3.1.3. Основные свойства теплоизоляционных строительных материалов

Основными техническими свойствами теплоизоляционных материалов являются: теплопроводность, пористость, средняя плотность, прочность, сжимаемость, влажность, огнестойкость (предельная температура применения).

Теплопроводность – важнейшая характеристика теплоизоляционных материалов. Процесс переноса теплоты через строительные материалы под действием градиентов температуры называется теплопроводностью, которая характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м·⁰С).

Известно, что теплопроводность материала состоит из теплопроводности скелета материала λск, теплопроводности воздушной среды λв и влаги λw, находящейся в поровом пространстве.

Теплопроводность скелета материала зависит от следующих факторов: химического состава, физического состояния и строения, которые определяются фазовым состоянием вещества; степенью кристаллизации и размерами кристаллов; объемом пористости материала и характеристиками пористой структуры; наличия примесей и др.

Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и строению, имеют большую теплопроводность, чем сложные. Например, MgO имеет большую теплопроводность, чем SiO₂ и Al₂O₃. Еще меньшей теплопроводностью обладают CaO·SiO₂, 2CaO·SiO₂, 3Al₂O₃·2SiO₂. Примеси, как правило, уменьшают теплопроводность вещества, даже если сами они более теплопроводны, чем основное вещество [15].

Существенно понизить теплопроводность скелета можно путем использования материала аморфного строения, так как оно значительно хуже проводит тепловой поток, чем материал кристаллического строения.

Минимальную теплопроводность имеет сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, в которых практически не возможен конвективный теплообмен. В этом случае теплопроводность воздуха минимальна и составляет 0,023 Вт/(м·⁰С). Следовательно, оптимальная структура теплоизоляционного материала и изделия должна иметь скелет аморфного строения, предельно насыщенный замкнутыми порами или тонкими воздушными слоями.

Для теплопроводности огромное значение имеет влажность материала, так как теплопроводность воды λ_воды = 0,58 Вт/(м·⁰С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха.

В случае замерзания воды в порах теплопроводность льда составит 2,32 Вт/(м·⁰С), что на два порядка выше значения теплопроводности сухого воздуха и в 4 раза больше теплопроводности воды.

Теплопроводность влажного материала λw можно вычислить по следующей формуле:

(3.1)

где λс – теплопроводность сухого материала;

W₀ – объемная влажность материала;

δ – приращение теплопроводности на 1 % влажности, которое составляет для неорганических материалов при положительной температуре – 0,002 Вт/(м·⁰С), при отрицательной – 0,004 Вт/(м·⁰С); для органических соответственно 0,003 и 0,004 Вт/(м·⁰С).

Теплопроводность при повышенной температуре λt (теплоизоляция тепловых агрегатов и трубопроводов) можно вычислить, зная теплопроводность при 0 ⁰С (λ₀) и температурную поправку β на 1 ⁰С повышения температуры

(3.2)

Пористость – одна из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов, позволяющих оценивать процентное содержание газовой (воздушной) фазы в объеме материала. Пористость разделяют на общую, открытую и закрытую. Для зернистых материалов введено понятие межзерновой пустотности.

В табл. 3.3 приведены значения пористости для теплоизоляционных материалов различной структуры.

Таблица 3.3

Значения пористости теплоизоляционных материалов

Структура	Материалы	Пористость, %
		Общая	Открытая	закрытая
Волокнистая	Минераловатные	85…92	85…92	0
Ячеистая	Ячеистый бетон Пеностекло Пенопласты	85…90 85…90 92…99	40…50 2…5 1…55	40…45 83…85 45…98
Зернистая	Перлитовые	85…88	60…65	22…25

Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являясь причиной проникновения влаги и газов в глубь изделия, что способствует резкому повышению коэффициента теплопроводности. Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения общей пористости не являются величинами постоянными, так как даже при небольших нагрузках они способны уплотняться.

Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость строительной теплоизоляции.

Форма пор оказывает влияние на прочность теплоизоляционного материала. Наилучшие показатели по прочности имеют ячеистые и зернистые материалы со сферическими порами и зернами.

Средняя плотность – физическая величина, по которой можно приближенно оценивать теплопроводность материала. Для определения коэффициента теплопроводности часто пользуются формулами В.П. Некрасова, Б.Н. Кауфмана, О.Б. Власова, связывающими теплопроводность с относительной плотностью материала:

Вт/(м∙⁰С); (3.3)

Вт/(м∙⁰С); (3.4)

Вт/(м∙⁰С); (3.5)

где d_m – относительная плотность, равная отношению средней плотности материала к плотности воды (безразмерная величина).

Для расчета коэффициента теплопроводности можно также использовать следующую формулу:

Вт/(м∙⁰С); (3.6)

где λв – теплопроводность воздуха, равная 0,023 Вт/(м·⁰С);

ρ_m – средняя плотность материла, кг/м³.

Прочность теплоизоляционных материалов не велика и зависит от следующих факторов: вида пористой структуры, формы и пространственного расположения каркасообразующих элементов структуры и др.

Прочностные показатели наиболее распространенных теплоизоляционных материалов приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Прочностные показатели теплоизоляционных материалов

Материалы	Средняя плотность, кг/м3	Прочность, МПа,
		при сжатии	при изгибе
Ячеистый бетон Пеностекло Минераловатные плиты Асбестосодержащие Перлитобитумные Перлитоцементные Керамические Древесноволокнистые плиты Фибролит Пенопласты	350 200 200 350 300 300 400 300 400 25	0,6 1,0 - - - 0,8 0,8 - - 0,07	- 0,7 0,1 0,17…0,3 0,15 0,25 - 0,12 0,7 0,1

Сжимаемость характеризует уплотняемость материала, %, под действием сжимающих сил. Этот показатель используют для определения жесткости теплоизоляционных материалов (см. табл. 3.2).

Влажность. Наличие влаги в теплоизоляционных материалах всегда ухудшает их функциональные и строительно-эксплуатационные свойства. У влажных материалов резко повышается теплопроводность, а также снижаются физико-механические показатели. Увлажнение материалов может происходить при контакте с водой (водопоглощение) или влажным воздухом (сорбция). Величина влажности материала зависит от его природы, характера пористой структуры, смачиваемости твердой фазы.

Предельная температура применения – это температура, при которой материал выполняет свое функциональное назначение.

Так, в стеклообразных материалах (минеральной, стеклянной вате, ячеистом стекле и др.) в условиях длительного воздействия повышенных температур возможны образования и рост кристаллов, что приводит к резкому возрастанию внутренних напряжений в стекле вплоть до его разрушения. В полимерных и полимерсодержащих материалах происходит температурная деструкция высокомолекулярных соединений (обрыв цепей, образование поперечных связей), в результате чего прочность и эластичность полимерного связующего резко ухудшаются. В материалах на гидравлических вяжущих, а также в асбестосодержащих материалах при длительном воздействии повышенных температур происходит дегидратация минерального вяжущего и асбеста, что приводит к сбросу прочности и повышению хрупкости изделий [15].

Приведем предельную температуру применения (⁰С) для некоторых теплоизоляционных материалов:

- керамические волокна – до 1300;

- вспученный вермикулит – до 1100;

- перлитобетон – до 1000;

- диатомитовая теплоизоляция – до 900;

- базальтовая вата – до 900;

- минеральная вата – до 700;

- пеностекло – до 700, в зависимости от состава;

- стеклянная вата – до 400;

- минераловатные изделия – до 400, в зависимости от вида и содержания связующего;

- торфоплиты – до 100;

- газонаполненные пластмассы – до 60…180.

Огнестойкость – свойство материала противостоять, не деформируясь и не расплавляясь, длительному воздействию огня. Этот показатель является важным признаком для определения предельной температуры применения теплоизоляционного материала.