Определение теплопроводности строительных материалов методом нагретой плиты

↑ К началу ↑ К началу ↑ К началу ↑ К началу

Физические основы метода нагретой плиты

Метод нагретой плиты представляет собой стационарный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов, основанный на законе теплопроводности Фурье. Физический смысл коэффициента теплопроводности заключается в количестве тепловой энергии, проходящей через единицу площади материала единичной толщины при разности температур в один градус за единицу времени.

Сущность метода состоит в создании одномерного стационарного теплового потока, направленного перпендикулярно к поверхностям испытываемого образца. Между двумя параллельными плитами, поддерживаемыми при различных постоянных температурах, размещается исследуемый образец материала. После установления теплового равновесия измеряют плотность теплового потока, проходящего через образец, температуры его противоположных поверхностей и толщину. Данные параметры позволяют рассчитать эффективную теплопроводность материала.

Стационарный тепловой режим характеризуется тем, что температура в каждой точке образца не изменяется во времени. Это достигается путем поддержания постоянных температур нагревающей и охлаждающей плит прибора. Время установления стационарного режима зависит от теплофизических свойств материала, прежде всего от его температуропроводности и теплоемкости. Для легких теплоизоляционных материалов с низкой плотностью стационарное состояние достигается через несколько часов, тогда как для плотных конструкционных материалов может потребоваться до суток.

Температуропроводность и теплоемкость материалов

Температуропроводность материала определяет скорость выравнивания температуры внутри образца и непосредственно влияет на продолжительность эксперимента. Материалы с высокой температуропроводностью быстрее достигают теплового равновесия. Теплоемкость характеризует количество энергии, необходимое для изменения температуры единицы массы материала на один градус, и также влияет на динамику установления стационарного режима.

↑ К началу

Нормативная база и область применения ГОСТ 7076-99

ГОСТ 7076-99 является межгосударственным стандартом, устанавливающим метод определения теплопроводности и термического сопротивления строительных материалов и изделий при стационарном тепловом режиме. Стандарт введен в действие с 1 апреля 2000 года и разработан с учетом международных стандартов ISO 8302:1991 и ISO 8301:1991, регламентирующих методы измерения теплопроводности с помощью прибора с тепломером и прибора с охранной зоной.

Область применения стандарта охватывает широкий спектр строительных материалов: теплоизоляционные изделия, стеновые материалы, бетоны различной плотности, кирпич керамический и силикатный, а также материалы для теплоизоляции промышленного оборудования и трубопроводов. Метод применим для материалов с коэффициентом теплопроводности от 0,025 до 1,5 Вт/(м·К) и предназначен для испытаний в диапазоне средних температур образца от минус 40 до плюс 200 градусов Цельсия.

Взаимосвязь с другими нормативными документами

Метод определения теплопроводности по ГОСТ 7076-99 применяется в комплексе с рядом других стандартов. ГОСТ 31913-2011 устанавливает термины и определения для теплоизоляционных материалов, включая понятия эффективной теплопроводности и термического сопротивления. СП 50.13330.2024 регламентирует требования к тепловой защите зданий и использует значения теплопроводности, полученные по настоящему методу, для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций.

Для различных типов материалов действуют специальные стандарты, устанавливающие методики отбора образцов и количество испытаний. Например, ГОСТ 32310-2020 для изделий из экструдированного пенополистирола предписывает проведение испытаний не менее трех образцов от партии. ГОСТ 33676-2015 для пеностекла определяет требования к влажности образцов перед испытанием.

↑ К началу

Конструкция прибора для определения теплопроводности

Прибор для определения теплопроводности методом нагретой плиты представляет собой сложную теплофизическую установку, состоящую из нескольких функциональных элементов. Основу прибора составляют две параллельные плиты, между которыми размещается испытываемый образец. Горячая плита оснащена электрическим нагревателем, поддерживающим заданную температуру, а холодная плита соединена с термостатирующим устройством для отвода тепла.

Схемы построения приборов

Согласно ГОСТ 7076-99, существуют две основные схемы построения приборов: асимметричная и симметричная. Асимметричная схема предполагает использование одного тепломера, расположенного между испытываемым образцом и одной из плит прибора. Тепломер представляет собой пластину из материала с известной теплопроводностью, оснащенную датчиками температуры. По разности температур на противоположных поверхностях тепломера и его известным характеристикам определяется плотность теплового потока, проходящего через образец.

Симметричная схема включает два тепломера, расположенных с обеих сторон образца между ним и плитами прибора. Данная конфигурация обеспечивает повышенную точность измерений за счет усреднения показаний двух тепломеров и позволяет контролировать равномерность теплового потока. Симметричная схема предпочтительна при испытании материалов с неоднородной структурой или анизотропными свойствами.

Охранная зона и устранение краевых эффектов

Важнейшим элементом прибора является охранная зона, предназначенная для обеспечения одномерности теплового потока через образец. Охранное кольцо окружает зону измерения на горячей плите и поддерживается при той же температуре, что и центральная нагреваемая область. Это исключает радиальные тепловые потоки от краев образца и обеспечивает, что весь измеряемый тепловой поток направлен строго перпендикулярно поверхности образца.

Температура охранного кольца регулируется отдельной системой с высокой точностью, обычно в пределах ±0,5 градуса от температуры зоны измерения. Ширина охранной зоны и зазор между ней и зоной измерения определяются размерами образца и требованиями к точности. Типичная ширина охранного кольца составляет от 30 до 50 миллиметров для образцов размером 300×300 миллиметров.

Датчики температуры и системы регулирования

Для измерения температуры поверхностей образца используются прецизионные термопары или термометры сопротивления, установленные в специальных углублениях плит прибора. Типичная точность измерения температуры составляет ±0,1 градуса Цельсия. Датчики размещаются в нескольких точках по поверхности каждой плиты для контроля равномерности температурного поля. Количество датчиков зависит от размеров прибора и требований к точности, обычно используется от 4 до 12 датчиков на каждую плиту.

Система регулирования температуры обеспечивает поддержание заданных значений с высокой стабильностью в течение всего времени испытания. Современные приборы оснащены микропроцессорными регуляторами с ПИД-алгоритмами, обеспечивающими точность поддержания температуры в пределах ±0,2 градуса. Охлаждающая система холодной плиты может быть выполнена в виде термостата с циркуляцией охлаждающей жидкости или элементов Пельтье для приборов небольшой мощности.

↑ К началу

Подготовка образцов к испытаниям

Подготовка образцов является критически важным этапом, определяющим достоверность результатов испытаний. Образцы должны быть изготовлены в соответствии с требованиями стандартов на конкретные материалы и иметь форму, обеспечивающую плотное прилегание к поверхностям плит прибора. Наиболее распространенными являются образцы в форме квадратных плит размерами 300×300 миллиметров, 250×250 миллиметров или 500×500 миллиметров. Для некоторых материалов, таких как бетон, допускается использование цилиндрических образцов диаметром и высотой 150 миллиметров.

Требования к геометрии образцов

Поверхности образца, контактирующие с плитами прибора, должны быть плоскими и параллельными. Отклонение от плоскостности не должно превышать 0,5 миллиметра на всей площади контакта. Для мягких волокнистых материалов допускается большее отклонение, поскольку они деформируются под давлением плит и принимают необходимую форму. Толщина образца измеряется в нескольких точках по площади с точностью до 0,1 миллиметра, и за расчетное значение принимается среднее арифметическое.

Боковые грани образцов должны быть ровными, без сколов и повреждений. Для теплоизоляционных плит образцы обычно вырезают из изделий заводского изготовления, сохраняя заводские поверхности как контактные с плитами прибора. Это обеспечивает наиболее точное соответствие испытываемого образца реальному материалу, применяемому в строительстве. При вырезании образцов из крупноразмерных изделий необходимо избегать участков с видимыми дефектами, неоднородностями или механическими повреждениями.

Кондиционирование по влажности и температуре

Влажность образца существенно влияет на его теплопроводность, поэтому перед испытанием образцы должны быть приведены к стандартному влажностному состоянию. Для большинства строительных материалов испытания проводят в сухом состоянии, для чего образцы высушивают до постоянной массы при температуре 105-110 градусов Цельсия. Постоянной считается масса, изменение которой за 4 часа сушки не превышает 0,1 процента.

Некоторые материалы, такие как древесина или ячеистый бетон, испытывают при равновесной влажности, соответствующей определенным условиям эксплуатации. В этом случае образцы выдерживаются в климатической камере при заданной температуре и относительной влажности воздуха до достижения постоянной массы. Стандартные условия кондиционирования для теплофизических испытаний согласно ГОСТ 30244-94 предусматривают температуру 23 градуса Цельсия и относительную влажность 50 процентов.

Количество образцов и статистическая обработка

Число образцов, необходимое для определения теплопроводности, устанавливается стандартами на конкретные материалы. Обычно испытывают не менее трех образцов от одной партии материала. Для материалов с высокой однородностью структуры, таких как экструдированный пенополистирол, достаточно трех образцов. Для материалов с неоднородной структурой, включая ячеистый бетон или минеральную вату, может потребоваться испытание пяти или более образцов для получения статистически достоверного среднего значения.

↑ К началу

Методика проведения измерений

Процедура испытания начинается с установки подготовленного образца между плитами прибора. Образец размещается таким образом, чтобы обеспечить плотный и равномерный контакт по всей площади с обеими плитами. Для жестких материалов контакт обеспечивается прижатием плит с определенным усилием, обычно создающим давление порядка 2-5 килопаскалей. Для мягких материалов давление может быть меньшим, чтобы избежать значительного уплотнения образца.

Установление заданного температурного режима

После установки образца включают системы нагрева и охлаждения для достижения заданных температур горячей и холодной плит. Стандартные условия испытаний теплоизоляционных материалов предусматривают среднюю температуру образца 25 градусов Цельсия с разностью температур между поверхностями 20 градусов. Это соответствует температуре горячей плиты около 35 градусов и холодной плиты около 15 градусов Цельсия.

Температура охранного кольца устанавливается равной температуре зоны измерения горячей плиты с точностью ±0,5 градуса. Контроль равенства температур осуществляется с помощью дифференциальных термопар или термометров сопротивления, включенных в мостовую схему. Отклонение температуры охранной зоны более чем на 0,5 градуса приводит к появлению радиальных тепловых потоков и систематической погрешности измерений.

Критерии установления стационарного режима

Стационарным считается тепловой режим, при котором показания всех датчиков температуры и тепломеров изменяются не более чем на 1 процент в течение одного часа. Для контроля установления стационарного состояния показания измерительных приборов регистрируют с интервалом 10-15 минут. Если в течение трех последовательных измерений изменение показаний не превышает установленного предела, режим считается стационарным и начинают регистрацию данных для расчета теплопроводности.

Время установления стационарного режима зависит от теплофизических характеристик материала и толщины образца. Для высокоэффективной теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности порядка 0,03-0,04 Вт/(м·К) стационарный режим обычно достигается через 2-4 часа. Для плотных материалов с большой теплоемкостью и теплопроводностью может потребоваться 18-24 часа. Опытные операторы могут оценить ожидаемое время по типу материала и отслеживать динамику изменения показаний для прогнозирования момента установления равновесия.

Регистрация показаний измерительных приборов

После установления стационарного режима в течение не менее одного часа проводят регистрацию показаний всех измерительных каналов прибора. Записывают температуры горячей и холодной поверхностей образца, показания тепломеров, температуру охранного кольца или мощность, подаваемую на нагреватель зоны измерения. Измерения проводят с интервалом 15-20 минут, фиксируя не менее четырех серий показаний.

Современные автоматизированные приборы оснащены системами сбора и обработки данных, которые непрерывно регистрируют все параметры и автоматически рассчитывают коэффициент теплопроводности. Оператор контролирует стабильность показаний на экране монитора и получает результат после завершения испытания. Автоматизация не только упрощает процедуру измерений, но и повышает точность за счет устранения человеческого фактора при снятии и обработке показаний.

↑ К началу

Расчет коэффициента теплопроводности

Коэффициент теплопроводности определяется по результатам измерений с использованием математических соотношений, основанных на законе Фурье. Расчетные формулы зависят от схемы построения прибора и способа измерения плотности теплового потока. Для асимметричной схемы с одним тепломером эффективная теплопроводность материала вычисляется как произведение толщины образца на плотность теплового потока, деленное на разность температур между его поверхностями.

Формулы для различных схем приборов

В асимметричной схеме плотность теплового потока определяется по показаниям тепломера. Тепломер представляет собой пластину известной толщины из материала с аттестованной теплопроводностью, на противоположных поверхностях которой установлены датчики температуры. По разности температур и характеристикам тепломера вычисляется плотность проходящего через него потока. Эта плотность равна плотности потока через образец при отсутствии краевых эффектов.

Для симметричной схемы с двумя тепломерами плотность потока определяется как среднее арифметическое значений, полученных по показаниям каждого тепломера. Усреднение компенсирует возможную неравномерность контакта образца с плитами и повышает точность измерений. При этом разность между показаниями двух тепломеров не должна превышать 5 процентов от их среднего значения, в противном случае результаты измерений считаются недостоверными и испытание следует повторить.

В приборах с горячей плитой с охранной зоной плотность теплового потока определяется прямым методом по электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения. Мощность измеряется с помощью ваттметра или рассчитывается по произведению напряжения и силы тока в цепи нагревателя. Площадь зоны измерения точно известна и соответствует площади нагревателя, окруженного охранным кольцом. Плотность теплового потока вычисляется делением мощности на площадь зоны измерения.

Учет контактного термического сопротивления

Между поверхностью образца и плитами прибора неизбежно существует воздушный зазор микронной толщины, обусловленный шероховатостью поверхностей. Этот зазор создает дополнительное термическое сопротивление, искажающее результаты измерений. Для минимизации влияния контактного сопротивления поверхности образца и плит должны быть максимально гладкими, а прилегание обеспечивается созданием определенного давления.

При испытании жестких материалов с низкой теплопроводностью контактное сопротивление обычно пренебрежимо мало по сравнению с термическим сопротивлением самого образца. Однако для материалов с высокой теплопроводностью или малой толщины контактное сопротивление может внести значительную погрешность. В таких случаях проводят градуировку прибора на образцах известной теплопроводности и вводят поправочный коэффициент или применяют специальные контактные прокладки с известными теплофизическими характеристиками.

Термическое сопротивление и его применение

Наряду с коэффициентом теплопроводности часто определяют термическое сопротивление образца, представляющее собой отношение толщины к теплопроводности. Термическое сопротивление непосредственно характеризует теплозащитные свойства конкретного изделия заданной толщины и широко используется в строительной теплотехнике при расчете ограждающих конструкций. Для многослойных конструкций термические сопротивления отдельных слоев суммируются, что позволяет определить общее сопротивление теплопередаче стены или покрытия.

↑ К началу

Погрешность измерений и факторы влияния

Относительная погрешность определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления по методу нагретой плиты при соблюдении всех требований ГОСТ 7076-99 не превышает ±3 процента. Эта погрешность включает систематические и случайные составляющие, обусловленные неточностью измерения температуры, толщины образца и плотности теплового потока, а также отклонениями от идеальных условий теплопередачи.

Систематические погрешности измерений

Основными источниками систематической погрешности являются неточность градуировки тепломеров и температурных датчиков, наличие краевых тепловых потоков вследствие несовершенства охранной зоны, а также контактное термическое сопротивление между образцом и плитами прибора. Градуировка тепломеров выполняется на стандартных образцовых материалах с аттестованными значениями теплопроводности, что обеспечивает прослеживаемость результатов к государственным эталонам.

Краевые эффекты минимизируются правильной конструкцией и настройкой охранной зоны. Отклонение температуры охранного кольца от температуры зоны измерения более чем на 0,5 градуса приводит к появлению радиальных тепловых потоков, которые вносят систематическую погрешность в определение плотности потока через образец. Современные приборы с автоматическим регулированием температуры охранной зоны обеспечивают поддержание равенства температур с точностью ±0,2 градуса, что снижает данную составляющую погрешности до пренебрежимо малых значений.

Случайные погрешности и воспроизводимость

Случайная составляющая погрешности обусловлена неоднородностью структуры материала, флуктуациями температуры и нестабильностью измерительной аппаратуры. Для оценки случайной погрешности проводят испытания нескольких образцов от одной партии материала и рассчитывают среднее квадратическое отклонение результатов. Воспроизводимость метода характеризуется коэффициентом вариации, который для однородных материалов не превышает 2-3 процента, а для материалов с высокой неоднородностью структуры может достигать 5-7 процентов.

Сопоставимость результатов различных лабораторий

Для обеспечения сопоставимости результатов, получаемых в различных лабораториях, приборы для определения теплопроводности подлежат обязательной метрологической аттестации в установленном порядке. Аттестация включает проверку точности измерения температуры, толщины и плотности теплового потока, а также определение погрешности измерения теплопроводности на стандартных образцовых материалах. Межлабораторные сличительные испытания показывают, что при использовании аттестованного оборудования и соблюдении методики расхождение результатов различных лабораторий не превышает установленной погрешности метода.

↑ К началу

Часто задаваемые вопросы

Какая основная разница между асимметричной и симметричной схемой прибора?

Асимметричная схема использует один тепломер, расположенный между образцом и одной из плит, что упрощает конструкцию прибора и снижает его стоимость. Симметричная схема включает два тепломера с обеих сторон образца, что обеспечивает более высокую точность за счет усреднения показаний и позволяет контролировать равномерность теплового потока. Симметричная схема предпочтительна для материалов с неоднородной структурой или анизотропными свойствами.

Почему метод не применим для материалов с теплопроводностью выше 1,5 Вт/(м·К)?

Для материалов с высокой теплопроводностью время установления стационарного режима становится чрезмерно большим, а разность температур между поверхностями образца при разумной толщине становится настолько малой, что точность ее измерения недостаточна. Кроме того, контактное термическое сопротивление между образцом и плитами прибора вносит значительную относительную погрешность. Для таких материалов применяют нестационарные методы, такие как метод горячей проволоки или импульсный метод, обеспечивающие быстрое измерение без необходимости достижения теплового равновесия.

Как влажность образца влияет на результаты измерения теплопроводности?

Влага в материале существенно увеличивает его теплопроводность, поскольку теплопроводность воды составляет около 0,6 Вт/(м·К), что значительно выше теплопроводности воздуха в порах материала. Увлажнение пористого материала всего на несколько процентов по массе может увеличить его теплопроводность в полтора-два раза. Поэтому стандартные испытания проводят на образцах в сухом состоянии или при строго контролируемой равновесной влажности, соответствующей условиям эксплуатации.

Сколько времени занимает полное испытание одного образца?

Общее время испытания складывается из времени установления стационарного режима и времени регистрации показаний. Для высокоэффективной теплоизоляции полное испытание занимает 3-6 часов, для легких конструкционных материалов требуется 8-14 часов, а для плотных материалов может потребоваться до 30 часов. К этому следует добавить время подготовки образца, которое для материалов, требующих сушки, может составлять несколько суток. Автоматизированные приборы позволяют проводить испытания в непрерывном режиме без присутствия оператора.

Можно ли испытывать образцы при отрицательных температурах?

Да, ГОСТ 7076-99 предусматривает проведение испытаний в диапазоне средних температур образца от минус 40 до плюс 200 градусов Цельсия. Испытания при отрицательных температурах проводят для материалов, предназначенных для применения в условиях холодного климата или в холодильных установках. Прибор должен быть оснащен системой охлаждения, обеспечивающей поддержание требуемой низкой температуры холодной плиты. При испытаниях ниже нуля градусов особое внимание уделяется исключению конденсации влаги на поверхностях образца и прибора.

Какова роль охранного кольца в конструкции прибора?

Охранное кольцо окружает зону измерения на горячей плите и поддерживается при той же температуре, что и центральная нагреваемая область. Это исключает радиальные тепловые потоки от краев образца в окружающую среду и обеспечивает одномерность теплового потока, направленного строго перпендикулярно поверхности образца. Без охранной зоны значительная часть тепла уходила бы через боковую поверхность образца, что приводило бы к существенному завышению измеренного значения теплопроводности.

В чем отличие эффективной теплопроводности от истинной теплопроводности материала?

Эффективная теплопроводность учитывает все механизмы переноса тепла через материал, включая кондукцию через твердый скелет, конвекцию и излучение в порах. Она характеризует материал как единое целое с его реальной структурой и является эксплуатационной характеристикой. Истинная теплопроводность относится только к веществу твердого скелета материала без учета пористости. Для инженерных расчетов и нормирования используется именно эффективная теплопроводность, определяемая методом нагретой плиты.

Требуется ли специальная подготовка оператора для работы с прибором?

Да, работа с прибором для определения теплопроводности требует квалифицированного персонала с пониманием физических основ теплопередачи и опытом проведения теплофизических измерений. Оператор должен уметь правильно подготовить образцы, установить их в прибор, настроить температурный режим, контролировать процесс установления стационарного состояния и обрабатывать результаты измерений. Обучение операторов обычно проводится производителем прибора и включает теоретическую и практическую части.