ГОСТ 30290-94 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности поверхностным преобразователем

1 РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским институтом  строительной физики (НИИСФ) Российской Федерации

ВНЕСЕН Минстроем России

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на строительные материалы и изделия теплопроводностью от 0,02 до 1 Вт/(м·К) и устанавливает метод неразрушающего ускоренного определения теплопроводности в интервале температур 278-313 К (5-40°С).

Метод заключается в создании одностороннего кратковременного теплового импульса на поверхности изделия и регистрации изменения температуры на этой поверхности.

Стандарт не распространяется на многослойные изделия.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.315-91 ГСИ. Стандартные образцы. Основные положения, порядок разработки, аттестации, утверждения, регистрации и применения

ГОСТ 12730.2-78 Бетоны. Метод определения влажности

ГОСТ 21718-84 Материалы строительные. Диэлькометрический метод измерения влажности

ГОСТ 23422-87 Материалы строительные. Нейтронный метод определения влажности

ГОСТ 23468-85 Микрокалькуляторы. Общие технические условия

3 СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ

4 ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЙ

5 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

6 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(обязательное)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Первичный преобразователь представляет собой цилиндр из пенополистирола (тело первичного преобразователя) плотностью 150 кг/м, диаметром 140 и высотой 55 мм. В середине плоскости одного из его оснований, заподлицо с ним, размещена круглая пластина радиусом 20 мм - для изделий толщиной более 15 мм, 60 мм - для изделий толщиной менее 15 мм из бронзового листа толщиной 0,15-0,25 мм, служащая для передачи тепла от нагревательного элемента к исследуемому образцу. К центру диска припаян один из "горячих" спаев двух термопар, выводы которых соединены последовательно. Спаи электроизолированы друг от друга и зафиксированы каплей эпоксидной смолы. "Холодные" спаи термопар утоплены вглубь тела цилиндра.

Вокруг "горячих" спаев термопар расположен плоский нагреватель, прилегающий к плоскости пластины и электроизолированный от нее, представляющий собой спираль из константановой проволоки (с сопротивлением 40 Ом для изделий толщиной 15 мм, 20 Ом - для изделий толщиной менее 15 мм). Выводы нагревателя соединены проводами с таймером теплового импульса, а выводы термопар - экранированным проводом с вторичным измерительным устройством.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(рекомендуемое)

ТАЙМЕР ТЕПЛОВОГО ИМПУЛЬСА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТОЛЩИНОЙ БОЛЕЕ 15 ММ      
(принципиальная электрическая схема)

СПЕЦИФИКАЦИЯ      
к принципиальной электрической схеме таймера теплового импульса
для изделий толщиной более 15 мм

ПРИЛОЖЕНИЕ В
(рекомендуемое)

     
ТАЙМЕР ТЕПЛОВОГО ИМПУЛЬСА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТОЛЩИНОЙ МЕНЕЕ 15 ММ      
(принципиальная электрическая схема)

СПЕЦИФИКАЦИЯ      
к принципиальной электрической схеме таймера теплового импульса
для изделий толщиной менее 15 мм

ПРИЛОЖЕНИЕ Г
(рекомендуемое)

          
ТАЙМЕР ОПРОСА ДАТЧИКА      
(принципиальная электрическая схема)

СПЕЦИФИКАЦИЯ      
к принципиальной электрической схеме таймера опроса датчика

ПРИЛОЖЕНИЕ Д
(обязательное)

ГРАДУИРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Градуировку проводят на образцах из трех и более материалов, соответствующих ГОСТ 8.315, в том числе на образцах из пенополистирола плотностью 150 кг/м.

При градуировке определяют коэффициенты , , , .

Испытания проводят как указано в разделе 5.

В полученных экспериментальных массивах выделяют области, в которых выполняется условие (приложение Е).

Находят средние значения величин для двух образцов и .

Определяют две градуировочные характеристики и

                                              ,                                                                 (Д.1)

                                           ,                                       (Д.2)

где - тепловая активность материалов образцов, Дж/(м· с· К);

                                                   ,                                                                                                   (Д.3)

 где - объемная теплоемкость, Дж/(м· К).

На рабочем участке экспериментального массива, полученного на образце из пенополистирола, определяют

                                              ,                                                             (Д.4)

На одном из образцов определяют

                                           ,                              (Д.5)

где - температуропроводность материала образца, м/с;

                                                                                                                                                         (Д.6)

Проводят испытания нескольких теплоизоляционных материалов с известными теплофизическими характеристиками, вычисляют значение теплопроводности , представляя ее в виде рабочей области экспериментального массива, установленной в зависимости от плотности исследуемого материала (рисунок Д.1).

ПРИЛОЖЕНИЕ Е
(информационное)

ПРИМЕР ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОБРАЗЦОВ ПЕНОБЕТОНА ПЛОТНОСТЬЮ 400 кг/м
И ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПЛОТНОСТЬЮ 150 кг/м

Полученные экспериментальные массивы представляют собой следующие последовательности значений электрического сигнала, пропорционального температуре на поверхности исследуемого образца:

для пенобетона - 102, -102, -102, 583, 608, 499, 418, 363, 322, 290, 260, 237, 218, 200, 185, 173, 162, 150, 139, 128, 119, 110, 102, 94, 86, 79, 73, 67, 61, 55, 50, 45, 41, …

для пенополистирола - 50, -49, -50, 869, 975, 790, 678, 601, 544, 500, 463, 431, 402, 380, 359, 339, 322, 307, 290, 279, 269, 257, 246, 235, 216, 207, 199, 191, 183, 176, 169, 162, 156, 150, 144, 139, 134, 129, 124, 121, …

Для вычисления теплопроводности исследуемых материалов каждому элементу массива, начиная с момента подачи импульса, присваивают порядковый номер () и вычисляют алгебраическую разность () показаний прибора до (-102) и после подачи импульса (583, 608, 499, и т.д.). Указанные величины приведены в таблицах Е1 и Е2.

Учитывая, что границы зоны стабильных значений теплопроводности для пенобетона плотностью 400 кг/м (согласно рисунку Д.1) лежат в пределах 14-30, по предложенной методике в качестве расчетных принимают две пары точек экспериментального массива: = 14, = 264 и = 28, = 152 (отмечены в таблице Е1 знаком *); а также = 15, = 252 и = 30, = 143 (отмечены в таблице Е1 знаком **). Для пенополистирола расчетной является одна пара точек = 18, = 319 и = 36, = 179 (помечены в таблице Е2 знаком *).

Пользуясь программой, приведенной в приложении Ж, и принимая градуировочные коэффициенты = 310000, = 115, = -1,154·10, = -48, полученные для измерительного комплекса НИИСФ, вычисляют значения теплопроводности:

1. а) пенобетона - для первой пары точек = 0,10 Вт/(м·К), для второй пары точек = 0,10 Вт/(м·К);

2. б) пенополистирола - = 0,048 Вт/(м·К).

Таблица Е1

Таблица Е2

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
(рекомендуемое)

          
ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, СОСТАВЛЕННАЯ ДЛЯ МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРА (ТИПА МК-56), РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТОЛЩИНОЙ БОЛЕЕ 15 мм

ПРИЛОЖЕНИЕ И
(рекомендуемое)

     
ГРАФИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Для графической обработки результатов испытаний в координатах и строят фрагменты экспериментального массива (рисунок И.1) и находят точку пересечения экспериментальной кривой с характеристической прямой . Длину полученного на прямой отрезка от оси абсцисс до точки пересечения с экспериментальной кривой откладывают по оси абсцисс рисунка И.2, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой и на оси ординат находят значение.

ПРИЛОЖЕНИЕ К
(рекомендуемое)

ПРИМЕР ГРАДУИРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Таблицы Е.1 и Е.2 результатов первичной обработки экспериментальных данных содержат величины с целью иллюстрации методики градуировки измерительного комплекса, когда в полученных массивах выделяют области, где выполняется условие . Из таблиц следует, что условие выполняется на участке массива = 3, 4, 5 для пенобетона и на участке = 3, 4, 5, 6, 7 для пенополистирола.

Среднее значение () для образца пенобетона составляет 1076, для образца пенополистирола - 1455.

Чтобы воспользоваться формулами (Д.1) и (Д.2), находят тепловые активности материалов образцов по формуле (Д.3), при этом для пенобетона = 840·400 Дж/(м·К), = 183 Дж/(м·с·К); для пенополистирола = 840·150 Дж/(м·К), = 198 Дж/(м ·с ·К).

По формулам (Д.1) и (Д.2) находят = 115 и = 310000.

По формуле (Д.4) для пенополистирола вычисляют по всему массиву, учитывая, что на интервале 18 < < 36 эта величина сохраняет стабильные значения:

Приняв = -48, можно рассчитать по формуле (Д.5), пользуясь экспериментальным массивом, полученным на образце пенобетона, при этом его температуропроводность составляет = 0,1/(840·400) м/с.

Откуда = -1,1510 для области 14 < < 30.

Рассчитываемые градуировочные коэффициенты сохраняют стабильные значения на участках 18<<36 для пенополистирола и 14<<30 - для пенобетона. За пределами указанных границ отклонение значений градуировочных коэффициентов от среднего значения превышает статистически допустимые отклонения, что может сказаться на результатах расчета теплопроводности, поэтому при вычислении при выборе точек экспериментального массива рекомендуется придерживаться области стабильности, приведенной на рисунке Д.1, однако и за пределами указанных границ могут быть получены удовлетворительные результаты.

Полученные таким образом градуировочные коэффициенты можно откорректировать, проведя серию испытаний нескольких теплоизоляционных материалов различной плотности с известными теплофизическими характеристиками, а также выявить область стабильных значений , представив ее в виде графической зависимости верхней и нижней границы области экспериментального массива, полученного для каждого из материалов, от его плотности (рисунок Д.1).

ПРИЛОЖЕНИЕ Л
(рекомендуемое)

          
ПРИМЕР ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ОБАЗЦОВ ПЕНОБЕТОНА ПЛОТНОСТЬЮ 400 кг/м
И ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПЛОТНОСТЬЮ 150 кг/м

Для обеспечения теплового контакта между поверхностями образца и первичного преобразователя измерительного комплекса к поверхности образца прикладывают ребро металлической линейки и в случае, если зазор между поверхностью образца и ребром линейки не превышает 0,2 мм, на его поверхность устанавливают первичный преобразователь, включают вторичное измерительное устройство и контролируют показания прибора до появления на табло установившихся значений, затем включают цифропечатающее устройство, регистрируя сигнал, характеризующий тепловое состояние образца до подачи импульса, подают тепловой импульс, продолжая регистрацию температуры на поверхности исследуемого образца. Согласно рисунку Д.1 для материала плотностью 400 кг/м рабочая область экспериментального массива ограничена порядковыми номерами = 14 и = 30, поэтому после 30 замеров с момента подачи импульса регистрацию сигнала можно прекратить. Для материала плотностью 150 кг/м = 18 и = 36, при этом достаточно провести 36 циклов печати. Если порядковый номер не удалось точно зафиксировать, то после появления на табло вторичного измерительного устройства близких по значению показаний регистрацию прекращают. Максимальное число точек регистрации не превышает 40 при интервале регистрации, равном 4 с.