WPŁYW WILGOTNOŚCI PONADSORPCYJNEJ NA PRZEWODNOŚĆ CIEPLNĄ BETONÓW KOMÓRKOWYCH

Transkrypt

1 PRACE INSTYTUTU TECHNIKI BUDOWLANEJ - KWARTALNIK nr 4 (132) 2004 BUILDING RESEARCH INSTITUTE - QUARTERLY No 4 (132) 2004 BADANIA I STUDIA - RESEARCH AND STUDIES Andrzej Bobociński* WPŁYW WILGOTNOŚCI PONADSORPCYJNEJ NA PRZEWODNOŚĆ CIEPLNĄ BETONÓW KOMÓRKOWYCH W artykule przedstawiono wyniki badań przewodności cieplnej w funkcji ponadsorpcyjnej zawartości wiloci w piaskowych i popiołowych betonach komórkowych o różnych ęstościach. Stwierdzono wzrost przewodności cieplnej badanych betonów wraz z rosnącą zawartością, silniejszy w przypadku betonów piaskowych, a oólnie - betonów cięższych. Wymiar raficzny tej zależności był zbliżony do linii prostej. Stwierdzono zauważalny wpływ początkoweo rozkładu wiloci w próbce na jej przewodność cieplną, która była największa przy równomiernym rozkładzie wiloci, a najmniejsza przy usytuowaniu całej wiloci po zimnej stronie próbki. Przepływ wiloci w próbce w czasie badania był ilościowo proporcjonalny do jej nierównomierneo rozkładu, największy przy początkowym usytuowaniu całej wiloci po ciepłej stronie próbki. 1. Wprowadzenie Zawartość wiloci w materiale wpływa na wzrost jeo przewodności cieplnej w stoppniu zależnym od ilości wiloci oraz rodzaju i struktury materiału. Wpływ ten jest uwzlędniany przy określaniu wartości obliczeniowej współczynnika przewodzenia ciepła, zodnie z PN ISO 10456:1999. Wartość obliczeniową określa się, wychodząc od wartości deklarowanej, mnożonej przez współczynniki przeliczeniowe. Tak określone wartości obliczeniowe są wykorzystywane nie tylko na potrzeby projektowania, ale z zasady również w obliczeniach symulacyjnych przeród budowlanych. Z wyrywkowych badań własnych Zakładu Fizyki Cieplnej wynika, że rzeczywisty wpływ zawartości wiloci na przewodność cieplną materiałów przeród różni się od wartości obliczonych wedłu normy [1]. Wartości obliczeniowe zodne z tą normą należy zatem traktować jako pewne przybliżenie, wystarczające przy ocenie spełniania wymaań izolacyjności cieplnej przeród i świadomie przyjęte z zapasem, tj. większe od wartości rzeczywistych. * 3

2 W symulacjach cieplno-wilotnościowych należy uwzlędniać rzeczywistą zależność przewodności cieplnej od wilotności, co wymaa uwzlędnienia wyników badań, wykonanych planowo, w celu określenia tej zależności. Jest to szczeólnie istotne w przypadku podstawowych materiałów przeród zewnętrznych, których opór cieplny stanowi znaczącą część całeo oporu cieplneo przerody. Badań zależności przewodności cieplnej od wilotności prowadzono w Polsce dotychczas niewiele i były to łównie badania wykonane wiele lat temu. Należy tu zwrócić uwaę na pracę Andrzeja Stefańskieo [2] oraz opracowania [3-5] dotyczące betonu komórkoweo. Wszystkie te publikacje pochodzą sprzed lat, a zatem opisują wyniki badań wykonanych aparaturą dającą mniej dokładne wyniki niż stosowana obecnie. Ponadto przedstawione w tych opracowaniach wyniki badań miały sporo poważnych mankamentów. Wyników nie przedstawiano w tablicach, a jedynie na rysunkach, same zaś zależności między zawartością wiloci a przewodnością cieplną były zwykle przedstawiane jako idealnie prostoliniowe, co sueruje pewne uoólnienie, a nie ścisłą prezentację wyników badań. Ocena korelacji między kształtem krzywej a konkretnymi wynikami badań była przy tym niemożliwa, dyż tych ostatnich nie zaznaczano na rysunkach. Z powyższych przyczyn nie wydaje się możliwe wykorzystanie tak przedstawionych wyników badań w aktualnych obliczeniach cieplnych. W artykule przedstawiono wyniki badań przewodności cieplnej betonów komórkowych, piaskowych i popiołowych, o wilotnościach ponadsorpcyjnych [6j. Artykuł jest kontynuacją artykułu [7], w którym podano wyniki badania tych samych betonów komórkowych, jednak o zawiloceniu nie przekraczającym maksymalneo zawilocenia sorpcyjneo. Kompleksowe wyniki badań pozwalają na uwzlędnienie ciąłej zależności współczynnika przewodzenia ciepła betonu komórkoweo od zawartości wiloci, co można wykorzystać w symulacyjnych obliczeniach cieplno-wilotnościowych przeród, zwiększając w ten sposób dokładność tych obliczeń. 2. Zakres badań i wyniki oznaczenia wilotności ponadsorpcyjnej betonów komórkowych Badaniami objęto piaskowe i popiołowe betony komórkowe o różnej ęstości, pochodzące od kilku producentów polskich. W przypadku betonów piaskowych ich ęstość zawierała się w ranicach od 420 k/m 3 do 640 k/m 3, a w przypadku betonów popiołowych w ranicach od 355 k/m 3 do 590 k/m 3. Łącznie zbadano 39 próbek tych betonów. Badania przewodności cieplnej każdej z próbek wykonano przy trzech ponadsorpcyjnych zawartościach wiloci, wynoszących w przybliżeniu 150%, 200% i 300% maksymalnej wilotności sorpcyjnej danej próbki. Wodę wprowadzano do próbek poprzez ich całkowite zanurzenie. Badania przewodności cieplnej wykonano aparatem płytowym z osłoniętą płytą rzejną produkcji ITB, przy różnicy temperatur 20 C (+ 20 C na płycie órnej, 0 C na płycie dolnej). Wyniki badań przedstawiono na rysunkach

3 5

4 6

5 Analiza przedstawionych wyników badań prowadzi do następujących wniosków: 1. W przypadku wszystkich badanych betonów komórkowych - niezależnie od ich ęstości oraz rodzaju (piaskowe, popiołowe) - występuje prostoliniowa zależność współczynnika przewodzenia ciepła od wilotności masowej w zakresie ponadsorpcyjnym, zwana dalej zależnością przedmiotową. 2. Porównanie przedmiotowej zależności w przypadku betonów piaskowych i popiołowych o różnej ęstości wskazuje na jej zbliżony przebie, jednak z łaodną tendencją do silniejszeo wzrostu przewodności cieplnej betonów piaskowych w miarę wzrastania zawartości wiloci. Graficznie odpowiada to większemu kątowi nachylenia wykresu do osi odciętych. 3. Porównanie wpływu objętościowej wilotności ponadsorpcyjnej na bezwzlędny przyrost przewodności cieplnej (rys. 3) wskazuje na bardzo zbliżony przebie tej zależności w przypadku lekkich betonów piaskowych i popiołowych, podczas dy w przypadku betonów o średniej i dużej ęstości bezwzlędny przyrost współczynnika przewodzenia ciepła betonów piaskowych jest większy o ponad 30% od przyrostu współczynnika przewodzenia ciepła betonów popiołowych o takiej samej wilotności objętościowej. Przykładowo, przy tej samej wilotności objętościowej (22%), betony piaskowe o średniej i dużej ęstości mają zwiększony współczynnik przewodzenia ciepła o podczas dy betony popiołowe tylko o 7

6 Przykładowo, przy tej samej wilotności objętościowej (22%), betony piaskowe o średniej i dużej ęstości mają zwiększony współczynnik przewodzenia ciepła o podczas dy betony popiołowe tylko o 4. Porównanie wpływu zawartości wiloci w betonie komórkowym na wzlędny przyrost jeo przewodności cieplnej (rys. 4) wskazuje na fakt, że ta sama ilość wprowadzona do próbek betonów popiołowych powoduje bardzo zróżnicowany wzlędny wzrost przewodności cieplnej - zależnie od ich ęstości. Przykładowo, woda wprowadzona do sucheo lekkieo betonu popiołoweo w ilości określającej jeo wilotność objętościową na poziomie 17% powoduje wzrost współczynnika aż o około 150%, podczas dy w przypadku ciężkieo betonu popiołoweo o tej samej wilotności wzrost ten wynosi 85%. Jest rzeczą ciekawą, że takie zróżnicowanie nie dotyczy betonów piaskowych, w przypadku których wpływ ęstości na wzlędny przyrost współczynnika nie przekracza kilkunastu procent. 3. Badanie wpływu rozkładu wiloci na wynik pomiaru przewodności cieplnej próbek betonu komórkoweo Przedmiotem badań była próbka warstwowa złożona z dwóch warstw piaskoweo betonu komórkoweo o ęstości około 500 k/m 3 i łącznej rubości B cm (2 cm x 4 cm). Poszczeólne warstwy przyleały ściśle do siebie i nie były niczym rozdzielone. Wykonano dwie serie badań: pierwszą przy łącznej zawartości w próbce warstwowej wynoszącej 300, druą przy zawartości 150. W każdej z tych serii wykonano po 5 oznaczeń przy różnym, przedstawionym niżej rozkładzie zawartości między poszczeólne warstwy. badanie 1: warstwa órna - 100%, warstwa dolna - 0% badanie 2: warstwa órna - 75%, warstwa dolna - 25% badanie 3: warstwa órna - 50%, warstwa dolna - 5% badanie 4: warstwa órna - 25%, warstwa dolna - 75% badanie 5: warstwa órna - 0%, warstwa dolna - 100% Za każdym razem mierzono przewodność cieplną próbki warstwowej i zmiany masy poszczeólnych warstw podczas badania. W tablicach 1 i 2 (ss.10-11) przedstawiono wyniki badań próbek warstwowych betonu komórkoweo, przeprowadzonych zodnie z wyżej podanym schematem. Wyniki badań przewodności cieplnej przedstawiono również raficznie na rysunku 6. Analiza wyników badań wpływu początkoweo rozkładu wiloci między dwie próbki betonu komórkoweo - przy swobodnym przepływie wiloci między próbkami -prowadzi do następujących wniosków: 1. Największy przyrost przewodności cieplnej w stosunku do stanu sucheo zaobserwowano przy jednakowej początkowej zawartości wiloci w obu próbkach (o 44% przy większej i o 25% przy mniejszej wilotności) - por. kolumnę 12 w obydwu tablicach. 8

7 3. Masę wiloci (patrz kolumna 6 w obu tablicach) przemieszczającej się z jednej próbki do druiej w czasie badania (około 4 h) można scharakteryzować następująco: wiloć znajdowała się początkowo w warstwie órnej, tj. przy płycie ciepłej; trochę mniejszy przepływ zachodził wtedy, dy cała wiloć znajdowała się początkowo w warstwie dolnej, tj. przy płycie chłodzącej; kierunek przepływu był wtedy odwrotny, tj. z próbki dolnej do órnej; najmniejszy przepływ miedzy próbkami miał miejsce przy jednakowej początkowej zawartości wiloci w obu próbkach i wynosił 0,7% masy wiloci początkowej w próbce, niezależnie od teo, czy w próbce było 75 czy 150 (por. kolumna 7 w obydwu tablicach). w wymiarze bezwzlędnym wielkość przepływu wiloci była większa wtedy, dy całkowita zawartość wiloci w próbce złożonej była większa (300 ), a w wymiarze wzlędnym większy procent przemieszczał się wtedy, dy było jej mniej (150 ). 9

8 Tablica 1. Wpływ początkoweo rozkładu wiloci w betonie komórkowym na wartość jeo współczynnika przewodzenia ciepła; całkowita zawartość w próbce warstwowej Table 1. Influence of initial moisture distribution in cellular concrete on its thermal conductivity; total moisture content in laminar sample Rozkład w próbce warstwowej przed badaniem zawartość w warstwie po badaniu zmiana zawartości w warstwie órnej dolnej órnej dolnej % całej masy % całej masy % masy przed badaniem % masy przed badaniem

9 Tablica 2. Wpływ początkoweo rozkładu wiloci w betonie komórkowym na wartość jeo współczynnika przewodzenia ciepła; całkowita zawartość w próbce warstwowej Table 2. Influence of initial moisture distribution in cellular concrete on its thermal conductivity; total moisture content in laminar sample -150 Rozkład w próbce warstwowej Lp. przed badaniem zawartość w warstwie po badaniu zmiana zawartości w warstwie órnej dolnej órnej dolnej % całej masy % całej masy % masy przed badaniem % masy przed badaniem

10 4. Wnioski końcowe Woda wprowadzona do betonu komórkoweo w ilości ponadsorpcyjnej powoduje wzrost jeo przewodności cieplnej, przy czym zależność między ilością a wzrostem przewodności cieplnej jest bardzo zbliżona do linii prostej. Jest ona silniejsza w przypadku betonów piaskowych, a w ramach danej rupy betonów (piaskowych, popiołowych) jest silniejsza w przypadku betonów cięższych. Występuje zauważalny wpływ początkoweo rozkładu wiloci w próbce betonu komórkoweo na jeo przewodność cieplną. Największa przewodność cieplna występuje przy równomiernym rozkładzie wiloci, maleje przy coraz bardziej nierównomiernym, a najmniejsza jest przy usytuowaniu całej wiloci po zimnej stronie próbki. Przemieszczanie wiloci w próbce w czasie badania było proporcjonalne do jej nierównomierneo rozkładu, a największe zachodziło przy początkowym usytuowaniu całej wiloci po ciepłej stronie próbki. Bibliorafia [1] PN-IS Izolacja cieplna. Materiały i wyroby budowlane. Określanie deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych, 1999 [2] Stefański A.: Przewodność cieplna materiałów budowlanych. PWN, Poznań 1965 [3j Künzel H.: Gasbeton, wärme-und feuchtikeitsverhalten. Bauverla, Wiesbaden und Berlin 1971 [4] Kaufman B. N.: Tiepłoprowodnost' stroitielnych materiałów. Strojizdat, Moskwa 1955 [5] Cammerer J. S.: Neuzeitliche Schaumstoffe für Wärme und Kälteisolierunen. Kältetechnik, t. 9, nr 6,1957 [6] Bobociński A., Firkowicz-Poorzelska K.: Metodyka badań i badania przewodności cieplnej materiałów o wilotności ponadsorpcyjnej; praca badawcza ITB 103/3597/NF-39/03), Zakład Fizyki Ciepinej, 2002 r., maszyn., biblioteka ITB [7] Bobociński A.: Wpływ wilotności sorpcyjnej na przewodność cieplną betonów komórkowych. Prace Instytutu Techniki Budowlanej - Kwartalnik, 4 (128), 2003 INFLUENCE OF OVER SORPTION MOISTURE CONTENT ON THERMAL CONDUCTIVITY OF CELLULAR CONCRETES Summary The paper describes test results of thermal conductivity of sand and ash cellular concretes of diverse densities in function of over sorption moisture content. It has been found that dependence of thermal conductivity on over sorption moisture content is, in raphic size, close to straiht line. This dependence is stroner for sand cellular concretes and, enerally, for heavier concretes. Initial moisture distribution in test sample affected its thermal conductivity, so that the maximum was observed for the steady moisture distribution and minimum for moisture located near cold side of sample. Moisture flow in sample durin the test was proportional to unequal moisture distribution in it, maximum for moisture location near warm side of sample. Praca wpłynęła do Redakcji 2 VII