Песок – широко распространенное в природе полезное ископаемое с широким спектром применения в различных областях хозяйственной деятельности человека. Это сыпучая смесь зерен, образовавшихся в результате эрозийного разрушения горных пород. Потребительскую ценность песка определяет комплекс технических характеристик, в число которых входит теплопроводность материала – способность поглощать тепло и проводить его сквозь свою массу. Ее величина выражается соответствующим коэффициентом и зависит от происхождения песка, влажности и размера фракций. Теплопроводность материала играет важную роль при выборе путей его использования и, в первую очередь, при теплотехнических расчетах по определению оптимальных параметров тепловой защиты при проектировании и строительстве зданий, сооружений (СП 50.13330.2012). Методику определения этого показателя для песка определяют стандарты ГОСТ 30256-94, ГОСТ 30290-94, ГОСТ 7076-99, испытания проводятся в передвижных и стационарных лабораториях силами специализированных организаций, имеющих соответствующую государственную аккредитацию. В Санкт-Петербурге исследования теплофизических свойств материалов, в том числе и теплопроводности песка, производит компания «СтройЭкспертиза».
Способы испытаний материала
Государственными стандартами предусмотрено несколько способов определения теплопроводности песка. Это:
- исследование параметров теплопроводности цилиндрическим зондом (ГОСТ 30256-94);
- определение теплопроводности стационарным тепловым потоком (ГОСТ 7076-99).
Выбор способа испытаний определяется особенностями исследуемого материала, необходимостью сохранения или нарушения целостности образца, ожидаемой величиной теплопроводности.
Наиболее широкий спектр применения имеет метод с использованием цилиндрического зонда. Он позволяет исследовать материалы с теплопроводностью от 0,01 до 2 Вт/(м-К) при нестационарном тепловом режиме в температурном диапазоне от –183 до +200°С. Этот метод основан на зависимости температуры погруженного в песок цилиндрического зонда от теплопроводности окружающей среды. В ходе испытаний зонд нагревается электрическим током, а искомая величина вычисляется по формуле, учитывающей изменение параметров нагрева во времени. Погрешность измерений достаточно велика (более 7%) и связана с трудностями обеспечения теплового контакта между зондом и исследуемым материалом.
Определение теплопроводности стационарным тепловым потоком производится с помощью устройства, оснащенного тепломером и прибора с горячей охранной зоной. Исследования проводятся на образцах с теплопроводностью, не превышающей 1,5 Вт/(м-К) в диапазоне температур от – 40 до + 200°С. Данный метод предполагает измерение и изучение параметров воздействия на образец определенной формы стационарного теплового потока. В ходе испытание большое значение имеет подготовка материала, оборудования и измерительных средств, необходимых для проведения экспертизы. Образец должен быть предварительно взвешен, высушен до постоянной массы, и иметь ровные поверхности. Тепловой поток направляется перпендикулярно с последовательными измерениями его величины (через 300 сек) до получения постоянных, не изменяющихся более чем на 1%, значений. Теплопроводность песка вычисляется по формуле, учитывающей изменение объема материала вследствие нагрева и разности температур на лицевых гранях образца. Использование стационарного теплового потока дает достаточно высокую точность экспертизы, при строгом соблюдении условий испытаний погрешность составит не более 3%.
Заключение
Измерение теплопроводности песка имеет большое практическое значение, этот параметр учитывается в теплотехнических расчетах при проектировании зданий, сооружений, принимается во внимание для снижения потерь тепла в песчаных основаниях и обратной засыпке фундаментов. В зависимости от влажности и крупности, этот параметр может варьировать в пределах от 0,33 до 1,33 Вт/(м-К) и выше. Исследования показывают, что мелкий и влажный песок удерживает тепло хуже, чем сухой и крупный. Учитывая это, можно заблаговременно предусмотреть условия выбора и применения материала для строительства и, тем самым, предохранить конструкции от промерзания или способствовать экономии тепловой энергии.
