Основы энергосбережения в строительстве

Соотношение объемов воздуха, находящегося в порах, и твердого вещества, образующего материал, также влияет на теплоизоляционные свойства материала: чем меньше средняя плотность р0 теплоизоляционного материала, тем меньше его теплопроводность X. Можно сказать, что теплопроводность пропорциональна плотности материала, к =Дро), т.е. содержанию в нем твердого вещества. Для высокопористых материалов, в которых масса твердого вещества очень мала, теплопроводность приближается к теплопроводности воздуха.

Следующим показателем, определяющим качество теплоизоляционных материалов, является теплопроводность.

Степень теплопроводности материала характеризуется величиной коэффициента теплопроводности X.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту сквозь свою толщину, так как именно от последней напрямую зависит термическое сопротивление R ограждающей конструкции. Количественно теплопроводность определяется коэффициентом теплопроводности X, выражающим количество тепла Q, проходящего через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур At на противолежащих поверхностях 1,0 °С за 1 час. Коэффициент теплопроводности в справочной и нормативной документации имеет размерность Вт/(м • °С) или Вт/(м • К).

На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д.

Методики измерения теплопроводности в разных странах значительно отличаются друг от друга, поэтому при сравнении величин теплопроводностей различных материалов необходимо указывать, при каких условиях проводились измерения.

Из всех сред, не считая безвоздушного пространства, самой малой теплопроводностью обладает воздух, особенно когда он заключен в порах материала, т.е. малоподвижен, при t = +20 °С X = 0,023 Вт/(м • °С), X = 0,0306 Вт/(м • °С) при 100 °С.

При эксплуатации теплоизоляционных материалов с повышением окружающей температуры теплопроводность большинства материалов линейно возрастает и только в редких случаях она понижается (магнезитовые огнеупоры).

Увлажнение ТИМ и тем более замерзание воды в его порах ведет к резкому увеличению теплопроводности, так как теплопроводность воды

40

а н2 о = 0,58 Вт/(м • °С)) примерно в 25, а льда (X = 2,32 Вт/(м • °С» в

100 раз больше, чем воздуха. Поэтому в эксплуатационных условиях теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения.

Важной эксплуатационной характеристикой теплоизоляционных материалов является предельная температура применения. Предельная температура применения, например, вспученного перлита и вермикулита - 900, минеральной ваты — 600, ячеистых бетонов - 400...700, газонаполненных пластмасс - 60... 180 °С.

Прочность на сжатие (МПа) - это величина усилия (Н), действующего на площадь поперечного сечения образца (мм2) и вызывающего изменение толщины изделия на 10 %.

Прочность теплоизоляционных материалов должна быть достаточной для их складирования, транспортирования, монтажа и использования в течение требуемого срока. Прочность при сжатии - до 5 МПа и при изгибе для наиболее распространенных теплоизоляционных материалов - от 0,1 до 1,5 МПа.

Сжимаемость - способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Она характеризуется относительной деформацией материала при усилии 2 кПа.

При выборе области применения теплоизоляционных материалов учитываются их огнестойкость, химическая и биологическая стойкость, водопоглощение, газо- и паропроницаемость и ряд других свойств.

Важна также хорошая влагоотдача — способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха.

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Водопоглощение должно быть как можно ниже. Для снижения водопоглощения ведущие производители ТИМ вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Сорбционная влажность - равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.

41

Морозостойкость - способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако данные по морозостойкости для ТИМ не приводятся в СТБ, ГОСТ или ТУ.

Паропроницаемость - способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара из жилого помещения наружу. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (м2 • ч • Па/мг). Паропроницаемость ТИМ во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом, В свою очередь, последний является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление Rr ограждающей конструкции. В большинстве случаев требуется высокая паропроницаемость.

Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоев должна расти в направлении от теплой стороны ограждения к холодной.

Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие показатели материала тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что его движение приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошев воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах защиты. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты.

При устройстве теплоизоляции наружных стен и других вертикальных конструкций, подвергающихся напору ветра, следует помнить, что при скорости ветра 1 м/с и выше целесообразно оценивать необходимость ветрозащиты.

Коэффициент температуропроводности является мерой теплоинерционных свойств металлов:

а = А, , м2//ч. с-Ро

Огнестойкость - способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры,

42

прочности и других свойств, т.е. показывает, как долго материал способен сопротивляться огню. По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.

Встроительстве ТИМ находят применение в ограждающих однослойных и слоистых конструкциях для обеспечения ими необходимых теплофизических свойств и нормального микроклимата в помещениях.

Вмалоэтажном строительстве прочность кирпичной кладки используется в среднем на 15...20 %. Большую часть кирпичных стен можно заменять менее прочными, но теплотехнически более эффективными материалами. При повышенной влажности внутри помещений (бани, животноводческие фермы) с внутренней стороны утеплителя необходимо устраивать слой пароизоляции.

Идеальная теплоизоляция - это вечная, экологически абсолютно безвредная, невещественная изоляция, на производство которой к тому же не надо тратить энергию. Такой теплоизолятор есть - это пустота (вакуум). Проблема ее использования заключается в конст- руктивно-технологическом обрамлении во избежание лучистого теплообмена (теплопередачи и конвективного теплообмена в вакууме нет).

2.5. Теплоизоляционные материалы на неорганической основе

Наибольшее распространение в строительстве получили теплоизоляционные бетоны, это как газонаполненные ячеистые бетоны - газобетон, пенобетон, так и бетоны на основе легких заполнителей (керамзитобетон, перлитобетон, полистиролбетон, пенополистиролбетон и др.).

Теплоизоляционные материалы на неорганической основе подразделяются:

•на изделия из минеральной ваты и изделия из стекловолокна;

•пеностекло (ячеистое стекло);

•ячеистые бетоны;

•асбестосодержащие засыпки и изделия;

•пористые заполнители (керамзит, вспученные перлит и вермикулит).

43

По форме выпускаемой продукции делятся на: 1. Штучные:

1.1) волокнистые:

- плиты минераловатные на синтетической связке: мягкие; полужесткие; жесткие;

повышенной жесткости; твердые; 1.2) ячеистые:

-изделия из ячеистых бетонов;

-плиты перлитоасбестокаолиновые;

-блоки и плиты из газостекла.

2.Рулонные:

-маты минерально-ватные.

3.Рыхлые волокнистые:

-вата минеральная.

4. Сыпучие зернистые:

-щебень аглопоритовый;

-щебень керамзитовый;

-гравий керамзитовый.

2.5.1. Минеральная (каменная) вата

Примерно 70 % всего объема теплоизоляционных материалов составляют минераловатные изделия. Для их изготовления имеется огромная сырьевая база. Минеральная вата состоит в основном из стекловидных волокон диаметром 2...20 мкм ( 0 5... 15) и длиной / = 20...40 мм, получаемых из силикатных расплавов, и сырьем для нее служат металлургические и доменные шлаки, осадочные (мергели, каолины) и изверженные (базальт, диабаз) горные породы.

Известные своим высоким качеством минераловатные теплоизоляционные материалы, например торговых марок «Rockwool» (Дания) и «Рагос» (Финляндия), изготавливаются из базальта. Его плотность р = = 2900...3300 кг/м3, предел прочности при сжатии 110... 150 МПа. Поскольку базальт для "белорусских производителей имеет высокую стоимость, они используют указанное местное альтернативное сырье и добились локальных успехов. На Гомельском комбинате строительных материалов освоено производство негорючих минераловатных шит

44

марок П-75, 125 и 175, а на ГПП «Березастройматериалы» - марки П 125. В результате исследований, проведенных в УП «НИИСМ» (Минск), были разработаны новые составы неорганического связующего и технология производства жестких теплоизоляционных плит марок 100, 150, 200 из минераловатного волокна, получаемого из местных глины и доломита. Изготавливаются эти плиты по способу гидромасс на технологических линиях с шириной ковра 1 или 2 м и производительностью 30...70 тыс. м3 плит в год. Разработан ТЭР организации производства плит марок 100 и 200 на ПО «Доломит» (Витебск).

Недостатки сырья неизбежно отражаются на качестве минеральной ваты. В частности, доменные шлаки, насыщенные посторонними примесями, содержат много СаО, а значит, делают минеральную вату неустойчивой к воздействию влаги. Что касается глины и доломита, то они имеют высокий процент посторонних примесей и низкую прочность. Толщина более хрупкого волокна раза в 1,5 больше, чем волокна, например, марки «Рагос». Кроме того, недолговечная минеральная вата из шлаков обладает гораздо большим водопоглощением, чем лучшие зарубежные аналоги.

Качественная импортная минеральная вата (каменная вата) удовлетворяет самым жестким требованиям пожарной безопасности. Температура спекания волокон этой ваты составляет примерно 1000 °С, что почти в 2 раза выше, чем волокон стекловаты.

Производство минеральной ваты включает две основные технологические операции - получение расплава, t = 1500 °С, и превращение его в тончайшие волокна. Расплав получают, как правило, в шахтных плавильных печах - вагранках или ванных печах. Превращение расплава в минеральные волокна производится дутьевым или центробежным способом.

При дутьевом способе выходящий из печи расплав разбивается на мелкие капельки струей пара или воздуха, который вдувается в специальные камеры, и в полете капельки сильно вытягиваются, превращаясь в тонкие волокна диаметром 2.. .20 мкм и длиной 2.. .40 мм.

При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся диск центрифуги и под действием большой окружной скорости сбрасывается с него и вытягивается в волокна.

Наиболее распространен комбинированный центробежно-дутьевой способ образования волокон, включающий применение центробежной силы и дутья.

45

Взависимости от расположения волокон (структуры) материалы

иизделия из минеральной ваты подразделяют:

•на материалы с хаотическим расположением волокон без определенной направленности (минеральная вата);

•изделия с горизонтальным расположением волокон;

•вертикально-слоистые изделия;

•изделия с гофрированной структурой.

По средней плотности минеральная вата делится на марки D75, 100, 125, 150 и 175. Сверхтонкие волокна каменной ваты прочно удерживают воздух, который является отличным тепло- и звукоизолятором.

Теплозвукоизолирующие свойства каменной ваты обусловлены ее пористо-волокнистой структурой, причем в качестве рабочей среды, препятствующей теплообмену, выступает обычный воздух. Теплоизоляционные свойства этого материала не меняются в течение десятков лет. Каменная вата не стареет, она долговечна.

Теплопроводность X минеральной ваты при температуре 25±5 °С колеблется в зависимости от плотности в интервале 0,042... 0,046 Вт/(м • °С).

По сравнению со стекловатой каменная вата поглощает гораздо меньше влаги, что важно при замокании и последующем просушивании изолируемой поверхности. После высыхания изделия из каменной ваты полностью восстанавливают свои свойства.

Одним из важнейших преимуществ каменной ваты как утеплителя является то, что она выдерживает высокую температуру (до 900... 1000 °С), не теряя своих свойств. Кроме того, каменная вата обладает высокой химической стойкостью, для нее неопасны тепловое расширение или сжатие, она выделяет очень мало пылевых частиц.

Для предотвращения уплотнения минеральной ваты при транспортировании и хранении ее гранулируют, т.е. превращают в рыхлые комочки-гранулы в дырчатом барабане.

Основные изделия на основе минеральной ваты

Сама минеральная вата является полуфабрикатом, из которого выполняют разнообразные теплоизоляционные минераловатные изделия: войлок, маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты и др. (рис. 2.1).

46

Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты на синтетических связующих в определенной степени подвержены влиянию агрессивной среды производственных зданий. Для повышения стойкости минераловатные изделия обрабатывают гидрофобными веществами. Маты и мягкие плиты используются в основном для теплоизоляции покрытий и кровель. Можно их применять и для других конструкций, но во всех случаях должны исключаться увлажнение и деформация слоя утеплителя в процессе эксплуатации, т.е. они нагрузки не несут.

Влага воздуха практически не проникает внутрь изделия (сорбционная влажность не превышает 0,4 %).

Жесткие плиты обладают большой прочностью и могут использоваться в качестве изоляционного слоя даже под нагрузкой, обычно применяются для утепления стен, кровель и полов.

Плиты для систем утепления со штукатуркой предназначены для использования на капитальных стенах. Они дают устойчивую поверхность для последующего нанесения штукатурных слоев. Применение плит «Рагос» под штукатуркой создает внутри здания хороший микроклимат, так как теплоизоляция из каменного волокна «дышит».

Фасадные плиты устойчивы к механическим воздействиям, не горят, отталкивают воду. Применяются изделия с облицованной поверхностью.

Кровельные плиты способны выдерживать значительные механические нагрузки. Утепление плоских крыш с их помощью очень надежно, так как материал сохраняет форму в течение длительного срока. Их не портят грызуны, они морозостойки.

Изделия из минеральных волокон

В XX веке изделия из шлаковаты были основными материалами, используемыми для теплоизоляции тепловых, коммунальных и других теплопроводов, стеновых панелей, кровель и других объектов. Но в силу своих физико-механических и теплофизических характеристик они не позволяли эффективно и качественно осуществлять теплоизоляцию.

При прокладке теплопроводов изоляционные свойства шлаковаты вследствие ее увлажнения, провисания, слеживания резко снижаются, и в настоящее время теплопотери, по различным данным, составляют 25... 45 %.

48

Эффективный теплоизолятор из базальтового волокна, полученный на центрифуге «Рагос», и особая, без определенной направленности структура волокон обеспечивают большую жесткость. Это ноу-хау концерна «Rockwool».

Технические характеристики минеральной ваты (каменной ваты)

Минеральная вата также обладает слудующими свойствами:

-несгораема, физически и химически нейтральна;

-мягкие плиты очень эластичны, плотно прилегают к конструкциям;

-стекловолокно при 750 °С практически разрушается.

Объекты применения: для теплоизоляции в деревянных, металлических, кирпичных и бетонных стенах, в строительных конструкциях, в скатных крышах и плоских кровлях.

Минеральная вата также используется как эффективная звуковая и противопожарная изоляция в каркасных перегородках, в трехслойных железобетонных плитах типа «сэндвич» и в виде цилиндров любых размеров.

2.5.2. Стекловата

Близкой по свойствам к минеральной вате является стеклянная вата, например, фирмы «Isover», «URSA» на основе стеклянного штапельного волокна. Для изготовления стекловолокна используют стеклобой или те же сырьевые материалы, что и для оконного стекла: кварцевый песок Si02, известняк или мел СаС03; соду Na2C03 или сульфат натрия Na2S04. Тонкие стеклянные волокна для текстильных материалов получают непрерывным вытягиванием (продавливанием) из расплавленной стекломассы (фильерный способ).

Более грубое волокно, применяемое для тепловой изоляции, изготавливается дутьевым или центробежным способом. Такое волокно и называется стеклянной ватой.

49