Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Współczynnik przewodzenia ciepła mieszanek mineralno-asfaltowych

Wyznaczanie współczynnika przewodzenia ciepła | Badania laboratoryjne współczynnika przewodzenia ciepła
Thermal conductivity coefficient of asphalt-aggregate mixtures
Thermal conductivity coefficient of asphalt-aggregate mixtures
www.sxc.hu

Temperatura nawierzchni zmienia się wraz z warunkami zewnętrznymi. Dynamika tych zmian zależy od możliwości przejmowania ciepła przez wierzchnią warstwę oraz od jego dalszego przepływu do niższych warstw. Jednym z elementów decydujących o prędkości przepływu jest wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ mieszanek mineralno-asfaltowych.

Znajomość współczynnika przewodzenia ciepła λ mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) jest niezbędna do przeprowadzenia oceny prędkości ogrzewania się lub oziębiania nawierzchni wskutek konwekcyjnej wymiany ciepła z powietrzem, promieniowania czy innych form wymiany z takimi czynnikami, jak woda, guma, stal. Wartość tego parametru nie jest stała, przypisana warstwie bądź typowi mieszanki. Wpływ na nią mogą mieć m.in. czynniki zewnętrzne, np. zmienny stopień zawilgocenia czy temperatura.

W literaturze rzadko pojawiają się informacje dotyczące przewodności cieplnej tych materiałów. Często podaje się błędnie wartość współczynnika λ asfaltu jako mieszanki mineralno-asfaltowej lub odwrotnie. W pojedynczych przypadkach wartości tego parametru przyporządkowuje się gęstość objętościową MMA, bez uwzględnienia dodatkowych danych, np. zawartości wolnej przestrzeni czy rodzaju zastosowanego materiału skalnego.

Wyznaczanie współczynnika przewodzenia ciepła

Przepływ ciepła w warstwie mieszanki mineralno-asfaltowej odbywa się na skutek przewodzenia. Szybkość, z jaką ciepło rozchodzi się tą drogą, wyrażana jest wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ. Parametr ten definiowany jest równaniem Fouriera (1) [1–3]:

ABSTRAKT

W artykule omówiono wyniki badań laboratoryjnych przewodności cieplnej mieszanek mineralno-asfaltowych. Opisano czynniki wpływające na wartość współczynnika przewodzenia ciepła tych materiałów. Zwrócono uwagę na znaczenie ukształtowania struktury i wzajemnego oddziaływania składników MMA.

The article discusses the results of laboratory tests on thermal conductivity of asphalt-aggregate mixtures. It describes the factors that influence the value of the thermal conductivity coefficient of those materials. It also points out the importance of structure formation and mutual interaction of AAMs.

gdzie:
dQ – ciepło przechodzące [J],
λ – współczynnik przewodzenia ciepła [W/(m·K)],
dS – powierzchnia przekroju, przez który ciepło jest przewodzone [m²],
 – gradient temperatury na grubości warstwy (drogi przewodzenia) dx [K/m],
dτ – czas [s].

Według teorii kinetycznej współczynnik przewodzenia ciepła λ wyraża zdolność cząsteczki (drobiny) o większej energii do przekazywania jej części cząsteczkom w nią uboższym. Oznacza to, że ciepło płynie z miejsc o wyższej temperaturze do miejsc o niższej temperaturze.

Podstawowym czynnikiem w ciałach stałych, wpływającym na wartość współczynnika przewodzenia ciepła, jest gęstość objętościowa i skorelowana z nią zawartość wolnej przestrzeni. W tabeli 1 przedstawiono przykładowe wartości cieplne wybranych materiałów [1, 4, 5].

Tabela 1. Parametry cieplne wybranych materiałów mineralnych, asfaltu i powietrza [1, 4, 5]

Wzrost pustek powietrznych w materiale powoduje automatycznie zmniejszenie się wartości współczynnika λ. Widać to zwłaszcza w materiałach usypanych, w których wartość parametru λ zbliża się do wartości przewodności cieplnej gazu wypełniającego wolne przestrzenie. Przykładem materiału usypanego może być mieszanka mineralna o ciągłym uziarnieniu, wykorzystywana do warstw podbudowy (bądź podbudowy pomocniczej).

Wartości zastępczego współczynnika wnikania ciepła takiej mieszanki określono na podstawie wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ materiałów usypanych. Przykładowe obliczenia przewodności cieplnej wykonano w odniesieniu do dwóch wypełnień porów w materiale – powietrza suchego i wilgotnego w stanie nasycenia. Przyjęto, że w materiale woda występuje nie w postaci cieczy, ale wyłącznie pary (wilgotność względna 100%). Wartości współczynnika λ wybranych rodzajów skał oraz założonych wolnych przestrzeni w mieszance wyznaczono na podstawie wzoru (2) [1]:

Potrzebujesz więcej TREŚCI?

Odbierz TUTAJ
IZO-newsletter »

gdzie:
λu – współczynnik przewodzenia ciepła materiału usypanego [W/(m·K)],
λg – współczynnik przewodzenia ciepła gazu [W/(m·K)],
λs – współczynnik przewodzenia ciepła ciała stałego [W/(m·K)],
A, B – współczynniki zależne od porowatości materiału,
A = 0,280 – 0,757 lg
dla 21,5 ≤ P ≤ 47,6
B = –0,057

gdzie:
P – porowatość materiału usypanego [%].

Tabela 2. Wartości zastępczego współczynnika wnikania ciepła warstwy z materiału usypanego (gr. 20 cm) mającego zróżnicowaną porowatość i wilgotność

W tabeli 2 podano wyniki obliczeń zastępczego współczynnika wnikania ciepła mieszanki mineralnej o ciągłym uziarnieniu (materiału usypanego) i o zróżnicowanej porowatości.

Właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych

Mieszanki mineralno-asfaltowe należą do ciał lepko­‑sprężystych [6–9]. W ujemnej temperaturze zachowują się jak typowe ciała sprężyste, a wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się w nich udział cech plastycznych. W wysokiej temperaturze zachowują się jak ciała lepkie. Zimą MMA mają większą sztywność i odporność na trwałe deformacje, niestety wzrasta wówczas również ich podatność na spękania oraz wydłuża się czas relaksacji naprężeń. Latem natomiast wykazują podatność do deformacji lepko-plastycznych, ale naprężenia od pojazdów są relaksowane w bardzo krótkim czasie [8, 10, 11]. Ta zmienność cech wynika z zawartości lepiszcza, którego właściwości zmieniają się wraz z temperaturą [8, 9, 11].


Obliczenia dotyczące mieszanek mineralno­‑asfaltowych muszą uwzględnić dodatkowy element, jakim jest asfalt, zajmujący część wolnej przestrzeni w kruszywie. To oznacza przyjęcie uśrednionej wartości parametru λ części składowych mieszanki, tj. kruszywa w otoczce z lepiszcza. Porowatość zbliżoną do materiałów usypanych mają mieszanki makadamowe oraz betony asfaltowe porowate. Nieznacznie mniejszą wolną przestrzeń (12–16%) wykazują mieszanki typu BBTM, stosowane do obniżania poziomu hałasu na styku koło – nawierzchnia.

Badania laboratoryjne współczynnika przewodzenia ciepła

Badania wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ wykonano na próbkach mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych na różne warstwy konstrukcyjne nawierzchni.

Tabela 3. Parametry fizyczne próbek MMA z kruszywem diabazowym

Z każdego rodzaju mieszanki uformowano próbki różniące się zawartością wolnej przestrzeni. W tabelach 3–4 przestawiono właściwości wybranych próbek MMA, wykonanych z dwóch rodzajów kruszyw – diabazowego i granitowego. Do mieszanek na warstwę ścieralną zastosowano asfalt 50/70, a do warstwy wiążącej i podbudowy oraz mieszanki makadamowej wykorzystano asfalt 35/50.

Tabela 4. Parametry fizyczne próbek MMA z kruszywem granitowym

Metodykę pomiaru gęstości objętościowej przyjęto na podstawie przewidywanej wolnej przestrzeni uzyskanej z badań, a mianowicie:

  • w odniesieniu do zawartości wolnej przestrzeni do 7% gęstość wyznaczono na podstawie pomiaru masy próbek w stanie suchym w powietrzu i w stanie nasyconym, powierzchniowo suchym w powietrzu i wodzie;
  • w zakresie 7–10% wykonywano pomiary masy próbek w stanie suchym w powietrzu i na próbkach uszczelnionych powierzchniowo w powietrzu i wodzie;
  • powyżej 10% gęstość wyznaczano na podstawie wymiarów próbki.

Badania wartości współczynnika przewodzenia ciepła przeprowadzono w aparacie płytowym, w temp. ok. 20°C (uśrednionej dla dwóch stron płyty). Dodatkowo na wybranych próbkach mieszanki wykonano badania w temp. ok. 50°C. Wymiary próbek wynosiły 250x250 mm, a ich grubość wahała się od 50 mm do 70 mm.

Powierzchnię górną i dolną zeszlifowano w celu uzyskania równoległości i równości płaszczyzn, co zapewniło dobre przyleganie do płyty grzewczej i chłodzącej aparatu. Nierówności mogą znacznie wpływać na uzyskiwane wyniki. Jest to związane z tworzącą się miejscowo warstewką powietrza między powierzchnią próbki a elementem grzewczym (chłodzącym) aparatu i może skutkować zróżnicowaniem przepływu ciepła (powietrze ma małą wartość współczynnika przewodzenia ciepła).

W tabeli 5 przestawiono uśrednione wyniki badań wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ wybranych próbek na poszczególne warstwy konstrukcyjne nawierzchni.

Tabela 5. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ próbek MMA z kruszywem diabazowym i granitowym w temp. 20°C i 50°C

Uzyskane wyniki pomiarów wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ mieszczą się w zakresie od ok. 0,5 W/(m·K) do ok. 1,3 W/(m·K). Szereguje to zatem mieszanki mineralno-asfaltowe bliżej materiałów izolacyjnych niż dobrze przewodzących ciepło.

Wartość parametru λ jest zmienna i zależy od wielu czynników, które można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupą są cechy materiałowe, tj. rodzaj zastosowanego kruszywa, typ mieszanki oraz zawartość poszczególnych składników. Do drugiej można zaliczyć cechy fizyczne mieszanki (mineralno-asfaltowej i mineralnej) oraz warunki temperaturowe badania.

Na podstawie analizy uzyskanych wartości poszczególnych elementów grupy pierwszej można stwierdzić, że stosunkowo niewielki wpływ na wartość parametru λ ma rodzaj skały. W obu przypadkach są to skały magmowe, przy czym diabaz należy do grupy żyłowych (o składzie zbliżonym do bazaltów), a granit – do głębinowych. Znaczące różnice we właściwościach poszczególnych materiałów, tj. w wartościach współczynnika przewodzenia ciepła (diabaz – 1,65–1,78 W/(m·K), granit – 2,9–4,1 W/(m·K)) i gęstości (diabaz – ok. 3,1 g/cm³, granit – ok. 2,7 g/cm³) nie decydują o wartości parametru λ uformowanych próbek MMA.

Mogłoby to świadczyć o znaczącym wpływie asfaltu i powietrza (ukształtowanej struktury całej MMA z ich udziałem), mimo ich stosunkowo niewielkiej ilości (w ujęciu objętościowym). W mieszankach poszczególnych typów (BA, SMA, PA i M) nie ma również wyraźnej zależności między uziarnieniem (i przeznaczeniem) a wartością współczynnika λ. Takiego zróżnicowania można się natomiast dopatrywać, kiedy porówna się typy mieszanek.

Przykładowo, jeśli porówna się mieszanki typu betonowego (BA) z typem pośrednim (SMA), widać spadek wartości współczynnika przewodzenia średnio o 20%. Jeszcze większą różnicę uzyskuje się między mieszanką betonową a kontaktową (makadamową) – 40%. Może wynikać to z całkowitej powierzchni kontaktu między poszczególnymi składnikami mieszanki mineralnej (otoczonymi warstewką mastyksu), która jest największa w betonach, a najmniejsza – w makadamach (rys. 1–2).

Rys. 1–2. Struktura mieszanki typu kontaktowego (1) i betonowego (2); 1 – wolna przestrzeń w MMA, 2 – mastyks, 3 – ziarna mieszanki mineralnej  |  Fot. Archiwum autora

Można zatem przyjąć, że wielkość powierzchni kontaktu między ziarnami MM będzie w pewnym stopniu decydować o szybkości przenoszenia energii (w postaci ciepła) tą drogą w całej mieszance. Przepływ ciepła przez przewodzenie jest zdecydowanie większy niż na skutek konwekcji naturalnej w zamkniętych porach materiału.

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 6/2013

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Innowacyjny system kompozytowych wzmocnień konstrukcji »


W przypadku gdy temperatura przekroczy temperaturę zeszklenia, wówczas żywica nie jest... ZOBACZ »


Szukasz materiałów budowlanych dobrej jakości?

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Obok wiedzy na temat produktów, równie istotna jest znajomość technologii, którą... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »


Opłacalność paneli fotowoltaicznych - najnowsze informacje i porady »

Uszczelnianie obiektów inżynieryjnych - jak to robią specjaliści?

W przyszłym roku nastąpią znaczne podwyżki cen energii elektrycznej, dlatego też warto zastanowić się nad montażem paneli fotowoltaicznych.
czytaj dalej »

Jak prawidłowo chronić ściany fundamentwe i zapewnić gwarancję żywotności obiektu? czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Uszczelnianie trudnych powierzchni! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Doszczelniając przegrodę od strony wewnętrznej budynku ograniczamy przenikanie pary wodnej do warstwy izolacyjnej, natomiast... ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Jak wykonać trwałe posadzki?

Jakich technologii oraz materiałów użyć do wykonania podłóg przemysłowych, naprawy betonów lub przeprowadzenia renowacji posadzek?  czytaj dalej »


Dlaczego hydroizolacja budynków jest tak ważna?

Sprawdzony sposób na przyspieszenie ocieplenia »

W budynkach nowo wznoszonych barierę dla wody gruntowej stanowi hydroizolacja zewnętrzna ścian piwnic i izolacja pod płytą fundamentową... czytaj dalej » Jakiego produktu użyć, by aplikacja była łatwa, efektywność większa, a tempo pracy ekspresowe? czytaj dalej »

Czego użyć do izolacji podłóg, dachów i fasad?


Istotną różnicą pomiędzy styropianami białymi i grafitowymi jest ich odporność na ZOBACZ »


Zgarnij bony o wartości 100zł. Zobacz jak »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

3 kroki do Super CashBack
czytaj dalej »

Wybierz posadzkę, która będzie funkcjonalna i łatwa w czyszczeniu... czytaj dalej »

Najlepszy system stropowy?


Betonowe stropy można produkować na różne sposoby – z betonu przygotowanego na placu budowy lub w fabryce, gdzie panują kutemu optymalne warunki. ZOBACZ »


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Alpha Dam Alpha Dam
O FIRMIE Alpha Dam Sp. z o.o. produkuje od ponad 10 lat profesjonalne materiały wodochronne i przeciwwilgociowe dla budownictwa.  Do 2008...
9/2019

Aktualny numer:

Izolacje 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne rozwiązania elewacyjne
  • - Jakość wykonania izolacji z szarego styropianu
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.