Зависимость теплопроводности от температуры становится практически значимой лишь при воздействии высоких температур (например, при высокотемпературной теплоизоляции); если рассматриваются колебания положительных температур в пределах от 0 до 60°, как это имеет место для ограждений зданий, этой зависимостью обычно пренебрегают. Однако при отрицательных температурах, вызывающих замерзание и перераспределение влаги во влажных пористых материалах, теплопроводность последних может существенно меняться.
Изменения объемного веса различным образом влияют на теплопроводность воздушно-сухих материалов. Для пористых материалов (кирпич, бетоны и др.) эти различия связаны с характером пористости и особенностями передачи тепла в порах различной величины.
Увеличение количества мелких замкнутых пор всегда существенно понижает теплопроводность. В крупных, а особенно сообщающихся между собой порах возникают конвективные токи воздуха, снижающие теплоизолирующий эффект пористости. Поэтому увеличение количества крупных замкнутых и полузамкнутых пор уменьшает теплопроводность в меньшей степени, а при сквозных, сообщающихся порах и кавернах может ее повысить. По мере общего уменьшения объемного веса одноименных материалов (например, бетонов) количество крупных пор обычно возрастает и уменьшение теплопроводности замедляется. Представление об этом дает табл. 1.4, в которой приведены значения коэффициентов теплопроводности для керамзитобетона; уменьшение объемного веса бетона дано в графах таблицы с градациями в 200 кг/м3, а соответствующее уменьшение теплопроводности падает от 0,10 до 0,03 ккал/м·ч·град.
В таблице указаны средние ориентировочные значения теплопроводности воздушно-сухих бетонов1.
Однако величину теплопроводности сухого материала нельзя точно установить только на основании объемного веса.
Она зависит также от аморфной или кристаллической структуры материала и даже от формы и крупности кристаллов.
Теплопроводность кристаллических материалов неоднородна: в направлении, перпендикулярном оси кристалла, она меньше, а вдоль кристалла в 2—3 раза больше.
Такая же неоднородность характерна для слоистых и волокнистых материалов; например теплопроводность сосновой древесины поперек волокон равна в воздушно-сухом состоянии 0,15 ккал/м·ч·град, а вдоль волокон — возрастает в два раза.
Существенное значение имеет химическая природа веществ, входящих в состав материала.
Во многих строительных материалах (бетоны, кирпич и др.) сочетаются два вида теплопроводности: 1) λ1 вызванная упругими тепловыми колебаниями групп атомов в структурной решетке материала; 2) λ2 зависящая от диффузии электронов внутри материала, т. е. от электропроводности последнего. Общая теплопроводность равна сумме этих двух отдельных проводимостей, т. е.
Второй вид теплопроводности имеет для многих неметаллических строительных материалов гораздо меньшее значение, поскольку их электропроводность мала. Основное влияние на теплопроводность каменных материалов оказывают тепловые колебания атомов.
Чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы материала (т. е. чем больше атомный вес химических компонентов, входящих в его состав) и чем слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала.
Экспериментальными исследованиями установлена, например, меньшая теплопроводность шлакобетонов на металлургических шлаках, по сравнению со шлакобетонами такого же объемного веса, но на топливных (котельных) шлаках. Например, при γ=1600 кг/м3 для первого вида шлакобетона (в сухом состоянии) λ=0,40, а для второго λ=0,50 ккал/м·ч·град.
Это может быть объяснено тем, что в составе металлургических шлаков находятся кальций (Са), марганец (Mn), железо (Fe), атомный вес которых более значителен по сравнению с атомным весом углерода (С) и серы (S), входящих в состав топливных шлаков.
Примерно также можно характеризовать и силикатные бетоны на карбонатных песках по сравнению с силикатными бетонами на кварцевом песке. В состав карбонатного песка входит кальций (Са), атомный вес которого больше, чем у кремния (Si), содержащегося в кварцевом песке. Более значительная количественная разница теплопроводности в этом случае объясняется превалирующим количеством песка в бетоне, по сравнению с крупными заполнителями (шлаками), рассмотренными в предыдущем примере2.
Большое значение для теплопроводности материалов имеет их влажностное состояние. Для определения коэффициента теплопроводности влажного материала λω по величине теплопроводности материала, сопоставимого, но сухого λ0 часто используют приближенную формулу:
где ω — весовая влажность материала,%; β — коэффициент приращения теплопроводности на 1% влажности (например, по данным НИИСФ, для керамзитобетона β≈0,005; для пенобетона β≈0,011; для газобетона с преобладанием закрытой пористости β≈0,007).
Этой формулой зависимость теплопроводности от влажности предполагается линейной, что не отвечает действительности, по крайней мере, на первых стадиях сорбционного увлажнения сухого материала.
Количественную значимость изменений теплопроводности материала от его влажности часто объясняют тем, что теплопроводность воды, вытесняющей воздух из пор при увлажнении материала, существенно высока (0,5 ккал/м·ч·град). Однако увеличение теплопроводности материала при его последовательном увлажнении превосходит величину, ожидаемую на основе разницы в теплопроводности воды и вытесняемого ей воздуха. Для многих материалов наибольшее увеличение теплопроводности на каждый процент повышения влажности отмечается на первых стадиях увлажнения материала. Такое более высокое увеличение теплопроводности по сравнению с происходящим на последующих стадиях увлажнения может быть объяснено различной проводимостью влаги, связанной с материалом (адсорбированной) и свободной воды; заполнением водой прежде всего мелких пор, а также сосредоточением влаги в местах контакта отдельных частиц материала, через которые преимущественно происходит передача тепла.
Кривые зависимости теплопроводности от влажности для тех материалов, в которых в соответствии с характером их природы, структуры и пористости перечисленные особенности проводимости и распределения влаги имеют наибольший эффект, отличаются более значительным изменением теплопроводности на начальных стадиях увлажнения.
Поскольку в ограждающих конструкциях многих зданий с достаточно сухими помещениями равновесная влажность материала зависит от внешних метеорологических воздействий, климатические условия приобретают важное значение при определении расчетной величины коэффициента теплопроводности.
На рис. 1.8 приведены изменения коэффициентов теплопроводности в зависимости от климатических условий для стен жилых зданий из обожженного кирпича и шлакобетонных блоков. Как видно из рисунка, такие изменения значительны для городов, расположенных в сухих восточных районах СССР, и более влажных — западных.
В соответствии с особенностями климатических воздействий, влияющих на естественную сушку ограждающих конструкций, территория районов строительства может быть подразделена (как это принято в нормах строительной теплотехники СНиП) на три зоны: сухую, с умеренным климатом (нормальную) и влажную (см. карту на стр. 000)3.
В сухой зоне средняя многолетняя равновесная влажность правильно спроектированных ограждающих конструкций зданий с нормальной влажностью близка к максимальной гигроскопической, а в устойчиво-сухих районах этой зоны еще более низка.
В зоне с умеренным климатом средняя равновесная влажность ограждающих конструкций даже при их ограниченной толщине может превышать максимальную гигроскопическую; коэффициенты теплопроводности материалов для этой зоны принимаются более высокими, чем для сухой.
Во влажной зоне целесообразны специальные меры по уменьшению влажности материалов ограждающих конструкций (например, применение пустотных конструкций, быстро высыхающих материалов, защитных облицовок и т. д.); в тех случаях когда осуществление таких мер по практическим соображениям затруднительно, приходится повышать расчетные значения коэффициентов теплопроводности пористых материалов, обладающих высокой начальной влажностью, по сравнению с коэффициентами, применяемыми в умеренных условиях. Наибольшее повышение значений коэффициентов теплопроводности принимается для медленно высыхающих4 материалов (золобетоны, шлакобетоны, силикатные блоки и т. д.).
Поскольку на влажностное состояние конструкций влажных и мокрых помещений сильное влияние оказывает внутренний микроклимат, градации необходимого повышения коэффициентов теплопроводности учитывают воздействия не только наружного климата, но и влажностного режима помещений.
Порядок назначения расчетных значений коэффициентов теплопроводности К виден из табл. 1.5.
Большинство экспериментальных исследований теплопроводности строительных материалов (в том числе и увлажненных) относятся к условиям передачи тепла при положительной температуре (например, в пределах от 0 до 30°). Основываясь на различиях в теплопроводности воды и льда (0,5 и 2,0 ккал/м·ч·град), часто считают, что замерзание влаги в порах материала должно приводить к резкому повышению теплопроводности.
Однако такое повышение могло бы происходить только в материалах полностью насыщенных водой при отсутствии перемещений этой воды в порах и капиллярах материала.
В реальных условиях для материалов конструкций обычно характерна ограниченная степень увлажнения.
При ограниченном увлажнении материала преобладающее количество влаги сосредоточено в группах наиболее мелких пор и у контактов твердых частиц, по которым в основном распространяется тепло.
Однако образование зародышей кристаллов замерзающей влаги происходит в первую очередь на поверхности полостей, трещин и крупных пор5, а при дальнейшей кристаллизации влага перемещается в зоны возникающих кристаллов. Результатом таких процессов является заполнение инеем или рыхлым льдом участков материала, имеющего различные дефекты. Перемещение влаги из мелких пор и зон контакта зерен материала в состоянии уменьшить его общую теплопроводность.
Заметное снижение теплопроводности легких бетонов при их замерзании отмечено экспериментальными работами отечественных и зарубежных исследователей6. Однако практическое использование этого обстоятельства, по-видимому, возможно только в отдельных случаях.
Правильно запроектированные конструкции зданий с нормальным влажностным режимом могут отличаться повышенной влажностью только в первые годы эксплуатации, приобретая затем низкую равновесную влажность, при которой изменения теплопроводности в условиях положительных или отрицательных температур не могут иметь значения.
В современном строительстве все большее применение находят эффективные теплоизоляционные материалы с предельно низким объемным весом и теплопроводностью. Очень пористые материалы (пенопласты, минеральная вата и т. д.) являются дисперсными средами, в которых распространение тепла, происходящее в твердых материалах путем теплопроводности, усиливается не только за счет конвекции, но и за счет излучения.
Например, вспененные пластики, полученные на основе полимеров (особенно пластики с сообщающимися порами), обладают свойством частично пропускать лучистое тепло. Коэффициенты пропускания зависят от длины волн излучения и в инфракрасной области спектра имеют довольно большие значения.
В тех случаях, когда доля лучистого теплообмена в процессе передачи тепла значительна (например, при прогреве ограждающих конструкций солнечной радиацией), теплофизические свойства конструкций, утепленных материалами, частично пропускающими излучение, могут оказаться недостаточными, если при расчете ограждений учтена теплопередача, происходящая только путем теплопроводности.
Примечания
1. Приведенные в таблице значения теплопроводности при равновесном эксплуатационном влагосодержании, используемые в практических теплофизических расчетах, превышают на 10—25% и более (см. приложения) теплопроводность совершенно сухих бетонов.
2. Влияние химического состава каменных материалов, а также отсутствие атмосферы весьма заметным образом сказалось при исследованиях теплопроводности базальтовых пород лунных морей, содержащих минералы с значительным количеством химических веществ, обладающих большим атомным весом (например, ильменит FeTiO3). Теплопроводность этих пород при довольно большом объемном весе (1000—2000 кг/м3) характеризуется чрезвычайно низкими значениями.
3. При нормировании изменений коэффициентов теплопроводности строительных материалов, в зависимости от их влагосодержания использованы зоны, приведенные на карте, без подразделения на соответствующие районы.
4. Понятие о быстро и медленно высыхающих материалах связано с энергетическим уровнем, необходимым для отрыва в процессе сушки влаги от поверхности материала, равным, согласно уравнению Гиббса — Гельмгольца, изменению свободной энергии dF на этой поверхности:
где R — универсальная газовая постоянная; Т — температура,°К; М — молекулярный вес; φ — относительное давление пара в материале, равное при равновесном влагосодержании относительной влажности воздуха. При постоянных температуре и молекулярном весе энергия связи влаги с материалом является однозначной функцией относительной влажности и связана с влагосодержанием и гигроскопическими свойствами материала.
5. В термодинамическом отношении работа, необходимая для возникновения кристаллического зародыша на поверхности полостей, трещин и крупных пор материала, является минимальной, в связи с чем рост кристаллов на этих поверхностях неизбежен.
6. Ф. В. Ушков. Теплотехнические свойства крупнопанельных стен. М., Стройиздат, 1956; Сааре Эрик и Енсон Ингвар. Измерения теплопроводности влажных пористых строительных материалов с особым учетом влияния температуры и влажности. Стокгольм, 1962.