МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГРУНТОВ

​METHODS FOR DETERMINING THE THERMAL CONDUCTIVITY COEFFICIENT OF BUILDING MATERIALS AND SOILS

Nurzhan Bekov

graduate student, Department “TCPBM”, L.B. Goncharov Kazakh Automobile and Road Institute,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются параметры, характеризующие теплотехнические свойства дорожно-строительных материалов и грунтов: термические и массообменные. На их основе решается задача нахождения температурного поля в области теплообмена внутри твердых тел. Выведенные уравнения связывают теплофизические характеристики материала, которые в совокупности и в различных комбинациях входят в расчетные формулы температурного поля, тепловых потоков, теплоаккумуляции и тепловых потерь.

ABSTRACT

The article discusses the parameters characterizing the thermal properties of road-building materials and soils: thermal and mass transfer. On their basis, the problem of finding the temperature field in the heat exchange region inside solids is solved. The derived equations relate the thermophysical characteristics of the material, which together and in various combinations are included in the calculation formulas of the temperature field, heat fluxes, heat accumulation and heat losses.

Ключевые слова: теплотехнические свойства, дорожно-строительные материалы, температурное поле, промерзание.

Keywords: thermal engineering properties, road-building materials, temperature field, freezing.

Оценка степени промерзания дорожных одежд и грунтов земляного полотна непосредственно связана с определением теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов. Ее результаты учитываются при проектировании автомобильных дорог на всей территории Республики Казахстан. Нормативные методы расчета глубин промерзания базируются на полуэмпирических подходах.

В настоящее время существуют вычислительные комплексы и отдельные программы, позволяющие решать задачи промерзания дорожных одежд и грунтов земляного полотна с точностью, удовлетворяющей требованиям автоматизированного проектирования строительства и ремонта автомобильных дорог. Для обеспечения высокой точности необходим соответствующий уровень исходных данных. Основное место в настоящих рекомендациях отводится теплофизическим характеристикам дорожно-строительных материалов и грунтов.

В современных подходах к решению теплотехнических задач по промерзанию дорожных конструкций рекомендуется использовать годовой цикл изменения температуры воздуха с учетом радиационного баланса на свободной поверхности. При решении теплотехнических задач собираются данные о теплофизических свойствах дорожно-строительных материалов и грунтов в реальном интервале изменения температур. Это относится в большей степени к водонасыщенным грунтам, свойства которых меняются в зависимости от процентного содержания в них замерзшей воды и их засоления.

К определению рекомендуются параметры, характеризующие теплотехнические свойства дорожно-строительных материалов и грунтов, которые могут быть использованы в теплотехнических расчетах при проектировании автомобильных дорог в особо сложных по мерзлотно-грунтовым условиям участкам. К теплофизическим характеристикам относят:

а) термические характеристики: коэффициент теплопроводности λ; коэффициент температуропроводности k; объемную теплоемкость С'; теплоусвояемость β;

б) массообменные характеристики: коэффициент влагопроводности К; коэффициент термовлагопроводности δ_τ; коэффициент массы емкости δ_м .

Рассматривается комплекс термических характеристик, т.е. величины λ, k, С' и β. Для оценки тепловых свойств дисперсных материалов и для основных термических процессов, протекающих в них при самых различных режимах и условиях, достаточно знания этих четырех параметров.

Рассматривается задача нахождения температурного поля в области теплообмена внутри твердых тел, которая состоит в определении температуры Т в любой точке тела М(х, у, z) в любой момент времени t :

                            .                                    (1)

В уравнение (1) входят коэффициент теплопроводности λ и объемная теплоемкость С'. Коэффициент температуропроводности k определяется из λ и С':

                                                                            (2)

Теплоусвояемость β представляет собой результат преобразования величин λ и С':

                                                                       (3)

Коэффициент теплопроводности λ равен количеству тепла, проходящему в стационарном состоянии в единицу времени через две противоположные грани единицы объема материала, на которых поддерживается разность температур в 1^оС. Эта величина характеризует степень проводимости тепла материалом или грунтом. Размерность λ - ккал/м*час*град.

Объемная теплоемкость С' численно равна количеству тепла, необходимому на нагревание или охлаждение единицы объема на 1°С. Эта величина характеризует интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении. Размерность С' – ккал/м³.

Для оценки быстроты выравнивания температуры и степени теплоаккумуляции также используют коэффициент температуропроводности k и теплоусвояемость β. Размерности k – м²/час, β - ккал/м²*час^1/2*град^1/2.

Рассматривают изменяющееся во времени температурное поле внутри образца материала, вырезанного по изотермической поверхности. Повышение температуры в образце в данный момент времени связано с накоплением проводимого к нему тепла и будет больше, чем меньше теплоемкость единицы объема образца. Скорость прогрева материала, мерой которой является его коэффициент температуропроводности k, обратно пропорциональна С'. Она обусловлена интенсивностью передачи тепла при данной разности температур от соседнего слоя к рассматриваемому. Коэффициент температуропроводности k пропорционален коэффициенту теплопроводности λ:

                                                                       (4)

где D₀ – коэффициент, численная величина которого зависит от выбора единиц для λ, k, и С'.

При D₀ = 1, имеем

                                                                        (5)

С' определяют как произведение плотности материала ρ на его удельную теплоемкость с:

 ,                                                              (6)

Уравнения (1-6) связывают теплофизические характеристики материала. Характеристики λ, k, и С' порознь, в совокупности и в различных комбинациях входят в расчетные формулы температурного поля, тепловых потоков, теплоаккумуляции и тепловых потерь.

Список литературы:

1. В.И.Иванов. Высокоэффективная теплоизоляция в основаниях аэродромов и дорог. – М.: Транспорт, 1988. – 225 с.
2. В.М. Безрук, И.Л. Гурячков, Т.М. Луканина, P.A. Агапова. Укрепленные грунты. Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве. – М.: Транспорт. – 1982. – 189 с.