3. Теплоизоляционные материалы и изделия

Теплоизоляционными называют материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(м·К) при 25°С и предназначенные для снижения тепловых потоков в зданиях, технологическом оборудовании, трубопроводах, тепловых и холодильных промышленных установках. Применение таких материалов в конструкциях позволяет весьма существенно экономить тепловую энергию, дефицитность и стоимость которой постоянно растут. Следует отметить, что проблемы энергосбережения и охраны окружающей среды приобрели в настоящее время первостепенное значение и требуют незамедлительного решения. В России более 40 % общего объема вырабатываемой тепловой энергии тратится на отопление жилых и промышленных зданий.

В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), существенно облегчить конструкции и снизить их стоимость, уменьшить расход топлива и потери тепла в эксплуатационный период. Подсчитано, что 1 м³ эффективных теплоизоляционных материалов экономит 1,4–1,6 т условного топлива в год. Кроме того, теплоизоляция приводит к уменьшению содержания углекислого газа в атмосфере и снижению так называемого «парникового эффекта».

3.1. Классификационные признаки и свойства теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы и изделия классифицируют:

– по виду основного исходного сырья (неорганические и органические);

– структуре (волокнистые, ячеистые, зернистые, сыпучие);

– форме и внешнему виду – штучные (плиты, блоки, кирпич), рыхлые (вата, вспученный перлит), плоские (плиты, маты, войлок), фасонные (цилиндры, полуцилиндры, сегменты и др.) и шнуровые (шнуры, жгуты);

– сжимаемости – мягкие (М), имеющие относительную деформацию более 30 % при удельной нагрузке 2 кПа; полужесткие (ПЖ) – соответственно 6–30 %; жесткие (Ж) – не более 6 %. Кроме того, различают изделия повышенной жесткости, имеющие относительную деформацию до 10 % при удельной нагрузке 4 кПа, и твердые – до 10 % при удельной нагрузке 10 кПа;

– возгораемости (горючести) – несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

П ередачу внутренней энергии (теплоты) от тепловой поверхности конструкции (например, стены) в пространство (окружающую среду) называют теплообменом или теплопереносом. Передача теплоты вследствие теплопроводности происходит самопроизвольно от одной изотермической поверхности к другой в сторону, где температура ниже. Таким образом, необходимым условием теплопередачи является наличие перепада температур (температурный градиент). При этом передача теплоты происходит по нормали к изотермической поверхности.

Тепловой поток через пористые строительные материалы представляет собой сумму кондукционного (теплопередача) λ_т, конвекционного λ_к и радиационного (излучение) λ_р потоков. Чем мельче поры (возду-шные прослойки) и чем их больше, тем меньше теплопроводность изделия (рис. 19). Стремление к зам-кнутой пористости отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество открытых пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы. Минимальную теплопроводность имеет сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, в которых практически невозможен конвективный теплообмен (0,023 Вт/(м·К). Теплопроводность скелета материала с аморфной структурой существенно ниже, чем с кристаллической. Таким образом, структура теплоизоляционных материалов и изделий должна иметь скелет аморфного строения, предельно насыщенный мелкими замкнутыми порами или тонкими воздушными слоями.

Для теплопроводности имеет огромное значение влажность материала, так как теплопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м∙К), что в 25 раз выше, чем теплопроводность сухого воздуха, содержащегося в мелких замкнутых порах материала. В случае замерзания воды в порах теплопроводность льда составит 2,32 Вт/(м∙К), что на два порядка выше значения теплопроводности сухого воздуха и в 4 раза больше теплопроводности воды [19].

На практике используют различные способы создания высокопористого строения материала. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пластмассы) используют способы газовыделения и пенообразования.

Способ высокого водозатворения состоит в применении большого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующего испарения воды при сушке и обжиге формовочных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (углесодержащих техногенных отходов, древесных опилок и др.).

Создание волокнистого каркаса – основной способ образования пористости у таких материалов, как минеральная вата и изделия из нее, древесно-волокнистые плиты и т.п. Высокопористое строение закрепляется путем затвердевания или отверждения (соответственно у неорганических и органических материалов).

Свойства (показатели качества) теплоизоляционных материалов подразделяются на функциональные (специфические) и строительно-эксплуатационные (общие).

Функциональные свойства определяются основным назначением материала. Для теплоизоляционных материалов такими свойствами являются теплоизолирующая способность (теплопроводность), предельная температура применения и пористость – параметр, предопределяющий качество этих материалов.

Строительно-эксплуатационные свойства предопределяют условия эксплуатации изделий. Важнейшие из них – прочность, отношение материала к действию воды, температуры, огня, химической и биологической агрессии и др.

Теплопроводность – основной качественный показатель теплоизоляционных материалов. По этому показателю они делятся на три класса: А – малотеплопроводные – до 0,06 Вт/(м∙К); Б – среднетеплопроводные – 0,06–0,115 Вт/(м∙К) и В – повышенной теплопроводности – 0,115–0,175 Вт/(м∙К).

Теплопроводность материалов зависит от следующих факторов:

1. Физического состояния и строения, которые определяются фазовым составом вещества; степенью кристаллизации и размерами кристаллов; объемом пористости материала и характеристиками пористой структуры.

2. Химического состава и наличия примесей (последние особенно влияют на теплопроводность кристаллических тел).

3. Условий эксплуатации (температуры и давления окружающей среды, влажности самого материала).

На величину теплопроводности при изменении условий эксплуатации оказывает влияние удельная теплоемкость материала, которая зависит от его природы и влажности. Материалы органического происхождения имеют значительно большую удельную теплоемкость, чем минерального; удельная теплоемкость жидкостей значительно выше, чем твердых и газообразных тел: для воды она составляет 4,2 кДж/(кг·град.), поэтому увлажнение материала вызывает повышение его удельной теплоемкости и, соответственно, теплопроводности.

Самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, так как воздух в порах диаметром 0,1–2,0 мм имеет теплопроводность 0,023–0,030 Вт/(м·К). Пористость теплоизоляционных материалов может составлять до 98 %. На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывает влияние не только общая пористость, но и ее разновидности (открытая, закрытая), размер и форма пор.

Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства материала. Она является причиной интенсивной миграции влаги и газов вглубь изделий, в результате чего резко возрастает теплопроводность и интенсифицируются процессы физической и химической коррозии твердой фазы. Поэтому в материалах с ячеистой и зернистой структурой стремятся уменьшить объем открытой пористости и увеличить долю закрытых пор.

Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость теплоизоляционных материалов и значительное снижение конвективной составляющей теплопередачи. При оценке пористости теплоизоляционных материалов необходимо учитывать не только ее абсолютное значение, но и характер пористой структуры. Под ним понимают размер и форму пор, а также равномерность распределения пор по объему материала.

Размер пор оказывает большое влияние на теплопроводность и несущую способность материала. В порах большого размера возрастает конвективный теплообмен. Исходя из этого, надо стремиться к минимальным размерам пор. У теплоизоляционных материалов размер пор колеблется от 10–15 мкм в пенопластах до 3–8 мм в пеностекле.

Форма пор в материалах с волокнистой и зернистой структурой неопределенная, с ячеистой близка к сферической. Форма пор во многих случаях является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов.

Наиболее оптимальным характером поровой структуры для теплоизоляционных материалов является наличие большого количества мелких сферических замкнутых пор. Для обеспечения высокой прочности теплоизоляционных материалов межпоровые перегородки (мембраны) должны быть тонкими и плотными.

Толщину однородной ограждающей конструкции в зависимости от ее требуемого термического сопротивления и теплопроводности материала определяют по следующей формуле:

δ = Rλ,

где δ – толщина конструкции, м; R – термическое сопротивление, (м²∙К)/Вт; λ – теплопроводность материала, Вт/(м∙К).

Теплопроводность материала связана с его плотностью, при этом следует отметить, что при равных значениях плотности органические материалы менее теплопроводны, чем неорганические (рис. 20 ).

В настоящее время нормативные требования к энергозащите вновь строящихся и эксплуатируемых зданий значительно повышены. Только высокоэффективные теплоизоляционные материалы плотностью менее 200 кг/м³ и теплопроводностью не более 0,06 Вт/(м∙К) способны обеспечить достаточное снижение энергопотерь при строительстве.

Прочность при сжатии теплоизоляционных материалов сравнительно невелика – 0,2–2,5 МПа. Основной прочностной характери-стикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) является прочность при изгибе. У неорганических материалов она составляет 0,15–0,5 МПа; у древесных плит – 0,4–2 МПа.

Г ибкие теплоизоляционные материалы (минералова-тные маты, войлок) испытывают на растяжение. Прочность материала должна обе-спечить его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в условиях эксплуатации.

Деформативные свойства теплоизоляционных материалов характеризуются сжи-маемостью (в виде относительной деформации в %) и гибкостью. Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Материалы по сжимаемости: мягкие М – деформация свыше 30 %, полужесткие ПЖ – деформация 6–30 % и жесткие Ж – деформация не более 6 %. Сжимаемость характеризуют относительной деформацией материала при сжатии под действием удельной нагрузки 0,002 МПа.

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства пористого материала, но также понижает его прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, например, пеностекло, отличаются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов с большой открытой пористостью вводят гидрофобизирующие добавки.

Газо- и паропроницаемость учитывают при применении теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях. С одной стороны, теплоизоляция не должна препятствовать воздухообмену жилых помещений с окружающей средой, проходящему через наружные стены зданий. С другой стороны, теплоизоляцию стен необходимо защищать от увлажнения с помощью гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.

Огнестойкость связана со сгораемостью материала, то есть с его способностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только при осуществлении мероприятий по защите от возгорания. Возгораемость материалов определяется при воздействии температуры 800–850°С и выдержке в течение 20 минут. Предельная температура применения (температуростойкость) не должна изменять эксплуатационные свойства материала.

Горючесть теплоизоляционных материалов зависит от вида исходного сырья, наличия добавок, плотности, вида пористости и других факторов. По степени возгораемости материалы делятся на следующие группы: несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

К несгораемым, как правило, относятся материалы на основе минеральных композиций: ячеистые бетоны, теплоизоляционная керамика, перлитовые и вермикулитовые изделия на керамическом связующем и др. Материалы, содержащие органические компоненты, принадлежат к группе сгораемых и трудносгораемых (древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, некоторые виды пластмасс).

Негорючесть теплоизоляционных материалов повышают путем минерализации исходной композиции и пропиткой антипиренами, покрывая изделия огнезащитными составами. Для минерализации исходной композиции используют каолин, асбест, гипс, глинозем и другие тонкодисперсные минеральные добавки, которые повышают температуру воспламенения и затрудняют распространение огня.

Химическая и биологическая стойкость пористых теплоизоляционных материалов должна препятствовать проникновению в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Органические теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биостойкостью, то есть сопротивляться действию микроорганизмов, домовых грибов, насекомых и их личинок.