Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона

В. С. ГРЫЗЛОВ 
СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД 
В ОЦЕНКЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 
ЛЕГКОГО БЕТОНА 
 
Учебное пособие 
Издание второе, пересмотренное 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
 

УДК 691.32 (075.8)  
ББК 38.33 
         Г91 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
А. А. Кочкин, д-р техн. наук, профессор (Вологодский государственный университет); 
Л. Б. Сватовская, д-р техн. наук, профессор (Петербургский государственный  
университет путей сообщения Императора Александра I) 
 
 
 
Грызлов, В. С. 
Г91          Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона : учебное пособие / В. С. Грызлов. - 2-е изд., пересм. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия,  
2020. - 156 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0442-6 
 
Изложен ряд теоретических и прикладных аспектов структурного подхода 
к оценке теплопроводности легкого бетона. Рассмотрен микроструктурный 
механизм и разработаны математические модели теплопроводности легкого 
бетона с учетом микро- и макроструктурных составляющих. Представлены исследования цементной матрицы как основного фактора, определяющего теплопроводность легкого бетона слитного строения. Приведены данные по изменению теплопроводности бетона в период его адаптации в ограждающей конструкции при эксплуатационных воздействиях. 
Для студентов и аспирантов строительных специальностей, научных и 
инженерно-технических работников научно-исследовательских и строительных 
организаций, специализирующихся в области теплофизики и технологии бетонов. 
УДК 691.32 (075.8) 
ББК 38.33 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0442-6 
‹  Грызлов В. С., 2020 
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

Оглавление
От автора ........................................................................................................ 
4  
Введение......................................................................................................... 
6 
Глава 1. Методология структурного подхода в бетоноведении .........12 
1.1. Системно-структурный анализ бетона................................................12 
1.2. Общие критерии структурной чувствительности легкого бетона.......21
Глава 2. Термодинамика и теплопередача.............................................30 
2.1. Термодинамический процесс ...............................................................31 
2.2. Производство энтропии ........................................................................40 
2.3. Феноменологическая теплопроводность ............................................45
Глава 3. Структурный механизм теплопроводности...........................52 
3.1. Фононная теплопроводность................................................................52 
3.2. Теплопроводность и диссипативность микроструктуры бетона......61 
3.3. Теплопроводность вяжущих систем....................................................71
Глава 4. Физико-математическая модель теплопроводности бетона ........92 
4.1. Обзор структурных моделей теплопроводности ...............................93 
4.2. Вывод и анализ физико-математической модели ..............................97 
4.3 Прикладное прогнозирование теплопроводности легкого бетона...... 
105 
Глава 5. Теплофизика адаптационного периода бетона..................... 
115  
5.1. Температурно-влажностное состояние .............................................. 
115  
5.2. Напряженно-деформированное состояние ........................................ 
128 
Глава 6. Сопротивление теплопередаче ограждения.......................... 
135  
Заключение................................................................................................... 
149  
Литература.................................................................................................... 
151 
3

Светлой памяти академика 
Российской академии архитектуры и строительных наук, 
доктора технических наук, профессора
Павла Григорьевича Комохова
посвящается
От автора
В 1992 г. была опубликована  монография «Структурная механика и теплофизика легкого бетона», написанная в соавторстве с 
академиком Российской академии архитектуры и строительных 
наук П.Г. Комоховым. Прошло более 15 лет, однако изложенные в 
данной монографии положения остаются актуальными и в настоящее время. Теоретическая уникальность структурной механики бетона заключается в том, что создается возможность практического обоснования возникновения  структурных сил различного 
действия и направления. 
Разрабатывая теоретические основы структурной механики бетонов, П.Г. Комохов впервые раскрыл структурно-энергетические 
и механико-энергетические аспекты процессов гидратации, твердения и долговечности цементного камня, а также решил задачу
механико-технологического торможения условий разрушения бетонов ускоренного твердения.   
Дальнейшее распространение ряда положений структурной механики позволило не априорно подойти к вопросам теплофизики 
легких бетонов. Актуальность  проблемы перспективного развития 
легкого бетона как важнейшего научно-технического направления 
в строительстве потребовала обосновать ряд научных положений и 
закономерностей по количественной оценке его структурночувствительного состояния и выдвижению теплопроводности как 
целевой установки в сложной системе технологии изготовления 
наружных ограждающих конструкций зданий.
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
4

Легкий бетон как конструкционный и теплоизоляционный материал имеет свою большую историю. Его свойства и особенности 
структуры в современном научно-техническом развитии становятся более универсальными, перспективными, если при этом учитываются экологизация окружающей среды и экономия энергозатрат 
на отопление гражданских зданий. Поэтому, возвращаясь к вопросам структурообразования легкого бетона, необходимо более глубоко оценить его потенциальные возможности, упорядочить и систематизировать их в плане теплотехнической эффективности. 
Автор не претендует на исчерпывающий материал и трактовку 
основных принципов и закономерностей. Однако он надеется, что 
монография будет способствовать развитию рассматриваемого направления – структурного подхода к оценке теплопроводности 
легкого бетона, вызывая активный обмен мнениями и идеями. Поскольку некоторые вопросы, затронутые в монографии, являются 
дискуссионными, автор будет признателен всем, кто выскажет 
свое мнение о путях их решения.
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
5

Введение
Фундаментальной проблемой современного этапа развития 
строительного материаловедения (в частности ее важнейшего раздела – бетоноведения) является разработка общей теории, объединяющей свойства и структуру (строение) бетонов в их взаимодействии с окружающей средой. В связи с этим развивается методология «структурного подхода», предопределяющая требования количественного описания процессов структурообразования как необходимого условия решения задач управления и оптимизации производства бетонов  в классической модели  «состав – структура –
свойство». Данная модель является основой при разработке  структурных теорий прочности, деформативности, проводимости, долговечности и др.  
Развитие жилищного и промышленного строительства, необходимость снижения уровня энергозатрат и повышения комфортности помещений требуют поиска новых резервов увеличения теплозащитных функций ограждающих конструкций. Задача поддержания заданного теплового режима в помещениях здания  решается с 
учетом влияния тепловлагозащитных и теплоинерционных свойств 
ограждений, зависящих, в свою очередь, от структуры применяемых строительных композитов. Исследуются и прогнозируются 
их основные теплофизические свойства, и разрабатывается структурно-материаловедческий подход как метод рационального выбора ресурсосберегающего и энергетически эффективного способа 
изготовления и эксплуатации ограждающих элементов оболочки 
здания применительно к региональным климатическим параметрам.
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
6

Введение
При проектировании ограждающей оболочки зданий все это 
объединяется в единый комплекс на базе основных принципов и 
положений строительной теплофизики.
Строительная теплофизика является научной дисциплиной, 
изучающей процессы передачи тепла, переноса влаги, проникновения воздуха в здания и их конструкции и разрабатывающей  инженерные методы расчета этих процессов. Строительная теплофизика включает в себя большой объем практических приложений по 
обеспечению необходимых условий жизнедеятельности человека 
во внутренней среде зданий, на базе которых разрабатываются 
нормативные требования к проектированию их ограждающей оболочки.
Основная задача строительной теплофизики – обосновывать  
условия обеспечения нормативных требований к параметрам 
внутренней среды и уменьшению объемов тепломассопереноса 
при соблюдении наиболее целесообразных проектных решений ограждающей оболочки зданий.
Теплофизика  бетона должна выдвигаться как целевая установка в сложной системе технологии изготовления ограждающих конструкций. При этом необходимо учитывать, что формирование теплозащитных функций продолжается также и в процессе эксплуатации, поэтому они нелинейно и интегрально зависят от множества взаимообусловливающих и дополняющих факторов. По этой 
причине выделение какого-либо одного определяющего фактора, 
например плотности, представляется необоснованным.
Геометрические параметры конструкций, при создании которых 
используется бетон, определяются во время проектирования путем 
установления нормативных и расчетных показателей сопротивлений. Для конструкций ограждающей оболочки зданий такими показателями являются: сопротивление теплопередаче, паропроницанию, воздухопроницанию, разрушению, т.е. сопротивление процессам переноса тепла, массы и импульсов, которые  в значительной степени зависят от структурных характеристик бетонов. Поэтому при рассмотрении закономерностей этих процессов необходимо разграничивать две области исследования: формирование 
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
7

Введение
рациональных (оптимальных) структур и количественное прогнозирование процессов переноса. Объединение этих областей в единый научно-аналитический комплекс позволяет сформировать основы прогнозно-расчетных показателей структурно-чувствительных характеристик бетона и включать их в нормативные документы с высокой степенью достоверности.
Согласно теории теплопередачи основным механизмом переноса тепла в бетонах является теплопроводность. Теплопроводность 
бетона зависит  от  структуры, плотности, влажности и оценивается коэффициентом теплопроводности. Имеется определенная общая зависимость между плотностью и теплопроводностью. Чем 
легче бетон, тем, как правило, меньше его теплопроводность, поскольку уменьшение плотности бетона связано с повышением пористости, т.е. с вовлечением в объем бетона воздуха, являющегося 
в небольших порах прекрасным теплоизолятором. Однако на практике наблюдаются существенные отклонения от этой зависимости. 
Известно, что аморфные материалы менее теплопроводны, чем 
кристаллические. Так, обычное силикатное стекло с плотностью 
2500 кг/м3 имеет теплопроводность примерно 0,8 Вт/(м ǜ °С), т.е.
такую же, как у кирпича, плотность которого составляет лишь 
1700 кг/м3. Теплопроводность обычного бетона с плотностью,
близкой к плотности стекла, равна примерно 1,4 Вт/(м ǜ °С).
Механизмы переноса тепла (теплообмен) – необратимые самопроизвольные процессы распространения теплоты в пространстве, 
осуществляются тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в телах 
(или между ними), обусловленный переменностью температуры в 
пространстве. Теплопроводность  характеризует способность тела 
передавать тепловую энергию от одной его точки к другой, если 
между ними возникает разница температур. 
Конвекция – это процесс переноса теплоты при перемещении 
объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной 
температурой в область с другой температурой, т. е. за счет переноса самой среды. Конвекция возможна только в текучей среде.
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
8

Введение
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом.
В природе и технике элементарные процессы распространения 
теплоты очень часто происходят совместно. Теплопроводность в 
чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. 
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. 
Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью 
называется конвективным теплообменом. Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением. Теплообмен, обусловленный совместным 
переносом теплоты излучением и теплопроводностью, называется
радиационно-конвективным теплообменом. Иногда такие виды теплообмена называются сложным теплообменом.
В связи с обострившейся проблемой энергосбережения резко 
ужесточились нормы теплозащиты зданий. Для удовлетворения 
этих требований начали широко внедряться многослойные ограждения. На сегодняшний день в практике строительства используются различные виды ограждающих конструкций, имеется обширная база методической и нормативной литературы в области 
строительной теплотехники, увеличился объем производимых теплоизоляционных материалов. Все это несколько снизило интерес 
проектировщиков и исследователей к бетонам как конструкционно-теплоизоляционным материалам, оставив им роль только конструкционных элементов по обеспечению несущей способности 
зданий. В то же время сечение бетонного элемента в ограждающих 
конструкциях в большинстве случаев составляет более 70 % общей 
толщины, а доля термического сопротивления может достигать 
50 – 60 %. Поэтому прогнозирование и повышение теплозащитной 
эффективности бетона по-прежнему остается актуальной проблемой как в теплотехническом, так и в экономическом плане.
Легкие бетоны – это бетоны с пониженной плотностью (в воздушно-сухом состоянии – менее 2000 кг/м3), обладающие внутриГрызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
9

Введение
зерновой и межзерновой пористостью, обусловленной пористостью применяемых заполнителей и специальными техническими 
приемами, используемыми при изготовлении бетонной смеси. Отличительной особенностью легких бетонов является разнообразие 
их структуры, характеризуемой строением растворной составляющей и степенью заполнения ею пространства между зернами 
крупного пористого заполнителя.
По назначению различают следующие основные виды легких 
бетонов:
í конструктивные – бетоны несущих строительных конструкций зданий и сооружений, к которым предъявляются требования, 
характеризующие их механические свойства;
í конструкционно-теплоизоляционные – бетоны ограждающих
строительных конструкций зданий, к которым предъявляются требования, характеризующие их теплоизоляционные и механические 
свойства;
í теплоизоляционные – специальные бетоны, предназначенные
для тепловой изоляции конструкций, зданий и сооружений, к которым предъявляются требования, характеризующие их теплоизоляционные свойства.
В зависимости от вида и происхождения крупного пористого 
заполнителя установлены следующие виды легких бетонов: керамзитобетон, шунгизитобетон, аглопоритобетон, шлакопемзобетон, 
перлитобетон, шлакобетон, бетон на щебне из пористых горных 
пород, вермикулитобетон, шлакобетон (на топливном или пористом отвальном металлургическом шлаке), бетоны на аглопоритовом или зольном гравии. Рациональная область применения легких 
бетонов – наружные стены и покрытия зданий, где требуется низкая теплопроводность и малый вес.
Специфика сегодняшнего проектирования теплозащитной оболочки зданий связана с рядом особенностей:
– с повышением требований к тепловой защите, к внутреннему
микроклимату, к энергетической эффективности зданий; 
– с совершенствованием и унификацией методов проектирования тепловой защиты зданий;
Грызлов В.С. Структурный подход в оценке теплопроводности легкого бетона
10