Страница 7: Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог (46155)

В начальный период первые десять минут разность предварительных отсчетов не должна превышать 0,002 - 0,003 С в минуту. После одиннадцатого отсчета температуры по термометру Бекмана и лабораторному термометру осторожно на нитке опускают образец в калориметрическую жидкость и закрывают отверстие пробкой.

С этого момента начинается главный период опыта, для которого характерно быстрое изменение температуры. Заканчивается период тогда, когда начинается незначительное (меньше 0,001 С) и равномерное изменение температуры калориметрической жидкости или изменение ее хода на обратный. Длительность главного периода не более 10 - 20 мин.

Конечный период, который при обратном ходе температуры характеризуется незначительными изменениями температуры (0,002 - 0,003 С). Длительность конечного периода 10 мин. На десятой минуте температуру отсчитывают по лабораторному термометру.

Расчет теплофизических характеристик по данным опыта производят с помощью известных формул /12/.

2. Определение коэффициента теплопроводности материалов и грунтов с помощью цилиндрического зонда постоянной мощности

Коэффициент теплопроводности определяют с помощью зондового прибора ИТХ-6 (рис. 2). Метод измерения прибором основан на закономерности теплового потока (нестационарного) от линейного источника постоянной мощности, помещенного в неограниченный массив из исследуемого материала.

Рис. 2. Зондовый прибор ИТХ-6 для определения коэффициента теплопроводности материалов и грунтов

Прибор ИТХ-6 состоит из зонда, измерительной части, усилителя, регистрирующего устройства, стабилизатора тока подогрева зонда, блока питания.

Измерительная часть, усилитель и регистрирующее устройство служат для записи избыточной температуры зонда при включении подогревной обмотки в цепь стабилизатора тока. Записанная регистрирующим устройством кривая изменения избыточной температуры зонда является основной зависимостью определяемого коэффициента теплопроводности.

Линейным источником тепла является зонд диаметром 2,6 - 2,7 мм. Оболочка зонда из нержавеющей стали имеет внутренний диаметр 2 мм. Внутри оболочки расположена подогревная обмотка из манганинового провода ПЭММ-0,08, намотанная на кварцевой трубке наружным диаметром 0,8 мм и длиной 75 мм. В центре подогревной обмотки, внутри кварцевой трубки, установлен терморезистор СТЗ-18.

Сопротивление терморезистора в общем случае является нелинейной функцией температуры. В связи с этим в приборе применена симметричная терморезисторная измерительная мостовая схема с разомкнутой измерительной диагональю, выходной сигнал которой является практически линейной функцией избыточной температуры терморезистора относительно температуры баланса моста.

Для усиления сигнала мостовой измерительной схемы и согласования ее с регистрирующим потенциометром ЭПП-09 или КСП установлен усилитель постоянного тока. Стабилизатор собран по балансовой схеме и позволяет устанавливать ток в обмотке подогрева зонда в пределах от 10 до 100 мА ступенями (13 положений переключателя) при сопротивлении подогревной обмотки от 60 до 120 Ом.

Прибор ИТХ-6 позволяет записывать избыточные температуры зонда любым электронным потенциометром (ЭПП-09, КСП, ПСП и др.), имеющим шкалу от 0 - 10 до 0 - 100 мВ и скорость движений ленты от 1800 мм/ч и более. Кроме того, прибор имеет выход «МВ», к которому можно подключить любой высокоомный милливольтметр постоянного тока (Н-39, Н-37 с усилителем И-37 и др.).

Прибор предназначен для работы при температуре окружающего воздуха 20±5 С и относительной влажности до 0,80 Wп.в..

Подготовка прибора к измерениям заключается в соединении отдельных блоков и подключении прибора к сети. Затем «холодный» зонд вводят в образец испытуемого материала. Мягкие, пористые или сыпучие материалы зонд прокалывает. В жестких материалах следует предварительно просверлить отверстие диаметром равным диаметру зонда.

В тех случаях, когда диаметр отверстия несколько больше диаметра зонда, для уменьшения контактного сопротивлений на границе «зонд - среда» следует использовать в качестве заполнителя зазора масло (вазелиновое, касторовое).

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения зондового прибора от времени

а - в обычных координатах (декартовых); б - в полулогарифмических

Для пористых материалов нужно применять такую жидкость, которая не смачивала бы материал и не вступала бы с ним в химическую реакцию. Для хрупких пористых материалов (газобетон и т.п.) рекомендуется заполнять зазор между зондом и материалом «крошкой» данного материала.

Для измерения коэффициента теплопроводности материалов в лабораторных условиях образец с зондом должен быть установлен в термостат или холодильную камеру, в которых поддерживается требуемая температура. Кривая нагрева зонда записывается в течение 10 - 15 мин до тех пор, пока перо самописца не начнет выводить линию, близкую к вертикальной, при скорости протяжки ленты 1800 - 3800 мм/ч.

Расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности прибором ИТХ-6 имеет вид

где λ - искомый коэффициент теплопроводности, Вт/м, °К;

J - сила тока подогрева, приводится в паспорте на прибор в зависимости от положения переключателя, А;

К - постоянная зонда, приводимая в паспорте на зонд;

То - температура баланса моста, ??К;

∆u - разность выходных напряжений прибора, соответствующих моменту времени τ1 и τ2.

В результате записи процесса нагрева зонда получают зависимость выходного напряжения прибора u от времени τ (рис. 3, а).

Эту кривую нужно перестроить в координатах lg τ и u (рис. 3, б) и определить по ней значения τ1 и τ2 в начале и в конце прямолинейного участка (рабочего участка) и соответствующие им значения u1 и u2.

Подставляя значения τ1, τ2 и ∆u - u2 - u1 в формулу, находят искомое значение коэффициента теплопроводности.

При раздельном определении коэффициента теплопроводности и теплоемкости величина ее может быть установлена калориметрическим методом, изложенным в работах /12/, /13/, /15/.

3. Расчет коэффициента теплопроводности материалов, укрепленных вяжущими

При отсутствии теплофизических приборов и данных о коэффициенте теплопроводности материала или при необходимости установить количество легкой добавки в битумоминеральную или гравийную (щебеночную) смесь, укрепленную цементом, для получения композиции с заданным значением λ можно воспользоваться расчетным методом. Для этого надо знать объемное содержание составляющих смеси, их коэффициенты теплопроводности (табл. 2) и расчетное значение влажности.

Коэффициент теплопроводности смеси, состоящей из однотипного заполнителя и вяжущего λIIсм (двухкомпонентная смесь), определяют по формуле

                                                                 (1)

где λв - коэффициент теплопроводности вяжущего, ккал/м∙ч∙град;

υоз - объемное содержание однотипного заполнителя, доли единицы;

К1 = λоз - λв;

λоз - коэффициент теплопроводности заполнителя, ккал/м∙ч∙град (табл. 2).

Для трехкомпонентной смеси (например, вяжущее + однотипный заполнитель + аглопорит):

                                                            (2)

где

υт - объемное содержание вводимого в двухкомпонентную смесь дополнительного материала, например, аглопорита;

К2 = λт - λвА;

λт - коэффициент теплопроводности теплоизолятора, ккал/м∙ч∙град.

Для четырехкомпонентной смеси (например, вяжущее + мелкий заполнитель + теплоизолятор + крупный заполнитель):

                                            (3)

где υк - объемное содержание крупного заполнителя, доли единицы;

λк - коэффициент теплопроводности крупного заполнителя, ккал/м∙ч∙град.

Таблица 2

При вычислении значения А следует брать вяжущее и мелкий заполнитель. При вычислении В - более крупный заполнитель, независимо от того, естественный это заполнитель или искусственный.

Коэффициент теплопроводности гравийных (щебеночных) смесей, укрепленных цементом, в значительной степени зависит от их влажности. Влияние влажности можно учесть с помощью формулы

λ = λсм (1 + К’W),                                                        (4)

где λсм - коэффициент теплопроводности смеси в сухом состоянии, вычисленный по формулам (1 - 3);

W - расчетная влажность смеси;

К’ - коэффициент, зависящий от пористости заполнителя и влажности (табл. 3).

Таблица 3

Приложение 4

Прогнозирование среднегодовой температуры поверхности покрытий и величины амплитуды колебаний температуры в расчетном году

При отсутствии данных систематических измерений в районе, где будет построена дорога, среднегодовую температуру поверхности покрытия tn.cp. и амплитуду годового колебания температуры An в расчетном году прогнозируют следующим образом.

Сначала определяют среднегодовую температуру воздуха tв.ср в расчетном году по формуле

tв.ср = tв.м - σtθ,                                                             (1)

где tв.м - многолетняя от среднегодовых температур воздуха (см. таблицу);

σt - среднеквадратическое отклонение значения среднегодовой температуры воздуха от многолетней нормы (см. таблицу);

θ - коэффициент нормированного отклонения, зависящий от степени надежности Q.

Затем находят амплитуду колебаний температур воздуха в расчетном году Ав

Ав = Ав.м + σнθ,                                                         (2)

где Ав.м - значение амплитуды годового колебания температуры воздуха по многолетним данным (см. таблицу);

σА - среднеквадратическое отклонение амплитуды годовых колебаний температуры воздуха от его многолетней нормы (см. таблицу).

Далее вычисляют среднемесячную температуру воздуха самого холодного месяца (января для Северо-Запада)

tв.min = tв.ср - Ав                                                             (3)

и самого теплого (июль):

tв.max = tв.ср + Ав.                                                           (4)

После этого определяют среднемесячную температуру поверхности покрытий в самом холодном и самом теплом месяце по формулам:

                                                   (5)

                                                   (6)

где К1 и К2 - коэффициенты, характеризующие влияние теплоизолирующего слоя на температуру поверхности покрытия; при асфальтобетонном покрытий и теплоизолирующем слое из пенопласта К1 = 1,33, а К2 = 1,125; при других материалах теплоизолирующего слоя К1 = К2 ≈ 1,0.

Значения многолетней температуры воздуха tв.м. амплитуды колебания ее Ав.м и среднеквадратические отклонения от них σt и σА.