ОЦЕНКА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ

http://agiostroy.ru/magazine/1.html


д. т.н., профессор

В предыдущем номере [1] была предложена классификация композиционных материалов на цементной матрице, которая впервые учитывала поверхность композиционного цемент-содержащего изделия по значению логарифма отношения поверхности изделия к его объему. Так были разделены объемные изделия (тяжелые бетоны), покрытия (наливные полы в тонком слое), и каркасные тонкослойные структуры, например пенобетоны. Очевидно, что роль твердой фазы наполнителя или заполнителя при прочих равных условиях имеет разные акценты в свойствах материалов и в зависимости от принадлежности изделия к одной из 3-х групп. Если основным информационным признаком для свойств тяжелого бетона, в объемных изделиях (первая группа) является прочность при сжатии, то для покрытий (вторая группа) в первом приближении важны такие характеристики материала, как прочность при изгибе, растяжении и значение коэффициента термического расширения (КТР), который учитывается при сопоставлении с природой подложки; для каркасных структур (третья группа) помимо механо-физических свойств (прочность при изгибе и растяжении) важную роль играют теплофизические свойства цементсодержащего композита, поскольку при равных пористости и других параметрах управлять теплозащитными свойствами возможно, оказывая влияние на твердый скелет или, иначе, каменную прослойку материала. В данной статье приводятся некоторые новые классификационные признаки твердых тел, учет которых мог бы быть полезным при физико-химическом конструировании свойств материалов групп II и III – теплозащитные покрытия и каркасные структуры, а также для рекомендаций по использованию цементов при получении строительных смесей повышенных теплозащитных свойств.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Группа классификационных признаков твердых фаз приведенных нами ранее [2] по природе связи и отношению радиусов (фактор rk·∆x/ra) донорным и акцепторным свойствам (кислоты и основания Льюиса), фактору орбитальной электроотрицательности, а также ширине запрещенной зоны (фактор ∆Е, эВ) не дают информацию об энергосодержании фаз (параметр –∆H°298), мольных массах и теплопроводности фаз, что важно для прогноза теплофизических свойств. В таблице 1 показан пример классификации, учитывающий эти признаки.

Таблица 1

Термодинамические, химические и теплофизические признаки твердых фаз

№

Твердая фаза

Классификационные признаки

Название

Формула

–∆H°298, кДж/моль [6]

Мольная масса, М, г/моль

λ, Вт/(м·°С) [4]

1

Известняк

CaCO3

1207,0

100

1,9

2

Глина

Al2O3·2SiO2·2H2O

4039

258

0,87

3

Кварц

SiO2

911

60

1,36

4

Гипс двуводный

CaSO4·2H2O

2024,0

172

0,47

5

Каменная соль

NaCl

411,39

58,5

3,6

6

Тальк

Mg3(Si4O10)(OH)2

5926

378

менее 0,02

  Рис. 1. Взаимосвязь
  теплопроводности и мольных
  масс сложных неорганических
  веществ

Рис. 1

На рис. 1 показана примерная зависимость, или правильнее, тенденция взаимосвязи теплопроводности и молярных масс сложных веществ и кажутся справедливыми следующие наблюдения. Во-первых, чем выше мольные массы твердых неорганических фаз – наполнителей и добавок при прочих равных условиях, тем ниже коэффициент и теплопроводности фаз; во-вторых, чем больше при твердении цемента образуется вещества с высокими молярными массами, более отрицательной величиной энергосодержания (–∆H°298), тем ниже теплопроводность. С этой точки зрения, образование эттрингита (М = 1274 г/моль), способствует понижению теплопроводности материала; в-третьих, мольные массы более высокие, а стандартные энтальпии образования более низкие как правило характерны для веществ более сложного состава.

Если приведенное наблюдение справедливо, то для более теплозащитных композиций следует использовать такие составляющие – цементы, наполнители, добавки, которые образуют еще более сложные фазы. Поскольку в композиционных материалах используются несколько фаз, то для расчета теплопроводности можно использовать формулу, рекомендованную Кингери для керамики [5].

В работе Кингери указывается, что для композиционного материала, состоящего из непрерывной среды ( λ н, Vн – теплопроводность и объем непрерывной среды) в которой распределены частицы добавочной фазы ( λ∂, V∂ – теплопроводность и объем добавочной фазы) среднюю теплопроводность λср можно в первом приближении считать по формулам 1 и 2:

если λн ≥ λ∂ то λср = λн(1 – V∂)/(l + V∂ );

(1)

если λн ≤ λ∂ λср = Хн (1 + 2 V∂ )/(l – V∂ );

(2)

Еще раз следует отметить, что речь идет о попытке рассчитать λср для каменного каркаса структуры материала, пористость которого, размеры и распределение остаются постоянными. В соответствии с формулами 1 и 2, увеличивая объем фазы с min λ можно улучшить теплозащитные свойства композиции в целом.

Что касается роли поверхности твердых веществ, то, по-видимому, аналогично исследованиям, выполненным в керамике [5] можно утверждать, что теплопроводность композиционного материала тем ниже, чем больше величина удельной поверхности его составляющих и с этой точки зрения можно ожидать наилучшие при прочих равных условиях показатели теплозащиты для цементов с максимальной поверхностью, например это вяжущие типа ВНВ, в том числе и на с ульфатоалюминиевой основе.

Выводы.

Обращается внимание на необходимость учитывать энергетическую (термодинамическую) природу твердых фаз и их мольные массы при конструировании теплозащитных композиционных материалов на цементной матрице. Полезными характеристиками твердых фаз (цемента и наполнителя) для прогнозирования теплозащитных свойств могут служить мольные массы и стандартные энтальпии образования. Предлагаются формулы, которые могут быть использованы для расчета среднего коэффициента теплопроводности композиционного материала.

Литература.

, , и др. Современная фундаментальная наука в решении отдельных проблем новых технологий в строительстве. Сухие смеси и новые технологии в строительстве, в. 1, 2002 г. . «Инженерная химия», ч. 1, С-Петербург, ПГУПС, 1995 г. , , и др. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты, С-Петербург, Стройиздат, 2003 г. Физические величины. Справочник, М., Атомиздат, 1991 г. . Введение в керамику, М., 1967 г. , , . Термодинамические свойства веществ. Справочник. Химия, Лениздат, 1977 г.