Коэффициент линейного расширения бетона

Как рассчитывают коэффициент линейного расширения бетона?

Для того чтобы построить прочное здание, специалисты определяют коэффициент линейного расширения бетона. Так строитель может узнать, на сколько изменится в длину материал после нагревания. Такие расчеты позволяют избежать преждевременной деформации постройки, появление трещин и увеличить эксплуатационную стойкость сооружения.

1. Что это такое?
2. Как рассчитать показатель температурного расширения?
3. Температурный показатель
4. Теплоемкость
5. Как регулировать?

Теплоемкость бетона Коэффициент расширения бетона

Теплоемкость бетона — это количество тепла, которое нужно передать бетону, для того что бы его температура изменилась, на одну единицу.

Связанные статьи: Преимущества пенобетона

Коэффициент расширения бетона

Температурно усадочные швы

• Дома из пенобетонных блоков
• Сколько цемента в кубе бетона

Теплоемкости бетонов

Теплопроводность пористого бетона и его разновидностей — составляет порядка 0.35 — 0.75 Bт/(m*ºC)= 0.3-0.6 ккал/(ч*m*ºC), учитывайте, что прочность таких бетонов значительно ниже.

Удельная теплоемкость тяжелых и пористых бетонов (сухих) — около 1кДж/(кг*ºС) = 0.2 ккал/(кг*ºC)

Объемная теплоемкость тяжелых бетонов — около 2.5 кДж/(м3*К), пористых же зависит и изменятся от их плотности.

Смотрите так же: Керамзитобетон состав и пропорции

Удельная теплоемкость бетонной смеси (жидкой)- около 1.5 кДж/(кг*ºC) = 0.3 kkal/(kg*ºC), не забывайте, что такая смесь легче, чем тяжелый бетон и тяжелее чем пористый.

Расчет температурного линейного расширения

Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.

К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.

Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.

Как определить температурное линейное расширение

Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:

• коэффициент линейного теплового расширения;
• удлинение по осям Х, Y и Z;
• величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:

• клинкерный и стеновой кирпич;
• дерево;
• штукатурка;
• базальт;
• стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле

dL = a • l • (tmax – tc), мм, где:

• а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;
• tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;
• tс — температура окружающей среды на момент установки конструкции;
• l — длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.

1.3. Коэффициент температурного расширения алюминиевых сплавов

Коэффициенты температурного расширения основных алюминиевых сплавов, которые применяются в строительстве, показаны в таблице 2.

Таблица 2.2 — Коэффициент температурного расширения строительных алюминиевых сплавов [3]

Из таблицы 2.2 видно, что коэффициенты температурного расширения различных алюминиевых сплавов различаются незначительно. Поэтому в своде правил СП 128.13330.2012 (СНИП 2.03.06-85) для расчетов алюминиевых конструкций в интервале температуры от минус 70 ºС до 100 ºС для всех применяемых в строительстве алюминиевых сплавов применяется коэффициент температурного расширения 0,23·10 -4 1/ºС [4]. В европейском стандарте EN 1991-1-5 величина расчетного коэффициента температурного расширения составляет 24·10 -6 1/ºС [5].

Температурно усадочные швы, в России должны быть начиная от 1.1 мм на 1м, делая вывод из расчета 0.3 мм — это усадка + 0.8 — температурный коэффициент. В строительных нормах и правилах (СНИП), размеры больше, так же стоит учитывать и то, что изменения температур порядка 80 ºС и больше, вызывают трещины в бетоне, который имеет жесткий наполнитель внутри, потому что существует разница коэффициентов расширения раствора и внутреннего наполнителя.

Теплопроводность монолитных бетонов при условии что он воздушно-сухой составляет порядка 1.35 Bт/(m*ºC) = 1.5 ккал/(ч*м*ºС). Высокие характеристики теплопроводности такого тяжелого бетона, заставляют обязательно использовать утепление наружных стен из монолитного бетона.

Теплопроводность пористого бетона и его разновидностей — составляет порядка 0.35 — 0.75 Bт/(m*ºC)= 0.3-0.6 ккал/(ч*m*ºC), учитывайте, что прочность таких бетонов значительно ниже.

Удельная теплоемкость тяжелых и пористых бетонов (сухих) — около 1кДж/(кг*ºС) = 0.2 ккал/(кг*ºC)

Объемная теплоемкость тяжелых бетонов — около 2.5 кДж/(м3*К), пористых же зависит и изменятся от их плотности.

Удельная теплоемкость бетонной смеси (жидкой)- около 1.5 кДж/(кг*ºC) = 0.3 kkal/(kg*ºC), не забывайте, что такая смесь легче, чем тяжелый бетон и тяжелее чем пористый.

1. Значит, теплоемкость бетона чаще всего от 0.17 и до 0.22 ккал/кг. Как и теплоемкость у многих каменных материалов.
2. Становится понятно, почему дерево теплое, а бетон холодный, все из за низкой теплоемкости бетона. Теплопроводность дерева 0.6-0.7, что почти в 3 раза больше.
3. Коэффициент расширения бетона — показывает изменение бетона. Для бетона он равняется 10*10^-6. Почти как и у коэффициента расширения стали (в зависимости от марки они так же изменяются), в связи с чем железобетонные конструкции очень распространены.

Применение и учет теплового расширения в быту и технике

Если два, соединенных вместе материала находятся в среде с высокими перепадами температуры, то большая разность коэффициентов теплового расширения может повредить один или оба материала — то есть эти материалы будут подвергнуты термическому удару

. Нередко в такой ситуации тепловое расширение вызывает ряд проблем, но в некоторых случаях, наоборот, удобно использовать материалы с разным коэффициентом теплового расширения. Хороший пример — термометры.

Термометры

В некоторых термометрах используют две соединенные между собой пластины с разным коэффициентом теплового расширения. Такую систему называют биметаллической пластиной. Длина пластин зависит от температуры, и они удлиняются или укорачиваются при повышении или понижении температуры. Разница в длине этих двух пластин соответствует разности температур, и термометр проградуирован соответственно. Биметаллическая пластина в термометре свернута в виде спирали, один конец которой закрепляется неподвижно, а другой, в виде стрелки, перемещается по шкале. При изменении температуры спираль раскручивается или скручивается.

Тепловое расширение используется также и в других термометрах. Жидкостные термометры состоят из емкости с жидкостью с высоким коэффициентом теплового расширения, например с ртутью или спиртом. К емкости прикреплена трубка, по которой жидкость поднимается при повышении температуры. Шкала проградуирована так, что высота, на которую поднимается жидкость, соответствует температуре.

По сравнению с ранними термометрами, конструкция современных термометров намного усовершенствована. Например, сегодня они показывают правильную температуру за несколько минут, в то время как ранним термометрам нужно было 20 минут и больше, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой. На современных максимальных и минимальных термометрах, в отличие от нефиксирующих термометров, показания не меняются, пока их не сбросить вручную, например, встряхнув их, в случае со ртутными термометрами. Цифровые термометры также сохраняют минимальные и максимальные значения температуры в течение заданного периода времени.

В последнее время в интересах безопасности во многих странах постепенно заменяют домашние ртутные термометры спиртовыми. Это делается потому, что ртуть токсична, а уборка территории, загрязненной ртутью, если случайно разбить такой термометр, занимает много времени и дорого стоит, поэтому намного удобнее просто запретить ртутные термометры.

Лампа накаливания с электродами из ковара

Другие примеры

Ковар — пример материала с низким коэффициентом теплового расширения. Ковар — сплав никеля, кобальта и железа. Из него производят инструменты и детали, используемые в среде с высокими температурами. Благодаря низкой цене этого сплава и тому, что его тепловые свойства близки к свойствам боросиликатного стекла, его широко используют в лампах и электронных компонентах, например в электронно-лучевых и рентгеновских трубках, а также в магнетронах. Ковар обеспечивает механическое соединение между электрическими проводниками и стеклянной оболочкой электронных деталей.

Горячая запрессовка

Материалы с высоком коэффициентом теплового расширения удобно использовать в случае, если необходимо плотно надеть одну деталь на другую. Если детали, такие как трубы, нельзя соединить при обычной температуре, вставив одну в другую, то можно нагреть или охладить одну из труб, если она сделана из материала с высоким коэффициентом теплового расширения. При изменении температуры труба расширится или сузится и ее легко можно надеть сверху или вставить внутрь другой трубы. Этот процесс называется горячей запрессовкой

. Нередко в этой ситуации используют металлы, так как обычно их коэффициент теплового расширения высок. Горячую запрессовку можно проводить и с другими материалами. Материал изделия, которое нагревают или охлаждают, должен иметь высокий коэффициент теплового расширения в любом случае, но другая деталь может быть из дерева и другого теплостойкого материала.

история создания, развития и будущее популярного оптического прибора. »»»

Учитывая эффект расширения, необходимо быть очень точным. При этом важно знать коэффициент линейного расширения используемого материала.

Он определяется как относительное увеличение единицы длины материала при повышении температуры на 1 К и обычно обозначается буквой α: α = увеличение длины / исходная длина х повышение температуры.

Строго говоря, исходная длина должна быть длиной при 0 °С, обозначаемой как Ɩ₀. Конечная длина Ɩ₀ — это длина при θ °С, ΔƖ = Ɩ₀ — Ɩ₀ – увеличение длины. Изменение температуры Δθ будет одним и тем же вне зависимости от того, измеряется ли она по шкале Цельсия или Кельвина Δθ °С = Δθ К.

Отсюда α = ΔƖ / Ɩ₀Δθ. Если эксперимент начинается при 0 °С, то

Проведем эксперимент, чтобы определить коэффициент линейного расширения металла.

Существует много различных видов приборов для этого опыта. Опишем лишь один из них.

Требования к прибору следующие:

подходящая длина стержня (или полой трубы) из металла

500 мм;
микрометр или сферометр для точного измерения расширения, которое составляет

1 — 2 мм;

А — это стержень, коэффициент линейного расширения которого нужно определить. Измерьте его длину при помощи измерительной линейки с точностью до одного миллиметра. Эта длина составляет примерно 500 мм. Затем поместите его в камеру, как показано на рисунке. Оба конца В камеры подвижны и имеют углубления, в которые упираются заостренные концы стержня А. Поместите изолированную войлоком камеру на цельнометаллическую подставку и установите винт микрометра М на нулевое деление. Зажмите винт С, не прилагая излишнего усилия, так, чтобы стержень не прогнулся. Ослабьте винт М и снимите показание термометра. Затем пропускайте через камеру пар до тех пор, пока не установится постоянное показание термометра. Запишите его постоянное показание.

Завинтите М до упора и снимите показание микрометра. Разность между двумя показаниями микрометра дает ΔƖ , а разность между двумя показаниями термометра — Δθ .

Тогда α = ΔƖ / Ɩ ₀ Δθ . Изоляция камеры помогает получить стабильные показания термометра.

Обычно при вычислениях принимают исходную длину ΔƖ за длину при комнатной температуре. Ошибка при этом мала, и на этом уровне обучения ею обычно пренебрегают.

Вы можете таким способом определить коэффициент линейного расширения различных материалов. Размерность коэффициента линейного расширения K -1 . Бетон имеет коэффициент линейного расширения 10 — 14 х 10 -6 K -1 . Следует отметить, что инвар — сплав железа с никелем — имеет очень малый коэффициент линейного расширения.

Понятно, что при использовании инвара требуются незначительные поправки на расширение. Платина и натриевое стекло имеют примерно равные коэффициенты линейного расширения. Это удобно для впаивания платиновой проволоки в такое стекло.

Изменение температуры не окажет воздействия на перемычку, поскольку составляющие его части расширяются и сжимаются в равной степени. Если использовать алюминиевую проволоку для впаивания в стекло при большой температуре, то после охлаждения проволока сожмется больше, чем отверстие в стекле, будет иметь меньший диаметр и выпадет.

Вызывает затруднение вопрос, увеличивается или уменьшается отверстие в металлической пластине при повышении ее температуры. Часто неправильно отвечают, что размеры отверстия уменьшатся, поскольку металл расширяется во всех направлениях.

Исследование. Определить направление расширения

Металлическая болванка, изображенная на рисунке, плотно входит в выемку металлического шаблона, когда температура их одинакова. И то и другое сделано из одного металла. Хорошо нагрейте шаблон на газовой горелке. Теперь болванка свободно войдет в выемку. Это показывает, что размеры выемки увеличились. Наоборот, если вы поместите шаблон на несколько минут в сосуд со льдом, а болванка останется при комнатной температуре, то она не войдет в выемку, поскольку размеры выемки сократились. Если болванка и шаблон будут иметь одинаковую температуру, то болванка всегда точно войдет в выемку.

Особенности при переработке пластмасс

Коэффициент линейного расширения тел и веществ, особенно полимеров и металлов важен при переработке пластмасс. Он определяется, как расчетный коэффициент, используемый для определения максимальной величины залегания стальной арматуры в полимерном изделии. Обычно значение такой глубины варьируется от 1 до 4 от диаметра арматуры.

Рис.1. Коэффициенты некоторых пластиков, применяющихся для производства труб.

Использование металлической арматуры и закладных элементов, как правило, приводит к возникновению существенных внутренних напряжений. Такие напряжения могут приводить к разрушению полимерного изделия. Именно из-за большой разницы в значениях коэффициентов линейного расширения стали и полимеров лежит причина подобных производственных проблем.
Для решения трудностей с композицией полимер-металл отраслевая литература рекомендует применять минимальные значения толщин стенок каждого конкретного закладного или армирующего элемента, а также использовать полимер с минимальным температурным расширением.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Отрицательный коэффициент теплового расширения [ | ]

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, то есть имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур 0…+3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW₂O₈) [3] , некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.