Teplotní dilatace obkladových desek
Součinitel délkové teplotní roztažnosti je další tepelně technický parametr (kromě součinitelů tepelné a teplotní vodivosti a měrné tepelné kapacity), který je důležitý pro aplikace konkrétních výrobků na stavbě.
Při jeho měření byl použit dilatometr, do kterého se vždy vložil trámeček o rozměrech cca 2 × 12 × tloušťka desky, postupně se zvyšovala teplota až do 1000 °C a měřila se změna délky a vypočítal se součinitel α.
1. Úvod
V dnešní době se často využívají deskové materiály jako obklady konstrukcí. Jde o dva základní efekty, které má obklad přinést:
- estetickou úpravu povrchu,
- ochranu konstrukce proti vnějším škodlivým vlivům, např. proti mechanickému, chemickému či fyzikálnímu namáhání.
Ve stavební praxi se často používají obkladové desky pro zvýšení protipožární bezpečnosti.
Pro zlepšení mechanických vlastností se s výhodou používají kompozitní materiály. Aby se posoudila kvalita protipožární ochrany desek, bylo rozhodnuto sledovat jejich tepelně technické materiálové parametry [1]. Kromě základních fyzikálních parametrů, které popisují materiálové vlastnosti vzhledem k popisu a šíření tepla a teploty (součinitelé tepelné a teplotní vodivosti, měrná tepelná kapacita) je důležitá veličina, která určuje tvarovou stabilitu materiálu, tj. součinitel délkové či objemové teplotní roztažnosti.
Při studiu tepelně technických vlastností kompozitních materiálů [1] jsme s ohledem na jejich strukturální teplotní stabilitu proměřovali řadu parametrů po vypálení vzorků na určité teplotě: 110, 250, 450, 650, 800 a 1000 °C.
Součinitel délkové teplotní roztažnosti je další tepelně technický parametr, který je důležitý pro aplikace konkrétních výrobků na stavbě. Proto bylo rozhodnuto doplnit tento údaj u již dříve proměřovaných deskových materiálů.
2. Teorie
Součinitel teplotní délkové roztažnosti se vypočte z definičního vztahu:
kde je
- Lt
- … délka vzorku při teplotě t,
- L0
- … délka vzorku při teplotě 0,
- α
- … součinitel délkové teplotní roztažnosti,
- t
- … teplota.
při čemž se často využívá měření relativního prodloužení:
Protože ale relativní prodloužení se mění s teplotou, musí i součinitel délkové teplotní roztažnosti být závislý na teplotě. Uvažuje se proto často průměrná hodnota součinitele délkové teplotní roztažnosti pro teplotní interval 0 až t
a pro teplotu t musíme využít diferenciálního vyjádření:
Snadno lze dokázat, že při zanedbání hodnot nízkých řádů můžeme psát
kde je
- βt
- … součinitel objemové teplotní roztažnosti.
3. Proměřované materiály
Jedná se konkrétně o materiálové vzorky, které byly dodány Výzkumným ústavem stavebních hmot v Brně:
PROMATECT – bílý kompozitní materiál, deska tloušťky 3 cm.
Vyrábí: Promat s.r.o.
FIREBOARD – šedý kompozitní materiál, deska tloušťky 2,5 cm.
Vyrábí: Knauf Praha s.r.o.
SÁDROKARTON – růžový materiál na bázi sádry, deska tloušťky 1,2 cm.
Vyrábí: Saint-Gobain Construction Products CZ a.s. - divize Rigips
FERMACELL – bílý materiál na bázi sádry, deska tloušťky 1,2 cm.
Vyrábí: fermacell GmbH, org. složka
Jelikož se jedná o komerčně vyráběné materiály, jejich přesné složení a receptura je vlastnictvím firmy.
Dále kompozitní materiály, které vyrobil Výzkumný ústav stavebních hmot v Brně:
SX6 B a SX6 K
jejichž složení je následující:
sádra: Gypstrend – Kobeřice, vodní součinitel 0,328
přísady: Retardant GK, Peramin 30
vylehčení směsi: 5 % hm. Experlit EP 150
vyztužení vlákny:
SX6 B – 3 % obj. Baseltex 6 (čedič)
SX6 K – 3 % obj. Kuralon (PVA).
Z těchto materiálů byly nařezány vzorky – trámečky o rozměru cca 2 × 12 cm × tloušťka desky.
4. Metodika měření
Konkrétně teplotní závislost součinitele teplotní roztažnosti na teplotě zjistíme tak, že proměříme relativní prodloužení pro určité teploty (nejvhodněji po 100 °C až do 1 000 °C) a tyto naměřené hodnoty vyneseme do grafu v závislosti na teplotě. Tuto funkci analyticky vyjádříme a její derivací potom můžeme určit pro každou teplotu hodnotu αt.
Měření se provádělo na speciálním dilatometru [2]. Princip měření je v tom, že se konec proměřovaného vzorku, který je umístěn v peci, spojí přes kontaktní tyčinku s indikátorem délky, který je umístěn mimo pec.
Do dilatometru se vloží proměřovaný vzorek, postupně se zvyšuje teplota až do 1000 °C a sledují se délkové změny trámečku. Z těchto údajů se potom snadno vypočítá součinitel teplotní roztažnosti.
Protože struktura materiálů nemusí být teplotně stabilní, měření se po vychladnutí vzorku opakovalo. Vypálený vzorek již po opakovaném nárůstu teploty neprojevoval změny, které by vyplývaly z jeho strukturální nestability.
5. Výsledky měření
Naměřené výsledky byly zpracovány graficky.
Protože celková délka, která je snímána se skládá z délky vlastního proměřovaného vzorku a z délky kontaktní tyčinky, je nutno odečíst od celkové délkové změny změnu kontaktní tyčinky. To se umožní provedením kalibrace přístroje, při které se určí změna tyčinky při dané teplotě. Ta se potom odečte od celkové změny délky a tím je dána změna délky proměřovaného materiálového vzorku.
Na obr. 1 je jako ukázka uveden graf závislosti relativního prodloužení na teplotě pro materiál PROMATECT při prvním měření (nevypálený vzorek) a na obr. 3 při opakovaném měření (vzorek vypálený). Stejným způsobem byly zpracovány grafy pro všechny proměřované materiály. Z těchto grafů se pak snadno určí součinitel délkové teplotní roztažnosti αt jako derivace (tečna) pro každou teplotu t a α0t (sečna), jako průměrná hodnota součinitele délkové teplotní roztažnosti pro interval teplot 0 až t °C.
Obr. 1
Obr. 2
Zajímavé je, že dochází u většiny měření k celkovému zkrácení. To je pravděpodobně způsobeno vysušením vzorků. U těch materiálů, které jsou teplotně strukturálně nestabilní, je to často způsobeno také změnou struktury.
Obr. 3
Obr. 4
V následující tabulce uvádíme vypočtené součinitele délkové teplotní roztažnosti α = α0t pro jednotlivé proměřované materiály v závislosti na teplotě.
| Materiál | Teplota [°C] | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | |
| Poprvé | ||||||||||
| Promatect | 6,42 | 10,56 | 2,40 | 2,15 | 1,42 | 2,52 | 6,29 | 5,51 | −4,62 | −5,40 |
| Fireboard | 0 | −5,1 | −15,0 | −25,3 | −24,8 | −19,8 | −20,1 | −35,0 | ||
| Fermacell | 0 | −5,0 | −60,0 | −55,0 | −58,0 | −65,0 | −65,0 | −65,0 | ||
| Sádrokarton | 0 | −10,0 | −15,0 | −40,0 | −35,0 | −40,0 | −50,0 | −40,0 | −35,0 | |
| SX6-B | 2,0 | 8,0 | 4,0 | −8,0 | −12,0 | −10,0 | −10,0 | −20,0 | −16,0 | −20,0 |
| Podruhé | ||||||||||
| Promatect | 7,6 | 6,2 | 6,4 | 6,4 | 7,7 | 7,3 | 7,6 | 7,9 | 8,0 | |
| Fermacell | 10,0 | 15,0 | 15,0 | 15,0 | 12,0 | 12,0 | 12,0 | 10,0 | ||
| SX6-B | 12,5 | 12,1 | 12,1 | 12,3 | 12,6 | 15,8 | 14,0 | 15,4 | 16,2 | 14,5 |
6. Diskuse měření
Během prováděných měření se ukázalo, že je lepší než zahřívat vzorky postupně po krocích po 100 °C, zahřívat pomalou rychlostí plynule. Zpoždění v nárůstu teploty je totiž zanedbatelné, ale grafy jsou spojitější a výpočet derivací je tudíž přesnější.
Výsledky měření ukázaly, že je třeba proměřit vzorky nejméně 2×, protože při prvém měření dochází k vysušení vzorků a tím ke zkracování. Další zkrácení vyvolá také materiálová strukturální nestabilita.
Jak je vidět na obr. 1 a 3, dochází při měření k deformaci kontaktní tyčinky, což se projevuje celkovým zkrácením. Na výsledku to ale nic nemění, protože při kalibraci se tento jev stejně vylučuje. Obrázek 2 a 4 ukazuje relativní prodloužení vlastního proměřovaného vzorku.
7. Závěr
Měření potvrdilo ten předpoklad, že materiály na bázi sádry jsou při vyšších teplotách strukturálně nestabilní a při teplotách nad 800 °C dochází dokonce k destrukci materiálů. Nejlepší se ukazuje materiál Promatect.
Poděkování
Článek vznikl za podpory výzkumného záměru MŠMT č. MSM6840770031.
Literatura
- [1] Toman J., Michalko O., Korecký T., …: Výber najvhodnejšieho materiálu na požiarne obkladové dosky. In: Stavebné materiály 03/2012 str. 50–53, JAGA Groop s.r.o. Bratislava
- [2] Toman J., Krička A., Trník A.: Zařízení pro měření délkových změn materiálu při vysokých teplotách. Užitný vzor č. 21752, ÚPV, 2011.
The linear thermal expansion is thermal technical parameters that are important for the specific application of products site. The dilatometer was used on each given speciments of sizes 2 × 12 × thick, gradually increasing the temperature to 1000 °C and change in length was measured. From this was calculated coefficient α.