СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПЕНОБЕТОНА Российский патент 2009 года по МПК G01N25/18 

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 1
Химический 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 2
Коэффициент 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.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ состоит 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, %; Fe₂O₃ - процентное содержание оксида железа, %; СаО - процентное содержание оксида кальция, %; V_в - доля объема пор, содержащихся в пенобетоне, проводящих тепловой поток, d - средний диаметр пор в структуре пенобетона. Техническим результатом изобретения является упрощение способа определения коэффициента эффективной теплопроводности пенобетона. 2 табл.

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 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 - 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.