Теплопроводность шамотного кирпича

Шамотный кирпич — применение, характеристики, достоинства и недостатки

Шамотным называется специальный вид кирпича, отличающийся повышенной устойчивостью к сильному нагреву и резким колебаниям температуры. Такие свойства обеспечивает особая технология производства, которая заключается в термическом обжиге смеси из шамотного порошка и специальной огнеупорной глины.

Этот материал незаменим при кладке печей, каминов, дымоходов, а также в промышленных установках, использующих энергию сгорания топлива.

Характеристики шамотного кирпича

Одной из главных особенностей этой разновидности строительных материалов является способность сохранять тепло. Высокая теплопроводность является основной причиной, по которой многие мастера рекомендуют возводить из шамотного кирпича не только топочную часть, а всю печь целиком.

Печь, сложенная из шамотного кирпича

Не вдаваясь в подробности довольно давно ведущихся споров, отметим, что в декоративном плане это решение могло бы быть достаточно интересным: нестандартные форма и размеры шамотного кирпича, небольшой вес, теплопроводность, а также мягкий песчаный оттенок зрительно создают эффект уютного прогретого солнцем источника тепла. Среди других характеристик, которые имеет шамотный кирпич, отметим следующие:

  • Форма. Как мы уже говорили, она может быть самой разнообразной. Наряду с традиционными прямоугольными, выпускаются клиновидные (для арок и сводов), трапецеидальные и другие изделия. Требуемая геометрия поверхности обеспечивается укладкой на глиняный раствор необходимой конфигурации.
  • Размеры. Чаще всего, при укладке печей используются две стандартные разновидности прямого огнеупорного кирпича: ШБ-5 и ШБ-8. Расшифровывается такая маркировка так: первая буква — сокращение от слова «шамотный», вторая – означает класс огнеупорности, т. е. температуру применения (до 1350 °С). Последняя цифра указывает на соотношение размеров сторон, соответственно, 230 х 114 х 65 мм для ШБ-5 и 250 х 124 х 65 мм для ШБ-8.
  • Вес. Данный материал отличается сравнительно небольшой массой, что никак не сказывается на его свойствах, но позволяет значительно уменьшить нагрузку на фундамент. Укладка производится на раствор, нанесенный тонким слоем, который не оказывает заметного влияния на общий вес конструкции.
  • Плотность и пористость. Эти параметры зависят друг от друга – большее значение одного из них соответствует меньшему значению другого. Чем больше пористость изделия, тем меньше его вес и выше теплопроводность.

Применение шамотного кирпича

Шамотный кирпич лучше других огнеупорных изделий выдерживает контакт со щелочами, например, с известью. Поэтому он может использоваться в различных промышленных установках, где продукты горения содержат активные химические вещества (кладка и футеровка котлов, топливных камер, доменных печей и т. д.).

Особое значение для придания тепловым агрегатам устойчивости к высоким температурам имеет используемый раствор. Обычно для его приготовления применяются те же компоненты, что и при производстве самого кирпича. При работе с марками ШБ-5 или ШБ-8 используют огнеупорную глину, в которую добавляют толченый кирпич. Такой состав обычно называется «шамотная глина» или мертель.

Толщина кладочного слоя зависит от температуры, на которую рассчитывается возводимая конструкция. Чем выше температура, тем более тонким слоем должен наноситься раствор.

Так выглядит мертель в сухом виде

При особенно высоких температурах может потребоваться толщина менее 1 мм. Подобные работы требуют особого качества приготовления смеси и высокой квалификации исполнителей.

Особенности выбора и области применения шамотного кирпича

Кроме того, заметно повышается расход и стоимость материала (необходимо применять только специальные марки с повышенной огнестойкостью, кирпич ШБ-8 или ШБ-5 не выдержит нагрузки), а также увеличивается общий вес готового изделия.

При всех своих достоинствах шамотный кирпич имеет и ряд недостатков, ограничивающих его применение:

  • Гигроскопичность. Он хорошо впитывает влагу, при этом увеличивается вес и снижается прочность при нагреве;
  • Неустойчивость к промерзанию. Обычно для кладки бытовых печей используется шамотный кирпич марок ШБ-5, ШБ-45, ШБ-94, ШБ-8, который часто крошится при нерегулярном использовании и периодическом остывании печи;
  • Высокая плотность. Материал с трудом поддается резке при необходимости обеспечить нужные размеры;
  • Сравнительно высокая цена, долгое время прогрева, необходимость готовить специальный раствор.

Подводя итоги, отметим, что применение шамотного кирпича оптимально для облицовки зон, подверженных сильному термическому воздействию. Вместе с тем, его использование в качестве основного строительного материала для бытовых печей сдерживается наличием ряда недостатков, вызванных технологическими особенностями производства.

Теплофизические свойства технической керамики

К теплофизическим свойствам керамики относятся ее теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, лучеиспускание. Теплоемкость керамического материала кристаллической структуры подчиняется закону Дюлонга-Пти, по которому она приблизительно равна 24,7 Дж/(г-атом*К). Теплоемкость весьма сильно меняется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно после 1000°С. Теплоемкость есть свойство самого вещества, она не зависит от структурных особенностей конкретного изделия, его пористости и плотности, размеров кристаллов и других факторов, поэтому теплоемкость единицы структурно различных, но одноименных по составу материалов одинакова.

Теплопроводность характеризует скорость переноса теплоты керамическим материалом. Она очень различна и зависит от состава кристаллической и стекловидной фаз, а также от пористости. Теплопроводность материала принято характеризовать уравнением теплового потока:

где Q — количество теплоты, Вт; δ — толщина стенки, см; F — площадь прохождения теплового потока, см2, τ — время; t— температура, °С, соответственно на горячей и холодной поверхностях.

Теория теплопроводности основана на представлении о переносе теплоты в твердых неметаллических телах тепловыми упругими волнами—фононами.

Виды и технические особенности шамотного кирпича

Теплопроводность вещества зависит от длины свободного пробега фононов и степени нарушения гармоничности колебаний тепловых волн во время их прохождения через данное вещество. В связи с этим степень теплопроводности определяют структура вещества, число и вид атомов и ионов, рассеивающих волновые колебания. Кристаллы с более сложным строением решетки, как правило, имеют более низкую теплопроводность, так как степень рассеивания тепловых упругих волн в такой решетке больше, чем в простой. Снижение теплопроводности наблюдается также при образовании твердых растворов, так как при этом возникают дополнительные центры рассеивания тепловых упругих волн. В стеклах, характеризующихся разупорядоченным строением, длина пробега фононов не превышает межатомных расстояний, и теплопроводность стекла соответственно меньше, чем теплопроводность керамического материала, содержащего, как правило, значительное количество кристаллических фаз.

Особенно важно учитывать при применении керамики изменение теплопроводности во время ее нагрева. Общая закономерность здесь такая: теплопроводность спеченной керамики кристаллического строения, особенно оксидной, с повышением температуры, как правило, сильно падает. Исключение составляет диоксид циркония, теплопроводность которого с повышением температуры возрастает. Теплопроводность стекла, а также керамики, содержащей значительное количество стекла, например муллитокремнеземистой, с повышением температуры увеличивается. На рисунке показано изменение теплопроводности некоторых видов керамики в зависимости от температуры.

Теплопроводность некоторых видов керамики


1 — ВеО плотноспекшийся;
2 — SiC;
3 — MgO плотноспекшийся;
4 — А12О3 корунд;
5 — ZrO2 стабилизированный плотноспекшийся

Теплопроводность пористой теплоизоляционной керамики, изготовляемой из чистых оксидов,— основное свойство, по которому определяют область ее применения. Теплопроводность тесно связана с пористостью.

Термическое расширение керамики — следствие увеличения амплитуды колебаний ее атомов или ионов относительно их среднего положения, происходящих под влиянием температуры. Поэтому температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР керамики (далее употребляется «коэффициент линейного расширения») непостоянен при любой температуре. Для подавляющего большинства керамических материалов он повышается с температурой.

Линейное расширение некоторых видов технической керамики (ZrO2 в зависимости от степени его стабилизации)

Различают истинный коэффициент линейного расширения и средний, т. е. отнесенный к определенному интервалу температур:

В некоторых случаях для наглядности коэффициент линейного расширения удобно выразить в процентах (%):

Обычно измеряется не объемный, а линейный коэффициент, практически составляющий 1/3 объемного. Это отношение справедливо для изотропных поликристаллических материалов, в том числе и керамических.

Термическое расширение большинства монокристаллов, как известно, анизотропно. В кристаллах с кубической решеткой расширение происходит равномерно по всем направлениям, как, например, у MgO. Однако среди керамических материалов есть такие, у которых анизотропия термического расширения выражена очень сильно. В частности, у широко распространенных корунда α-Al2O3 и муллита 3Al2O3·2SiO2 также наблюдается анизотропия. Асимметрия строения кристаллической решетки приводит к тому, что коэффициент линейного расширения в одном из направлений может оказаться отрицательным, а объемное расширение поликристаллической керамики очень мало. Такими материалами являются, например, кордиерит (2MgO·2Al2O3·5SiO2)и алюмосиликаты лития.

Керамические материалы представляют собой поликристаллические тела. Поэтому они из-за хаотического расположения элементарных кристалликов становятся практически изотропными. Значение коэффициента линейного расширения различных видов технической керамики колеблется в очень широком диапазоне — от 0 до (13—14)10-6 °С. В таблице приведены указанные коэффициенты некоторых видов технической керамики в порядке их убывания.

Средние значения коэффициента линейного расширения

Термическая стойкость — это способность керамического изделия выдерживать без разрушения резкие смены температуры. Термическая стойкость характеризует в определенной степени материал, но в большей степени изделие из данного материала, так как на результаты испытаний оказывают очень большое влияние размер и форма изделия. Условия эксплуатации керамических изделий настолько разнообразны, что предложить единый критерий термической стойкости не представляется возможным. Действительно, температурные перепады и скорость изменения температуры этих изделий бывают совершенно несопоставимы, и едва ли может быть единый критерий оценки их термической стойкости. Однако качественная сторона процесса изменения свойств и разрушения изделия под влиянием резких температурных перемен в основном одинакова для всех керамических материалов и почти во всех случаях.

Разрушение керамического изделия под влиянием температурных перемен происходит в результате напряжений, возникающих в материале этого изделия. Такие напряжения могут вызываться разными причинами и иметь различный характер. Главные из этих причин: различие температуры в разных частях нагреваемого или охлаждаемого изделия, т. е. наличие температурного перепада; разные значения TKJIP компонентов в многофазовой керамике; ограничение возможности расширения.

Изделия разрушаются в том случае, если возникающие при термическом напряжении силы растяжения, сжатия или сдвига превосходят пределы допустимой прочности материала этого изделия.

В общем виде, если не учитывать размерные и структурные особенности керамики и условия ее испытания, термическая стойкость керамики может быть охарактеризована некоторым коэффициентом термической стойкости:

где λ — теплопроводность; σ — предел прочности при разрыве; с — теплоемкость; γ— плотность; α — TKJIP; Е — модуль упругости.

Из этой формулы следует, что термическая стойкость материала возрастает с увеличением его теплопроводности и механической прочности и снижается с увеличением коэффициента линейного расширения, модуля упругости и кажущейся плотности. Теплоемкость определенного материала постоянна. Однако эта формула, выражая общую закономерность — изменения термической прочности изделий, не может дать сравнимых результатов, определяющих термическую стойкость керамических изделий.

Термическая стойкость различных видов изделий технической керамики в настоящее время оценивается по различным методикам. В их основе лежат следующие критерии:

1) число теплосмен, при котором изделие разрушается полностью или частично при нагревании до температуры t со скоростью n, град/мин, и последующем медленном или резком охлаждении на воздухе или в другой среде. Эта методика определения термической стойкости довольно распространена и стандартизована для испытания массовых видов огнеупоров при нагреве до 800°С и охлаждении в воде при 20°С. В различных образцах, отличающихся размером и формой, температурой, средой и скоростью нагрева и охлаждения, этот метод находит широкое применение;

2) потеря механической прочности специально подготовленного образца (чаще всего балочки) после ряда последовательных нагревов и охлаждений до различных температур с различной скоростью и в различной среде. Термическая прочность выражается как потеря механической прочности в процентах к первоначальной после определенного числа теплосмен. Этот метод применяют для относительной оценки термической стойкости материала главным образом в научных экспериментах;

3) предельный температурный перепад, при котором изделие разрушается или частично теряет необходимые технические свойства (например, вакуумную плотность, электрическую прочность). Этот метод наиболее широко применяют для определения термической стойкости электроизоляционных изделий, вакуумной керамики.

На термическую стойкость керамики сильно влияет ее макро- и микроструктура. Материал с зернистой структурой, как правило, более термостоек, чем плотный. В плотных спекшихся материалах заметна определенная тенденция к улучшению их термостойкости при крупной кристаллизации основной фазы (например, в корунде).

Оглавление:

  1. Виды кирпичей
  2. Назначение и отличительные признаки материала
  3. Что такое теплопроводность

Новые материалы не могут не вызывать восхищение своими характеристиками и возможностями. Преимущества технологий строительства с их помощью неоспоримы. Искусственные и комбинированные строительные материалы превосходят традиционные сразу по нескольким важнейшим параметрам, зачастую – в несколько раз. Однако, традиционные материалы нельзя сбрасывать со счетов: кирпич, к примеру, был и остается востребованным.

Большинство зданий построено из кирпича: в этом не сложно убедиться. То есть, о способности этого материала успешно противостоять атмосферным явлениям, знают все.

Механическая прочность и долговечность этого материала также известна, как и экологическая безопасность. Кроме того, кирпич обладает хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, морозостойкостью. Все эти качества делают его одним из лучших строительных материалов.

Виды кирпичей

Раньше этот материал выпускался двух видов: белый (силикатный) и красный (керамический) полнотелый. Иногда встречался керамический пустотелый. Современные керамические кирпичи бывают разных цветов и оттенков: желтые, кремовые, розовые, бордовые. Фактура их также может быть различной. Однако, по способу изготовления и составу они по-прежнему подразделяются на керамический и силикатный.

Общего у них, кроме геометрических параметров, нет ничего. Керамический состоит из обожженной глины (с различными добавками), а силикатный изготавливается из извести, кварцевого песка и воды. Эксплуатационные характеристики обоих видов регламентируются разными нормативными документами, что обязательно учитывается в строительной отрасли.

Большей популярностью пользуется керамический кирпич. Его разновидности: полнотелый, пустотелый, облицовочный с различной фактурой поверхности. Свойства этого строительного материала и его эстетические качества, разнообразие цветов и форм делают его уникальным и пригодным для возведения любых строений.

Назначение кирпичей различных видов и их отличительные признаки

Кирпич по назначению подразделяют на специальный, строительный и облицовочный. Для кладки стен применяется строительный, для облагораживания фасадов – облицовочный, а в особых случаях – специальный (например, для кладки печи, камина или печной трубы).

Полнотелый кирпич содержит не более 13% пустот: его используют для возведения стен (внешних и внутренних), столбов, колонн и так далее. Конструкции, построенные из такого материала, способны нести дополнительную нагрузку благодаря высокой прочности на сжатие, на изгиб, хорошей морозостойкости керамического полнотелого кирпича. Теплоизолирующие свойства зависят от пористости, от нее же зависит и водопоглощение, способность материала к сцеплению с кладочным раствором. Данный материал обладает не слишком хорошим сопротивлением к теплопередаче, в связи с чем стены жилых строений необходимо сооружать достаточной толщины или утеплять дополнительно.

У пустотелого кирпича объем пустот может доходить до 45% от общего объема изделия, поэтому его вес меньше, чем у полнотелого. Он пригоден для строительства легких перегородок и наружных стен, им заполняют каркасы многоэтажных зданий. Пустоты в нем могут быть как сквозными, так и закрытыми с какой-либо стороны. Форма пустот бывает круглой, квадратной, овальной, прямоугольной.

Применение шамотного кирпича, размеры, вес и теплопроводность

Располагаются они вертикально и горизонтально (последний вариант менее удачен, так как такая форма – менее прочна).

У пустотелого кирпича объем пустот может доходить до 45% от общего объема изделия.

Пустоты позволяют экономить довольно много материала, из которого изготавливают кирпич. Кроме того, это значительно повышает его теплоизолирующие свойства. При этом важно, чтобы консистенция раствора была такой густоты, чтобы воздушные полости им не заполнялись.

Облицовочный кирпич применяют, соответственно, для облицовки зданий. Обычно, его размеры такие же, что и у стандартного, но в продаже есть и изделия с меньшей шириной. Чаще всего он изготавливается пустотелым, что определяет его высокие теплотехнические характеристики.

Среди специальных кирпичей чаще всего распространены огнеупорный (печной) и теплоизолирующий. И тот, и другой применяются для возведения каминов и печей (в том числе и мартеновских). Они изготавливаются из специальной, шамотной глины, но имеют разное назначение. Огнеупорный призван выдерживать температуры, превышающие 1600 °С, а теплоизолирующий – для предотвращения нагревания внешних стенок печей и потери тепла. Если возводить стены из этого материала, то они будут хорошо сохранять тепло. Но слабая прочность материала позволяет лишь заполнять им простенки.

Клинкерным кирпичом облицовывают цоколи зданий. Он обладает высокой морозостойкостью и механической прочностью благодаря применению тугоплавких глин при их изготовлении. Обжигание сырца производится при более высоких температурах, чем обычно.

Что такое теплопроводность

Этот термин обозначает способность материала передавать тепловую энергию. Эту способность, в данном случае, выражает коэффициент теплопроводности кирпича. У клинкерного этот показатель составляет порядка 0,8… 0,9 Вт/м К.

Силикатный обладает меньшей теплопроводностью и в зависимости от количества пустот, в нем содержащихся, подразделяется на: щелевой (0,4 Вт/м К), с техническими пустотами (0, 66 Вт/м К), полнотелый (0,8 Вт/м К).

Керамический является еще более легким, вследствие чего данный показатель у него еще более низкий. Для полнотелого кирпича он находится в пределах 0,5… 0,8 Вт/м К, для щелевого – 0,34… 0,43 Вт/м К и для поризованного – 0,22 Вт/м К. Кирпич пустотелый характеризуется коэффициентом теплопроводности, равным 0,57 Вт/м К. Данный показатель не постоянен и меняется в зависимости от пористости материала, количества и расположения пустот.

Утверждение, что кирпич обладает высокой теплопроводностью, не совсем корректно: некоторые виды этого материала проводят тепло даже хуже, чем газобетонные блоки. Сочетание прочностных качеств полнотелых кирпичей и теплоизолирующих свойств пустотелых (а еще лучше – поризованной керамики) позволяет возводить надежные и энергоэкономичные здания.

Изменение температуры

Изменение температуры

Стены любого здания можно по праву считать его важнейшим конструктивным элементом. Выбор материала стен, часто, является первым шагом в начале строительства дома. Стены устанавливают требования к остальным элементам конструкции — фундаментам, перекрытиям, и т.д. Поэтому, определится с материалом стен лучше еще до начала возведения фундамента. Поступая наоборот, часто при отсутствии проекта, многие допускают достаточно распространенную ошибку, исправить которую бывает не просто. Для правильного выбора материала и конструкции стен следует детально рассмотреть их свойства и характеристики.

Теплоизоляция стен

Существует два основных варианта конструкции наружных стен, обеспечивающих требуемую теплозащиту.

В первом случае необходимое сопротивление теплопередаче обеспечивает сам материал несущей стены за счет своей толщины. Такая стена является однослойной и не предполагает дополнительного утепления. Изменение температуры внутри такой стены (от наружной к внутренней) происходит равномерно.

Во втором случае стеновая конструкция представляет собой внутреннюю несущую стену, с наружной обшивкой эффективным теплоизоляционным материалом. Особенностью такой многослойной стены является разделение конструкционной и теплоизоляционной функции между разными материалами. В такой ситуации, наиболее эффективным и правильным является именно наружное расположение утеплителя. Несущая стена в этом случае не подвержена промерзанию, что повышает ее долговечность.

Внутреннее расположение утеплителя противопоказано для домов с постоянной эксплуатацией. Утеплитель расположенный изнутри, отсекает тепло, исходящее из помещения, и основная несущая стена оказывается в зоне отрицательных температур.

Шамотный кирпич — размеры, теплопроводность, производство и применение

В результате неблагоприятного режима эксплуатации, происходит ускоренный износ конструкций и сокращение срока службы всего строения.

Тем не менее, внутреннее утепление оправдано в постройках, требующих периодического быстрого прогрева помещения, к примеру, в банях. В крайнем случае, внутреннее утепление применяют, если наружное расположение утеплителя невозможно по каким либо причинам. В ситуации, когда теплоизоляционный слой располагается изнутри, со стороны помещения он обязательно должен быть защищен слоем пароизоляции.

Качество теплоизоляции стен зависит не только от расчетных теплоизоляционных параметров материалов, но и от их текущей влажности. Сопротивление теплопередаче влажного материала значительно ниже, чем у сухого. В связи с этим необходимы меры по обеспечению как можно более сухого режима эксплуатации не только стеновых, но и всех прочих ограждающих конструкций. Одной из причин увлажнения конструкций является конденсация водяных паров на поверхностях и в толще материалов при температуре точки росы.

В случае если стена снаружи штукатурится, то все слои наружной отделки, должны обеспечивать паропроницаемость не меньше, чем сам материал стены. В противном случае, сконденсированная внутри влага приведет к ускоренному разрушению стены и отслаиванию штукатурного слоя.

Теплопроводность материалов в сухом состоянии

Теплотехнический расчет стен

Пожалуй, самый распространенный вопрос при выборе материала и толщины стен — будет ли теплой данная конструкция. Ответить на этот вопрос гораздо проще, чем может показаться на первый взгляд, даже если речь идет о многослойной стене.

Каждый материал имеет свой коэффициент теплопроводности ? (лямбда) — Вт/(м2*С°), отражающий насколько интенсивно материал проводит тепло. Чем меньше значение коэффициента, тем меньше теплопроводность материала, соответственно стена из него будет утеплена лучше.

Следует отметить, что коэффициент теплопроводности зависит от текущей влажности материала. Если материал влажный, то его теплопроводность выше и наоборот. Поэтому реальный коэффициент теплопроводности в условиях естественной влажности выше, чем у материала в сухом состоянии. Строительные нормы определяют два режима эксплуатации — А и Б, которые зависят от климатической влажности региона строительства, и влажности в помещениях. А — режим нормальной влажности. Б — режим повышенной влажности. Теплопроводность материалов в режиме А примерно на 20-25% выше, по сравнению с его теплопроводностью в сухом состоянии. В режиме Б — примерно на 35-40%.

Каждая стена, в зависимости от толщины и материала из которого она сделана, обладает определенной теплоизоляционной способностью, которую называют сопротивлением теплопередаче R м2*С°/Вт. или термическим сопротивлением. Чем выше сопротивление теплопередаче (теплосопротивление) стен и прочих конструкций, тем лучше утеплен дом и меньше затраты на его отопление. Требуемое теплосопротивление R, которое должна иметь стена в каждом случае, зависит от региона котором идет строительство. Конкретное значение для каждого города, можно посмотреть в таблице расположенной ниже.

Теплосопротивление однослойной стены рассчитывается по простой формуле:

R = ? / ?

R — Теплосопротивление однослойной стены.

? (дельта) — толщина слоя в метрах.

? — коэффициент теплопроводности материала, из которого состоит слой.

Если стена состоит из нескольких слоев, то теплосопротивление каждого слоя рассчитывается отдельно, а полученные значения складываются:

R стены = R первого слоя + R второго слоя + R третьего слоя.

Теперь рассмотрим все это на примере. Допустим у нас есть стена, которая состоит из трех слоев — газобетонные блоки 30см, минераловатный утеплитель 10см, и кирпичная облицовка в полкирпича 12см. Коэффициенты теплопроводности этих материалов в сухом состоянии составляют —

газобетон — 0,14; утеплитель — 0,04; кирпич — 0,56.

В режиме эксплуатации А, эти коэффициенты составят примерно на 20-25% больше —

газобетон — 0,16; утеплитель — 0,045, кирпич — 0,7

Расчеты выглядят следующим образом:

R 1 — газобетона = 0,3м / 0,16 = 1,87

R 2 — утеплителя = 0,1м / 0,045 = 2,22

R 3 — кирпича = 0,12м / 0,7 = 0,17

Таким образом общее сопротивление теплопередаче данной стеновой конструкции в режиме эксплуатации А составит:

R стены = 1,87 + 2,22 + 0,17 = 4,26 м2*С°/Вт.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *