Теплопроводность бетона – одна из важных характеристик строительного материала наряду с прочностью, плотностью и морозостойкостью. Ее учитывают в теплотехническом расчете для определения минимальной толщины наружных стен. Ограждающие конструкции в первую очередь защищают внутренние помещения от холода и промерзания. Особенно важно это для отапливаемых зданий, когда для обогрева расходуются значительные средства. Установлено, что от 20 до 30% тепла уходит через стены и перекрытия.
Строительство в разных климатических зонах предполагает эксплуатацию зданий при большом интервале внешних температур. Определение минимально необходимой толщины наружной конструкции с учетом теплотехнических свойств бетона экономически целесообразно. Это позволяет существенно сократить затраты на возведение и обогрев сооружения в отопительный сезон.
О понятии теплопроводности
Теплопроводностью обладают все твердые, жидкие и газообразные вещества. Энергию от нагретого участка более холодному передают хаотично движущиеся частицы – молекулы, атомы, электроны. Чем ближе друг к другу они расположены, тем активнее происходит теплообмен.
Плотность материала напрямую влияет на его способность проводить тепло. Например, кирпич по сравнению с ячеистым бетоном более плотный, лучше проводит тепловую энергию. Кирпичная стена толщиной 500 мм также защищает помещение от теплопотерь, как легкобетонная толщиной 300 мм. Железобетон плотнее керамзитобетона в три раза, соответственно, он более теплопроницаемый.
Бетон представляет собой сложную неоднородную структуру. Входящие в состав компоненты обладают разной способностью теплопередачи. Наименьшую имеет воздух в капиллярах цементного камня и микрополостях внутри заполнителя. Чем материал пористее, тем хуже передается тепловая энергия.
Закономерную связь между видом заполнителя и теплопроводностью бетона подтверждают опыты материаловедов Довжика В. Г., Миснара А. Они установили, что чем мельче размер замкнутых пор в теле монолита, тем хуже передается тепло.
Третий фактор, влияющий на теплопроводность – влажность. Вода проводит тепло в 20 раз лучше воздуха. Заполняя поры бетона, она ухудшает теплоизоляционные качества. Зимой возможно промерзание увлажненного слоя ограждающей конструкции.
Что такое коэффициент теплопроводности
Физический смысл коэффициента теплопроводности – это количество тепла, которое проходит через образец единичного объема за одну секунду при разнице температур в один Кельвин (градус Цельсия). Единица измерения – Вт/(м °К), обозначение – λ, k, ϰ.
Чем выше значение коэффициента, тем большей способностью к передаче тепла обладает материал. В абсолютном вакууме λ=0, максимальный – у алмаза и графена, применяемого в наноразработках.
У бетона значение коэффициента теплопроводности находится в пределах 0,05 -2,02 Вт/(м °К) в зависимости от плотности и влажности материала. У ячеистого автоклавного бетона марки М150 λ=0,055 Вт/(м °К), а тяжелые бетоны М800-1000 характеризуются показателем 2,02 Вт/(м °К).
В строительстве при расчете конструкций на сопротивление теплопередаче используют таблицу с точными значениями коэффициента. Его указывают для трех состояний материала:
- в сухом виде;
- при нормальной влажности;
- при повышенной влажности.
Теплотехнический расчет проводят в соответствии с условиями эксплуатации бетона.
От чего зависит величина коэффициента
Коэффициент теплопроводности бетона определяют опытным путем. Поскольку у материала неоднородная структура, то величина непостоянна и носит условный характер.
Параметры, от которых зависит показатель:
- Плотность. Тепловую энергию передают друг другу частицы, поэтому чем ближе они расположены, тем быстрее этот процесс. Соответственно, рыхлые материалы с меньшей плотностью способны лучше противостоять теплопередаче.
- Пористость материала. Тепловой поток перемещается сквозь толщу монолита, часть которого составляют воздушные пустоты. Теплопроводность воздуха очень мала – 0,02 Вт/(м °К). Чем больше занятый воздухом объем, тем коэффициент λ ниже.
- Структура пор – размеры и замкнутость. Мелкие полости снижают скорость передачи энергии, в то время как в крупных сообщающихся отверстиях теплообмен совершается конвекционным путем, увеличивая тем самым общую теплопередачу.
- Влажность. Коэффициент теплопроводности воды 0,6 Вт/м К, это достаточно большой показатель. Проникая в полости бетона, влага уменьшает способность материала сохранять тепло.
- Температура. Чем она у вещества выше, тем быстрее движутся молекулы. Зависимость от температуры линейная, выражается формулой λ=λо х (1+b х t), где λ и λо – искомый и начальный коэффициенты теплопроводности, b – справочная величина, t – температура в градусах.
Как рассчитать ограждающую конструкцию
Чтобы определить минимальную толщину наружной стены или перекрытия, при которой в помещении сохранится благоприятный микроклимат в жару и мороз, используют теплотехнический расчет.
В упрощенном виде он представлен формулой:
R=δ/ λ, где
R – нормативное температурное сопротивление, м²/ (°С Вт);
δ – толщина стены или слоя бетона, м;
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С).
Нормативное сопротивление находят по таблице СП 131.13330.2012 “Строительная климатология”. Каждому региону соответствует свое значение. Например, для Москвы оно равно 3,28 м²/ (°С Вт).
Если предположить, что наружные стены будут выполнены из керамзитопенобетона плотностью 800 кг/м³ с λ=0,21 Вт/(м °С), то искомая толщина конструкции равна:
δ=R х λ= 3,28х0,21=0,688 м.
Чтобы не сооружать такие массивные стены, их утепляют эффективными теплоизоляционными материалами. Это позволяет уменьшить толщину ограждения, понизить нагрузку на фундамент.
В многослойных конструкциях расчет ведут для каждого слоя. Суммарное сопротивление должно соответствовать нормативному:
R=δ1/ λ1+ δ2/ λ2+ δ3/ λ3…, где δ и λ соответствуют каждому из слоев.
Теплотехнический расчет с использованием коэффициента теплопроводности бетона производят перед началом строительства на этапе проектирования.
