Содержание
Теплопроводность глиняных кирпичей
Введение
Строительный сектор является крупной отраслью в Канаде, которая в настоящее время обеспечивает работой около 1,2 миллиона канадцев. Это составляет впечатляющие 7% всей рабочей силы страны. Поскольку население и экономика Канады продолжают расти, будет расти и потребность в высококачественной инфраструктуре и жилье. Подрядчики и строители начинают уделять больше внимания использованию высокоэффективных строительных материалов, особенно с желаемыми тепловыми свойствами, для удовлетворения этого постоянно растущего спроса. Стремление к более тепловым строительным материалам подпитывается потребностью в большей экономии энергии, которая приобретает все большее значение почти во всех странах мира. В большинстве развитых стран методы строительства и строительства составляют почти половину общего потребления энергии, а также являются источником вредных для окружающей среды выбросов CO2. Было проведено значительное количество исследований в попытке обнаружить и внедрить более экологически безопасные и устойчивые методы и методы строительства для замены устаревших и опасных, используемых в настоящее время.
Одна из областей в этой области исследований связана с использованием более возобновляемых ресурсов (таких как глина) для разработки и тонкой настройки популярных и широко используемых строительных материалов. Глина — это простой материал, полученный из земли, который использовался для строительства домов и других видов инфраструктуры с 7000 г. до н.э., что делает его одним из старейших строительных материалов в этой истории цивилизации. Популярность глиняного кирпича не поколебалась с момента его первого использования тысячи лет назад, поскольку он по-прежнему остается самым востребованным строительным материалом на всей планете. Недавние исследования показали, что по крайней мере одна треть населения мира проживает в земляных жилищах того или иного типа, сделанных из глины или аналогичного по структуре материала. Высокое использование этого ресурса по всей планете показывает, насколько важно учитывать все свойства природных глиняных материалов, чтобы в полной мере использовать все полезные физические и термические аспекты для создания наиболее эффективного кирпича для строительных целей.
Из чего сделан глиняный кирпич?
Растущий интерес профессионалов в этом секторе связан с изучением использования и применения кирпича как устойчивого материала. Базовый состав кирпича состоит из двух разных материалов, связанных друг с другом особым образом, так что один из них служит матрицей, окружающей армирующий материал. Двумя наиболее распространенными используемыми материалами являются глина с низким содержанием влаги и сланец, которые помещают в формы, а затем оставляют затвердевать, прежде чем разрезать на более мелкие однородные куски для формирования отдельных кирпичей. Глиняные кирпичи представляют собой комбинацию чисто природных элементов, включая глину, песок, воду и воздух. В кирпичи при их формовании не добавляются токсичные вещества, так как они полностью изготавливаются из инертных материалов, не представляющих опасности для человека. Для подрядчиков важно учитывать токсичность строительных материалов перед их использованием, особенно тех, которые подвергаются воздействию окружающей среды, поскольку они потенциально могут разрушать и загрязнять окружающую почву или близлежащие водоемы.
К счастью, это не проблема при строительстве из кирпича, поскольку он полностью сделан из материалов, полученных из земли, и обычно без добавления каких-либо искусственных веществ. Глина и суглинок, два распространенных материала, присутствующих в кирпичах, кажутся неисчерпаемыми ресурсами. Процессы раскопок, используемые для удаления глины из ее естественного местоположения, носят временный характер и охватывают ограниченную площадь поверхности, поэтому они относительно неинвазивны для окружающей природной среды обитания. После раскопок участок реконструируется, и большинство участков относительно быстро восстанавливаются до своего первоначального неизмененного состояния.
Рисунок 1: Экскаваторы, добывающие глину из открытого промышленного карьера.
Термические свойства глиняных кирпичей
Глиняные кирпичи предлагают домовладельцам уникальное экономическое преимущество с точки зрения экономии денег на счетах за тепло и электроэнергию. Поначалу строительство дома из кирпича может показаться крутым вложением, но оно, несомненно, окупится в долгосрочной перспективе.
Кирпич обладает низкой теплопроводностью, которая в среднем составляет 0,5–1,0 Вт/(м/К). Теплопроводность материала напрямую связана с его способностью эффективно передавать через себя тепло. Материалы с низкой теплопроводностью, такие как глиняный кирпич, называются теплоизоляционными, поскольку они ограничивают движение тепла, проходящего через них. Это тепловое свойство чрезвычайно желательно с точки зрения строительства дома, поскольку оно обеспечивает регулирование температуры в помещении, ограничивая попадание холодного воздуха в дом и блокируя выход более теплого воздуха из помещения в окружающую среду. На температуру окружающей среды в доме влияют три основных режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Большая часть движения тепла через здание может быть объяснена теплопроводностью, поскольку тепло по-разному проходит через материалы с различными значениями теплопроводности. Глиняные кирпичи обладают низкой теплопроводностью, в основном из-за наличия полостей, содержащих пузырьки воздуха и промежутков между ними.
Воздух обладает чрезвычайно высоким термическим сопротивлением и низкой теплопроводностью, что придает кирпичу еще большую изоляционную способность. Материал с высоким термическим сопротивлением ограничивает теплопередачу и является тем свойством, которое позволяет кирпичу действовать как естественный кондиционер в жаркие летние месяцы или как мощный обогреватель зимой.
Рисунок 2: Механизм теплопередачи.
Влияние климата на теплоизоляционные свойства глиняных кирпичей
К сожалению, теплоизоляционные свойства кирпичей неодинаковы во всех регионах и климатических условиях мира. В тропических регионах, где среднегодовая температура составляет 22-35 ºC, кирпич действует как отличный изоляционный материал и может поддерживать более низкую температуру в помещении, несмотря на жаркую окружающую среду. В районах, где температура часто падает ниже 10ºC, изоляционная прочность кирпича может быть снижена из-за изменения теплового баланса влаги, а в некоторых случаях может вызвать проблемы с влажностью, такие как повреждение конструкции или стены от замерзания и оттаивания.
Этот риск заставляет многих дизайнеров интерьеров искать способы избежать этой проблемы, которая может привести к значительным потерям энергии, что, в свою очередь, сделает здание менее удобным и пригодным для использования, чем если бы оно было должным образом изолировано. Одним из новых решений этой проблемы является включение других материалов с аналогичными тепловыми свойствами в конструкцию из кирпича, чтобы улучшить их изоляционные свойства и защитить их от повреждения водой. В настоящее время наиболее эффективными добавками к кирпичам являются стекловата или натуральная пробка, а также полиэтилен.
Рисунок 3: Изоляция из стекловаты – используется в качестве обычной добавки при формировании глиняных кирпичей.
Рисунок 4: Натуральная пробка – используется в качестве обычной добавки при формировании глиняных кирпичей.
Устойчивые глиняные кирпичи
Ряд производителей также используют отходы при строительстве и формовании своих глиняных кирпичей. Эта растущая тенденция среди производственных компаний, вероятно, может быть связана с стремлением потребителей и местных органов власти к более устойчивым методам строительства и добычи ресурсов.
Органические отходы иногда включали в кирпичи, и было обнаружено, что они обладают отличными энергосберегающими свойствами и выдающимися теплоизоляционными свойствами. Еще один путь, которым пользуются некоторые компании, заключается в использовании переработанной бумаги для повышения термостойкости кирпича. Перечень материалов, которые могут быть включены в состав глиняных кирпичей, постоянно растет, однако такой высокий спрос на кирпич оказывает повышенное давление на запасы аллювиальных почв, которые находятся под угрозой истощения. Поскольку спрос на экологичные строительные материалы продолжает расти, компаниям в этом секторе будет еще важнее избегать чрезмерной эксплуатации, особенно если потребители продолжат заменять такие материалы, как сталь и бетон, глиняными кирпичами. Исследования в этой области продолжаются, поскольку новые смеси постоянно тестируются на тепловые и энергетические преимущества.
Рисунок 5: Строитель укладывает глиняные кирпичи.
Заключение
Глиняные кирпичи являются одними из древнейших строительных материалов на земле, играя ключевую роль в строительстве и развитии древней архитектуры.
Перенесемся в 21 век, и они по-прежнему остаются самым популярным строительным материалом на всей планете. Большая часть их популярности может быть связана с их низкой теплопроводностью, высокой термостойкостью и способностью к устойчивой добыче и переработке. Поскольку глобальный акцент продолжает смещаться в сторону создания более зеленой планеты, эволюция и совершенствование материалов, из которых состоят кирпичи, будет по-прежнему сосредоточена на повышении теплового сопротивления, чтобы способствовать более энергоэффективному зданию за счет ограничения ненужного теплового потока. В климате, похожем на канадский, который слишком знаком с суровыми и холодными зимами, возможность сохранять тепло и экономить деньги за счет снижения потребления энергии чрезвычайно полезна как для домовладельца, так и для окружающей среды. Строительство домов и инфраструктуры из глиняного кирпича может обеспечить все эти преимущества экономии энергии и ресурсов просто за счет правильного использования природных характеристик этого устойчивого ресурса.
Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest
Ссылки
Deboucha, S., & Hashim, R. (nd). Обзор кирпичей и блоков из стабилизированного спрессованного грунта. Науч. Рез. Очерки , 8.
Нужно ли утеплять кирпичный дом? | Кирпичный сайдинг. (2020, 20 марта). Современный дизайн . https://gambrick.com/does-a-brick-home-need-insulation/
Донди, М., Маззанти, Ф., Принципи, П., Раймондо, М., и Занарини, Г. (2004) . Теплопроводность глиняных кирпичей. Journal of Materials in Civil Engineering , 16 (1), 8–14. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:1(8)
Производство легкого глиняного кирпича с улучшенными теплоизоляционными свойствами за счет введения отходов ши . (н.д.). Получено 4 декабря 2020 г. с http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1665-64232018000300186
. Что следует учитывать при покупке морозильных камер сверхнизкой температуры .
(2017, 2 августа). Новости-Medical.Net. https://www.news-medical.net/whitepaper/20170802/Points-to-Consider-When-Purchasing-Ultra-Low-Temperature-Freezers.aspx
Васич М., Лалич Ж. и Радоевич, З. (2010). ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНЯНОГО КИРПИЧА. Международный журнал современных производственных технологий , 2 .
Плотность, теплоемкость, теплопроводность
О кирпиче
Кирпич – конструкционная глиняная продукция, изготавливаемая в виде стандартных единиц, применяемая в строительстве зданий. Три основных типа кирпича — это необожженный, обожженный и химически затвердевший кирпич. Каждый тип изготавливается по-разному. Обожженные кирпичи обжигаются в печи, что делает их прочными. Современные обожженные глиняные кирпичи формируются одним из трех процессов: мягким шламом, сухим прессованием или экструдированием. В зависимости от страны наиболее распространенным является метод экструдированного или мягкого бурового раствора, поскольку они наиболее экономичны.
Сводка
| Имя | Кирпич |
| Фаза на STP | твердый |
| Плотность | 1700 кг/м3 |
| Предел прочности при растяжении | 2,8 МПа |
| Предел текучести | Н/Д |
| Модуль упругости Юнга | Н/Д |
| Твердость по Бринеллю | Н/Д |
| Точка плавления | 1727 °С |
| Теплопроводность | 1,31 Вт/мК |
| Теплоемкость | 800 Дж/г К |
| Цена | 0,2 $/кг |
Плотность кирпича
Типичные плотности различных веществ даны при атмосферном давлении.
Плотность определяется как масса на единицу объема . Это интенсивное свойство , которое математически определяется как масса, деленная на объем: ρ = m/V
Другими словами, плотность (ρ) вещества равна общей массе (m) этого вещества, деленной на общий объем (V), занимаемый этим веществом. Стандартная единица СИ составляет килограмма на кубический метр ( кг/м 3 ). Стандартная английская единица измерения – 90 084 фунта массы на кубический фут 9.0085 ( фунт/фут 3 ).
Плотность кирпича 1700 кг/м 3 .
Пример: Плотность
Рассчитайте высоту куба из кирпича, который весит одну метрическую тонну.
Решение:
Плотность определяется как масса на единицу объема . Математически он определяется как масса, деленная на объем: ρ = m/V
Так как объем куба равен третьей степени его сторон (V = a 3 ), высоту этого куба можно рассчитать:
Тогда высота этого куба равна a = 0,838 м .
Плотность материалов
Механические свойства кирпича
Прочность кирпича
В механике материалов прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения и пластической деформации. Сопротивление материалов в основном рассматривает взаимосвязь между внешние нагрузки , приложенные к материалу, и результирующая деформация или изменение размеров материала. При проектировании конструкций и машин важно учитывать эти факторы, чтобы выбранный материал имел достаточную прочность, чтобы противостоять приложенным нагрузкам или силам и сохранять свою первоначальную форму.
Прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Для напряжения растяжения способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, имеющие тенденцию к удлинению, известна как предел прочности при растяжении (UTS).
Предел текучести или предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести — это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. В случае растягивающего напряжения однородного стержня (кривая напряжения-деформации) Закон Гука описывает поведение стержня в упругой области. Модуль упругости Юнга представляет собой модуль упругости при растягивающем и сжимающем напряжении в режиме линейной упругости при одноосной деформации и обычно оценивается испытаниями на растяжение.
См. также: Прочность материалов
Предел прочности кирпича при растяжении
Предел прочности кирпича при растяжении 2,8 МПа.
Предел текучести кирпича
Предел текучести кирпича — это Н/Д.
Модуль упругости кирпича
Модуль упругости Юнга кирпича — Н/Д.
Твердость кирпича
В материаловедении твердость — это способность выдерживать поверхностные вдавливания ( локализованная пластическая деформация ) и царапание .
Тест на твердость по Бринеллю – один из тестов на твердость с вдавливанием, разработанный для определения твердости. В испытаниях по Бринеллю твердый сферический индентор вдавливается под определенной нагрузкой в поверхность испытуемого металла.
Число твердости по Бринеллю (HB) представляет собой нагрузку, деленную на площадь поверхности вмятины. Диаметр вдавления измеряют с помощью микроскопа с наложенной шкалой. Число твердости по Бринеллю вычисляется по уравнению:
Твердость по Бринеллю приблизительно равна N/A.
См. также: Твердость материалов
Пример: Прочность
Допустим пластиковый стержень, сделанный из Кирпича. Этот пластиковый стержень имеет площадь поперечного сечения 1 см 2 . Рассчитайте усилие на растяжение, необходимое для достижения предела прочности на растяжение для этого материала, которое составляет: UTS = 2,8 МПа.
Решение:
Напряжение (σ) можно приравнять нагрузке на единицу площади или силе (F), приложенной к площади поперечного сечения (A) перпендикулярно силе, как:
, следовательно, растяжение усилие, необходимое для достижения предела прочности на растяжение:
F = UTS x A = 2,8 x 10 6 x 0,0001 = 280 Н
Прочность материалов
Эластичность Материалы
Твердость материалов
Тепловые свойства кирпича
Кирпич – температура плавления
Температура плавления кирпича 1727 °C .
Обратите внимание, что эти точки связаны со стандартным атмосферным давлением. В целом плавление является фазовым переходом вещества из твердой фазы в жидкую. точка плавления вещества — это температура, при которой происходит это фазовое превращение. Точка плавления также определяет состояние, при котором твердое тело и жидкость могут существовать в равновесии. Для различных химических соединений и сплавов трудно определить температуру плавления, так как они обычно представляют собой смесь различных химических элементов.
Кирпич – Теплопроводность
Теплопроводность кирпича 1,31 Вт/(м·К) .
Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются свойством, называемым теплопроводностью , k (или λ), измеряемой в Вт/м·K . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности.
Обратите внимание, что закон Фурье применим ко всей материи, независимо от ее состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.
Теплопроводность большинства жидкостей и твердых тел зависит от температуры. Для паров это также зависит от давления. В общем:
Большинство материалов почти однородны, поэтому обычно мы можем написать k = k (T) . Аналогичные определения связаны с теплопроводностями в направлениях y и z (ky, kz), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, kx = ky = kz = k.
Кирпич – Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость кирпича 800 Дж/г K .
Удельная теплоемкость или удельная теплоемкость – это свойство, связанное с внутренней энергией , которое очень важно в термодинамике. Интенсивные свойства c v и c p определяются для чистых простых сжимаемых веществ как частные производные внутренней энергии u(T, v) и энтальпия h(T, p) соответственно:
где индексы v и p обозначают переменные, фиксированные во время дифференцирования.
Свойства c v и c p называются удельной теплоемкостью (или теплоемкостью ), поскольку при определенных особых условиях они связывают изменение температуры системы с количеством энергии, добавленной теплопередача. Их единицы СИ Дж/кг K или Дж/моль K .
Пример: расчет теплопередачи
Теплопроводность определяется как количество тепла (в ваттах), передаваемое через квадратный участок материала заданной толщины (в метрах) из-за разницы температур. Чем ниже теплопроводность материала, тем выше его способность сопротивляться теплопередаче.
Рассчитайте скорость теплового потока через стену площадью 3 м x 10 м (A = 30 м 2 ). Стена имеет толщину 15 см (L 1 ) и выполнена из кирпича с теплопроводностью k 1 = 1,31 Вт/м.К (плохой теплоизолятор). Предположим, что внутренняя и наружная температуры составляют 22°C и -8°C, а коэффициенты конвекционной теплопередачи на внутренней и внешней сторонах равны h 1 = 10 Вт/м 2 K и h 2 = 30 Вт/м 2 К соответственно.
Обратите внимание, что эти коэффициенты конвекции сильно зависят, в частности, от окружающих и внутренних условий (ветер, влажность и т. д.).
Рассчитайте тепловой поток ( потери тепла ) через эту стену.
Решение:
Как уже было сказано, многие процессы теплопередачи включают составные системы и даже включают комбинацию теплопроводности и конвекции . С этими композитными системами часто удобно работать с общим коэффициентом теплопередачи , , известным как U-фактор . U-фактор определяется выражением, аналогичным Закон охлаждения Ньютона :
Общий коэффициент теплопередачи связан с полным тепловым сопротивлением и зависит от геометрии задачи.
, предполагая одномерную теплопередачу через плоскую стену и игнорируя излучение, Общий коэффициент теплопередачи может быть рассчитана как:
Общий коэффициент теплопередачи -U = 1 / (1 10004 .