17.3. Основные виды теплоизоляционных материалов

Номенклатура теплоизоляционных материалов очень широка. Но около 90 % от общего объема применения в строительстве составляют два вида изделий: из искусственных минеральных волокон (около 70 %) и ячеистых пластмасс — пенопластов (около 20 %). Это объясняется простотой технологии их производства (это касается пенопластов), огромной сырьевой базой (это касается минеральных волокон) и высокими эксплуатационными свойствами.

Неорганические материалы изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, вяжущих веществ, асбеста и т. п.). К этим материалам относятся изделия из минеральной ваты, пеностекло, ячеистые бетоны, асбестосодержащие засыпки и мастич­ные составы, а также пористые заполнители, используемые как тепло­изоляционные засыпки (керамзит, перлит, вермикулит и др.).

Неорганические теплоизоляционные материалы теплостойки, негорю­чи, не подвержены загниванию. Как уже говорилось, наибольшее применение находят изделия на основе минеральной ваты.

Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью связующего или другими способами.

Минеральную вату вырабатывают из силикатных расплавов, сырьем для которых служат металлургические шлаки, осадочные (мергели, каолины и др.) и изверженные (базальт и др.) горные породы, отходы стекла и другие силикатные материалы. Название минеральная вата получает по виду сырья: например, шлаковая, базальтовая или стекло­вата. Вид сырья определяет, в частности, температуростойкость ваты (у базальтовой ваты — до 1000° С, а у стекловаты 550...650° С), тонкость и упругость волокна и другие свойства.

Силикатный расплав раздувом или разбрызгиванием центрифугой превращают в тончайшие стекловидные волокна диаметром 1...10 мкм и длиной в несколько сантиметров. Волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. Сюда же пода­ется связующее вещество для получения из рыхлого минерального волокна ковра и дальнейшего формования изделий (в исходном виде минеральная вата в настоящее время не применяется).

Минераловатные изделия применяют для тепловой изоляции в широком диапазоне температур: — 200... + 600° С; изделия на основе

специальных минеральных волокон (на­пример, базальтовых) выдерживают до 1000° С. Они слабо адсорбируют влагу, не поражаются грызунами.

Производят следующие виды мине-раловатных изделий: мягкие плиты (ми­неральный войлок) и прошивные маты, полутвердые и твердые плиты и скорлу­пы (рис. 17.2).

Мягкие маты и плиты (минеральный войлок) получают как с помощью прошивки минераловатного ковра, сдублированного с фольгой или метал­лической сеткой, так и с помощью ми­нерального связующего путем его лег­кой подпрессовки. Такие маты выпуска-

ют в виде рулонов. Плотность 30... 100 кг/м ; теплопроводность 0,033...0,035 Вт/(м • К).

Полужесткие и жесткие плиты и фасонные изделия получают с использованием полимерных связующих (размер плит обычно 600 х 1200 мм при толщине от 50 до 120 мм). Для получения большой жесткости плиты без увеличения ее плотности применяют технологию с частичной вертикальной ориентацией волокон. Плотность плит 50... 150 кг/м³; теплопроводность 0,04..0,06 Вт/(м • К). Подобные плиты используют для устройства теплоизоляции стен и кровельных покры­тий. Плиты легко режутся и укрепляются на стенах клеющими масти­ками. Скорлупы и сегменты используют для изоляции трубопроводов.

Пеностекло (ячеистое стекло) — материал, получаемый термиче­ской обработкой порошкообразного стекла (обычно для этого исполь­зуется стеклобой), смешанного с порошком газообразователя (мел, известняк, кокс). В момент перехода стекла в пластично-вязкое состо­яние газообразователь выделяет газ (в данном случае СО₂), который вспучивает стекломассу.

Пеностекло имеет как бы двойную пористость: стенки крупных пор (диаметром 0,5...2 мм) содержат микропоры (рис. 17.3). При этом все поры замкнутые. Такое строение пеностекла объясняет его низкую теплопроводность при достаточно высокой прочности и практически нулевое водопоглощение и паронепроницаемость. Теплопроводность пеностекла при плотности 200...300 кг/м³ составляет 0,06...0,12 Вт/(м • К), а прочность на сжатие — 3...6 МПа.

Ячеистое стекло легко обрабатывается (пилится, сверлится), хоро­шо сцепляется с цементными материалами. Пеностекло применяют для изоляции металлоконструкций, при бесканальной прокладке тру-

поглощению (> 1 %) для теплоизоляции стен, потолков промышлен­ных холодильников.

Теплоизоляционные бетоны — бетоны плотностью не более 500 кг/м³ по структуре могут быть трех видов:

• слитного строения на пористых заполнителях (например, керам­зитовом гравии и перлитовом песке) и цементном или полимерном вяжущем;

• крупнопористые (беспесчаные) на однофракционном керамзито­вом гравии и цементном или полимерном связующем;

• ячеистые.

Крупнопористые бетоны используют в виде плит, заменяющих засыпную теплоизоляцию.

Ячеистые бетоны — наиболее перспективный вид теплоизоляцион­ных бетонов, отличающиеся сравнительно простой технологией полу­чения. Их широкому распространению препятствует высокое водопог-лощение и гигроскопичность. Сухой ячеистый бетон при плотности 300...500 кг/м³ имеет теплопроводность 0,07...0,1 Вт/(м • К); при влаж­ности 8 % теплопроводность возрастает до 0,15...0,18 Вт/(м • К). При­меняют ячеистые бетоны в виде камней правильной формы, заме­няющих 8... 16 кирпичей.

Монтажная теплоизоляция — специальная группа неорганических теплоизоляционных материалов (засыпки и мастики) и готовых изде­лий (листы, плиты, скорлупы), используемых для изоляции трубопро­водов и агрегатов с высокими температурами поверхности. К таким материалам относятся асбестосодержащие материалы (чисто асбесто­вые и смешанные), теплоизоляционная керамика и др. Использование асбеста в монтажной теплоизоляции основывается на его огнестойко­сти и низкой теплопроводности, а в мастичных материалах он выпол­няет также армирующие функции. Последнее объясняется волок­нистым строением асбеста (подробнее об асбесте см. § 14.5).

Асбестовый картон и бумагу изготовляют из асбеста 4—5 сортов с использованием органических клеев (крахмала, казеина). Асбестовая бумага толщиной 0,3...1,5 мм и плотностью 450...900 кг/м³ имеет X = =0,15...0,25 Вт/(м • К). Ее используют для изоляции поверхностей, работающих при температурах до 500° С.

Асбестовый картон более толстый, чем бумага (2... 10 мм). Его применяют для предохранения деревянных и других конструкций из легкогорючих материалов для защиты от возгорания. У асбеста для этого есть два необходимых свойства: огнестойкость и низкая тепло­проводность.

Асбестосодержащие смешанные материалы представляют собой порошки из асбеста с различными добавками (слюды, диатомит, минеральные вяжущие и т. п.). При затворении водой эти смеси превращаются в пластичное тесто, способное пои высыхании затвер-

девать. Из него получают покрытия на изолируемых поверхностях или производят изделия — полуфабрикаты (плиты, скорлупы).

Изоляция подобного типа выдерживает температуры до 900° С; при этом теплопроводность таких материалов составляет 0,1...0,2 Вт/(м ■ К). Имея открытую пористость и высокое водопоглощение, асбесто­содержащие материалы требуют защиты от увлажнения; тем более, что большинство из них не водостойки.

Наиболее известны среди таких материалов вулканит и совелит. Вулканит получают из смеси диатомита (60 %), асбеста (20 %) и извести (20 %). Плотность вулканитовых изделий не более 400 кг/м³; тепло­проводность < 0,1 Вт/(м • К). Совелит получают из смеси асбеста с основным карбонатом кальция и магния, получаемого из доломита; используют его при температурах до 500° С.

•Приготовление и нанесение асбестосодержащих теплоизоляцион­ных материалов, сопряженное с выделением асбестовой пыли, должно вестись с соблюдением требований Санитарных правил и норм (СанПиН 2.2.3.757-99).

Для высокотемпературной теплоизоляции (1000° С и более) приме­няют пенокерамические материалы и легковесные огнеупоры.

Органические теплоизоляционные материалы получают как из при­родного сырья (древесины, сельскохозяйственных отходов, торфа и т. п.), так и на основе синтетических полимеров.

Материалы из сельскохозяйственных отхо­дов, камыша, торфа — местные теплоизоляционные материалы. У них не очень высокие технические характеристики и небольшая дол­говечность, но они выгодны экономически.

Материалы на основе древесного сырья: изоляционные древесноволокнистые плиты (ДВП), фибролит и арбо­лит имеют более высокие технические характеристики и соответствен­но находят большее применение в строительстве, в частности, для малоэтажных зданий.

Изоляционные древесноволокнистые плиты (мягкие и полутвердые ДВП) изготовляют из неделовой древесины, измельчая ее в воде на отдельные волокна. Полученную массу, в которую вводят гидрофоби-зирующие и антисептирующие добавки, отливают на частую медную сетку, слегка подпрессовывают и высушивают (если эту массу сушить на прессах под большим давлением, то получается твердая отделочная древесноволокнистая плита — «оргалит» (см. § 3.6).

Толщина изоляционных древесноволокнистых плит 10...25 мм. Плотность таких плит — 150...350 кг/м³, теплопроводность 0,05...0,09 Вт/(м ■ К); прочность при изгибе 0,4...2 МПа.

Большие размеры плит (длина до 3 м, ширина до 1,6 м) ускоряют проведение строительно-монтажных работ. Эти плиты используют для тепло- и звукоизоляции стен и перекрытий, устройства подстилающих

слоев в конструкциях полов и т. п. Особенно широко используют изоляционные древесноволокнистые плиты в сборно-щитовом строи­тельстве.

Фибролит и арболит — материалы из древесной стружки (фибро­лит), опилок и щепы (арболит) на цементном вяжущем; благодаря этому у них пониженная горючесть и повышенная биостойкость по сравнению с другими древесными материалами (об их изготовлении см. § 14.6).

Теплоизоляционный фибролит представляет собой плиты размером до 2400 х 600 мм и толщиной до 100 мм, по структуре напоминающие грубый войлок из тонких древесных стружек, связанных цементом. Плотность теплоизоляционного фибролита — 300...350 кг/м³; тепло­проводность—0,09...0,1 Вт/(мК). Предел прочности при изгибе 0,4...0,5 МПа. Фибролит с плотностью 400...500 кг/м³ и прочностью 0,7...1,2 МПа применяются как конструкционно-теплоизоляционный материал, например, для заполнения каркасных конструкций стен.

Фибролит не горит открытым пламенем, а тлеет и затухает после удаления источника огня. Он легко обрабатывается — его можно пи­лить, сверлить, вбивать в него гвозди. Стена из фибролитовых плит толщиной 10... 15 см эквивалентна по термическому сопротивлению кирпичной стене в два кирпича.

Арболит — разновидность легкого бетона на заполнителях из дре­весных отходов. Его свойства описаны в § 14.6.

Полимерные теплоизоляционные материа-л ы : пенопласты, поропласты и сотопласты широко применяются в строительстве. Их доля в общем объеме теплоизоляционных материа­лов достигает 20%. Они отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, достаточно долговечны и технологичны. По внеш­нему виду и способу применения газонаполненные пластмассы могут быть в виде штучных изделий (в основном плит) и в виде жидко-вязких материалов, впучивающихся и отверждающихся на месте применения (заливочные пенопласты, монтажные пены).

Пенопласты — листовые и фасонные изделия получают вспенива­нием различных полимеров: полистирола, поливинилхлорида, поли­этилена, фенольных полимеров и др. Используется прессовый и беспрессовый методы изготовления изделий из пенопластов (см. § 15.2).

Пенополистирол — наиболее известный вид строительных пенопла­стов. Из него получают крупноразмерные плиты толщиной до 100 мм. Марки по плотности (кг/м) пенополистирола D15...D50; теплопровод­ность — 0,03...0,04 Вт/(м • К); теплостойкость 80...90° С. Пенополисти­рол — горючий материал; однако с помощью антипиренов получают трудновоспламеняемый пенополистирол.

Беспрессовый пенополистирол состоит из склеившихся друг с другом вспененных гранул полистирола. Этот вид пенополистирола паропроницаем, имеет заметное водопоглощение и невысокую проч-

ность. Беспрессовый пенополистирол в виде листов и плит применя­ется для тепловой изоляции стен, когда необходима паропроницае-мость всей конструкции.

Прессовый пенополистирол имеет плотные корки на обеих повер­хностях плит и полностью замкнутую пористость. Поэтому он абсо­лютно паронепроницаем, имеет ничтожное водопоглощение (< 0,3 %) и большую прочность, чем беспрессовый. Этот вид пенополистирола рекомендуется для тепловой изоляции конструкций, где возможен длительный контакт с водой и не нужна паропроницаемость.

Пенополшинилхлорид — материал в виде плит, по методу получения и структуре аналогичен прессовому пенополистиролу. Плотность пе-нополивинилхлорида35...70кг/м³, теплопроводность0,04...0,054Вт/(м • К). Теплостойкость пенополивинилхлорида — 130... 140° С; горючесть зна­чительно ниже, чем у пенополистирола. Благодаря повышенной проч­ности применяется для теплоизоляционных слоев кровельных конст­рукций (например, из пенополивинилхлорида выполнена тепловая изоляция кровли зала «Дружба» в Лужниках (Москва), по которой непосредственно сделано собственно кровельное покрытие).

В последние годы получил распространение пенополиэтилен, из­вестный под названием «Вилатерм» (см. § 16.4). Его производят в виде эластичного полотнища, легко скатываемого в рулон. Толщина пено-полиэтилена 5... 10 мм; ширина полотнищ— 1...3 м. Пенополиэтилен водо- и паронепроницаем. Его можно дублировать с алюминиевой фольгой; такой материал отражает инфракрасные лучи, создавая до­полнительный теплоизоляционный барьер. Кроме листового пенопо-лиэтилена, из него выпускают полые трубки для изоляции трубоп­роводов и герметизации стыков в панельных зданиях.

Заливочные пенопласты — жидко-вязкие олигомерные смолы, за­ливаемые в пазухи, оставленные в изолируемой конструкции, вспучи­вающиеся и отверждающиеся в них.

Фенольный пенопласт — один из первых пенопластов. Он постав­лялся на место использования в двух упаковках (смола с газообразо-вателем и отвердитель), смешиваемых непосредственно перед залив­кой. В качестве газообразователя применяется алюминиевая пудра, а кислотный отвердитель, кроме своей основной роли, реагируя с алю­миниевой пудрой, выделяет газообразный водород. Фенольные пено­пласты жесткие и теплостойкие; они хорошо сцепляются в момент отверждения с другими материалами. Это используется при производ­стве трехслойных легких панелей типа «сэндвич»: два металлических листа, между которыми заключен пенопласт.

В настоящее время все большее распространение получают пено­полиуретаны, обладающие низкой плотностью 30...50 кг/м³ и низкой теплопроводностью при достаточно высокой прочности. Пенополиу­ретаны могут быть как жесткими, так и эластичными. Они, как и фенольные пенопласты, применяются для изготовления трехслойных

конструкций. Выпуска­ется специальный вид пенополиуретана — мон­тажная пена, используе­мая, например, для уст­ройства теплоизоли­рующих уплотнений при ' установке дверных и оконных коробок.

Сотопласты получа­ют, пропитывая синте­тическими клеями и

склеивая гофрирован­ные листы бумаги или ткани, так что образуется жесткая конструкция наподобие пчелиных сот (рис. 17.4). Размер ячеек 10...30 мм. Плотность сотопластов — 20...70 кг/м³. Сотопласты оклеивают с обеих сторон листовым материалом (твердой ДВП, фанерой и т. п.); при этом получается прочная трехслойная панель. Прочность при сжатии у такого материала — 5...7 МПа. Применяют сотопласты в конструкциях дверей, перегородок и т. п.

17.4. АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения. Акустика (греч. akustikos — слушающий) — наука о звуке. Строительная акустика решает проблемы обеспечения нор­мального звукового режима в помещениях самого разного назначения. Главная задача современной строительной акустики — снижение уровня шумового загрязнения помещений.

Шумами называют звуки, вызываемые различными причинами, но не несущие полезной информации. Шумы оказывают негативное воздействие на психическое и физическое состояние человека. Сни­жение уровня шумового загрязнения среды, в которой находится человек,— важная медико-биологическая и социальная задача.

Слышимые звуки — звуки с частотой v = 16...20 000 Гц; кроме того, существуют не воспринимаемые ухом, но воздействующие на психику человека инфразвуки (v < 16 Гц) и ультразвуки (v > 20 000 Гц).

Звуки в воздухе распространяются в виде звуковой волны (перио­дического сгущения и разрежения воздуха). Силу звука в акустике принято характеризовать уровнем силы звука в децибелах (/„) — десяти­кратным логарифмом отношения данной силы звука (I) к пороговой силе звука (минимальной слышимой ухом) (7₀). Расчет уровня силы звука, дБ, производят по формуле:

Допустимые уровни силы шумов в различных помещениях норми­руются в СНиПе.

Усиление интереса к проблеме звукоизоляции помещений вызвано несколькими причинами. В жизни человека появляется все больше механизмов и аппаратов, являющихся источниками шума, урбанизация привела к скученности людей, и наконец, чисто строительная причина — уменьшение толщины и массы ограждающих конструкций зданий приводит к снижению их звукоизолирующей способности.

На рис. 17.5 представлена схема взаимодействия ограждающей конструкции с энергией падающего на нее звука (Е_пш): часть энергии отражается от поверхности конструкции

(Длр), часть энергии поглощается конст­рукцией (Дюг) и часть проходит сквозь нее (Д,_р). Соотношение значений этих энергий в основном зависит от двух факторов:

• характера поверхности материала конструкции;

• степени упругости и массы материала конструкции.

С точки зрения улучшения акустиче­ского климата помещения и внешней сре­ды желательно, чтобы максимум звуковой энергии поглощался ограждающей конст­рукцией, а не отражался и не проходил через нее.

Помимо воздушных шумов, распростра­няющихся по воздуху, существуют шумы ударные. Они возникают в результате удар­ных и вибрационных воздействий на стро­ительную конструкцию и распространяют­ся по материалу конструкций.

Радикальной мерой устранения шумов является ликвидация источников шума, но это возможно далеко не всегда. Поэтому

стремятся снизить уровень шума с помощью конструктивно-планиро­вочных решений и применения акустических материалов.

Акустическими материалами называют материалы, способные по­глощать звуковую энергию, снижая уровень силы отраженного звука и препятствуя передаче звука по конструкции. По этому признаку акустические материалы делят на звукопоглощающие и звукоизоляци­онные.

Звукопоглощающие материалы имеют большое количество откры­тых, сообщающихся друг с другом пор, максимальный диаметр которых не превышает обычно 2 мм (общая пористость таких материалов более 75 %). Звукопоглощающие материалы имеют волокнистое, зернистое или ячеистое строение; их плотность, как правило, не превышает 500 кг/м³. Звук попадает в поры материала и, проходя по ним, передает свою энергию материалу. Он преобразует звуковую энергию в тепловую в результате потерь на внутреннее трение в стенках пор или волокон материала.

Эффективность звукопоглощающих материалов оценивается коэф­фициентом звукопоглощения а, вычисляемым как отношение погло­щенной энергии к общему количеству энергии, падающих на материал звуковых волн

К звукопоглощающим относят материалы с а > 0,4 (а = 1 для открытого окна).

Первыми материалами, применявшимися для поглощения звука, были ткани, ковры, меховые шкуры, которыми обивали стены и покрывали полы. Для обеспечения нужной акустики в театрах исполь­зовали бархатные портьеры и обивки кресел.

В современном строительстве в роли эффективных звукопоглоща­ющих материалов используются минераловатные плиты, специально формуемые для акустических целей. Такие плиты размером 300 х 300 х х 20 мм под названием «Акмигран» используют для устройства звуко­поглощающих потолков в общественных и производственных зданиях. Коэффициент звукопоглощения таких плит 0,6...0,7.

Другой не менее распространенный вид акустических плит — пер­форированные гипсовые плиты обычно размером 600 х 600 х 8,5 мм. С обратной стороны гипсовые плиты имеют звукопоглощающий слой из нетканого полотна, гофрированной бумаги, минеральной ваты (рис. 17.6).

Для улучшения акустических свойств помещений применяются специальные штукатурки (см. § 11.8) на пористых заполнителях; ко­эффициент звукопоглощения у них 0,25...0,4. Такая штукатурка ис­пользована, в частности, для стен зрительного зала театра Российской

армии в Москве (для сравнения драпировки и ковры имеют а = =0,3...0,6).

Следует отметить, что большинство звукопоглощающих материалов в силу своего строения гигроскопичны и не водостойки (так, например, коэффициент размягчения «Акмиграна» < 0,5), поэтому их необходимо предохранять от увлажнения.

Звукоизоляционные материалы применяют для снижения уровня ударных и вибрационных шумов, передающихся через строительные конструкции. Они представляют собой упругие материалы волокни­стого строения (например, минераловатные плиты), эластичные газо­наполненные пластмассы и резиновые прокладки (рис. 17.7). Механизм действия таких материалов также заключается в переводе энергии звуковых колебаний в тепловую энергию в результате внутреннего трения деформируемых элементов материала (например, волокон) или упругих деформаций самого материала (резиновые прокладки). Для эффективной работы динамический модуль упругости звукоизоляци­онных материалов не должен превышать 1,0...2,0 МПа (для сравнения модуль упругости бетона и кирпича * Ю⁴ МПа).

Контрольные вопросы

1. Какие материалы относятся к теплоизоляционным? 2. Что дает использование теплоизоляционных материалов в строительстве? 3. Какой показатель используется в качестве марки теплоизоляционных материалов? Почему? 4. Какие типы структур характерны для теплоизоляционных материалов? 5. Сравните по технико-экономиче­ским показателям органические и минеральные теплоизоляционные материалы? 6. Какой теплоизоляционный материал имеет наибольшее распространение? Опишите его свой-

ства. 7. Какие теплоизоляционные материалы относятся к числу местных? 8. Что такое газонаполненные пластмассы? 9. По какому признаку принято разделять акустические материалы? 10. Каков механизм действия звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов?