ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме;

Результаты работы использованы автором при разработке следующих ныне действующих нормативных документов и рекомендаций:

ГОСТ 12852.5-77 Бетон ячеистый. Метод определения коэффициента паропроницаемости;

Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению конструкций на основе цементно-стружечных плит, ЦНИИСК, М., 1986;

ГОСТ 25485-89 Бетон ячеистый. Технические условия;

ГОСТ 25898-93 Материалы и изделия строительные. Метод определения сопротивления паропроницанию.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

Всесоюзном семинаре «Передовой опыт производства и применения минераловатных изделий повышенной прочности в промышленном строительстве», г.Челябинск, 1981 г.;

Первой научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях», Москва, 1996 г.;

Второй научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях», Москва, 1997 г.;

Третьей научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, 1998 г.;

Четвёртой научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, 1999 г.;

Научно-практическом семинаре «Повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций и инженерных сооружений», Москва, 2000 г.;

Шестой научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях», Москва, 2001 г.;

Седьмой научно-практической конференции Российской академии архитектуры и строительных наук « Актуальные проблемы строительной теплофизики», Москва, 2002 г;

Восьмой научно-практической Всероссийской конференции Российской академии архитектуры и строительных наук «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики», Москва, 2003 г.

Четвёртой научно-практической конференции «Кровли, изоляция, фасады », Москва, 2004 г.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 33 печатных работах, включая нормативные документы.

1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И РАВНОВЕСНАЯ СОРБЦИОННАЯ ВЛАЖНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ. ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Киселев, Игорь Яковлевич

3.10. Выводы, внедрение результатов исследования

3.10.1. Проведены круговые испытания по определению теплопроводности образцов минераловатных плит и пенопласта, изготовленных в России, Канаде и США. В испытаниях приняли участие четыре института строительного комплекса России (НИИ строительной физики, ЦНИИЭП Жилища, НИИ Мосстрой, НИЦ Министерства транспорта) и НПЦ «Физтех», а также канадский Институт исследований в области строительства, американская фирма «Holometrix», финская фирма «Partek» и литовский НИИТеплоизоляция. Анализ результатов круговых испытаний показал: при определении теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов на приборах институтов строительного комплекса России и Литвы относительная ошибка измерения этого показателя могла достигать +25%; при определении теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов на приборах строительного комплекса России и Литвы имела место систематическая ошибка измерения этого показателя, равная, примерно, +15%; относительная ошибка измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов на приборах канадского Института исследований в области строительства, американской фирмы «Holometrix» и финской фирмы «Partek» на превышала ±2%.

3.10.2. В канадском Институте исследований в области строительства проведены измерения теплопроводности образцов, аттестованных ВНИИ физико-технических и радиоизмерений (ВНИИФТРИ) в качестве стандартных образцов теплопроводности и предназначенных для градуировки отечественных оснащённых тепломерами приборов для измерения теплопроводности. Сопоставление результатов измерений теплопроводности этих образцов, проведённых в канадском Институте и во ВНИИФТРИ, показало, что значения теплопроводности образцов при температуре +25°С, представленные ВНИИФТРИ в Свидетельстве о государственной поверке, на 15% выше истинных значений этого показателя образцов.

Причиной завышения результатов измерения теплопроводности образцов, аттестованных во ВНИИФТРИ, является следующее: в этом институте теплопроводность аттестуемых образцов измеряется при нестационарном тепловом режиме, что противоречит рекомендациям Международной организации по стандартизации. Завышенные на 15% значения теплопроводности стандартных образцов, аттестованных ВНИИФТРИ и используемых в институтах строительного комплекса России при градуировке оснащённых тепломерами приборов, являлось причиной того, что при измерении теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов на приборах этих институтов имела место систематическая ошибка, величина которой составляет примерно +15%.

3.10.3. При градуировке оснащённых тепломерами приборов для измерения теплопроводности необходимо учитывать, что градуировочные коэффициенты тепломеров зависят от плотности проходящего через них теплового потока.

Неучёт этой зависимости является одной из причин ошибок измерения теплопроводности на оснащённых тепломерами приборов. Так относительная ошибка измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов на оснащенном тепломерами приборе, являющаяся следствием неучёта этой зависимости, может составить +33%, если градуировку прибора провести по ГОСТ 7076-87, т.е. при помощи стандартного образца из органического стекла.

3.10.4. Разработана новая процедура градуировки оснащённых тепломерами приборов, позволяющая исключить влияние зависимости градуировочного коэффициента тепломеров приборов от плотности протекающего через них теплового потока на результаты измерения теплопроводности. Описание этой процедуры градуировки включено в ныне действующую, разработанную автором настоящей диссертации, редакцию стандарта на метод определения теплопроводности ГОСТ 7076-99 « Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме ».

3.10.5. По техническому заданию, составленному автором настоящей работы, во ВНИИ физико-технических и радиоизмерений спроектирован и изготовлен прибор с горячей охранной зоной ПИТ-1. Прибор ПИТ-1 позволяет проводить измерения теплопроводности строительных материалов в диапазоне от 0,025 до 0,5 Вт/(м-°С) при средней температуре испытываемых образцов от +10 до +30°С. Прибор находится в Испытательной лаборатории теплофизических и акустических измерений НИИ строительной физики. Основное преимущество приборов этого типа по сравнению с приборами, оснащенными тепломерами, заключается в том, что измерения теплопроводности на приборах с горячей охранной зоной проводится по прямому методу и поэтому приборы этого типа не требуют градуировки.

3.10.6. В СП 23-101-2004 расчётная температура, т.е. температура при которой определяются расчётные значения теплопроводности строительных материалов, равна +25°С. В нормативных документах ИСО и СЕН расчётная температура принята равной +10°С. Очевидно, что значение расчётной температуры, равное +10°С, более точно соответствует реальным зимним условиям эксплуатации строительных материалов в наружных ограждающих конструкциях.

Только переход от расчётной температуры +25°С к расчётной температуре +10°С даёт возможность уменьшить расчётные значения теплопроводности бетонов, цементных и известковых растворов на 2-5%, древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит на 6-8%, минераловатных и стекловолокнистых изделий на 5-6%, полимерных теплоизоляционных материалов на 4-8%.

Переход от расчётной температуры +25°С к расчётной температуре

10°С позволит уменьшить расход строительных материалов при изготовлении наружных ограждающих конструкций без нарушений требований к теплотехническим показателям конструкций, изложенным в

СНиП 23-02-2003. Так уменьшение расхода только эффективных теплоизоляционных материалов составит 5-8%.

3.10.7. Значения коэффициента fw пересчёта теплопроводности по влажности, использованные при определении расчётных значений теплопроводности строительных материалов, представленных в приложении Д к СП 23-101-2004, превышают значения этого коэффициента, приведённые в нормативных документах ИСО и СЕН для бетонов в 1,5-2 раза, для цементных и известковых растворов в 3-6 раз, для дерева и изделий из него в 3-5 раз, для минераловатных и стекловолокнистых изделий в 1,5-4 раза, для пенополистирола в 30-40 раз, для пенополиуретана в 40-60 раз.

Очевидно, что значения коэффициента fw пересчёта по влажности, использованные при определении расчётных значений теплопроводности строительных материалов, представленных в приложении Д к СП 23-101-2004, завышены.

3.10.8. Максимальные расчётные значения теплопроводности, приведённые в приложении Д к СП 23-101-2004, превышают максимальные расчётные значения теплопроводности, приведённые в проекте европейского стандарта ЕН 12524:1999 для: ячеистых бетонов в 1,4-1,6 раза, керамзитобетона в 1,3-1,6 раза, шлакобетона в 1,2-1,9 раза, древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит в 1,4-1,9 раза, минераловатных и стекловолокнистых изделий в 1,8-2,1 раза, полимерных теплоизоляционных изделий в 1,6-1,8 раза.

Одним из основных аргументов в пользу необходимости повышения требуемого значения сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций до значений, указанных в таблице 4 СНиП 23-02-2003, является ссылка на то, что в европейских странах с климатическими условиями, близкими к российским, требования к сопротивлению теплопередаче наружных ограждающих конструкций близки по своим значениям к требованиям таблицы 4. Однако даже считая это достаточным аргументом, необходимо учитывать, что при одном и том же значении сопротивления теплопередаче толщина слоя теплоизоляционного материала конструкции, а следовательно и расход этого материала при изготовлении конструкции, рассчитанной с использованием расчётных значений теплопроводности, приведённых в СП 23-101-2004, будет в 1,5-2 раза больше, чем толщина слоя теплоизоляционного материала этой конструкции, рассчитанной с использованием расчётных значений теплопроводности, приведённых в ЕН 12524:1999.

3.10.9. Необходимо пересмотреть расчётные значения теплопроводности строительных материалов и изделий, которые даны в приложении Д к СП 23-101-2004. Этому пересмотру должна предшествовать большая исследовательская работа, в ходе выполнения которой необходимо экспериментально определить истинные зависимости теплопроводности от плотности, температуры и влажности для всех широко применяемых отечественных и импортируемых в Россию строительных материалов, а также выполнить натурные теплофизические обследования новых типов наружных ограждающих конструкций, изготовленных с применением современных материалов.

3.10.10. Расчётные значения теплопроводности должны быть определены отдельно для каждого конкретного материала или изделия, т.е. материала или изделия данного типа, данной плотности, изготовленного на данном предприятии. Расчётные значения теплопроводности не могут быть едиными для всех материалов или изделий данного типа и данной плотности, изготавливаемых на различных предприятиях. Это требование обеспечивает предприятиям, выпускающим продукцию высокого качества, преимущество по отношению к предприятиям, выпускающим продукцию низкого качества.

3.10.11. Результаты исследований, изложенных в настоящей главе диссертации, опубликованы [61, 155, 156,157,158, 160, 161,163, 164,217].

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОВЕСНОЙ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

4.1. Общие положения

Равновесная сорбционная влажность (далее «сорбционная влажность») строительных материалов в значительной мере определяет ход процессов тепло- и влагопереноса через ограждающие конструкции зданий и их долговечность. Поэтому при расчёте процессов тепло- и влагопереноса через ограждающие конструкции, а также при расчёте их теплотехнических показателей необходимо иметь информацию о равновесной сорбци-онной влажности строительных материалов, из которых изготовлены эти конструкции. Особо важным является получение достоверной информации о сорбционной влажности материалов в том диапазоне температур, в котором эти материалы эксплуатируются в ограждающих конструкциях.

Целью работы, описанной в данном разделе, является: исследование возможности применения водных растворов серной кислоты и насыщенных водных растворов различных солей при определении сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом; анализ ошибок измерения сорбционной влажности эксикаторным методом; разработка метода экспериментального определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов при температурах, отличных от комнатной, в том числе при отрицательных температурах; экспериментальное исследование сорбционной влажности строительных материалов в диапазоне температур от -20 до +35°С; совершенствование метода ускоренного определения сорбционной влажности строительных материалов и создание одно- и многоканальных установок для ускоренного определения сорбционной влажности строительных материалов при положительных температурах.

4.2. Исследование возможности применения водных растворов серной кислоты и насыщенных водных растворов различных солей при определении равновесной сорбционной влажности строительных материалов

Сущность эксикаторного метода определения равновесной сорбционной влажности материала заключается в доведении образцов материала, предварительно высушенных до постоянной массы, до равновесного состояния в искусственно созданных паровоздушных средах с различными фиксированными значениями относительной влажности воздуха и последующем определении влажности этих образцов путём взвешивания.

В качестве «генераторов», создающих паровоздушные среды с заданной относительной влажностью, используют водные растворы серной кислоты или глицерина различной концентрации [89, 269, 271, 275] либо насыщенные водные растворы различных солей [316, 318, 372, 379, 407, 469,470].

Е. Абель (Е. Abel) [309] показал, что во влажном воздухе, находящемся в замкнутом объёме эксикатора над поверхностью водного раствора серной кислоты, присутствуют пары серной кислоты H2SO4 и трёхокиси серы SO3, плотность которых увеличивается с увеличением концентрации раствора. Эти пары образуются вследствие летучести серной кислоты. Абсолютное количество паров этих веществ в единице объёма воздуха над поверхностью раствора очень мало. Согласно измерениям, проведённым Дж.А. Гмитро (J.I. Gmitro) и Т. Вермюленом (Т. Vermeulen) [368], при температуре +40°С даже над 100-процентным раствором серной кислоты парциальное давление паров серной кислоты составляет 10'3 мм рт.ст., а парциальное давление паров трёхокиси серы — 10"2 мм рт.ст.

Однако как показано в работах [343, 422, 461], присутствие в воздухе даже столь незначительного количества паров серной кислоты и трёхокиси серы может вызвать химические изменения на поверхности пор адсорбента, помещённого в эксикатор, а следовательно, изменить физико-химические свойства его поверхности. Согласно исследованиям P.J1. Д'Арей (R.L. D'Arey) и А.К. Уатта (I.C. Watt) [343], шерстяные волокна, помещённые в эксикаторы, сорбируют пары серной кислоты, что вызывает изменение сорбционных характеристик материала. Более того, поглощённые пары серной кислоты химически взаимодействуют с шерстяными волокнами и разрушают их. К. Кавасаки (К. Kawasaki) и J1. Каноук (L. Kanouk) [422] установили, что кристаллы германия, кремния и ряда других полупроводников, помещённые в эксикатор, сорбируют пары серной кислоты, что вызывает изменение их сорбционных характеристик и уменьшение их поверхностного электрического сопротивления. Р.Е. Прей (R.E. Prey) и Н.К. Шилтз (N.C. Schieltz) [461] обнаружили кристаллы сернокислого кальция (гипса) CaS04-2H20 на поверхности образцов портландцемента и бетона после того, как они находились в эксикаторе над раствором серной кислоты, создающим относительную влажность воздуха (р = 85% при температуре +25°С. Размеры этих кристаллов составляли примерно 1,0x0,5x0,1 мм. Образование кристаллов гипса, по мнению авторов [461], являлось следствием химического взаимодействия паров серной кислоты и трёхокиси серы с гидроокисью кальция Са(ОН)2, входящей в состав портландцемента. На основании этих экспериментов Р.Е. Прей и Н.К Шилтз [461] сделали вывод, что.«.очевидно, водные растворы серной кислоты не пригодны для контроля влажности воздуха при исследовании. портландцемента и бетона».

В нашей стране при определении равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом принято использовать водные растворы серной кислоты различной концентрации [275]. Поэтому возникла необходимость экспериментальной проверки правильности ранее процитированного вывода Р.Е. Прея и Н.К. Шилтза [461], т.е. выяснить, влияет ли присутствие паров трёхокиси серы и серной кислоты во влажном воздухе на численные значения равновесной сорбционной влажности строительных материалов, в состав скелета которых входят гидрат-ные соединения кальция. При проведении экспериментов в качестве адсорбентов были взяты именно такие строительные материалы: пеносиликат (плотность у0 =

1100 кг/м ), газосиликат (Го= Ю00 кг/м ), силикатныи кирпич ( /0= 1900 кг/м ), пенобетон ( у0= 1200 кг/м ). Часть образцов этих материалов помещалась в эксикаторы над водными растворами серной кислоты различной концентрации [275]: 58% (относительная влажность воздуха в эксикаторе ср = 20%), 48% (#>=40% ), 38% {(р=в0%), 27% {(р = 80% ), 9% (ср = 97%). Параллельно другая часть образцов этих материалов помещалась в эксикаторы над насыщенными водными растворами следующих солей [453, 516]: шестиводного хлористого магния MgCl2-6H20 (#?=33%), двухромовокислого натрия Na2Cr207 (#7=55%), мочевины CO(NH2)2 (<р = 80% ), бромновато-кислого натрия NaBr03 (<р= 92%) и пятиводной сернокислой меди CuS04-5H20 (<р = 97%).

Из 88 солей, насыщенные водные растворы которых согласно работе Ф.Е.М. О'Брайена (F.E.M. O'Brien) [453] могут быть использованы для создания в замкнутом объёме паровоздушной смеси с заданными характеристиками, в данной работе были применены именно вышеперечисленные соли, потому что: эти соли недефицитны, дёшевы, нетоксичны; характеристики паровоздушной смеси над растворами этих солей слабо зависят от температуры; этот набор солей даёт возможность создать в эксикаторах набор значений относительной влажности воздуха, необходимый для определения изотерм сорбции строительных материалов.

Результаты этих экспериментов, проведённых при температуре +20 °С, представлены на рис. 4.1 и 4.2 в виде изотерм сорбции, т.е. зависимости равновесной весовой сорбционной влажности материалов от относительной влажности воздуха.

Как отмечено выше, с уменьшением задаваемой в эксикаторе относительной влажности воздуха увеличивается требуемая концентрация водного раствора серной кислоты, а следовательно, и плотность паров серной кислоты и трёхокиси серы в воздухе эксикатора. Поэтому, исходя из вывода Р.Е. Прея и Н.К. Шилтза [461], следовало ожидать, что различия в численных значениях равновесной сорбционной влажности, определённых в эксикаторах над растворами серной кислоты и солей, будут наибольшими при малых значениях относительной влажности воздуха, т.е.

Изотермы сорбции пенобетона и газосиликата при температуре +20°С ivP % 20

15

Ю S О

Значения сорбционной влажности пенобетона ( у0 =

1200 кг/м )

Т — над растворами серной кислоты, V — над насыщенными растворами солей. Значения сорбционной влажности газосиликата ( у0 = 1100 кг/м ) • — над растворами серной кислоты, о — над насыщенными растворами солей.

Рис. 4.1

Изотермы сорбции пеносиликата и силикатного кирпича при температуре +20°С

11 10 5 О

20 УО 60 80 у;/с

Значения сорбционной влажности пеносиликата (ft = 1100 кг/м3) Т — над растворами серной кислоты, V — над насыщенными растворами солей.

Значения сорбционной влажности силикатного кирпича ( у0 = 1900 кг/м3) • — над растворами серной кислоты, о — над насыщенными растворами солей.

Рис. 4.2 следовало ожидать, что различия, вызванные влиянием паров серной кислоты и трёхокиси серы на равновесную сорбционную влажность материалов, будут увеличиваться с увеличением плотности этих паров во влажном воздухе эксикатора. Однако из результатов экспериментов следует, что при значениях относительной влажности меньших 80%, относительные отклонения от осредняющей кривой численных значений равновесной сорбционной влажности материалов, определённых в эксикаторах над растворами серной кислоты и солей, не превышают 3%. Согласно результатам многолетних исследований, проведённых в НИИ строительной физики, такое значение относительного отклонения имеет место из-за различия в сорбционных свойствах образцов-близнецов, используемых при измерении изотерм сорбции.

Из вышеизложенного следует, что при измерении изотерм сорбции эксикаторным методом наличие паров серной кислоты и трёхокиси серы во влажном воздухе эксикаторов не оказывает влияния на численные значения равновесной сорбционной влажности неорганических строительных материалов типа бетонов и силикатов, в состав скелета которых входят гидратные соединения кальция.

Из рис. 4.1 и 4.2 следует, что при значениях относительной влажности воздуха, больших 80%, численные значения равновесной сорбционной влажности строительных материалов, определённые в эксикаторах над растворами солей, значительно превышают эти значения, определённые в эксикаторах над растворами серной кислоты.

При осмотре эксикаторов с растворами бромновато-кислого натрия {(р= 92% ) и пятиводной сернокислой меди (<р- 97%) на темно-коричневой подставке, поддерживающей бюксы, был обнаружен пылевидный светлосерый налёт, состоящий из мельчайших кристалликов соли. На поверхности стеклянных бюкс, внутренней поверхности эксикаторов и поверхности образцов этот налёт обнаружить не удалось (возможно из-за светло-серого цвета поверхности стекла и образцов).

Для выяснения вопроса, образуются ли кристаллы солей на поверхности образцов, в эксикаторы с растворами шестиводного хлористого магния {(р = 33% ), бромновато-кислого натрия {(р = 92% ) и пятиводной сернокислой меди {(р = 97% ) были помещены кусочки темно-коричневого пластилина. Известно, что пластилин — гидрофобное вещество, пренебрежимо мало сорбирующее водяные пары. Эксперимент показал, что вес кусочка пластилина, помещённого в эксикатор с раствором шестиводного хлористого магния {(р = 33% ), с течением времени не изменялся и на его поверхности не было обнаружено кристалликов соли. Вес кусочков пластилина в эксикаторах с растворами бромновато-кислого натрия {(р = 92%) и пятиводной сернокислой меди {(р = 97% ) с течением времени непрерывно увеличивался, причём на их поверхности появлялись мельчайшие кристаллики солей, число которых с течением времени увеличивалось.

Очевидно, с течением времени кристаллики бромновато-кислого натрия и пятиводной сернокислой меди появляются и на пористой поверхности образцов материалов вследствие летучести этих гигроскопических солей. Образовавшиеся кристаллики интенсивно поглощают из воздуха и удерживают молекулы воды, что приводит к увеличению веса образцов, а следовательно, к значительному завышению численных значений равновесной сорбционной влажности исследуемых материалов.

Всё вышеизложенное даёт основание сделать следующие выводы.

Утверждение Р.Е. Прея и Н.К. Шилтза [461] о том, что «водные растворы серной кислоты не пригодны для контроля влажности воздуха при исследовании. портландцемента и бетона» является неверным. Водные растворы серной кислоты можно применять для контроля влажности воздуха при исследовании сорбционных характеристик бетонов и силикатов, так как наличие паров серной кислоты и трёхокиси серы не оказывает влияния на численные значения равновесной сорбционной влажности этих материалов.

Насыщенные водные растворы шестиводного хлористого магния, двухромовокислого натрия и мочевины можно применять для контроля влажности воздуха при исследовании сорбционной характеристики неорганических строительных материалов типа бетонов и силикатов. Насыщенные водные растворы бромновато-кислого натрия и пятиводной сернокислой меди нельзя применять для контроля влажности воздуха при исследовании сорбционных характеристик строительных материалов, так как при использовании растворов этих солей измеренные численные значения равновесной сорбционной влажности материалов значительно завышены по сравнению с их истинными значениями вследствие появления кристалликов этих летучих гигроскопических солей на поверхности пор исследуемых материалов.

4.3. Исследование зависимости сорбционной влажности строительных материалов от температуры

Как отмечено в подразделе 4.1, особо важным при расчёте процессов тепло- и массопереноса через ограждающие конструкции является достоверная информация о равновесной сорбционной влажности строительных материалов в том диапазоне температур, в котором эти материалы эксплуатируются в конструкциях. Ниже описан порядок определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов при температурах, отличных от +20°С, и в качестве примера приведены результаты определения сорбционной влажности ряда строительных материалов в диапазоне температур от -20 до +35°С.

Сорбционная влажность материалов была определена эксикаторным методом при температурах -20, -10,4, +1,2, +20 и +35°С. Паровоздушные среды с различными заданными значениями относительной влажности воздуха создавались в эксикаторах при помощи водных растворов серной кислоты различной концентрации, наливаемых в эксикаторы. При определении сорбционной влажности при температурах -20, -10,4 и +1,2°С эксикаторы с растворами кислоты и образцами материалов были помещены в холодильные камеры, при определении этой характеристики при температуре +20°С — в термостатированную комнату, а при температуре +35°С — в термостатированный шкаф.

В пособии А.У. Франчука [275] приведены значения концентраций водных растворов серной кислоты, относительная влажность воздуха над которыми при температуре +20°С равняется соответственно 10, 20, 40, 60, 80 и 97%. В монографии А.В. Лыкова [189] и справочниках [248, 342, 397] указано, что парциальное давление паров воды над растворами серной кислоты зависит не только от концентрации растворов, но и от их температуры и приведены результаты исследования этих зависимостей при положительных температурах, но нет данных об этих зависимостях при отрицательных температурах.

В монографии М.Х. Карапетяна [139] приведена формула, связывающая парциальное давление паров воды р над водными растворами серной кислоты с температурой:

1 §р=А*-В*Г' (4.1) где р — парциальное давление паров воды, мм рт.ст.;

А* — константа;

В* — константа, К;

Т— температура, К.

Численные значения констант А* и В* зависят от концентрации раствора. В справочнике [342] приведены значения констант Л* и В* для водных растворов серной кислоты в диапазоне изменения концентрации от 0 до 100% с интервалом в 1%. В монографии М.Х. Карапетяна [139] и работе А. Даудта (A. Daudt) [346] показано, что формула (4.1) верна до температуры замерзания раствора кислоты. В таблицах 4.1 и 4.2 приведены значения температуры замерзания растворов серной кислоты различных концентраций. Приведённые в таблицах 4.1 и 4.2 данные заимствованы из работ Ж. Пиктета (G. Pictet) и Б. Книча (В. Knietsh), ссылки на которые приведены в справочнике [494].

В таблице 4.3 приведены значения парциального давления паров воды над водными растворами серной кислоты тех концентраций, которые согласно пособию А.У. Франчука [275] должны использоваться при определении сорбционной влажности для создания паровоздушных сред с относительной влажностью 10, 20, 40, 60, 80, 90 и 97% при температуре +20 °С.

Значения парциального давления паров воды для тех значений температуры, при которых в данной работе определялась сорбционная влажность:-20, -10,4, +1,2, +20 и + 35 °С вычислены по формуле (4.1). Необходимые для расчётов значения констант А* и В* были заимствованы из

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Киселев, Игорь Яковлевич, 2006 год

1. При ознакомлении с патентными материалами Великобритании, Германии, Франции и Японии не было найдено патентов на методы ускоренного определения абсорбционных и адсорбционных характеристик материалов.

2. Принципиальная схема созданной в НИИ строительной физики од-ноканальной экспериментальной установки для ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов при положительных температурах представлен на рис. 4.9.

3. В таблице 4.21 приведены значения температуры воздуха, которые необходимо поддерживать в циклоне установки при определении равновесной сорбционной влажности строительных материалов при температурах+10, +20 и +30°С.