книги / Строительные материалы

ными в штабеля, рассортированными по породам, раз­ мерам и сортам. Детали, конструкции, изделия для полов и кровель хранят в закрытых складах, причем уклады­ вают на прокладки во избежание искривления и увлаж­ нения грунтовой влагой. Проверяют соответствие качест­ ва лесоматериалов и изделий действующим стандартам

итехническим условиям с учетом допускаемых пороков, размеров и влажности. Оконные и дверные блоки долж­ ны до перевозки расшиваться планками. При перевозке

икратковременном хранении в штабелях детали и изде­ лия накрывают толем или брезентом, защищая от увлаж­ нения.

ГЛАВА 13. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ИИЗДЕЛИЯ

§1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплоизоляционными называют неорганические и ор­ ганические малотеплопроводные материалы, предназна­ ченные для тепловой изоляции строительных конструк­ ций, промышленного оборудования и трубопроводов. Ускоренное развитие производства и применения таких материалов необходимо для решения ключевой народно­ хозяйственной проблемы — экономии топливно-энергети­ ческих ресурсов в промышленных технологических про­ цессах, а также при эксплуатации зданий и сооружений.

В современном строительстве теплоизоляционные ма­ териалы и изделия занимают особо важное место. При­ менение эффективных теплоизоляционных материалов позволяет укрупнить конструктивные элементы (панели стен и покрытий, блоки и т. п.) и тем самым повысить степень индустриализации строительства при одновре­ менном снижении массы зданий и сооружений и сущест­ венном уменьшении материалоемкости строительства. В полносборном домостроении широко применяют облег­ ченные крупные панели с утеплителем. Это дает возмож­ ность снизить массу здания и затраты топлива. В север­ ных районах нашей страны, где стоимость перевозки в несколько раз превосходит стоимость материала, строят здания из легких слоистых элементов, состоящих из на­ ружной прочной оболочки и внутреннего слоя пористого

утеплителя. На Севере особенно важно повысить тер­ мическое сопротивление наружных ограждений: количе­ ство топлива, расходуемое в течение 4—5 лет на отопле­ ние здания, почти равно массе его наружных стен.

Теплоизоляционные материалы и изделия подразде­ ляются на следующие группы: 1} по виду исходного сырья: а) неорганические, б) органические; 2) по струк­ туре, форме и внешнему виду: а) неорганические, вклю­

ты древесно-стружечные, фибролитовые и др.), штучные ячеистые изделия (ячеистые пластмассы); 3) по сжимае­

кие Ж — не более 6 % (при удельной нагрузке 2000 Па); повышенной жесткости —до 1 0 % (при удельной нагруз­ ке 4000 Па) и твердые — также до 10% (при удельной нагрузке 10 кПа).

§ 2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Строение и теплофизические свойства

Теплоизоляционные материалы имеют высокопорис­ тое строение, они создаются из веществ, имеющих аморф­ ную структуру, так как кристаллические вещества хоро­ шо проводят теплоту. Теплопроводность уменьшается в 10 раз и более, если использовать материалы, получае­ мые путём быстрого охлаждения расплава (минеральных волокон). Например, теплопроводность монокрис­ талла кварца 7,2—13,6 Вт/(м-°С) (в разных направлени­ ях), а силикатного стекла 0,6—0,81 Вт/(м*°С). Теплоизо­ ляционные материалы можно представить состоящими из твердого «каркаса» и воздуха, заполняющего поры ма­ териала. Теплопроводность материала — некоторая сред­ няя величина теплопроводности вещества «каркаса» и воз­ духа, находящегося в порах. Теплопроводность воздуха

зависит от размера пор и в порах 0,1—2 мм составляет 0,023—0,03 Вт/(м-°С); она мала в сравнении с теплопро­ водностью основного вещества материала. Чем больше в материале пор, тем меньше его плотность и теплопро­ водность. Поэтому для отдельных групп неорганических и органических материалов может быть дана зависимость теплопроводности от плотности приблизительно, посколь­ ку сказывается влияние теплопроводности основного ве­ щества материала, характера и размера пор.

Теплопроводность воздушных слоев значительно воз­ растает при увеличении их толщины. Теплота через воз­ душный слой передается теплопроводностью Хт, конвек­ цией к1{ и излучением Хи, поэтому эквивалентную тепло­ проводность воздушного слоя кэ можно представить состоящей из трех слагаемых:

(13.1)

На рис. 13.1 показано увеличение теплопроводности воздушного слоя вследствие резкого возрастания тепло­ передачи конвекцией и излучением по мере увеличения размера воздушного слоя. Поэтому термическое сопро­ тивление замкнутых воздушных прослоек почти не воз­ растает при увеличений их толщины более 0,05 м. Одна­ ко при оклейке одной или обеих поверхностей воздуш­ ной прослойки алюминиевой фольгой, выполняющей роль отражающей изоляции, термическое сопротивление про­ слойки увеличивается в 2 раза вследствие снижения теп­ лопередачи излучением.

Тепловое излучение обусловлено переносом теплоты в виде электромагнитных волн — тепловых инфракрас­ ных лучей с длиной волны 0,8—400 мкм. При нагревании какого-нибудь тела часть тепловой энергии превращается на его поверхности в лучистую энергию, которая снова превращается в тепловую на поверхности тела, поглоща­ ющего тепловые лучи.

Количество теплоты, излучаемое единицей поверхно­ сти тела в единицу времени QH, зависит от способности материала излучать теплоту и резко возрастает с повы­ шением температуры в соответствии с законом СтефанаБольцмана:

4

(13.2)

где С — коэффициент излучения 1 м2 поверхности, Вт/(м2*К4), от­ несенный к 100 абс. град; Т — абсолютная температура.

Наибольший коэффициент излучения имеет абсолют­ но черное тело: С0 = 5,76. Строительные материалы об­ ладают меньшей излучающей способностью: бетон—3,61, дерево—4,6 (в среднем), алюминиевая фольга—1,1; ко­ эффициент излучения полированной поверхности сереб­ р а — наименьший; С=0,15 Вт/(м2-К4).

Как видно из приведенной формулы, теплопередача лучеиспусканием может существенно увеличить общую теплопередачу в изоляции энергетического и промышлен­ ного оборудования, а при теплоизоляции обычных строи­ тельных конструкций, эксплуатируемых при температуре до 100 °С, влияние излучения невелико.

Физические процессы, обусловливающие связь строе­ ния и теплопроводности материала, побуждают созда­ вать поры в в!иде мелких ячеек либо тонких воздушных слоев, разделяющих волокна. В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала. Для материалов ячеистого строения (ячеистых бетонов, пеностекла, пористых пластмасс) ис­ пользуют способы газообразования и пенообразования.

Способ газообразования широко применяется как спо­ соб вспучивания исходной массы при получении неорга­ нических и органических теплоизоляционных материалов. Этот способ основан на выделении газообразных продук­ тов в объеме материала, находящегося в пластично-вяз­ ком или пиропластическом состоянии. Газообразователи обычно вводят в исходную массу (алюминиевую пудру при изготовлении газобетона, органические порофоры в технологии поропластов). Однако роль газообразователя может играть гндратная вода, являющаяся составной

поверхностное натяжение на границе раздела, что обус­ ловливает вспенивание массы. Синтетические пенообра­ зователи являются продуктами нефтехимического синте­ за, применяемыми в производстве моющих средств: сульфонолы (в виде порошка или 45 %-ного раствора), пено­ образователь ПО-1 и др. Могут быть пенообразователи, получаемые из природного сырья (клееканифольный — пенобетон).

Способ высокого водозатворения состоит в примене-

а)

Рис. 13.1. Зависимость теплопроводности (а) и термического сопротивления

(б) от толщины воздушных прослоек

нии большого количества воды при получении формовоч­ ных масс (например, из трепела, диатомита); последую­ щее испарение воды при сушке и обжиге отформованных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих доба­

вок (древесных опилок, измельченного низкосортного ка­ менного угля, торфяной крошки и др.).

Создание волокнистого каркаса — основной способ образования пористости волокнистых материалов (мине­ ральной ваты, фибролита и т. п.). Высокопористое строе­ ние закрепляется, главным образом, путем тепловой об­ работки изделий, которая осуществляется в различных видах — путем обычного пропаривания или автоклавной обработки, сушки, обжига.

Важное значение имеют равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Желатель­ но создавать мелкие, равномерно распределенные порыячейки закрытого типа. В закрытых порах воздух нахо­ дится в спокойном состоянии и стабильнее выполняет роль теплоизолятора. В замкнутые поры не попадает во­ да (при обычных условиях насыщения), что очень важ­ но для сохранения стабильных теплофизических свойств и долговечности. Стремление к замкнутой пористости от­ личает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это принципи­ альное отличие необходимо иметь в виду, так как часто для производства теплоизоляционных и звукопоглощаю­ щих изделий используются одни и те же исходные ма­ териалы (например, минеральное волокно, древесная масса и др.).

2. Теплотехнические и физико-механические свойства

Теплопроводность материала К связана с его темпера­ туропроводностью а, теплоемкостью с и плотностью рт следующим отношением:

П лотность материала — главный аргумент, определя­ ющий его теплопроводность. Теплоизоляционные мате­ риалы по плотности делятся на марки: 1) особо легкие (ОЛ): 15, 25, 35, 50, 75, 100; 2) легкие (Л): 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350; 3) тяжелые (Т): 400, 450, 500, 600. Материал, имеющий плотность, не совпадающую с по­ казателями марок, относят к ближайшей большей марке. На рис. 13.2 представлен график зависимости теп­ лопроводности материалов от их плотности.

Рис. 13.2. Зависимость теплопроводности теплоизоляционных материалов не­ органических (/) и органических (2) от плотности

По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса: класс А — малотеплопроводные [до 0,058 Вт/(м-°С)]; класс Б — среднетеплопроводные [0,058—0,116 Вт/(м*°С)] и класс В — повышенной теп­ лопроводности [не более 0,18 Вт/(м>°С)]. Теплопровод­ ность пористых материалов резко возрастает при увлаж­ нении, так как теплопроводность воды, равная 0,58 Вт/ /(м-°С)], в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

Установить общую математическую зависимость меж­ ду теплопроводностью материала и его влажностью не представляется возможным, гак как сказывается значи­ тельное влияние природы материала, строения и формы

сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях. Деформативные свойства характеризуются сжимаемостью в воздушно­ влажной среде, упругостью (в виде относительной дефор­ мации, %) и гибкостью.

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляцион­ ные свойства материала, но и понижает его прочность и долговечность. Материалы с закрытыми порами, напри­ мер пеностекло, отличаются небольшим водопоглощеиием. Для снижения водопоглощрния при изготовлении материалов вводят гидрофобизирующие добавки, исполь­ зуют гидроизоляцию.

Химическая и биологическая стойкость. Большая по­ ристость теплоизоляционных материалов благоприятст­ вует прониканию в них влаги, агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Стойкость теплоизоляции повышают, применяя защитные покрытия. Органические теплоизоляционные материалы и связую­ щие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т. е. сопротивляться действию микроорганиз­ мов, домовых грибов, насекомых (муравьев, термитов).

Морозостойкость должна учитываться как важное

сеойство утеплителя наружных ограждающих конструк­ ций зданий и холодильников; оценивается числом циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Газо- и паропроницаемость учитывают при примене­ нии в ограждающих конструкциях. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Например, желательно, чтобы теплоизоляция не препятствовала воз­ духообмену жилых помещений с окружающей средой че­ рез наружные стены зданий. Однако теплоизоляцию стен влажных производственных помещений нередко защища­ ют от увлажнения с помощью надежной гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.

Возгораемость (горючесть) — способность теплоизо­ ляционного материала выдерживать в течение определен­ ного времени действие высокой температуры и открытого пламени; она связана со сгораемостью материала. Сго­ раемые материалы (из древесины, полимеров) можно применять только при осуществлении мероприятий по защите от возгорания.

Предельная температура применения (Га) является основной характеристикой (вместе с теплопроводностью) качества высокотемпературной изоляции промышленных

печей и энергетического оборудования ТЭС и АЭС. Это свойство зависит от состава и структуры материала: ке­ рамические волокна выдерживают действие температу­ ры до 1100—1300 °С, трепельный кирпич—900 °С, ячеис­ тый бетон и пеностекло—400 °С. Органическая теплоизо­ ляция применяется при температуре до 60—100°С.

Термическая стойкость — свойство материала выдер­ живать без разрушения определенное число циклов рез­ кого охлаждения и нагревания (при работе технологиче­ ского и энергетического оборудования). Она зависит не только от состава и пористости теплоизоляции, но и от однородности материала.

Огнеупорность — свойство изделия противостоять дли­ тельному воздействию высокой температуры без сущест­ венного изменения прочности, формы и размеров. Это — важное свойство высокотемпературной теплоизоляции и легковесных огнеупоров.

§ 3. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

1. Неорганические теплоизоляционные изделия

Минеральная вата состоит из тонких стекловидных волокон диаметром 5—15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких горных пород (мергелей, доломитов, ба­ зальта и др.), металлургических и топливных шлаков, золы ТЭС. Расплав обычно получают в вагранке либо в другом печном агрегате. Волокна образуются при воз­ действии подаваемого под давлением пара или воздуха на непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава !(рис. 13.3, а) либо путем подачи пара на валки или диск центрифуги (рис. 13.3,6). Полученное минеральное во­ локно собирается в камере волокноосаждения на непре­

щества. На основе минеральной ваты выпускают штуч­ ные, рулонные, шнуровые изделия и сыпучие (рыхлые, волокнистые) материалы.

Минераловатные твердые плиты на синтетическом связующем (фенолоспирте, растворе или дисперсии кар­ бамидного полимера и др.). По технологии, разработан­ ной в Уралниистромпроекте, предусматривается изготов­ ление твердых плит из гидромассы, т. е. «мокрым»