Měrná tepelná kapacita a tepelná vodivost betonu a stavebních materiálů

V oblasti stavebnictví a termodynamiky hrají klíčovou roli pojmy jako měrná tepelná kapacita a tepelná vodivost. Tyto veličiny nám pomáhají pochopit, jak se materiály chovají při působení tepla, a jsou nezbytné pro navrhování energeticky úsporných budov a odolných betonových konstrukcí.

Měrná tepelná kapacita

Na ohřátí různého množství stejných látek potřebujeme vždy rozdílné množství tepla. Tato rozdílnost se nazývá tepelná kapacita C. Jednotkou tepelné kapacity je J K^-1. Daleko výhodnější je stanovit, kolik tepla je potřeba k ohřátí látky o známé hmotnosti m. Měrná tepelná kapacita je veličina charakteristická pro danou látku.

Závislost na teplotě a stavu látky

• Měrná tepelná kapacita pevných a kapalných látek se mění s teplotou. Proto v tabulkách najdeme vždy hodnoty udané při jediné teplotě.
• U plynů a par je situace složitější. Měrná tepelná kapacita závisí nejen na teplotě, ale také na tlaku a zejména na podmínkách, za kterých se teplo plynu předává.
• U všech látek se s klesající teplotou měrná tepelná kapacita zmenšuje a při teplotách blízkých 0 K má velmi malou hodnotu.

Význam vody jako teplonosného média

Z běžně známých látek má největší měrnou tepelnou kapacitu voda (4180 J K^-1 kg^-1). Důsledkem je řada jevů. Přímořské podnebí vykazuje menší teplotní rozdíly v atmosféře než vnitrozemské, a to jak denní a noční, tak letní a zimní. Je to tím, že voda má vyšší měrnou tepelnou kapacitu než vrstvy pevné zemské kůry. Proto se pobřežní vrstvy vody v moři pomaleji ohřívají a pomaleji ochlazují než povrch pevniny. To má vliv i na ochlazování a ohřívání vzduchu.

V technické praxi je voda vhodná jako chladicí kapalina (k chlazení motorů, jaderných reaktorů), nebo jako kapalina vhodná k přenosu energie (např. v ústředním topení). Malou tepelnou kapacitu mají kovy (železo 452 J K^-1 kg^-1).

Měrná tepelná kapacita ve stavebnictví

Měrná tepelná kapacita (J/kgK) vyjadřuje množství tepelné energie, kterou je třeba dodat materiálu o definované vlhkosti a hmotnosti = 1 kg, aby se ohřál o 1 K.

Čtěte také: Aerogel: Kompletní průvodce

Tepelná vodivost a její význam ve stavebnictví

Tepelná vodivost je fyzikální veličina z oboru termodynamiky, která vyjadřuje schopnost konstrukce nebo materiálu vést teplo. Konkrétně představuje rychlost, kterou se šíří teplo ze zahřáté části objektu do jeho chladnější části. Ve fyzice označuje tepelná vodivost schopnost daného kusu látky, konstrukce (např. zdi, izolace) vést teplo.

Součinitel tepelné vodivosti λ

Tepelná vodivost dané látky je charakterizována součinitelem tepelné vodivosti λ (lambda) s jednotkou W/m.K, watt na metr kelvin (která se píše častěji W.m^-1.K^-1, popř. Wm^-1K^-1). Součinitel tepelné vodivosti definujeme jako množství tepla, které musí za jednotku času (1 sekunda) projít tělesem, aby na jednotkovou délku (1 čtvereční metr) byl jednotkový teplotní spád. Přitom předpokládáme, že se teplo šíří pouze v jednom směru. Čím je nižší hodnota součinitele tepelné vodivosti znamená to, že materiál je dobrý tepelný izolant.

Součinitel tepelné vodivosti je obecně velmi důležité kritérium pro porovnávání kvality tepelných izolací. Tepelná vodivost rozlišuje mezi sebou jednotlivé látky podle schopnosti vést teplo na tepelné izolanty a vodiče. Tepelné izolanty mají nízkou hodnotu lambda (např. minerální vata 0,04 W.m^-1.K^-1, polystyrén 0,037 W.m^-1.K^-1), hodnota nám ukazuje, že daný stavební materiál převádí malé množství tepla a špatně vede teplo. Tepelné izolanty nazýváme obecně ve stavebnictví materiály, které se používají na zateplení staveb. Jedná se o izolace obvodových zdí, izolace v podkroví střechy, izolace podlah v přízemí nebo izolace podlah mezi jednotlivými patry. Izolace obvodových zdí stavby má dvojí funkci.

Součinitel prostupu tepla U

Jinou důležitou veličinou je součinitel prostupu tepla U (jednotkou je W/m².K), jímž se vyjadřuje tepelně izolační schopnost ohraničující konstrukce domu. Součinitel prostupu tepla vyjadřuje, kolik tepla projde 1 m² konstrukce při rozdílu teplot na obou stranách konstrukce 1 °C. Požadovaná minimální hodnota součinitele prostupu tepla U (W/m².K) musí pro obvodovou zeď dosahovat hodnoty 0,38 (W/m².K). Pro obvodové zdivo z cihel je doporučená hodnota 0,25 (W/m².K).

Ještě nedávno se za základní kritérium, které ovlivňuje výslednou kvalitu objektu z hlediska pohody prostředí a z hlediska tepelných ztrát, považoval tepelný odpor. Dnes normy vyžadují počítat a zjišťovat součinitel prostupu tepla. Norma pro každou konstrukci udává požadovanou hodnotu součinitele prostupu tepla a rovněž hodnotu doporučenou. Stavba tedy musí vyhovovat minimálně požadované hodnotě.

Čtěte také: Podrobný průvodce světem vibrátorů na beton

Tepelný odpor R

Tepelný odpor R udává, jaké množství tepla prochází jedním čtverečním metrem konstrukce určité tloušťky a z daného materiálu v každé vteřině, jestliže jsou na obou stranách této konstrukce jiné teploty. Tento tepelný odpor konstrukce (jednotka je m²K W^-1) se vypočte ze vztahu R = d / λ (tloušťka izolace v metrech se vydělí výpočtovou hodnotou součinitele tepelné vodivosti materiálu). Výsledný tepelný odpor je součtem všech vrstev konstrukce; ty se (po přepočtu na tloušťku) sečtou.

Pro získání stejného tepelného odporu R = 2,5 m²KW^-1 jako má 10cm vrstva minerální vlny o tepelné vodivosti 0,04 W/mK by bylo nutno tepelnou izolaci vytvořit ze dřeva o tloušťce 30 až 45 cm (podle druhu dřeva). Stejně izoluje zeď ze dvou řad (80 cm) cihelných bloků nebo 200 cm silná zeď z klasických plných cihel.

Další veličiny související s teplem

• Tepelná jímavost b (jednotka: W²/sm⁴K²) je součinem λ . p . c; charakterizuje schopnost materiálu o definované vlhkosti teplo akumulovat a opět postupně uvolňovat.
• Součinitel teplotní vodivosti (jednotka: m²/s) vyjadřuje schopnost materiálu o definované vlhkosti vyrovnávat rozdílné teploty při neustálém vedení tepla.
• Tepelná pohltivost (jednotka: W/m²K) je definována jako schopnost materiálu pohlcovat nebo uvolňovat teplo.
• Teplotní útlum konstrukce vyjadřuje schopnost konstrukce tlumit harmonické změny teploty vnějšího vzduchu v zimním (letním) období na vnitřním povrchu konstrukce.

Kromě toho se ve stavebnictví používá množství dalších veličin; ty se týkají zejména vlhkosti ve stavebních materiálech (např. faktor difúzního odporu, součinitel difúzní vodivosti, hmotnostní vlhkost materiálu, objemová vlhkost materiálu, atd.).

Vliv teploty na tepelnou vodivost

Tepelná vodivost je závislá na teplotě materiálu. U kovů platí, že čím vyšší teplota, tím nižší vodivost.

Hodnoty tepelné vodivosti vybraných materiálů

Stanovit součinitel tepelné vodivosti není úplně jednoduché. Zde proto najdete tuto hodnotu pro některé látky a materiály. Součinitel tepelné vodivosti je množství tepla, které musí za jednotku času projít materiálem o velikosti 1m² a síle 1m. Předpokladem je, že se teplo šíří pouze v jednom směru. Základní jednotkou je Watt na metr a Kelvin (W.m^-1.K^-1).

Čtěte také: Základy a pokročilé materiály pevnosti betonu

Upozornění: Tuto tabulku není možné brát jako závazný dokument sloužící pro stanovení vlastností konstrukcí staveb. Aktuálně platný a rozšířený přehled tepelně technických vlastností dalších materiálů podle ČSN 73 0540, ČSN 73 0544 a ČSN 73 0549. Výpočet tepelných ztrát budov podle ČSN 06 0210.

Studium vývoje hydratačních teplot a redukce objemových změn v betonech

Jednou z hlavních charakteristik při betonáži masivních, vodonepropustných konstrukcí a přehradních těles je samotná predikce vzniku trhlin. Tato predikce je spjata s porozuměním mechaniky vývoje hydratačních teplot, jenž ovlivňují zejména zvolené pojivové části betonu. Vývoj hydratačních teplot je přirozeně spjat s exotermními hydratačními reakcemi každého hydratujícího betonu s pojivovou složkou na bázi portlandských cementů. Množství hydratačního tepla bývá pojeno se samotným mineralogickým složením a jemností mletí cementu, jenž bývá běžně měřeno podle ČSN EN 196-11 vodivostní kalorimetrickou metodou.

Cílem tohoto příspěvku je posoudit vliv několika druhů běžně používaných minerálních příměsí, spolu s využitím tzv. protismršťovacích přísad na celkový průběh hydratace s možností redukce maximálních hydratačních teplot. Snahou experimentu bylo také potvrdit vliv aktivních a pasivních minerálních příměsí a protismršťovacích přísad.

Vliv minerálních příměsí a protismršťovacích přísad

Vhodná kombinace cementu s minerálními příměsemi, stejně jako využití tzv. protismršťovacích přísad se jeví jako účinný nástroj ovlivnění dynamiky vývoje i maximálních hodnot hydratačních teplot. Vhodná volba samotné receptury směsi pak může významně prodloužit celou životnost zmíněných konstrukcí. Příspěvek je zaměřen na sledování vlivu různých druhů minerálních příměsí na vliv objemových změn cementových past. Rovněž byla sledována spojitost zmíněných objemových změn s vývinem hydratačních teplot těchto past.

Zkoušené aktivní minerální příměsi (ozn. typ II) lze rozdělit na dva druhy. První druh zahrnuje pucolánově aktivní látky, které obsahují amorfní oxid křemičitý, který reaguje v betonu s minerálem zvaným portlandit. Ten vzniká v betonu v důsledku hydratace. Další druh zahrnuje latentně hydraulické látky, které potřebují ke své reakci tzv. aktivátor, což je v případě jemně mleté granulované vysokopecní strusky např. cement. Typ I zahrnuje tzv. pasivní neboli inertní příměsi, které mají hlavně vyplňující charakter. Zmíněná protismršťovací přísada je na chemické bázi monoalkoholů a princip fungování vychází ze samotného mechanismu smrštění vysycháním.

Experimentální sledování hydratačních teplot a smrštění

Jednou z hlavních částí experimentu bylo testování vlivu jednotlivých příměsí a protismršťovacích přísad při měření hydratačních teplot podle semidiabatické metody: ČSN EN 196-9 do 36 hod. od zamíchání. Tato zkouška spočívá v naplnění izolovaných nádob zkoušeným vzorkem cementové pasty, které jsou následně osazeny měřicími teplotními čidly. Po osazení vík jsou nádoby přesunuty do klimatizační komory, z důvodu udržení stabilních laboratorních podmínek prostředí.

Další metodou bylo měření celkového smrštění cementových past do 24 hod. od zamíchání pomocí zkušebních zařízení firmy Schleibinger Geräte. Principiálně šlo o naplnění zkušebních kuželů cementovou pastou, kde byl na hladině v jejím středu umístěn plastový terč, který zajišťoval pomocí laseru snímání rozdílů výšky hladiny směsi, tedy měřil smrštění.

Celkem bylo v experimentu namícháno 12 zkušebních receptur cementových past. Dalším krokem bylo využití totožných 6 receptur s použitím stejné dávky SRA (shrinkage-reducing admixture), protismršťovací přísady. Každá receptura obsahovala navážku o hmotnosti 1000 g jemných podílů v celkovém součtu. Uvedené receptury byly navrženy na konstantní konzistenci rozlití 180-190 mm dle ČSN EN 1015-3: Metoda střásacího stolku (bez poklepu).

Výsledky experimentu

U všech receptur s využitím minerálních příměsí byl splněn předpoklad dosáhnutí nižších hydratačních teplot. Naopak receptury s použitím pucolánových příměsí, popř. jejich kombinace vykazují nižší hodnoty maximálních teplot hydratace i kratší časy k jejich dosažení. Velmi kladně se projevila receptura kombinace fluidního popílku a vysokoteplotního popílku s téměř nejpozvolnějším průběhem hydratace (tmax = 50,8 °C za 15,2 hod.). Velmi kladně lze zhodnotit použitou protismršťovací přísadu, která měla za účinek celkové snížení maximálních hydratačních teplot a zároveň celkové rozvolnění celé doby hydratace.

V rámci sledovaných receptur lze vidět nejvyšší hodnoty i nárůst smrštění přirozeně u čistě cementové pasty (1382 µm). Stejně jako u předchozího experimentu i zde vykazovaly receptury s využitím minerálních příměsí nižší hodnoty smrštění než receptury referenční. Nejintenzivnější nárůst smrštění nastává do 14 hod. od zamíchání směsi (v případě SRA směsí 8 hod.). Z hlediska použitých příměsí se na redukci smrštění pozitivně projevila zejména příměs vysokoteplotního popílku (1086 µm).

Zcela odlišný průběh vykazovaly receptury se SRA, které dosahovaly maximálního smrštění v určitém čase, kde následné smrštění dále už jen klesalo. Tohoto faktu lze využít, kdy v podstatě víme čas dosažení nejrizikovějšího (nejvyššího) smrštění, což může být výhodné zejména u konstrukcí masivních staveb. Nejvyšší redukce smrštění bylo dosaženo při využití SRA a vysokoteplotního popílku s vysokopecní struskou (717 µm) celkem 48 %, což bylo zásadní pro navazující experiment.

Zmíněný experiment měl za úkol ověřit vliv jednotlivých druhů minerálních příměsí na vývoj hydratačních teplot a redukci objemových změn betonů. Provedené zkoušky byly ověřeny na cementových pastách, které byly výchozí pro navazující experiment. Velmi účinně se rovněž projevilo použití protismršťovací přísady, která ještě výrazněji redukuje zmíněné maximální hydratační teploty až o 28 °C (u receptury s vysokoteplotním popílkem a vysokopecní struskou oproti referenční receptuře) a rozvolňuje dobu k jejímu dosažení. Zároveň byl prokázán pozitivní vliv aktivních příměsí (vysokoteplotního popílku a vysokopecní strusky) na redukci a průběh smrštění cementových past. Taktéž bylo upozorněno na fakt, že pomocí SRA lze korigovat čas dosažení maximálního smrštění, což se pro praxi jeví jako zcela zásadní.

Pokud lze efektivně ovlivnit samotný průběh a jednotlivé maximální teploty hydratace, pak bude mít tento fakt dopad i na jiné veličiny. Zmiňovaná prevence je často požadována právě u betonových konstrukcí, kde je kladen důraz např. na působení tlakové či beztlakové vody nebo možného působení kapalných agresivních medií.

tags: #merne #tepli #betonu #informace

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si o komplexních službách FCC Liberec v oblasti odpadů
• Přečtěte si komplexního průvodce KSF G
• Průvodce hliníkovými lištami
• všestranný pomocník ve stavebnictví
• Klíč k tichému bydlení s keramickou podlahou