Тема 14. Теплоизоляционные и акустические материалы

14.1. Общие сведения, назначение, свойства и классификация теплоизоляционных материалов

Для сохранения тепла, экономии ресурсов на отопление, защи­ты окружающей среды в жилых, производственных и прочих зданиях применяют так называемые теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционными называют строительные материалы с низкой теплопроводностью, предназначенные для тепловой изоляции строительных конструкций, производственного оборудования, трубо­проводов, тепловых установок, холодильников и для уменьшения те­плообмена с окружающей средой. В холодильных установках тепло­изоляционные материалы служат для защиты от нагревания.

Теплоизоляционные материалы имеют характерные особенно­сти; им свойственна высокая пористость, небольшая средняя плот­ность и малая теплопроводность. Эти три свойства взаимосвязаны.

Таким образом, теплоизоляционными считают материалы с вы­сокой пористостью, имеющие плотность не более 600 кг/м³ и тепло­проводность не более 0,18 Вт/(м-К).

Прочность теплоизоляционных материалов сравнительно неве­лика, но должна обеспечивать их сохранность при перевозке, склади­ровании, монтаже и эксплуатационных условиях. Предел прочности при сжатии 0,2...2,5 МПа, предел прочности при изгибе для неорга­нических материалов 0,15...0,5 МПа.

Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, повысить степень индустриализации строительства, уменьшить материалоемкость строительства за счет снижения расхо­да основных конструкционных материалов, сократить потери тепла в отапливаемых зданиях, уменьшить расход топлива, уменьшить транс­портные расходы и соответственно снизить стоимость строительства.

Теплоизоляционные материалы классифицируют по несколь­ким признакам: по виду основного сырья их делят на органические и неорганические. К органическим относятся древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, теплоизоляционные пластмассы и др.; к неорганическим (минеральным) — минеральная, стеклянная, камен­ная вата и изделия из них, вспученный перлит и вермикулит, ячеи­стые бетоны, пеностекло и др.

По структуре теплоизоляционные материалы разделяют на во­локнистые (минераловатные, стекловатные), зернистые (перлитовые, совелитовые, вермикулитовые, керамзиты и др.), ячеистые (пеностек­ло, пенопласты, ячеистый бетон) и сыпучие.

По форме и внешнему виду теплоизоляционные материалы бы­вают: плоские (плиты, маты, войлок), рыхлые (вата, керамзит, вспу­ченный перлит), шнуровые (шнуры, жгуты), фасонные (сегменты, ци­линдры, полуцилиндры и др.).

14.2. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия

Неорганические теплоизоляционные материалы изготовляют на основе различных видов минерального сырья— горных пород, шлаков, стеклянных расплавов, асбеста, базальтового волокна и др.

Эти материалы не подвержены гниению, имеют малую гигроскопич­ность, достаточно огнестойкие, в них не заводится моль, их не унич­тожают грызуны, они более долговечные, чем материалы из расти­тельного волокна. Номенклатура их весьма разнообразна и ассортимент постоянно пополняется.

Эти материалы не подвержены гниению, имеют малую гигроскопич­ность, достаточно огнестойкие, в них не заводится моль, их не унич­тожают грызуны, они более долговечные, чем материалы из расти­тельного волокна. Номенклатура их весьма разнообразна и ассортимент постоянно пополняется.

Минеральная вата— теплоизоляционный материал волокнистого строения, получаемый из расплава легкоплавких горных пород, металлургических шлаков, золы ТЭС ().

^{Рис. 44. Структура минеральной ваты под микроскопом}

В качестве сырья для производства используют известняки, мергели, доломиты, базальты, отходы металлургической промышленности (доменные и топливные шлаки) и промышленности строительных материалов (бой керамического или силикатного кирпича). Технология производства минеральной ваты включает две операции: получение силикатного расплава (1300... 1400 °С) и превращение этого расплава в тончайшие волокна. Расплав обычно получают в вагранке либо в дру­гом печном агрегате. Полученный расплав каменного сырья или шла­ка превращается в минеральную вату дутьевым или центробежным способом.

Дутьевой способ заключается в воздействии струи пара или сжатого воздуха на жидкий расплав, вытекающий из вагранки. При центробежном способе используется центробежная сила, превращаю­щая струю расплава в тончайшие минеральные волокна диаметром 5...15 мкм и длиной 2...60 мм.

Слишком тонкие волокна нежелательны, так как вата легко слеживается и уплотняется, что ухудшает ее теплоизоляционные свойства. Наличие на концах волокон затвердевших частиц шлака («корольков») также ухудшает эти свойства.

Минеральная вата огнестойка, малогигроскопична, биостойка. В зависимости от плотности минеральная вата имеет марки (кг/м³): 75, 100, 125 и 150.

Вырабатывают из нее различные изделия: маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы (желоба), цилиндры, войлок, шнуры и т.п.

Маты минеральные прошивные (рис. 14.2, б) выпускают в ру­лонах длиной до 5000 мм, шириной 500 и 1000 мм, толщиной 40...120 мм. Изготовляют их уплотнением ваты, обработанной биту­мом или синтетическим связующим, обкладывая с одной или двух сторон материалами или без обкладок и прошивая их суровыми прочными нитями, шпагатом, стеклянными нитями или проволокой.

_{Рис. 45. Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты:}

_{а – войлок; б – прошивной мат; в – полужетская плита; г - цилиндр и желоб}

Теплопроводность матов 0,04 Вт/(м К). Для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и промышленных зданий, трубопроводов и промышленного оборудования.

Плиты минераловатные связующем (рис. ….) изготовляют путем формования при давлении и нагреве массы, полученной смешиванием волокон минеральной ваты с синтетическим связующим. В качестве связующего используют фенолоформальдегидную водоэмульсионную смолу или мочевиноформальдегидную. Со­держание синтетического связующего от 1,5 до 8% для плит разных марок.

По плотности плиты подразделяют на марки, кг/м³: 50, 75, 125, 175, 200, 300. Их теплопроводность 0,044...0,058 Вт/(мК), водопоглощение не более 15%. Предел прочности при сжатии (при 10%-ной де­формации) не менее 0,04 МПа для марки 300. Длина плиты 900...1800, ширина 500...1000 и толщина 40...100 мм.

Плиты применяют для тепловой изоляции промышленного обо­рудования, трубопроводов и холодильных установок, а также в каче­стве эффективного теплоизоляционного материала в строительных конструкциях.

Стеклянная вата — теплоизоляционный материал волокни­стого строения, получаемый из расплавленной стекломассы. В каче­стве сырья для производства используют сырьевую шихту для варки стекла (кварцевый песок, кальцинированная сода и сульфат натрия) или стеклянный бой.

Стеклянная вата имеет волокна значительно более длинные, чем минеральная вата, в ней меньше «корольков». Стекловата хими­чески стойкая, не горит и не тлеет, не гниет независимо от условий эксплуатации. Ее теплопроводность не более 0,052 Вт/(м-К), плотность в рыхлом состоянии не более 130 кг/м³.

В зависимости от назначения производят текстильное (средний диаметр волокна З...7мкм) и теплоизоляционное или штапельное стекловолокно (средний диаметр волокна 10...30 мкм). Из стеклово­локна изготовляют изделия: маты, плиты, полосы и др.

Маты и полосы из стеклянной ваты изготовляют путем нало­жения друг на друга и прошивкой тонких слоев стеклянных волокон в продольном или поперечном направлениях асбестовыми или стек­лянными кручеными нитями. Сверху и снизу изделия перед прошив­кой покрывают стеклотканью или стеклохолстом. Маты выпускают в виде широких пластин прямоугольной формы длиной 1000...3000, шириной 200...700 и толщиной 10...50 мм. Полосы имеют вид узких пластин прямоугольной формы длиной 500...5000, шириной 30...250 и толщиной 10...50 мм. Плотность этих изделий 110...175 кг/м³, теплопроводность 0,04 …0,05 Вт /(м К).

Рис. 46. Мат из стеклянной ваты в рулоне

Маты применяют для изоляции плоских и цилиндрических поверхностей (рис. …..) в один или два слоя, полосы – для трубопроводов диаметром до 108 мм.

Рис. 47. Структура поностекла:

1 – поры ячейки; 2 – плотное вещество

Пеностеклом называют стекло, имеющее пористую (ячеистую) структуру (рис. …). Пеностекло изготов­ляют из тонкоизмельченного боя стекла с добавкой газообразователя (молотого известняка, угля антраци­та). Смесь засыпают в форму и нагре­вают до температуры 800...900 °С, при которой частицы боя стекла на­чинают сплавляться, выделяющиеся газы газообразователя вспучивают стекломассу, образуя в ней большое количество замкнутых пор. После охлаждения получается прочный материал ячеистой структуры. По­ристость различных видов ячеистого стекла составляет 80...95%, раз­мер пор 0Д...З мм.

Ячеистое стекло обладает высокой прочностью, полной несго­раемостью, морозостойкостью и легкостью механической обработки (можно пилить, резать, сверлить, вбивать гвозди), водостойкостью и хорошим звукопоглощением. Плотность пеностекла 200...400 кг/м³, теплопроводность 0,09...0,14 Вт/(м-К), предел прочности при сжатии 2...6 МПа, температуроустойчивость составляет 300...400 °С.

Данный высокоэффективный теплоизоляционный материал применяют в виде плит размерами 500x400x70(140) мм для утепле­ния стен, перекрытий, кровель, полов, а в виде полуцилиндров, скор­луп, сегментов — для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей.

Пеностекло является отличным звукопоглощающим и одновре­менно отделочным материалом для кинотеатров, концертных залов, аудиторий.

Асбестовые материалы и изделия. В этих материалах ис­пользуются ценные свойства асбеста: температуростойкость, высокая прочность, волокнистость и др.

В зависимости от состава материалы подразделяют на асбесто­вые, состоящие только из асбестового волокна, и асбестосодержащие, в состав которых, кроме асбеста, входят другие компоненты, обладаю­щие вяжущими свойствами (казеин, крахмал). Это асбестовая бумага, шнур, ткань, плиты и др.

Асбестовая бумага представляет собой листовой или рулонный материал. Ширина полотна в рулоне 670, 950, 1150 мм, толщина 0,3; 0,4; 0,5; 0,65 и 1 мм. Размеры листов 1000x950 мм при толщине 0,5; 1 и 1,5 мм. Плотность асбестовой бумаги 650... 1500 кг/м³, теплопровод­ность 0,1 Вт/(м-К).

Асбестовую ткань получают прядением асбестовых нитей на ткацких станках. Выпускают ее в виде полотнищ длиной до 25 м, шириной 1...1,5м, толщиной 1,4...3,5 мм, свернутых в рулоны. Плот­ность асбестовой ткани около 600 кг/м³, теплопроводность 0,1 Вт/(м-К). Применяют асбестовую ткань для обшивки горячих трубопроводов малых диаметров в один или несколько слоев.

Асбестовый шнур (ГОСТ 1779—83) получают из нескольких крученых асбестовых нитей со сплетением или без него. Диаметр шнура 0,75...55 мм. Применяют асбестовые шнуры для тепловой изо­ляции трубопроводов при температуре поверхности до 500 °С.

Базальтовое волокно получают из горной породы — базальта. Базальтовые волокна превосходят стекловолокно и минеральные волокна по кислото-, щелоче- и пароустойчивости, а так же по температуроустойчивости. Температурный интервал применения базальто­вых волокон составляет от -269 до +1000 °С, тогда как стекловолок­на — от —60 до +650 °С. Гигроскопичность базальтового волокна 1%, в то время как стекловолокна— 10...20%. Базальтовая вата обладает теплопроводностью 0,035 Вт/(м-К), плотностью 130 кг/м³ при темпера­туре 0 °С. Применяется базальтовая вата в виде огнестойких матов, плит, поставляется в рулонах, устойчива к коррозии.

Каменную вату из базальтового волокна изготовляют по специ­альной технологии при температуре 1500 °С. Получаемые сверхтон­кие волокна каменной ваты прочно удерживают воздух, который является отличным тепло- и звукоизолятором. Плотность каменной ваты 90... 150 кг/м³, теплопроводность 0,04...0,05 Вт/(м-К).

Для изготовления изделий (матов, плит, желобов и др.) исполь­зуют смесь каменной ваты, связующего на основе фенольных смол и некоторых добавок. Обычно цилиндры и маты имеют хаотичное рас­положение волокон, что дает повышение механической прочности из­делия. Изделия из каменной ваты уменьшают уровень шума лучше стекловаты на 20...30%, а также устойчивы к воздействию влаги — от­талкивают воду, но пропускают водяной пар.