автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение точности определения теплофизических свойств теплоизоляционных строительных материалов с учетом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий

На правах рукописи

/

КИСЕЛЁВ Игорь Яковлевич

ЛКлиЦ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ С УЧЁТОМ ИХ СТРУКТУРЫ И ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность: 05.02.01 Материаловедение (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Соловьёв Виталий Николаевич

доктор технических наук, профессор Жуков Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор, член-корреспондснт РЛАСН Савин Владимир

Константинович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие «НИИМОСТРОЙ»

Защита состоится « \ Л» Ц'УД -М] узЗйОб г. в часов па заседании

диссертационного совета Д 212.138.04 11ри Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет по адресу: г.Москва, Шлюзовая набережная, 8, аудитория^^_Д^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Автореферат разослан « »006г.

Учёный секретарь диссертационного Совета

Алимов Л.А.

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

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

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

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

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

В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:

— теоретически обосновать методологию повышения точности определения теплофизических показателей па основе анализа процесса теплопереноса через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы и процесса сорбции паров воды теплоизоляционными строительными материалами с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий;

— разработать методы расчёта и экспериментального определения теплопроводности и сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов.

Научная новизна работы:

— разработаны теоретические положения о повышении точности определения теплофизических показателей теплоизоляционных строительных материалов на основе анализа процесса теплопереноса через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы и процесса сорбции паров воды теплоизоляционными строительными материалами с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий;

— установлены зависимости теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов, в том числе её кондукцион-ных, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности от плотности материала, теплопроводности и плотности его матрицы, от теплопроводности, вязкости, температурного коэффициента объёмного расширения, размера молекул и давления газа в его порах, от диаметра волокон или пор и от температуры в диапазоне от-20 до+35°С;

— получены закономерности изменения теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта теплопроводности этих материалов, в том числе её кондукциошшх, радиационной и конвекционной составляющих;

— установлены зависимости равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимолекулярно-адсор-бированной и капиллярно-конденсированной составляющих от относительной влажности воздуха в диапазоне от 0,2 (20%) до 0,99 (99%) и температуры в диапазоне от -20 до +35 "С ;

— получены закономерности изменения равновесной сорбциошюй влажности теплоизоляционных строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта равновесной сорбциошюй влажности этих материалов, в том числе её полимолекулярно-адсорбироваиной и капиллярно-конденсированной составляющих;

— показано, что значение равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов определяется главным образом её полимолекулярно-адсорбированной составляющей, её капиллярно-конденсированная составляющая играет существенную роль только при относительной влажности воздуха, близкой к 1 (100%);

— установлены зависимости ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения Брунауэра-Эммета-Тейлора (БЭТ), относительной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного монослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов, от температуры в диапазоне от -10,4 до +35°С;

— установлено, что при уменьшении температуры от +35°С до -10,4 °С равновесная сорбциоцная влажность теплоизоляционных строительных материалов линейно увеличивается, а при температуре, близкой к -20°С, наблюдается уменьшение равновесной сорбционной влажности, что объясняется уменьшением подвижности молекул воды первого адсорбированного монослоя паров воды и замерзанием капиллярно-конденсированной воды при этой температуре.

Практическая значимость:

— разработан метод расчёта теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов, в том числе её кондукцион-пых, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности в температурном диапазоне от —20 до +35сС;

— разработан метод расчета равновесной сорбциошюй влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимолекулярно-адсорби-

рованной и кашшлярно-конденсированной состаншпощих в температурном диапазоне от-10,4 до +35°С;

— разработан метод расчёта ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения БЭТ, относительной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного монослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов, в температурном диапазоне от -10,4 до +35°С ;

— разработал метод экспериментального определения равновесной сорбциогаюй влажности теплоизоляционных строительных материалов при отрицательной температуре и получены зависимости равновесной сорбционной влажности материалов от температуры в диапазоне от -20 до +35°С;

— па основании международного межлабораторного сопоставления результатов измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов показано, что при измерении теплопроводности на отечественных приборах имела место систематическая ошибка, равная +15%; выявлены и устранены причины этой ошибки;

— установлено, что расчетные значения теплопроводности строительных материалов, приведенные в СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», необходимо пересмотреть и аргументировано предложение перейти при определении расчётных значений теплопроводности строительных материалов от расчётной температуры материалов +25°С к расчётной температуре +10ПС;

— проведён анализ ошибок измерения равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом, установлено преимущество использования растворов серной кислоты в качестве генератора влажного воздуха по сравнению с растворами глицерина и солей;

— усовершенствован метод определения зависимостей удельной интегральной пористости и удельной поверхности теплоизоляционных строительных материалов от радиуса пор, основанный на уравнении капиллярной конденсации Кельвина, и определены эти зависимости для ряда строительных материалов;

— усовершенствован метод ускоренного определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов, позволяющий сократить время испытания до 6 - 8 часов, то есть в 300 - 400 раз, и созданы одно-, двух- и пятиканальные установки для определения равновесной сорбционной влажности по этому методу.

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

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

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

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

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

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

— ГОСТ 12852.5-77 Бетон ячеистый. Метод определения коэффициента паро-проницаемости;

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

— ГОСТ 25485-89 Бетон ячеистый. Технические условия;

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

Апробапия работы. Основные положепия диссертации доложены и обсуждены

на:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На защиту выпосятся:

— теоретические положения о совместном кондукционном, радиационном и конвекционном тешгопереносе через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы;

— теоретические положения о совместной полимолекулярной адсорбции и капиллярной конденсации паров воды в порах теплоизоляционные строительных материалов;

б

— зависимости теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов от плотности, характеристик матрицы, характеристик газа в порах и температуры;

— зависимости равновесной сорбционной влажности и сорбционпых характеристик теплоизоляционных строительных материалов от относительной влажности воздуха и температуры;

— методы расчёта и экспериментального определения теплопроводности и сорбционпых характеристик теплоизоляционных строительных материалов,

— результаты внедрения.

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

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, включающего 519 наименований, пяти приложений. Общий объем Збб страниц, включая 37 рисунков и 62 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Необходимость и актуальность исследования теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов объясняется тем, что в настоящее время они широко применяются в многослойных ограждающих конструкциях зданий, однако их теплофизические характеристики недостаточно изучены, т.к. ранее наибольшее внимание уделялось исследованию теплофизических характеристик конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных материалов

Р.Ф. Тай (К.РЬ. Туе) предложил представить тепловой поток через пористые материалы как сумму трёх слагаемых: кондукционного потока через газ в порах, кондук-ционного потока через матрицу материала или изделия и радиационного теплового потока. На основе этой модели с учётом того, что в общем случае также имеет место копвекционный теплоперепос через газ в порах материала автором рассмотрен теп-лоперенос через волокнистые и ячеистые теплоизоляционные материалы и получены следующие зависимости, описывающие теплопроводность волокнистых эффективных теплоизоляционных материалов:

А,6»,У(@ + 273,15),,, ^25.^25 = ср,Р,=

=ЛЫ^^+ЛГ+ЛС, = —-г° кт—- Я,25 [1 + ^(0-25)1 +

+ лгл/2- <12рЫА

+ ВД25[1 + /№{0-25)р- + КсагО^ {& + 273,15)3 ~ +

I 191 Ю- + •+ 2?ЗЛ5)•(б? + 273Д5)• ^ (1)

+ ' ' [Пк {® + 273,15)] • у^

и ячеистых эффективных теплоизоляционных материалов:

'■ A-cdg + —

А

А +

RT

У,

Кг.сгг

£>2(б> + 273,15?^

Уо

+ 0,0488

org ^ + 273,15)]2 g - V((9 + 273,15) • (<9 + 273,15) • D

(2)

7?g (0 + 273,15)

где Л — теплопроводность волокнистого или ячеистого материала, Вт/(м°С); Xcdg — кондукцио1шая составляющая теплопроводности газа в порах, Вт/(м°С); Ал— копдукционная составляющая теплопроводности материала, значение которой определяется теплопроводностью его матрицы, Вт/(м°С); Л, — радиационная составляющая теплопроводности материала, Вт/(м°С); а,„ — конвекционная составляющая теплопроводности газа в порах, Вт/(мсС); у0 — плотность материала, кг/м3; у, — плотность матрицы материала, кг/м3; yg — плотность газа, кг/м3; и fes — температурные коэффициенты теплопроводности газа и матрицы, 1/°С; D¡ — диаметр волокон, м; D¡ — диаметр пор, м; & — температура,°С; V(<9 + 273,15) — градиент температуры, К/м; и XS2¡ — теплопроводность газа и матрицы при температуре +25°С, Вт/(м°С); р — давление газа, Па; d — диаметр молекулы газа, м; ср —удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении, Дж/(кт°С); ag — температурный коэффициент объёмного расширения газа, К"1; r¡g— вязкость газа, Па-с; Кв и Кс—безразмерные эмпирические константы; g = 9,807 м/сг — ускорение свободного падения; R = 8,314-Ю3 Дж/(кмоль-К) — универсальная газовая постоянная; NA =

б,023-Ю26 кмоль-1 — число Авогадро; сг, = 5,670-Ю"8 Вт/(м2-К4) — постоянная Стефана - Больцмана.

Необходимые для проведения расчетов теплопроводности Л по формулам (1) и

(2) значения плотности yg, теплопроводности kg23, температурного коэффициента

теплопроводности, диаметра d молекул, температурного коэффициента ag объёмного

расширения и вязкости r¡g газов (воздуха, углекислого газа, фреонов и т.д.), в порах

материалов, а также значения плотности ys, теплопроводности , температурного

коэффициента fee теплопроводности матрицы материалов (базальта, габбро-диабаза,

плавленого кварца, полистирола, полиуретана и т.д.) приведены в справочной литературе. Значения коэффициентов K¡¡ и Кс всех исследованных материалов были опре-

делены методом регрессивного анализа результатов измерения их теплопроводности. Так, например, для изделий из базальтового волокна Кв = 0,0417, Кс — 14,0, а для пено-полистирола соответствешю 0,565 и 40,0. Формулы (1) и (2) справедливы для волокнистых и ячеистых эффективных теплоизоляционных строительных материалов в температурном диапазоне -20 до +35"С.

Четвёртое слагаемое в правой части уравнений (1) и (2) равняется конвекционной Хсу составляющей теплопроводности газа в порах материалов. Значения этой составляющей в качестве примера были вычислены для следующих исследованных в данной работе эффективных теплоизоляционных строительных материалов при реальных условиях их эксплуатации в наружных ограждающих конструкциях зданий:

— стекловолокнистая плита 610-KL-50/Y производства ООО « Saint- Gobain Isover Yegorievsk »: y0 = 18 кг/м3, /cv= 8,010"7 Вт/(м°С);

— минераловатная плита П125 производства ОАО « АКСИ »: у, = 120 кг/м3, Х„ = 3,М0"9Вт/(м°С);

— пенополистирольная плита производства ОАО « Ра дослав »: у, = 18 kt/ms, — 9,0-10"7 Вт/(м°С);

— пенополистирольная плита ПС - 4А - 40 производства ОАО « Концерн «Стирол»»: уа= 46кг/м3, 1,7-10*Вт/(м-°С).

Выполненные расчёты показывают, что для волокнистых и ячеистых эффективных теплоизоляциошшх строительных материалов доля конвекционной составляющей в общем тепловом потоке через эти материалы пренебрежимо мала: для материалов малой плотности она составляет (2-3)-10 %, а для материалов большой плотности — (2 - 5)'10"5%. Следовательно, при расчёте теплопроводности Д этих материалов можно пренебречь её конвекционной Хоу составляющей.

Выражения для ХтШ — минимального значения теплопроводности материала или изделия и у„т — плотности материала или изделия, при которой его теплопроводность минимальна, получены методом нахождения экстремумов функций применительно к зависимостям (1) и (2) с учётом того, для исследуемых материалов длина свободного пробега молекул газа в порах много меньше размеров пор:

Лпь&мЛи .fegJa,.!? +f* -(©-25)]+ ^

+24кв ■ Кс ■ D\ar • ÄS2S[l + /«■•(©-25)l& + 273,15f

¡4-1 Г»-^ I Кс • /3* • ег (@ + 273Д5)3 ...

где для волокнистых материалов О* = О,, для ячеистых В* = [ (1 - уау~х) ^ -1]Дг.

В качестве примера ниже приведены зависимости теплопроводности при температуре +25°С от плотности у0 и значения ?.т,„ и утМ для двух из исследованных материалов, которые получены по формулам (1) — (4).

Для стекловолоюшстых изделий с диаметром волокон 4 мкм:

Л2}(Уо) = 0,0261 + 0,0398-10~3/о+ 0,223/уо , (5)

ХЫя = 0,0321 Вт/(м°С), /„,„ = 74,8 кхУм3. Для свсжсизготовленного пенополистирола, т.е. пенополистирола, поры которого заполнены фреоном, с толщиной стенок пор 2,5 мкм:

Лц(Го) = 0,0083 + 0,0710-Ю"3/0 + 0,160/*, ,

Л,„'„ = 0,0150 Вт/(м°С),

(6)

Умп = 47,5 кг/м .

>

Brjh'ô

На рис. 1 представлен построенный по формуле (1) график зависимости теплопроводности минераловатных изделий при температуре +25°С от плотности. На этот график также нанесены значения теплопроводности минераловатиых плит ведущих производителей этих изделий. Сопоставление свидетельствует о хорошем совпадении измеренных значений теплопроводности с графиком зависимости построенным по формуле (1).

На рис. 1 также приведены построенные по формуле (1) графики зависимостей отдельных составляющих теплопроводности минераловатиых изделий от плотности.

Из этих графиков следует:

— кондукционная составляющая не зависит от плотности материала;

— кондукционная составляющая ХсЛ; линейно увеличивается с увеличением плотности, её значение существенно только при большой плотности материала;

— радиационная составляющая Л-убывает с увеличением плотности, её значение существенно только при малой плотности материала.

0.Q4

0,0э

10 По ^ кг/н*

Рис.1. Зависимость теплопроводности минераловатных изделий, ее кондукционных и радиационной составляющих от плотности при температуре +25°С.

1 — теплопроводность материала Д, 2 — кондукционная составляющая теплопроводности Лс^х, величина которой определяется теплопро-

Важной характеристикой теплоизоляционных материалов является гемпе-

водностью газа в порах, 3 — кондукционная со- рахур11Ь1Й коэффициент /в теплопровод-ставляющая теплопроводности величина . которой определяется теплопроводностью мат- 1ЮСТИ» равный, рицы, 4 — радиационная составляющая теплопроводности Яг.

х — ЗАО «Минеральная вата», V — «Rockwool (/„,/,, Яа 25 ,/,, , , D", = A/S», « — «Paroc Oy Ab», Д — «Izomal», □ — S g '

«Deutshe Owens-Corning Glasswool GmbH».

*t1sJet + KBXS2Jœ Ь. + 3Ä'CD * t7 • (© + 273,15)2 y-s-

__ Ys r _Y «

/а

• [l + /ék(6> ■~ 25)]+ KBÄS2! ■ [1 + fa{& -25)]— + KCD + 273,15)3 &

Ys r Го

•(7)

На рис. 2 в качестве примера представлен построенный по формуле (7) график зависимости температурного коэффициешга /в теплопроводности минераловатных из-

делий от плотности при температуре +25 °С. На этом графике также указаны диапазоны изменения этого коэффициента при различных значениях плотности, полученные по результатам экспериментов. Сопоставление свидетельствует о хорошем совпадении экспериментально измеренных значений коэффициента /в со значениями этого коэффициента, вычисленными по формуле (7). Из графика зависимости /в(у0) следует, что при уменьшении плотности материала увеличивается зависимость его теплопроводности от температуры, что объясняется увеличением доли радиационного потока в об-

Из формул (1), (2) и графика Л(у„), следует, что — скорость изменения

теплопроводности при увеличении плотности, в свою очередь зависит от плотности. На рис.3 представлены графики зависимости при температуре

+25°С для минераловатных изделий, пе-нополистирола и пенополиуретана, которые построены по формуле, полученной путём дифференцирования правой части выражений (1) и (2) по плотности уо. Из графиков следует, что наиболее сильно теплопроводность зависит от плотности при её малых значениях. При увеличении плотности модуль скорости \Ху | умень-

Рис. 2. Зависимость температурного коэффици- Шается и становится равным нулю при

енга ы теплопроводности минераловатных из- „„ „„„„ „ ____ _

делий от плотности Т0М значешш плотности, при котором

теплопроводность материала минимальна. При дальнейшем увеличении плотности скорость Ху возрастает незначительно.

Анализ формул (1) и (2) показывает, что теплопроводность эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов практически линейно увеличивается при увеличении диаметра волокон или пор.

Доля С радиационного теплового потока в общем тепловом потоке через волокнистые и ячеистые теплоизоляционные материалы, определенная как отношение ра-диационой составляющей теплопроводности к общей теплопроводности, равна:

Сг Ь'о > У Я >25 . 25, , /^5 , Г>* , <9) =

_ _ ЛГСР * аг(б> +273,15)У|-100%_

На рис. 4 в качестве иллюстрации представлены графики зависимости С(Уо) Для минераловатных изделий, пснополистирола и пенополиуретана при темпера-

щем тепловом потоке через материал.

туре +10°С, т.е. температуре, характерной для зимних условий эксплуатации теплоизоляционных материалов в наружных ограждающих конструкциях. Из графиков, представленных па рис. 4, и расчётов, выполненных но формуле (8), следует, что доля радиационного теплового потока существенна только при малых плотностях материала, она быстро уменьшается при увеличении плотности материала и уменьшении температуры.

Рис. 3. Зависимость скорости изменения тепло- Рис. 4. Зависимость от плотности доли ра-с!Л диационного теплового потока в общем тепло-

проводности — от плотности. вом потоке через минераловатные изделия, пе-

нополистирол, пенополиуретан при температуре +ю °С.

1 — минераловатные изделия, 2 — пенополи- ] — состаренный пенополиуретан, 2 — свеже-стирол, 3 пенополиуретан. изготовленный пенополистирол, 2' — состарен-

ный пенополистирол, 3 — минераловатные изделия.

Расчётные значения теплопроводности строительных материалов в значительной мере определяются их теплопроводностью в сухом состоянии. Поэтому особо важной является информация о точности измерения теплопроводности в сухом состоянии. Общепризнанным методом оценки точности измерения какого-либо технического показателя, в том числе теплопроводности в сухом состоянии, является межлабораторный обмен образцами и результатами измерения этого показателя одних и тех же образцов, выполненных на различных приборах. Автором было проведено международное межлабораторное сопоставление результатов измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов. В работе приняли участие девять научно-

исследовательских организаций и фирм. С российской стороны — НИИ строительной физики, НИИ Мосстрой, ЦНИИЭП Жилшца, Научно-исследовательский центр Министерства транспорта Российской Федерации, Научно-производственный центр «Физтех». Зарубежные участники — Институт исследований в области строительства (Канада), фирма «Holometrix» (США), фирма «Partek» (Финляндия), НИИ Теплоизоляция (Литва). Для проведения этой работы российская сторона предоставила образцы жёстких минераловатных плит плотностью 200 кг/м3, канадская сторона — образцы полужёстких стекловолокнистых плит плотностью 60 кг/м3, американская сторона — один образец состаренного пенополистирола плотностью 23 кг/м3. Общее число испытанных образцов — 21, общее число приборов, на которых проведены испытания — 12. Измерения на всех приборах были проведены прямым методом при стационарном тепловом режиме. Измерения были проведены: в России — m 6 оснащённых тепломерами приборах (OUI), в Литве — на одном ОТП, в Финляндии — на двух ОТП, в США — на одном приборе с горячей охранной зоной, в Канаде — на одном ОТП и одном образцовом приборе с горячей охранной зоной.

Проведённое международное межлабораторное сопоставление результатов измерения теплопроводности дало основание для следующих выводов:

— ошибка измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов на оснащённых тепломерами приборах строительного комплекса России и Литвы составляла +13 +22% и имела место систематическая ошибка, равная+15%;

— ошибка измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов на оснащённых тепломерами приборах канадского Института исследований в области строительства и финской фирмы «Partek» не превышала ±2%.

Две основные причины этих ошибок измерения теплопроводности на отечественных оснащённых тепломерами приборах:

— завышенные значения теплопроводности образцов-эталонов теплопроводности, использовавшихся при градуировке отечественных приборов;

— в действовавшем в то время ГОСТе на измерение теплопроводности был изложен ошибочный метод градуировки оснащённых тепломерами приборов, который не учитывал зависимость градуировочного коэффициента тепломеров от плотности теплового потока.

Рассмотрена первая причина. В таблице представлены результаты аттестаций образца-эталона теплопроводности, изготовленного из стекловолокнистой плиты плотностью 60 кг/м3. Аттестации были проведены автором в канадском Институте исследований в области строительства и во Всероссийском НИИ физико-технических и радиоизмерений (ВНИИФТРИ). При аттестации в Канаде теплопроводность образца была измерена при стационарном тепловом режиме прямым абсолютным методом, а при аттестации во ВНИИФТРИ — при нестационарном тепловом режиме косвенным относительным методом. В основу метода, используемого ВНИИФТРИ, положено предположение о термической изотропности и однородности испытываемого материала. Однако волокнистые материалы и пенопласты, используемые для изготовления образцов-эталонов теплопроводности, не являются ни термически изотропными, пи тер-

мичсски однородными. Это является причиной ошибок измерения теплопроводности при нестационарном тепловом режиме.

Из данных, представленных в таблице , следует, что при температуре +25°С значение теплопроводности образца-эталона, измеренное во ВНИИФТРИ, на 15% больше, чем значение этого показателя, гомеренпое в канадском Институте.

Таблица

Сопоставление результатов аттестаций эталона теплопроводности из стекловолокни-стой плиты, выполненных в канадском Институте исследований в области строительства и во ВНИИ физико-технических и радиоизмерений

Температура, °С Теплопроводность, Вт/(м-°С), измеренная в Расхождение результатов измерений, %

канадском Институте ВНИИФТРИ

+7,0 0,02912 0,03485 +19,7

+9,0 0,02943 0,03505 +19,1

+11,0 0,02975 0,03525 +18,5

+13,0 0,03006 0,03545 +17,9

+15,0 0,03038 0,03565 +17,3

+17,0 0,03070 0,03585 +16,8

+19,0 0,03101 0,03605 +16,3

+21,0 0,03133 0,03625 +15,7

+23,0 0,03164 0,03645 +15,2

+25,0 0,03196 0,03665 +14,7

+27,0 0,03228 0,03685 +14,2

+29,0 0,03259 0,03706 +13,7

+31,0 0,03290 0,03726 +13,3

+33,0 0,03322 0,03746 +12,8

+35,0 0,03354 0,03766 +12,3

+37,0 1 0,03386 0,03786 +11,8

+39,0 0,03417 0,03806 +11,4

+41,0 0,03449 0,03826 +10,9

+43,0 0,03480 0,03846 +10,5

+45,0 0,03512 0,03886 +10,1

В лабораториях строительного комплекса России измерения теплопроводности строительных материалов проводят при температуре +25°С. Т.к. при градуировке отечественных приборов используют эталоны теплопроводности, аттестованные во ВНИИФТРИ, то завышенные значения теплопроводности этих эталонов и являются причиной того, что при измерении теплопроводности теплоизоляционных материалов на приборах институтов строительного комплекса России имела место систематическая ошибка, равная +15%.

Рассмотрена вторая причина ошибок измерения теплопроводности на отечественных оснащенных тепломерами приборах, а именно зависимость к(у) градуировоч-ного коэффициента к тепломеров от плотности д теплового потока. Следствием наличия зависимости к(ф является зависимость относительной ошибки в измерения теплопроводности от отношения теплопроводности А, образца-эталона, используемого при градуировке прибора, к теплопроводности испытываемого образца. На рис. 5 в качестве примера приведен график этой зависимости для прибора ОТИХП,

Лз

которая имеет вид г = 52,3^—. Из этой

Лм

зависимости следует, что е =0 только при Л, =Ди- Из этой зависимости следует, что если при измерении теплопроводности пепополистирола градуировку прибора провести при помощи эталона, изготовленного из органического стекла (как того требовал ГОСТ 7076-87 на метод измерения теплопроводности), то ошибка измерения теплопроводности пепополистирола будет равна +33%.

Был разработан метод градуировки оснащённых тепломерами приборов, сущность которого состоит в определении зависимости Мс{) тепломеров при помощи эталонов, имеющих различные теплопроводности, и последующего определения путём интерполирования значения градуировочного коэффициента, соответствующего теплопроводности испытываемого материала. Этот метод позволяет свести к минимуму влияние зависимости градуировочного коэффициента тепломеров от плотности теплового потока на точность измерения теплопроводности. Его описание включено в ныне действующий ГОСТ 7076-99 « Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».

Приборы с горячей охранной зоной принципиально отличны от оснащённых тепломерами приборов. Измерепие теплопроводности на этих приборах проводят при стационарном тепловом режиме по прямому абсолютному методу, поэтому эти приборы не требуют градуировки. На основании анализа зарубежной научно-технической литературы было составлено техническое задание, по которому ВНИИФТРИ спроектировал и изготовил для НИИ строительной физики прибор с горячей охранной зоной. Этот прибор ПИТ-1 позволяет измерять теплопроводность строительных материалов и изделий в диапазоне от 0,025 до 0,5 Вт/(м°С) при средней температуре испытываемых образцов от +10 до +30°С.

Г/.

и

эе /

« /

Я ♦ « > <»

у "»в

• -9

/ -7#

Рис. 5. Зависимость относительной ошибки е измерения теплопроводности от отношения теплопроводности Л, образца-эталона, применённого при градуировке прибора, к теплопроводности Лм испытываемого образца

Подробно проанализированы расчетные значения теплопроводности строительных материалов и изделий, приведённые в СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».

Расчётная температура материала, при которой определены указанные в СП 23101-2004 значения теплопроводности, равна +25°С. Согласно требованиям Международной организации по стандартизации (ИСО) и Европейского комитета по стандарги-зации (СЕН) эта температура должна быть равна +10°С. Очевидно, что требовашш ИСО и СЕН более точно соответствуют реальным зимним условиям эксплуатации материалов в наружных ограждающих конструкциях зданий. Расчёты показывают, что при уменьшении расчётной температуры от +25°С до +10°С расчётная теплопроводность всех приведённых в СП 23-101-2004 строительных материалов и изделий уменьшается, например, расчётная теплопроводность бетонов и кирпичной кладки уменьшается на 3-5%, древесины — на 6-9%, теплоизоляционных материалов и изделий — на 5-9%. Следовательно, переход от расчётной температуры +25°С к температуре +10°С позволит сократить расход бетонов на 3-5%, изделий из древесины — на 6-9%, теплоизоляционных материалов — на 5-9% при изготовлении наружных ограждающих конструкций без нарушения требований к их тепло-техшгческим показателям.

На следующем этапе было проведено сопоставление значений коэффициента пересчёта теплопроводности материалов и изделий по влажности, использованных при определении представленных в СП 23-101-2004 расчётных значений теплопроводности, со значениями этого коэффициента, полученными путём обобщения результатов измерений, проведённых в последнее время в нашей стране и за рубежом. Сопоставление показало, что для всех приведённых в СП 23-101-2004 материалов и изделий использовагаше значения коэффициента превышают значения этого коэффициента, определённые путём обобщения результатов измерений, проведённых в последнее время в нашей стране и за рубежом. Так, например, для бетонов это превышение составляет 2 раза, для минераловатных изделий — 2-4 раза.

Сопоставление расчётных значений теплопроводности строительных материалов и изделий, приведённых в СП 23-101-2004, с расчётными значениями теплопроводности аналогичных материалов и изделий, представленными в нормативных документах ИСО (КО 10456:1999) и СЕН (ЕЫ 12524:1999), показывает, что для всех материалов и изделий значения, приведённые в СП 23-101-2004, превышают значешет, данные в документах ИСО и СЕН. Так, например, для лёгких и ячеистых бетонов это превышение составляет 1,2-1,4 раза, а для теплоизоляционных материалов — 1,8-2 раза. Основные причины этих различий заключаются в следующем:

— в СП 23-101-2004 расчётные значения теплопроводности определены при температуре +25°С, а в документах ИСО и СЕН — при +10°С;

— расчётные значения теплопроводности, представленные в СП 23-101-2004, не пересматривались и не корректировались в течение нескольких десятилетий.

За последние десятилетия значительно улучшились теплофизические и физико-механические показатели отечественных строительных материалов и изделий. Сопоставление результатов испытаний минераловатных изделий, производимых различными отечественными предприятиями, показывает, что за последние 30 лет их показатели

изменились следующим образом: теплопроводность уменьшилась па 20-25%, сжимаемость — в 3-4 раза, водопоглощение — в 2-3 раза.

Из вышеизложенного следует необходимость пересмотра представленных в СП 23-101-2004 расчётных значений теплопроводности строительных материалов и изделий. Этому пересмотру должна предшествовать исследовательская работа, в ходе выполнения которой необходимо экспериментально определить зависимости теплопроводности от плотности, температуры и влажности для всех широко применяемых отечественных и импортируемых в Россию строительных материалов и изделий. Этому пересмотру также должны предшествовать натурные теплофизичсские обследования новых типов наружных ограждающих конструкций, изготовленных о применением современных материалов.

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

Наряду с теплопроводностью равновесная еорбционная влажность (далее — сорбционная влажность) также является важнейшим теплофизическим показателем строительных материалов, т.к. она в значительной мере определяет ход процессов тепло- и массопереноса через ограждающие конструкции зданий, а следовательно, и их теплозащитные свойства.

В нашей стране сорбционную влажность строительных материалов определяют эксикаторным методом, а для создания в эксикаторах паровоздушной смесей с заданными относительными влажностями используют водные растворы серной кислоты H2S04. P.E. Прей (R.E. Prey) и Н.К. Шилтз (N.C. Shiltz) высказали предположение, что водные растворы H2S04 непригодны для определения сорбционной влажности строительных материалов, в состав которых входит гидроокись кальция Са(ОН)2. По их мнению, пары H2SO4, имеющиеся в воздухе над водными растворами H2SO4, химически взаимодействуют с Са(ОН)2 с образованием сернокислого кальция CaS04-2H20, что приводит к изменению поровой структуры материалов, а следовательно, и их сорбционных свойств. С целью экспериментальной проверки этого мнения была определена сорбционная влажность пено— и газосиликата, пенобетона и силикатного кирпича, т.е. материалов, в состав которых входит Са(ОН)г. Изотермы сорбции этих материалов были определены эксикаторным методом над водными растворами H2SO4 и над насыщенными водными растворами следующих солей: MgCl2'6H20, Na2Cr207, C0(NH2)2, NaBr03_ CuSCV5H20. Эксперимент показал, что относительное отклонение от осредняющей кривой численных значений сорбционной влажности материалов, определённых над растворами H2S04 и над растворами солей, кривой не превышает ±3%, что объясняется различием сорбционных свойств образцов-близнецов. Следовательно, предположение P.E. Прея и Н.К. Шилтза неверно.

При определении сорбционной влажности эксикаторным методом в лабораториях различных стран в качестве генераторов влажного воздуха используют водные растворы Н2&04 или глицерина, либо насыщенные растворы различных солей. Проведён анализ тех технических показателей этих растворов, которые определяют ошибки задания относительной влажности воздуха над этими растворами, а следовательно, и ошибки определения сорбционной влажности материалов. Анализ показал, что следует использовать водные растворы Нг8С\ а пе глицерина или солей, так как

— абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами НгБО^ возникающие вследствие ошибок задания концентрации растворов, в 2,5 раза меньше, чем над растворами глицерина;

— абсолютная ошибка задания относительной влажности воздуха над растворами Н2804, возникающие вследствие колебаний температуры в ходе эксперимента, в среднем в 10 раз меньше, чем над растворами солей.

Длительность эксперимента по определению изотермы сорбции одного материала эксикаторным методом составляет 3-6 месяцев. Этот метод непригоден в тех случаях, когда сорбционную влажность материала необходимо определить быстро, например, при исследовании влияния технологии производства на сорбционные свойства материала. Поэтому применительно к строительным материалам был усовершенствован метод и созданы установки ускоретюго определения сорбционной влажности.

Сущность метода: воздух с заданной относительной влажностью и температурой прокачивается через испытываемый образец. Основой для разработки этого метода послужили работы Ф.М. Нельсена (Т.М.КеЬеп) и А.И. Чуприны. В начале была спроектирована и изготовлена одноканальная установка. На ней метод был отработан. На основе опыта ее эксплуатации были спроектированы и изготовлены двух— и пятика-нальные установки, на которых можно определять сорбционную влажность двух или пяти материалов одновременно. Применение этих установок позволяет:

— определять сорбционную влажность строительного материала за 6-8 часов, т.е. в 300 - 400 раз быстрее, чем эксикаторным методом;

— определять её в диапазоне температуры от +10 до + 30°С и в диапазоне относительной влажности воздуха от 40 до 97%.

При проведении теплотехнических расчётов наружных ограждающих конструкций особо важными являются сведения о сорбционной влажности строительных материалов в том диапазоне температуры, в котором эти материалы эксплуатируются. В данной работе разработан метод экспериментального определения сорбционной влажности материалов в диапазоне от -20 до +35°С. При температурах —20, —10,4, +1,2, +20 и +35°С экспериментально.определена сорбционная влажность следующих широко применяемых строительных материалов: керамзитоперлитобетона (/О=750 кг/м3), арболита (650 кг/м3), шунгизитобетона (1100 кг/м3), пенобетона (750 кг/м3), ке-рамзитобетона (1200 кг/м3), газобетона (400 кг/м3), газобетона (700 кг/мэ) и фильтровальной бумаги, которая традиционно используется в качестве модельного тела при исследовании сорбционных я&тешш. Сущность метода заключается в доведении образцов материалов до равновесного состояния в паровоздушных средах с заданной относительной влажностью воздуха и температурой. Паровоздушные среды с заданными значениями относительной влажности воздуха (р создавались в эксикаторах при помо-

щи водных растворов Н^С^ различной концентрации. Значения парциального давления р паров воды над растворами при различных температурах Т вычислялись по следующей формуле:

1 %р = А*-В*Г\ (9)

где А* В* — табулированные константы, — ,К, значения которых зависят от концентрации раствора.

Эксперименты показали, что в диапазоне от -10,4 до + 35°С сорбционная влажность учр всех исследованных материалов линейно уменьшается с увеличением температуры. В качестве иллюстрации на рис. 6 приведены 1рафики зависимости м'г, от температуры 0 для двух исследовашшх материалов: керамзитоперлитобетона и арболита. Экспериментально полученные зависимости и'р(6>) для всех исследованных материалов были обработаны и Рис. б. Зависимость сорбционной влажности представлены в виде уравнений линейной керамзитоперлнгобошна и арболита от темпе- ре1рессии Зтчения модуля коэффициента

Г-Ркерамзито11Црлитобетон, ^40%; 2 - ке- корреляции этих зависимостей лежат в рамзитоперлитобетон, (р = 80%; 3 — арболит, диапазоне 0,996 - 0,999.

40%; 4 — арболит, <р= 80%.

Эксперименты по определению сорбциохшой влажности очень длительны и трудоёмки. Поэтому представляют интерес методы, позволяющие по изотерме сорбции какой-либо гйры адсорбат-адсорбент, экспериментально полученной при одной температуре, путём пересчёта определить изотерму этой пйры при другой температуре. Такими являются метод А.Е. Пасс и основанные на потенциальной теории полимолекулярной адсорбции методы М. Поляни, М.М. Дубинина и А.Э. Алумяэ. С целью экспериментальной проверки возможности применения этих методов для расчёта изотерм сорбции паров воды строительными материалами было проведено сопоставление значении сорбционной влажности ряда широко приметаемых строительных материалов, экспериментально полученных в данной работе при температурах -10,4; +1,2 и +35°С, со значениями сорбционной влажности этих материалов при тех же температурах, вычисленными по методам упомянутых авторов. Сопоставление показало, что эти методы не могут быть применены для расчёта изотерм сорбции паров воды строительными материалами, т.к. относительная ошибка расчёта сорбционной влажности строительных материалов по этим методам составляет ±50% и более. Основная причина столь большой ошибки заключается в том, что эти методы не учитывают явление капиллярной копденсации паров воды в порах строительных материалов. Следствием невозможности применения этих методов явилась необходимость разработки метода

расчета сорбциопной влажности строительных материалов при отрицательных и положительных температурах, который описан ниже.

Ёмкость монослоя адсорбированных паров воды, константа с уравнением БЭТ, относительная влажность воздуха <рт, при которой заканчивается формирование первого монослоя адсорбированных паров воды, и площадь Ат , занимаемая одной молекулой воды на поверхности пор строительного материала, являются важными адсорбционными характеристиками материала, определяющими его сорбционные свойства. Существуют два метода обработки изотерм сорбции, позволяющие получить значения этих характеристик: БЭТ-метод и разработанный В.Г. Гагариным метод С целью сопоставления по этим методам были обработаны полученные на вакуумной сорбционной установке изотермы сорбции паров воды цементным камнем, тяжёлым бетоном, керамзитобетоном, азеритобетопом, асбестоцементом, пенобетоном, красным кирпичом и цементно-песчаным раствором. Сопоставление результатов обработки показало, что Ы-метод позволяет получить более точную информацию об адсорбционных характеристиках материалов, поэтому в данной работе при обработке изотерм сорбции был использован Ы-метод.

Зависимости адсорбционных характеристик строительных материалов от температуры >1'т(7), с(Т), ср„(Т), Ат(Т) представляют научный и практический интерес, так как эти зависимости определяют зависимость сорбционной влажности м>р(7) материалов от температуры. Для каждого исследуемого материала эти зависимости были определены по результатам определения их сорбционной влажности при температурах -10,4, +1,2, +20, +35°С.

Для определения значений ёмкости монослоя и константы с при температуре Т; = 308,15 К (+35 °С) для каждого исследованного материала была записана система уравнений при относительной влажности воздуха <р= 0,4:

V

;ехр|

; асехр

= атТ\ + Ьт

Г, + ъ„

"Я X Я!

„ _ С\У .

„ ,_Ш_

т21 + (С2-1>

где Т1 = 293,15 К (+20 °С); с2, сг -

0,392

(10)

01) (12)

(13)

(14)

(15)

_ДГ2(-1п?>)_

константа с материала при температурах Г; и Г2 соответственно; м^, мр2 — сорбционная влажность материала при температурах и Т} соответственно, кг/кг, ас, Ь0, а„, Ь„, — эмпирические константы, —, К, кг/(кгК), кг/кг, я*=7,84-105 Дж/кмоль — константа уравнения Хелси для изотерм адсорбции водяного пара.

Необходимые для расчётов значения характеристик с,, м>т1 и Ат1 были предварительно определены Ы-методом по изотерме сорбции паров воды этим материалом

при температуре Т¡. Значения адсорбционных характеристик с2 и ибыли определены путём решения этой системы численным методом. Затем для температур Т] и 7*3= 274,35 К (+1,2 °С), а также температур Тг и Т4= 262,15 К (-10,4 °С) были записаны и системы уравнений, аналогичные системе (10)-(15). Значения адсорбционных характеристик с}, м/т3, с4 и при температурах Т3 и Т4 были определены путём численного решения этих систем.

Значения адсорбционной характеристики <р,„ при температурах Т), Тз, Т3 и Т4 были определены путем численного решения уравнения :

пО.зэг

4>м =1с(

(16)

где /=1,2,3,4.

Значешм адсорбционной характеристики А„ нри температурах Т:, Тз и Т4 были вычислены по формуле:

атТх + Ьп а„Т,+Ь„ где /=2,3,4.

На рис. 7 и 8 в качестве иллюстрации приведены зависимости и с(Т) для четырёх из восьми исследованных материалов.

Л_, = А.

(17)

-20

20 в,'С

Рис. 7. Зависимость ёмкости УУт монослоя ад- Рис. 8. Зависимость константы с уравнения адсорбированных паров воды от температуры сорбции БЭТ от температуры 1 — керамзитоперлитобетон; 2 — арболит, 3 — 1 — керамзитоперлитобетон; 2 — арболит, 3 — пенобетон; 4 — газобетон. пенобетон, 4 — газобетон.

Полученные совокупности значений адсорбционных характеристик при упомянутых температурах были обработаны методом регрессивного анализа и определены значения констант ас,Ьс, ат, />„ зависимостей с(Т) и ^„(7) для каждого исследованного материала.

Зависимость <рт(Т) была представлена в виде уравнения экспоненциальной регрессии :

<Pm(T) = am^V

b„

(18)

Для каждого исследованного материала методом регрессивного анализа были определены значения констант а9 и Ьг/Л ПаЛ 1а, К.

Коэффициенты корреляции зависимостей wm(7), с(Т) и <рт(Т) равны 0,996 - 0,999. Эти зависимости использованы при разработке метода расчета сорбционной влажности строительных материалов при положительной и отрицательной температурах.

В литературе нет сведений о характере зависимости адсорбционных характеристик пар водяные пары - строительные материалы от температуры. Л.Е. Дрейн (L.E. Drain) исследовал зависимость wm(T) для пары азот - рутил, Т.Н. Родин (T.N. Rodin) для пары азот - кристаллы цинка, В. Стобер (W. Stober) для пар азот, аргон, аммиак - сажа. Зависимость с(Т) исследована Дж. Уоленом (J. Whalen) для пары водяпые пары - кварц, Р. Дейвисом (R. Daves) для пары изобутан - серебро. Характер зависимостей wm(T) и с(7), полученных в данной работе для пар водяные пары - строительные материалы, совпадет с характером этих зависимостей, приведённых авторами вышеперечисленных исследований. Характер полученных в данной работе зависимостей <рт(Т) и А„{Т) подтверждается теоретическими исследованиями явления адсорбции, выполненными Д.К. Джонсом (D.C. Jones) и A.B. Киселёвым.

Следующий этап разработки метода расчёта сорбционной влажности строительных материалов — усовершенствование метода определения зависимости удельной интегральной пористости V(r) и удельной поверхности пор S(r) материалов от радиуса пор г по изотермам сорбции ими паров воды. В основу метода положено уравнение капиллярной конденсации Кельвина. При разработке этого метода и метода расчёта сорбционной влажности было учтено, что сорбция паров воды строительными материалами представляет собой сочетание двух процессов: полимолекулярной адсорбции и капиллярной конденсации. С учётом сказанного уравнение Кельвина принимает вид:

К9,Т) = 2(7^М + 25 +c(rlV N((pJ)Di (19) p(T)RT(-\n<p) 1 + [с(Г)-ф ;

где г — геометрический радиус поры, м; <р — относительная влажность воздуха, Па/Па; а„ — поверхностное натяжение води при плоской поверхности воды, Н/м; А/, р, D — молярная масса, плотность и диаметр молекулы воды, кг/кмоль, кг/м3, м; S— толщина межфазового слоя вода - воздух, м; N(<p,T) — N-функция.

При определении зависимостей V(r) и S(r) по разработанному в данной работе метод}' вначале путём численного решения записашюго для Т = 293,15 К (+20°С) уравнения:

а(Т)

1

*<г> с(Т)ф,,

= (20)

где а, И - константы формулы, описывающей изотерму сорбции паров воды, Дж/кмоль,—;

определяют значение относительной влажности воздуха <р0 , при котором в исследуемом материале начинается капиллярная конденсация. Затем по формуле (19) определяют минимальный радиус г0 пор этого материала.

Зависимость удельной интегральной пористости ¥(<р) от относительной влажности воздуха ср определяют при температуре Т = 293,15 К (+20°С) путём численного интегрирования по формуле :

1

"А (Г)

V(<p) = j

Лр

<7">

а(Т) RT

-(-In®) кт) ' — МП ср

ар

dq>

~1 + [с(Г)-ф

N(<p,T)D

pRT(-]n<p)

■ + 2 S +

c(T)(fN (<p,T)D 1 + [с<7)-ф

(21)

Значения радиусов г пор, соответствующие значениям верхнего предела интегрирования <р, определяют по формуле (19). Таким образом получают зависимость интегральной пористости материала V(r), м3/кг, от радиуса г пор.

Зависимость V(r) была представлена в виде уравнения синусоидальной регрессии:

V(r) = av sin(6 vr + су) + dy , (22)

где а у, by_ су, dy— эмпирические константы, м3/кг, м-1, —, м3/кг, т.к. этот тип регрессии наиболее точно описывает зависимость V(r) для пор малого радиуса, вносящих наибольший вклад в удельную поверхность материала.

Зависимость удельной поверхности S(r), м /кг, от радиуса г пор вычисляют по формуле:

S(r) = 2ayby< cos с,

ln(V) + Z

2/(2/)!

ЬуГ+Y.

(-1 УФуГУ

(2i +1)(2/ +1)!_

(23)

Формула расчёта сорбционной влажности строительных материалов в диапазоне изменения относительной влажности воздуха <р от 0,2 (20%) до 0,99 (99%) и температуры Тот 262,75 К (-10,4 °С) до 308,15 К (+35 °С) имеет вид :

(р'т) = р{ау 8т[бкг(<р,г)+ су] + 4у} + -у) 2 ауЬуСов[Ьуг+Су]^ г

1--^

I

2Qyby COS [¿у Г + Су]

dr

(24)

где Г/— максимальный геометрический радиус пор, в которых имеет место капиллярная конденсация, м.

При расчёте сорбционной влажности материала по формуле (24) при какой-либо температуре Т необходимо знать значения относительной влажности воздуха, при которых в данном материале при этой температуре Т начинается и заканчивается капиллярная конденсация. Значение относительной влажности воздуха <рт при котором начинается капиллярная конденсация, определяют путем численного решения уравнения (19) относительно <р при условии г(<р, Т) - га. Значение относительной влажности воздуха <рр при котором оканчивается капиллярная конденсация, определяют по формуле:

2аИ(ГЖ

9о/(Г) = ехр

(25)

(2 8-гк;)рЯТ

где г к/ = Ю-7 м — максимальный кельвиновский радиус пор, в которых имеет место капиллярная конденсация.

Расчёты показывают, что при уменьшении температуры ср0 уменьшается. Так для газобетона (400 кг/м3) при уменынезши температуры от + 35°С до -10,4°С <р0 уменьшается от 0,58 (58%) до 0,49 (49%).

Из сопоставления значений сорбционной влажности ряда широко применяемых строительных материалов при температурах -10,4, +1,2, +35°С, вычисленных по формуле (24) и определённых экспериментально, следует, что относительная ошибка расчета по разработанному методу не гфевышает ±15%.

Проведете расчётов по формуле (24) трудоёмко. Поэтому с практической точки зрения представляет интерес эмпирическая зависимость сорбционной влажности, полученная путём обработки результатов расчётов сорбционной влажности *н>р по формуле (25) в диапазопе изменения (¡> от 0,2 (20%) до 0,99 (99%) и Гот 262,75 К (-10,4°С) до 308,15 К (+35°С):

Численные значения эмпирических констант, входящих в формулу (26), определены методом регрессивного анализа для ряда широко применяемых строительных материалов и сведены в таблицу.

Разработанный метод расчёта сорбционной влажности также позволяет рассчитать значения её полимолекулярно-адсорбированной и капиллярно-конденсированной м>сс составляющих:

™«(<?,7) = ч'р{ср,Г)-^Х<р,П (28)

где уур0р,Г) вычисляют по формуле (24).

На рис. 9 в качестве иллюстрации приведены графики зависимостей У>Р(<р), ■№„($>), №„(<?) только для одного из исследованных материалов.

Расчёты, выполненные по формулам (24), (27), (28), дают основание утверждать, что для всех исследованных строительных материалов в температурном диапазоне от -10,4 до +35 °С увлажнение материалов парообразной влагой происходит в основном за счёт явления полимолекулярной адсорбции. Явление капиллярной конденсации играет заметную роль в этом процессе только при д>, близкой к 1 (100%).

002

006

004

I

Экспериментально измеренные значения сорбционной влажности всех исследованных строительных материалов при температуре -20°С меньше, чем значения этого показателя при темпера-

туре +20°С.

С целью объяснения этого явления на основании обобщения результатов работ П. Кубельки (Р. КиЬеИка), И. Хигути (I. ЬПд^у) и Г. Фагерлунда (О. Fagerlund) по исследованию процесса замерзания жидкостей, сорбировашгых капиллярно-пористыми телами, была получена фор-

О

02 04 06 С>& У

Рис. 9. Зависимости »;Х?>), кМ и »„О) для мУла> описывающая процесс замерзания керамзитобетона (1200 кг/м3) при температуре воды в порах строительных материалов : -10,4 °С. 1 — м>р, 2 —м>а 3 —

где г„1„ — минимальный радиус поры, в которой замерзает вода при температуре (Т„~АТ), м; Т„ = 273,15 К — температура замерзания несорбированной воды; ДТ — погшжеше температуры замерзания воды в поре, К; q — удельная теплота плавления льда, Дж/кмоль.

Расчёт процесса замерзания воды в порах исследовапных материалов при температуре -20°С по этой формуле, а также анализ и сопоставление значений ёмкости монослоя н'„, константы с уравнения БЭТ , удельной интегральной пористости и удельной поверхности, которые были определены по изотермам сорбции, соответствующим температурам -20°С и +20°С, дают основание утверждать, что причинами уменьшения сорбционной влажности при температуре -20°С являются:

при (р < 0,8 — резкое уменьшение подвижности молекул воды первого адсорбированного монослоя;

при <р> 0,8 к первой причине добавляется замерзание в порах доли капилляр-но-конденсировашюй воды и блокирование образовавшимся льдом доступа паров воды в часть внутреннего порового объема материала.

Ниже рассмотрены примеры применения результатов выполненных исследований теплопроводности и сорбционных характеристик строительных материалов при расчёте процессов тепло- и массопереноса через наружные ограждающие конструкции зданий, а также при расчёте теплотехнических показателей этих конструкций,

(29)

Одномерное стационарное температурное поле плоской однослойной наружной ограждающей конструкции, изготовленной из материала, теплопроводность которого линейно зависит от температуры, описывается уравнением:

9 = Я2!{1 + /а[Г(х)-298,15)]}^^. ' (30)

Решение этого уравнения:

+ 2 Л25О- 298,15/в)Г + 2(фс - Q = 0 (31) или

j, _ - (1 ~ 298,15/е ) + —298,15/а )' + 2X¡¡fB(C—дх) (3

•^23/э

Значения плотности теплового потока q и конста1гты интегрирования С определяют путем решения системы двух уравнений, полученных подстановкой в формулу (31) значений Т = '!]„, - q/aM при х = 0 ylT = + q/aпри х — d, где Tin¡ и Т„,— температура внутреннего и наружного воздуха, К; а,„, и а^— коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях конструкции в зимних условиях; Вт/(м2К), d - толщина конструкции, м.

Уравнения (1), (2), (7) и (32) были применены при расчёте температурных полей стеновых сандвич-панелей со стальными обшивками, предназначенных для общественных зданий г. Кемерово. В качестве утеплителя в этих панелях применены исследованные в данной работе изделия: минераловатные плиты ROS 60 (/о = 140кг/м3) финской фирмы «Paroc Oy Ab» и пенополиуретан (уа = 45кг/м3) австрийской фирмы «PLAUM PU GmbH». Расчётные значения теплопроводности обоих утеплителей равпы 0,040 Вт/(м°С). Согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» нормируемое значение приведённого сопротивления теплопередаче этих панелей должно быть равно 3,16 м2сС/Вт, а толщина слоя утеплителя — 0,17 м. Расчёты температурных полей этих панелей, выполненные с применением уравнений (1), (2), (7) и (32), т.е. с учётом зависимости теплопроводности утеплителей от температуры, показывают, что приведённое сопротивление теплопередаче панелей, изготовленных с применением минера-ловатных плит, на 20% больше, а с применением пенополиуретана на 33% больше, чем значения этого показателя, вычисленные по СП 23-101-2004,т.е. без учёта зависимости теплопроводности утеплителей от температуры.

Уравнение (26) было применено при расчёте температурных и влажностных полей наружных стен из бетонных блоков и однослойных стеновых панелей общественных зданий г. Краснодара, которые были спроектированы в соответствии с требованиями первого этапа энергосбережения, изложенными в СНиП II-3-79*. Блоки и панели изготовлены из исследованных в датой работе материалов: пенобетона ( у0 = 750кг/м3, расчётное значение теплопроводности ХА = 0,28 Вт/(м°С)), керамзитобе-тона на керамзитовом песке (*,= 1200 кг/м3, ХА = 0,44 Вт/(м°С)) и керамзитоперлито-бетона {jo = 850кг/м\ ХА = 0,31 Вт/(м°С)). Согласно СНиП И-3-79*, нормируемое значение приведённого сопротивления теплопередаче этих стен должно быть равно 1,14 м2оС/Вт, а толщина иен из бетонных блоков - 0,31м, керамзигобетона -0,50м, керамзитоперлитобстола — 0,35м. Расчёты температурных и влажностных полей

стен, выполненные с применением уравнения (26) и с учетом зависимости теплопроводности от температуры, показывают, что приведенное сопротивление теплопередаче стен из пенобетона, керамзитобетона и керамзитоиерлитобетона соответственно на 26, 15 и 16% больше, чем значения этого показателя, вычисленные по СНиП П-З-79*,т.е. без учёта зависимости теплопроводности и сорбциошюй влажности материалов от температуры.

Уравнения (2), (7) и (26) были применены при расчёте температурного и влаж-ностного полей трёхслойной стеновой панели на гибких связях жилых зданий г. Москвы. Панель изготовлена из исследованных в данной работе материалов: внутренний (0,12м) и наружный (0,07м) слои из керамзитобетона на керамзитовом песке (% = 1200кг/м3, расчётное значение теплопроводности к б = 0,52 Бт/(м°С)), средний слой из пенополистирола ПС-4А-40 (уа = 40кг/м3, ХБ = 0,039 Вт/(м°С)). Согласно СНиП 23-02-2003 и СП 23-101-2004 нормируемое значение приведённого сопротивления теплопередаче этой панели должно быть равно 3,15 (м2сС/Вт), а толщина слоя утеплителя - 0,12 м. Расчёты температурного и влажностного полей панели, выполненные с применением уравнений (2), (7) и (26), т.е. с учётом зависимости теплопроводности и сорбциопной влажности материалов от температуры, показывают, что приведённое сопротивление теплопередаче панели на 30% больше, чем значения этого показателя, вычисленные по СП 23-101-2004.

Уравнения (1), (7) и (32) были применены при расчёте приведённого сопротивления теплопередаче следующих фасадных конструкций с вентилируемым воздушным зазором, предназначенных для общественных зданий г. Москвы: конструкционный слой толщиной 0,2 м из монолитного железобетона ( плотность у0= 2500 кг/м3, расчётное значение теплопроводности Дв= 2,04 Вт/(м°С) ); слой утеплителя 0,15 м из мине-раловатных плит Венти баттс ЗАО «Минеральная вата» ( плотность /„ = 100кг/м3 ЛБ = 0,045 Вт/(м°С) ); подконструкция изготовлена из алюминиевых или стальных кронштейнов с площадью поперечного сечения 2-Ю"4 м2, количество кронштейнов на 1м2 конструкции равно 2; высота воздушного зазора Юм, толщина 0,1 м; термическое сопротивление облицовочного слоя 0,06 м2оС/Вт; нормируемое значение сопротивления теплопередаче К„ч= 2,68 м2 °С/Вт.

Согласно расчётам, выполненным без учёта зависимости теплопроводности утеплителя от температуры, приведённое сопротивление теплопередаче вышеописанных фасадных конструкций с алюминиевыми кронштейнами равно 2,61 м2 °С/Вт, а со стальными кронштейнами - 3,20 м2 °С/Вт.

Согласно расчётам, выполненным с применением уравнений (1), (7) и (32) т.е. с учётом зависимости теплопроводности утеплителя от температуры:

■— приведённое сопротивление теплопередаче фасадных конструкций с алюминиевыми кронштейнами равно 2,74 м2 "С/Вт, т.е. на 5,0 % больше значения, вычисленного без учёта зависимости теплопроводности утешителя от температуры;

— приведённое сопротивление теплопередаче фасадных конструкций со стальными кронштейнами равно 3,40 м2оС/Вт, т.е. на 6,3 % больше значения, вычисленного без учёта зависимости теплопроводности утеплителя от температуры.

Выше приведены примеры применения результатов выполненных исследований теплопроводности и сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных

материалов и изделий при расчёте процессов тепло- и массопереноса через различные наружные ограждающие конструкции: как ранее традиционно используемые в отечественном строительстве ( наружные стены из ячеистобетонных блоков, однослойные стеновые панели из лёгкого бетона ), так и современные (сандвич-панели, трёхслойные стеновые панели на гибких связях, фасадные конструкции с вентилируемым воздушным зазором ).

Применение результатов выполненных исследований теплопроводности и сорбционных характеристик теплоизоляционных строительных материалов при расчёте процессов тепло- и массопереноса через различные наружные ограждающие конструкции при различных условиях их эксплуатации повышает точность расчёта теплозащитных свойств ограждающих конструкций и позволяет уменьшить материалоёмкость конструкций, что в свою очередь обеспечивает решение научной проблемы энерго- и ресурсосбережения в строительстве, имеющей важное народнохозяйственное значение.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические положения о повышении точности определения теплофизических показателей теплоизоляционных строительных материалов на основе анализа процесса теплопереноса через эффективные теплоизоляционные волокнистые и ячеистые строительные материалы и процесса сорбции паров воды теплоизоляционными строительными материалами с учётом их структуры и особенностей эксплуатационных воздействий

2. Установлены зависимости теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов, в том числе её кондукцион-ных, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности от плотности материала, теплопроводности и плотности его матрицы, от теплопроводности, вязкости, температурного коэффициента объёмного расширения, размера молекул и давления газа в его порах, от диаметра волокон или пор и от температуры в диапазоне от-20 до+35°С.

3. Получены закономерности изменения теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта теплопроводности этих материалов, в том числе её кондукционных, радиационной и конвекционной составляющих.

4. Установлены зависимости равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимолекулярно-адсор-бированной и капиллярно-конденсированной составляющих от относительной влажности воздуха в диапазоне от 0,2 (20%) до 0,99 (99%) и температуры в диапазоне от -20 до +35°С.

5. Получены закономерности изменения равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов от главных факторов, которые необходимы для расчёта равновесной сорбционной влажности этих материалов, в том числе её полимолекулярно-адсорбированной и капиллярно-конденсированной составляющих.

6. Показано, что значение равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов определяется главным образом её полимолекулярно-

адсорбированной составляющей, её капиллярно-конденсированная составляющая играет существенную роль только при относительной влажности воздуха, близкой к 1 (100%).

7. Установлены зависимости ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения Брунауэра-Эммета-Тейлора, относигельной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного мопослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов от температуры в диапазоне от -10,4 до +35°С.

8. Установлено, что при уменьшении температуры от+35°С до-10,4 °С равновесная сорбционная влажность теплоизоляционных строительных материалов линейно увеличивается , а при температуре, близкой к -20°С, наблюдается уменьшение равновесной сорбционной влажности, что объясняется уменьшением подвижности молекул воды первого адсорбированного монослоя паров воды и замерзанием капиллярно-конденсированной воды при этой температуре.

9. Разработал метод расчёта теплопроводности эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов и изделий, в том числе её кондукционных, радиационной и конвекционной составляющих, а также температурного коэффициента теплопроводности в температурном диапазоне от -20 до +35°С.

10. Разработан метод расчёта равновесной сорбционной влажности теплоизоляционных строительных материалов, в том числе её полимолекудярно-адсорбированной и капиллярно-копдеисировашюй составляющих в температурном диапазоне от -10,4 до +35°С.

11. Разработан метод расчёта ёмкости монослоя адсорбированных паров воды, константы с уравнения БЭТ, относительной влажности воздуха, при которой заканчивается формирование первого адсорбированного монослоя паров воды, и площади, занимаемой одной молекулой воды на поверхности пор теплоизоляционных строительных материалов в температурном диапазоне от -10,4 до +35°С.

12. Разработан метод экспериментального определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов при отрицательной температуре и получены зависимости равновесной сорбционной влажности строительных материалов температуры в диапазоне от —20 до +35°С.

13. На основании международного межлабораторного сопоставления результатов измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов показано, что при измерении теплопроводности на отечественных приборах имела место систематическая ошибка, равная +15%; выявлены и устранены причины этой ошибки.

14. Установлено, что расчётные значения теплопроводности строительных материалов и изделий, приведенные в СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», необходимо пересмотреть и аргументировано предложение перейти при определении расчётных значений теплопроводности строительных материалов и изделий от расчётной температуры материалов +25°С к расчетной температуре +10°С.

15. Проведён анализ ошибок измерения равновесной сорбционной влажности строительных материалов эксикаторным методом, установлено преимущество исполь-

зования растворов серной кислоты в качестве генератора влажного воздуха по сравнению с растворами пшцерипа и солей.

16. Усовершенствован метод определения зависимостей удельной интегральной пористости и удельной поверхности теплоизоляционных строительных материалов от радиуса пор, основанный на уравнении капиллярной конденсации Кельвина, и определены эти зависимости для ряда теплоизоляционных строительных материалов.

17. Усовершенствован метод ускоренного определения равновеспой сорбцион-ной влажности строительных материалов, позволяющий сократить время испытания до 6 - 8 часов, то есть в 300 - 400 раз, и созданы одно-, двух- и пятиканальные установки для определения равновесной сорбционной влажности по этому методу.

18. На основании результатов, полученных в диссертации, автором разработаны четыре Государственных стандарта Российской Федерации, в том числе стандарт на методы определения теплопроводности и термического сопротивления строительных материалов и изделий, стандарт на метод определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов и стандарт па метод ускоренного определения этого показателя. Результаты диссертации также использованы автором при разработке ещё трёх Государственных стандартов Российской Федерации и рекомендаций по проектированию ограждающих конструкций зданий и сооружений.

19. Разработанные методы расчёта и измерения теплопроводности и сорбцион-ных характеристик теплоизоляционных строительных материалов обеспечивают:

— повышение точности определения этих важнейших теплофизических показателей и повышение точности расчёта теплозащитных свойств ограждающих конструкций и, как следствие,

— уменьшение расхода строительных материалов при возведении зданий без нарушения требований к теплотехническим показателям наружных ограждающих конструкций, что в свою очередь обеспечивает решение научной проблемы энерго- и ресурсосбережения в строительстве, имеющей важное народнохозяйственное значение.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Киселев И.Я., Мельникова И.С. Методика ускоренного получения сорбционных характеристик строительных материалов в области положительных температур.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий. - М., 1975. - Вып. 14. -С. 57-60.

2. Киселёв И .Я., Майорова Т.И., Мельникова И.С., Строганова Л.А. О неприменимости методики А.Е. Пасс для расчёта изотерм сорбции строительных материалов.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций производственных зданий. - М., 1975. — Вып. 14. - С. 61-67.

3. Ушков Ф.В., Мельникова И.С., Киселёв И.Я., Строганова Л.Л. Зависимость сорбционных характеристик строительных материалов от температуры.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Строительная теплофизика. - М., 1976. — Вып. 17. - С. 4-7.

4. Гаврилова Р.И., Киселёв И.Я., Мельникова И.С, Строганова Л.Л. Сорбционная влажность и коэффициенты паропроницаемости пенопластов и перлитопластбетонов.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Строительная теплофизика. - М., 1976. — Вып. 17. -С. 8-11.

5. Гаврилова Р.И, Киселёв И.Я., Мельникова И.С., Строганова Л.Л. Аналитическое представление изотерм сорбции ряда новых строительных материалов.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Строительная теплофизика. - М., 1976. - Вьщ. 17. - С. 17-23.

6. ГОСТ 12852.5-77. Бетон ячеистый. Метод определения коэффициента паропропицаамости. -Зс.

7. ГОСТ 12852.6-77. Бетон ячеистый. Метод определения сорбционной влажности. - 3 с.

8. Киселев И.Я, Яцснти О.Г. Исследование возможности применения водных растворов серной кислоты и насыщенных водных растворов солей для определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Строительная теплофизика. — М., 1978. - Вып. 19. — С. 44-49.

9. Киселёв И.Я., Тимофеев А.П. Расчёт теплофизических характеристик композиционных пеношастов.// Пластические массы. - М., 1980, - № 12. - С. 25-27.

10. ГОСТ 24816-81. Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности. -5 с.

11. Киселёв И.Я., Лифанов И.С. Новый стандарт на метод определения сорбционной влажности.// В кн. Бюллетень строительной техники. - М., 1981. -№ 12. — С. 15-17.

12. ГОСТ 25898-83. Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию. - 9 с.

13. Ковальчук Л.М, Фрейдин А.С, Славик Ю.Ю., Ломакин А.Д., Киселёв И.Я. Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению конструкций на основе цементно-стружечных плит. — М, 1986. - 75 с.

14. Ломакин А.Д., Киселёв И.Я. Влияние защитной обработки наружных обшивок из ЦСП на температурно-влажносгный режим стеновых панелей.// Деревообрабатывающая промышленность. - 1989. -№ 1. - С. 10-12.

15. Киселёв И.Я. Об ошибках измерения сорбционной алажности строительных материалов эксикаторным методом.// В кн. Научные труды НИИ строительной физики. Исследования по строительной физике. - М, 1989. — С. 68-79.

16. ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия. - 23 с.

17. Киселёв И.Я., Сильвестров А.Л. Международное межлабораторпое сопоставление результатов измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов.// Строительные материалы. - 1992. - № 2. - С. 8-11.

18. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. Метод ускоренного определения сорбционной влажности. С. 17-19.

19. Киселёв И_Я. Сопоставление расчётных значений теплопроводности строительных материалов, приведённых в СНиП II-3-79* и документах ИСО и СЕН.// В кн. Вторая научно-практическая конференция Российской академии архитектуры и строительных наук. Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях. - М, 1997. - С. 145-148.

20. Киселёв И.Я. О достоверности результатов измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов.// В кн. Третья научно-практическая конференция Российской академии архитектуры и строительных наук. Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях. — М., 1998.-С. 96-99.

21. Киселёв И.Я. Теплопроводность эффективных теплоизоляционных строительных материалов.// В кн. Четвёртая научно-практическая конференция Российской академии архитектуры а строительных наук. Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях. — М., 1999. - С. 134-135.

22. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. - 22 с.

23. Осипов Г.Л., Киселев И.Я. О необходимости уточнения расчетных значений теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов.// В кн. Вестник отделения строительных наук Российской академии архитектуры и строительных наук. - М.,

1999. - Вып. 2. - С. 266-270.

24. Киселёв И.Я. Расчётные значения теплопроводности эффективных теплоизоляционных строительных материалов.// В кн. Материалы научно-практического семинара «Повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций и инженерных сооружений». М.,

2000.-С. 13-17.

25. Киселёв И.Я, Сопоставление расчётных значений теплопроводности строительных материалов, представленных в СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника» и в европейском стандарте EII 12524 «Строительные материалы и изделия. Теплотехнические показатели. Таблицы расчётных значений».// В кн. Шестая научно-практическая конференция Российской академии архитектуры и строительных наук. Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях, - М., 2001. - С. 64-67.

26. Киселёв И.Я. Теплопроводность гетерогенпых волокнистых и ячеистых теплоизоляционных материалов.// В кн. Седьмая научно-практическая конференция Российской академии архитектуры и строительных наук. Актуальные проблемы строительной теплофизики. -М., 2002.-С. 240-246.

27. Киселёв И.Я. Теплофизические свойства пенопластов.// Пластические массы. — 2003. № 6. - С. 10-12.

28. Киселёв И.Я. О необходимости пересмотра расчётных значений теплопроводности строительных материалов, представленных в СНиП П-3-79* "Строительная теплотехника".// Восьмая научно-практическая конференция Российской академии архитектуры и строительных наук. Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики. - М„ 2003.-С. 217-224.

29. Киселёв И.Я. Резервы экономии строительных теплоизоляционных материалов.// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2003. - № 7. — С. 18-19.

30. Киселёв И.Я. Зависимость теплопроводности современных теплоизоляционных материалов от плотности, диаметра волокон или пор, температуры.// Строительные материалы. -2003.-№7.-С. 17-19.

31. Киселёв И.Я. Равновесная сорбционная влажность строительных материалов при положительных и отрицательных температурах. // Строительные материалы-2003,- №8.-С. 38-40.

32. Киселёв И.Я. Теплопроводность современных эффективных волокнистых и ячеистых теплоизоляционных материалов. // В кн. Четвёртая научно-практическая конференция « Кровли, изоляция, фасады - 2004 » - М., 2004. - С. 24-27.

33. Киселёв И.51. Теплопроводность эффективных теплоизоляционных строительных материалов и изделий. // Academia. Архитектура и строительство. - 2004. - №4. - С 7-12.

Форм. бум. 60x84/16. печ.л. 2 Подписано в тираж 20.08.2006 года Бумага офсетная 1. Тираж 100 экземпляров

Отпечатано в ПЦ «Петергоф-Принт», Ломоносовкий пр-т, д. 23 Тел./факс: 930-84-44, тел.: 930-64-68

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

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

1.1. Основные положения феноменологической теории теплопроводности

1.2. Теплопроводность газов, жидкостей и твёрдых тел

1.3. Теплопроводность теплоизоляционных материалов

1.3.1. Общие положения

1.3.2. Теплопроводность волокнистых и ячеистых материалов

1.3.3. Теплопроводность гранулированных материалов

1.4. Зависимость теплопроводности строительных материалов от температуры и влажности

1.5. Определение расчётных значений теплопроводности строительных материалов

1.6. Методы измерения теплопроводности

1.7. Образцы-эталоны теплопроводности

1.8. Равновесная сорбционная влажность строительных материалов

1.9. Экспериментальные методы определения равновесной сорбционной влажности строительных материалов

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

2.1. Общие положения

2.2. Кондукционный теплоперенос через газы в порах материалов

2.3. Кондукционный теплоперенос через матрицу материалов

2.4. Радиационный теплоперенос через поры материалов

2.5. Конвекционный теплоперенос через газы в порах материалов

2.6. Теплопроводность эффективных теплоизоляционных волокнистых и ячеистых строительных материалов

2.7. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 3 РАСЧЁТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 3.1. Общие положения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.6.1. Недостатки ГОСТ 7076

3.6.2. Градуировка оснащённого тепломером прибора

3.6.2.1. Общие требования

3.6.2.2. Градуировка прибора собранного по асим- 131 метричной схеме

3.6.2.3. Градуировка прибора собранного по сим- 132 метричной схеме

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

3.8.1. Общее рассмотрение

3.8.2. Пересчёт теплопроводности по температуре

3.8.3. Пересчёт теплопроводности по влажности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.10. Выводы, внедрение результатов исследования

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

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

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

4.4. Экспериментальная проверка методов расчёта изотерм 183 сорбции

4.4.1. Метод А.Е. Пасс

4.4.2. Метод М. Поляни

4.4.3. Метод М.М. Дубинина

4.4.4. Метод А.Э. Алумяэ

4.4.5. Метод В.Г. Гагарина

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

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

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

4.7.1. Общие положения

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

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

4.8. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 5. РАСЧЁТ РАВНОВЕСНОЙ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖ

НОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

5.1. Определение адсорбционных характеристик строи- 235 тельных материалов

5.1.1. Методы обработки изотерм сорбции

5.1.2. Сопоставление результатов обработки изотерм 238 сорбции по различным методам

5.2. Эмпирические уравнения изотерм сорбции

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

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

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

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

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

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

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

5.6. Критика метода К. Пирса

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

5.8. Выводы, внедрение результатов исследования

ГЛАВА 6. РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕ

НОСА ЧЕРЕЗ НАРУЖНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ГОСТ 25485-89 Бетон ячеистый. Технические условия;

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

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.10. Выводы, внедрение результатов исследования

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Переход от расчётной температуры +25°С к расчётной температуре

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4.1. Общие положения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15

Ю S О

Значения сорбционной влажности пенобетона ( у0 =

1200 кг/м )

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

Рис. 4.1

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

11 10 5 О

20 УО 60 80 у;/с

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

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

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

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

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

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

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

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

Всё вышеизложенное даёт основание сделать следующие выводы.

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

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

4.3. Исследование зависимости сорбционной влажности строительных материалов от температуры

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

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

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

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

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

А* — константа;

В* — константа, К;

Т— температура, К.

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

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

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

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

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

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