Коэффициент теплового расширения бетона
При строительстве домов с использованием бетона, всегда производятся расчеты, так вот для этого обязательно нужно знать удельную теплоемкость бетона. Удельная теплоемкость или просто теплоемкость бетона, очень важна и без нее не обойтись, в строительстве, когда например рассчитывается теплопроводность конструкции, для того что определить расходы на ускорение твердения строения из бетона.
Теплоемкость бетона — это количество тепла, которое нужно передать бетону, для того что бы его температура изменилась, на одну единицу.
Что это такое?
Термин коэффициент расширения бетона обозначает, как сильно расширяется строительный материал при увеличении температуры.
Понятие связано с теплоемкостью и теплопроводностью раствора. Бетон, который может расширяться, имеет в составе добавки или напрягающий цемент. Таким образом, в результате получается стойкая смесь, которая способна изменяться в размере. Кроме этого, для создания конструкции необходимы швы, поддерживающие блоки. Если возникает слишком большой температурный перепад, то бетон может потрескаться. Для этого стараются правильно подобрать состав материала с высоким коэффициентом, поэтому можно предотвратить появление трещин.
Под теплоемкостью бетона понимают количество тепла, которое необходимо передать материалу для изменения его температуры на одну единицу. Размер бетона, изменяющийся под воздействием температуры, называют коэффициентом температурного расширения.
В таблице приведены значения коэффициента линейного расширения углеродистой стали в интервале температуры от -173 до 1000°С. При нагревании такой стали ее ТКЛР увеличивается и может достигать 19,8·10 -6 град -1 (для стали У8) в диапазоне температуры 27-650°С.
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].
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.
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.
Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру ΔT:
— относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении.
В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений: αx, αy, αz. Для изотропных тел 
и αV = 3αL;.
Например, вода, в зависимости от температуры, имеет коэффициент объёмного расширения
Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10 −6 K −1 [1] .
Для стали
Таблица коэффициента линейного расширения α,10 −6 /°C [2]
| Марка стали | 20—100 °C | 20—200 °C | 20—300 °C | 20—400 °C | 20—500 °C | 20—600 °C | 20—700 °C | 20—800 °C | 20—900 °C | 20—1000 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 08кп | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 08 | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 10кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 14,8 | 12,6 |
| 10 | 11,6 | 12,6 | — | 13,0 | — | 14,6 | — | — | — | — |
| 15кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 15 | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,4 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 20кп | 12,3 | 13,1 | 13,8 | 14,3 | 14,8 | 15,1 | 15,2 | — | — | — |
| 20 | 11,1 | 12,1 | 12,7 | 13,4 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | — | — | — |
| 25 | 12,2 | 13,0 | 13,7 | 14,4 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | 12,7 | 12,4 | 13,4 |
| 30 | 12,1 | 12,9 | 13,6 | 14,2 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | — | — | — |
| 35 | 11,1 | 11,9 | 13,0 | 13,4 | 14,0 | 14,4 | 15,0 | — | — | — |
| 40 | 12,4 | 12,6 | 14,5 | 13,3 | 13,9 | 14,6 | 15,3 | — | — | — |
| 45 | 11,9 | 12,7 | 13,4 | 13,7 | 14,3 | 14,9 | 15,2 | — | — | — |
| 50 | 11,2 | 12,0 | 12,9 | 13,3 | 13,7 | 13,9 | 14,5 | 13,4 | — | — |
| 55 | 11,0 | 11,8 | 12,6 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,8 | 12,5 | 13,5 | 14,4 |
| 60 | 11,1 | 11,9 | — | 13,5 | 14,6 | — | — | — | — | — |
| 15К | — | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,0 | — | — | — | — |
| 20К | — | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,2 | — | — | — | — |
| 22 | 12,6 | 12,9 | 13,3 | 13,9 | — | — | — | — | — | — |
| А12 | 11,9 | 12,5 | — | 13,6 | 14,2 | — | — | — | — | — |
| 16ГС | 11,1 | 12,1 | 12,9 | 13,5 | 13,9 | 14,1 | — | — | — | — |
| 20Х | 11,3 | 11,6 | 12,5 | 13,2 | 13,7 | — | — | — | — | — |
| 30Х | 12,4 | 13,0 | 13,4 | 13,8 | 14,2 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | 12,8 | 13,8 |
| 35Х | 11,3 | 12,0 | 12,9 | 13,7 | 14,2 | 14,6 | — | — | — | — |
| 38ХА | 11,0 | 12,0 | 12,2 | 12,9 | 13,5 | — | — | — | — | — |
| 40Х | 11,8 | 12,2 | 13,2 | 13,7 | 14,1 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | — | — |
| 45Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | — | — | — | — | — | — | — |
| 50Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | — | — | — | — | — | — | — |
Заключение
При выполнении проектных работ и осуществлении мероприятий по теплоизоляции зданий необходимо учитывать теплопроводность бетона. Она зависит от структуры, плотности и влажности стройматериала. Понимая определение теплопроводности, и владея методикой расчетов, несложно определить толщину утеплителя для бетонных стен здания. Правильно подобранный теплоизолятор позволит минимизировать тепловые потери, уменьшить затраты на отопление, а также обеспечить поддержание благоприятной температуры.
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
Коэффициент теплового расширения описывает, как изменяется размер объекта, когда происходит повышение его температуры. В зависимости от конкретного использования, коэффициент расширения может быть линейный или объемный. Если тело твердое, требуется узнать изменение его длины или конкретной области, поэтому применяется коэффициент линейного расширения. Для жидкостей и газов используется только температурное расширение, коэффициент линейного теплового расширения для них не подходит, потому что приобретают форму емкости, в которой находятся.
Коэффициент объемного теплового расширения показывает, какое относительное изменение объема тела при постоянном давлении и изменении его температуры на 1 градус. Выражается формулой:
Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела, когда происходит его нагревание.
Коэффициент линейного теплового расширения может иметь разные значения, если направления измерений будут разными.
Теоретически рассчитать коэффициент линейного объема можно, зная коэффициент объемного расширения (α V ≈ 3 α L).
При нагревании некоторых материалов происходит их сжатие, а не расширение. У них коэффициент расширения (линейный) будет иметь отрицательное значение, к примеру, вода (коэффициент расширения с отрицательным значением при температуре 0-3,984 °С).
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.
