Теплоемкость бетона: сравнение показателей с другими строительными материалами

сравнение показателей с другими строительными материалами

Используя в строительстве различные материалы, необходимо учитывать все их основные характеристики: именно от них и зависит, насколько крепким, долговечным и теплым получится жилище. Для расчета способности к теплоизоляции обращают внимание на такую величину, как удельная теплоемкость. Бетон считается самым распространенным строительным материалом, сейчас без него не обходится ни одна стройка. Поэтому подробное изучение его основных характеристик поможет оптимально спроектировать конструкцию.

Свойства и описание материала

Бетон неспроста настолько популярен как в частном строительстве, так и в масштабном. Все дело в сочетании в нем практически всех фундаментальных свойств материала, так необходимых для качественной постройки.

К основным физико-техническим характеристикам этого стройматериала относятся:

  • Высокая плотность. При наличии требования к повышенной прочности строения бетонный раствор можно усиливать при помощи использования цемента разных марок плотности, а также различных наполнителей — крупного щебня, магнетитовых и лимонитовых пород.
    Кроме того, крепость изделия можно легко повысить в несколько раз, армировав бетон металлическими прутьями в виде сетки. Чем чаще будет шаг сеточной ячейки, тем прочнее станет конструкция.
  • Долговечность. Ввиду высокой устойчивости к различным деформациям, эрозии, температурным перепадам, а также химическим веществам можно говорить о хороших показателях долговечности бетонных конструкций.
  • Устойчивость к крайне низким температурам.
  • Однородность и вязкость, очень удобные при накладывании раствора на необходимую поверхность. К тому же, однородность бетона напрямую влияет на такой показатель, как прочность.
  • Стойкость к деформационным воздействиям. Бетон имеет довольно высокие показатели относительно устойчивости к сжатию — в таких условиях он обладает определенным уровнем пружинистости. Чтобы наделить бетонные изделия стойкостью к растяжению, скручиванию и другим видам деформации, его армируют. Это значительно увеличивает его устойчивость в условиях постоянного напряжения.
  • Высокая огнестойкость бетона. Этот показатель является одним из важнейших при построении жилого массива, так как напрямую влияет на пожароопасность здания. Но огнеупорность бетона очень высока. Под воздействием критически высокой температуры кристаллогидраты цементного камня распадаются, что сопровождается выделением связанной жидкости. Быстро испаряясь, она забирает на себя бо́льшую часть тепла, поэтому бетонные смеси так стойки к высокотемпературному воздействию.
  • Пластичность бетонного раствора. Эта характеристика обусловливает способность строительной смеси качественно заполнять необходимую форму, не образовывая пустот и раковин. Показатель пластичности зависит от вида используемого цемента, а также от специальных наполнителей.
  • Водонепроницаемость. При использовании расширяющихся марок основной составляющей бетонного раствора эта характеристика существенно повышается. Бетон с высоким уровнем гидрофобности не пропускает и не впитывает воду и другие жидкости, поэтому часто используется для строительства фундаментов в условиях повышенной сырости, а также при заливке форм для бассейнов и прудов.
  • Теплоизоляционные характеристики увеличиваются с повышением пористости материала путем добавления пористых наполнителей.

Это лишь основные свойства бетонной смеси, которые позволяют ей удерживать лидерство на рынке строительных материалов.

Теплоизоляционные характеристики

Теплоемкость материала — это величина, характеризующая его способность к поглощению тепла при нагревании и его отдаче при охлаждении. Благодаря этому значению можно рассчитывать, из какого материала лучше построить жилое помещение, насколько оно будет теплым и как долго сможет сохранять тепло при отоплении.

Бетонные смеси, отличающиеся повышенной плотностью, не обладают высокой теплоемкостью. Однако условия, в которых они используются, этого и не требуют. Особо тяжелые бетоны характеризуются очень большим весом, по этой причине они не применяются в индивидуальном строительстве, зато активно используются при сооружении глобальных конструкций гидротехнического назначения или, например, железнодорожных и автомобильных мостов, метро и других стратегических объектов.

В этих случаях способность к теплоизоляции не является приоритетом.

Что касается жилых построек, здесь теплоемкость имеет крайне важное значение. В конце концов, этот показатель оказывает прямое влияние на количество стройматериала, используемое для возведения стен. Однако повышение пористости, что является обязательным залогом увеличения теплоизоляционных свойств, непременно повлияет на прочность здания не в лучшую сторону. Чтобы компенсировать уменьшение крепости, в бетонные плиты помещают армирующую сетку. Тогда и прочность остается на высоте, и теплоемкость не страдает.

Таблица показателей

Различные стройматериалы обладают разными показателями теплоемкости и теплопроводности. Это можно использовать при расчете толщины стен.

Так, теплоизоляционные свойства распространенных строительных материалов демонстрирует таблица.

МатериалПлотность, кг/м3Теплоемкость, кДж/кг*С
Пенополистирол40−1001,34
Кирпичная кладка18000,88
Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат300−8000,84
Бетон22001,13
Железобетон25000,84
Металлоконструкции78330,46

Как видно из таблицы, удельная теплоемкость бетона довольно высока в сравнении с другими материалами, поэтому его использование в строительстве имеет массу преимуществ перед другими материалами.

Способы повышения теплоемкости

Разновидности бетонов с высоким показателем теплоемкости называются легкими или особо легкими. Наполнители, использующиеся для их создания, отличаются пористой структурой и небольшим весом. К ним относятся такие виды:

  • Натуральные заполнители: включают в себя пемзовые породы, вулканические туфы и шлаки, а также карбонаты — различные кальциты, ракушечники, известняковые туфы.
  • Искусственно созданные материалы — керамзит, перлит, вермикулит, а также аглопорит, грануляты шлаков и другие.
  • Промышленные отходы — золошлаки, топливные или металлургические шлаки, а также крупнодисперсные золы.

К самым распространенным, а также суперлегким материалам для заполнения бетонного раствора, относится полистирол. Он представляет собой мелкие шарики. Бетон с полистирольным включением отличается самой высокой теплоемкостью из всех используемых наполнителей, однако

этот материал характеризуется снижением других качеств:

  • Огнеупорность. При воздействии высокой температуры внешние данные бетонополистирола не изменяются, но внутри происходит выгорание полистирольных шариков, что в дальнейшем скажется на увеличении хрупкости сооружения, а также на увеличении теплопередачи.
  • Прочность. Легкие и суперлегкие бетоны не обладают высокими показателями прочности, однако этот недостаток можно легко компенсировать путем включения в них арматуры. Правда, вес конструкции в этом случае увеличится, но зато повысится деформационная устойчивость и, как следствие, долговечность здания.
  • Паропроницаемость. Вследствие значительного процента наполняющего материала на бетонополистирол переносится и часть его качеств. Полистирол отличается крайне низкой паропроницаемостью. В случае использования для строительства этого компонента следует позаботиться о хорошей вентиляционной системе.

В противном случае, внутри на стенах постройки будет скапливаться конденсат из-за повышенной влажности, что негативно скажется и на здоровье, и на внутреннем покрытии, например, обоях. Постоянная сырость поспособствует развитию плесени и грибков, от которых не так просто избавиться даже во время капитального ремонта квартиры.

Так как все эти недостатки можно в некоторой степени компенсировать различными способами, то полистиролбетон пользуется значительной популярностью у застройщиков.

Сравнительная характеристика стройматериалов

Для сравнения приведена таблица удельной плотности и веса различных видов бетона, из которой явственно видно, насколько бетон с полистиролом легче остальных разновидностей.

Вид бетонаУдельная плотность, кг/м3
Полистиролбетон (в зависимости от марки цемента и процентного содержания полистирола)150−600
Особо тяжелые бетоны (магнетитовые, лимонитовые, баритовые и др.)около 2500
Конструктивные бетоны (с пемзой, керамзитом, аглопоритом, туфом и другими подобными наполнителями)1500−1800
Тяжелый бетон с гранитовым наполнением2100−2300
Бетонные растворы с известняком1900
Гравийные смеси (в зависимости от размера фракции)1800−2100

Кроме того, теплопроводность полистирола позволяет делать стены более тонкими, что уменьшает трудозатраты на строительство, а также финансовые затраты на транспортировку и погрузку стройматериала.

Бетон и сам имеет хорошую теплоемкость, а в сочетании с полистиролом он является просто незаменимым теплоизоляционным материалом, который может использоваться как самостоятельно, так и для дополнительного утепления помещений.

Применение в строительстве

Бетон и сходные ним по составу смеси использовались еще во времена Римской империи. Тогда, конечно, составляющие несколько отличались от современного материала, однако можно с уверенностью сказать, что и тогда эти конструкции отличались высокой прочностью.

В наше время бетон используется для строительства повсеместно — это едва ли не самый распространенный стройматериал. Учитывая его многочисленные положительные свойства, его лидерство вполне оправдано.

Бетонные смеси применяются для заливки фундаментов любой сложности, из них изготавливают как монолитные заливные конструкции, так и сборные. К сборным относятся плиты для возведения стен и потолочных перекрытий, балки и другие. Железобетонные конструкции, как обладающие повышенной прочностью, применяют в строительстве шахт для укрепления стен горных выработок, метро, мостов, плотин, атомных электростанций и других строений с повышенной нагрузкой и высокими требованиями к надежности и безопасности.

В зависимости от состава существует много разновидностей бетона. Это позволяет подобрать подходящий материал с необходимыми свойствами в любой отрасли промышленности.

Бетоном укрепляют неустойчивые грунты и герметизируют щели, используют для облицовки как внутренних стен помещения, так и фасадов. Асфальтобетонной смесью повышенной прочности выстилают автодороги и взлётно-посадочные полосы. Кроме того, бетон используют для изготовления тротуарной плитки, декоративного искусственного камня для наружной и внутренней отделки. Специальные гидротехнические смеси применяют в строительстве каналов, бассейнов и водохранилищ, а также небольших искусственных водоемов на частных участках.

При проектировании любых строительных работ следует учитывать все характеристики бетонных смесей и требования к конструируемому сооружению. Немаловажным показателем служит теплоемкость бетона в квт, а также теплопроводность, особенно при построении жилых помещений.

Какая существует теплоемкость бетона? — Блог о строительстве

Источники:

  • betonobeton. ru
  • ostroymaterialah.ru
  • stroitel5.ru

Удельная теплоемкость бетона равна. Плотность и удельная теплоемкость кирпича

Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью , т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.

Таблица 1. Сравнение некоторых теплоаккумулирующих материалов
Материал Плот-
ность, кг/м 3
Тепло-
емкость, кДж/(кг*K)
Коэффи-
циент тепло-
провод-
ности, Вт/(м*K)
Масса ТАМ для тепло-
аккумули-
рования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, кг
Отно-
ситель-
ная масса ТАМ по отно-
шению к массе воды, кг/кг
Объем ТАМ для тепло-
аккумули-
рования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, м 3
Отно-
ситель-
ный объем ТАМ по отно-
шению к объему воды, м 3 /м 3
Гранит, галька 1600 0,84 0,45 59500 5 49,6 4,2
Вода 1000 4,2 0,6 11900 1 11,9 1
Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) 14600
1300
1,92
3,26
1,85
1,714
3300 0,28 2,26 0,19
Парафин 786 2,89 0,498 3750 0,32 4,77 0,4

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем — гальку, гравий и т.п. Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м 3 , в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м 3 .

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:

  • нефть — 11,3;
  • уголь (условное топливо) — 8,1;
  • водород — 33,6;
  • древесина — 4,2.

При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14…17 Вт*ч/кг, а в воде — 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:

  • лед (таяние) — 93;
  • парафин — 47;
  • гидраты солей неорганических кислот — 40…130.

К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов — бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м 3) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2. Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м 3 выше (2328,8 кДж/м 3), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м 3).

Общая тепловая емкость песчаной горной породы использующейся в качестве строительного материала. Что такое коэффициент «С»: (уд.) удельная теплоемкость ПЕСКА (песчаного материала). Чем отличаются эти виды теплофизических характеристик природного мелкозернистого материала, почему нельзя обойтись одним физическим параметром, описывающим тепловые свойства и зачем понадобилось вводить коэффициент «умножать сущности, усложняя жизнь нормальным людям»?

Не удельной, а общей тепловой емкостью, в общепринятом физическом смысле, называется способность вещества нагреваться. По крайней мере так говорит нам любой учебник по теплофизике — это классическое определение теплоемкости (правильная формулировка). На самом деле это интересная физическая особенность. Мало знакомая нам по бытовой жизни «сторона медали». Оказывается, что при подведении тепла извне (нагреве, разогреве), не все вещества одинаково реагируют на тепло (тепловую энергию) и нагреваются по разному. Способность ПЕСКА кварцевого намывного природного получать, принимать, удерживать и накапливать (аккумулировать) тепловую энергию называется теплоемкостью ПЕСКА речного . А сама , является физической характеристикой горной породы, описывающей теплофизические свойства строительной песчаной смеси. При этом, в разных прикладных аспектах, в зависимости от конкретного практического случая, для нас важным может оказаться что-то одно. Например: способность вещества принимать тепло или способность накапливать тепловую энергию или «талант» удерживать ее. Однако, не смотря на некоторую разницу, в физическом смысле, нужные нам свойства будут описаны теплоемкостью песчаного материала .

Небольшая, но очень «гадкая загвоздка» имеющая принципиальный характер заключается в том, что способность нагреваться — тепловая емкость мелкозернистой песчаной породы , непосредственно связана не только с химическим составом, молекулярной структурой вещества, но и с его количеством (весом, массой, объемом). Из-за такой «неприятной» связи, общая теплоемкость песчаного материала становится слишком неудобной физической характеристикой вещества. Так как, один измеряемый параметр, одновременно описывает «две разные вещи». А именно: действительно характеризует теплофизические свойства ПЕСКА , однако, «попутно» учитывает еще и его количество. Формируя своеобразную интегральную характеристику, в которой автоматически связана «высокая» теплофизика и «банальное» количество вещества (в нашем случае: строительного сыпучего материала).

Ну зачем нам нужны такие теплофизические характеристики сыпучего материала, у которых явно прослеживается «неадекватная психика»? С точки зрения физики, общая теплоемкость песчаной породы (самым неуклюжим способом), пытается не только описать количество тепловой энергии способной накопиться в мелкозернистом строительном материале, но и «попутно сообщить нам» о количестве кварцевого ПЕСКА . Получается абсурд, а не внятная, понятная, стабильная, корректная теплофизическая характеристика песчаной горной породы . Вместо полезной константы, пригодной для практических теплофизических расчетов , нам «подсовывают» плавающий параметр, являющийся суммой (интегралом) количества тепла принятого ПЕСКОМ и его массой или объемом мелкозернистой горной породы.

Спасибо конечно, за такой «энтузиазм», однако количество ПЕСКА речного намывного я могу измерить и самостоятельно. Получив результаты в гораздо более удобной, «человеческой» форме. Количество ПЕСКА кварцевого сухого мне хотелось бы не «извлекать» математическими методами и расчетами по сложной формуле из общей теплоемкости песчаного материала для строительных работ , при различных температурах, а узнать вес (массу) в граммах (гр, г), килограммах (кг), тоннах (тн), кубах (кубических метрах, кубометрах, м3), литрах (л) или миллилитрах (мл). Тем более, что умные люди давно придумали вполне подходящие для этих целей измерительные инструменты. Например: весы или другие приборы.

Особенно «раздражает плавающий характер» параметра: общая теплоемкость ПЕСКА строительного . Его нестабильное, переменчивое «настроение». При изменении «размера порции или дозы», теплоемкость ПЕСКА при различных температурах сразу меняется. Больше количество горной породы, физическая величина, абсолютное значение теплоемкости песчаного материала — увеличивается. Меньше количество горной породы, значение тепловой емкости песчаной смеси уменьшается. «Безобразие» какое-то получается! Другими словами, то что мы «имеем», ни как не может считаться константой, описывающей теплофизические характеристики ПЕСКА при различных температурах . А нам желательно «иметь» понятный, постоянный коэффициент, справочный параметр, характеризующий тепловые свойства кварцевой песчаной смеси, без «ссылок» на количество сыпучего строительного материала (вес, массу, объем). Что делать?

Здесь нам на помощь приходит очень простой, но «очень научный» метод. Он сводится к не только к приставе «уд. — удельная» , перед физической величиной, но к изящному решению, предполагающему исключение из рассмотрения количества вещества. Естественно, «неудобные, лишние» параметры: массу или объем ПЕСКА кварцевого исключить совсем невозможно. Хотя бы по той причине, что если не будет количества намывной песчаной смеси, то не останется и самого «предмета обсуждения». А вещество должно быть. Поэтому, мы выбираем некоторый условный стандарт массы сыпучей породы или объема песчаного материала, который можно считать единицей, пригодной для определения величины нужного нам коэффициента «С». Для веса ПЕСКА кварцевого мытого , такой единицей массы песчаной смеси, удобной в практическом применении, оказался 1 килограмм (кг).

Теперь, мы нагреваем один килограмм ПЕСКА на 1 градус, а количество тепла (тепловой энергии) , нужное нам для того чтобы нагреть сыпучий песчаный материал на один градус — это и есть наш корректный физический параметр, коэффициент «С» , хорошо, достаточно полно и понятно описывающий одно из теплофизических свойств ПЕСКА при различных температурах . Обратите внимание на то, что теперь мы имеем дело с характеристикой описывающей физическое свойство вещества, но не пытающейся «дополнительно поставить нас в известность» о его количестве. Удобно? Нет слов. Совершенно другое дело. Кстати, теперь мы уже говорим не про общую тепловую емкость песчаной смеси . Все изменилось. ЭТО УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПЕСКА речного мытого , которую иногда называют по другому. Как? Просто МАССОВАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПЕСКА кварцевого . Удельная (уд.) и массовая (м.) — в данном случае: синонимы, они и означают здесь нужный нам коэффициент «С» .

Таблица 1. Коэффициент: удельная теплоемкость ПЕСКА (уд.). Массовая тепловая емкость ПЕСКА речного. Справочные данные для сыпучих строительных материалов естественного происхождения: горная порода, песчаная смесь.

Принято считать, что любой песок подходит для проведения строительных работ. Но это не так. Во-первых, необходимо применять только специальные строительные виды. Во-вторых, необходимо учитывать их индивидуальные особенности.

Удельный вес и теплоемкость этого материала играют немаловажную роль при выборе одного из его видов, о них и будет рассказано в этой статье.

Его удельные характеристики зависят от вида материала. Существует несколько его разновидностей. По происхождению подразделяется на природный и искусственный. Первый вид в зависимости от места добычи имеет следующие разновидности:

Карьерный

Карьерный песок добывается в результате разрушения горных пород. Его зерна могут быть от 0,16 до 3,2 мм. Из-за особенностей добычи Получается невысокого качества, так как содержит множество примесей в виде глины и пыли.

Дробленый

Получается за счет разрушения и измельчения горных пород. Этот процесс происходит на специальном оборудовании, поэтому добыча этого песка отражается на его высокой стоимости. Из-за получаемой неправильной формы песчинки хорошо связываются между собой и другими строительными веществами. При добавлении такого материала уменьшается расход бетона.

Применение : Его используют для бетонных конструкций, при заливке дорог и тропинок, а также в качестве наполнителя для сухих смесей.

Вышеперечисленные разновидности песка различаются окраской. Так, карьерный имеет желтый и коричневый оттенок, а речной встречается кремового и серого цвета.

Искусственный

Считается таковым, потому как проходит специальную обработку, после которой получается материал, отличающийся по свойствам от своего оригинала. Создается дроблением природных камней.

Кварцевый

Является самым востребованным из всех искусственных видов. Его получают в результате измельчения белого кварца. После определенной обработки производится однородный состав без примесей. Эта его особенность дает возможность рассчитать точные размеры будущей конструкции.

Применение : кварцевый вид широко используется в отделочных и декоративных работах, иногда его добавляют при создании цементного раствора, но это происходит крайне редко. Обычно он входит в состав красок, шпатлевки и дренажных фильтров.

Существует также формовочный песок, его используют во время формовки в металлических моделях.

Определение величины

Это величина равна массе, помещающейся в единице объема. Проще говоря — плотность. Чаще всего в справочной литературе измеряется в г/см 3 или кг/ м 3 .

Удельный вес песка зависит от количества, содержащихся в нем примесей и влУажности материала. Большое содержание воды увеличивает удельный вес, приходящийся на единицу объема. Также этот показатель будет зависеть от места хранения песка, которое бывает:

  • естественного залегания;
  • расположение материала насыпом;
  • искусственного уплотнения.

Один и тот же вид песка при этих условиях будет иметь разные значения.

По ГОСТ 8736-77 указано, что удельный вес строительного песка может колебаться от 1150 до 1700 кг/м 3 .

В таблице для примера приведено несколько значений отдельных его разновидностей.

Вид песка Удельный вес в кг/1 м 3
Речнойнамывнойуплотнительный 1200-1700
1650
1590
Карьерный 1500
Морской 1620
Кварцевый 1600-1700
Мокрый 1920

Теплоемкость

Это способность материала принимать, накапливать и удерживать энергию. Теплоемкость является показателем теплофизических свойств песка. Способность нагреваться зависит от химического состава, структуры и количества применяемого материала. Поэтому общий показатель будет зависеть от его сухости. Важен для цементных составов и при бетонировании стен.

Разновидность песка Удельная теплоемкость в кДж/кг на 1 0
Мокрый кварцевый 2,09
Речной сухой 0,8
Карьерный 0,84
Морской 0,88

Строительный песок является универсальным материалом, без которого не обходится ни одно строительство. Это экологически чистое составляющее растворов и смесей. Устойчив к горению и не подвержен гниению. При выборе его вида с высокой удельной теплопроводностью бетонная конструкция с ним станет аккумулировать тепло и в помещении будет создан оптимальный микроклимат. Это состояние может сохраняться достаточно длительное время. Использование песка с высоким показателем удельного веса поможет сэкономить на цементе.

Песок считается самым распространенным материалом , который используется во всех сферах жизнедеятельности человека особенно в строительстве. Вряд ли найдется современное здание, где бы ни применялся песок, как составляющий материал. Его используют для бетонной смеси или обычного раствора для кладки кирпичной стены.

Достоинства

Песок обладает рядом достоинств, благодаря которым здание эксплуатируется долгие годы. К основным можно отнести:

  • сейсмоустойчивость;
  • хорошо переносит резкие перепады температур, от сильных морозов до жаркого климата;
  • низкое сжатие материала, помогает размещать на нем тяжелое основание, а заодно дополнительно амортизировать всю постройку. Это особо актуально в районах с частыми землетрясениями;
  • водопроницаемость, которая позволяет проводить очистку многих жидкостей;
  • широкий спектр применения в других областях.

Для удобства определения теплоемкости материала, в данном случае песка, используются готовые таблицы, в которых приведены расчеты. Их и применяют строители для проведения вычислений.

Теплопроводность также является важным значением, учитываемым при планировании теплоизоляционных работ. Подбор правильного материала очень важен, от него зависит, какое количество тепловой энергии вам придется затрачивать на обогрев готового помещения.

Главная проблема, это низкая теплоемкость песочного материала и готовое помещение, особенно если это жилой дом, требует дополнительной теплоизоляции. Теплопроводность зависит от плотности самого материала. Еще одним важным моментом является влажность песка.

Как указано в таблице ниже, при ее повышении увеличивается и теплопроводность песочного материала.

Табличное выражение основных параметров теплопроводности песка

Данная таблица поможет как начинающим строителям, так и тем, кто не новичок в этом деле, быстро и точно рассчитать необходимое количество песочного материала для будущей застройки.


Если используется строительный вид песка стандартного ГОСТ образца, то при массе 1600 кгм3 теплопроводность будет составлять 0,35 Вт м*град., а теплоемкость 840 Джкг*град.

Если используется влажный речной песок, то параметры будут такие: масса от 1900 кгм3 имеет теплопроводность 0,814 Вт м*град, а теплоемкость 2090 Джкг*град.

Все эти данные взяты из различных пособий о физических величинах и теплотехнических таблиц, где приведены многие показатели именно для строительных материалов. Так что полезным будет иметь такую книжечку у себя.

Какой песок лучше всего использовать для изготовления бетона?

Повсеместное использование песка в строительных работах позволяет расширить круг применения. Он является универсальным средством для приготовления различного вида раствора:

  • для бетонных смесей;
  • на ;
  • стен;
  • укладку стен блоками или кирпичом ;
  • заливку несущих пли;
  • изготовление монолита.

Перечислять можно еще, главное понять суть. Но при возведении различного рода конструкций используется песок с различным составом и свойствами.

Уникальное свойство, перехода из рыхлого состояния в плотное. Позволяет использовать этот материал для защитной и естественной амортизации основы строения.

Если выделять производственную составляющую бетона, то здесь строительные организации да и частные строители отдают предпочтение именно речному песку. Его свойства позволяют начать использование без дополнительных манипуляций вроде промывки, как например карьерного.

Самым чистым среди добываемых песков является тот, который добывается со дна действующих рек. Он проходит дополнительный промывочную обработку и может сразу же использоваться по назначению. Однородная масса и отсутствие лишних примесей делают этот вид песка самым востребованным, несмотря на стоимость.

Особенный материал и требует точного расчета пропорций составляющих, а его качество зависит от наличия глинистых пород в песке. Ведь свойства глины в обволакивании песчинок добытого материала, что напрямую воздействует на качественное сцепление песка с другими составляющими бетонной смеси, в числе которых цемент.

По характеристикам песок еще делится на классы :

  • первый класс;
  • второй класс;
  • специальные пески.

Каждая из перечисленных групп используется для применения бетонных изделий, но только для узкого круга. Так, например, первый класс используется для отливки бетона, чьими основными характеристиками является:

  • качество;
  • высокая сопротивляемость к внешним воздействиям;
  • резкие перепады температуры, в числе которых морозостойкость.

Пески, относящиеся ко второму классу, применяются лишь для изготовления материалов, не требующих повышенной влагостойкости, например для плитки или облицовочных конструкций.

Специальные песчаные смеси необходимы при возведении бетонных или железобетонных конструкций. Подобные смеси позволяют усилить ряд показателей на сжатие и устойчивость к перепадам атмосферных сред.

Более подробно о свойствах и применении песка смотрите на видео:

Заключение

Песок — это уникальный природный материал, который помогает решать многие строительные вопросы. Свойства данного материала позволяют использовать его при возведении сложнейших конструкций.

А благодаря низкой теплоемкости этот материал идеально подходит для возведения помещений, где требуется поддерживать низкие температуры без резких перепадов.

Испокон веков песок использовался человеком, и считался самым надежным строительным материалом, который создала природа. Многообразие видов и сфер применения, помогает заранее продумать, какими свойствами будет обладать построенное здание.

Во время работ по возведению бетонного дома выполняют специальные расчеты, для которых необходимо знать такую величину, как теплоемкость. То есть, то количество теплого воздуха, которое передается раствору и изменяет его температуру, хотя бы на единичку.

Величина или класс бетона, который подвержен модификации, называют коэффициентом или постоянной необходимой для расширения состава. Она составляет 0,00001 (°С)-¹. Значит, что при изменении температуры на 60°С, расширение составит 0,6 мм/м. Поэтому для любого бетонного сооружения необходимы так называемые температурные швы.

Для нашей страны эта величина на 1 мм составляет 1,1 мм. Исходя из этих данных, 0,3 мм указывает на усадку, +0,6 – коэффициент температуры. В СНИП – е рассмотрены большие размеры, но при этом необходимо учесть тот факт, что изменение на 80°С может повлечь за собой появление трещин в бетоне, имеющим жесткий заполнитель. Поэтому берут во внимание разницу коэффициента расширения и наполнителя (внутреннего).

Теплоемкость бетонного состава

Так как существует много видов раствора, то данная величина также различна. Например, для монолитного воздушно-сухого бетона она составляет 1,35 Вт(м*°С). А это значит, что удельная теплоемкость бетона высокая и поэтому, все наружные стенки строения нужно утеплить.-6, отметим, что у стали он точно такой же.

Что такое удельный вес бетона?

При реставрационных работах, капитальном или точечном ремонте нужно не только приобрести необходимое количество материала, но и сделать расчет по характеристикам. Такое понятие как удельный вес не используют, но все виды бетона отличаются по примененным компонентам. Хотя чаще всего в качестве наполнителя применяют щебень, гальку и другие материалы, но, даже используя одинаковое их количество, не удается сделать идентичный раствор, так как гранулы одного и того же элемента могут отличаться друг от друга (по форме и размеру). Чем они крупнее, тем больше поры в структуре бетона.

Но при проведении работ строителей интересует, сколько весит материал. Ведь по этому параметру и определяют специфику его применения, так как именно по этой величине рассчитывают конструкции с учетом местного климата и других условий. Например, при возведении фундамента, для определения его типа (с учетом почвы на участке), необходимо знать, сколько составляет удельная масса бетона, то же самое касаемо перекрытий, несущей конструкции и др.

Специалисты чаще применяют такое понятие, как «объемный вес», но данная величина не является постоянной. А вес данного строительного материала полностью зависит от тех компонентов, из которых его готовят. Также сюда нужно приплюсовать и воду, которая необходима для замеса.

Учитывая все эти ингредиенты, различают следующие типы бетона:

  1. тяжелый и особо тяжелый;
  2. легкий и особо легкий.

Рассмотрим каждый вид в отдельности.

Тяжелый бетон

Для его приготовления применяют крупнофракционную щебенку или гравий. Таким раствором производят заливку фундаментов, возводят несущую конструкцию. У специалистов имеется приблизительное соотношение ингредиентов, которое может изменяться, а вместе с ней варьирует вес бетона (от 1,8 до 2,5 т/м³).

Особо тяжелый материал применяют редко, только во время строительства специальных промышленных объектов. В качестве крупного заполнителя используют гематит, барит и др. Иногда в состав раствора добавляют железную руду и чугунную дробь. От их количества зависит вес бетона. А цемент должен быть только высокого качества. Такой вид бетона имеет удельную массу от 2,5 до 3,0 т/м³.

Легкий и особо легкий бетон

Данный раствор образовывает структуру с порами, вес материала варьирует от 0,5 до 1,8 т/м³. Для такого типа бетона в качестве наполнителя применяют пемзу, туф и др.

Максимальный вес 1 м³ особо легкого материала до 0,5 т, а в строительстве он используется как теплоизолятор, во время работ по гидроизоляции шва, стыка или его применяют при заделывании трещин. В качестве наполнителя используют перлиты, вермикулит и др.


Как определить удельное сопротивление?

Для того чтобы вычислить этот показатель необходимо взять образец – куб с ребрами в 20 см. Его подключают к переменному току, при этом частота промышленная. Бетон укладывают в форму имеющую размеры 20Х20Х20 см. Дно и противоположные стены конструкции выполняются из материала, который не проводит ток, а другие стороны стальные – пластинчатые электроды.

Напряжение регулируют трансформатором. К кубу подключают вольтметр (параллельно) и миллиамперметр (последовательно). Их измерительный механизм относится к электромагнитной системе. Также к кубу подсоединен ваттметр имеющий механизм ферродинамической системы.

Подключив данную конструкцию, вычисляют удельное сопротивление бетона, которое определяется формулой:

  • P = 0,2 V/ I, где P – удельное сопротивление;
  • V – показания вольтметра;
  • I – показания амперметра.

Следует учесть, что при этом ваттметр (его показания) удерживают на начальной величине.

Заключение

Это экспериментальный вариант расчета данной величины.

Отметим, что существуют и другие методы позволяющие произвести вычисление не только удельного сопротивления, но и веса бетона.

Бетон Теплоемкость — Энциклопедия по машиностроению XXL

Рассмотрим конкретный типовой пример решения задачи о распределении температур в неограниченной пластинке. Предположим, что решается задача для бетонной стенки толщиной 2Я = 1 м, коэффициент теплопроводности бетона А, = 1,94 Вт/м град, удельная теплоемкость бетона с = 837 Дж/кг град, плотность у = = 2000 кг/м . На границах стенки постоянно поддерживается температура Т =0. Начальное распределение температур задано в виде Т (х) = 20 sin Найдем распределение температур в степке через 10 и 20 ч.  [c.105]
Теплопроводность ячеистого бетона зависит от его плотности и влажности. Теплоемкость составляет в среднем 0,84 кДж/(кг °С).  [c.313]

Ai, >2, ai, 02 — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности бетона и основания с, р — теплоемкость и плотность бетона h — толщина покрытия t,x — текущие время и координата.  [c.281]

Теплоемкость материалов необходимо учитывать при подготовке составляющих бетона, при тепловой обработке изделий и т. п., так как величина теплоемкости определяет необходимое количество тепла, а следовательно, и топлива.  [c.9]

Для воды коэффициент теплоемкости равен 1 ккал/кг град. Коэффициент теплоемкости теплоизоляционных материалов и изделий значительно ниже, чем у воды, так, например, асбест, диатомит, трепел, цемент имеют коэффициент теплоемкости 0,2 ккал/кг град пробка, торф — 0,45 ккал/кг град пористый кирпич, легкий бетон — 0,21 ккал/кг-град.  [c.21]

Более совершенной является конструкция стены с отверстиями на нижнем и верхнем уровнях для циркуляции воздуха. При этом существенно улучшается передача теплоты в помещения. Регулирование движения воздуха можно осуществлять с помощью поворотных заслонок. Может также использоваться вентилятор небольшой мощности. При использовании пассивной гелиосистемы с теплоаккумулирующей стеной Тромба расстояние между нею и внутренней стеной здания ограничено, так как эффект лучистого отопления распространяется на расстояние 5—7 м. Бетонная или каменная теплоаккумулирующая стена может быть заменена на так называемую водяную стену, состоящую из установленных друг на друга резервуаров (бочек) с водой, причем эта система даже более эффективна (КПД достигает 35 %), поскольку вода имеет высокую удельную теплоемкость. Однако этот тип пассивных систем не подходит для районов с холодным климатом с преобладанием пасмурных дней в зимний период.  [c.70]

Ниже приведены теплоемкости, которые имеют некоторые материалы (кдж1кг-град) сталь —0,48 вода —4,19 бетон — 0,88 кирпичная кладка — 0,92 и дерево — 2,7.  [c.289]

Предусмотреть эти процессы и принять соответствующие технические решения без предварительных расчетов весьма сложно, так как для этого необходима полная информация о происходящих в природе изменениях (изменение температуры и влажности внешней среды, солнечной радиации, скорости ветра и т.д.). Кроме того, необходимо знать такие характеристики материалов покрытия (бетон, асфальт) и основания, как теплопроводность, влагопроводность, температуропроводность, коэффициенты переноса тепла и переноса вещества, удельная теплоемкость и массоемкость материалов, удельная теплота фазовых превращений, интенсивность внутренних источников тепла и влаги и др., а также законы изменения этих свойств в зависимости от изменения температуры и влажности в широких пределах — от повышенных температур вплоть до низких отрицательных.  [c.80]


Практика показывает, что наибольшее число грубых ошибок наблюдается в тех случаях, когда архитектор решает задачу солнцезащиты неком-п.лексно и на последних стадиях проектирования. Наиболее распространенной ошибкой является применение массивных и теплоемких затеняющих экранов, монолитно связанных с основной ограждающей конструкцией (незащищенные лоджии, бетонные пространственные структуры). Такие конструкции аккумулируют солнечное тепло и путем теплообмена с остеклением дополнительно передают его в помещение. Нередки случаи применения солнцезащитных устройств без учета ориентации здания по сторонам горизонта и использования солнцезащитного стекла, уменьшающего лишь тепловую радиацию Солнца и не устраняющего его слепящее действие. В таких общественных зданиях, как школа,  [c.106]

Стены (см.) должны удовлетворять условиям устойчивости и прочности, быгь малотеплопроводными, достаточно теплоемкими, воздухопроницаемыми, сухими и экономичными. Толстые массивные стены заменяются в настоящее время легкими Большое применение имеют каркасные стены, состоящие из металлического, каменного или желевобегон-ного каркаса, с заполнением его различными материалами-заполнителями — в виде листов, плиг или отдельных легких камней. Легкий бетон, облегченные кирпичи и теплый раствор при кладке иа обыкновенного кирпича — все это весь.ма распространенные стеновые материалы. Ж. 3. в большинстве случаев делаются из древесины. Облегчение и упрощение междуэтажных перекрытий (см.) достигается сокращением длины перекрываемых пролетов, а следовательно и размеров балок, уменьшением толщины пиломатериалов, идущих на изготовление чистых и черных полов и для подшивки. При устройстве перекрытий по железным балкам заполнение между ними делается такое же, как и при деревянных балках, или же огнестойкое — бетонное, железобетонное, а также из легких и прочных плит. К недостаткам огнестойких перекрытий относится их большая звукопроводность, устранение которой вызывает значительные затраты.  [c.25]

По сравнению с другими строительными материалами (железом, кирпичом, бетоном) коэф. линейного расширения Д. вдоль волокон значительно меньше (в 5—10 раз), что является весьма пенной особенностью Д., позволяющей отказаться в деревянных конструкциях от темп-рных швов. Способность поглощать тепло называется теплоемкостью и характеризуется удельной теплоемкостью. Теплоемкость абсолютно сухой Д. почти не зависит от породы и в пределах темп-ры от О до 160° в среднем равна 0,327, т. е. в три раза меньше, чем для поды (Dunlap). Колебания удельной теплоемкости для Д. разньсх пород не выходят из пределов 3%. Большое влияние на теплоемкость Д. оказывает ее влажность во влажной Д. об[цая теплоемкость складывается из теплоемкости древесного вещества и воды, а т. к. теплоемкость воды больше воздуха, к-рый она заменяет в Д., то теплоемкость Д. увеличивается с возрастанием влажности. Теплоемкость Д. имеет большое значение в тех случаях, когда Д. подвергается нагреванию. Напр, при расчете сушильных, парильных и варочных устройств необходимо знать теплоемкость Д., т. к. от этого зависит количество тепла, теряемого с выгружаемым материалом. Равным образом при сухой перегонке  [c.100]

Вибрированный бетон имеет объемный вес 2400 кг/м . Коэффициент теплопроводности бетона примем =1,4 ккал1м-ч-град, учитывая его высокую влажность. Принимая влажность бетона равной 5%, по формуле (14) получим значение его удельной теплоемкости равным  [c.102]


Плотность бетона. Усадка и набухание бетона. Теплоемкость, теплопроводность и линейный коэффициент теплового расширения бетона.

Плотность бетона. Усадка и набухание бетона. Теплоемкость, теплопроводность и линейный коэффициент теплового расширения бетона.

Плотность бетона.

Практическая плотность тяжелого (обычного) бетона составляет 2,3 г/см3 = 2300 кг/м3. (1,8-2,7 г/см3 ).

Усадка и набухание бетона.

Изменение размера бетонных конструкций из-за изменения влажности бетона это усадка и набухание. Происходит даже при неизменной температуре.

Усадка бетона имеет довольно сложную природу, но факт в том, что при твердении бетона на воздухе — при высыхании он будет иметь усадку порядка 0,3 мм на каждый метр линейного размера. Чем больше была доля цемента в растворе, тем выше усадка. При большой толщине бетона он высохнет снаружи, а внутри — еще нет, что приводит к появлению внутренних напряжений и дефектам.

Обратный процесс — набухание сухого бетона под действием влаги характеризует та-же величина 0,3 мм/м. Чем больше была доля цемента в растворе, тем выше набухание.

Поэтому, даже для работы бетонной конструкции в условиях постоянной температуры необходимо преусматривать усадочные швы.

Теплоемкость, теплопроводность и линейный коэффициент теплового расширения бетона.

Изменение линейного размера бетона под действием температуры характеризуется линейным коэффициентом теплового (температурного) расширения. Характерной величиной коэффициента для бетона является 0,00001 (°С)-1, следовательно, при изменении температуры на 80 °С (-40/+40 °С) расширение достигает примерно 0,8 мм/м. Таким образом, в любой бетонной конструкции необходимы температурные швы.

Температурно усадочный шов в РФ уж никак не может быть менее 1,1 мм на метр линейного размера (0,3 мм — усадка, 0,8 — температурный), в СНИПах — величины выше и они, конечно, обязательны, когда обязательны. Имейте в виду, что температурные колебания более 80 °С почти наверняка вызовут растрескивание бетона с жестким наполнителем из-за разницы в тепловом раширении раствора и наполнителя.

Теплопроводность монолитного бетона в воздушно-сухом состоянии 1,35 Вт/(м*°С) = 1,5 ккал/(ч*м*°С). Высокая теплопроводность тяжелого бетона требует обязательного утепления наружных бетонных стен.

Теплопроводность пористых бетонов — от 0,35 до 0,7 Вт/(м*°С) = 0,3-0,6 ккал/(ч*м*°С), но при огромном снижении прочности.

Теплоемкость удельная тяжелого и пористых бетонов в сухом состоянии — порядка 1 кДж/(кг*°С) = 0,2 ккал/(кг °С)

Теплоемкость объемная тяжелого бетона — порядка 2,5 кДж/(м3*К) а пористых — зависит от плотности.

Теплоемкость удельная бетонной смеси (незастывшей) сотавляет порядка 1,5 кДж/(кг*°С) = 0,3 ккал/(кг °С), но помните — смесь легче тяжелого бетона и тяжелее пористого.

Теплофизические свойства бетонов | Бетон и цемент

Образцы с разной теплофизикой

Основные свойства бетона, связанные с воздействием на него тепловой энергии, это теплоемкость, теплопроводность и весьма важный в сфере строительства коэффициент линейного расширения. Без учета данных характеристик бетона невозможно добиться создания прочной конструкции здания, не склонной к разрушению под воздействием температурных колебаний.

 Теплопроводность.

Теплопроводность бетона играет существенное значение при определении его строительно-физических качеств. Уровень теплопроводности зависит от структуры составляющих бетона и его строения в целом. Да значение данной характеристики оказывает влияние несколько факторов, среди которых наибольшее значение имеют влажность бетона и его температура. Чем большее количество влаги будет содержаться в бетоне и чем до большей температуры он будет нагрет, тем большей теплопроводностью он будет обладать. При проведении практических расчетов во внимание также принимается значение интегральной пористости. Смысл этого показателя состоит в определении объемного веса бетона при температуре +25С в высушенном до неизменяемого веса состоянии (рис. 1).

Таблица теплопроводности

 

Кроме того, в строительной практике также может быть использована для расчета теплопроводности формула Б. Н. Кауфмана:

где под корнем стоит фиксированный коэффициент при указанных выше условиях: +25С и полная просушка. Измеряется это значение в ккал/м-ч-град, для высушенного бетона объемный вес выражается в т/м3.

Между тем, приведенная формула не может быть признана единственно верным способом расчета теплопроводности бетона, т.к. в ней не учитываются показатели пористости бетона, т.е. данные о распределении пор по типоразмеру, о степени сообщаемости или замкнутости. Поэтому с помощью данной формулы наиболее близкие к фактической действительности данные можно получить лишь в том случае, когда на стройке используются бетоны одинакового строения и созданные на заполнителях идентичного строения. Приводить здесь и использовать на практике универсальную и наиболее точную формулу для вычисления фактического уровня теплопроводности бетона не имеет смысла, поскольку она учитывает абсолютно все характеристики бетона. Получить подобные данные в условиях индивидуального жилищного строительства весьма проблематично, да и бессмысленно, т.к. при малых масштабах стройки и небольших конструкционных нагрузках небольшая ошибка в значении теплопроводности бетона особой роли не играет.

Коэффициент температурного расширения и теплоемкость бетона.

Под коэффициентом температурного расширения бетона в строительной практике принято понимать величину отклонения физических размеров бетона при изменении его температуры. Если упростить определение, то коэффициент расширения помогает определить, насколько увеличатся длина и ширина бетонного блока, если температура воздуха повысится на сколько-то градусов. Непринятие в расчет этого показателя моет привести к разрушениям возведенных из бетона конструкций при сезонных колебаниях температур.

Тепловое расширение способно привести к растрескиванию

Показатели коэффициентов температурного расширения бетона и стали приблизительно одинаковы, что широко используется при создании железобетонных конструкций высокой прочности.

От показателя теплоемкости бетона зависит скорость прогрева бетона до нужной температуры, а значит, и до нужных физических характеристик. Без учета теплоемкости зачастую попросту невозможно рассчитать время подачи жидкого бетона на объект строительства, особенно в холодное время года. Обычное значение этого показателя для большинства распространенных марок бетона колеблется в пределах от 0,28 до 0,33 ккал/кг .

Таблица удельной теплоемкости строительных материалов

Создание оптимального микроклимата и расход тепловой энергии на отопление частного дома в холодное время года во многом зависит от теплоизоляционных свойств строительных материалов, из которых возведена данная постройка. Одной из таких характеристик является теплоемкость. Это значение необходимо учитывать при выборе стройматериалов для конструирования частного дома. Поэтому далее будет рассмотрена теплоемкость некоторых строительных материалов.

Свойства и классификация строительных материалов.

Определение и формула теплоемкости

Каждое вещество в той или иной степени способно поглощать, запасать и удерживать тепловую энергию. Для описания этого процесса введено понятие теплоемкости, которая является свойством материала поглощать тепловую энергию при нагревании окружающего воздуха.

Чтобы нагреть какой-либо материал массой m от температуры tнач до температуры tкон, нужно будет потратить определенное количество тепловой энергии Q, которое будет пропорциональным массе и разнице температур ΔТ (tкон-tнач). Поэтому формула теплоемкости будет выглядеть следующим образом: Q = c*m*ΔТ, где с — коэффициент теплоемкости (удельное значение). Его можно рассчитать по формуле: с = Q/(m* ΔТ) (ккал/(кг* °C)).

Условно приняв, что масса вещества равна 1 кг, а ΔТ = 1°C, можно получить, что с = Q (ккал). Это означает, что удельная теплоемкость равна количеству тепловой энергии, которая расходуется на нагревание материала массой 1 кг на 1°C.

Вернуться к оглавлению

Использование теплоемкости на практике

Таблица теплоемкости строительных материалов.

Строительные материалы с высокой теплоемкостью используют для возведения теплоустойчивых конструкций. Это очень важно для частных домов, в которых люди проживают постоянно. Дело в том, что такие конструкции позволяют запасать (аккумулировать) тепло, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура достаточно долгое время. Сначала отопительный прибор нагревает воздух и стены, после чего уже сами стены прогревают воздух. Это позволяет сэкономить денежные средства на отоплении и сделать проживание более уютным. Для дома, в котором люди проживают периодически (например, по выходным), большая теплоемкость стройматериала будет иметь обратный эффект: такое здание будет достаточно сложно быстро натопить.

Значения теплоемкости строительных материалов приведены в СНиП II-3-79. Ниже приведена таблица основных строительных материалов и значения их удельной теплоемкости.

Таблица 1

Материал Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, кДж/(кг*°C)
Пенополистирол 40 1,34
Минвата 125 0,84
Газо- и пенобетон 650 0,84
Гипсовые листы 800 0,84
Дерево 500 2,3
Клееная фанера 600 2,3
Керамический кирпич 1600 0,88
Бетон 2300 0,84
Железобетон 2500 0,84
Кирпичная кладка 1800 0,88

Кирпич обладает высокой теплоемкостью, поэтому идеально подходит для строительства домов и возведенияия печей.

Говоря о теплоемкости, следует отметить, что отопительные печи рекомендуется строить из кирпича, так как значение его теплоемкости достаточно высоко. Это позволяет использовать печь как своеобразный аккумулятор тепла. Теплоаккумуляторы в отопительных системах (особенно в системах водяного отопления) с каждым годом применяются все чаще. Такие устройства удобны тем, что их достаточно 1 раз хорошо нагреть интенсивной топкой твердотопливного котла, после чего они будут обогревать ваш дом на протяжении целого дня и даже больше. Это позволит существенно сэкономить ваш бюджет.

Вернуться к оглавлению

Теплоемкость строительных материалов

Какими же должны быть стены частного дома, чтобы соответствовать строительным нормам? Ответ на этот вопрос имеет несколько нюансов. Чтобы с ними разобраться, будет приведен пример теплоемкости 2-х наиболее популярных строительных материалов: бетона и дерева. Теплоемкость бетона имеет значение 0,84 кДж/(кг*°C), а дерева — 2,3 кДж/(кг*°C).

На первый взгляд можно решить, что дерево — более теплоемкий материал, нежели бетон. Это действительно так, ведь древесина содержит практически в 3 раза больше тепловой энергии, нежели бетон. Для нагрева 1 кг дерева нужно потратить 2,3 кДж тепловой энергии, но при остывании оно также отдаст в пространство 2,3 кДж. При этом 1 кг бетонной конструкции способен аккумулировать и, соответственно, отдать только 0,84 кДж.

Но не стоит спешить с выводами. Например, нужно узнать, какую теплоемкость будет иметь 1 м2 бетонной и деревянной стены толщиной 30 см. Для этого сначала нужно посчитать вес таких конструкций. 1 м2 данной бетонной стены будет весить: 2300 кг/м3*0,3 м3 = 690 кг. 1 м2 деревянной стены будет весить: 500 кг/м3*0,3 м3 = 150 кг.

Таблица сравнения теплопроводности бревна с кирпичной кладкой.

Далее нужно посчитать, какое количество тепловой энергии будет содержаться в этих стенах при температуре 22°C. Для этого нужно теплоемкость умножить на температуру и вес материала:

  • для бетонной стены: 0,84*690*22 = 12751 кДж;
  • для деревянной конструкции: 2,3*150*22 = 7590 кДж.

Из полученного результата можно сделать вывод, что 1 м3 древесины будет практически в 2 раза меньше аккумулировать тепло, чем бетон. Промежуточным материалом по теплоемкости между бетоном и деревом является кирпичная кладка, в единице объема которой при тех же условиях будет содержаться 9199 кДж тепловой энергии. При этом газобетон, как строительный материал, будет содержать только 3326 кДж, что будет значительно меньше дерева. Однако на практике толщина деревянной конструкции может быть 15-20 см, когда газобетон можно уложить в несколько рядов, значительно увеличивая удельную теплоемкость стены.

Вернуться к оглавлению

Использование различных материалов в строительстве

Вернуться к оглавлению

Дерево

Для комфортного проживания в доме очень важно, чтобы материал обладал высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью.

В этом отношении древесина является оптимальным вариантом для домов не только постоянного, но и временного проживания. Деревянное здание, не отапливаемое длительное время, будет хорошо воспринимать изменение температуры воздуха. Поэтому обогрев такого здания будет происходить быстро и качественно.

http://ostroymaterialah.ru/www.youtube.com/watch?v=3TP5Liv9V00

В основном в строительстве используют хвойные породы: сосну, ель, кедр, пихту. По соотношению цены и качества наилучшим вариантом является сосна. Что бы вы ни выбрали для конструирования деревянного дома, нужно учитывать следующее правило: чем толще будут стены, тем лучше. Однако здесь также нужно учитывать ваши финансовые возможности, так как с увеличением толщины бруса значительно возрастет его стоимость.

Вернуться к оглавлению

Кирпич

Данный стройматериал всегда был символом стабильности и прочности. Кирпич имеет хорошую прочность и сопротивляемость негативным воздействиям внешней среды. Однако если принимать в расчет тот факт, что кирпичные стены в основном конструируются толщиной 51 и 64 см, то для создания хорошей теплоизоляции их дополнительно нужно покрывать слоем теплоизоляционного материала. Кирпичные дома отлично подходят для постоянного проживания. Нагревшись, такие конструкции способны долгое время отдавать в пространство накопившееся в них тепло.

http://ostroymaterialah.ru/www.youtube.com/watch?v=1hbfkbFtePQ

Выбирая материал для строительства дома, следует учитывать не только его теплопроводность и теплоемкость, но и то, как часто в таком доме будут проживать люди. Правильный выбор позволит поддерживать уют и комфорт в вашем доме на протяжении всего года.

Тепловая масса — Национальная ассоциация сборного железобетона

Сборный бетон может выдерживать тепло.

Автор: Claude Goguen, P.E., LEED AP

Семь миллиардов человек на планете с ограниченными ресурсами означает, что энергосбережение не является обязательным. Растущее население нашей планеты создает постоянно растущий спрос на ограниченные энергоресурсы. В современном мире каждый инженер и архитектор, участвующий в проектировании новых конструкций, ищет способы повысить эффективность отопления и охлаждения зданий.А поскольку системы HVAC 1 зданий используют около 30% всей энергии в США, существует повышенный спрос на экологически чистые и энергоэффективные конструкции зданий.

Новые и экологически чистые энергетические технологии, такие как солнечные панели, ветряные турбины и геотермальные системы, набирают популярность, но один метод экономии энергии существует уже очень давно: использование материала оболочки здания с высокой тепловой массой. Спрос на энергию — это не просто ее использование, это обеспечение комфортной температуры в помещении, когда и где мы этого хотим.Конструкции, в которых используются исключительные термические свойства сборного железобетона, могут обеспечить высокий уровень обслуживания и комфорт пассажиров при меньших затратах энергии.

Сборный железобетон — это тяжеловес для энергоэффективности
Что такое тепловая масса? Это свойство материала поглощать тепловую энергию. Сборный железобетон имеет высокую тепловую массу, поскольку для изменения его температуры требуется много тепловой энергии. Пиломатериалы намного легче нагреть и поэтому имеют меньшую тепловую массу.Материалы с высокой термальной массой, такие как сборный железобетон, действуют как тепловые губки, поглощая тепло летом, чтобы поддерживать прохладу внутри здания, и накапливают тепло от солнца, чтобы медленно отводить его ночью, когда наружная температура падает.

Тепловая масса сборного железобетона

служит для выравнивания суточных перепадов внутренней температуры и, таким образом, снижения энергопотребления системы HVAC здания. Чем больше мы можем минимизировать или сгладить разницу температур внутри здания, тем больше энергии мы сохраним.

Когда температура наружного воздуха достигает пика в летнее время, внутри сборного железобетонного здания остается прохладным, потому что требуется время, чтобы тепло проникло в бетон с его высокой тепловой массой. Эта теплопередача приводит к задержке во времени, показанной на прилагаемой диаграмме. По мере того, как это тепло передается, температура также снижается, что называется «демпфированием». Естественно более низкие ночные температуры охлаждают сборную бетонную массу (ограждающую конструкцию) и позволяют сборному железобетону снова поглощать тепло на следующий день.Высокая тепловая масса сборного железобетона эффективно задерживает и сводит к минимуму влияние колебаний наружной температуры на климат в помещении. Следовательно, это повышает энергоэффективность сооружения, что предусмотрено Законом о национальной энергетической политике 1992 года для коммерческих зданий.

Измерение тепловой массы
Так как же количественно определить тепловую массу — способность материала поглощать, накапливать и выделять тепловую энергию? Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) 90.1-2010, «Энергетический стандарт для зданий, кроме малоэтажных жилых домов», количественно определяет тепловые массовые эффекты на основе теплоемкости стены. Теплоемкость определяется как вес стены на квадратный фут, умноженный на удельную теплоемкость материала.

Удельная теплоемкость описывает способность материала накапливать тепловую энергию или количество тепловой энергии (в британских тепловых единицах), необходимое для повышения температуры одного фунта материала на один градус по Фаренгейту. Удельная теплоемкость бетона и кирпичной кладки обычно принимается равной 0.2 БТЕ / фунт · F.

Термическую массу не следует путать со значением R, также известным как тепловое сопротивление. Значение R выражается как толщина материала, деленная на теплопроводность. Коэффициент теплопроводности, k , является мерой скорости, с которой тепло проводится через единицу площади однородного материала единичной толщины при разнице температур в один градус.

R-значения и U-факторы (коэффициент теплопередачи) не учитывают влияние тепловой массы и сами по себе неадекватны для описания свойств теплопередачи строительных конструкций со значительными количествами тепловой массы, таких как сборные железобетонные здания.

Тепловые массовые свойства сборного железобетона также могут помочь проектам получить кредиты LEED. Оценка 1 LEED-NC 2 Energy & Atmosphere (EA) за оптимизацию энергетических характеристик потенциально может обеспечить до 10 баллов за снижение затрат на электроэнергию по сравнению со стандартом ASHRAE Standard 90.1-2010.

Высокая термическая масса сборного железобетона — это лишь одно из его многочисленных преимуществ; но это важный актив для проектировщиков, которые стремятся сократить расходы на электроэнергию, связанные с системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, и при этом обеспечить комфорт жителям здания.Для получения дополнительной информации о тепловой массе сборного железобетона свяжитесь с техническим персоналом NPCA по телефону [электронная почта защищена] или по телефону
(800) 366-7731.

2 LEED-NC означает «Лидерство в области энергетического и экологического проектирования для нового строительства».

Claude Goguen, P.E., LEED AP, является директором NPCA по техническим услугам.

Таблица 6 Теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность

Бетон

Газобетонная плита

0.160

840

500

Литой бетон (плотный)

1.400

840

2100

Литой бетон (легкий)

0,380

1000

1200

Литой бетон

1.130

1000

2000

Бетонный блок (тяжелый)

1,630

1000

2300

Бетонный блок (средний)

0,510

1000

1400

Бетонный блок (легкий)

0.190

1000

600

Павиур из бетона

0,960

840

2000

Пеношлак

0,250

960

1040

Блок из пенобетона

0,240

1000

750

Огнеупорный изоляционный бетон

0.250

837

1050

Вермикулит агрегат

0,170

837

450

Бетонная плитка

1.100

837

2100

Сушеный заполнитель для тяжелого бетона — CC01

1.310

837

2243

Тяжелый бетонный невыдержанный заполнитель — CC11

1,802

837

2243

Тяжелый бетонный невыдержанный заполнитель — HF-C12

1,730

837

2243

Легкий бетон — 80 фунтов — CC21

0.36

837

1282

Легкий бетон — 30 фунтов — CC31

0,130

837

481

Легкий бетон — 40 фунтов — HF-C14

0,173

837

641

Легкий бетон — HF-C2

0.380

837

609

Тяжелый бетонный блок — пустотелый — CB01

0,812

837

1618

Тяжелый бетонный блок — заполненный бетоном — CB02

1,310

837

2234

Тяжелый бетонный блок — наполненный перлитом — CB03

0.384

837

1650

Тяжелый бетонный блок — бетон с частичным заполнением — CB04

1.011

837

1826

Тяжелый бетонный блок — бетон и перлит с наполнителем — CB05

0,825

837

1842

Бетонный блок средней плотности — пустотелый — CB21

0.519

837

1218

Бетонный блок средней плотности — с бетонным заполнением — CB22

0,771

837

1842

Бетонный блок средней плотности — с перлитом — CB23

0,262

837

1250

Бетонный блок средней плотности — бетон с частичным заполнением — CB24

0.572

837

1426

Бетонный блок средней плотности — бетон и перлит с наполнителем — CB25

0,431

837

1442

Легкий бетонный блок — пустотелый — CB41

0,384

837

1041

Легкий бетонный блок — заполненный бетоном — CB42

0.639

837

1666

Легкий бетонный блок — с перлитом — CB43

0,220

837

1073

Легкий бетонный блок — бетон с частичным заполнением — CB44

0,486

837

1250

Легкий бетонный блок — бетон и перлитный наполнитель — CB45

0.360

837

1266

Гравий, постельные принадлежности и т. Д.

Каменная крошка

0.960

1000

1800

Гравий

0,360

840

1840

Грунт на гравийной основе

0,520

184

2050

Постельное белье из плитки

1.400

650

2100

Изоляционные материалы

Плита Eps

0.035

1400

25

Кремний

0,180

1004

700

Одеяло из стекловолокна

0,040

840

12

Стекловолоконная плита

0,035

1000

25

Плита из минерального волокна

0.035

1000

30

Фенольная пена

0,040

1400

30

Полиуретановая плита

0,025

1400

30

Уф-пена

0,040

1400

10

Плита из древесной шерсти

0.100

1000

500

Кирпич изоляционный вермикулитный

0,270

837

700

Огнеупорный изоляционный бетон

0,250

837

1050

Стекловата

0.040

670

200

Thermalite — высокопрочный

0,190

1050

760

Thermalite ‘Turbo’

0,110

1050

480

Thermalite ‘Shield’ / ‘Smooth Face’

0.170

1050

650

Siporex

0,120

1004

550

P.V.C

0,160

1004

1379

Полистирол

0,030

1380

25

Твердая резина

0.150

1000

1200

Доска Cratherm

0,050

837

176

Уф-пена Два

0,030

1764

30

Уф-пена Два

0,030

1764

30

Облицовка из легкого металла

0.290

1000

1250

Плотная изоляция для перекрытий Eps (пенополистирол)

0,025

1400

30

Ячеистое стекло

0,050

800

136

Стекловолокно — органическое соединение

0.036

1000

100

Вспученный перлит — органическая связка

0,052

1300

16

Вспененная резина — жесткая

0,032

1700

72

Ячеистый полиуретан

0.023

1600

24

Клеточный полиизоцианурат

0,023

900

32

Клеточный фенол — минеральное волокно со связующим на основе смолы

0,042

700

240

Плита из цементного волокна — измельченная древесина со связующим

цемента оксисульфида магнезии

0.082

1300

350

Вермикулит вспученный

0,068

1300

120

Войлок и мембрана — Войлок — HF-E3

0,190

1674

1121

Войлок и мембрана — Отделка — HF-A6

0.415

1088

1249

Минеральная вата / волокно — Батт — IN01

0,043

837

10

Минеральная вата / волокно — наполнитель — IN11

0,046

837

10

Минеральная вата / волокно — наполнитель — IN12

0.046

837

11

Целлюлозный наполнитель — IN13

0,039

1381

48

Изоляционная плита — HF-B2

0,043

1381

48

Изоляционная плита — HF-B5

0.043

837

32

Предварительно формованная минеральная плита — IN21

0,042

711

240

Пенополистирол — IN31

0,035

1213

29

Вспененный полиуретан — IN41

0.023

1590

24

Формальдегид мочевины — IN51

0,035

1255

11

Обшивка изоляционной плитой — IN61

0,055

1297

288

Изоляционная плита для черепицы — IN63

0.058

1297

288

Изоляционная плита Обшивка основания гвоздя — IN64

0,064

1297

400

Предварительно формованная изоляция крыши — IN71

0,052

837

256

Металл

Сталь

50.000

480

7800

Медь

200.000

418

8900

Алюминий

160.000

896

2800

Облицовка из легкого металла

0,290

1000

1250

Стальной сайдинг — HF-A3

44.970

418

7690

Штукатурка

Штукатурка (плотная)

0.500

1000

1300

Гипс (легкий)

0,160

1000

600

Гипсокартон

0,160

840

950

Перлитный гипсокартон

0.180

837

800

Гипсовая штукатурка

0,420

837

1200

Перлитовая штукатурка

0,080

837

400

Штукатурка вермикулит

0.200

837

720

Гипсовая потолочная плитка

0,380

840

1120

Цементная штукатурка

0,720

800

1860

Перлитовая штукатурка

0,220

1300

720

Перлитовая штукатурка — песчано-заполнитель

0.810

800

1680

Цементная штукатурка — с песчаным заполнителем — CM03

0,721

837

1858

Гипсокартон / гипсовая плита — HF-E1

0,160

837

801

Гипсовый гипс легкий заполнитель — GP04

0.230

837

721

Гипсовая штукатурка — песчаный заполнитель — GP06

0,819

837

1682

Стяжки и штукатурки

Внешний рендеринг

0.500

1000

1300

Стяжка

0,410

840

1200

Гранолитная штукатурка / стяжка

0,870

837

2085

Штукатурка — HF-A1

0,721

837

2659

Пески, камни и почвы

Каменная крошка

0.960

1000

1800

Гравий

0,360

840

1840

Грунт на гравийной основе

0,520

184

2050

Песчаник

1,830

712

2200

Гранит (красный)

2.900

900

2650

Мрамор (белый)

2,770

802

2600

Культивируемая песчаная почва 12,5% D.W. Влажность

1,790

1190

1800

Обработанная песчаная почва 25,0% D.W. Влага

2,220

1480

2000

Культурно-глинистая почва 12,5% D.W. Влажность

1,180

1250

1800

Культурно-глинистая почва 25,0% D.W. Влажность

1,590

1550

2000

Культурная торфяная почва 133% D.W. Влага

0,290

3300

700

Культурная торфяная почва 366% D.W. Влажность

0,500

3650

1100

Сухой известняковый грунт

1,490

840

2180

Лондонская глина

1.410

1000

1900

Почва

1,729

837

1842

Камень — ST01

1,802

837

2243

Камень — HF-A3

1,435

1674

881

Терраццо — TZ01

1.802

837

2243

Плитка

Глиняная плитка

0.840

800

1900

Бетонная плитка

1.100

837

2100

Сланцевая плитка

2.000

753

2700

Пластиковая плитка

0,500

837

1950

Резиновая плитка

0.300

2000

1600

Пробковая плитка

0,080

1800

530

Асфальт / асбестовая плитка

0,550

837

1900

P.V.C. / Асбестовая плитка

0.850

837

2000

Плитка потолочная

0,056

1000

380

Гипсовая потолочная плитка

0,380

840

1120

Облицовка из легкого металла

0.290

1000

1250

Акустическая плитка — минеральное волокно

0,050

800

290

Акустическая плитка — AC01

0,057

1339

288

Акустическая плитка — HF-E5

0.061

2142

480

Плитка из полой глины — 1 ячейка — CT01

0,498

837

1121

Плитка из полой глины — 2 ячейки — CT03

0,571

837

1121

Плитка из полой глины — 3 ячейки — CT06

0.692

837

1121

Глиняная плитка — HF-C1

0,571

837

1121

Асфальтоукладчик — Глиняная плитка — CT11

1,802

837

1922

шифер — SL01

1.442

1464

1602

Древесина

Деревянные полы

0.140

1200

650

Фанера (легкая)

0,150

2500

560

Фанера (тяжелая)

0,150

1420

700

Деревянные блоки

0.140

1200

650

Плита из древесной шерсти

0,100

1000

500

Оргалит (средний)

0,080

2000

600

Оргалит (стандартный)

0.130

2000

900

Сосна (влажность 20%)

0,140

2720

419

Пробковая доска

0,040

1888

160

ДСП

0,150

2093

800

Обшивка

0.140

2000

650

Дуб (Радиальный)

0,190

2390

700

Пробковая плитка

0,080

1800

530

Фанера — PW01

0,115

1213

545

Мягкое дерево — WD01

0.115

1381

513

Твердая древесина — WD11

0,158

1255

721

Дерево — HF-B7

0,121

837

593

Фанера — Дугласская пихта

0,120

1200

540

Гонт Древесина — WS01

0.115

1255

513

Свойства бетона при повышенных температурах

Огнестойкость бетонных конструктивных элементов зависит от тепловых, механических и деформационных свойств бетона. Эти свойства значительно зависят от температуры, а также от состава и характеристик бетонной смеси, а также от скорости нагрева и других условий окружающей среды. В этой главе описаны основные характеристики бетона.Обсуждаются различные свойства, которые влияют на характеристики огнестойкости, а также роль этих свойств в огнестойкости. Представлено изменение термических, механических, деформационных и откольных свойств в зависимости от температуры для различных типов бетона.

1. Введение

Бетон широко используется в качестве основного конструкционного материала в строительстве благодаря многочисленным преимуществам, таким как прочность, долговечность, простота изготовления и негорючие свойства, которыми он обладает по сравнению с другими строительными материалами.Бетонные конструктивные элементы при использовании в зданиях должны удовлетворять соответствующим требованиям пожарной безопасности, указанным в строительных нормах [1–4]. Это связано с тем, что пожар представляет собой одно из самых тяжелых условий окружающей среды, которым могут подвергаться конструкции; поэтому обеспечение соответствующих мер противопожарной безопасности для элементов конструкции является важным аспектом проектирования здания.

Меры пожарной безопасности конструктивных элементов измеряются с точки зрения огнестойкости, которая представляет собой продолжительность, в течение которой конструктивный элемент проявляет сопротивление в отношении структурной целостности, устойчивости и передачи температуры [5, 6].Бетон обычно обеспечивает лучшую огнестойкость из всех строительных материалов [7]. Эта превосходная огнестойкость обеспечивается материалами, составляющими бетон (например, цемент и заполнители), которые при химическом соединении образуют материал, который по существу инертен и имеет низкую теплопроводность, высокую теплоемкость и более медленное ухудшение прочности с температурой. Именно эта низкая скорость теплопередачи и потери прочности позволяют бетону действовать как эффективный противопожарный щит не только между соседними помещениями, но и защищать себя от повреждений от огня.

Поведение бетонного конструктивного элемента, подверженного воздействию огня, частично зависит от термических, механических и деформационных свойств бетона, из которого он состоит. Подобно другим материалам, теплофизические, механические и деформационные свойства бетона существенно изменяются в диапазоне температур, связанных с пожарами в зданиях. Эти свойства меняются в зависимости от температуры и зависят от состава и характеристик бетона. Прочность бетона существенно влияет на его свойства как при комнатной, так и при высоких температурах.Свойства высокопрочного бетона (HSC) изменяются в зависимости от температуры иначе, чем свойства бетона нормальной прочности (NSC). Это изменение более выражено для механических свойств, на которые влияют прочность, влажность, плотность, скорость нагрева, количество микрокремнезема и пористость.

На практике огнестойкость конструктивных элементов оценивалась в основном с помощью стандартных огнестойких испытаний [8]. Однако в последние годы использование численных методов для расчета огнестойкости конструктивных элементов получает все большее распространение, поскольку эти методы расчета гораздо менее затратны и требуют много времени [9].Когда элемент конструкции подвергается определенному температурно-временному воздействию во время пожара, это воздействие вызовет предсказуемое распределение температуры в элементе. Повышенные температуры вызывают деформации и изменение свойств материалов, из которых изготовлен элемент конструкции. Зная о деформациях и изменениях свойств, обычные методы строительной механики могут применяться для прогнозирования характеристик огнестойкости конструктивного элемента. Наличие свойств материала при повышенной температуре позволяет использовать математический подход для прогнозирования огнестойкости элементов конструкции [10, 11].

Очевидно, общая информация о свойствах бетона при комнатной температуре редко применима для расчета огнестойкости [12]. Поэтому крайне важно, чтобы практикующий специалист по пожарной безопасности знал, как расширить, исходя из априорных соображений, полезность скудных данных о свойствах, которые могут быть собраны из технической литературы. Кроме того, знание уникальных характеристик, таких как растрескивание бетона в результате пожара, имеет решающее значение для определения огнестойкости бетонных элементов конструкции.

2. Свойства, влияющие на огнестойкость
2.1. Общие

На огнестойкость железобетонных (ЖБИ) элементов влияют характеристики составляющих материалов, а именно, бетона и арматурной стали. К ним относятся (а) термические свойства, (б) механические свойства, (в) деформационные свойства и (г) специфические характеристики материала, такие как растрескивание бетона. Тепловые свойства определяют степень теплопередачи к элементу конструкции, тогда как механические свойства составляющих материалов определяют степень потери прочности и ухудшения жесткости элемента.Деформационные свойства в сочетании с механическими свойствами определяют степень деформаций и деформаций в элементе конструкции. Кроме того, растрескивание бетона в результате пожара может сыграть значительную роль в пожарных характеристиках элементов RC [13]. Все эти свойства меняются в зависимости от температуры и зависят от состава и характеристик бетона, а также арматурной стали [12]. Изменение свойств бетона, вызванное температурой, намного сложнее, чем изменение свойств арматурной стали из-за миграции влаги, а также значительного изменения ингредиентов в различных типах бетона.Таким образом, основное внимание в этой главе уделяется влиянию температуры на свойства бетона. Влияние температуры на свойства стальной арматуры можно найти в других работах [4, 12].

Бетон доступен в различных формах, и он часто сгруппирован по различным категориям в зависимости от веса (как обычный и легкий бетон), прочности (как бетон нормальной прочности, высокопрочного и сверхвысокопрочного бетона), наличия волокон (как простой бетон). и бетон, армированный фиброй), и эксплуатационные характеристики (как обычный бетон, так и бетон с высокими эксплуатационными характеристиками).Специалисты по пожарной безопасности также подразделяют бетон с нормальным весом на силикатный (кремнистый) и карбонатный (известняковый) бетон, в зависимости от состава основного заполнителя. Кроме того, когда небольшое количество прерывистых волокон (стальных или полипропиленовых) добавляется к бетонной смеси для улучшения характеристик, этот бетон называют фибробетоном (FRC). В этом разделе в основном обсуждаются различные свойства обычного бетона. Подчеркивается влияние прочности, веса и волокон на свойства бетона при повышенных температурах.

Традиционно прочность на сжатие бетона составляла от 20 до 50 МПа, который классифицируется как бетон нормальной прочности (НБК). В последние годы стал широко доступен бетон с прочностью на сжатие в диапазоне от 50 до 120 МПа, который называют высокопрочным бетоном (HSC). Когда прочность на сжатие превышает 120 МПа, его часто называют бетоном со сверхвысокими характеристиками (UHP). Прочность бетона ухудшается с температурой, и скорость деградации прочности сильно зависит от прочности бетона на сжатие.

2.2. Термические свойства

Термическими свойствами, которые влияют на повышение и распределение температуры в бетонном элементе конструкции, являются теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность и потеря массы.

Теплопроводность — это свойство материала проводить тепло. Бетон содержит влагу в различных формах, и тип и количество влаги оказывают значительное влияние на теплопроводность. Теплопроводность обычно измеряется с помощью методов испытаний в «установившемся режиме» или «в переходных режимах» [14].Переходные методы предпочтительнее для измерения теплопроводности влажного бетона, чем стационарные методы [15–17], поскольку физико-химические изменения бетона при более высоких температурах вызывают прерывистое направление теплового потока. В среднем теплопроводность обычного бетона нормальной прочности при комнатной температуре составляет от 1,4 до 3,6 Вт / м- ° C [18].

Удельная теплоемкость — это количество тепла на единицу массы, необходимое для изменения температуры материала на один градус, и часто выражается в терминах тепловой (теплоемкости), которая является произведением удельной теплоемкости и плотности.На удельную теплоемкость сильно влияют влажность, тип заполнителя и плотность бетона [19–21]. До 1980-х годов изменение удельной теплоемкости в зависимости от температуры определялось с помощью адиабатической калориметрии. С 80-х годов прошлого века дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) была наиболее часто используемым методом для построения графика кривой за один проход по температуре при желаемой скорости нагрева [22, 23]. К сожалению, точность метода DSC в определении вклада явной теплоты в кажущуюся удельную теплоемкость может быть не очень хорошей (иногда она может составлять всего ± 20 процентов).Скорость повышения температуры в тестах DSC обычно составляет 5 ° C · мин -1 . При более высоких скоростях нагрева пики на кривых ДСК имеют тенденцию смещаться в сторону более высоких температур и становиться более резкими. Для температур выше 600 ° C также используется высокотемпературный дифференциальный термический анализатор (DTA) для оценки удельной теплоемкости.

Температуропроводность материала определяется как отношение теплопроводности к объемной удельной теплоемкости материала [24]. Он измеряет скорость передачи тепла от открытой поверхности материала к внутренним слоям.Чем больше коэффициент диффузии, тем быстрее возрастает температура на определенной глубине в материале [12]. Подобно теплопроводности и удельной теплоемкости, коэффициент температуропроводности изменяется с повышением температуры в материале. Температуропроводность,, может быть рассчитана с использованием соотношения где — теплопроводность, — плотность, — удельная теплоемкость материала.

Плотность в высушенном в печи состоянии — это масса единицы объема материала, включающего само твердое вещество и поры, заполненные воздухом.При повышении температуры такие материалы, как бетон, которые имеют большое количество влаги, будут испытывать потерю массы в результате испарения влаги из-за химических реакций. Предполагая, что материал изотропен в отношении своего дилатометрического поведения, его плотность (или масса) при любой температуре можно рассчитать по термогравиметрическим и дилатометрическим кривым [24].

2.3. Механические свойства

К механическим свойствам, определяющим огнестойкость элементов RC, относятся прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости и реакция на растяжение составляющих материалов при повышенных температурах.

Прочность бетона на сжатие при повышенной температуре имеет первостепенное значение для расчета огнестойкости. Прочность бетона на сжатие при температуре окружающей среды зависит от водоцементного отношения, переходной зоны раздела заполнитель-паста, условий отверждения, типа и размера заполнителя, типов добавок и типа напряжения [25]. При высокой температуре на прочность на сжатие сильно влияют прочность при комнатной температуре, скорость нагрева и связующие вещества в замесе (например, микрокремнезем, летучая зола и шлак).В отличие от термических свойств при высокой температуре, механические свойства бетона хорошо изучены. Снижение прочности в HSC не является постоянным, и, как сообщают различные авторы, наблюдаются значительные различия в потере прочности.

Прочность бетона на растяжение намного ниже прочности на сжатие из-за легкости, с которой трещины могут распространяться под действием растягивающих нагрузок [26]. Бетон является слабым при растяжении, и для NSC предел прочности на разрыв составляет всего 10% от его прочности на сжатие, а для HSC коэффициент прочности на растяжение еще больше снижается.Таким образом, предел прочности бетона при растяжении часто не учитывается при расчетах прочности при комнатной и повышенных температурах. Однако это важное свойство, потому что трещины в бетоне обычно возникают из-за растягивающих напряжений, а структурное повреждение элемента при растяжении часто возникает из-за прогрессирования микротрещин [26]. В условиях пожара предел прочности бетона на растяжение может быть даже более важным в случаях, когда в бетонном элементе конструкции происходит выкрашивание из-за пожара [27]. Прочность бетона на растяжение зависит почти от тех же факторов, что и прочность бетона на сжатие [28, 29].

Еще одно свойство, влияющее на огнестойкость, — это модуль упругости бетона, который уменьшается с температурой. При высокой температуре разрушение гидратированных цементных продуктов и разрыв связей в микроструктуре цементного теста снижает модуль упругости, и степень снижения зависит от потери влаги, ползучести при высокой температуре и типа заполнителя.

2.4. Деформационные свойства

Деформационные свойства, определяющие огнестойкость железобетонных элементов, включают тепловое расширение и ползучесть бетона и арматуры при повышенных температурах.Кроме того, переходная деформация, возникающая при повышенных температурах в бетоне, может усилить деформации в подверженных огню бетонных конструктивных элементах.

Термическое расширение характеризует расширение (или усадку) материала, вызванное нагревом, и определяется как расширение (усадка) единицы длины материала при повышении температуры бетона на один градус. Коэффициент теплового расширения определяется как процентное изменение длины образца на градус повышения температуры.Расширение считается положительным, когда материал удлиняется, и отрицательным (усадкой), когда он укорачивается. Как правило, тепловое расширение материала зависит от температуры и оценивается с помощью дилатометрической кривой, которая является записью частичного изменения линейного размера твердого тела при постоянно увеличивающейся или понижающейся температуре [24]. Тепловое расширение является важным свойством для прогнозирования тепловых напряжений, возникающих в элементе конструкции в условиях пожара.На тепловое расширение бетона обычно влияют тип цемента, содержание воды, тип заполнителя, температура и возраст [15, 30].

Ползучесть, часто называемая деформацией ползучести, определяется как пластическая деформация материала, зависящая от времени. При нормальных напряжениях и температурах окружающей среды деформации из-за ползучести незначительны. Однако при более высоких уровнях напряжения и повышенных температурах скорость деформации, вызванной ползучестью, может быть значительной. Следовательно, основными факторами, влияющими на ползучесть, являются температура, уровень напряжений и их продолжительность [31].Ползучесть бетона обусловлена ​​наличием воды в его микроструктуре [32]. Удовлетворительного объяснения ползучести бетона при повышенных температурах нет.

Переходная деформация возникает при первом нагреве бетона и не зависит от времени. В основном это вызвано термической несовместимостью заполнителя и цементного теста [6]. Переходная деформация бетона, аналогичная деформации при высокотемпературной ползучести, представляет собой сложное явление, на которое влияют такие факторы, как температура, прочность, влажность, нагрузка и пропорции смеси.

2,5. Выкрашивание

Помимо термических, механических и деформационных свойств, еще одним свойством, которое оказывает значительное влияние на огнестойкость бетонного конструктивного элемента, является выкрашивание [33]. Это свойство уникально для бетона и может быть определяющим фактором при определении огнестойкости структурного элемента RC [34]. Отслаивание определяется как разрыв слоев (кусков) бетона с поверхности бетонного элемента, когда он подвергается воздействию высоких и быстро растущих температур, например, при пожарах.Отслаивание может произойти вскоре после воздействия быстрого нагрева и может сопровождаться сильными взрывами или может произойти на более поздних стадиях пожара, когда бетон стал настолько слабым после нагрева, что при образовании трещин куски бетона отваливаются от поверхности. конкретный член. Последствия ограничены до тех пор, пока степень повреждения невелика, но обширное выкрашивание может привести к ранней потере стабильности и целостности. Кроме того, при растрескивании более глубокие слои бетона подвергаются воздействию высоких температур, что увеличивает скорость передачи тепла внутренним слоям элемента, включая арматуру.Когда арматура подвергается прямому воздействию огня, температура в арматуре повышается с очень высокой скоростью, что приводит к более быстрому снижению прочности (емкости) элемента конструкции. Потеря прочности арматуры в сочетании с потерей бетона из-за растрескивания значительно снижает огнестойкость конструктивного элемента [35, 36].

В то время как растрескивание может происходить во всех типах бетона, HSC более подвержен растрескиванию, вызванному огнем, чем NSC, из-за его низкой проницаемости и более низкого водоцементного отношения по сравнению с NSC.Вызванное огнем растрескивание также зависит от ряда факторов, включая проницаемость бетона, тип воздействия огня и прочность бетона на растяжение [34, 37–40]. Таким образом, информация о проницаемости и прочности бетона на разрыв, которые меняются в зависимости от температуры, имеет решающее значение для прогнозирования выкрашивания бетонных элементов в результате пожара.

3. Термические свойства бетона при повышенных температурах

Термическими свойствами, которые определяют зависящие от температуры свойства бетонных конструкций, являются теплопроводность, удельная теплоемкость (или теплоемкость) и потеря массы.На эти свойства существенно влияют тип заполнителя, влажность и состав бетонной смеси. Существует множество программ испытаний для определения термических свойств бетона при повышенных температурах [16, 41–44]. Подробный обзор влияния температуры на термические свойства различных типов бетона дан Khaliq [45], Kodur et al. [46] и Флинн [47].

3.1. Теплопроводность

Теплопроводность бетона при комнатной температуре находится в пределах 1.4 и 3,6 Вт / м ° К и зависит от температуры [18]. На рисунке 1 показано изменение теплопроводности НБК в зависимости от температуры на основе опубликованных данных испытаний и эмпирических зависимостей. Данные испытаний собраны Халиком [45] из разных источников на основе экспериментальных данных [16, 20, 21, 24, 44, 48] и эмпирических соотношений в различных стандартах [4, 15]. Вариации измеренных данных испытаний показаны заштрихованной областью на рисунке 1, и это изменение в отчетных данных по теплопроводности в основном связано с содержанием влаги, типом заполнителя, условиями испытаний и методами измерения, используемыми в экспериментах [15, 18–20 , 41].Следует отметить, что существует очень мало стандартизованных методов измерения тепловых свойств. На рисунке 1 также показаны верхняя и нижняя границы значений теплопроводности в соответствии с положениями EC2, и этот диапазон относится ко всем типам заполнителей. Тем не менее, теплопроводность, показанная на Рисунке 1, согласно соотношениям ASCE, применима для бетона с карбонатными заполнителями.


Общая теплопроводность постепенно уменьшается с температурой, и это уменьшение зависит от свойств бетонной смеси, в частности, от влажности и проницаемости.Эта тенденция к снижению теплопроводности может быть объяснена изменением содержания влаги с повышением температуры [18].

Теплопроводность HSC выше, чем у NSC из-за низкого соотношения w / c и использования различных связующих в HSC [49]. Обычно теплопроводность HSC находится в диапазоне от 2,4 до 3,6 Вт / м · К при комнатной температуре. Теплопроводность бетона, армированного фиброй (как стальным, так и полипропиленовым), почти соответствует той же тенденции, что и у обычного бетона, и ближе к теплопроводности HSC.Таким образом, делается вывод об отсутствии значительного влияния волокон на теплопроводность бетона в диапазоне температур 20–800 ° C [27].

3.2. Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость бетона при комнатной температуре варьируется в диапазоне от 840 Дж / кг · К до 1800 Дж / кг · К для различных типов заполнителей. Часто удельная теплоемкость выражается в единицах теплоемкости, которая является произведением удельной теплоемкости и плотности бетона. Удельная теплоемкость чувствительна к различным физическим и химическим превращениям, происходящим в бетоне при повышенных температурах.Это включает испарение свободной воды при температуре около 100 ° C, диссоциацию Ca (OH) 2 на CaO и H 2 O между 400–500 ° C и кварцевое преобразование некоторых агрегатов при температуре выше 600 ° C [ 24]. Таким образом, удельная теплоемкость сильно зависит от содержания влаги и значительно увеличивается с увеличением отношения воды к цементу.

Халик и Кодур [27] собрали результаты измерений удельной теплоемкости различных бетонов из различных исследований [16, 20, 24, 41, 44, 48]. На рис. 2 показано изменение удельной теплоемкости NSC в зависимости от температуры, о чем сообщалось в различных исследованиях, основанных на данных испытаний и различных стандартах.Удельная теплоемкость бетона остается почти постоянной до 400 ° C, затем увеличивается примерно до 700 ° C, а затем остается постоянной в диапазоне от 700 до 800 ° C. Из различных факторов тип заполнителя оказывает значительное влияние на удельную теплоемкость (теплоемкость) бетона. Этот эффект отражен в соотношениях ASCE для удельной теплоемкости бетона [15]. Бетон из карбонатного заполнителя имеет более высокую удельную теплоемкость (теплоемкость) в диапазоне температур 600–800 ° C, и это вызвано эндотермической реакцией, которая возникает в результате разложения доломита и поглощает большое количество энергии [12].Эта высокая теплоемкость в бетоне с карбонатным заполнителем помогает свести к минимуму растрескивание и повысить огнестойкость элементов конструкции.


По сравнению с NSC, HSC демонстрирует несколько меньшую удельную теплоемкость в диапазоне температур 20–800 ° C [41]. Наличие волокон также оказывает незначительное влияние на удельную теплоемкость бетона. Для бетона с полипропиленовыми волокнами при сжигании полипропиленовых волокон образуются микроканалы для выпуска пара; и, следовательно, количество поглощенного тепла меньше при обезвоживании химически связанной воды; таким образом, его удельная теплоемкость снижается в диапазоне температур 600–800 ° C.Однако бетон со стальной фиброй показывает более высокую удельную теплоемкость в диапазоне температур 400–800 ° C, что может быть связано с дополнительным теплом, поглощаемым при обезвоживании химически связанной воды.

3.3. Потеря массы

В зависимости от плотности бетон обычно подразделяют на две основные группы: (1) бетон с нормальным весом с плотностью от 2150 до 2450 кг · м −3 ; и (2) легкие бетоны плотностью от 1350 до 1850 кг · м −3 . Плотность или масса бетона уменьшается с повышением температуры из-за потери влаги.На удержание массы бетона при повышенных температурах сильно влияет тип заполнителя [21, 44].

На рис. 3 показано изменение массы бетона в зависимости от температуры для бетонов, изготовленных из карбонатных и кремнистых заполнителей. Потеря массы минимальна как для карбонатных, так и для кремнистых заполнителей до температуры около 600 ° C. Однако тип заполнителя оказывает значительное влияние на потерю массы бетона при температуре выше 600 ° C. В случае бетона из кремнистого заполнителя потеря массы незначительна даже при температуре выше 600 ° C.Однако при температуре выше 600 ° C бетон с карбонатным заполнителем испытывает больший процент потери массы по сравнению с бетоном с кремнистым заполнителем. Этот более высокий процент потери массы в бетоне с карбонатным заполнителем объясняется диссоциацией доломита в карбонатном заполнителе при температуре около 600 ° C [12].


Прочность бетона не оказывает значительного влияния на потерю массы, и, следовательно, HSC демонстрирует ту же тенденцию потери массы, что и NSC. Потеря массы для бетона, армированного фиброй, такая же, как и для обычного бетона при температуре примерно до 800 ° C.При температуре выше 800 ° C потеря массы HSC, армированного стальным волокном, немного ниже, чем у простого HSC.

4. Механические свойства бетона при повышенных температурах

Механические свойства, которые имеют первостепенное значение при расчете огнестойкости, включают прочность на сжатие, прочность на растяжение, модуль упругости и реакцию на напряжение-деформацию при сжатии. Механические свойства бетона при повышенных температурах широко изучены в литературе по сравнению с термическими свойствами [12, 39, 50–52].Испытания механических свойств при высоких температурах обычно проводятся на образцах бетона, которые обычно представляют собой цилиндры или кубы разных размеров. В отличие от измерений свойств при комнатной температуре, когда размеры образцов указаны в соответствии со стандартами, высокотемпературные механические свойства обычно проводятся на широком диапазоне размеров образцов из-за отсутствия стандартизированных спецификаций испытаний для проведения испытаний механических свойств при высоких температурах [53, 54].

4.1. Прочность на сжатие

На рисунках 4 и 5 показано изменение соотношения прочности на сжатие для NSC и HSC при повышенных температурах, соответственно, с верхней и нижней границами (заштрихованной области), показывающими изменение диапазона представленных данных испытаний.На этих рисунках также показано изменение прочности на сжатие, полученное с использованием Еврокода [4], ASCE [15] и Kodur et al. [46] отношения; На рис. 4 показано большое, но равномерное изменение скомпилированных данных испытаний для НБК в диапазоне температур 20–800 ° C. Однако на рис. 5 показано большее изменение прочности на сжатие HSC при температуре в диапазоне от 200 ° C до 500 ° C и меньшее отклонение выше 500 ° C. Это в основном связано с тем, что для HSC при температурах выше 500 ° C было зарегистрировано меньшее количество точек данных испытаний, либо из-за возникновения растрескивания в бетоне, либо из-за ограничений в испытательной аппаратуре.Однако более широкий разброс наблюдается для NSC в этом диапазоне температур (выше 500 ° C) по сравнению с HSC, как показано на рисунках 4 и 5. Это в основном из-за большего количества точек данных испытаний, указанных для NSC в литературе и также из-за меньшей склонности НБК к растрескиванию под огнем. В целом разброс механических свойств бетона при сжатии при высоких температурах довольно велик. Эти отклонения от различных испытаний могут быть объяснены использованием различных скоростей нагрева или нагружения, размера образца и отверждения, условий при испытании (содержание влаги и возраст образца) и использования добавок.



В случае НБК прочность бетона на сжатие незначительно зависит от температуры до 400 ° C. NSC обычно очень проницаемы и позволяют легко рассеивать поровое давление за счет водяного пара. С другой стороны, использование различных связующих в HSC дает превосходную и плотную микроструктуру с меньшим количеством гидроксида кальция, что обеспечивает положительный эффект на прочность на сжатие при комнатной температуре [55]. Такие связующие, как использование шлака и микрокремнезема, дают наилучшие результаты по повышению прочности на сжатие при комнатной температуре, что объясняется плотной микроструктурой.Однако, как упоминалось ранее, компактная микроструктура очень непроницаема и при высокой температуре становится вредной, поскольку не позволяет влаге уйти, что приводит к нарастанию порового давления и быстрому развитию микротрещин в HSC, что приводит к более быстрому ухудшению прочности и возникновению. выкрашивания [27, 56, 57]. Наличие в бетоне стальной фибры помогает замедлить потерю прочности при повышенных температурах [44, 58].

Среди факторов, непосредственно влияющих на прочность на сжатие при повышенных температурах, — начальное отверждение, содержание влаги во время испытаний, а также добавление примесей и микрокремнезема в бетонную смесь [59–63].Эти факторы не рассматриваются в литературе, и отсутствуют данные испытаний, которые показывают влияние этих факторов на высокотемпературные механические свойства бетона.

Другой основной причиной значительного разброса характеристик прочности бетона при высоких температурах является использование различных условий испытаний (таких как скорость нагрева и скорость деформации) и процедур испытаний (испытание на прочность в горячем состоянии и испытание на остаточную прочность) из-за отсутствия стандартизированных методов испытаний для проведения испытаний свойств [46].

4.2. Прочность на растяжение

Прочность бетона на растяжение намного ниже, чем прочность на сжатие, и поэтому предел прочности бетона на растяжение часто не учитывается при расчетах прочности при комнатной и повышенных температурах. Однако с точки зрения огнестойкости это важное свойство, потому что растрескивание в бетоне обычно происходит из-за растягивающих напряжений, а структурное повреждение элемента при растяжении часто возникает из-за развития микротрещин [26]. В условиях пожара прочность бетона на растяжение может быть еще более важной в случаях, когда в бетонном элементе происходит выкрашивание из-за пожара [27].Таким образом, информация о прочности на разрыв HSC, которая изменяется в зависимости от температуры, имеет решающее значение для прогнозирования вызванного огнем растрескивания в элементах HSC.

На рисунке 6 показано изменение отношения прочности на разрыв NSC и HSC в зависимости от температуры, как сообщалось в предыдущих исследованиях и положениях Еврокода [4, 64–66]. Отношение прочности на разрыв при данной температуре к прочности на разрыв при комнатной температуре показано на рисунке 6. Заштрихованная часть на этом графике показывает диапазон изменения прочности на разрыв при расщеплении, полученный различными исследователями для NSC с обычными заполнителями.Снижение предела прочности НБК с температурой может быть объяснено слабой микроструктурой НБК, позволяющей образовывать микротрещины. При температуре 300 ° C бетон теряет около 20% своей начальной прочности на разрыв. Выше 300 ° C прочность на разрыв НБК снижается быстрыми темпами из-за более выраженного термического повреждения в виде микротрещин и достигает примерно 20% от его начальной прочности при 600 ° C.


HSC испытывает быструю потерю прочности на разрыв при более высоких температурах из-за развития порового давления в плотных микроструктурированных HSC [55].Добавление стальной фибры в бетон увеличивает его прочность на разрыв, и это увеличение может быть на 50% выше при комнатной температуре [67, 68]. Кроме того, прочность на разрыв бетона, армированного стальной фиброй, снижается медленнее, чем у простого бетона, в диапазоне температур 20–800 ° C [69]. Эта повышенная прочность на растяжение может замедлить распространение трещин в конструкционных элементах из стального фибробетона и очень полезна, когда элемент подвергается изгибающим напряжениям.

4.3. Модуль упругости

Модуль упругости () различных бетонов при комнатной температуре варьируется в широком диапазоне, от 5,0 × 10 3 до 35,0 × 10 3 МПа, и зависит в основном от водоцементного отношения в смеси. , возраст бетона, метод кондиционирования, а также количество и характер заполнителей. Модуль упругости быстро уменьшается с повышением температуры, и частичное снижение существенно не зависит от типа заполнителя [70].Однако из других исследований [38, 71] выясняется, что модуль упругости бетонов с нормальным весом уменьшается с повышением температуры более быстрыми темпами, чем модуль упругости легких бетонов.

На рисунке 7 показано изменение отношения модуля упругости при заданной температуре к модулю упругости при комнатной температуре для NSC и HSC [4, 19, 72]. Из рисунка видно, что тенденция потери модуля упругости обоих бетонов с температурой аналогична, но есть значительные различия в представленных данных испытаний.Модуль разрушения как в NSC, так и в HSC можно отнести к чрезмерным термическим напряжениям и физическим и химическим изменениям в микроструктуре бетона.


4.4. Реакция на напряжение-деформацию

Механический отклик бетона обычно выражается в виде соотношений «напряжение-деформация», которые часто используются в качестве исходных данных в математических моделях для оценки огнестойкости бетонных конструктивных элементов. Как правило, из-за снижения прочности на сжатие и увеличения пластичности бетона наклон кривой напряжения-деформации уменьшается с повышением температуры.Прочность бетона оказывает значительное влияние на деформационную реакцию как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Рисунки 8 и 9 иллюстрируют стресс-деформационную реакцию НСК и ГСК, соответственно, при различных температурах [72, 73]. При всех температурах и NSC, и HSC демонстрируют линейный отклик, за которым следует параболический отклик до пикового напряжения, а затем быстрый нисходящий участок до отказа. В целом установлено, что HSC имеет более крутые и более линейные кривые растяжения по сравнению с NSC при 20–800 ° C.Температура оказывает значительное влияние на реакцию напряжение-деформацию как NSC, так и HSC, как и скорость повышения температуры. Напряжение, соответствующее пиковому напряжению, начинает увеличиваться, особенно при температуре выше 500 ° C. Это увеличение является значительным, и деформация при пиковом напряжении может в четыре раза превышать деформацию при комнатной температуре. Образцы HSC демонстрируют хрупкую реакцию, о чем свидетельствует постпиковое поведение кривых напряжения-деформации, показанных на рисунке 9 [74]. В случае бетона, армированного фиброй, особенно со стальной фиброй, реакция на напряжение-деформацию более пластичная.



5. Деформационные свойства бетона при повышенных температурах

Деформационные свойства, включая тепловое расширение, деформацию ползучести и переходную деформацию, в значительной степени зависят от химического состава, типа заполнителя, а также химических и физических реакций, которые возникают в бетоне при нагревании [75].

5.1. Термическое расширение

Бетон обычно расширяется при воздействии повышенных температур. На рисунке 10 показано изменение теплового расширения НБК в зависимости от температуры [4, 15], где заштрихованная часть указывает диапазон данных испытаний, представленных различными исследователями [46, 76].Тепловое расширение бетона увеличивается от нуля при комнатной температуре до примерно 1,3% при 700 ° C, а затем обычно остается постоянным до 1000 ° C. Это повышение является значительным в диапазоне температур 20–700 ° C и в основном связано с высоким тепловым расширением, возникающим из-за составляющих заполнителей и цементного теста в бетоне. Тепловое расширение бетона осложняется другими факторами, такими как дополнительные изменения объема, вызванные изменением содержания влаги, химическими реакциями (обезвоживание, изменение состава), а также ползучестью и микротрещинами в результате неоднородных термических напряжений [18].В некоторых случаях термическая усадка также может быть результатом потери воды из-за нагрева наряду с тепловым расширением, и это может привести к отрицательному изменению общего объема, то есть к усадке, а не к расширению.


Еврокод [4] учитывает влияние типа заполнителя на изменение теплового расширения, чем у бетона, в зависимости от температуры. Бетон из кремнистого заполнителя имеет более высокое тепловое расширение, чем бетон из карбонатного заполнителя. Тем не менее, положения ASCE [15] предоставляют только один вариант как для кремнистого, так и для карбонатного заполнителя бетона.

Прочность бетона и наличие фибры умеренно влияют на тепловое расширение. Скорость расширения HSC и фибробетона снижается между 600–800 ° C; однако скорость теплового расширения снова увеличивается выше 800 ° C. Замедление теплового расширения в диапазоне 600-800 ° C объясняется потерей химически связанной воды в гидратах, а увеличение расширения выше 800 ° C объясняется размягчением бетона и чрезмерным развитием микро- и макротрещин [77 ].

5.2. Ползучесть и переходные деформации

Зависящие от времени деформации в бетоне, такие как ползучесть и переходные деформации, значительно усиливаются при повышенных температурах под действием сжимающих напряжений [18]. Ползучесть бетона при высоких температурах увеличивается из-за выхода влаги из матрицы бетона. Это явление еще больше усиливается из-за рассеивания влаги и потери сцепления в цементном геле (C – S – H). Следовательно, процесс ползучести вызывается и ускоряется в основном двумя процессами: (1) движением влаги и обезвоживанием бетона из-за высоких температур и (2) ускорением в процессе разрыва сцепления.

Переходная деформация возникает при первом нагреве бетона, но не возникает при повторном нагреве [78]. Воздействие высоких температур на бетон вызывает сложные изменения влажности и химического состава цементного теста. Более того, существует несоответствие в тепловом расширении между цементным тестом и заполнителем. Следовательно, такие факторы, как изменения химического состава бетона и несоответствия в тепловом расширении, приводят к внутренним напряжениям и микротрещинам в компонентах бетона (заполнителя и цементного теста) и приводят к переходным деформациям в бетоне [75].

Обзор литературы показывает, что имеется ограниченная информация о ползучести и неустановившейся деформации бетона при повышенных температурах [46]. Некоторые данные о ползучести бетона при повышенных температурах можно найти в работах Круза [70], Маречаля [79], Гросса [80] и Шнайдера и др. [81]. Андерберг и Теландерссон [82] провели испытания для оценки переходных деформаций и деформаций ползучести при повышенных температурах. Они обнаружили, что предварительно высушенные образцы при уровне напряжения нагрузки 45 и 67,5% были менее подвержены деформации в «положительном направлении» (расширению) под нагрузкой.При предварительном натяжении 22,5% образцы не показали значительной разницы в деформациях. Они также обнаружили, что влияние водонасыщенности не было очень значительным, за исключением свободного теплового расширения (предварительная нагрузка 0%), которое оказалось меньше для водонасыщенных образцов.

Khoury et al. [78] изучали деформацию ползучести изначально влажного бетона при четырех уровнях нагрузки, измеренную во время первого нагрева при скорости 1 ° C / мин. Важной особенностью этих результатов было то, что наблюдалось значительное сжатие под нагрузкой по сравнению со свободными (ненагруженными) тепловыми деформациями.Это сжатие называется «термической деформацией, вызванной нагрузкой», и считается, что фактическая термическая деформация состоит из общей термической деформации за вычетом термической деформации, вызванной нагрузкой.

Шнайдер [75] также исследовал влияние переходных процессов и ограничения ползучести на деформацию бетона. Он пришел к выводу, что испытание на переходные процессы для измерения общей деформации или прочности бетона в наибольшей степени связано с пожарами в зданиях и, как предполагается, дает наиболее реалистичные данные, имеющие прямое отношение к пожару.Важные выводы из исследования заключаются в том, что (1) соотношение воды и цемента и исходная прочность не имеют большого значения для деформаций ползучести в переходных условиях, (2) соотношение заполнителя и цемента имеет большое влияние на деформации и критические температуры: чем тверже агрегат тем ниже тепловое расширение; поэтому общая деформация в переходном состоянии будет ниже; и (3) условия отверждения имеют большое значение в диапазоне 20–300 ° C: отвержденные на воздухе и высушенные в печи образцы имеют более низкие переходные процессы и деформации ползучести, чем образцы, отвержденные водой.

Андерберг и Теландерссон [82] разработали основные модели ползучести и переходных деформаций в бетоне при повышенных температурах. Эти уравнения для ползучести и переходной деформации при повышенных температурах, предложенные Андербергом и Теландерссоном [82], имеют следующий вид: где = деформация ползучести, = переходная деформация, = 6,28 × 10 −6 с −0,5 , = 2,658 × 10 −3 K −1 , = температура бетона (° K) за время (с), = прочность бетона при температуре, = напряжение в бетоне при текущей температуре, = константа находится в диапазоне от 1.8 и 2.35, = термическая деформация и = прочность бетона при комнатной температуре.

Обсуждаемая выше информация о высокотемпературной ползучести и переходной деформации в основном разработана для НБК. По-прежнему отсутствуют данные испытаний и модели влияния температуры на ползучесть и переходную деформацию в HSC и фибробетоне.

6. Выкрашивание в результате пожара

Обзор литературы представляет противоречивую картину возникновения выкрашивания в результате пожара, а также точного механизма выкрашивания в бетоне.В то время как некоторые исследователи сообщали о взрывных растрескиваниях в бетонных конструктивных элементах, подвергшихся воздействию огня, в ряде других исследований сообщалось о незначительном или полном отсутствии значительного отслаивания. Одним из возможных объяснений этой запутанной тенденции наблюдений является большое количество факторов, влияющих на скалывание, и их взаимозависимость. Тем не менее, большинство исследователей согласны с тем, что основными причинами возникновения растрескивания бетона в результате пожара являются низкая проницаемость бетона и миграция влаги в бетоне при повышенных температурах.

Есть две общие теории, с помощью которых можно объяснить явление откола [83].

(i) Повышение давления. Считается, что скалывание вызвано увеличением порового давления во время нагрева [83–85]. Чрезвычайно высокое давление водяного пара, образующееся при воздействии огня, невозможно избежать из-за высокой плотности и компактности (и низкой проницаемости) более прочного бетона. Когда эффективное поровое давление (пористость, умноженная на поровое давление) превышает предел прочности бетона на разрыв, куски бетона отваливаются от элемента конструкции. Считается, что это поровое давление приводит к прогрессирующему разрушению; то есть, чем ниже проницаемость бетона, тем больше выкрашивание из-за пожара.Это падение бетонных кусков часто может быть взрывоопасным в зависимости от пожара и характеристик бетона [38, 86].

(ii) Ограниченное тепловое расширение. Эта гипотеза предполагает, что отслаивание является результатом ограниченного теплового расширения вблизи нагретой поверхности, что приводит к развитию сжимающих напряжений, параллельных нагретой поверхности. Эти сжимающие напряжения снимаются хрупким разрушением бетона (отслаиванием). Поровое давление может играть значительную роль в возникновении нестабильности в виде взрывного термического выкрашивания [87].

Хотя растрескивание может происходить во всех бетонах, считается, что высокопрочный бетон более подвержен растрескиванию, чем бетон нормальной прочности из-за его низкой проницаемости и низкого водоцементного отношения [88, 89]. Высокое давление водяного пара, возникающее из-за быстрого повышения температуры, не может исчезнуть из-за высокой плотности (и низкой проницаемости) HSC, и это повышение давления часто достигает давления насыщенного пара. При 300 ° С поровое давление может достигать 8 МПа; такое внутреннее давление часто бывает слишком высоким, чтобы ему могла противостоять смесь HSC, имеющая предел прочности на разрыв примерно 5 МПа [84].Осушенные условия на нагретой поверхности и низкая проницаемость бетона приводят к сильным градиентам давления у поверхности в виде так называемого «засора влаги» [38, 86]. Когда давление пара превышает предел прочности бетона на разрыв, куски бетона отваливаются от элемента конструкции. В ряде тестовых наблюдений на колоннах HSC было обнаружено, что скалывание часто носит взрывной характер [19, 90]. Следовательно, отслаивание является одной из основных проблем при использовании HSC в строительстве и должно быть должным образом учтено при оценке противопожарных характеристик [91].Выкрашивание в колоннах NSC и HSC сравнивается на Рисунке 11 с использованием данных, полученных в результате натурных испытаний на огнестойкость нагруженных колонн [92]. Видно, что в колонне HSC, подвергшейся воздействию огня, растрескивание является весьма значительным.


Степень отслаивания зависит от ряда факторов, включая прочность, пористость, плотность, уровень нагрузки, интенсивность пожара, тип заполнителя, относительную влажность, количество микрокремнезема и других примесей [34, 93, 94]. Многие из этих факторов взаимозависимы, что делает прогноз выкрашивания довольно сложным.Изменение пористости в зависимости от температуры является наиболее важным свойством, необходимым для прогнозирования откольных характеристик HSC [33]. Noumowé et al. провели измерения пористости образцов НСК и ГСК с помощью ртутного порозиметра при различных температурах [88, 95].

Основываясь на ограниченных испытаниях на огнестойкость, исследователи предположили, что растрескивание в HSC можно минимизировать, добавляя полипропиленовые волокна в смесь HSC [85, 96–101]. Полипропиленовые волокна плавятся, когда температура в бетоне достигает примерно 160–170 ° C, и это создает в бетоне поры, достаточные для снижения давления пара, возникающего в бетоне.Другой альтернативой для ограничения образования сколов, вызванных возгоранием, в колоннах HSC является использование изогнутых стяжек, при которых стяжки загнуты под углом 135 ° в бетонную сердцевину [102].

7. Соотношения высокотемпературных свойств бетона

Существуют ограниченные определяющие соотношения высокотемпературных свойств бетона в нормах и стандартах, которые могут использоваться для пожарного проектирования. Эти отношения можно найти в руководстве ASCE [15] и в Еврокоде 2 [4]. Kodur et al. [46] собрали различные соотношения, которые доступны для термического, механического и деформирования бетона при повышенных температурах.

Существуют некоторые различия в определяющих соотношениях для высокотемпературных свойств бетона, используемых в европейских и американских стандартах. Конституционные отношения в Еврокоде применимы к NSC и HSC, в то время как отношения в практическом руководстве ASCE применимы только к NSC. Основные соотношения для высокотемпературных свойств бетона, указанные в Еврокоде и руководстве ASCE, обобщены в Таблице 1. В дополнение к этим основным моделям, Кодур и др.[93] предложили определяющие отношения для HSC, которые являются расширением отношений ASCE для NSC. Эти отношения для HSC также включены в Таблицу 1.


NSC — ASCE Manual 1992 HSC — Kodur et al. 2004 [10] NSC и HSC — EN1992-1-2: 2004 [4]

Взаимосвязь напряжения и деформации

.


,
.
.
For, Еврокод допускает использование как линейной, так и нелинейной нисходящей ветви в численном анализе.
Параметры этого уравнения см. В Таблице 2.

Теплоемкость Бетон с кремнистым заполнителем

Бетон с карбонатным заполнителем
Бетон с кремнистым заполнителем

Бетон с карбонатным заполнителем
Удельная теплоемкость ( Дж / кг C)
, для 20 ° C ≤ ° C,
, для 100 ° C <≤ 200 ° C,
, для 200 ° C <° C,
, для 400 ° C <≤ 1200 ° C.
Изменение плотности (кг / м 3 )
= Контрольная плотность
для 20 ° C ≤ ≤ 115 ° C,

для 115 ° C <≤ 200 ° C,

для 200 ° C <≤ 400 ° C,

для 400 ° C <≤ 1200 ° C,
Тепловая мощность =.

Теплопроводность Бетон из кремнистого заполнителя

Бетон из карбонатного заполнителя
Бетон из кремнистого заполнителя
.
Бетон с карбонатным заполнителем
Все типы:
Верхний предел:,
для 20 ° C ≤ ≤ 1200 ° C.
Нижний предел:
,
для 20 ° C ≤ ≤ 1200 ° C.

Термическая деформация Все типы:
.
Все типы:
.
Кремнистые заполнители:
, для 20 ° C ≤ ≤ 700 ° C.
, для 700 ° C <≤ 1200 ° C,
Известковые заполнители:
, для 20 ° C ≤ ≤ 805 ° C.
, для 805 ° C <≤ 1200 ° C.

0,9 0,038

Темп.° F Темп. ° C NSC HSC
Кремнеземист. Известняковая агг.
Класс 1 Класс 2 Класс 3

68 0,0066 125 9002 900 1 0,0025 0,02 1 1 1
212 100 1 0.004 0,0225 1 0,004 0,023 0,9 0,75 0,75
392 200 0,95 0,0055 0,025 0,07 0,025 0,07 0,75 0,70
572 300 0,85 0,007 0,0275 0,91 0,007 0.028 0,85 0,75 0,65
752 400 0,75 0,01 0,03 0,85 0,01 0,03 0,75 0,4 500 0,6 0,015 0,0325 0,74 0,015 0,033 0,60 0,60 0,30
1112 600 0.45 0,025 0,035 0,6 0,025 0,035 0,45 0,45 0,25
1292 700 0,3 0,03566 0,025 0,0375 0,025 0,0375 0,0375 0,30 0,30 0,20
1472 800 0,15 0,025 0,04 0,27 0.025 0,04 0,15 0,15 0,15
1652 900 0,08 0,025 0,0425 0,15 0,025 0,043 0,08 0,08
1832 1000 0,04 0,025 0,045 0,06 0,025 0,045 0,04 0,075 0.04
2012 1100 0,01 0,025 0,0475 0,02 0,025 0,048 0,01 0,038 0,01
2192 0,01
2192 0,01
12007 0 0 0 0

Еврокод классифицирует HSC на три класса * в зависимости от его прочности на сжатие, а именно:
(i) класс 1 для бетона с прочностью на сжатие между C55 / 67 и C60 / 75,
(ii) класс 2 для бетона с прочностью на сжатие между C70 / 85 и C80 / 95,
(iii) класс 3 для бетона с сжатием прочность выше, чем C90 / 105.
Обозначение прочности C55 / 67 относится к марке бетона с характеристической прочностью цилиндра и куба 55 Н / мм 2 и 67 Н / мм 2 соответственно.
* Примечание: если фактическая характеристическая прочность бетона, вероятно, будет более высокого класса, чем указанный в проекте; относительное снижение прочности для более высокого класса следует использовать для пожарного расчета.

Основное различие между соотношениями высокотемпературных составляющих для бетона по европейским стандартам и ASCE заключается во влиянии типа заполнителя на свойства бетона.Еврокод специально не учитывает влияние типа заполнителя на теплоемкость бетона при высоких температурах. В Еврокоде такие свойства, как удельная теплоемкость, изменение плотности и, следовательно, теплоемкость, считаются одинаковыми для всех типов заполнителей, используемых в бетоне. Для теплопроводности бетона Еврокод предлагает верхнюю и нижнюю границы без указания того, какой предел использовать для данного типа заполнителя в бетоне. Кроме того, Еврокод классифицирует HSC на три класса в зависимости от его прочности на сжатие, а именно: (i) класс 1 для бетона с прочностью на сжатие от C55 / 67 до C60 / 75, (ii) класс 2 для бетона с прочностью на сжатие между C70 / 85. и C80 / 95, (iii) класс 3 для бетона с прочностью на сжатие выше, чем C90 / 105.

8. Резюме

Бетон при повышенных температурах претерпевает значительные физико-химические изменения. Эти изменения вызывают ухудшение свойств при повышенных температурах и создают дополнительные сложности, такие как растрескивание HSC. Таким образом, термические, механические и деформационные свойства бетона существенно изменяются в диапазоне температур, связанных с пожарами в зданиях. Кроме того, многие из этих свойств зависят от температуры и чувствительны к параметрам (методам) испытаний, таким как скорость нагрева, скорость деформации, температурный градиент и т. Д.

На основании информации, представленной в этой главе, очевидно, что высокотемпературные свойства бетона имеют решающее значение для моделирования реакции железобетонных конструкций на пожар. Существует большое количество данных о высокотемпературных термических, механических и деформационных свойствах NSC и HSC. Однако данные о свойствах новых типов бетона при высоких температурах, таких как самоуплотняющийся бетон и зольный бетон, при повышенных температурах очень ограничены.

Обзор свойств материалов, представленный в этой главе, представляет собой общий обзор имеющейся в настоящее время информации.Дополнительные подробности, относящиеся к конкретным условиям, при которых развиваются эти свойства, можно найти в цитированных ссылках. Кроме того, при использовании свойств материала, представленных в этой главе, должное внимание следует уделять свойствам замеса партии и другим характеристикам, таким как скорость нагрева и уровень загрузки, поскольку свойства при повышенных температурах зависят от ряда факторов.

Заявление об отказе от ответственности

Некоторые коммерческие продукты указаны в этом документе для того, чтобы адекватно описать экспериментальную процедуру.Ни в коем случае такая идентификация не подразумевает рекомендаций или одобрения со стороны автора, а также не подразумевает, что идентифицированный продукт или материал является наилучшим из доступных для этой цели.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Плотность, теплоемкость, теплопроводность

О бетоне

Бетон — композитный материал, состоящий из песка, гравия и цемента.Цемент — это связующее, вещество, используемое для строительства, которое затвердевает, затвердевает и прилипает к другим материалам, связывая их вместе. Портландцемент — самый распространенный тип цемента, широко используемый во всем мире. Большая часть бетона заливается армирующими материалами (такими как арматура), заделанными для обеспечения прочности на растяжение, в результате чего получается железобетон.

Резюме

Имя Бетон
Фаза на STP цельный
Плотность 2400 кг / м3
Предел прочности на разрыв 2 МПа
Предел текучести НЕТ
Модуль упругости Юнга 60 ГПа
Твердость по Бринеллю 6 Мооса
Точка плавления 1527 ° С
Теплопроводность 0.5 Вт / м · К
Теплоемкость 1050 Дж / г К
Цена 0.07 $ / кг

Плотность бетона

Типичные плотности различных веществ указаны при атмосферном давлении. Плотность определяется как масса на единицу объема . Это интенсивное свойство , которое математически определяется как масса, разделенная на объем: ρ = m / V

Проще говоря, плотность (ρ) вещества — это общая масса (m) этого вещества, деленная на общий объем (V), занимаемый этим веществом.Стандартная единица СИ составляет килограммов на кубический метр ( кг / м 3 ). Стандартная английская единица — фунтов массы на кубический фут ( фунтов / фут 3 ).

Плотность бетона 2400 кг / м 3 .

Пример: плотность

Вычислите высоту куба из бетона, который весит одну метрическую тонну.

Решение:

Плотность определяется как масса на единицу объема .Математически он определяется как масса, разделенная на объем: ρ = м / В

Поскольку объем куба равен третьей степени его сторон (V = a 3 ), высоту этого куба можно вычислить:

Тогда высота этого куба составляет a = 0,747 м .

Плотность материалов

Механические свойства бетона

Прочность бетона

В механике материалов прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Сопротивление материалов в основном рассматривает взаимосвязь между внешними нагрузками , приложенными к материалу, и результирующей деформацией или изменением размеров материала. При проектировании конструкций и машин важно учитывать эти факторы, чтобы выбранный материал имел достаточную прочность, чтобы противостоять приложенным нагрузкам или силам, и сохранять свою первоначальную форму.

Прочность материала — это его способность выдерживать эту приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации.Что касается растягивающего напряжения, способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, имеющие тенденцию к удлинению, известна как предел прочности при растяжении (UTS). Предел текучести или предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести — это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. В случае напряжения растяжения однородного стержня (кривая «напряжение-деформация»), закон Гука описывает поведение стержня в упругой области.Модуль упругости Юнга представляет собой модуль упругости для растягивающего и сжимающего напряжения в режиме линейной упругости при одноосной деформации и обычно оценивается с помощью испытаний на растяжение.

См. Также: Сопротивление материалов

Предел прочности бетона на растяжение

Предел прочности бетона на разрыв 2 МПа.

Предел текучести бетона

Предел текучести бетона — N / A.

Модуль упругости бетона

Модуль упругости бетона Юнга составляет 60 ГПа.

Твердость бетона

В материаловедении твердость — это способность противостоять вдавливанию поверхности ( локализованная пластическая деформация ) и царапинам . Испытание на твердость по Бринеллю — одно из испытаний на твердость при вдавливании, которое было разработано для испытания на твердость. В испытаниях по Бринеллю твердый сферический индентор под определенной нагрузкой вдавливается в поверхность испытываемого металла.

Твердость по Бринеллю (HB) — это нагрузка, деленная на площадь поверхности вдавливания.Диаметр слепка измеряют с помощью микроскопа с наложенной шкалой. Число твердости по Бринеллю рассчитывается по формуле:

Твердость бетона составляет примерно 6 единиц по шкале Мооса.

См. Также: Твердость материалов

Пример: Прочность

Допустим, пластиковый стержень сделан из бетона. Этот пластиковый стержень имеет площадь поперечного сечения 1 см 2 . Рассчитайте растягивающее усилие, необходимое для достижения предельного значения прочности на разрыв для этого материала, которое составляет: UTS = 2 МПа.

Решение:

Напряжение (σ) можно приравнять к нагрузке на единицу площади или силе (F), приложенной к площади поперечного сечения (A), перпендикулярной силе, как:

, следовательно, сила растяжения, необходимая для достижения предела прочности на разрыв, составляет:

F = UTS x A = 2 x 10 6 x 0,0001 = 200 N

Сопротивление материалов

Упругость материалов

Твердость материалов

Тепловые свойства бетона

Бетон — точка плавления

Температура плавления бетона 1527 ° C .

Обратите внимание, что эти точки связаны со стандартным атмосферным давлением. В общем, плавление представляет собой фазовый переход вещества из твердой в жидкую фазу. Точка плавления вещества — это температура, при которой происходит это фазовое изменение. Точка плавления также определяет состояние, в котором твердое вещество и жидкость могут существовать в равновесии. Для различных химических соединений и сплавов трудно определить температуру плавления, поскольку они обычно представляют собой смесь различных химических элементов.

Бетон — теплопроводность

Теплопроводность бетона 0,5 Вт / (м · К) .

Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются свойством, называемым теплопроводностью , k (или λ), измеряемым в Вт / м · K . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности. Обратите внимание, что закон Фурье применяется ко всему веществу, независимо от его состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.

Теплопроводность большинства жидкостей и твердых тел зависит от температуры. Для паров это также зависит от давления. Всего:

Большинство материалов почти однородны, поэтому обычно можно записать k = k (T) . Подобные определения связаны с теплопроводностью в направлениях y и z (ky, kz), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, kx = ky = kz = k.

Бетон — удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость бетона 1050 Дж / г K .

Удельная теплоемкость, или удельная теплоемкость, — это свойство, связанное с внутренней энергией , которое очень важно в термодинамике. Интенсивные свойства c v и c p определены для чистых простых сжимаемых веществ как частные производные внутренней энергии u (T, v) и энтальпии ч. (Т, п) , соответственно:

, где индексы v и p обозначают переменные, фиксированные во время дифференцирования.Свойства c v и c p упоминаются как удельная теплоемкость (или теплоемкость ), потому что при определенных особых условиях они связывают изменение температуры системы с количеством энергии, добавляемой теплопередача. Их единицы СИ: Дж / кг K или Дж / моль K .

Пример: расчет теплопередачи

Теплопроводность определяется как количество тепла (в ваттах), передаваемое через квадратную площадь материала заданной толщины (в метрах) из-за разницы температур.Чем ниже теплопроводность материала, тем выше его способность сопротивляться теплопередаче.

Рассчитайте скорость теплового потока через стену площадью 3 x 10 м (A = 30 м 2 ). Стена толщиной 15 см (L 1 ) сделана из бетона с теплопроводностью k 1 = 0,5 Вт / м · К (плохой теплоизоляционный материал). Предположим, что внутренняя и внешняя температуры составляют 22 ° C и -8 ° C, а коэффициенты конвективной теплопередачи на внутренней и внешней сторонах равны h 1 = 10 Вт / м 2 K и h 2 = 30 Вт / м 2 K соответственно.Обратите внимание, что эти коэффициенты конвекции сильно зависят, в частности, от внешних и внутренних условий (ветер, влажность и т. Д.).

Рассчитайте тепловой поток ( потери тепла ) через эту стену.

Решение:

Как уже было написано, многие процессы теплопередачи включают композитные системы и даже включают комбинацию проводимости и конвекции . С этими композитными системами часто удобно работать с общим коэффициентом теплопередачи , , известным как U-фактор .Коэффициент U определяется выражением, аналогичным закону охлаждения Ньютона :

Общий коэффициент теплопередачи связан с общим тепловым сопротивлением и зависит от геометрии проблемы.

Предполагая одномерную теплопередачу через плоскую стенку и не принимая во внимание излучение, общий коэффициент теплопередачи можно рассчитать как:

Тогда общий коэффициент теплопередачи равен: U = 1 / (1/10 + 0.15 / 0,5 + 1/30) = 2,31 Вт / м 2 K

Тепловой поток можно рассчитать просто как: q = 2,31 [Вт / м 2 K] x 30 [K] = 69,23 Вт / м 2

Суммарные потери тепла через эту стену будут: q потери = q. A = 69,23 [Вт / м 2 ] x 30 [м 2 ] = 2076,92 Вт

Температура плавления материалов

Теплопроводность материалов

Теплоемкость материалов

Удельная теплоемкость материалов

Таблица удельной теплоемкости

Удельная теплоемкость материалов от воды до урана указана ниже в алфавитном порядке.
Ниже этой таблицы представлена ​​версия изображения для просмотра в автономном режиме.

К
Материал Дж / кг · К британских тепловых единиц / фунт ° F Дж / кг. ° C кДж / кг.
Алюминий 887 0,212 887 0,887
Асфальт 915 0,21854 915 0,915
Кость 440 0,105 440 0.44
Бор 1106 0,264 1106 1,106
Латунь 920 0,220 920 0,92
Кирпич 841 0,201 841 0,841
Чугун 554 0,132 554 0,554
Глина 878 ​​ 0.210 878 ​​ 0,878
Уголь 1262 0,301 1262 1,262
Кобальт 420 0,100 420 0,42
Бетон 879 0,210 879 0,879
Медь 385 0,092 385 0,385
Стекло 792 0.189 792 0,792
Золото 130 0,031 130 0,13
Гранит 774 0,185 774 0,774
Гипс 1090 0,260 1090 1.09
Гелий 5192 1,240 5192 5,192
Водород 14300 3.415 14300 14,3
Лед 2090 0,499 2090 2,09
Утюг 462 0,110 462 0,462
Свинец 130 0,031 130 0,13
Известняк 806 0,193 806 0,806
Литий 3580 0.855 3580 3,58
Магний 1024 0,245 1024 1.024
Мрамор 832 0,199 832 0,832
Меркурий 126 0,030 126 0,126
Азот 1040 0,248 1040 1,04
Дуб 2380 0.568 2380 2,38
Кислород 919 0,219 919 0,919
Платина 150 0,036 150 0,15
Плутоний 140 0,033 140 0,14
Кварцит 1100 0,263 1100 1,1
Резина 2005 0.479 2005 2,005
Соль 881 0,210 881 0,881
Песок 780 0,186 780 0,78
Песчаник 740 0,177 740 0,74
Кремний 710 0,170 710 0,71
Серебро 236 0.056 236 0,236
Почва 1810 0,432 1810 1,81
Нержавеющая сталь 316 468 0,112 468 0,468
Пар 2094 0,500 2094 2,094
сера 706 0,169 706 0,706
торий 118 0.028 118 0,118
Олово 226 0,054 226 0,226
Титан 521 0,124 521 0,521
Вольфрам 133 0,032 133 0,133
Уран 115 0,027 115 0,115
Вандий 490 0.117 490 0,49
Вода 4187 1.000 4187 4,187
цинк 389 0,093 389 0,389

Таблицы удельной теплоемкости обычных материалов [/ caption]

Предыдущая статьяЦель градиренСледующая статьяЧто сейчас? Основы электричества

Удельная теплоемкость бетона больше, чем у почвы[email protected] «C» #.

Если предположить, что стоянка и почва получают одинаковое количество тепла от солнца в данный солнечный день, можно сделать вывод, что температура бетона увеличится на на меньшую величину, чем на , чем температура пачкаться.

В конце дня бетон будет на градусов ниже температуры , чем грунт.

Когда наступает ночь, действует тот же принцип. Бетон будет терять на меньше тепла, , чем почва, а это означает, что бейсбольное поле будет на охладиться больше, чем на парковке.

Другими словами, перепад температуры будет на больше, чем на для почвы, чем для бетона, учитывая такое же количество тепла, добавляемого в течение дня и отводимого в течение ночи.

Тепловая масса для аккумулирования тепла

Стены тромба и тепловая масса

Многие очень энергоэффективные или «пассивные дома» используют различные виды накопителей «пассивной солнечной энергии». Самым простым, наверное, является «Стена тромба». Стена Trombe поглощает и выделяет большое количество тепла без значительного изменения температуры, поэтому она должна иметь высокую тепловую массу или теплоемкость .

В одной статье в Википедии говорится, что если бы для стены Тромба использовать резервуар с водой вместо бетона, он мог бы хранить в пять раз больше тепла. Возможно ли это, учитывая, что рок будет намного тяжелее? Как и любой дизайнер солнечных домов, мы можем ответить на этот вопрос с помощью простых вычислений.

Тепловые мощности

Когда солнце поставляет тепловую энергию на стену Тромба, происходит повышение температуры. В этом случае не происходит никаких химических изменений или фазовых переходов, поэтому повышение температуры пропорционально количеству подводимой тепловой энергии.Если q — это количество подаваемого тепла, а температура повышается с T 1 до T 2 , то

\ [q = C * (T_ {2} — T_ {1}) \]

ИЛИ

\ [q = C * (\ треугольник T) \]

где коэффициент пропорциональности C называется теплоемкостью стены.Знак q в этом случае равен +, потому что образец поглотил тепло (изменение было эндотермическим), и (Δ T ) определяется обычным способом.

Если нас интересует сравнение стен Тромба переменной массы, количество тепла, необходимое для повышения температуры, пропорционально массе, а также повышению температуры. То есть

\ [q = C * m * (T_2 — T_1) \]

ИЛИ

\ [q = C * m * (\ треугольник T) \]

Новая константа пропорциональности C — теплоемкость на единицу массы.Это называется удельной теплоемкостью (или иногда удельной теплоемкостью), где слово , специфическая означает «на единицу массы».

Удельная теплоемкость обеспечивает удобный способ определения тепла, добавляемого к материалу или отводимого от него, путем измерения его массы и изменения температуры. Как упоминалось [| ранее], Джеймс Джоуль установил связь между теплотой , энергией и интенсивностью , температурой , измеряя изменение температуры воды, вызванное энергией, выделяемой падающей массой.\ circ C} \)

При 15 ° C точное значение удельной теплоты воды составляет 4,184 Дж К –1 г –1 , а при других температурах оно изменяется от 4,178 до 4,218 Дж К –1 г –1 . Обратите внимание, что удельная теплоемкость выражается в единицах g (а не в базовой единице — кг), и, поскольку шкала Цельсия и шкала Кельвина имеют идентичную градуировку, можно использовать o C или K.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): тепловая энергия в воде

Если солнце поднимает температуру до 3 м х 6 м х 0.5 \ text {кДж} \).

Пример \ (\ PageIndex {2} \): Тепловая энергия в бетоне

Если солнце поднимает температуру стены с тромбом 3 м x 6 м x 0,5 м из бетона (типичный D = 2,3 г / см 3 ) с 25,0 o C до 35,0 o C, сколько тепловой энергии составляет хранится, учитывая, что удельная теплоемкость бетона (см. ниже) составляет 0,880 Дж –1 г –1 ?

Решение : \ (\ text {V} = \ text {3 m} * \ text {6 m} * \ text {0.5 \ text {кДж} \).

Примечание

Обратите внимание, что вода может поглотить примерно в 2 раза больше тепла при том же объеме и одинаковом изменении температуры. Однако при той же массе вода может поглощать в 4,18 / 0,880 = 4,75 раза больше тепла. Расчет на основе массы должен быть основанием для утверждения Википедии.

Удельная теплоемкость строительных материалов

(Обычно интересует строителей и проектировщиков солнечных батарей)

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) Удельная теплоемкость строительных материалов

Вещество Фаза c p
Дж / (г · К)
Асфальт цельный 0.920
Кирпич цельный 0,840
Бетон цельный 0,880
Стекло, кремнезем цельный 0,840
Стекло, корона цельный 0,670
Стекло, кремень цельный 0,503
Стекло, пирекс цельный 0.753
Гранит цельный 0,790
Гипс цельный 1.090
Мрамор, слюда цельный 0,880
Песок цельный 0,835
Почва цельный 0,800
Дерево цельный 0,420
Вещество Фаза c p
Дж / (г · К)

Таблица \ (\ PageIndex {2} \) Удельная теплоемкость (25 ° C, если не указано иное)

Вещество фаза C p (см. Ниже)
Дж / (г · К)
воздух, (на уровне моря, сухой, 0 ° C) газ 1.0035
аргон газ 0,5203
диоксид углерода газ 0,839
гелий газ 5,19
водород газ 14,30
метан газ 2,191
неон газ 1.0301
кислород газ 0.918
вода при 100 ° C (пар) газ 2,080
вода при 100 ° C жидкость 4,184
этанол жидкость 2,44
вода при -10 ° C (лед)) цельный 2,05
медь цельный 0,385
золото цельный 0.129
утюг цельный 0,450
свинец цельный 0,127

Другие стратегии аккумулирования тепла

Расплав соли можно использовать для хранения энергии при более высокой температуре, так что накопленную солнечную энергию можно использовать для кипячения воды для запуска паровых турбин. Смесь нитрата натрия / соли нитрата калия плавится при 221 ° C (430 ° F). Он хранится в жидком состоянии при температуре 288 ° C (550 ° F) в изолированном «холодном» резервуаре для хранения.Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнце нагревает ее до 566 ° C (1051 ° F). Затем его отправляют в резервуар для горячего хранения. Он настолько хорошо изолирован, что тепловая энергия может сохраняться до недели.

Когда требуется электричество, горячая соль перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для турбины / генератора, который используется на любой традиционной угольной, нефтяной или атомной электростанции. Для турбины мощностью 100 мегаватт потребуются резервуары длиной около 30 футов (9.1 м высотой и 80 футов (24 м) в диаметре, чтобы управлять им в течение четырех часов с этой конструкцией.

Чтобы понять преобразование энергии из тепловой в электрическую, нам нужно кое-что знать об электрических единицах.

Преобразование электрической энергии

Самый удобный способ подать известное количество тепловой энергии к образцу — использовать электрическую катушку. Подведенное тепло является произведением приложенного потенциала В , тока I , протекающего через катушку, и времени t , в течение которого протекает ток:

\ [q = V * I * t \]

Если используются единицы СИ: вольт для приложенного потенциала, ампер для тока и второй момент времени, энергия получается в джоулях.Это потому, что вольт определяется как один джоуль на ампер в секунду:

\ (\ text {1 вольт} × \ text {1 ампер} × \ text {1 секунда} = \ text {1} \ dfrac {J} {A s} × \ text {1 A} × \ text { 1 s} = \ text {1 J} \)

Пример \ (\ PageIndex {3} \): Теплоемкость

Электрический нагревательный змеевик, 230 см 3 воды и термометр помещены в кофейную чашку из полистирола. К катушке прикладывают разность потенциалов 6,23 В, создавая ток 0,482 А, который может проходить в течение 483 с.Если температура повысится на 1,53 К, найдите теплоемкость содержимого кофейной чашки. Предположим, что стакан из полистирола — такой хороший изолятор, что он не теряет тепловую энергию.

Решение Тепловая энергия, поставляемая нагревательным змеевиком, определяется как

\ (\ text {q} = \ text {V} × \ text {I} × \ text {t} = \ text {6.23 V} × \ text {0.482 A} × \ text {483 s} = \ text {1450 ВА · с} = \ text {1450 Дж} \)

Однако

\ (q = C * (T_ {2} — T_ {1}) \)

Поскольку температура повышается, T 2 > T 1 и изменение температуры Δ T является положительным:

\ (\ text {1450 J} = \ text {C} × \ text {1.53 К} \)

, так что

\ (\ text {C} = \ dfrac {1450 J} {1,53 K} = \ text {948} \ dfrac {J} {K} \)

Примечание

Примечание. Найденная теплоемкость относится ко всему содержимому стакана для воды, змеевика и термометра вместе взятых, а не только к воде.

Как обсуждалось в других разделах, более старая, не относящаяся к СИ единица энергии, калория, определялась как тепловая энергия, необходимая для повышения температуры 1 г H 2 O с 14.От 5 до 15,5 ° C. Таким образом, при 15 ° C удельная теплоемкость воды составляет 1,00 кал. К –1 г –1 . Это значение имеет точность до трех значащих цифр в диапазоне от 4 до 90 ° C.

Если образец вещества, который мы нагреваем, является чистым веществом, то количество тепла, необходимое для повышения его температуры, пропорционально количеству вещества. Теплоемкость на единицу количества вещества называется молярной теплоемкостью, обозначение C m . Таким образом, количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества n с T 1 до T 2 , равно

.
\ [\ text {q} = \ text {C} × \ text {n} × (\ text {T} _2 — \ text {T} _1) \ label {6} \]

Молярная теплоемкость обычно указывается в нижнем индексе, чтобы указать, нагревается ли вещество при постоянном давлении ( C p ) или в закрытом контейнере при постоянном объеме ( C V ).

Пример \ (\ PageIndex {4} \): Молярная теплоемкость

Образец неонового газа (0,854 моль) нагревается в закрытом контейнере с помощью электронагревательной спирали. На катушку подавали потенциал 5,26 В, в результате чего в течение 30,0 с проходил ток 0,336 А. Было обнаружено, что температура газа повысилась на 4,98 К. Найдите молярную теплоемкость неонового газа, предполагая, что потери тепла отсутствуют.

Решение Тепло, подаваемое нагревательной спиралью, равно

\ (д = V * I * t \)
\ (= 5.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *