przewodność cieplna autoklawizowanego betonu komórkowego

PRACE INSTYTUTU TECHNIKI BUDOWLANEJ - KWARTALNIK nr 2-3 (106-107) 1998
BUILDING RESEARCH INSTITUTE - QUARTERLY No 2-3 (106-107) 1998
Jerzy A. Pogorzelski*
Katarzyna Firkowicz-Pogorzelska**
PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA AUTOKLAWIZOWANEGO
BETONU KOMÓRKOWEGO WEDŁUG PN-B-06258
Brak w Polsce norm określających właściwe metody badań przewodności cieplnej i brak
właściwej aparatury spowodowały w przeszłości wprowadzenie do kilku norm „materiałowych"
powołania na aparaturę przestarzałą. Specyficzna sytuacja istnieje w odniesieniu do betonów
komórkowych; według PN-B-06258 od 1965 r. do badań można stosować dwie metody, z powołaniem
na przestarzały aparat Bocka i tzw. aparat termistorowy; w praktyce CEBET od lat stosuje tylko
„aparat termistorowy". Autorzy wykazali systematyczne błędy pomiarowe badań według PN-B-06258, wywołane wadami konstrukcji „aparatu termistorowego", datującymi się z początku lat
sześćdziesiątych. Określono współczynnik korekcyjny w odniesieniu do wyników badań betonów
komórkowych badanych przez CEBET za pomocą „aparatu termistorowego". Autorzy składają
podziękowanie Panu Profesorowi Wiesławowi Gogółowi za wnikliwą recenzję, której zalecenia
uwzględniono.
1. Wstęp
W w a r u n k a c h gospodarki rynkowej przewodność cieplna materiałów izolacyjnych
i izolacyjno-konstrukcyjnych ma znaczenie nie tylko techniczne; lepiej sprzedaje się
materiały o niższej wartości
W celu obiektywnego informowania odbiorców i zapewnienia uczciwej konkurencji producentów stosuje się znormalizowane metody badania
przewodności cieplnej
materiałów. W literaturze technicznej opisano kilkadziesiąt
pomysłów i kilka dopracowanych metod badania przewodności cieplnej materiałów
budowlanych. Do badań aprobacyjnych i certyfikacyjnych
stosuje się wyłącznie
przyrządy, w których wykorzystane zostało stacjonarne przewodzenie ciepła.
Wzory obliczeniowe tych metod, gdzie znany strumień ciepła przechodzi przez próbkę,
wynikają bezpośrednio z prawa Fouriera:
(1)
w którym:-
gęstość strumienia cieplnego,
temperatura.
*prof. dr hab. inż.
**mgr - starszy specjalista w ITB
46
Wśród wyżej wspomnianych rozróżnia się przyrządy:
- z kompensacją strumienia cieplnego (metoda pierwotna),
- z pomiarem strumienia ciepła za pomocą przetwornika strumienia cieplnego na
sygnał napięciowy (metoda wtórna).
W ISO 8301 i ISO 8302 sformułowane zostały zasady konstruowania przyrządów i prowadzenia badań zapewniające błąd pomiaru poniżej 2% w metodzie pierwotnej i poniżej 3%
w metodzie wtórnej; w celu kontroli, czy wymagania te są spełniione, laboratoria
akredytowane prowadzą m.in. międzylaboratoryjne badania porównawcze.
Niestacjonarne metody badań oparte są na tzw. zdegenerowanych (sprowadzających
się do jednomianu) rozwiązaniach równania Fouriera:
(2)
w którym:
-
czas,
- współczynnik wyrównywania temperatury,
- ciepło właściwe materiału,
- gęstość materiału.
W większości metod niestacjonarnych wyznacza się współczynnik wyrównywania
temperatury i dopiero pośrednio przewodność cieplną, co zmniejsza dokładność badań.
Wyników badań nie można ściśle powiązać ze średnią temperaturą próbki, jak w metodach stacjonarnego przepływu ciepła, co uniemożliwia konwersję wyników na porównywalne warunki odniesienia. Metody te są też wrażliwsze na kwalifikacje personelu
badawczego. Z tych powodów metody niestacjonarnego przepływu ciepła nie są uznane
nigdzie w świecie za właściwe do badań aprobacyjnych i certyfikacyjnych materiałów
budowlanych.
W Polsce zawsze brakowało środków na normalizację ochrony cieplnej budynków, w tym
w zakresie przewodności cieplnej. W tej sytuacji zapisy dotyczące badania przewodności
cieplnej (współczynnika przewodzenia ciepła) w normach przedmiotowych powstały w odniesieniu do określonych materiałów (styropianu, wyrobów z wełny mineralnej,
betonu komórkowego), najczęściej z powołaniem na powszechnie stosowany aparat
Bocka z dostaw pochodzących z byłej NRD, realizowanych na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych.
Specyficzna sytuacja istnieje w badaniach - i w konsekwencji w podawaniu właściwości materiału - w odniesieniu do betonów komórkowych produkowanych przez zakłady
byłego Zjednoczenia Przemysłu Betonów (obecnie Stowarzyszenia Bezpiecznej Prefabrykacji Betonowej). Według PN-B-06258 Autoklawizowany beton komórkowy od 1965 r.
do badań można stosować dwie metody, z powołaniem na aparat Bocka i tzw. aparat
termistorowy; w praktyce CEBET od lat stosuje tylko „aparat termistorowy".
W przeprowadzonych w drugim kwartale 1997 r. porównawczych badaniach międzylaboratoryjnych - w CEBET i Zakładzie Fizyki Cieplnej ITB - próbek tego samego
materiału stwierdzono bardzo duże rozbieżności wyników uzyskanych tylko przez CEBET między aparatem Bocka i „aparatem termistorowym", przy czym wyniki według
„aparatu termistorowego" były niższe - do 14% - w stosunku do badań prowadzonych
47
w Zakładzie Fizyki Cieplnej ITB (wykonanych na przyrządzie według metody pierwotnej, zgodnym z ISO 8302), a według aparatu Bocka zawyżone - do 8%. Są to
rozbieżności bardzo duże, zdecydowanie przewyższające granice podane w normach
ISO 8301 i ISO 8302.
W niniejszym artykule udokumentowano rozbieżności wyników wymienionych badań
porównawczych, wykazując systematyczne błędy pomiarowe w badaniach
według
PN-B-06258 i wskazano możliwe źródła błędów (prawdopodobnie popełnione na początku lat sześćdziesiątych przy konstrukcji „aparatu termistorowego"). Określono też współczynnik korekcyjny w odniesieniu do wyników badań betonów komórkowych badanych
za pomocą „aparatu termistorowego".
2. Metoda badania współczynnika
za pomocą aparatu Bocka
materiałów
Aparat Bocka jest jednym z reprezentantów grupy aparatów płytowych z tzw. osłoniętą
płytą grzejną (Guarded Hot Platę Apparatus). Koncepcja metody wiąże się z Poensgenem (1912) i Jacobem (1926). W metodzie tej (rys. 1) próbka znajduje się między
chłodnicą i grzejnikiem o złożonej budowie, zawierającym grzejnik pomiarowy, grzejnik
ochronny i grzejnik kompensacyjny.
Rys. 1. Schemat aparatu płytowego z osłoniętą płytą grzejną (wersja z jedną próbką)
1 - osłona, 2 - grzejnik kompensacyjny, 3 - izolacja cieplna, 4 - grzejnik
pomiarowy, 5 - grzejnik ochronny, 6 - próbka, 7 - chłodnica
Podczas pomiaru grzejnik i chłodnica powinny znajdować się w stałych temperaturach,
przy czym poszczególne części składowe grzejnika powinny być w jednakowej temperaturze. Strumień ciepła Joule'a-Lenza wytwarzany w grzejniku pomiarowym kierowany
jest w ten sposób wyłącznie przez badaną próbkę do chłodnicy. Możliwe są różne
rozwiązania układów sterowania, pomiaru i zasilania grzejników.
Aparat systemu Bocka, skonstruowany przez Weissa pod koniec lat pięćdziesiątych,
był produkowany w NRD na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych i eksporto-
48
wany głównie do krajów Europy Środkowo-Wschodniej, choć pod koniec lat osiemdziesiątych był też używany w EM PA w Szwajcarii. Zastosowano w nim proste rozwiązania
elektrotechniczne i pomiarowe: wodny system zasilania chłodnicy i grzejnika kompensacyjnego, umożliwiający pomiary tylko przy średniej temperaturze próbki 2 3 - 2 5 °C,
nagrzewanie grzejnika pomiarowego i ochronnego ze stałą mocą (co powodowało długi
okres stabilizacji), pomiar poboru energii elektrycznej w grzejniku pomiarowym zwykłym
watomierzem, regulację temperatury grzejnika pomiarowego i ochronnego za pomocą
stosu termopar z małą czułością, pomiar temperatury grzejnika i chłodnicy termometrami
rtęciowymi. Aparat Bocka ma zbyt wąski grzejnik ochronny, co powoduje boczne straty
ciepła, mogące zawyżać wyniki badań - do 6% - już przy próbkach z betonu komórkowego o grubości 6 cm [2]. W sumie aparat ten nie spełnia współczesnych wymagań
dokładności (błąd pojedynczego pomiaru około 6%) i nie zapewnia czasu potrzebnego
do stabilizacji strumienia cieplnego; jest to dziś wśród przyrządów pomiarowych odpowiednik trabanta z tamtych czasów na współczesnej autostradzie.
Jest to też jednak przyrząd pracujący według metody pierwotnej, ujętej w ISO 8302,
choć przyjęte w nim rozwiązania konstrukcyjne nie spełniają postanowień szczegółowych tej normy. Trzeba stwierdzić, że zapis w PN-B-06258, w którym odwołano się do
określonej realizacji przyrządu, a nie do jego typu, był klasycznym „wypadkiem przy
pracy", ponieważ jak się kto uprze, może uznawać nowsze i lepsze realizacje aparatu
według metody pierwotnej za nielegalne, bo nie są aparatem Bocka!
3. Metoda badania współczynnika
za pomocą „aparatu termistorowego"
Trzeba na wstępie stwierdzić, że nazwa „aparat termistorowy" jest błędna; przyrządów
do badania przewodności cieplnej nie klasyfikuje się i nie nazywa według rodzaju
czujników zastosowanych do pomiaru temperatury. Nie ma więc „aparatu termistorowego", tak jak nie ma „aparatu termoparowego" lub "termorezystorowego". Jest natomiast
a-kalorymetr Kondratiewa [2], którego koncepcja wywodzi się z teorii stanu uporządkowanego ostygania i nagrzewania ciał, sformułowanej przez tegoż autora. Teorię tę
przedstawiamy poniżej, pokazując szczególny przypadek ostygającego prostopadłościanu; temperatura wewnątrz niego wyrażona jest za pomocą wzoru:
(3)
w którym:
- temperatura w dowolnym punkcie ciała w funkcji czasu,
- temperatura początkowa,
- t e m p e r a t u r a otaczającego płynu,
- funkcja współrzędnej przestrzennej
- uogólniona liczba podobieństwa Fouriera,
49
- uogólniony wymiar charakterystyczny ciała,
- w y m i a r y charakterystyczne (połowy długości boków) prostopadłościanu.
Wielkości
są to pierwiastki równania charakterystycznego:
(4)
w którym
- liczba podobieństwa Biota.
Ponieważ pierwiastki równań charakterystycznych
są dodatnie i spełniają nierówność:
(5)
to ze względu na występowanie wyrazów
ze znakiem minus pod znakiem funkcji
wykładniczej powyżej określonej wartości liczby Fouriera można pominąć wyrazy z indeksem
jako małe w porównaniu z wyrazem o = 1. W stanie tym, zwanym stanem
uporządkowanym, prędkość zmian temperatury w czasie we wszystkich punktach ciała
jest jednakowa, co wyraża wzór:
(6)
gdzie
- wielkość stała, nazywana „tempem ostygania", zgodnie z wzorem:
(7)
Przy intensywnym przejmowaniu ciepła z powierzchni ostygającego ciała
wartości charakterystyczne
stają się bliskie
i tempo ostygania
można wyrazić
wzorem:
(7')
w którym:
- tzw. współczynnik kształtu prostopadłościanu,
-
długości boków prostopadłościanu.
Określając z pomiarów temperatury wartość „tempa ostygania"
próbki o współczynniku kształtu
możemy obliczyć współczynnik wyrównywania temperatury
a znając
ciepło właściwe i gęstość materiału - przewodność
Z wyrażenia na
oraz (7')
otrzymujemy:
(8)
50
Powyższy opis wyczerpuje podstawy teoretyczne „metody termistorowej"; wzór (8) podany
jest w PN-B-06258 jako wzór obliczeniowy. Zgodnie z t ą normą badania prowadzi się
na próbkach o w y m i a r a c h 4 x 4 x 8 cm, nagrzewanych do temperatury 4 0 - 5 0 ° C i ostygających w kąpieli wodnej w temperaturze około 20°C. Wartość ciepła właściwego
materiału próbki przyjmuje się stałą i równą 960
- nie wiadomo, na jakiej
podstawie. W celu uniknięcia zawilgocenia, próbki zabezpiecza się osłonkami gumowymi. Pomiar temperatury odbywa się za pomocą termistora o wymiarach do 4 x 40 mm,
umieszczonego w próbce w wywierconym otworze, i mostka oporowego. W o d a w termostacie jest mieszana za pomocą mieszadełka elektrycznego. Warunki opływu próbki
w o d ą mają przy tym znaczenie podstawowego wymagania dotyczącego aparatury, aby
m o ż n a było korzystać z wzoru (8). W PN-B-06258 nie podano wymagań w zakresie
warunków opływu próbki wodą, odwołując się w opisie urządzenia do instrukcji „aparatu
termistorowego" wykonanego na początku lat sześćdziesiątych.
Niespełnienie warunku
może być źródłem błędu oznaczania
a stąd i
W ogólności bowiem - przy dowolnych wartościach - „tempo ostygania" m można
przedstawić w postaci:
(9)
g
d
z
i
e
:
-
liczba podobieństwa Kondratiewa,
- uogólniona liczba podobieństwa Biota,
- w i e l k o ś ć charakteryzująca nierównomierność pola temperatury
w ostygającym ciele.
Według Jaryszewa, cytowanego w pracy [3], liczba podobieństwa Kondratiewa zależy
od uogólnionej liczby Biota, jak we wzorze:
(10)
Przy
wartość liczby Kondratiewa dąży do 1 i określony jest wzorem (7). Przy
innych wartościach
liczba Kondratiewa zmienia się jak w tablicy 1. W tablicy tej
podano również błąd względny oznaczania oraz wartość współczynnika przejmowania
ciepła, przy której
m a podaną wartość.
Tablica 1. Zależność
100
50
30
20
10
0,965
0,931
1,000
0,993
0,986
0,976
0
0,7
1,4
2,4
3,5
6,9
1875
938
563
375
188
Jak widać, dokładność metody zależy prawie liniowo od wartości liczby Biota i tym samym
współczynnika przejmowania ciepła na powierzchni próbki; przy
= 100 błąd względny
wynosi 0,7%, a przy mniejszych wartościach liczby
może wynieść kilka procent.
51
W literaturze nie przedyskutowano wymaganej prędkości ruchu płynu wokół próbki,
aby spełnić warunek
> 100; zwraca się jedynie uwagę na konieczność intensywnego
mieszania płynu, z czego ilościowo nic nie wynika.
Warunki przejmowania ciepła przy opływie ciał stałych przez płyny zależą w dużej
mierze od kształtu ciała i jego usytuowania w stosunku do strumienia płynu. Współczynnik przejmowania ciepła można obliczyć tylko z uogólnionych wyników doświadczeń,
o ile były one przeprowadzone. Podawane w literaturze wzory z zasady nie obejmują
układów zamkniętych. Tym niemniej można zbadać (przez zmianę napięcia zasilania
silnika wiatraczka) wrażliwość wyników badań na prędkość obrotów i sprawdzić, czy
w pracy urządzenia spełniony jest warunek
Ciekawa też byłaby wizualizacja i obserwacja prądów wody w naczyniu, w którym
CEBET prowadzi badania za pomocą „aparatu termistorowego". Można to łatwo wykonać, stosując sproszkowany, powoli rozpuszczający się w wodzie kontrastowy pigment
(np. karmin); obserwacja taka pozwoliłaby nawet na oszacowanie prędkości opływu
próbki wodą.
Drugim źródłem błędu systematycznego może być pominięcie we wzorze obliczeniowym
„aparatu termistorowego" (8) pojemności cieplnej osłonki gumowej i termistora
Określonej w pomiarach wartości
odpowiada określona wartość iloczynu
oporu cieplnego
i pojemności cieplnej; jeśli rzeczywista pojemność cieplna jest równa
to zmierzymy
współczynnik przewodzenia ciepła z błędem względnym:
(11)
g d z i e : -
przewodność cieplna określana w
ki AC,
- rzeczywista przewodność cieplna.
przy pominięciu popraw-
Pominięcie we wzorze obliczeniowym „aparatu termistorowego" (8) pojemności cieplnej osłonki gumowej i termistora działa więc w taki sposób, że rzeczywista przewodność
cieplna jest wyższa od określonej wzorem (8).
Jak wynika z powyższych rozważań, dwa najbardziej ewidentne źródła błędów systematycznych w „aparacie termistorowym" - zbyt mała prędkość wody w otoczeniu próbki
oraz zaniedbanie pojemności cieplnej osłonki gumowej i termistora - działają w tym
samym kierunku, zaniżając współczynnik przewodzenia ciepła.
4, Badania porównawcze CEBET
i Zakładu Fizyki Cieplnej ITB
W drugim kwartale 1997 r. przeprowadzono porównawcze badania międzylaboratoryjne
w CEBET i Zakładzie Fizyki Cieplnej ITB. Do badań przygotowano 36 próbek tego samego
betonu komórkowego (po 12 próbek z odmian 04, 05 i 06) o wymiarach 25 x 25 x 5 cm,
wyciętych z bloków betonu komórkowego. Przyjęto definicję odmiany w zależności od
maksymalnej gęstości betonu komórkowego, a więc przykładowo do odmiany 04 zaliczono
beton o gęstości do 400 kg/m 3 .
52
Próbki były badane najpierw w aparacie płytowym ITB (zgodnym z ISO 8302),
następnie przesyłano je do CEBET, gdzie badano je za pomocą aparatu Bocka, a na
koniec wycinano z nich po trzy próbki o wymiarach 4 x 4 x 8 cm i badano w „aparacie
termistorowym". Kilka próbek uległo uszkodzeniu w transporcie lub podczas badań w aparacie Bocka w CEBET; należy przy tym stwierdzić, że pęknięcia te - równoległe do
linii gęstości strumienia cieplnego - nie miały wpływu na wynik badania. W celu
porównania rozpatrzono tylko 26 próbek (10 z odmiany 04 i po 8 z odmian 05 i 06),
w odniesieniu do których był komplet oznaczeń. Wyniki zestawiono w tablicy 2;
wartości uzyskane z badań prowadzonych za pomocą „aparatu termistorowego"
przyjmowano jako średnie z trzech (sporadycznie z mniejszej liczby) oznaczeń.
Przy obróbce statystycznej wyników należy mieć na uwadze, że wyniki są zależne od
gęstości betonu komórkowego. Generalnie zależność
ma charakter wykładniczy;
przy niewielkim przedziale zmian gęstości można przyjąć model liniowy. Opracowania
wyników dokonano za pomocą pakietu STATGRAPHICS, zakładając frakcję 90% i = 0,10.
Na rysunku 2 przedstawiono zależność regresyjną
według aparatu płytowego
ITB, na rysunku 3 według aparatu Bocka i na rysunku 4 według „aparatu termistorowego" w postaci wydruków z pakietu STATGRAPHICS.
We wszystkich trzech przypadkach była bardzo dobra zgodność wyników badań z modelem; współczynnik korelacji wynosił odpowiednio: 0,997, 0,996 i 0,987. Nie było widać
odchyleń od modelu spowodowanych błędami losowymi, w tym na przykład pęknięciem
próbki. Widoczne jest natomiast wyraźne przesunięcie linii regresyjnych; zostało to
unaocznione na rysunku 5, na którym zestawiono trzy linie regresji z rysunków 2, 3 i 4.
Na rysunku 5 różnica wyników między aparatem Bocka (linia 1) i „aparatem termistorowym" (linia 3) wynosi od 0,022
przy gęstości 400 kg/m 3 do 0,018
3
przy gęstości 600 kg/m ; w procentach - w stosunku do wyniku według „aparatu
termistorowego" - wynosi to odpowiednio od 24 do 14. Porównanie wyników z aparatu
Bocka z wynikami z aparatu ITB daje stałe przesunięcie o wartości 0,007
w procentach - w stosunku do wyniku według aparatu ITB - wynosi to od 6,5 przy
gęstości 400 kg/m 3 do 5 przy gęstości 600 kg/m 3 . Porównanie wyników z „aparatu
termistorowego" z wynikami z aparatu ITB daje zaniżenie w stosunku do wyniku według
aparatu ITB od 13% przy gęstości 400 kg/m 3 do 8% przy gęstości 600 kg/m 3 .
Wyniki badań porównawczych jednoznacznie wykazują systematyczny charakter
błędów przy stosowaniu dwu metod badań „legalnych" według PN-B-06258; zgodnie
z przewidywaniami aparat Bocka zawyża przewodność cieplną próbek z betonu komórkowego, a „aparat termistorowy" zaniża.
Na podstawie powyższych badań wprowadźmy współczynnik korekcyjny do wyników
badań uzyskanych przy zastosowaniu „aparatu termistorowego". Korzystając z tablicy 2
utwórzmy stosunek danych z kolumny 3 do danych z kolumny 5, oznaczając go
Zależność regresyjną
opisana jest za pomocą równania:
(12)
Zależność tę przedstawiono na rysunku 6.
Przy
= 400 kg/m 3 ,
= 500 kg/m 3 i
= 600 kg/m 3 współczynnik
odpowiednio: 1,14, 1,10 i 1,06.
wynosi
53
Tablica 2. Zestawienie wyników badań porównawczych
54
1
2
3
3
5
1/LF/04
377
0,0991
0,108
0,086
2/LF/04
383
0,0985
0,108
0,085
3/LF/04
388
0,0992
0,108
0,087
4/LF/04
385
0,0998
0,109
0,083
5/LF/04
382
0,0976
0,110
0,087
6/LF/04
386
0,0986
0,106
0,087
7/LF/04
385
0,1001
0,107
0,087
8/LF/04
387
0,0988
0,108
0,086
9/LF/04
382
0,0973
0,108
0,084
10/LF/04
384
0,1011
0,105
0,084
1/LF/05
451
0,1160
0,124
0,107
2/LF/05
445
0,1137
0,122
0,099
4/LF/05
448
0,1144
0,126
0,109
7/LF/05
449
0,1174
0,123
0,108
8/LF/05
456
0,01170
0,124
0,102
9/LF/05
459
0,1168
0,126
0,105
10/LF/05
459
0,1176
0,126
0,108
11/LF/05
463
0,1184
0,125
0,107
1/LF/06
545
0,1400
0,147
0,122
2/LF/06
544
0,1401
0,148
0,131
3/LF/06
542
0,1402
0,148
0,125
5/LF/06
528
0,1343
0,143
0,125
6/LF/06
37
0,1393
0,143
0,128
7/LF/06
549
0,1398
0,148
0,134
8/LF/06
549
0,1402
0,148
0,126
9/LF/06
546
0,1399
0,149
0,130
55
56
5. Podsumowanie
Według PN-B-06258 Autoklawizowany beton komórkowy od 1965 r. do badań współczynnika przewodzenia ciepła
można stosować dwa przyrządy: aparat Bocka i tzw.
aparat termistorowy. Aparat Bocka jest to aparat płytowy stacjonarnego przewodzenia
ciepła według metody pierwotnej, ujętej obecnie w ISO 8302, ma jednak przestarzałą
konstrukcję i nie odpowiada współczesnym wymaganiom, w tym nie spełnia wymagań
ISO 8302. „Aparat termistorowy" jest to przyrząd niestacjonarny, bardziej znany jako
Kondratiewa (od pomysłu metody pomiaru wysuniętego przez tego
autora w latach pięćdziesiątych). Z całą pewnością nigdzie na świecie nie ma
produkcji takich urządzeń i metoda badawcza nie jest nigdzie znormalizowana, poza
PN-B-06258.
W przeprowadzonych w drugim kwartale 1997 r. w CEBET i Zakładzie Fizyki Cieplnej
ITB porównawczych badaniach międzylaboratoryjnych próbek tego samego materiału
stwierdzono bardzo duże rozbieżności wyników uzyskanych przez CEBET między
aparatem Bocka i „aparatem termistorowym". Wyniki badań prowadzonych za pomocą
„aparatu termistorowego" były niższe średnio o 0,02
w stosunku do wyników
badań z zastosowaniem aparatu Bocka; przy gęstości 400 kg/m 3 i gęstości 600 kg/m 3
odpowiednio 24 i 14% w stosunku do wyniku według „aparatu termistorowego". Biorąc
pod uwagę dopuszczalne współcześnie granice błędu pomiaru (2-3%), takie rozbieżności dyskwalifikują całkowicie co najmniej jedną z „jedynie legalnych" metod pomiaru
według PN-B-06258, przy czym nie wiadomo jeszcze, którą.
57
Sprawę wyjaśnia porównanie wyników badań CEBET z wynikami badań Zakładu
Fizyki Cieplnej ITB (wykonanych na przyrządzie według metody pierwotnej, zgodnym
z ISO 8302 i o błędzie pojedynczego pomiaru poniżej 2%). Wyniki badań za pomocą
„aparatu termistorowego" były niższe - do 13% - w stosunku do badań Zakładu Fizyki
Cieplnej ITB, a badań za pomocą aparatu Bocka wyższe - do 8%. Stwierdzone
rozbieżności mają charakter systematyczny i są bardzo duże, dyskwalifikując obie
„jedynie legalne" metody badań.
Szczególny aspekt ma sprawa zaniżonych wyników badań „aparatem termistorowym",
ponieważ ten przyrząd jest faktycznie używany przez CEBET między innymi do badań
na znak B i do aprobat technicznych (w tym aprobaty technicznej dotyczącej „betonu
komórkowego TERMOREX o podwyższonej izolacyjności cieplnej"). Współczynnik przewodzenia ciepła nie jest cechą mającą znaczenie tylko przy kontroli jakości produkcji,
w zamkniętym układzie producent - jednostka badawcza. Za ciepło dostarczane do
budynku z betonu komórkowego płaci się w zależności od faktycznej wartości współczynnika przewodzenia ciepła; podobnie jest z szansą uzyskania kredytu na termomodernizację budynku. Zaniżanie wartości współczynnika przewodzenia ciepła w badaniach „aparatem termistorowym" jest więc działaniem na niekorzyść nabywców, ale za
to na korzyść części producentów, których towary o niższej jakoby przewodności cieplnej
są chętniej kupowane. Jest to działanie analogiczne do posługiwania się odważnikami
o mniejszej masie lub łokciem o mniejszej długości.
Autorzy zidentyfikowali dwa czynniki mające wpływ na zaniżanie wyników pomiaru
przewodności cieplnej przez „aparat termistorowy":
- zbyt małą prędkość przepływu wody wokół próbki,
- pominięcie we wzorze obliczeniowym metody pojemności cieplnej osłonki gumowej
i termistora.
Oba te czynniki są pominięte we wszystkich kolejnych edycjach PN-B-06258, poczynając od 1965 r. Wszystko wskazuje więc na to, że przyczyną systematycznych błędów
„aparatu termistorowego" są wady stanowiska badawczego datujące się od początku lat
sześćdziesiątych.
Oczywiście, po ustanowieniu w przyszłości PN ekwiwalentnych z ISO 8301 i ISO 8302
również wszystkie laboratoria krajowe będą zmuszone do badania przewodności cieplnej betonu komórkowego zgodnie z tymi normami. Pozostaje jednak problem: jaka jest
naprawdę przewodność cieplna polskich autoklawizowanych betonów komórkowych,
wyprodukowanych, zbadanych przez CEBET według PN-B-06258 i wbudowanych przez
nabywców w ciągu minionych ponad trzydziestu lat?
Na podstawie przeprowadzonych badań porównawczych autorzy zaproponowali
współczynnik korekcyjny w odniesieniu do wyników badań
betonów komórkowych
badanych przez CEBET za pomocą „aparatu termistorowego"; wartość jego - w zależności od odmiany betonu - wynosi od 1,06 do 1,14.
Literatura
[1] Gołembowicz M., Pogorzelski J. A.: Kilka uwag o laboratoryjnym oznaczaniu przewodności cieplnej materiałów. Biuletyn ITB nr 14, 1963
58
[2] Kondratiew G.M.: Tiepłowyje izmierenija. Gosmaszizdat, Moskwa 1957
[3] Łyków A.W.: Tieoria tiepłoprowodnosti. Wysszaja szkoła, Moskwa 1967
TERMAL CONDUCTIVITY OF AUTOCLAVED CELLULAR CONCRETE
AFTER PN-B-06258
Summary
According to PN-B-06258 thermal conductivity of autoclaved cellular concrete may be determined with use of two apparatus: Bock and "thermistor apparatus". Bock apparatus belongs to the
wide group of GHP (Guarded Hot Plate) apparatus, covered by ISO 8302, but it has very old
construction (it was produced in former GDR in 50. and 60.) and does not fulfill the requirements of
ISO 8302. "Thermistor apparatus", better known as Kondratev's - calorimetr, is a non-stationary
heat conduction device, nowhere used outside CEBET. Within the inter-laboratory comparative
tests, carried out by CEBET and Department of Thermal Physics of ITB in 1997, the big difference
of test results for the same specimens occurred between three apparatus: Bock apparatus,
"thermistor apparatus" and GHP apparatus constructed in ITB, compatible with ISO 8302. The
difference between results of tests carried out in CEBET using Bock and "thermistor apparatus"
was up to 23 %. Tests results given by Bock apparatus were higher up to 8 % and given by
"thermistor apparatus" were lower up to 14 % than results given by GHP apparatus constructed in
ITB; the errors were of systematic character. The errors of Bock apparatus are due to edge losses
of heat from the specimens and that property of the apparatus has been found already 35 years
ago. The authors analysis of "thermistor apparatus" has demonstrated two sources of systematic
errors: too small Biot's number on the specimen's surface and neglected thermal capacity of a
thermistor and that of rubber sheathing. The systematic decreasing of thermal conductivity by
"thermistor apparatus" used by CEBET results in false image of autoclaved cellular concrete sold
on Polish market. The authors propose a correction factor to the results issued by CEBET based
on the results of the comparative tests: between 1,06 and 1,14, depending upon density of cellular
concrete.
Praca wpłynęła do Redakcji 5 VIII 1998
59