Газосиликат теплопроводность: Теплопроводность газосиликатных блоков в сравнении с другими материалами

Содержание

Теплопроводность газосиликатных блоков в сравнении с другими материалами

Способность к эффективному удержанию тепла внутри помещений играет ключевую роль при выборе материалов для возведения наружных стен зданий, характеристики, отражающие ее в количественном выражении, обязательно учитываются при проведении расчета их толщины. Неизменно высокие результаты показывают газосиликатные блоки и плиты, обеспечивающие низкую термопередачу при минимальной нагрузке на основание и достаточно хорошей прочности.

Определение и влияние на другие характеристики

В количественном выражении отражает способность газосиликата проводить тепло с учетом его постоянного агрегатного состояния и условий эксплуатации. По сути является аналогом электропроводимости: чем она выше, тем активнее происходит теплообмен. Существует прямая связь между толщиной строительных конструкций, удельным весом и структурой их основы и показателем термопередачи.

Пористые и удерживающие внутри воздух блоки или плиты в сухом виде имеют неизменно низкую теплопроводность, уплотненные разновидности – наоборот.

Обратная величина этой характеристики – способность к препятствованию прохождения тепла сквозь структуру: чем она выше, тем лучше элементы подходят для утепления или постройки энергосберегающих сооружений. По этой причине для организации отвода или теплопередачи используются элементы из стали или алюминия, имеющие крайне низкое термическое сопротивление, а при необходимости поддержки определенного режима внутри – стройматериалы с ячеистой или волокнистой структурой: дерево, минвата, газосиликат или пенобетон, поризованная или пустотелая керамика, пенопласт, ППУ, эковата.

Кладочные изделия представлены марками с разной плотностью, в пределах D300-D400 они относятся к теплоизоляционным, D500 и D600 – совмещают утепляющие и конструкционные способности, свыше D700 – не обладают энергосберегающими свойствами. D400 могут использоваться при возведении нагружаемых стен, но лишь при условии их надежного армирования и поддержки каркасом, при исключении мостиков холода в дополнительной защите от потерь тепла они не нуждаются. При повышении плотности марки скорость теплообмена между наружной и внутренней средой увеличивается, что приводит к необходимости утепления фасада.

Марка плотности D300 D400 D500 D600
Теплопроводность г в сухом состоянии, Вт/м·°C 0,08 0,096 0,12 0,14
Коэффициент паропроницаемости газосиликата, мг/м·ч·Па 0,26 0,23 0,2 0,16

Это значение подтверждается производителем опытным путем, для его определения в домашних условиях можно направить на блок горелку (или поставить его на плиту) и измерять изменение температуры в 3-4 см углублении на другой стороне с интервалом в 1 мин. После прекращения нагрева отслеживается динамика охлаждения. Такой опыт позволяет проверить не только изоляционные свойства, но и огнестойкость.

Сравнения коэффициентов теплопроводности газоблоков и других материалов

Большинство современных строительных конструкций, разделяющих зоны с разными температурами, являются многослойными. Их величина термического сопротивления суммируется с учетом толщины каждой прослойки в метрах и термопроводности при стандартных условиях (нормальной влажности и температуре). Усредненные нормативные значения последней приведены в таблице ниже:

Вид Средний диапазон плотности, кг/м
3
Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/м·°C
Мелкоштучные кладочные изделия и блоки из искусственного камня
Кирпич красный плотный 1700-2100 0,67
То же, пористый 1500 0,44
Силикат 1000-2200 0,5-1,3
Керамический поризованный камень 810-840 0,14-0,185
Многопустотные камни из легкого бетона 500-1200 0,29-0,6
Дерево
Дуб 700 0,23
Клен 620-750 0,19
Лиственница 670 0,13
Липа 320-650 0,15
Сосна 500 0,18
Береза 510-770 0,15
Блоки и плиты из ячеистых видов бетона
Пенобетон 300-1250 0,12-0,35
Автоклавные газосиликатные и газобетонные 280-1000 0,07-0,21
Строительные плиты из пористого бетона 500-800 0,22-0,29
Утеплители
Пенополистирол 40 0,038
Маты из минеральной ваты 50-125 0,048-0,056
Эковата 35-60 0,032-0,041

Несложно заметить, что из всех видов кладочных материалов автоклавные газосиликатные блоки в разы выигрывают в сопротивлении теплопередаче. На практике это означает возможность уменьшения толщины стен при равном теплообмене и отсутствии необходимости их наружного утепления. В этом плане они уступают лишь дереву, для сравнения: равную теплопроводность имеют 140 мм сухого бруса, 250 – кладки из газосиликата, 500 – керамзитобетона и 650 – монолитной стены из кирпича. У продукции, используемой при утеплении, такая же низкая эффективность теплообмена наблюдается у плиты ППУ толщиной в 25 мм, полистирола в 60, пробки в 70 и минеральной ваты в 80.

Высокая способность к удержанию тепла допускает использование как конструкционных изделий, так и в качестве изолятора. Марки D500 и D600 совмещают оба свойства, но при превышении плотности свыше 700 кг/м3 сопротивление теплопередаче снижается и возникает потребность либо в наружном утеплении, либо в увеличении толщины кладки, и как следствие – росту затрат. С целью исключения ошибок этот параметр определяет расчет, проводимый на стадии проектирования и учитывающий климатические условия региона, требуемую температуру внутри здания и точную теплопроводность.


 

Газосиликатный блок 600*200*300 (г.Бор) — Блоки газосиликатные

Газосиликатный блок 600*200*300 (г.Бор)  Купить Борский газосиликатный блок со склада в Нижнем Новгороде можно по тел. 8(831)283-59-20 Доставку строительных материалов мы осуществляем собственным автотранспортом. Это сэкономит Ваше время на поиск необходимого транспорта. Компания имеет собственный автопарк.

Основные характеристики

Количество Шт на поддоне

50

Морозостойкость (циклов)

F35

Материал

Газосиликат

Завод

Борский силикатный завод

Теплопроводность

01-04 Вт/м *C

Размер поддона

1200*1000

Вес поддона

1405 кг

Вместимость поддонов в ТС (кузов 9х2. 40)

10

Количество М3 на поддоне

1,8

Количество штук в 1 м3 с учетом растворных швов

27,8

Газосиликатные блоки: достоинства и недостатки. Марки D100

Газосиликатные блоки – относительно новый строительный материал с отличными эксплуатационными свойствами. Он используется при возведении малоэтажных объектов жилого, коммерческого и хозяйственного назначения. Изготовленные из цемента, гипса, извести и воды, газоблоки обладают рядом важных достоинств. Именно о них мы и расскажем в этой статье.


Газосиликатные блоки: + и −

В список наиболее важных достоинств этого строительного материала входят следующие:

  • Прочность на сжатие. Газосиликатные блоки имеют несколько классов прочности, самые распространенные из них – В-1,5, В-2,5 и В-3,5. Блоки с показателем B-3,5 выдерживают нагрузку до 600 кг/куб.м. и используются для строительства несущих стен в домах высотой до 5 этажей.

  • Отличные теплоизоляционные свойства. Благодаря своей пористой структуре, газосиликат прекрасно аккумулирует и сохраняет тепло внутри дома. Теплопроводность стен из этого материала в 8 раз ниже, чем у стен из кирпича.

  • Высокая паропроницаемость. Важное преимущество газосиликатных блоков – в том, что они хорошо пропускают воздух, поэтому в помещении создается комфортный микроклимат, свойственный деревянным домам.

  • Идеальная геометрия. Строить из газоблоков – удобно, быстро и легко. Элементы кладки прочно фиксируются специальным клеем, между ними не остается «мостиков холода».

  • Малый вес. При всей своей прочности, газосиликат в 5 раз легче бетона. Стены из этого материала не нуждаются в массивном фундаменте.

  • Превосходная звукоизоляция. По этому показателю кладка из газосиликатных блоков в 10 раз превосходит кирпичную.

  • Морозостойкость. Стены из данного материала выдерживают не менее 100 циклов, сохраняя при этом все свои эксплуатационные свойства.

  • Долговечность. Газосиликат не подвергается воздействию грибка и плесени, а также не разрушается грызунами.

  • Пожаробезопасность. Этот материал не горит, не плавится и не выделяет опасных газов даже на открытом огне.

  • Экологичность. По данному показателю газосиликат уступает лишь древесине. Он не имеет запаха и не выделяет токсичных веществ.

Наряду со всеми вышеописанными плюсами, газосиликатные блоки имеют несколько минусов:

  • Высокая гигроскопичность. Газобетон хорошо впитывает влагу, вследствие чего теряет свои эксплуатационные характеристики. Поэтому стены из этого материала нуждаются в качественной гидроизоляции.

  • Хрупкость. Газосиликатные блоки прочны на сжатие, но они плохо выдерживают нагрузку на изгиб и растяжение. Хранить, транспортировать и использовать такой материал нужно с осторожностью.

  • Усадка. Она может быть весьма значительной, поэтому каждый третий-четвертый ряд газосиликатной кладки рекомендуют укреплять армирующей сеткой или арматурой. Если это не сделать, то стена может со временем дать трещину.

Важно также учитывать, что при увеличении прочностных характеристик этот материал теряет свои теплоизоляционные свойства.

Газосиликатные блоки: какие лучше для строительства дома

При выборе строительного материала важно ориентироваться на следующие характеристики:

Плотность. Блоки марок D100, D200 и D300 используются только в качестве теплоизоляционного материала. Для строительства подходит газосиликат марок D400, D500 и D600. Чем выше данный показатель, тем плотнее будут блоки, и наоборот.

Прочность. Для строительства одноэтажных домов применяются газоблоки классов В-1,5 и B-2,0. Одноэтажные и двухэтажные коттеджи с перекрытиями из легких конструкций возводятся из газосиликата класса В-2,5. Блоки с показателем прочности B-3,5 предназначаются для обустройства двухэтажных домов с монолитным перекрытием. Самый прочный материал – класса B-5,0 – можно использовать при строительстве конструкций высотой 3-5 этажей.

Теплопроводность. Чем меньше плотность этого материала, тем выше его теплоизоляционные качества. Газоблоки класса D400 имеют коэффициент теплопроводности 0,083-0,104 Вт/м°C, а класса D600 – 0,112-0,144 Вт/м°C. Более «воздушный» материал, в свою очередь, отличается меньшей теплопроводностью: у газосиликата D300 этот показатель составляет 0,072 – 0,088 Вт/м°C, а у D200 и D100 он еще ниже.

При выборе газосиликатных блоков важно учитывать все плюсы и минусы этого материала, а также технические характеристики дома, для строительства которого они приобретаются. Заказать газосиликатные блоки по выгодной цене с доставкой по России можно в компании «Керамик Групп».

Вся правда о теплопроводности газосиликата | ДокаVКирпиче

Сравнение по теплопроводности нескольких строительных материалов

Сравнение по теплопроводности нескольких строительных материалов

Рост популярности газобетона в нашей стране был очень бурным. В период после кризиса 2009 года по самый пиковый по темпам роста экономики 2014 год в нашей стране объемы производства данного материала увеличились с 5 млн. куб. м. до 13 млн. куб. м. Этому способствовал рост популярности частного домостроения и монолитно-каркасных многоэтажек. Все пытались сэкономить за счет относительно новых и дешёвых материалов с отличными показателями теплопроводности. Но так ли все просто как кажется? Не слишком ли все радужно. Почему, имея передовые технологии и огромный опыт в выпуске газобетона, европейские страны относят ячеистые бетоны к разряду эконом класса и все меньше и реже используют их в строительстве.

Примерный график роста предложения на рынке газобетона в России

Примерный график роста предложения на рынке газобетона в России

В предыдущей статье я подробно развенчал миф о высокой морозостойкости автоклавного газобетона. В этой статье хотелось бы раскрыть правду о теплопроводности данного строительного материала.

Показатели теплопроводности газосиликата получают расчетным путем. Причина тому то, что получить показатель теплопроводности, который указывается в паспорте, в реальности очень сложно. Соглашусь, что теплопроводность 0,09 Вт/(м. гр. Ц.) весьма впечатляет и сложно привести пример с лучшим значением и способностью выполнять роль несущих стен. Но данный показатель характерный для газобетонных блоков плотностью D400 возможен только при влажности блока 0%, то есть в сухом состоянии.

Скриншот характеристик блока с сайта одного из производителей Поволжья

Скриншот характеристик блока с сайта одного из производителей Поволжья

В реальной жизни газосиликатные блоки с таким содержанием влаги не встречаются. Даже в полностью сухом помещении газобетон будет иметь влажность минимум 3-4%, так как в воздухе в отапливаемом помещении зимой влажность все равно не менее 25%. Блоки из газосиликата довольно гигроскопичны, то есть имеют способность забирать влагу из воздуха, поэтому если воздух имеет хотя бы минимальную влажность, то газобетон часть её будет впитывать в себя.

Как итог при минимально возможной влажности в 4% получаем теплопроводность блока D400 0,12 Вт/(м. гр. Ц.). Согласитесь, что увеличение показателя на 33% это весьма значительная корректировка, способная коренным образом повлиять на расчеты по объёму и количеству материала.

Просчитать необходимое количество стройматериалов без знания всех нюансов бывает непросто

Просчитать необходимое количество стройматериалов без знания всех нюансов бывает непросто

Но дальше, как говориться, больше! Газобетонный блок в наружной стене взаимодействует как с воздухом внутри помещения, так и с внешней средой. Как известно влажность атмосферного воздуха несравнимо выше, чем воздуха в отапливаемом помещении. Как результат, равновесная влажность газосиликатного блока в наружной стене будет выше 4% и примерно равна 8%.

Таким образом, коэффициент теплопроводности при стандартной эксплуатации увеличивается до 0,15 Вт/(м. гр. Ц.). Плюс ко всему не стоит забывать об отпускной влажности автоклавного газобетона. Как известно содержание воды в блоках, отгружаемых с заводов-производителей в среднем 25% и достижение эксплуатационной влажности может занимать от одного до двух сезонов в зависимости от отделочных материалов и климата. То есть построив дом летом 2020 года в средней полосе России и облицевав, например, керамическим кирпичом, рассчитывать на теплопроводность блоков D400 хотя бы в 0,15 Вт/(м.гр.Ц.) вы сможете не раньше осени 2022 года.

Вот такие вот не хитрые подсчеты. Использовать ли в своем доме газобетон или какой-либо другой материал решать только Вам. Моя задача рассказать о нюансах, о которых вы не узнаете от менеджера по продажам или строителя, так как материал для них очень удобен и выгоден.

Жду ваших комментариев о вашем опыте строительства из газосиликата.

Страница не найдена — Строим из кирпичей

Кирпичи

Высококачественный лицевой керамический кирпич производится в Курганской области на Брылинском месторождении глины. Брылинский кирпич

Пеноблоки

В последнее время новые дома сдают без внутренних перегородок и отделки. Это осуществляется с

Разное

Дачный сезон в полном разгаре! Кто-то приезжает на дачу только отдыхать, кто-то выращивает овощи

Разное

Построить свой дом намного выгоднее, чем купить уже готовое домовладение. Постройка дома обойдется дешевле

Разное

Сделанная своими руками коптильня может стать предметом гордости любого хозяина. Собственноручно закопченное мясо, рыба,

Разное

Дома, построенные из газобетонных блоков – это отличный способ существенно сэкономить на стройматериалах, не потеряв при

Газосиликатные блоки | Березовский КСИ

Технология изготовления газосиликатных блоков

 

       Приготовление ячеисто-бетонной смеси     

                      Дозировку компонентов смеси: песчаного шлама, шлама из отходов от резки, калибровки массивов и промывки смесителя, дополнительной воды, цемента, известково-песчаного вяжущего или молотой извести, алюминиевой суспензии производят автоматически при помощи весов  с точностью ± 1 %.

                       Приготовление газобетонной смеси производится в смесителе с числом оборотов 1400 мин-1  .

                       Дозировка  компонентов в смеситель производится в следующем порядке: шлам-отходы, песчаный шлам, дополнительная вода, цемент, известково-песчаное вяжущее или молотая известь, водно-алюминиевая суспензия. Время загрузки компонентов смеси в смеситель с одновременным перемешиванием должно быть не более 3 мин.   

           Управление процессом дозирования и  смесеприготовления  осуществляется с центрального пульта. Система управления процессом дозирования и смесеприготовления  с программной памятью (SIMATICS 7)  работает  автоматически и управляется от компьютеров. Заливка смеси из смесителя  производится в форму, при помощи распределительной системы.. По окончании процесса формования или перерыва в работе более 0,5 ч  мешалка промывается водой в количестве 150-200 кг и отходы от промывки подаются в расходную емкость и далее в мешалку для перемешивания отходов при удалении «горбушки» и калибровки массивов и затем в шламбассейн для возвратного шлама.

Формование ячеисто-бетонного массива

              Ячеисто-бетонная смесь заливается в формы, затем при помощи трансбордера устанавливается на ударный стол. По мере вспучивания бетонной смеси  включается площадка с применением ударных воздействий (высота падения и частота удара настраивается),которые используются для тиксотропного разжижения ячеисто-бетонной смеси во время её вспучивания. Процесс формования заканчивается при достижении максимальной высоты массива и окончания газовыделения. После вспучивания ячеисто-бетонной смеси форма трансбордером передаётся в камеры отверждения для достижения необходимой пластической прочности.   

Созревание ячеисто – бетонного массива

             Созревание ячеисто-бетонного массива  происходит в камерах отверждения при температуре воздуха не менее 20  оС до приобретения требуемой пластической прочности сырца 1,5-2,7 ед.

Разрезание ячеисто-бетонного массива

              Форма с  «созревшим » массивом трансбордером передаётся к крану для перестановки и комплектации и кантуется на 90º.

Замки формы открываются, и корпус формы отделяется от сырца массива, и последний остаётся на запарочном днище (борт-поддон), который устанавливается на тележку резательной машины. Пустой корпус формы транспортируется к устройству для  обратной подачи запарочных днищ, очищается и  соединяется с последним в единую форму.

              Установленный краном на тележку ячеисто-бетонный  массив-сырец подаётся под резательные машины. На станции боковой обрезки и профилировки струнами (стальная, высокопрочная проволока диаметром (0,8-1,0) мм осуществляется боковая вертикальная калибровка сырца, а также, при необходимости, специальными стальными ножами, нарезка профилей ( «паз-гребень»).

              Затем массив подается на продольную пилу для горизонтальной продольной резки, где производится его разрезка по ширине изделия с шагом равным 5 мм. Ширина изделий варьируется от 50 до 500 мм.

              После этого массив подается на установку поперечной резки. Разрезка осуществляется за счет опускающейся сверху вниз рамы со струнами, совершающими колебательные движения; осуществляется  фрезерование  ручных захватов; вакуумным устройством снимается верхний срезанный слой (горбушка).

              Разрезанный массив манипулятором устанавливается на автоклавную тележку.

              Все отходы от калибровки и разрезки ячеисто-бетонного массива собираются из под резательных машин и используются при приготовлении смеси.

Автоклавная обработка

                    Разрезанный  массив на запарочном  днище устанавливается на автоклавную тележку и передается на пути накопления, откуда подаются в тупиковый  автоклав 2,9 х 39 м, где производится  тепловлажностная  обработка.

                  С целью интенсификации твердения и сокращения времени автоклавной обработки осуществляется отвод конденсата из автоклава, перепуск пара из автоклава в автоклав. Процесс автоклавной  обработки ведется по заданной программе в   автоматическом  или ручном  режиме по утвержденным графикам в зависимости от плотности и ширины изделий. В зоне накопления  перед автоклавами должен быть обеспечен влажностно-тепловой режим.

Газосиликат | Статья | Дом из газосиликата

При строительстве дома необходимо учитывать множество нюансов, даже самых мелких. В число этих тонкостей входит выбор материала для несущих конструкций. Один из этих материалов – газосиликатные блоки. Вы хотите использовать этот материал, но не можете разобраться, в чем состоят его основные преимущества и в чем он выигрывает по сравнению с другими популярными материалами? Данная статья должна вам помочь.

Газосиликатные блоки

Газосиликат – особый материал с ячеистой структурой. Основные вещества, используемые при изготовлении – известь или песок, плюс вода со специальными добавками и алюминиевая паста.

Блоки разделяют на несколько видов в зависимости от назначения:

  1. блоки прочностью от D700 – это значит, что такие блоки можно использовать для возведения стеновых конструкций;
  2. D500-D700 – такой материал считается теплоизоляционным в легкой степени, поэтому используется для постройки стен максимум в три этажа;
  3. D400 – плотный материал, предназначен исключительно для уплотнения и улучшения теплоизоляционных качеств стен и остальных построек.

Блоки из силиката активно используются в строительстве, и конкретно в этой сфере их характеристики следующие:

  1. достаточно невысокая теплопроводность – за счет воздушных пор в структуре материала;
  2. прочность и легкость;
  3. газосиликат – экологичный материал;
  4. простота в работе.

Газосиликат очень дружелюбен к любым манипуляциям, его легко нарезать, пилить и так далее;

  • огне-, морозостойкость;
  • благодаря уже упомянутым порам газосиликат – «дышащий» материал, это способствует тому, что в комнатах и домах с такими конструкциями не будет жарко и душно. При желании можно снизить это свойство, уплотнив постройку из силиката;
  • высокая звукоизоляция;
  • невысокая цена.

Она иногда бывает решающим фактором при выборе строительного материала, однако не стоит относиться так легкомысленно к такой покупке — нужно тщательно изучить все возможные варианты. Но экономия при выборе именно газосиликатных блоков все же существенная.

Причем экономия совершается не только за счет выбора самого материала, который весьма недорог, но и тем, что сопутствующие при работе материалы с такими блоками также не ударят своей ценой по кошельку. А работа с ними сильно уменьшает количество затраченного времени.

Итак, если сравнивать с одним из самых популярных выборов для строительных работ – кирпичом, то по размерам силикатные блоки гораздо более стабильны. Поэтому при укладке этих блоков необходим клей, а не цементный раствор. Во-первых, клей выходит явно дешевле, чем цемент, во-вторых, он крайне экономичен (толщина шва 1-3 мм) – и это тоже сокращает расходы.

Во-вторых, как мы уже упомянули, силикатные блоки достаточно стабильны в размерах, их формы ровные и линейные. Это значит, что вам, скорее всего, не придется переделывать или корректировать проделанную работу, выравнивать, шпатлевать. Материал также облегчает последующие работы с внутренней отделкой, а это сохраняет не только вес вашего кошелька более тяжелым, но и ваши нервные клетки — целыми.

Легкость веса — еще одно достоинство. Для транспортировки блоков не нужно будет использовать специальную технику для погрузки и переноски блоков, как это приходится делать, например, с кирпичами.

За счет того, что блоки просты в эксплуатации, отпадает необходимость дополнительного переделывания работы (при необходимости). Экономия времени и средств очевидна.

Выводы

Благодаря своей легкости в переноске, работе и последующей эксплуатации блоки экономят вам время и деньги тем, что вам не придется многократно проверять и переделывать проделанную работу, потому что в 99% вы с первого раза все сделаете правильно и красиво.

За счет того, что материал имеет высокую звукоизоляцию, плюс к этому — прочность и низкий вес, вы обеспечиваете свое жилище очень удобной и практичной конструкцией. Она, к тому же, при своей цене, значительно выигрывает у более дорогостоящих материалов. В итоге проведенных работ вы гарантированно получаете около 30-40% экономии ваших средств.

Выходит, что газосиликатные блоки — наилучший выбор для проведения строительных работ, который прост в эксплуатации и достаточно недорог по цене.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Название идет здесь

%PDF-1.4 % 1 0 объект >поток 2014-01-28T15:33:05-05:00Microsoft® Word 20132022-02-22T22:19:46-08:002022-02-22T22:19:46-08:00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication/pdf

  • HP
  • Название идет здесь
  • uuid: 788ecc8f-b074-4ff9-9c50-0982f96e3c2euuid: 5c703226-9c89-11b2-0a00-70815088ff7fStampPDF Пакет 5. 1 27 января 2010 г., 9.0.1 конечный поток эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект >поток xXɎ7+LU\[>%\2&~Ȫngqle. W{$zp~o/W8[{P{q>bMmJ5`U#6YvfNχeJ&LO \,`eLυ+=i}ZG/ ysyW7wcxwl3G+zȪ;Q$7R%Y! tUw’z(2pҗ B~

    Экспериментальная оценка механической прочности и теплопроводности щелочно-активированного бетона на основе ГГБФС и микрокремнезема

    4.1. Механические испытания

    Масса и размеры образцов были измерены перед проведением испытаний. испытаний для расчета среднего удельного веса геополимерного бетона, в результате чего получилось примерно 2300 кг/м 3 , что несколько ниже плотности бетона OPC.

    представляет результаты экспериментальной программы: сообщаются результаты каждого образца (fi), затем среднее значение (fm) прочности на сжатие, прочности на растяжение и прочности на изгиб с соответствующим коэффициентом вариации (COV = стандартное отклонение, деленное на среднее значение) рассчитываются в соответствии с тестируемым возрастом.

    Таблица 4

    Результаты механических испытаний.

    Свойство Возраст испытания (дни) ID_specimen fi (МПа) fm (МПа) COV (%)
    Прочность на сжатие 7 GC_C1
    GC_C2
    GC_C3
    2,00721
    21,29
    28,70
    24,40 16
    14 GC_C4
    GC_C5
    GC_C6
    41,75
    50,36
    50,68
    47,59 11
    28 GC_C7
    GC_C8
    GC_C9
    42,04
    47,51
    29,71
    39,75 23
    90 GC_C10
    GC_C11
    GC_C12
    33,76
    24,58
    23,28
    27,21 21
    Предел прочности на разрыв 28 GC_T1
    GC_T1
    GC_T3
    3. 52
    3,19
    2,96
    3,22 9
    90 GC_T4
    GC_T5
    GC_T6
    2,41
    2,48
    2,68
    2,65 8
    Прочность на изгиб 28 GC_F1
    GC_F2
    GC_F3
    6.02
    6.49
    6.14
    6. 22 6.22 4
    4

    GC_F4
    GC_F5
    GC_F6
    5.70
    5.93
    5.71
    5.78 2

    Согласно предыдущим исследованиям [63,73,74], результаты экспериментов показали, что большая часть прочности на сжатие набирается уже в первые 7 дней от литья, но также отмечается, что отверждение время неизменно влияло на производительность. Действительно, значение f см примерно удвоилось по сравнению с тестами, проведенными через 7 дней после отверждения, до тех, что через 14 дней, и улучшилось от 7 дней до длительного времени, но наблюдалось снижение примерно на 16% и 43%. через 28 и 90 дней по сравнению с 14 днями соответственно.Что касается разброса данных, более высокое значение COV (до 23%) повлияло на показатели при времени отверждения более 14 дней.

    Все измеренные свойства через 90 дней показали снижение прочности; этот эффект может быть связан с условиями отверждения в среде с высокой влажностью или с неконтролируемой влажностью, как это произошло с испытанными образцами, что сыграло важную роль в развитии прочности на сжатие [75]. Действительно, когда продукты подвергаются воздействию влажного воздуха, могут возникнуть явления высолов и субфлоресценции из-за высокой щелочности и высокой подвижности щелочей, а процесс потери щелочей может повлиять на прочность на сжатие.В частности, явление субфлуоресценции, которое не видно извне и имеет место под поверхностью материала, приводит к давлению кристаллизации, которое может превышать предел прочности отвержденных связующих и вызывать структурные повреждения [76,77]. Долгосрочная потеря прочности была также подтверждена Humad et al. [78], особенно для смесей, активированных силикатом натрия, подобных анализируемой в данной работе, которые показали значительную степень карбонизации с сильно растрескавшимися участками уже после 12 месяцев хранения в лабораторных условиях (20°С ± 2°С и 40°С). % ± 7% относительной влажности).Однако необходимы дальнейшие экспериментальные испытания для исследования долговременных свойств предлагаемой смеси, в том числе с помощью микроскопического анализа, чтобы получить полную характеристику материала.

    Поскольку снижение прочности на сжатие наблюдалось при времени отверждения более 14 дней, экспериментальные средние значения прочности на сжатие, также указывающие стандартное отклонение для каждого экспериментального значения, нанесены на график по отношению к обратной величине испытательного возраста (). Это позволяет определить асимптотическое значение прочности посредством линейной регрессии (с коэффициентом детерминации R 2 = 0.94), что равно 25,2 МПа.

    Линейная регрессия прочности на сжатие как функция обратной зависимости от времени отверждения.

    Поведение AAC, выявленное в этом исследовании, не отражает поведения обычного бетона, отвержденного в стандартных условиях, для которого со временем ожидается повышение прочности. Следовательно, к этому материалу неприменимы квалификационные правила с точки зрения времени контроля и условий окружающей среды, используемые для обычного бетона, но необходимо разработать новые процедуры, специально предназначенные для определения расчетной прочности.В частности, если определены стандартизированные смеси, может быть установлен специальный набор испытаний на сжатие в разное время отверждения (по крайней мере, три возраста) для экстраполяции эффективного сопротивления в течение длительного времени с помощью предлагаемой процедуры.

    Кроме того, снижение прочности на сжатие является относительно более значительным, чем снижение прочности на растяжение и изгиб; последний варьируется намного меньше по сравнению с пределом прочности при растяжении, что также свидетельствует о меньшем разбросе данных.

    Тем не менее, необходимы дальнейшие анализы путем мониторинга микроструктурных и минералогических изменений, чтобы лучше понять поведение материала, а также вопросы долговечности в долгосрочной перспективе.

    показывает вид разрушения образцов, обычно получаемых после испытаний.

    Разрушение образцов: ( a ) испытание на сжатие, ( b ) испытание на растяжение при раскалывании, ( c ) испытание на изгиб.

    Для анализа сопротивления газобетона растяжению и изгибу полезно сравнить экспериментальные результаты, представленные в , с теми, которые ожидаются при применении составов, предложенных кодами для OPC или технической литературой, относящейся к активируемым щелочью материалам.В частности, рассматриваются следующие стандарты и соотношения для OPC:

    • Еврокод 2 (EN 1992) [79] для класса прочности бетона C ≤ 50/60

      fctm=0,30 · fck2/3 с fck=fcm-8 ; fcfm=1,2 · fctm        МПа

      (5)

    • Американские стандарты (ACI 318) [80]

      fctm=0,56·(fcm)1/2; fcfm=0,62 · fcm1/2    МПа

      (6)

      где fctm и fcfm — среднее значение прочности на разрыв при раскалывании и прочности на изгиб соответственно, а fcm — среднее значение прочности на сжатие цилиндра.

    Различные исследования подтвердили, что геополимерный бетон показывает лучшие характеристики при растяжении по сравнению с положениями для OPC [35,48,49,81], особенно для геополимерного бетона термического отверждения [47]. Этот аспект побудил нескольких авторов предпринять попытки разработки новых конкретных эмпирических корреляций с учетом экспериментальных результатов всех условий отверждения и возрастов, вместо этого в предыдущих исследованиях отсутствуют новые формулировки поведения при изгибе. Рю и др.[82] обнаружили, что предел прочности при расщеплении (fct) по отношению к цилиндрической прочности на сжатие (fcm) ниже, чем это обеспечивается формулами ACI 363R-92 [83] и Model Code [84], предлагая, следовательно, следующее уравнение (7):

    fct=0,17fcm3/4    МПа

    (7)

    Другие формулировки, основанные на экспериментальных исследованиях, были предложены Lee-Lee [85] (уравнение (8)), Hardjito [86] (уравнение (9) )), Нгуен и соавт. [35] (Уравнение (10)) для прочности на разрыв при расщеплении fct как функции прочности цилиндра на сжатие fcm:

    fct=0. 45fcm1/2    МПа

    (8)

    fct=0,7fcm1/4    МПа

    (9)

    fct=0,858fcm0,41    МПа

    (10)

    3 и вышеупомянутые составы описаны в ; использованы результаты экспериментов с учетом испытаний на 28 и 90 сутки твердения. Средняя ошибка между экспериментальными и теоретическими значениями (e=∑iNfcti,exp−fcti,th/fcti,exp2/N, где

    N = 6 — количество измеренных значений, fcti,exp и fcti,th — значение прочности на растяжение, измеренной по результатам испытаний и рассчитанной по кодам, соответственно) рассчитывается и сообщается также для различных составов.

    Сравнение экспериментальных значений прочности на растяжение, предложенных в литературе экспериментальных зависимостей для AAC и стандартных зависимостей для OPC в зависимости от прочности на сжатие.

    Формула ACI дает наилучшую подгонку, но она небезопасна, в то время как точно такая же подгонка дается уравнением (8), которое также является безопасным, поскольку используемое сырье и условия отверждения, применяемые в этом исследовании, аналогичны указанным в Ссылка [85]. Вместо этого различие между другими отношениями, предложенными предыдущими авторами, вероятно, связано с изменчивостью алюмосиликатного материала, используемого в составе смеси; поэтому было бы важно определить более стандартизированные смеси и провести классификацию, в том числе с учетом экономических аспектов, чтобы иметь возможность определить надежные формулы механических характеристик.

    Принимая во внимание экспериментальные показатели из , регрессия с тем же подходом OPC разработана с получением R 2 = 0,91, что подтверждает эффективность типа состава.

    Что касается сопротивления растяжению при изгибе, показано сравнение между экспериментальными значениями и теоретическими значениями, рассчитанными в соответствии со стандартами Eurocode 2 и ACI 318 для OPC в зависимости от fcm; это приводит к удвоению стандартных условий, что также вдвое превышает сопротивление, измеренное при чистом растяжении.В регрессионной формулировке результаты эксперимента также представлены в виде fcf=kfcmα, что представляется эффективным подходом для OPC. Улучшенные характеристики изгиба примерно 60% геополимерного бетона по сравнению с прогнозом ACI были также признаны Warhono et al. [87]. Эти результаты зависят от более прочной связи между геополимерным связующим и заполнителем. Действительно, согласно Lee & Deventer [88], использование растворимых силикатов способствует большей связи между частицами геополимерных вяжущих с поверхностью заполнителя, чем в случае обычного бетона, поэтому разорвать связь между ними труднее.Более высокое когезионное поведение не улучшает сопротивление растяжению, но увеличивает предельный изгибающий момент из-за постпикового вклада определяющего соотношения при растяжении, что приводит к более высокому сопротивлению при изгибе.

    Сравнение экспериментальных значений прочности на изгиб и теоретических значений, рассчитанных согласно стандарту OPC.

    4.2. Термические испытания

    Теплопроводность является наиболее важным тепловым свойством, влияющим на передачу тепла через бетон.Использование бетона с низкой теплопроводностью, в том числе для конструктивных элементов, способствует снижению тепловых потерь оболочки здания и, следовательно, энергопотребления здания. В частности, теплопроводность указывает количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, перпендикулярном поверхности единицы площади, из-за единичного градиента температуры при данных условиях. Это влияет на кондуктивный теплообмен. Для измерения теплопроводности использовались две геополимерные панели.Рабочая температура таких панелей, с учетом типичных диапазонов для зданий, обычно может варьироваться от -10 ° C до 50 ° C в большинстве климатических зон по всему миру. Следовательно, это последнее свойство измеряется при трех уровнях температуры (T), т. Е. -10 ° C, 20 ° C и 50 ° C. В связи с этим во всех случаях устанавливается разность температур (Δ T ) в 6 °С между горячей и холодной пластинами. показывает результаты.

    Таблица 5

    Измерения теплопроводности.

    λ (Вт/м·K) при −10 °C λ (Вт/м·K) при 20 °C λ (Вт/м·K) при 50 °C
    0 . 51 ± 0,01 0,57 ± 0,01 0,64 ± 0,01

    Прежде всего, можно отметить, что тепловое поведение изменяется в зависимости от рабочей температуры, так как теплопроводность может увеличиться более чем на 25% от -10 ° С до 50 °С. Тем не менее, существует регулярный наклон около 12% каждые 30 ° C изменения температуры. Небольшое увеличение ожидалось, но величина приращения несопоставима с другими значениями в литературе, поскольку исследователи обычно приводят только измерения с одним рабочим состоянием или рассматривают крайние диапазоны вариаций (20–800 °C).Например, Ван и др. [89] для зольного бетона обнаружили, что теплопроводность снижается с 1,69 до 0,95 Вт/м·К при повышении температуры от 20 °С до 550 °С. Вкратце, когда температура превышает обычное значение умеренной среды, изменение значения λ связано с химическими и физическими изменениями в структуре бетона, которая является неоднородной и проницаемой. Ким и др. [90] установили, что влажность образца и объемная доля заполнителя являются основными действующими факторами теплопроводности бетона.рассмотрено влияние семи факторов на теплопроводность цементного теста, раствора и бетона. По этой причине значения in предполагают, что на теплопроводность, как и на прочность на сжатие, влияет содержание влаги, и, таким образом, явления выцветания и субфлоресценции также влияют на изоляционные свойства. Необходимы другие исследования для оценки распространенности этого явления в долгосрочной перспективе и эффекта старения. Действительно, установка во влажной среде может поставить под угрозу эффективность изоляции, или необходимо разработать специальные защитные продукты с высокой степенью воздухопроницаемости.

    На значение измеренной теплопроводности влияет пространственное распределение и соотношение объемов смешанных элементов и пустот, образующихся в процессе, а также материала высокой плотности. Для понимания влияния добавления шлака и микрокремнезема в производственный процесс значение, измеренное при 20 °C, сравнивают с теплопроводностью другого геополимерного бетона (вспененного или нет) и традиционных материалов, как сообщается в научной литературе. предлагает сравнение теплопроводности испытуемого образца с другими значениями, измеренными и опубликованными в литературе; здесь:

    • TC: традиционный бетон высокой плотности [91];

    • MT: традиционный раствор [91];

    • CF1: модифицированный бетон с летучей золой (FA1) [91];

    • OPSNFGC и OPSFGC15: скорлупа масличной пальмы, соответственно, невспененный и вспененный геополимерный бетон [92] с использованием отходов, таких как летучая зола с низким содержанием кальция и топливная зола пальмового масла в качестве вяжущих материалов, и скорлупа масличной пальмы в качестве легкого крупного заполнителя.

    • FA30: бетон с золой-уносом с 30% заменой цемента [93];

    • FA+BSF: бетон с летучей золой и доменной печью с 30% заменой цемента [93];

    • FC: пенобетон средней плотности [94];

    • SF+SI: бетон, содержащий 2 % силана и 15 % микрокремнезема в качестве добавки [95].

    Сравнение измеренной теплопроводности с имеющимися экспериментальными данными в литературе.

    Как видно из , экспериментальная смесь показала более низкую теплопроводность по сравнению с традиционными материалами (МТ и ТК) при сопоставимой плотности.Результаты доказывают, что добавленные материалы обеспечивают более высокое тепловое сопротивление по сравнению с обычной смесью без ущерба для структурных характеристик. Снижение теплопроводности составляет примерно -40% по сравнению с модифицированным бетоном с золой-уносом и доменной печью (FA30 и FA+BSF), даже если плотность сравнима, поэтому снижение теплопроводности не может быть связано с увеличением доли пустот. что должно уменьшить удельный вес бетона, но до свойства шлака и микрокремнезема.

    Кроме того, можно отметить, что измеренная электропроводность сравнима с невспененными геополимерными бетонами (ниже -2,0%) и пенобетонами, но плотность выше соответственно на 28% и 44%. Улучшения по сравнению с пенобетоном не ожидается, так как в этом случае улучшение теплопроводности происходит за счет пенообразователей, которые создают большой объем искусственных пор в затвердевших смесях, что приводит к увеличению термического сопротивления. Однако вспененные вяжущие пасты обычно не подходят для конструкционных целей из-за их значительно низкой прочности.Кроме того, литературные данные показывают, что для снижения теплопроводности бетона могут быть приняты два решения: замена заполнителей нормальной массы легкими заполнителями или замена обычного портландцемента дополнительными вяжущими материалами; однако эти методы обычно ухудшают механические свойства, как и в случае пенобетона.

    Таким образом, целью предлагаемого эксперимента является демонстрация того, что полученная смесь сочетает в себе хорошие термические и механические свойства.

    В дополнение к влиянию на поведение конструкции, более высокое значение плотности положительно влияет на повышение тепловой инерции/емкости оболочки здания, что очень эффективно в сезон охлаждения, поскольку увеличивает запаздывание и затухание волны тепла.

    Наконец, следует отметить, что на это сравнение влияют несколько факторов, которые могут изменить состав конкретной смеси, и на окончательные результаты могут в значительной степени повлиять такие параметры. В дальнейшем будут приготовлены и использованы для сравнения некоторые другие смеси в тех же условиях термических испытаний.

    Термический анализ динамики инфильтрации кальций-магний-алюмосиликат в термобарьерных покрытиях

  • [1] Либерт С. Х. и Миллер Р. А., «Керамические термобарьерные покрытия», Исследования и разработки в области промышленной и инженерной химии , Vol. 23, № 3, 1984, стр. 344–349. https://doi.org/10.1021/i300015a004

  • [2] Джонс Р.Л., Рейди Р.Ф. и Месс Д., «Scandia, оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, для термобарьерных покрытий», Surface and Coatings Technology , Vol. 82, №№ 1–2, 1996 г., стр. 70–76. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02646-0

  • [3] Evans HE и Taylor MP, «Диффузионные ячейки и химическое разрушение связующих покрытий MCrAlY в системах теплозащитных покрытий», Окисление металлов , Vol. 55, №№ 1–2, 2001 г., стр. 17–34. https://doi. org/10.1023/A:101036

      42

    • [4] Падтуре Н.П., Гелл М. и Джордан Э. Х., «Тепловые барьерные покрытия для газотурбинных двигателей», Science , Vol. 296, № 5566, 2002, стр. 280–284. https://doi.org/10.1126/science.1068609

    • [5] Ma W. и Dong H., «2–Ceramic Thermal Barrier Coating Materials», Thermal Barrier Coatings , под редакцией Xu H. и Го Х., Woodhead Publishing, Оксфорд, 2011 г., стр. 25–52.

    • [6] Нарапараю Р., Хюттерманн М., Шульц У. и Мехнич П., «Приспособление столбчатой ​​микроструктуры EB-PVD для уменьшения проникновения CMAS в термобарьерные покрытия 7YSZ», Журнал европейской керамики Общество , Том.37, № 1, 2017. С. 261–270. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.07.027

    • [7] Ван Л., Го Л., Ли З., Пэн Х., Ма Ю., Гонг С. и Го Х ., «Защита слоев Pt и Gd2Zr2O7 на термобарьерных покрытиях EB-PVD YSZ от воздействия кальций-магний-глинозем-силикат (CMAS)», Ceramics International , Vol. 41, № 9, 2015. С. 11662–11669. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.05.128

    • [8] Zhang D., «1–Термозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы (EB–PVD)», Thermal Барьерные покрытия , под редакцией Сюй Х.и Го Х., Woodhead Publishing, Оксфорд, 2011 г., стр. 3–24.

    • [9] Zhang G., Fan X., Xu R., Su L. и Wang TJ, «Переходное термическое напряжение из-за проникновения кальций-магний-алюмосиликата в систему термобарьерного покрытия EB-PVD , Ceramics International , Vol. 2018. Т. 44, № 11. С. 12655–12663. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.065

    • [10] Чжао Х., Леви К.Г. и Уодли Х.Н., «Взаимодействие расплавленного силиката с термобарьерными покрытиями», Поверхность и технология покрытий , Том.251, июль 2014 г., стр. 74–86. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.04.007

    • [11] Bose S., «Глава 7 — Покрытия с термическим барьером (TBCs)», High Temperature Coatings , Butterworth-Heinemann, Оксфорд, 2017 г. , стр. 199–300.

    • [12] Лю К., Хуанг С. и Хе А., «Композитные керамические термобарьерные покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, для авиационных двигателей», Journal of Materials Science & Technology , Vol. 35, № 12, 2019. С. 2814–2823.https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.08.003

    • [13] Гонг С. и Ву К., «6 – Обработка, микроструктуры и свойства термобарьерных покрытий методом электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы» (EB-PVD)», Thermal Barrier Coatings , под редакцией Xu H. и Guo H., Woodhead Publishing, Oxford, 2011, стр. 115–131.

    • [14] Mercer C., Faulhaber S., Evans A. и Darolia R., «Механизм отслоения термобарьерных покрытий, подверженных кальциево-магниево-алюмосиликатной (CMAS) инфильтрации», Acta Materialia , Том.53, № 4, 2005 г., стр. 1029–1039. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.11.028

    • [15] Кремер С., Фаулхабер С. , Чемберс М., Кларк Д.Р., Леви К.Г., Хатчинсон Дж.В. и Эванс А.Г., «Механизмы растрескивания и расслаивания в толстых системах теплового барьера в авиационных двигателях, подверженных проникновению кальций-магниевого-алюмосиликата (CMAS), Материаловедение и инженерия: A , Vol. 490, №№ 1–2, 2008 г., стр. 26–35. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.01.006

    • [16] Бором М.П., Джонсон К.А. и Пелузо Л.А., «Роль отложений в окружающей среде и температуры рабочей поверхности в расщеплении термобарьерных покрытий, напыляемых воздушно-плазменным напылением», Surface and Coatings Technology , Vol. 86, декабрь 1996 г., стр. 116–126. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(96)02994-5

    • [17] Мохан П., Юань Б., Паттерсон Т., Десаи В.Х. и Сон Ю.Х., «Разложение иттрия – стабилизированного Циркониевые термобарьерные покрытия пятиокисью ванадия, пятиокисью фосфора и сульфату натрия», Journal of the American Ceramic Society , Vol. 90, № 11, 2007 г., стр. 3601–3607. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.01941.x

    • [18] Кремер С., Ян Дж., Леви К.Г. и Джонсон К.А., «Термохимическое взаимодействие термобарьерных покрытий с расплавленным CaO –MgO–Al2O3–SiO2 (CMAS) Депозиты», Journal of the American Ceramic Society , Vol. 89, № 10, 2006 г., стр. 3167–3175. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01209.x

    • [19] Шинозаки М., Робертс К. А., ван де Гур Б. и Клайн Т.W., «Отложение проглоченного вулканического пепла на поверхности турбины небольшого реактивного двигателя», Advanced Engineering Materials , Vol. 15, № 10, 2013. С. 986–994. https://doi.org/10.1002/adem.201200357

    • [20] Бансал Н. П. и Чой С. Р., «Свойства стекла CMAS из песка пустыни», Ceramics International , Vol. 41, № 3, 2015. С. 3901–3909. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.11.072

    • [21] Визнер В. Л. и Бансал Н.P., «Механические и термические свойства кальциево-магниевого алюмосиликатного (CMAS) стекла», Journal of the European Ceramic Society , Vol. 35, № 10, 2015. С. 2907–2914. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.03.032

    • [22] Нарапараху Р., Гомес Чавес Дж. Дж., Шульц У. и Рамана К. В., «Взаимодействие и инфильтрационное поведение вулканического пепла Эйяфьятлайокудль, Сакурадзима». и синтетический CMAS, содержащий FeO с/в EB-PVD-покрытием ZrO2-65 мас.% Y2O3 при высокой температуре», Acta Materialia , Vol.136, сентябрь 2017 г., стр. 164–180. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.055

    • [23] Инь Б., Лю З., Ян Л., Ву Р. и Чжоу Ю., «Факторы, влияющие на глубину проникновения расплавленного вулканического пепла в термобарьерных покрытиях: теоретический расчет и экспериментальная проверка», Results in Physics , Vol. 13, июнь 2019 г., документ 102169. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102169

    • [24] Веллман Р., Уитмен Г. и Николлс Дж. Р., «CMAS Corrosion of EB PVD TBCs: Identification минимальный уровень для инициирования повреждения», International Journal of Refractory Metals and Hard Materials , Vol. 28, № 1, 2010. С. 124–132. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2009.07.005

    • [25] Qu W., Li S., Chen Z., Li C., Pei Y. and Gong S., «Hot Коррозионное поведение и смачиваемость силиката кальция-магния-глинозема (CMAS) на керамике LaTi2Al9O19», Corrosion Science , Vol. 162, январь 2020 г., документ 108199. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108199

    • [26] Xu GN, Yang L., Zhou YC, Pi ZP и Zhu W., «A Хемо-термомеханически определяющая теория термобарьерных покрытий при инфильтрации и коррозии CMAS», Journal of the Mechanics and Physics of Solids , Vol.133, декабрь 2019 г., документ 103710. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.103710

    • [27] Инь Б., Чжан Ф., Чжу В., Ян Л. и Чжоу Ю. , «Влияние модификации Al2O3 на свойства YSZ: коррозионно-стойкие, смачивающие и термомеханические свойства», Surface and Coatings Technology , Vol. 357, январь 2019 г., стр. 161–171. https://doi.org/10.1016/j. surfcoat.2018.09.048

    • [28] Zhang X. F., Zhou K. S., Liu M., Deng C. M., Deng C. G. и Deng Z.Q., «Адсорбируемость и наносимость алюмосиликата кальция-магния (CMAS) на термобарьерном покрытии 7YSZ, модифицированном алюминием», Ceramics International , Vol. 42, № 16, 2016. С. 19349–19356. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.09.106

    • [29] Нарапараю Р., Шульц У., Мехнич П., Доббер П. и Зайдель Ф., «Исследование деградации 7 мас. .% Термобарьерные покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (7YSZ), на деталях камеры сгорания авиационных двигателей из-за инфильтрации различными вариантами CaO–MgO–Al2O3–SiO2», Surface and Coatings Technology , Vol.260, декабрь 2014 г., стр. 73–81. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.079

    • [30] Нарапараю Р., Мехнич П., Шульц У. и Мондрагон Родригес Г.С., «Ускоряющее действие CaSO4 на CMAS (CaO –MgO–Al2O3–SiO2) и его влияние на поведение при инфильтрации в EB–PVD 7YSZ», Journal of the American Ceramic Society , Vol. 99, № 4, 2016. С. 1398–1403. https://doi.org/10.1111/jace.14077

    • [31] Нарапараю Р., Паббисетти Р. П., Мехнич П.и Шульц У., «Глинозем EB-PVD (Al2O3) в качестве верхнего слоя на 7YSZ TBC против проникновения CMAS/VA: механизмы осаждения и реакции», Journal of the European Ceramic Society , Vol. 38, № 9, 2018. С. 3333–3346. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.03.027

    • [32] Нарапараджу Р., Гомес Чавес Дж.Дж., Нимейер П., Хесс К.У., Сонг В., Дингвелл Д.Б., Локачари С., Рамана К.В. и Шульц У., «Оценка глубины инфильтрации CMAS в EB-PVD TBC: новая модель ограничений, поддерживаемая экспериментальным подходом», , журнал Европейского керамического общества, , Vol.39, № 9, 2019. С. 2936–2945. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.02.040

    • [33] Джексон Р.В., Залески Э.М., Пёршке Д.Л., Хейзел Б.Т., Бегли М.Р. и Леви К.Г., «Взаимодействие расплавленных силикатов с термическим барьером». Покрытия в условиях температурных градиентов», Acta Materialia , Vol. 89, май 2015 г., стр. 396–407. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.038

    • [34] Джексон Р. В., Залески Э. М., Хейзел Б. Т., Бегли М. Р. и Леви С.G., «Реакция термобарьерных покрытий Gd2Zr2O7, пропитанных расплавленным силикатом, на температурные градиенты», Acta Materialia , Vol. 132, июнь 2017 г., стр. 538–549. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.03.081

    • [35] Джордано Д., Рассел Дж. К. и Дингвелл Д. Б., «Вязкость магматических жидкостей: модель», Earth and Planetary Science Letters , Том. 271, № 1–4, 2008 г., стр. 123–134. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2008.03.038

    • [36] Чжу З., «Исследование воздействия вулканического пепла на лопатки турбин в реактивных двигателях», к.т.н. Диссертация, кафедра химической и технологической инженерии, Univ. of Surrey, Guildford, UK, 2019.

    • [37] Cheng Y., Wang F., Xu J., Liu D. and Sui Y., «Численное исследование распространения капель и теплопередачи на горячих подложках», Международный журнал тепло- и массообмена , Vol. 121, июнь 2018 г., стр. 402–411. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.01.026

    • [38] Чой М., Сон Г. и Шим В., «Метод установки уровня для удара капель и проникновения в пористую среду», Computers & Fluids , Vol. 145, март 2017 г., стр. 153–166. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.12.014

    • [39] Херрерос М.И., Мабсаут М. и Пастор М., «Применение подхода с набором уровней к движущимся интерфейсам и задачам свободной поверхности в Течение через пористую среду», Компьютерные методы в прикладной механике и технике , Vol. 195, № 1, 2006, с.1–25. https://doi.org/10.1016/j.cma.2004.12.015

    • [40] Wiesner VL, Vempati UK и Bansal NP, «Высокотемпературная вязкость кальциево-магниевого алюмосиликатного стекла из синтетического песка», Scripta Materialia , Vol. 124, ноябрь 2016 г., стр. 189–192. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.07.020

    • [41] Масуди Р. и Пиллаи К.М., «Традиционные теории затекания: капиллярные модели», Затекание в пористых материалах: традиционные и современные Подходы к моделированию , CRC Press, Taylor & Francis Group, Бока-Ратон, Флорида, 2012, стр.31–53.

    • [42] Чжан Б., Сун В. и Го Х., «Смачивание, инфильтрация и взаимодействие CMAS с колончатыми покрытиями YSZ, нанесенными физическим паром с плазменным напылением», Журнал Европейского керамического общества , Vol. . 38, № 10, 2018. С. 3564–3572. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.01

    • [43] Дворкин Дж., « Уравнение Козени-Кармана, пересмотренное », Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, 2009, стр. 7–9 (неопубликованные).

    • [44] Рэлей Л., «ЛВИ. О влиянии препятствий, расположенных в прямоугольном порядке, на свойства среды», London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science , Vol. 34, № 211, 1892 г., стр. 481–502. https://doi.org/10.1080/1478644

      20364

    • [45] Рентерия А.Ф., Сарухан Б., Шульц У., Ретцер-Шайбе Х.-Дж., Хауг Дж. и Виденманн А., «Эффект морфологии по теплопроводности EB-PVD PYSZ TBC», Surface and Coatings Technology , Vol.201, № 6, 2006 г., стр. 2611–2620. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.05.003

    • [46] Колагар А.М., Табризи Н., Черагзаде М. и Шахриари М.С., «Анализ отказов лопатки первой ступени газовой турбины из никеля» на основе суперсплава», Примеры анализа инженерных отказов , Vol. 8, апрель 2017 г., стр. 61–68. https://doi.org/10.1016/j.csefa.2017.04.002

    • [47] Гупта С., Чаубе А. и Верма П., «Обзор методов увеличения теплопередачи: применение во внутренних лопатках газовых турбин». Охлаждение», Journal of Engineering Science & Technology Review , Vol.5, № 1, 2012. С. 57–62.

    • [48] Форсбака Л., Холаппа Л., Иида Т., Кита Ю. и Тода Ю., «Экспериментальное исследование вязкости выбранных шлаков CaO–MgO–Al2O3–SiO2 и применение модели IIDA», Скандинавский металлургический журнал , Vol. 32, № 5, 2003 г., стр. 273–280. https://doi.org/10.1034/j.1600-0692.2003.00652.x

    • [49] Го Л., Ян З., Ю Ю., Ян Дж. и Ли М., «Характеристики сопротивления CMAS термобарьерных покрытий LaPO4/YSZ при 1250–1350°C», Corrosion Science , Vol.154, июль 2019 г., стр. 111–122. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.04.014.

    • [50] Какуда Т. Р., Леви К. Г. и Беннетт Т. Д., «Термическое поведение термобарьерных покрытий с пропиткой CMAS», Surface and Coatings Technology , Vol. 272, июнь 2015 г., стр. 350–356. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.043

    • [51] Богард Д. Г. и Тоул К. А., «Пленочное охлаждение газовой турбины», Journal of Propulsion and Power , Vol. 22, № 2, 2006, с.249–270. https://doi.org/10.2514/1.18034

    • [52] Пэн Х., Ван Л., Го Л., Мяо В., Го Х. и Гонг С., «Разрушение теплового барьера EB-PVD Покрытия, вызванные отложениями CMAS», Progress in Natural Science: Materials International , Vol. 22, № 5, 2012. С. 461–467. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.06.007

    • [53] Шульц У., Фричер К., Лейенс К. и Петерс М., «Влияние обработки на микроструктуру и характеристики электронных Термические барьерные покрытия методом лучевого физического осаждения из паровой фазы (EB-PVD), Journal of Engineering for Gas Turbines and Power , Vol.124, № 2, 2002 г., стр. 229–234. https://doi.org/10.1115/1.1447238

    • [54] Gildersleeve E., Viswanathan V. и Sampath S., «Взаимодействие расплавленного силиката с термобарьерными покрытиями, напыленными плазмой: роль материалов и микроструктура», Journal Европейского керамического общества , Vol. 39, № 6, 2019. С. 2122–2131. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.023

    • Аэрогели как перспективные теплоизоляционные материалы: обзор

      Аэрогели представляют собой твердые тела с высокой пористостью (<100 нм) и, следовательно, обладают чрезвычайно низкой плотностью ( 0.003 г/см 3 ) и очень низкой электропроводностью ( 10 мВт/мК). В последние годы аэрогели привлекают все больше внимания благодаря своим удивительным свойствам, а также их существующим и потенциальным применениям в широком диапазоне технологических областей. Здесь представлен обзор аэрогелей и их применения в качестве компонентов ограждающих конструкций, а также соответствующих улучшений с точки зрения энергоэффективности, включая производительность. В этом обзоре рассматриваются теплоизоляционные свойства аэрогелей и исследования конструктивных особенностей, которые будут полезны для ограждающих конструкций зданий.Усовершенствования систем теплоизоляции имеют в будущем перспективы значительной экономии потребления первичной энергии. Можно сделать вывод, что аэрогели имеют большой потенциал в широком диапазоне применений, таких как энергоэффективная изоляция, окна, акустика и т.д.

      1. Введение

      Дефицит поставок, ограниченная доступность и рост стоимости энергии во всем мире подчеркивают необходимость немедленной экономии энергии как в богатых нефтью, так и в нефтедобывающих странах. Эффективным способом экономии энергии является улучшение теплоизоляции зданий, особенно в жарком климате, где потребность в энергии для охлаждения с помощью кондиционирования воздуха сравнительно выше.В дополнение к необходимости энергосбережения высокие изоляционные материалы дополнительно оправдываются повышенным уровнем комфорта и увеличением срока службы здания. Тепловые характеристики в значительной степени зависят от теплопроводности стенок ячеек и матрикса ячеек, а также излучения и конвекции, при этом матрикс ячеек является наиболее существенным фактором, определяющим общие характеристики теплообмена. Тепловые свойства некоторых общедоступных изоляционных материалов приведены в таблице 1.Номер Материал Материал -Value (на дюйм) 1 Green Green Замечание 2 2


      7 1 7 Минеральная вата -31 Да Нет Не тает Или поддержка сгорания 2 Fiberglass -3.1 — 30075 NO 7 не поглощает Water 7 3 3 -4 № Да Трудно использовать вокруг недостатков; может стать дорогостоящим 4 Пенополиуретан —6.3 NO NO Да делает отличный звуковой изолятор 7 5 Celluleose -3.7 Да Да Содержит наибольший объем переработанного контента 2

      Теплопроводность меняется со временем из-за изменений в составе клеточного матрикса. Температура окружающего воздуха и наружных поверхностей зданий в жарком климате Азии и Африки значительно выше, чем в холодном климате Австралии, Европы и Америки, при расчете теплопроводности при старении следует учитывать температуру 38°С.В дополнение к специфическому для продукта параметру изменения теплопроводности, средняя температура и водопоглощение также являются другими важными влияющими факторами.

      Согласно IUPAC, аэрогель определяется как гель, состоящий из микропористого твердого вещества, в котором дисперсной фазой является газ [1]. Эгертер и др. определили аэрогели как гели, в которых жидкость заменена воздухом, с очень умеренной усадкой твердой сетки [2]. Аэрогель в основном представляет собой синтетический пористый сверхлегкий материал, полученный из геля, в котором жидкий компонент геля заменен газом; например, графеновые аэрогели настолько легкие, что могут лежать на листе травы.Сочетание высокой пористости и чрезвычайно малых пор обеспечивает аэрогелям их экстремальные свойства: твердые тела с чрезвычайно низкой плотностью и низкой теплопроводностью [3]. Аэрогели иногда также известны под разными названиями, такими как застывший дым, твердый дым, твердый воздух или синий дым из-за полупрозрачной природы и способа рассеяния света в материале [4]. Типичная структура аэрогеля показана на рисунке 1.

      Аэрогели вместе с вакуумными изоляционными панелями являются одним из новых многообещающих высокоэффективных тепло- и звукоизоляционных материалов для возможных применений в строительстве и в настоящее время являются основным рынком для аэрогелей, в то время как для других применений, таких как возможны также абсорбенты, амортизаторы, хранилища ядерных отходов, аккумуляторы и катализаторы [5–13].Список имеющихся в продаже аэрогелей с их торговыми названиями приведен в таблице 2. Ссылки 5



      7 1 Cabot (i) Пеллеты, композиты
      (II) День Освещение Приложения
      (III) Нефтегазовая трубопроводная изоляция
      (IV) Cryoinsulation [73, 74] 8

      7 2 7 2 7 2 31 Aspen Aerogels (i) Строительные материалы (I) Строительные материалы
      (II) Гибкие одеяло Изоляция
      (III) Нефтегазопровод
      (IV) Аэрокосмическое, Определение [74-76]
      7 3 Nanopore (I) Вакуумные изоляционные панели
      (II) Доставка Контейнеры
      (III) Охлаждение
      (IV) Обратная плата [74]

      Аэрогели обычно характеризуются низкой плотностью твердого вещества, низким оптическим показателем преломления, низкой теплопроводностью, низкой скоростью звука через материалы, высокой площадь поверхности и низкая диэлектрическая проницаемость.

      В этой статье авторы представили обзор аэрогелей и их применения в качестве компонентов ограждающих конструкций зданий, а также соответствующие усовершенствования с точки зрения энергоэффективности. Это охватывает теплоизоляционные свойства аэрогелей и исследования структурных особенностей, которые будут полезны для ограждающих конструкций зданий. Этот обзор состоит из двух частей: во-первых, общее обсуждение аэрогелей относительно того, почему они обладают такими высокими термическими свойствами и каковы их физические свойства, которые будут полезны при создании изоляционных материалов, а во-вторых, их замечательные свойства, обусловленные исключительными физическими и химическими свойствами. Структура аэрогелей.

      2. Аэрогели

      Прохождение тепловой энергии через изоляционный материал происходит по трем механизмам: твердотельная проводимость, газовая проводимость и радиационная (инфракрасная) передача. Сумма этих трех составляющих дает общую теплопроводность материала. Электропроводность в твердом состоянии является неотъемлемым свойством конкретного материала. Повышение теплового сопротивления ограждающих конструкций может быть достигнуто за счет снижения теплопроводности.

      Фрике и др.заметил, что как твердотельная проводимость, так и газовая проводимость пропорциональны плотности, как показано ниже: Хюммер и др. используя эти соотношения, получил следующее соотношение для лучистой проводимости, которое является относительным уравнением для теплопроводности аэрогелей непрозрачного кремнезема: где (кг/м 3 ) – плотность; , , , и (Вт/м.К) — полная проводимость, проводимость при газовой проводимости, проводимость при твердой проводимости и радиационная проводимость соответственно; – температура, а индекс 0 означает, что параметры относятся к эталонному материалу из аэрогеля [14].

      Аэрогель состоит более чем на 90% из воздуха, имеет чрезвычайно малый вес, прозрачность и отличную теплопроводность. Благодаря всем этим свойствам аэрогель является идеальным материалом для теплоизоляции [15, 16]. Кроме того, их высокий коэффициент пропускания видимого солнечного света желателен для применения в окнах. Дальнейшее снижение теплопроводности аэрогеля можно наблюдать при вакуумировании ниже 50 гПа; теплопроводность уменьшилась из-за удаления порового газа. Суперизоляция с чрезвычайно низкой теплопроводностью может быть реализована с помощью вакуумированных высокопористых порошковых, волокнистых или гелевых прокладок.Из-за эффекта Кнудсена теплопроводность может стать ниже, чем у неподвижного воздуха, то есть даже меньше 25 мВт/м.К [17].

      Например, аэрогель кремнезема представляет собой высокопористый материал с диаметром пор в диапазоне 10–100 нм. Пористость составляет более 90% при теплопроводности ниже, чем у воздуха, что делает эти аэрогели высокоизолирующим материалом. Пространство, не занятое твердыми телами в аэрогеле, обычно заполнено воздухом (или другим газом), если только материал не герметизирован под вакуумом.Эти газы также могут переносить тепловую энергию через аэрогель. Поры кремнеземного аэрогеля открыты и позволяют газу проходить через материал. Конечным видом теплового транспорта через аэрогели кремнезема является инфракрасное излучение [14]. Солеймани Дорче и Аббаси сообщили о синтезе прозрачных аэрогелей на основе наноструктурированного кремния с диаметром пор 20–40 нм [18].

      Молекулы воды слабо взаимодействуют со стенками пор гидрофобного аэрогеля и, следовательно, не будут терять много энергии при столкновении со стенкой, и продвижение этих молекул не будет значительно замедлено.Соответственно, аэрогель обладает высокой воздухопроницаемостью, то есть высокой селективностью проникновения между парами воды и парами агента. Аэрогели титана продемонстрировали превосходную мезопористую структуру для применения в качестве фотоанодов сенсибилизированных красителем солнечных элементов с повышением эффективности преобразования энергии на 16% [19]. Кремнезем, полученный из золь-геля, нашел широкое применение в качестве биосовместимого каркаса для иммобилизации клеток. Впервые сообщается о новом методе быстрого, воспроизводимого и чувствительного обнаружения ризобий с помощью аэрогелей [20].

      Теплоизоляционные свойства аэрогелей также тесно связаны с их акустическими свойствами. Акустическое распространение в аэрогелях зависит от природы междоузельного газа и давления, плотности и, в более общем случае, от текстуры [21]. Различные области применения аэрогелей представлены на рисунке 4.

      3. Классификация аэрогелей

      Аэрогели можно классифицировать на основании следующего [22]. (a) На основе внешнего вида (i) Монолит (ii) Порошок ( iii)Пленка/войлок(b)На основе методов приготовления(i)Аэрогель(ii)Ксерогель(iii)Криогель(iv)Другие материалы, родственные аэрогелю(c)На основе различных микроструктур(i)Микропористый аэрогель(ii )Мезопористый аэрогель –(iii)Смешанный пористый аэрогель(d)На основе химической структуры(i)Оксиды(ii)Полимеры(iii)Смешанный(iv)Гибрид(v)Композит.

      4. Приготовление аэрогелей

      Различные типы аэрогелей могут быть приготовлены с использованием оксида алюминия, хрома, оксида олова и углерода, но приготовление аэрогеля на основе диоксида кремния сравнительно проще и надежнее. Аэрогели синтезируются с помощью золь-гель процесса, состоящего из трех основных этапов [рис. 3].

      (1) Подготовка геля . Твердые наночастицы сшиваются и, наконец, образуют трехмерную твердую сеть с порами, заполненными растворителем. Сначала создается гель в растворе, а затем жидкость осторожно удаляется, чтобы аэрогель остался нетронутым; первоначально происходит создание коллоидной взвеси твердых частиц, известной как «золь»; например, силикагели синтезируют путем гидролиза мономерных тетрафункциональных и трифункциональных предшественников алкоксидов кремния с использованием минеральной кислоты или основания в качестве катализатора [23, 24].Существует множество способов создания золь-гелей на основе диоксида кремния. Один из них заключается в смешивании тетраэтоксисилана Si(OC 2 H 5 ) 4 с этанолом и водой для его полимеризации и, таким образом, получения силикагеля на водной основе, как показано в (3). Растворитель, такой как метанол, используется для извлечения и замены воды [25]:

      (2) Старение геля . Придает прочность структуре геля. Приготовленный ранее гель выдерживается в маточном растворе [26]. Этот процесс старения укрепляет гель, поэтому на этапе сушки происходит минимальная усадка [27].После гелеобразования гель оставляют нетронутым в растворителе для завершения реакции. После завершения реакции образуется аэрогель. Неорганические аэрогели могут быть приготовлены с помощью золь-гель обработки, метода, который требует алкоксидов или солей металлов в спиртовых или водных растворах и подвергается сверхкритической сушке.

      (3) Сушка . Растворитель должен быть удален при сохранении твердой сети аэрогеля. Это может быть сделано либо путем сверхкритической сушки, либо в условиях окружающей среды.Материалы аэрогеля обычно получают путем удаления растворителя, содержащегося в гелевой матрице, экстракцией в сверхкритической текучей среде. Это может быть достигнуто путем повышения температуры и давления системы гелевого растворителя выше ее критической температуры и последующего сброса давления выше критической температуры до тех пор, пока не останется только пар.

      В качестве альтернативы система растворителей геля может быть экстрагирована из влажного геля подходящим растворителем. Жидкий диоксид углерода является наиболее популярным растворителем для экстракции, поскольку он недорог и имеет относительно низкие критические температуру и критическое давление [28–31].

      Аэрогели кремнезема без трещин также могут быть получены путем замены растворителя и модификации поверхности влажных гелей с использованием изопропилового спирта, триметилхлорсилана или раствора н-гексана [32]. Физика и химия, связанные с синтезом аэрогелей, подробно описаны в литературе по аэрогелям [18, 23, 33–37].

      Для плотного кремнезема теплопроводность твердого тела относительно высока (одно оконное стекло пропускает большое количество тепловой энергии). Однако аэрогели кремнезема содержат очень небольшую (~ 1–10%) долю твердого кремнезема.Кроме того, присутствующие твердые частицы состоят из очень мелких частиц, связанных в трехмерную сеть со многими «тупиками». Поэтому перенос тепла через твердую часть кремнеземного аэрогеля происходит очень извилистым путем и не особенно эффективен [38]. Использование сопрекурсора метилтриметоксисилана делает аэрогель гидрофобным и делает его способным удерживать капли воды на поверхности [39]. Пористость аэрогелей кремнезема определена гелиевой пикнометрией по следующей формуле и составила 1900 кг/м 3 [40]: где – насыпная плотность, – скелетная плотность.

      Гидрофобные аэрогели также были получены методом сопрекурсоров, впервые предложенным Шмидтом и Швертфегером [13]. Было обнаружено, что скорости гидролиза и конденсации всех сопрекурсоров ниже, чем у ТЭОС, поскольку первый содержит одну или несколько нереакционноспособных алкильных/арильных групп, которые не гидролизуются, а трехмерная твердая сетка достигается в соответствии со следующей химической реакцией: Когда гидролизуется достаточное количество ТЭОС, силильные группы сопредшественника прикрепляются к кластерам кремнезема в результате следующих химических реакций: гидрофобный.Гидрофобность аэрогелей будет увеличиваться с увеличением количества алкильных/арильных групп, присоединенных к поверхности [41].

      В случае органических аэрогелей, полученных золь-гель полимеризацией резорцина с формальдегидом, компоненты теплопроводности четко коррелируют со структурой аэрогеля; то есть проводимость твердого тела может определяться пористостью и связностью между частицами, в то время как на проводимость газа может влиять размер пор, а удельное массовое поглощение инфракрасного излучения строительными единицами влияет на перенос излучения [42].

      Полимерные аэрогели были приготовлены из смесей, содержащих фиксированное стехиометрическое количество формальдегида и различные пропорции резорцина (РФ) и 2,4-дигидроксибензойной кислоты (ДГБАК) с целью объединения преимуществ большого объема мезопор и содержания твердых частиц в РФ-аэрогелях с ионообменной емкостью аэрогелей DHBAF, и результаты показывают, что свойства аэрогеля систематически изменяются при изменении условий синтеза. Установлено, что добавление R в смесь для синтеза приводит к увеличению значений площади поверхности, объема мезопор и среднего диаметра при одновременном сохранении ионообменной емкости влажного геля [43, 44].

      В ТГ-ДТА некоторых образцов аэрогелей кремнезема наблюдается быстрое увеличение потери массы гидрофильных аэрогелей кремнезема при 50–100°C из-за испарения захваченных H 2 O и спиртовых групп из гидрофильных аэрогелей кремнезема, которые получены по реакциям конденсации групп Si-OH и Si(OC 2 H 5 ), тогда как в случае гидрофобных аэрогелей процент потери массы незначителен вплоть до температуры термостабильности [42].

      Влияние термической обработки на гидрофобность и удельную поверхность также изучалось несколькими исследователями.Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что гидрофобность кремнеземного аэрогеля снижалась при повышении температуры нагрева до 350°С. При дальнейшем повышении температуры нагрева до 500°С аэрогель кремнезема становится полностью гидрофильным (рис. 2). Некоторые результаты для аэрогелей на основе сопрекурсоров МТЭС показывают, что гидрофобность кремнезема около 573 K, что соответствует окислению аэрогеля, может сохраняться до 350°C [45, 46].



      5. Структурные особенности

      Аэрогели имеют необычное сочетание высокой пористости и малого размера пор, что делает характеристику пористости с помощью традиционных методов, таких как внедрение ртути, термопорометрия и адсорбция/десорбция азота, очень сложным.Все эти методы основаны на применении капиллярных давлений к сети аэрогеля, что может вызвать большие объемные сжатия, приводящие к неверным значениям размера и объема пор [27]. Аэрогели характеризуются очень низкой проницаемостью, что можно объяснить размером пор, подходящим для переноса водяных паров/газов, но не для молекул воды [46]. Некоторые аэрогели, такие как углеродные аэрогели, могут быть получены в виде монолитов, шариков, порошков или тонких пленок и делают их перспективными материалами для применения в адсорбции и катализе [47, 48].Органические полимерные аэрогели являются важными нанопористыми материалами, и их структура нанопор может быть модифицирована химическими реакциями. Эти свойства позволяют аэрогелям с углеродными нанотрубками потенциально улучшить существующие углеродные аэрогели для таких приложений, как датчики, приводы, электроды и термоэлектрические устройства [49]. Пористость обеспечивает как молекулярную доступность, так и быстрый массоперенос посредством диффузии, и по этим причинам аэрогели уже более 50 лет являются частью области гетерогенных каталитических материалов.Высокая пористость и мезоскопический диаметр пор в структурах аэрогеля позволяют электролиту проникать во всю частицу аэрогеля [50].

      Аэрогель обладает следующими характеристиками [22]. (1) Характеристики свойств (i) Сверхнизкая теплопроводность (ii) Сверхнизкий показатель преломления (iii) Сверхнизкая диэлектрическая проницаемость (iv) Большая площадь поверхности (v) Высокий показатель преломления (vi) Сверхнизкая относительная плотность(vii)Сверхвысокая пористость(2)Характеристики структуры(i)Гелеобразная структура на наноразмерных когерентных каркасах и порах(ii)Иерархическая и фрактальная микроструктура(iii)Макроскопический монолит(iv)Сетка случайных поперечных связей(v)Некристаллическое вещество.

      6. Преимущества аэрогелей

      На сегодняшний день аэрогели считаются одним из наиболее многообещающих высокоэффективных теплоизоляционных материалов для применения в строительстве. Обладая низкой теплопроводностью (~13 мВт/мК), они демонстрируют замечательные характеристики по сравнению с традиционными теплоизоляционными материалами. Также более высокие коэффициенты пропускания в солнечном спектре представляют большой интерес для строительного сектора. Еще одним преимуществом аэрогелей является их видимая прозрачность для изоляционных применений, что позволит использовать их в окнах и световых люках, что дает архитекторам и инженерам возможность заново изобретать архитектурные решения [51].Например, низкая теплопроводность, высокая солнечная энергия и коэффициент пропускания дневного света в монолитном кремнеземном аэрогеле делают его очень интересным материалом для использования в окнах с высокой энергоэффективностью [52]. Для криогенных систем предпочтительной является многослойная изоляция (MLI). Однако MLI требует высокого вакуума для оптимальной эффективности. Порошковые изоляционные материалы, такие как стеклянные микросферы и шарики аэрогеля, показали себя многообещающе в мягком вакууме и имеют конструктивное преимущество, заключающееся в том, что их гораздо проще устанавливать и обслуживать [53, 54].Благодаря пористой структуре и малой плотности аэрогели могут улавливать космические снаряды, летящие с гиперскоростью (порядка км с −1 ). НАСА использовало аэрогель для улавливания частиц космической пыли и для теплоизоляции скафандров [55–57]. Одним из перспективных приложений, способствующих созданию высококачественного прозрачного аэрогеля кремнезема, было использование этого материала низкой плотности в физике в качестве черенковского детектора [58].

      Окружающая среда наших помещений загрязнена выбросами многих загрязняющих веществ, таких как хлориды из водопроводной воды, летучие органические соединения из органических растворителей, формалин из мебели и красок, SO x и NO x в результате неполного сгорания газов и многих углеводородов. , и так далее.Загрязняющие вещества в воздухе ответственны за увеличение некоторых респираторных заболеваний и аллергии, таких как астма. Превращение переносимых по воздуху загрязняющих веществ в нетоксичные соединения является эффективным способом их удаления и защиты окружающей среды. Аэрогели также можно использовать для очистки воздуха путем удаления переносимых по воздуху загрязнителей и защиты окружающей среды от загрязняющих веществ [59]. Аэрогели потенциально более экологичны, чем катализаторы из благородных металлов, из-за негативного воздействия на окружающую среду, связанного с добычей и обработкой металлов [60].

      Модификация аэрогелей необходима для достижения определенной функциональности, и эта адаптация может начаться во время процесса золь-гель либо после гелеобразования, либо после получения аэрогеля. Это можно сделать с помощью (а) функционализации поверхности аэрогелей для регулирования адсорбционной способности и (б) нанесения полимерного покрытия на поверхность аэрогеля. Гибридные аэрогели могут сочетать внутренние свойства аэрогелей (высокая пористость и площадь поверхности) с механическими свойствами неорганических компонентов, а также функциональностью и биоразлагаемостью биополимеров [61–63].

      7. Ограничения аэрогелей

      Широкое использование аэрогелевых материалов в настоящее время ограничено в основном из-за их (i) высоких производственных затрат, (ii) плохих механических свойств, (iii) проблем со здоровьем.

      Сверхкритическая сушка является наиболее дорогостоящим и рискованным аспектом процесса изготовления аэрогеля [64]. Весьма желательной целью при приготовлении аэрогеля является исключение процесса сверхкритической сушки. Например, Guo и Guadalupe удалось синтезировать аэрогель на основе диоксида кремния из метастабильного ламеллярного композита за счет совместного взаимодействия между диоксидом кремния и поверхностно-активными веществами [65].Молекулы поверхностно-активного вещества, используемые для образования пор, могут быть удалены из сетки диоксида кремния с помощью обычной экстракции растворителем. Пористая структура стабильна во время этой процедуры, при которой не используется сверхкритическая экстракция [66]. Аэрогели кремнезема очень хрупкие, но прочность монолитов аэрогеля кремнезема была увеличена более чем в 100 раз за счет сшивания строительных блоков наночастиц предварительно сформированных гидрогелей кремнезема с поли(гексаметилендиизоцианатом). Эти композитные монолиты гораздо менее гигроскопичны, чем самородный кремнезем, и не разрушаются при контакте с жидкостями [67].

      Аэрогели являются механическим раздражителем глаз, кожи, дыхательных путей и пищеварительной системы. Мелкие частицы аэрогеля потенциально могут вызывать силикоз и т. д. при вдыхании и вызывать сухость кожи, глаз и слизистых оболочек. Поэтому при работе с аэрогелями необходимо носить защитное снаряжение, включая средства защиты органов дыхания, перчатки и защитные очки [68].

      8. Выводы

      Краски и покрытия могут использоваться для теплоизоляции зданий, и работа была проведена также в CSIR-CBRI [69].Но аэрогели быстро становятся альтернативным материалом для теплоизоляции из-за их сверхнизкой теплопроводности. При приготовлении аэрогелей наиболее эффективным является процесс сверхкритической сушки. При обычном приготовлении аэрогелей используется дорогое сырье и сверхкритическая сушка, что препятствует коммерциализации. Понятно, что для крупномасштабного коммерческого производства аэрогеля стоимость и риск должны быть снижены. Аэрогели можно использовать в качестве строительного материала только в том случае, если мы сможем использовать их высокие теплоизоляционные свойства при легком весе и низкой стоимости.

      Мало что можно сделать для уменьшения переноса тепла через твердую структуру аэрогелей. Можно приготовить аэрогели с более низкой плотностью (всего 0,003 г/см 3 ), что снижает количество присутствующего твердого вещества, но это приводит к механически более слабым аэрогелям. Кроме того, по мере уменьшения количества твердых частиц увеличивается средний диаметр пор (с увеличением газовой составляющей проводимости). Поэтому они, как правило, не подходят для применения в качестве изоляции.Углерод является эффективным поглотителем инфракрасного излучения и в некоторых случаях даже увеличивает механическую прочность аэрогеля. При атмосферном давлении добавление углерода снижает теплопроводность с 0,017 до 0,0135 Вт/мК [рис. 5]. Минимальное значение для углеродного композита ~0,0042 Вт/мК соответствует ~R30/дюйм. Отсюда можно сделать вывод, что аэрогели имеют большой потенциал в будущем в широком диапазоне применений, таких как энергоэффективная изоляция, окна, акустика и т. д. [41, 70, 71].


      Хиральный мезопористый SiO 2 (CMS), как показано на рисунке 6, может быть синтезирован с блок-сополимерами аминокислот, и их акустически индуцированные оптические эффекты Керра (AIOKE) оказались очень высокими по сравнению с нехиральным SiO 2 и, следовательно, CMS. могут быть использованы в устройствах квантовой электроники с акустическим управлением [72]. Недавно были изготовлены аэрогели из нанофибрилл целлюлозы (CNF) с превосходной устойчивостью к влаге и активируемым водой восстановлением формы без химического сшивания путем самосборки окисленных TEMPO CNF по шаблону кристаллов льда с помощью метода циклического замораживания-оттаивания.Основная проблема заключается в укреплении аэрогелей либо сшиванием с целлюлозными полимерами, либо введением нановолокон на основе целлюлозы. Другой проблемой является снижение себестоимости композитных/гибридных аэрогелевых материалов за счет сушки при комнатной температуре и технологии непрерывного производства.

      Конфликт интересов

      Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

      Благодарность

      Авторы благодарны директору CSIR-CBRI за его постоянное руководство и поддержку.

      Термические свойства технической керамики

      Обзор
      Техническая керамика превосходит другие материалы, такие как металлы и сплавы, в приложениях, где в условиях экстремально высоких или низких температур требуются продукты, которые могут работать без сбоев при расширении и сжатии, плавлении или растрескивании. Керамика охватывает широкий спектр применений, где температурная прочность, точность и термостойкость являются ключом к успеху и безопасности в эксплуатации.

      Термические свойства характеризуют реакцию материала на изменения температуры. Многие из нашей технической керамики идеально подходят для конкретных тепловых характеристик, включая прецизионные высокотемпературные и низкотемпературные применения, за счет контроля свойств и структуры материала. Многие технические керамические рецептуры могут быть адаптированы к тепловым требованиям конкретного применения, где теплопроводность, коэффициент теплового расширения и стойкость к тепловому удару имеют решающее значение.

       

      Тепловые свойства технической керамики
      Теплопроводность
      Вт/м*К

      Теплопроводность измеряет, насколько хорошо материал распределяет тепло внутри себя.Сковороды обладают высокой теплопроводностью, что позволяет равномерно распределяемому теплу быстро передавать пищу. С другой стороны, изолирующие перчатки используются для работы с горячими предметами, поскольку их низкая теплопроводность предотвращает передачу тепла на чувствительные руки. Техническая керамика необычайно универсальна и обладает широким диапазоном теплопроводности. Имея более 400 составов технической керамики в портфолио CoorsTek, мы будем работать с вами, чтобы найти оптимальный материал для вашего применения.

      Коэффициент тепловой экспансии ( 1×10 -6 / °2 C)

      Коэффициент тепловой экспансии определяет, сколько расширяется материал или контракты, основанные на внешних температурах. Большинство материалов набухают при нагревании, потому что энергия заставляет атомы двигаться быстрее, растягивая их связи.Керамика обычно имеет низкий коэффициент из-за сильных межатомных связей, что делает ее более стабильной в широком диапазоне температур.

      Удельная теплоемкость ( Дж/кг*К)

      Удельная теплоемкость показывает, насколько легко или сложно повысить температуру продукта. В высокотемпературных приложениях, где регулирование температуры имеет решающее значение, это измерение показывает, какие продукты будут работать лучше всего. Керамика обладает исключительными характеристиками, когда речь идет о высоких требованиях к удельной теплоемкости, превосходя сталь.

      Стойкость к тепловому удару  ( ° C)

      Стойкость к тепловому удару измеряет способность выдерживать резкие и резкие изменения температуры. При быстром охлаждении сердцевина продукта остается, а поверхность охлаждается, что препятствует равномерному тепловому сжатию. Многие составы технической керамики обладают высокой устойчивостью к тепловому удару, то есть они минимально расширяются или сжимаются при экстремальных или быстрых изменениях температуры.

      Теплофизические свойства пород бассейна реки По | Международный геофизический журнал

      Резюме

      Мы представляем анализ термических свойств, плотности и пористости обломочных, химико-биохимических и внутриосадочных вулканических пород, отобранных из нефтяных разведочных скважин бассейна По (Северная Италия).Кроме того, мы исследуем применимость модели Хашина-Штрикмана для минерального заполнителя в сочетании с моделью Циммермана, учитывающей форму пор, для расчета объемной теплопроводности. В случае макроскопически изотропных пород отклонения между прогнозируемыми и измеренными значениями составляют от -2,2% до 6,9% и значительно уменьшаются, если выбрано правильное соотношение размеров пор. Что касается объемной теплоемкости, приблизительные оценки были получены посредством средневзвешенной объемной теплоемкости минеральных зерен и воды, заполняющей поры.Расхождения между расчетными и измеренными значениями составляют от –6,2% до 4,9%, а расчетная объемная теплоемкость в среднем ниже на 1,6%. Потеря воды при уплотнении и повышение температуры с глубиной являются основными факторами, определяющими тепловые свойства. Эффект анизотропии имеет место в случае пород, богатых пластинчатыми силикатами. Вследствие вращения этих минералов вертикальная теплопроводность пластовых силикатов экспоненциально уменьшается с глубиной залегания от 2.13 Вт м −1 K −1 на поверхности до 0,52 Вт м −1 K −1 на 4,5 км. Лабораторные данные позволяют составить кривые уплотнения для различных типов осадочных пород. Примеры оценок вертикальной теплопроводности и теплового потока in situ наконец приведены для двух нефтяных скважин, по которым хорошо известна литостратиграфическая информация.

      1 Введение

      Бассейн По представляет собой осадочный бассейн шириной в несколько сотен километров, в основном заполненный обломочными и химическими/биохимическими отложениями, заключенный между Альпийским и Апеннинским орогенными поясами (рис.1). Паскуале и Вердоя (1990) дали первое представление о поверхностном тепловом потоке бассейна, который является основным ограничением для изучения подземного теплового режима. Их исследование было основано на предположении, что теплопроводность является доминирующим механизмом теплопередачи в бассейне. Однако наличие водоносных горизонтов на разных глубинах, как и в большинстве осадочных бассейнов, требует осторожности при интерпретации теплового потока, поскольку фактический тепловой режим может быть результатом сложного наложения процессов тепломассопереноса, связанных с потоком подземных вод. (т.е.грамм. Джессоп 1990; Ингебритсен и Сэнфорд, 1998).

      Рисунок 1

      Расположение скважин (заполненные кружки), образцы керна которых использовались для лабораторных измерений.

      Рисунок 1

      Расположение скважин (черные кружки), образцы керна которых использовались для лабораторных измерений.

      Возможным подходом к расшифровке теплового режима является сравнение тепловых данных, доступных по скважинам, с чисто кондуктивной тепловой моделью. Отклонения от этой модели могут позволить обнаружить конвективные эффекты, последующее моделирование типа потока в глубоком региональном водоносном горизонте и, в конечном счете, оценку геотермальных ресурсов (Pasquale 2008a).Однако такой подход применим только при условии, что теплофизические свойства осадочной толщи известны в деталях, так как вариации этих свойств могут привести к значительной неправильной интерпретации термальных аномалий (Deming 1994; Clauser & Huenges 1995; Davis et al. 2007).

      Эта работа входит в программу исследований, направленных на лучшее понимание геотермального потенциала глубоких осадочных толщ бассейна реки По. Представлены результаты лабораторных измерений термических свойств, плотности и пористости образцов горных пород, извлеченных из нескольких нефтяных скважин, пробуренных в бассейне.Затем результаты проверяются с помощью моделей смешения для прогнозирования теплопроводности и объемной теплоемкости на основе знания объемных долей породообразующих минералов. Для описания свойств пород бассейна при любых возможных условиях глубины залегания, температуры и анизотропии мы предлагаем подход, который позволяет сделать вывод о термических параметрах in situ на основе минерального состава или литостратиграфических данных. Наконец, приведены примеры расчета теплопроводности и поверхностного теплового потока для двух глубоких скважин.

      2 типа камней

      Итальянская национальная нефтяная компания (Eni E&P Division San Donato Milanese, Milanese) предоставила более 100 образцов керна из 25 нефтяных разведочных скважин, разбросанных по бассейну реки По (рис. 1). Керны содержат обширную коллекцию основных литологий бассейна до глубины 6500 м. Большинство из них являются осадочными и включают обломочные и химические/биохимические породы. Несколько образцов представляют собой эффузивные породы, принадлежащие к внутриосадочным вулканическим телам.Отобранные литотипы макроскопически изотропны, за исключением некоторых алевролитов, сланцев и алевритистых сланцев с горизонтальной слоистостью пластинчатых силикатов.

      Порошковый рентгеноструктурный анализ, проведенный для всех образцов, дал информацию о минеральном составе породы. Анализ тонких шлифов выбранных репрезентативных образцов, пропитанных метиленовым синим, обеспечил визуальную оценку размера зерна, сортировки, ткани и формы пор. В таблице 1 перечислены исследованные породы по их происхождению и составу, а также количество имеющихся образцов для каждого литотипа.

      Таблица 1

      Лабораторные результаты физических свойств. k r – теплопроводность водонасыщенных изотропных (код 1-5 и 9-18) образцов, ø – пористость, ρ r c r 13 и 1 ρ 12 3 11 – объемная теплоемкость и плотность соответственно как изотропных, так и анизотропных (код 6-8) сухих образцов. Приведены стандартное отклонение (в скобках) и число n образцов.

      Таблица 1

      Лабораторные результаты физических свойств. k r – теплопроводность водонасыщенных изотропных (код 1-5 и 9-18) образцов, ø – пористость, ρ r c r 13 и 1 ρ 12 3 11 – объемная теплоемкость и плотность соответственно как изотропных, так и анизотропных (код 6-8) сухих образцов. Приведены стандартное отклонение (в скобках) и число n образцов.

      Обломочные отложения представляют собой преимущественно консолидированные породы и состоят из каркасных силикатов и зерен карбонатов, рассеянных в глинистой матрице или известковом цементе. Большинство образцов представляют собой мергели и алевритовые мергели морского происхождения, образованные карбонатно-кальциевым илом, содержащим переменное количество глин. В дополнение к глине и карбонату кальция обычно присутствуют зерна кварца, плагиоклаза и калиевого полевого шпата размером с ил. Сланцы в основном состоят из смеси глинистых минералов и крошечных фрагментов других минералов, особенно мусковита, кварца и, в меньшей степени, полевых шпатов и кальцита.Отобранные глинистые песчаники представлены каменными и полевошпатовыми аренитами, в основном сложенными сцементированными песчаными отложениями, во многих случаях преобладающими обломками пород размером с песок и кварцем. Размер зерен варьируется от среднего до мелкого, с глинистой матрицей и/или известковым цементом. И обломки, и матрица калькаренитов обычно известковые, и лишь небольшой процент зерен образован кварцем и глинистыми минералами. На рис. 2 приведены несколько примеров микроскопического строения некоторых образцов терригенных отложений.

      Рисунок 2

      Микрофотография некоторых обломочных пород из таблицы 1 в плоскополяризованном свете. (а) 2-Алевритовый мергель: рассеянный алеврит (кварц и плагиоклаз) с планктонными и бентонными фораминиферами, частично пиритизированными и местами пиритовыми пластинками в мергелистом матриксе. ; пористость локализована послойно вдоль пиритовых пластинок; б – 3 – известковый мергель: алевриты (преимущественно кварцевые) и планктонные фораминиферы, рассеянные в мергелистом матриксе с внутризерновой и меловой пористостью; в — 6-алевролит: алеврит (кварц, плагиоклаз, калиевый полевой шпат и слюда) и зерна микрита в глинистой матрице с малой пористостью; (d) 4-Глинистый песчаник: песчаник от среднего до мелкого, образованный зернами кварца, плагиоклаза, калиевого полевого шпата и слюды в глинистой матрице, внутризернистый, межзерновой с трещинной пористостью.

      Рисунок 2

      Микрофотография некоторых обломочных пород из таблицы 1 в плоскополяризованном свете. (а) 2-Алевритовый мергель: рассеянный алеврит (кварц и плагиоклаз) с планктонными и бентонными фораминиферами, частично пиритизированными и местами пластинками пирита в мергеле матрица; пористость локализована послойно вдоль пиритовых пластинок; б – 3 – известковый мергель: алевриты (преимущественно кварцевые) и планктонные фораминиферы, рассеянные в мергелистом матриксе с внутризерновой и меловой пористостью; в — 6-алевролит: алеврит (кварц, плагиоклаз, калиевый полевой шпат и слюда) и зерна микрита в глинистой матрице с малой пористостью; (d) 4-Глинистый песчаник: песчаник от среднего до мелкого, образованный зернами кварца, плагиоклаза, калиевого полевого шпата и слюды в глинистой матрице, внутризернистый, межзерновой с трещинной пористостью.

      Химические/биохимические отложения включают карбонатные, эвапоритовые и кремнистые породы. Карбонаты классифицируются на основе текстуры осадконакопления согласно Данэму (1962). Наиболее распространенным минералом является карбонат кальция-магния, который присутствует как в известковистых биокластовых обломках, так и в частицах микрита. Эвапоритовые породы (ангидрит и гипс) мелкозернистые. В ангидритах ассоциированы минералы гипса и кальцита. Кремнистые породы представлены радиоляритами. Примеры микроскопического строения образцов, относящихся к химико-биохимическим породам, приведены на рис.3.

      Рисунок 3

      Микрофотография некоторых химических/биохимических пород из Таблицы 1 в плоскополяризованном свете. (a) 15-Радиолярит: прослои радиолярий с кремнистыми сланцами, большая часть матрицы окварцована, пористость недостаточна; (б) 10-Аргиллиты: кальцит встречается в виде очень мелких кристаллических зерен до зерен размером с микрит, местами микрокристаллический кварц замещает радиоляриевые и кремнистые конкреции, пористость скудная или отсутствует; (c) 12-Packstone: нескелетные зерна размером от алеврита до микрита, фрагменты моллюсков и морских лилий, расположенные в самоподдерживающемся каркасе, но также содержащие матрицу из известкового ила и глинистых слоев, скудная пористость; (г) 14-долостон: очень тонкокристаллический доломит, кристаллы обычно имеют субидиоморфную или идиоморфную форму и местами окружены глинистыми минералами, межкристаллическая пористость слабо развита или отсутствует.

      Рисунок 3

      Микрофотография некоторых химических/биохимических пород из Таблицы 1 в плоскополяризованном свете. (a) 15-Радиолярит: прослои радиолярий с кремнистыми сланцами, большая часть матрицы окварцована, пористость скудная; (б) 10-Аргиллиты: кальцит встречается в виде очень мелких кристаллических зерен до зерен размером с микрит, местами микрокристаллический кварц замещает радиоляриевые и кремнистые конкреции, пористость скудная или отсутствует; (c) 12-Packstone: нескелетные зерна размером от алеврита до микрита, фрагменты моллюсков и морских лилий, расположенные в самоподдерживающемся каркасе, но также содержащие матрицу из известкового ила и глинистых слоев, скудная пористость; (г) 14-долостон: очень тонкокристаллический доломит, кристаллы обычно имеют субидиоморфную или идиоморфную форму и местами окружены глинистыми минералами, межкристаллическая пористость слабо развита или отсутствует.

      Образцы вулканических пород представляют собой лавы дацитового состава. Они имеют порфировую текстуру и содержат от 25 до 35% вкрапленников, преимущественно плагиоклаза + кварца + биотита. Вкрапленники залегают в скрытокристаллической основной массе, состоящей из плагиоклаза, кварца, оксидов и небольшого количества калиевого полевого шпата. Процессы изменения привели к образованию минералов каолинитовых и иллит-смектитовых глин в результате химического выветривания алюмосиликатных минералов, таких как полевой шпат.

      3 Лабораторные измерения

      Измерения проводились в стандартных лабораторных условиях на образцах, насыщенных водой и обезвоженных в сушильном шкафу с принудительной вентиляцией при температуре 105 °C в течение 24 часов.Породы с чувствительными к воде или гидратированными фазами (такими как глина, гипс и ангидрит) сушились при более низкой температуре (65 °C) для сохранения минеральной ассоциации и предотвращения увеличения эффективной пористости за счет удаления гидратации-воды и изменения пористости. ткань.

      Были определены как объемная плотность, так и плотность зерна. Массу измеряли с помощью высокоточных весов, а общий объем определяли путем погружения в дистиллированную воду. Пористость рассчитывали как отношение разности плотности зерен и объемной плотности к плотности зерен.

      Твердый объем был определен двумя разными способами: (i) для проницаемых и консолидированных пород изменение массы между обезвоженными и водонасыщенными условиями объяснялось притоком воды в поровые пространства (эта процедура, таким образом, дала прямое измерение пористости), (ii) для слабосцементированных, глинистых и эвапоритовых пород использовали гелиевый пикнометр.

      Тепловые свойства измерялись на приборе ISOMET (Applied Precision, Ltd., Братислава, Словакия), которые могут быть оснащены игольчатыми и плоскими зондами, пригодными для одновременного определения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости. Измерение было основано на анализе температурной реакции анализируемого материала на тепловые импульсы, вызванные электрическим нагревом. Был использован тонкослойный нагреватель, находящийся в тепловом контакте с поверхностью образца (см. Carslaw & Jaeger 1959, математическую формулировку). Поскольку все три тепловых свойства связаны друг с другом, мы рассмотрели только теплопроводность 90 210 К 90 213 (в Вт м -1 К -1 ) и объемную теплоемкость (определяемую как произведение плотности ρ [в кг м −3 ] и удельной теплоемкостью c [Дж кг −1 K −1 ]).Воспроизводимость составляет 3 % для обоих параметров, а точность составляет 5 % для k и 15 % для ρc .

      Для калибровки прибора была проведена серия предварительных измерений на стандартных материалах с известными тепловыми свойствами. Кроме того, для проверки характеристик устройства было проведено несколько испытаний с другим устройством, реализованным в нашей лаборатории (Pasquale 1982; Pasquale 1983) с теми же стандартными материалами и набором образцов горных пород.Результаты, полученные с использованием двух разных устройств, в основном совпадали.

      Теплопроводность измерялась параллельно и перпендикулярно оси жилы, которая всегда совпадает с вертикалью. Коэффициенты анизотропии, то есть отношение между максимальной и минимальной теплопроводностью, во многих образцах оказались пренебрежимо малыми (<1,05), так что большинство пород можно считать изотропными. В таблице 1 обобщены результаты теплопроводности водонасыщенных образцов, которые показали незначительную анизотропию, а также пористость, плотность и сухая объемная теплоемкость всех образцов.Средняя теплопроводность колеблется от 1,54 до 4,60 Вт м -1 К -1 , что соответствует гипсу и доломиту соответственно. Помимо доломитов более высокими значениями электропроводности обладают дациты и ангидриты, а более низкими – известковые мергели. Карбонатные породы и глинистые песчаники имеют промежуточные значения. Средние значения сухой объемной теплоемкости колеблются от 1495 (известковые мергели) до 2445 кДж м -3 К -1 (гипс).Пористость колеблется от 2,4—2,7 % (радиоляриты, гипсы, аргиллиты и ангидриты) до 29,0—30,8 % (калькарениты и известковистые мергели).

      Несмотря на макроскопическую однородность, несколько образцов сланцев, алевритистых сланцев и алевролитов имели слоистость в масштабе. Таблица 2 детализирует состав этих образцов вместе с измеренными горизонтальными ( k x ) и вертикальными ( k z ) теплопроводность, пористость и глубина, на которой они были восстановлены.На рис. 4 показаны k x , k z и объемная доля пластового силиката v ss по глубине z . Их соотношение имеет вид 123, где z в км. Горизонтальная теплопроводность заметно увеличивается с глубиной, тогда как вертикальная теплопроводность и доля пластового силиката уменьшаются. Коэффициент анизотропии варьируется от 1,09 для высокопористого алевролита с глубины 1261 м до 1,68 для компактного сланца, извлеченного с глубины 3980 м.

      Таблица 2

      Глубина z , пористость ø, горизонтальная k x и вертикальная k z измеренная теплопроводность, минеральный состав (в процентах) и расчетная теплопроводность листовая силикатная фракция таблицы 1. Cc, кальцит; Дол, Доломит; Qtz, кварц; Kf, калиевый полевой шпат; Pl — плагиоклаз; SS, листовой силикат.

      Таблица 2

      Глубина Z , пористость Ø, горизонтальный K x листовой силикатной фракции табл. 1.Cc, кальцит; Дол, Доломит; Qtz, кварц; Kf, калиевый полевой шпат; Pl — плагиоклаз; SS, листовой силикат.

      Рисунок 4

      Горизонтальный k x и вертикальный k z измеренная теплопроводность, а также фракция листового силиката в зависимости от глубины образцов в таблице 2. Сплошные линии представляют собой аппроксимирующие кривые. Рисунок 4Сплошные линии — это кривые соответствия.

      4 Моделирование тепловых параметров

      Многие модели смешения были разработаны для оценки теплопроводности и объемной теплоемкости горных пород по другим параметрам (например, Schärli & Rybach 2001; Wang 2006; Abdulagatova 2009). Вывод теплопроводности из информации об объемной доле и теплопроводности породообразующих минералов требует моделирования распределения различных составляющих.Достоверность результатов зависит от точности имеющейся информации и от того, как характеристики породы влияют на теплопроводность. Задача состоит в вычислении возмущения линейного теплового потока через однородную среду из-за наличия области различной проводимости.

      Литературные значения теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости минералов, обнаруженных в наших образцах, приведены в таблице 3. В значениях теплопроводности наблюдается существенное совпадение, хотя и полученное из разных источников.Однако мы отметили некоторые существенные расхождения, которые в целом могут отражать различия в типе определения. В случае измерений на монокристаллах или мономинеральных агрегатах мы отдавали предпочтение последним. Значения термических параметров для калиевого полевого шпата, плагиоклаза и пластинчатых силикатов соответствуют наиболее распространенным минералам, а именно, микроклину, олигоклазу и группе минералов смектит-иллит соответственно.

      Таблица 3

      Теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость породообразующих минералов, воздуха и воды в стандартных лабораторных условиях.

      Таблица 3

      Теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость породообразующих минералов, воздуха и воды в стандартных лабораторных условиях.

      4.1 Объемная теплоемкость

      Поскольку удельная теплоемкость воздуха сравнима с теплоемкостью породообразующих минералов, мы сосредоточились на измерениях объемной теплоемкости, проведенных на сухих породах. Зная минеральный состав и физические свойства минералов и воздуха, можно вычислить объемную теплоемкость (в Дж м −3 K –1 ) сухой породы ρ r c r . как средневзвешенная объемная теплоемкость матрицы ρ m c m и воздуха ρ a c a в пустотах 4 где , φ – пористость, v j , ρ j и c j – объемная доля, плотность и удельная теплоемкость j -го минерала соответственно, а n – количество минеральных компонентов.Сравнение результатов средней объемной теплоемкости, рассчитанной для каждой литологии, с лабораторными значениями показано на рис. c r
      ниже на 1,6%.

      Рисунок 5

      Сравнение средних значений расчетной и измеренной сухой объемной теплоемкости ρ r c r . Пунктирные линии представляют собой ±7-процентное отклонение от одного к одному соответствию (сплошная линия).Кодовый номер рядом с каждой точкой данных относится к образцам, перечисленным в таблице 1.

      Рисунок 5

      Сравнение средних значений рассчитанной и измеренной сухой объемной теплоемкости ρ r c r . Пунктирные линии представляют собой ±7-процентное отклонение от одного к одному соответствию (сплошная линия). Номер кода рядом с каждой точкой данных относится к образцам, перечисленным в таблице 1.

      4.2 Теплопроводность

      4.2.1 Изотропные породы

      Если известны теплопроводность минеральных фаз и минеральный состав, можно рассчитать матричную теплопроводность изотропной породы. Затем можно оценить проводимость водонасыщенной породы, принимая во внимание влияние воды, заполняющей поры.

      Среди нескольких моделей, включающих применение законов смешения для минерального агрегата (например, Джессоп, 1990), мы использовали модель Хашина и Штрикмана (1962), которая первоначально была предложена для магнитной проницаемости макроскопически однородных и изотропных материалов.Благодаря математическим аналогиям его можно распространить на расчеты теплопроводности. Материнская проводимость породы к м o (в Вт м –1 К –1 ) определяется выражением 5, где к U – верхняя граница проводимости, определяемая как 21а с 90 k
      max – максимальная теплопроводность минеральных фаз, а 5b где k j – теплопроводность j -го минерала, а v j и n равны
      .(4). Заменив минимальную теплопроводность минеральных фаз и показатель «max» на «min» в уравнениях (5a) и (5b), можно получить аналогичное выражение для нижней границы проводимости k L . Чтобы определить объемной проводимости мы учли пористость по модели Циммермана (1989). Предполагается, что поры представляют собой изолированные сфероиды, а их форма определяется соотношением сторон и , которое представляет собой отношение длины неравной оси к длине одной из равных осей.Так, поры имеют сферическую, сплюснутую и вытянутую форму, для а = 1, а а > 1 соответственно. В крайних случаях, когда поры состоят из тонких трещин, сфероиды принимают игольчатую, трубчатую форму ( a →∞) или тонкую монетовидную форму ( a → 0). Для изотропной породы рассматривается средняя ориентация неравной оси сфероида по отношению к градиенту температуры. Если поры беспорядочно ориентированы и распределены сфероидами, расчетная теплопроводность k HZ равна 6, где k м o – матричная теплопроводность уравнения.(5), φ пористость и r отношение теплопроводности воды, заполняющей поры, и теплопроводности матрицы. Параметр β определяется выражением где для a и для a > 1. Для a = 1 параметр M = 3(1 − r )/(2 + r ).

      Сравнение результатов для соотношения сторон a = 1 с измеренными значениями теплопроводности показано на рис. 6. Расхождения между расчетными и измеренными значениями составляют от –2.2 % до 6,9 %, а расчетная теплопроводность в среднем больше на 3,5 %. Таким образом, модель, предполагающая сферические поры, согласуется с лабораторными результатами.

      Рисунок 6 модель. k HZ учитывает пористость по модели Циммермана. Детали см. рис. 5.

      Рис. 6

      Сравнение теплопроводности k r измеренной на водонасыщенных образцах с теплопроводностью k HZ рассчитанной по модели Хашина–Штрикмана и проводимостью k G вычислено с помощью геометрической модели смешения. k HZ учитывает пористость по модели Циммермана.Детали как на рис. 5.

      Рис. 7 показывает, однако, что в некоторых образцах поры отличаются от сферической формы. Хорошо сцементированные обломочные породы и кристаллические породы обладают хрупким поведением, поэтому они могут раскалываться. Кроме того, трещины могут увеличиваться при растворении, особенно в карбонатных породах. Таким образом, наилучшее соответствие между рассчитанной и измеренной теплопроводностью образцов аргиллита, пакстоуна, доломита и дацита достигается для более подходящего соотношения размеров пор, то есть для тонких трещин в форме монеты.В глинистых песчаниках и известковистых мергелях наблюдалась молочная и внутричастичная пористость в раковинах планктонных фораминифер. Для этих пород отклонения между расчетной и измеренной теплопроводностью могут значительно уменьшиться (в среднем на 1,3 %), если выбрать правильное соотношение размеров ( a = 0,1).

      Рисунок 7

      Микрофотография в плоскополяризованном свете некоторых обломочных и химических/биохимических пород из Таблицы 1, демонстрирующая форму пористости, усиленную метиленовым синим.(а) 5-глинистый песчаник: высокая пористость, связанная с межчастичными порами и внутричастичными порами в раковине планктонных фораминифер; (б) 3-известковый мергель: высокая пористость, связанная с меловой пористостью матрицы, заплесневелыми и внутричастичными порами в раковинах планктонных фораминифер; (c) 14-Dolostone: каверны и трещины, расширенные растворением; (d) 12-Packstone: хорошо сцементированный известняк с открытыми трещинами, которые пересекают ткань породы.

      Рисунок 7

      Микрофотография в плоскополяризованном свете некоторых обломочных и химических/биохимических пород из Таблицы 1, демонстрирующая форму пористости, усиленную метиленовым синим.(а) 5-глинистый песчаник: высокая пористость, связанная с межчастичными порами и внутричастичными порами в раковине планктонных фораминифер; (б) 3-известковый мергель: высокая пористость, связанная с меловой пористостью матрицы, заплесневелыми и внутричастичными порами в раковинах планктонных фораминифер; (c) 14-Dolostone: каверны и трещины, расширенные растворением; (d) 12-Packstone: хорошо сцементированный известняк с открытыми трещинами, которые пересекают ткань породы.

      Мы также применили другой метод для расчета теплопроводности, то есть геометрическую модель смешения (см. Jessop 1990), обычно используемую для пористых пород 7, где символы такие же, как в уравнении.(5б). Полученные значения представлены в сравнении с измеренными на рис. 6. Этот метод дает менее удовлетворительную оценку, так как расхождения между рассчитанными и измеренными значениями составляют от –13,8% до 0,8%, а расчетная электропроводность в среднем занижена на 4,7 процента.
      4.2.2 Анизотропные породы
      Анизотропия сланцев, алевритистых сланцев и алевролитов в основном обусловлена ​​эффектом ориентации пластинок глины и слюды при захоронении. Затем уменьшение вертикальной теплопроводности k z с глубиной (рис.4 и экв. 2) связано с тем, что теплопроводность пластовых силикатов, к сс , меняется с глубиной. Поскольку минеральный состав образца и теплопроводность карбонатных и каркасно-силикатных минералов известны, из уравнения (7) мы находим 8, где нижние индексы электропроводности и объемной доли указывают на минералы из таблицы 2. В этой таблице также приведены расчетные значения k ss в диапазоне от 0,48 до 1,30 Вт·м −1 K − 1 .На рис. 8 показаны k ss в зависимости от глубины z и кривая наилучшего соответствия, которая имеет вид 9, где глубина выражена в километрах. k ss , как ожидается, будет экспоненциально уменьшаться с глубиной от 2,13 Вт м −1 K −1 на поверхности до 0,52 Вт м −1 K −1 на глубине 4,5 км.

      Рисунок 8

      График регрессии предполагаемой вертикальной теплопроводности пластовых силикатов k ss и вертикальной теплопроводности матрицы k ma в зависимости от глубины z пород из таблицы 2.Сплошные линии — это кривые соответствия.

      Рис. подходящие кривые.

      Следовательно, мы ожидаем, что и вертикальная проводимость матрицы к мА (в Вт·м –1 К –1 ) анизотропных пород уменьшается с глубиной. k ma можно определить с помощью соотношения 10 где k w – теплопроводность воды. Расчетные значения k млн лет в зависимости от глубины (в километрах) хорошо описываются линейным выражением (рис. 8) составляет 1,77 Вт·м −1 K −1 .

      4.3 Влияние глубины захоронения и температуры

      Теплопроводность и объемная теплоемкость, измеренные или рассчитанные при стандартном давлении и температуре, не отражают свойства породы на глубине.Таким образом, необходимо применять поправки для экстраполяции тепловых параметров на in situ условий (Beardsmore & Cull 2001 и ссылки в них).

      Теплопроводность горных пород можно рассматривать как результат трех основных перекрывающихся эффектов, зависящих от глубины залегания и температуры: (i) относительное содержание воды, заполняющей поры, по сравнению с твердой частью, которое уменьшается при уплотнении, (ii) проводимость воды, заполняющей поры, которая увеличивается с температурой, и (iii) теплопроводность матрицы, которая уменьшается с глубиной в зависимости от температуры (давление оказывает лишь незначительное влияние в пределах осадочных бассейнов).

      В магматических, кремнистых и эвапоритовых породах пористость обычно мало меняется с глубиной. Вместо этого в обломочных и карбонатных породах происходят значительные изменения во время постепенного захоронения, которое включает уплотнение, вызванное весом вышележащих отложений, вытеснение межзерновых флюидов и реорганизацию объема зерен осадка. По сравнению с большинством минералов вода, заполняющая поры, имеет гораздо более низкую электропроводность и более высокую объемную теплоемкость, так что термические свойства породы очень чувствительны к доле пористости.Пористость убывает экспоненциально с глубиной в соответствии с (Sclater & Christie 1980) 12 , где φ o – пористость на поверхности ( z = 0), а b (км −1 ) – коэффициент уплотнения. Осадочные породы бассейна По были сгруппированы в четыре категории, чтобы вывести соответствующие параметры кривых уплотнения. На рис. 9 показаны кривые пористость-глубина вместе с расчетными значениями φ o и b для каждой категории пород.

      Рис. 9

      Кривые пористость-глубина уплотнения обломочных и карбонатных пород табл. (11) показаны.

      Рис. 9

      Кривые пористость-глубина уплотнения обломочных и карбонатных пород табл. (11) показаны.

      Deming & Chapman (1988) дали оценку теплопроводности воды k w как функцию температуры, T (°C) в виде 13a13b

      Относительно проводимости матрицы следует напомнить, что теплопроводность в твердых телах может происходить либо за счет колебаний решетки, либо за счет процессов излучения.Поскольку тепловое излучение становится существенным только при очень высоких температурах, в нашем анализе мы учитывали только решеточный вклад. Тем не менее соотношение T −1 для решеточной проводимости согласуется с экспериментальными данными только для изотропных структурно совершенных монокристаллов (Roy, 1981; Buntebarth, 1991; Lee & Deming, 1998). Теплопроводность горных пород снижается медленнее, чем Т -1 , а в породах с низкой теплопроводностью может даже наблюдаться некоторое увеличение теплопроводности с температурой (Тихомиров, 1968; Чермак, Рыбач, 1982; Somerton, 1992).

      Ли и Деминг (1998) оценили точность различных температурных поправок на теплопроводность по большому набору экспериментальных данных для нескольких типов горных пород. Наименьшая средняя относительная ошибка дается выражением (Sekiguchi 1984) 14 где k m теплопроводность матрицы при температуре in situ T (в K), k m 1 o – проводимость матрицы при температуре поверхности T o , k M и T M – теплопроводность и абсолютная температура, при которых Секигучи называет предполагаемую точку 1.8418 Вт м -1 К -1 и 1473 К соответственно. Теплопроводность увеличивается по мере заглубления из-за быстрого снижения пористости и увеличения доли проводящей минеральной матрицы. На больших глубинах, когда пористость уменьшается медленнее, а температура повышается, эффект снижения проводимости материнской породы берет верх, и проводимость показывает обратную тенденцию. Удельная теплоемкость как воды, так и материнской породы увеличивается с температурой. Somerton (1992) предложил выражение для удельной теплоемкости чистой воды в зависимости от температуры, которое выполняется в диапазоне 20–290 °C 15 , где ρ w — плотность жидкой воды, температурная зависимость которой имеет вид 16 где ρ w 20 – плотность воды при 20 °С (в кг·м –3 ), а α w (в К –1 ) – коэффициент теплового расширения вода, определяемая выражением 17

      Пока давление достаточно велико, чтобы удерживать воду в жидкой фазе, можно оценить объемную теплоемкость воды ρ w c w в подземных условиях (высокое давление) с хорошей точностью с использованием уравнений (15 — 17), без учета зависимости от давления (Somerton 1992; Waples & Waples 2004b).

      Поскольку объемный коэффициент теплового расширения горных пород очень мал (около 10 −5 K −1 ), плотность считалась постоянной во всем диапазоне температур, ожидаемом в осадочном бассейне, так что объемная теплоемкость матрица увеличивается в соответствии с ростом удельной теплоемкости в зависимости от температуры. Температурная зависимость объемной теплоемкости для любой минеральной матрицы может быть рассчитана с использованием уравнения (Hantschel & Kauerauf 2009) 18 где ρ m и c m 20 — плотность зерен, принятая за константу и удельная теплоемкость скелета породы при 20 °С соответственно.

      5 Приложение к скважинным данным

      Методы моделирования и поправки, представленные в предыдущих разделах, позволяют оценить тепловые параметры in situ на основе минерального состава породы или, альтернативно, по литостратиграфическим данным. Последняя информация чаще доступна из отчетов о бурении. В качестве практического примера мы получили теплопроводность in situ в скважинах Мортара и Турбиго в бассейне реки По (рис.1), литостратиграфическая последовательность которого хорошо известна.

      Скважина Мортара имеет глубину 5905 м и залегает над структурным выступом, соответствующим третичной вулканической постройке, погребенной под миоцен-четвертичным терригенным чехлом. Скважина Турбиго достигла глубины 6631 м, где вскрыла мезозойский структурный выступ, погребенный под эоцен-четвертичным терригенным чехлом. Подробную литостратиграфическую информацию и данные о пластовой температуре для этих скважин можно получить в Eni E&P Division.

      Вертикальная теплопроводность in situ была оценена в средней точке 20-метрового интервала путем комбинации коэффициентов теплопроводности скелета горной породы и воды, полученных по уравнению. (7) и параметры рис. 9. Матричная теплопроводность для изотропных пород была рассчитана со значениями k r и φ, как в табл. 1. Для пород, богатых пластинчатыми силикатами, ур. (11) был использован. Влияние температуры на воду было скорректировано с помощью уравнений (13a) и (13b), тогда как уравнение.(14) был использован для скелета горной породы. Предполагалось, что региональный геотермический градиент составляет 25,2 мК·м −1 , согласно оценке Pasquale (2008b).

      На рис. 10 показана литостратиграфическая колонка и теплопроводность in situ для двух скважин. На первых километрах эффект уплотнения больше, чем температурный, и для одного и того же литотипа это приводит к увеличению проводимости с глубиной. Обе скважины показывают, что максимальные значения проводимости приходятся на самые глубокие образования (дациты и доломиты).Горизонты сланцев, алевритистых сланцев и алевролитов залегают на разной глубине и имеют минимумы. Обратите внимание, что из-за присутствия термически анизотропных пластинчатых силикатов проводимость постоянна или уменьшается с глубиной.

      Рисунок 10

      Вертикальная теплопроводность k в скважин Мортара и Турбиго по данным литостратиграфии. Указаны названия формаций.

      Рисунок 10

      Вертикальная теплопроводность k в скважин Мортара и Турбиго по данным литостратиграфии.Указаны названия формаций.

      Затем был применен классический подход метода теплового сопротивления (Буллард, 1939) для оценки земного теплового потока в двух скважинах. Термическое сопротивление R (в м 2 кВт –1 ) по вертикали между поверхностью и глубиной d равно 19, где Δ z постоянная и равна 20 м и к в – оценка in situ вертикальной теплопроводности (в Вт·м –1 K –1 ).Таким образом, подповерхностные температуры в горизонтально-слоистой изотропной среде связаны с тепловым сопротивлением как 20, где T d – температура на глубине глубина z = 0 и q o – поверхностный тепловой поток (в Вт·м –2 ). Линейная аппроксимация данных, ограниченная температурой поверхности 12,5 °C, позволяет оценить поверхностный тепловой поток.На Рисунках 11 и 12 показана зависимость пластовой температуры от теплового сопротивления в двух анализируемых скважинах и предполагаемых значений поверхностного теплового потока. Качество линейной подгонки предполагает, что внутренние источники тепла (например, конвекция жидкости, выделение радиоактивного тепла) имеют незначительное значение. Геотермы, рассчитанные с помощью ур. (20) также отображаются.

      Рисунок 11

      График Булларда и температурный профиль скважины Мортара. Температура пласта указана точками.Показаны поверхностный тепловой поток ( q o ) и коэффициент детерминации ( R -квадрат).

      Рисунок 11

      График Булларда и температурный профиль скважины Мортара. Температура пласта указана точками. Показаны поверхностный тепловой поток ( q o ) и коэффициент детерминации ( R -квадрат).

      Рисунок 12

      График Булларда и температурный профиль скважины Турбиго.Детали как на рис. 11.

      Рис. 12

      График Булларда и температурный профиль скважины Турбиго. Детали как на рис. 11.

      6 Обсуждение

      Точные определения физических свойств широкого спектра осадочных и внутриосадочных вулканических пород бассейна реки По позволяют рассчитать теплопроводность в зависимости от глубины с учетом эффектов захоронения, температуры и анизотропии. Информацию об анизотропии теплопроводности мы получили из измерений на ориентированных образцах.Химические/биохимические, вулканические и большинство проанализированных обломочных пород термически изотропны, что согласуется с литературными данными (Deming 1994; Clauser & Huenges 1995; Davis 2007). Мы отметили, что анизотропия увеличивается в мелкозернистых и пластинчатых породах, богатых силикатами, и увеличивается с глубиной залегания в связи с преимущественной ориентацией пластинчатых силикатов во время уплотнения (Bennet, 1981; Pribnow & Sass, 1995; Waples & Tirsgaard, 2002; Davis). 2007). Эта информация использовалась для повышения точности и достоверности вертикальной составляющей теплопроводности.

      Декомпрессия керна при извлечении из скважины и последующее увеличение пористости при снятии давления покрывающих пород может стать проблемой при определении пористости (Pasquale 2006). С другой стороны, пористость, полученная в лаборатории путем насыщения образцов водой или с помощью гелиевого пикнометра, может быть недооценена, поскольку он измеряет только взаимосвязанные поры. Однако ошибки, связанные с лабораторными процедурами и механизмом восстановления пористости, имеют противоположный знак и примерно одинаковую величину (Гамильтон, 1976).Поэтому можно обоснованно предположить, что лабораторные измерения отражают пористость на той глубине, на которой был извлечен образец.

      Лабораторные результаты теплофизических свойств были использованы для анализа применимости двух методов оценки теплопроводности по минеральному составу макроскопически изотропных и однородных пород. Первый метод сочетает в себе модель Хашина-Штрикмана с моделью Циммермана. Первая модель дает точные оценки теплопроводности матрицы, тогда как вторая учитывает влияние структуры, то есть влияние формы пор.Микрофотографический анализ может помочь отличить плоские трещины или сплющенную пористость от сферической формы и включить в модель правильное соотношение сторон. Второй метод основан на геометрической модели смешения и дает занижение коэффициента теплопроводности.

      Поскольку анизотропия теплопроводности в сланцах, алевритистых сланцах и алевролитах незначительна, мы разработали соотношение для вывода вертикальной теплопроводности пластинчатых силикатов на различной глубине залегания.Результаты расчетов проводимости на большой глубине или при высокой степени уплотнения хорошо согласуются со значениями теплопроводности пластинчатых силикатов перпендикулярно основной плоскости спайности, полученными Diment & Pratt (1988) и Williams & Anderson (1990). Расчетная вертикальная теплопроводность пластовых силикатов значительно уменьшается с глубиной. Это согласуется с процессом отложения пластового силикатного минерала. Как только они откладываются, минералы ориентируются случайным образом.Последующее захоронение связано с уменьшением пористости, а при уплотнении пластины глины и слюды поворачиваются в преимущественно горизонтальную ориентацию, что снижает вертикальную теплопроводность.

      Объемная теплоемкость является скалярной величиной и изотропным физическим свойством. Учитывая, что удельная теплоемкость твердого элемента одинакова независимо от того, является ли он свободным или входит в состав твердого соединения, объемная теплоемкость оценивалась как средневзвешенная объемная теплоемкость минеральных зерен и воды.При расчете объемной теплоемкости, поскольку тренд удельной теплоемкости в зависимости от температуры минералов и непористых пород одинаков, а коэффициент теплового расширения пренебрежимо мал, мы применяли одну и ту же поправку для любой минеральной матрицы. Различия между непористыми породами и минералами невелики, обычно менее 1 % при температуре ниже 500 °C, т. е. представляют большой интерес для осадочных бассейнов (Waples & Waples 2004a).

      Температурная зависимость проводимости матрицы учитывалась в соответствии с эмпирической поправкой, предложенной Sekiguchi (1984).Эта поправка не зависит от минералогии и пористости. Ошибка, связанная с применением поправки Секигучи, увеличивается с температурой, но имеет тенденцию быть относительно небольшой в широком диапазоне теплопроводности горных пород (Lee & Deming 1998).

      К выводу о теплопроводности и объемной теплоемкости обычно подходили путем прямой корреляции геофизических каротажных данных с тепловыми свойствами или путем оценки минералогии по каротажным данным, а затем с использованием законов смешивания для оценок тепловых свойств (например,грамм. Вассер 1995; Хартманн 2005). Полный набор геофизических журналов доступен редко, тогда как информация о минеральном составе пород или литостратиграфической колонке доступна часто.

      Зависимость теплопроводности от глубины была оценена в скважинах Мортара и Турбиго на основе литостратиграфической информации. Если оценка теплопроводности верна, а тепловой режим является чисто установившимся кондуктивным, то тепловой поток должен быть постоянным с глубиной. Это, по-видимому, происходит для обеих скважин, показывая только небольшие колебания из-за ошибок в оценке степени уплотнения отложений и незначительных источников тепла.

      7 Выводы

      Лабораторные результаты теплофизических свойств горных пород бассейна реки По были сопоставлены с результатами, полученными с применением теорий смесей. Для изотропных пород экспериментальные значения теплопроводности удовлетворительно предсказываются моделями, в которых сфероидальные поры произвольного размера случайным образом рассеяны в однородной, изотропной и полиминеральной матрице. Анизотропия теплопроводности в некоторых обломочных породах значительна и объясняется изменением теплопроводности пластинчатых силикатов в зависимости от глубины залегания.Объемную теплоемкость оценивали как средневзвешенное значение объемной теплоемкости минералов и воды, заполняющей поры. На основе этого анализа мы предлагаем подход к расчету термических свойств пород бассейна в условиях 90–210 in situ 90–213. Методология учитывает изменения тепловых свойств из-за температуры, глубины залегания и эффектов анизотропии и применима для высокоточных оценок тепловых свойств в зависимости от глубины в бассейне реки По.При наличии информации о минеральном составе или литостратиграфических данных подход может быть использован для изучения теплового потока и термического режима в любом осадочном бассейне.

      Благодарности

      Работа выполнена в рамках проекта МИУР-2008 «Геотермальные ресурсы мезозойского фундамента бассейна По: поток подземных вод и перенос тепла». Авторы признательны Eni E&P Division (Сан-Донато-Миланезе, Милан), которая предоставила образцы керна для лабораторных исследований, A.Frixa, E. Vitagliano и двум анонимным рецензентам за полезные обсуждения и комментарии.

      Каталожные номера

      ,

      2009

      .

      Влияние температуры и давления на теплопроводность песчаника

      ,

      Int. Дж. Рок Мех. Мин. науч.

      ,

      46

      ,

      1055

      1071

      .

      ,

      2001

      .

      Тепловой поток в земной коре: руководство по измерению и моделированию

      , стр.

      324

      ,

      Издательство Кембриджского университета

      , Кембридж.

      ,

      1981

      .

      Глинистая ткань отдельных подводных отложений: основные свойства и модели

      ,

      J. Sed. Рез.

      ,

      51

      ,

      217

      232

      .

      ,

      1989

      .

      Минералогия, пористость и влияние флюидов на теплопроводность осадочных пород

      ,

      Геофиз. Дж.

      ,

      98

      ,

      525

      542

      .

      ,

      1939

      .

      Тепловой поток в Южной Африке

      ,

      Proc. Р. Соц.

      ,

      173

      ,

      474

      502

      .

      ,

      1991

      .

      Термические свойства образцов керна KTB-Oberpfalz VB при повышенных температуре и давлении

      ,

      Sci. Дрель.

      ,

      2

      ,

      73

      80

      .

      ,

      1959

      .

      Теплопроводность в твердых телах

      , с.

      510

      , 2-е изд.,

      Oxford University Press

      , Лондон.

      ,

      1982

      .

      Теплопроводность и удельная теплоемкость минералов и горных пород

      ,

      в Физические свойства горных пород

      , стр.

      305

      403

      , изд.

      Springer-Verlag

      , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

      ,

      1995

      .

      Теплопроводность горных пород и минералов

      ,

      в Физика горных пород и фазовые отношения: Справочник по физическим константам

      , стр.

      105

      126

      , изд.

      AGU

      , Вашингтон, округ Колумбия.

      ,

      2007

      .

      Анизотропия теплопроводности метаосадочных и магматических пород

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      112

      ,

      B05216

      , дои: 10.1029/2006JB004755.

      ,

      1994

      .

      Оценка анизотропии теплопроводности горных пород с применением к определению земного теплового потока

      ,

      Дж.геофиз. Рез.

      ,

      99

      ,

      22 087

      22 091

      .

      ,

      1988

      .

      Поток пустоши в надвиговом поясе Юта-Вайоминг по анализу данных о забойной температуре, измеренной в нефтяных и газовых скважинах

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      93

      ,

      13 657

      13 672

      .

      ,

      1988

      .

      Теплопроводность некоторых породообразующих минералов: таблица

      .

      Представитель по открытым файлам, Ю.С. Геол. Surv.

      ,

      88

      690

      .

      ,

      1962

      .

      Классификация карбонатных пород по текстуре осадконакопления

      ,

      в Классификация карбонатных пород

      , стр.

      108

      121

      , изд. ,

      AAPG

      , Мемуары 1.

      ,

      2007

      .

      Определение теплоемкости стратиграфического слоя горы Юкка

      ,

      Int. Дж. Рок Мех. Мин. науч.

      ,

      44

      ,

      1022

      1034

      .

      ,

      1976

      .

      Изменение плотности и пористости с глубиной в глубоководных отложениях

      ,

      J. Sed. Бензин.

      ,

      46

      ,

      280

      300

      .

      ,

      2009

      .

      Основы моделирования бассейнов и нефтегазовых систем

      , стр.

      476

      ,

      Springer

      , Берлин.

      ,

      2005

      .

      Теплопроводность по данным керна и каротажа

      ,

      Int.Дж. Рок Мех. Мин. науч.

      ,

      42

      ,

      1042

      1055

      .

      ,

      1962

      .

      Вариационный подход к теории эффективной магнитной проницаемости многофазных материалов

      ,

      J. appl. физ.

      ,

      33

      ,

      3125

      3131

      .

      ,

      1971

      .

      Теплопроводность породообразующих минералов

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      76

      ,

      1278

      1308

      .

      ,

      1998

      .

      Подземные воды в геологических процессах

      , стр.

      341

      ,

      Cambridge University Press

      , Кембридж.

      ,

      1990

      .

      Тепловая геофизика

      , стр.

      306

      ,

      Elsevier

      , Амстердам.

      ,

      1998

      .

      Оценка температурных поправок на теплопроводность, применяемых в исследованиях теплового потока земной поверхности

      ,

      J. geophys.Рез.

      ,

      103

      ,

      2447

      2454

      .

      ,

      1982

      .

      Динамический метод экспресс-измерения теплопроводности горных пород

      ,

      Семинар по стандарту в геотермии

      ,

      Либлице (CSSR)

      ,

      1

      4

      .

      ,

      1983

      .

      Sulla conducibilità termica delle rocce

      ,

      Atti 2° Conv. ГНГЦ

      ,

      CNR

      , Рим,

      765

      775

      .

      ,

      1990

      .

      Геотермический режим бассейна реки По, Италия

      ,

      Mém. соц. Геол. о.

      , Париж,

      156

      ; Мем. соц. Геол. Suisse, Цюрих, 1 ; Том. Спец. соц. геол. It., Roma, 1 ,

      135

      143

      .

      ,

      2006

      .

      Скорость осадконакопления и опускания в Южно-Тирренском бассейне

      ,

      Морская геофиз. Рез.

      ,

      27

      ,

      155

      165

      .

      ,

      2008

      .

      Термические аномалии, связанные с циркуляцией подземных вод в южной части равнины По

      ,

      Геофиз. Рез. Абстр.

      ,

      10

      ,

      ЭГУ2008-А-01831

      .

      ,

      2008

      .

      Глубинно-временная коррекция забойных температур нефти на равнине По, Италия

      ,

      Геофизика

      ,

      73

      ,

      187

      196

      .

      ,

      1995

      .

      Определение теплопроводности глубоких скважин

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      100

      ,

      9981

      9994

      .

      ,

      1981

      .

      Теплофизические свойства горных пород

      ,

      в Физических свойствах горных пород и минералов

      , стр.

      409

      502

      , под ред. ,

      McGraw-Hill

      , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

      ,

      2001

      .

      Определение удельной теплоемкости на обломках горных пород

      ,

      Геотермия

      ,

      30

      ,

      93

      110

      .

      ,

      1980

      .

      Континентальное растяжение: объяснение послесреднемелового опускания центральной части бассейна Северного моря

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      85

      ,

      3711

      3739

      .

      ,

      1984

      .

      Метод определения земного теплового потока в районах нефтяных бассейнов

      ,

      Тектонофизика

      ,

      103

      ,

      67

      79

      .

      ,

      1992

      .

      Термические свойства и поведение горных пород в зависимости от температуры

      /Fluid Systems , стр.

      257

      ,

      Elsevier

      , Амстердам.

      ,

      1968

      .

      Электропроводность горных пород и ее связь с плотностью, насыщенностью и температурой

      ,

      Рус. нефть. хоз.

      ,

      46

      ,

      151

      161

      .

      ,

      1995

      .

      Оценка теплопроводности осадочных бассейнов

      ,

      Тектонофизика

      ,

      244

      ,

      167

      174

      .

      ,

      2006

      .

      Новый подход к моделированию эффективной теплопроводности гетерогенных материалов

      ,

      Межд. J. Тепломассообмен

      ,

      49

      ,

      3075

      3083

      .

      ,

      2002

      .

      Изменения теплопроводности матрицы глин и аргиллитов в зависимости от уплотнения

      ,

      Бензин.Geosci.

      ,

      8

      ,

      365

      370

      .

      ,

      2004

      .

      Обзор и оценка удельной теплоемкости горных пород, минералов и подземных флюидов. Часть 1, Минералы и непористые породы

      ,

      Нац. Ресурс. Рез.

      ,

      13

      ,

      97

      122

      .

      ,

      2004

      .

      Обзор и оценка удельной теплоемкости горных пород, минералов и подземных флюидов.Часть 2, Жидкости и пористые породы

      ,

      Нац. Ресурс. Рез.

      ,

      13

      ,

      123

      130

      .

      ,

      1990

      .

      Теплофизические свойства земной коры: натурные измерения по континентальному и океанскому бурению

      ,

      J. geophys. Рез.

      ,

      95

      ,

      9209

      9236

      .

      ,

      1989

      .

      Теплопроводность флюидонасыщенных пород

      ,

      Дж.Бензин. науч. англ.

      ,

      3

      ,

      219

      227

      .

      © Международный геофизический журнал авторов © РАН, 2011 г.

      .
  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.