Удельная теплоемкость кирпича. Вредный ли современный шамотный кирпич? Удельная теплоемкость силикатного кирпича

Кирпич — ходовой стройматериал в строительстве зданий и сооружений. Многие различают только красный и белый кирпич, но его виды намного разнообразнее. Они различаются как внешне (форма, цвет, размеры), так и такими свойствами, как плотность и теплоемкость.

Традиционно различают керамический и силикатный кирпич, которые имеют различную технологию изготовления. Важно знать, что плотность кирпича, его удельная теплоемкость и у каждого вида может существенно отличаться.

Керамический кирпич изготавливается из с различными добавками и подвергается обжигу. Удельная теплоемкость керамического кирпича равна 700…900 Дж/(кг·град) . Средняя плотность керамического кирпича имеет значение 1400 кг/м 3 . Преимуществами этого вида являются: гладкая поверхность, морозо- и водоустойчивость, а также стойкость к высоким температурам. Плотность керамического кирпича определяется его пористостью и может находится в пределах от 700 до 2100 кг/м 3 . Чем выше пористость, тем меньше плотность кирпича.

Силикатный кирпич имеет следующие разновидности: полнотелый, пустотелый и поризованный, он имеет несколько типоразмеров: одинарный, полуторный и двойной. Средняя плотность силикатного кирпича составляет 1600 кг/м 3 . Плюсы силикатного кирпича в отличной звуконепроницаемости. Даже если прокладывать тонкий слой из такого материала, звукоизоляционные свойства останутся на должном уровне. Удельная теплоемкость силикатного кирпича находится в пределах от 750 до 850 Дж/(кг·град) .

Значения плотности кирпича различных видов и его удельной (массовой) теплоемкости при различных температурах представлены в таблице:

Необходимо отметить еще один популярный вид кирпича – облицовочный кирпич. Он не боится ни влаги, ни холодов. Удельная теплоемкость облицовочного кирпича составляет 880 Дж/(кг·град) . Облицовочный кирпич имеет оттенки от ярко-желтого до огненно-красного. Таким материалом можно производить и отделочные и облицовочные работы. Плотность кирпича этого вида имеет величину 1800 кг/м 3 .

Стоит отметить отдельный класс кирпичей — огнеупорный кирпич. К этому классу относятся динасовый, карборундовый, магнезитовый и шамотный кирпич. Огнеупорный кирпич достаточно тяжел — плотность кирпича этого класса может достигать значения 2700 кг/м 3 .

Наименьшей теплоемкостью при высоких температурах обладает карборундовый кирпич — она составляет величину 779 Дж/(кг·град) при температуре 1000°С. Кладка из такого кирпича прогревается намного быстрее, чем из шамотного, но хуже держит тепло.

Огнеупорный кирпич применяется, при строительстве печей, с рабочей температурой до 1500°С. Удельная теплоемкость огнеупорного кирпича существенно зависит от температуры. Например, удельная теплоемкость шамотного кирпича имеет величину 833 Дж/(кг·град) при 100°С и 1251 Дж/(кг·град) при 1500°С.

Источники:

1. Франчук А. У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, М.: НИИ строительной физики, 1969 — 142 с.
2. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с. строительной физики, 1969 — 142 с.

В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов. От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания. Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.

Удельная теплоемкость материалов

Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды. Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.
Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.

• вид и объем нагреваемого материала (V);
• показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
• удельный вес (mуд);
• начальную и конечную температуры материала.

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг.
Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С. Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

1. Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
2. Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
3. Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Теплоемкость и теплопроводность материалов

Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.

Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.

Вокруг вопроса применения шамотного и керамического кирпича в печном деле ходит очень много разных споров, слухов, домыслов и легенд. Например, часто встречается мнение, что шамотный кирпич радиоактивный, что его использование вредно для здоровья.
Издавна принято, что печь кладется из керамического кирпича, а топка футеруется шамотным. Сейчас же можно встретить печи, камины, барбекю полностью сделанные из шамотного кирпича, да что уж таить - сам использую именно шамотный кирпич в работе.
Давайте попробуем все-таки разобраться, что здесь к чему, сравнить эти 2 вида кирпича и определить их области применения.

Для начала несколько теоретических моментов.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей в течение 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в 1 К.
Теплоемкость - способность материала при нагревании поглощать теплоту. Теплоемкость определяется отношением количества теплоты, сообщаемого телу, к соответствующему изменению температуры
Пористость - степень заполнения объема материала порами, измеряется в %
Плотность кирпича определяется массой кирпича на единицу его объема
Морозостойкость - способность материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии без признаков разрушения

А теперь давайте попробуем порассуждать о возможности применения шамотного кирпича.

1. Шамотный кирпич будет быстрее прогреваться и стенки кирпича будут более горячими, но при этом остывает он по времени почти столько же,сколько и керамический. В подтверждение этому опыты Евгения Колчина . Это очень удобно, например, в облицовках каминных топок.
2. Сам по себе шамотный кирпич имеет правильную геометрическую форму где любая из 6 граней может быть лицевой(точнее 5 - ложок с клеймом не подойдет) - с этим преимуществом не может поспорить керамический кирпич(там их всего 3). Данный факт позволяет работать почти без брака.
Так же наличие шамотных блоков (ШБ 94, ШБ 96) в некоторых моментах упрощают работу и увеличивают возможность использования шамота (полки, декоративные элементы)

3. Давайте обратимся к Европейскому опыту. Дополнительные теплонакопительные элементы(включая дополнительные дымообороты) для Brunner, Jotul, Schmid, Olsberg делают из шамота. Немецкая компания Wolfshoeher Tonwerke выпускает шамотные элементы для дымооборотов и теплонакопительных печей. Мало кто обращает внимание, но даже есть специальный класс - печные топки: их можно подключать только через систему дымооборотов.

4. Конечно, коэффициент расширения у шамотного и керамического кирпича разный, потому перевязывать их настоятельно не рекомендуется. Это еще раз подтвердил опыт Евгения Колчина.
5. Очень часто бытует мнение, что шамотный кирпич при нагревании выделяет вредные вещества или вообще радиоактивен. Последнее еще в теории(и только в теории!) как-то возможно, так как все зависит от места добычи глины, но вот в первое верится с трудом. Скорее всего, причина возникновения слуха о выделении вредных веществ в следующем. Шамотный кирпич - один из видов огнеупорных материалов(подгруппы алюмосиликатных огнеупоров: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые; а есть еще динасовые, муллитовые и др. огнеупоры), а их очень много, изготавливаются они разным способом. Возможно, что при нагревании некоторых из них и выделение вредных веществ, но это не относится к шамотному кирпичу, так как он предназначен для бытового использования.
6. Еще одним недостатком шамотного кирпича можно назвать его меньшую, по сравнению с керамическим кирпичом, морозостойкость. Многи скажут, что для барбекю он не подойдет. Я не так давно работаю печником, но то, что было сделано на улице мной 3-5 лет назад бес признаков разрушения. Да и всегда можно защитить шамотный кирпич лаками или тем же жидким стеклом

Подбирая подходящий материал для проведения того или иного вида строительных работ, особое внимание следует обращать на его технические характеристики. Это касается и удельной теплоемкости кирпича, от которой во многом зависит потребность дома в последующей термоизоляции и дополнительной отделке стен.

Характеристики кирпича, которые влияют на его применение:

• Удельная теплоемкость. Величина, определяющая количество тепловой энергии, необходимой для нагревания 1 кг на 1 градус.
• Теплопроводность. Очень важная характеристика для кирпичных изделий, позволяющая определить количество передаваемого тепла со стороны комнаты на улицу.
• На уровень теплопередачи кирпичной стены прямым образом влияют характеристики использованного для ее возведения материала. В тех случаях, когда речь идет о многослойной кладке, потребуется учитывать коэффициент теплопроводности каждого слоя в отдельности.

Керамический

Полезная информация:

Исходя из технологии производства, кирпич классифицируется на керамическую и силикатную группы. При этом оба вида имеют значительные материала, удельной теплоемкости и коэффициенту теплопроводности. Сырьем для изготовления керамического кирпича, еще его называют красным, выступает глина, в которую добавляют ряд компонентов. Сформированные сырые заготовки подвергаются обжигу в специальных печах. Показатель удельной теплоемкости может колебаться в пределах 0,7-0,9 кДж/(кг·K). Что касается средней плотности, то она обычно находится на уровне 1400 кг/м3.

Среди сильных сторон керамического кирпича можно выделить:

1. Гладкость поверхность. Это повышает его внешнюю эстетичность и удобство укладки.
2. Стойкость к морозу и влаге. В обычных условиях стены не нуждаются в дополнительной влаго- и термоизоляции.
3. Способность переносить высокие температуры. Это позволяет использовать керамический кирпич для возведения печей, мангалов, жаропрочных перегородок.
4. Плотность 700-2100 кг/м3. На эту характеристику непосредственно влияет наличие внутренних пор. По мере увеличения пористости материала уменьшается его плотность, и возрастают теплоизоляционные характеристики.

Силикатный

Что касается силикатного кирпича, то он бывает полнотелым, пустотелым и поризованным. Исходя из размеров, различают одинарные, полуторные и двойные кирпичи. В среднем силикатный кирпич обладает плотностью 1600 кг/м3. Особенно ценятся шумопоглощающие характеристики силикатной кладки: даже если речь идет о стене небольшой толщины, уровень ее звукоизоляции будет на порядок выше, чем в случае применения других типов кладочного материала.

Облицовочный

Отдельно стоит сказать об облицовочном кирпиче, который с одинаковым успехом противостоит и воде, и повышению температуры. Показатель удельной теплоемкости этого материала находится на уровне 0,88 кДж/(кг·K), при плотности до 2700 кг/м3. В продаже облицовочные кирпичи представлены в большом многообразии оттенков. Они подходят как для облицовки, так и для укладки.

Огнеупорный

Представлен динасовыми, карборундовыми, магнезитовыми и шамотными кирпичами. Масса одного кирпича довольно большая, по причине значительной плотности (2700 кг/м3). Самый низкий показатель теплоемкости при нагревании у карборундового кирпича 0,779 кДж/(кг·K) для температуры +1000 градусов. Скорость нагревания печи, уложенной из этого кирпича, значительно превышает нагрев шамотной кладки, однако охлаждение наступает быстрее.

Из огнеупорного кирпича обустраиваются печи, предусматривающие нагревание до +1500 градусов. На удельную теплоемкость данного материала большое влияние оказывает температура нагрева. К примеру, тот же шамотный кирпич при +100 градусах обладает теплоемкостью 0,83 кДж/(кг·K). Однако, если его нагреть до +1500 градусов, это спровоцирует рост теплоемкости до 1,25 кДж/(кг·K).

Зависимость от температуры использования

На технические показатели кирпича большое влияние оказывает температурный режим:

• Трепельный . При температуре от -20 до + 20 плотность меняется в пределах 700-1300 кг/м3. Показатель теплоемкости при этом находится на стабильном уровне 0,712 кДж/(кг·K).
• Силикатный . Аналогичный температурный режим -20 — +20 градусов и плотность от 1000 до 2200 кг/м3 предусматривает возможность разной удельной теплоемкости 0,754-0,837 кДж/(кг·K).
• Саманный . При идентичности температуры с предыдущим типом, демонстрирует стабильную теплоемкость 0,753 кДж/(кг·K).
• Красный . Может применятся при температуре 0-100 градусов. Его плотность может колебаться от 1600-2070 кг/м3, а теплоемкость – от 0,849 до 0,872 кДж/(кг·K).
• Желтый . Температурные колебания от -20 до +20 градусов и стабильная плотность 1817 кг/м3 дает такую же стабильную теплоемкость 0,728 кДж/(кг·K).
• Строительный . При температуре +20 градусов и плотности 800-1500 кг/м3 теплоемкость находится на уровне 0,8 кДж/(кг·K).
• Облицовочный . Тот же температурный режим +20, при плотности материла в 1800 кг/м3 определяет теплоемкость 0,88 кДж/(кг·K).
• Динасовый . Эксплуатация в режиме повышенной температуры от +20 до +1500 и плотности 1500-1900 кг/м3 подразумевает последовательное возрастание теплоемкости от 0,842 до 1,243 кДж/(кг·K).
• Карборундовый . По мере нагревания от +20 до +100 градусов материал плотностью 1000-1300 кг/м3 постепенно увеличивает свою теплоемкость от 0,7 до 0,841 кДж/(кг·K). Однако, если нагревание карборундового кирпича продолжить далее, то его теплоемкость начинает уменьшаться. При температуре +1000 градусов она будет равняться 0,779 кДж/(кг·K).
• Магнезитовый . Материал плотностью 2700 кг/м3 при повышении температуры от +100 до +1500 градусов постепенно увеличивает свою теплоемкость 0,93-1,239 кДж/(кг·K).
• Хромитовый . Нагревание изделия плотностью 3050 кг/м3 от +100 до +1000 градусов провоцирует постепенное возрастание его теплоемкости от 0,712 до 0,912 кДж/(кг·K).
• Шамотный . Обладает плотностью 1850 кг/м3. При нагревании от +100 до +1500 градусов происходит увеличение теплоемкости материала с 0,833 до 1,251 кДж/(кг·K).

Подбирайте кирпичи правильно, в зависимости от поставленных задач на стройке.