4.5 Силикатные изделия ячеистой структуры

Силикатные изделия ячеистой структуры могут быть также в виде пено и газосиликата.

Пеносиликат камневидньй строительный конгломерат ячеистoro строения, получаемый смешиванием технической пены с предварительно размолотой известково-песчаной смесью.

Для изготовления пеносиликата берут обычно до 25% молотой звести-кипелки и кварцевый песок. Кроме песка могут быть использованы доменный шлак, золы, трепел, диатомит и другие заполнители с большим содержанием кремнезема. Известь и заполнители подвергают совместному или раздельному измельчению, после чего приготавливают ячеистую смесь путем перемешивания известково-песчаного раствора с устойчивой технической пеной. Готовую ячеистую смесь выпускают из смесительного барабана пенобетономешалки в раздаточный бункер, а затем разливают в форму будущего изделия. По происшествии 6—8 ч пеносиликат в формах направляют в автоклавы для запаривания и отвердевания.

Газосиликат искусственный каменный материал ячеистого строения, в котором пористая структура известково-песчаной смеси образуется введением газообразователей. Технологический процесс получения газосиликата сходен с процессом производства газобетона и состоит в основном из измельчения извести и песка, приготовления известково-песчаного раствора совместно с газообразователем, формования изделия и запаривания в автоклаве.

Из силикатных бетонов ячеистой структуры изготовляют изделия со средней плотностью 300—1200 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 0,4—20,0 МПа. Такие изделия характеризуются мелкопористой структурой, малой теплопроводностью [(0,1—0,35 Вт/(м-К)] и достаточной морозостойкостью. Пено- и газосиликаты с малой средней плотностью (до 500 кг/м³) используют для утепления строительных конструкций и тепловых установок (трубопроводов, котлов и др.). Изделия с пределом прочности 2,5—7,5 МПа и теплопроводностью до 0,29 Вт/(м-К) применяют для изготовления крупноразмерных изделий наружных и внутренних стен, перегородок и перекрытий зданий. Для перекрытий промышленных и жилых зданий изготовляют армопеносиликатные плиты с пределом прочности при сжатии выше 7,5 МПа. Плиты размерами (150—300)х50х(10—14) см не требуют дополнительной теплоизоляции, являются достаточно прочными и долговечными.

Тема 5 Теплоизоляционные материалы и изделия

5.1. Общие сведения

Теплоизоляционными называют строительные материалы, которые обладают малой теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования и агрегатов (промышленных печей, турбин, трубопроводов, камер холодильников и пр.). Эти материалы имеют небольшую среднюю плотность не выше 600 кг/м³, что достигается повышением пористости.

В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и понизить их стоимость, уменьшить расход топлива в эксплуатационный период. В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда. Чтобы получить достаточный эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются конкретные разновидности теплоизоляционных материалов и учитываются их теплофизические характеристики. Эти мероприятия позволяют успешно решать проблему экономии топливно-энергетических ресурсов;

По основной теплофизической характеристике теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса: А малотеплопроводные, Б среднетеплопроводные и В повышенной теплопроводности. Классы отличаются величиной теплопроводности материала, а именно: при средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б - от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В -от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К). При других средних температурах измерения теплопроводность материала возрастает.

Наблюдаются исключения из этой зависимости, когда с повышением температуры материала теплопроводность его не повышается, а снижается, например у магнезитовых огнеупоров, металлов.

Самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах имеет меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество в конденсированном состоянии (твердом или жидком). При величине пор 0,1—2,0 мм воздух имеет в них теплопроводность, равную 0,023—0,030 Вт/(м-К). Пористость теплоизоляционных материалов может составлять до 90 и даже до 98%, а супертонкое стекловолокно имеет пористость до 99,5%. Между тем такие конструкционные материалы, как тяжелый цементный бетон, имеет пористость до 9—15%, гранит, мрамор — 0,2—0,8%, керамический кирпич 25—35%, сталь — 0, древесина до 70% и т. п. Поскольку пористость непосредственно влияет на величину средней плотности, теплоизоляционные материалы обычно различают не по пористости, а по средней плотности. Их делят на три группы: особо легкие ОЛ (и наиболее пористые), имеющие марку по средней плотности (в кг/м³) в сухом состоянии 15, 25, 35, 50, 75 и 100; легкие (Л) 125, 150, 175, 200, 225, 300 и 350 и тяжелые (Т) 400, 450, 500 и 600. Материалы, имеющие среднюю плотность между указанными марками, относят к ближайшей большей марке. При средней плотности 500—700 кг/м³ материалы используют с учетом их несущей способности в конструкциях, т. е. как конструкционно-теплоизоляционные. В целом же следует отметить, что ориентация на низкую теплопроводность воздуха в порах хотя и обоснована, но не исключает поиска менее теплопроводных среднеинертных газов, вакуума и других условий ра­боты материалов.

Теплопроводность резко возрастает при увлажнении теплоизоляционных материалов, так как теплопроводность воды равна 0,58 Вт/(м-К), т. е. примерно в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании увлажненного теплоизоляционного материала происходит дальнейшее увеличение его теплопроводности, поскольку теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м-К), т. е. в 100 раз больше, чем воздуха в тонких порах. Очевидно, что весьма важно предохранять теплозащитный слой в конструкциях и на оборудовании от увлажнения, тем более при возможном последующем замерзании влаги. Важным свойством утеплителя является морозостойкость при защите наружных ограждающих конструкций. Кроме различия теплоизоляционных материалов по теплопроводности и средней плотности они подразделяются также: по виду исходного сырья на неорганические и органические. К неорганическим относятся минеральная и стеклянная вата (и изделия из них), вспученный перлит и вермикулит (изделия из них), ячеистые бетоны, керамические теплоизоляционные изделия и др.;

к органическим древесноволокнистые и древесностружечные плиты, камышит, теплоизоляционные пластмассы и др.;

по форме материалов различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, картон, матрацы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы (минераловатная смесь, вспученный перлит и др.);

по способности к сжимаемости под нагрузкой (относительной деформации сжатия) теплоизоляционные материалы делят на три вида: мягкие (М), имеющие сжимаемость свыше 30% под удельной нагрузкой 2-10³ Па, полужесткие (ПЖ) соответственно — 6—30%, жесткие (Ж) — до 6%, повышенной жесткости — до 10% под удельной нагрузкой 4-Ю³ Па и твердые до 10% под удельной нагрузкой 10 кПа.

Теплоизоляционные материалы, применяемые в холодильных камерах, холодильниках, рефрижераторах, а также во влажных условиях, должны иметь повышенные био и водостойкость. К этим важным материалам предъявляются и некоторые другие технические требования стабильность физико-механических и теплотехнических свойств, предельно допустимое количество выделяемых токсических веществ, требования в отношении возгораемости, экономичности. Теплоизоляция должна выдерживать действие высокой температуры и открытого пламени в течение определенного времени. Важно определить предельную температуру применения материала, а также строго придерживаться ее при назначении теплоизоляционных изделий: керамических до 1200—1300°С, трепельного кирпича до 900°С, из ячеистого бетона и пеностекла до 400°С, органических — 75—100°С.

Структура теплоизоляционных материалов характеризуется наличием твердой и газообразной фаз; нередко присутствует и жидкая фаза, например вода в свободном состоянии. Эти газообразная и конденсированные фазы участвуют в передаче теплоты; кроме того теплота передается через границы пор с твердым веществом.

Теплопередача пор складывается из теплопроводности газа в порах, конвективной передачи теплоты и теплоизлучения газа. Как отмечалось выше, теплопроводность воздуха при атмосферном давле­нии составляет при температуре 25°С около 0,025, при температуре 100°С 0,031 и при температуре 1000°С 0,079 Вт/(м-К). Такие же примерно значения теплопроводности имеют азот, кислород, а во­дород 0,20 Вт/(м-К). Эти значения теплопроводности учитывают при работе теплоизоляционного материала

в соответствующей газовой среде. Второе слагаемое общей теплопередачи пор конвекция. В поpax размером меньше 5 мм она практически отсутствует и поэтому не учитывается. Но при большей величине пор или их непрерывности конвекция становится больше.

Третье аддитивное слагаемое теплопередачи теплоизлучение зависит от черноты стенок пор, формы и размера пор, температуры. Величина излучения имеет большое значение при передач( теплоты в порах, особенно при высоких температурах, так как она пропорциональна кубу температуры. В результате может оказаться:

что теплопередача при высокой температуре высокопористых изделий будет выше, чем менее пористых.

Твердая фаза имеет большую теплопроводность и поэтому, когда она является в структуре непрерывной, теплопроводность материала оказывается в 2—2,5 раза выше, чем при непрерывности пор. В волокнистых теплоизоляционных материалах непрерывными в структуре являются как твердые фазы, так и поры, поэтому их теплопроводность весьма значительно зависит от лучистой составляющей теплопроводности.

С учетом физических факторов, влияющих на общую или эффективную теплопроводность в гетерогенных пористых телах, на практике и в теории были предложены основные способы получения теплоизоляционных материалов: пористоволокнистых (минеральной и стеклянной ваты, древесноволокнистых материалов с применением асбеста и др.), пористо-зернистых (перлитовых, вермикулитовых, известково-кремнеземистых и др.); ячеистых (газобетонов, пенобе-тонов, пеностекла, пенопластов и др.). Различие между ними не только в составе и структуре конечного продукта, но и в технологическом способе поризации.