Тепловое расширение керамического кирпича

Коэффициент теплового расширения

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Содержание

• 1 Коэффициент объёмного теплового расширения
• 2 Коэффициент линейного теплового расширения
  • 2.1 Для сталей
• 3 Отрицательный коэффициент теплового расширения
• 4 Измерение коэффициента теплового расширения
• 5 Примечания
• 6 См. также
• 7 Ссылки

Коэффициент объёмного теплового расширения [ править | править код ]

β = 1 V ( ∂ V ∂ T ) p >left(>right)_

> , К −1 (°C −1 ) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

• 0,53⋅10 −4 К −1 (при температуре 5—10 °C);
• 1,50⋅10 −4 К −1 (при температуре 10—20 °C);
• 3,02⋅10 −4 К −1 (при температуре 20—40 °C);
• 4,58⋅10 −4 К −1 (при температуре 40—60 °C);
• 5,87⋅10 −4 К −1 (при температуре 60—80 °C).

Коэффициент линейного теплового расширения [ править | править код ]

α L = 1 L ( ∂ L ∂ T ) p ≈ Δ L L Δ T =>left(>right)_

approx >> , К −1 (°C −1 ) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: α x ; α y ; α z ;alpha _;alpha _> . Для изотропных тел α x = α y = α z =alpha _=alpha _> и α V = 3 α L =3alpha _> .

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10 −6 K −1 [1] .

Для сталей [ править | править код ]

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10 −6 K −1 [2]

Отрицательный коэффициент теплового расширения [ править | править код ]

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.

Измерение коэффициента теплового расширения [ править | править код ]

Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.

Тепловое расширение керамического кирпича

Огнеупорность — способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур.

Характеризуется она температурой, при которой стандартный образец в виде трехгранной усеченной пирамиды при нагревании в печи но заданному режиму размягчается и, оседая, касается своей вершиной подставки, на которой он укреплен.

Характеризуемые этим показателем материалы подразделяются на легкоплавкие (менее 1350°), тугоплавкие (1350-1580°) и огнеупорные (более 1580°), которые в свою очередь подразделяются на собственно огнеупорные (от 1580 до 1770°), высокоогнеупорные (от 1770 до 2000°) и высшей огнеупорности (выше 2000°).

Из керамических материалов и изделий к огнеупорным можно отнести шамотные (огнеупорность 1610-1750°) огнеупоры.

Термостойкость — свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры.

Она повышается по мере уменьшения относительного температурного коэффициента линейного расширения материала и приобретения им однородной структуры.

Термостойкость усиливается глазурованием. Надлежащей термической стойкостью должны обладать плитки для внутренней облицовки стен, встроенные детали, канализационные трубы и др.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности число циклов попеременного замораживания и оттаивания. Материал считается морозостойким, если он после испытания по заданному режиму не утратил своей прочности или снизил ее не более чем на 25% и потерял в весе не более 5%.

Оценка по морозостойкости имеет большое значение для стеновых, кровельных, дорожных материалов, а также для материалов, применяемых при устройстве наружной облицовки. Этот показатель свойств регламентируется соответствующими нормативными документами.

Например, морозостойкость кирпича строительного легкого должна быть не менее 10 циклов, киряича глиняного обыкновенного, лекального, а также стеновых камней — не менее 15 циклов и т. д.

Для повышения морозостойкости кирпича весьма важное значение имеют однородность глиняной массы, отсутствие в ней легкорастворимых солей, отсутствие свилеватости (волнообразной слоистости) при формовании, правильно выбранные режимы сушки и обжига, обеспечивающие получение изделий без трещин. Морозостойкость может быть повышена также введением в шихту выгорающих добавок, переходом на изготовление пустотелого кирпича. Испытание на морозостойкость является обязательным для всех фасадных облицовочных материалов.

Термическое расширение — свойство материала увеличивать свои размеры при нагревании. Это свойство керамических материалов встречается при устройстве футеровок вращающихся печей, вагранок, сводов туннельных, кольцевых и других печей с применением при этом глин, каолинов, различных видов шамотных изделий.

При подборе керамических масс и глазурей для них одним из основных параметров является относительный температурный коэффициент линейного расширения (?), а также относительный температурный коэффициент объемного расширения материалов (?), определяемые по формулам:

где l, l₁, ?, v₁ — соответственно начальные и конечные линейные размеры и объемы образца в температурном диапазоне определения ? и ?; t. t₁ —начальная и конечная температура в диапазоне определения.

В таблице ниже приведены значения относительного температурного коэффициента линейного расширения для не которых материалов.

В интервале температур от 20 до 1000° средний относительный температурный коэффициент линейного расширения фарфора 30· 10 -7 , фаянса 47-58 · 10 -7 .

Модули упругости и деформаций кладки при кратковременной и длительной нагрузке, упругие характеристики кладки, деформации усадки, коэффициенты линейного расширения и трения

Упругую характеристику кладки с сетчатым армированием следует определять по формуле
(4)

В формулах (2) и (4) Rsku — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию армированной кладки из кирпича или камней при высоте ряда не более 150 мм, определяемое по формулам:
для кладки с продольной арматурой

для кладки с сетчатой арматурой

μ — процент армирования кладки;
для кладки с продольной арматурой

где Аs и Аk — соответственно площади сечения арматуры и кладки, для кладки с сетчатой арматурой μ определяется по п. 4.30;
Rsn — нормативные сопротивления арматуры в армированной кладке, принимаемые для сталей классов А-I и А-II в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, а для стали класса Вр-I — с коэффициентом условий работы 0,6 по той же главе СНиП.
3.21. Значения упругой характеристики α для неармированной кладки следует принимать по табл. 15.

2. Приведенные в табл. 15 (пп. 7 — 9) значения упругой характеристики а для кирпичной кладки распространяются на виброкирпичные панели и блоки.

3. Упругая характеристика бутобетона принимается равной α = 2000.

4. Для кладки на легких растворах значения упругой характеристики α следует принимать по табл. 15 с коэффициентом 0,7.

3.22. Модуль деформаций кладки Е должен приниматься:
а) при расчете конструкций по прочности кладки для определения усилий в кладке, рассматриваемой в предельном состоянии сжатия при условии, что деформации кладки определяются совместной работой с элементами конструкций из других материалов (для определения усилий в затяжках сводов, в слоях сжатых многослойных сечений, усилий, вызываемых температурными деформациями, при расчете кладки над рандбалками или под распределительными поясами) по формуле

где, e0 — модуль упругости (начальный модуль деформаций) кладки, определяемый по формулам (1) и (2).
б) при определении деформаций кладки от продольных или поперечных сил, усилий в статически неопределимых рамных системах, в которых элементы конструкций из кладки работают совместно с элементами из других материалов, периода колебаний каменных конструкций, жесткости конструкций по формуле

3.23. Относительная деформация кладки с учетом ползучести определяется по формуле

где σ — напряжение, при котором определяется ε;
ν — коэффициент, учитывающий влияние ползучести кладки;
v = 1,8 ‑ для кладки из керамических камней с вертикальными щелевидными пустотами (высота камня 138 мм);
v = 2,2 ‑ для кладки из глиняного кирпича пластического и полусухого прессования.
v = 2,8 — для кладки из крупных блоков или камней, изготовленных из тяжелого бетона;
v = 3,0 — для кладки из силикатного кирпича и камней полнотелых и пустотелых, а также из камней, изготовленных из бетона на пористых заполнителях или поризованного и силикатных крупных блоков:
v = 3,5 — для кладки из мелких и крупных блоков, изготовленных из автоклавного ячеистого бетона вида А;
v = 4,0 — то же, из автоклавного ячеистого бетона вида Б.
3.24. Модуль упругости кладки Е0 при постоянной и длительной нагрузке с учетом ползучести следует уменьшать путем деления его на коэффициент ползучести v.
3.25. Модуль упругости и деформаций кладки из природных камней допускается принимать по специальным указаниям, составленным на основе результатов экспериментальных исследований и утвержденным госстроями союзных республик в установленном порядке.
3.26. Деформации усадки кладки из глиняного кирпича и керамических камней не учитываются.
Деформации усадки следует принимать для кладок:
из кирпича, камней, мелких и крупных блоков, изготовленных на силикатном или цементном вяжущем, — 3•10-4;
из камней и блоков, изготовленных из автоклавного ячеистого бетона (вида А), — 4•10-4;
то же, из неавтоклавного ячеистого бетона (вида Б) — 8•10-4;
3.27. Модуль сдвига кладки следует принимать равным G = 0,4 Е0, где Е0 — модуль упругости при сжатии.
3.28. Величины коэффициентов линейного расширения кладки следует принимать по табл. 16.

3.29. Коэффициент трения следует принимать по табл. 17.

Жароупорные свойства портландцементного камня

Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения различных видов заполнителей в интервале температур от 20 до 800° сильно отличаются друг от друга. Наибольшими температурными деформациями характеризуется песчаник, а наименьшими до температуры 525°— известняк, а при более высоких температурах — базальт. Рассматривая характер изменения свойств цементного камня при нагревании, необходимо остановиться на температурных деформациях и коэффициенте линейного расширения различных видов заполнителей. При температуре 300° деформация кристалличеокого известняка превышает деформацию мелкозернистого базальта в 5,5 раза.

Коэффициент линейного расширения шамотного кирпича в температурном интервале от 20 до 1300° равен 6 х 10 -б — 8 х 10 -6 .

Рис. 44. Линейная температурная деформация различных видов заполнителя: а: 1—песчаник; 2—шлак доменный; 3—диабаз; 4—известняк; 5—обыкновенный глиняный кирпич; 6—базальт; б: 1—гранит крупнозернистый; 2—известняк кристаллический; 3—галька кварцевая; 4—диабаз; 5—известняк-ракушечник; 6—песчаник; 7—шлак доменный; 8 — базальт мелкозернистый.

Ввиду того, что большинство минералов при нагревании деформируется неодинаково по различным осям кристалла (например, кварц, кальцит, полевой шпат), то это вызывает появление значительных внутренних напряжений в заполнителе, содержащем такие минералы. При температуре 573° происходит превращение кварца из β в а -модификацию, сопровождаемое значительным увеличением объема минерала. В результате горные породы, содержащие кристаллический кварц, при нагревании значительно снижают свою прочность и термическую стойкость. Введением в цемент соответствующих микронаполнителей можно добиться получения затвердевшего цемента со специальными свойствами. Так, например, известно, что различные тонкомолотые добавки не одинаково влияют на усадочные явления, происходящие в цементном камне в процессе его нагревания.

При нагревании в определенном температурном интервале происходит расширение цементного камня, но при большем нагревании начинается сокращение объема, превышающее по своим размерам первоначальное расширение.

Рис. 45. Коэффициент линейного (температурного) расширения различных видов заполнителя: с: ,1—песчаник; 2—шлак доменный; 3—диабаз обыкновенный глиняный кирпич; 5—базальт; 6—известняк; б: 1 — гранит крупнозернистый; 2—известняк кристаллический; 3—галька кварцевая; 4—диабаз; 5—известняк-ракушечник; 6—песчаник; ,7—шлак доменный; 8—базальт мелкозернистый.

Расширение изделий при нагревании прекращается в температурном интервале 200—355°. Возвращение изделия к нормальным размерам происходит в интервале 370—560°. Обожженная глина, доменный шлак и пемза уменьшают сокращение цементного камня, а трасс, трепел и сиштоф значительно его увеличивают. Из приведенных кривых (рис. 47) следует, что во всех случаях при повышении температуры от 100 до 200° изделия сначала расширяются, а затем сокращаются. Изделия из затвердевшего портландцемента расширяются при повышении температуры до 175°, а при дальнейшем повышении ее начинается сокращение объема.