Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
торфяная крошка, молотый диатомит, порошкообразные смеси, используемые для машинной тепловой изоляции горячих поверхностей
оборудования и трубопроводов).
Наиболее перспективными материалами являются штучные изделия, изготовляемые в заводских условиях по строго установленной технологии. Их качество контролируется соответствующими
ГОСТами.
Устройство же тепловой изоляции из рыхлых и сыпучих материалов помимо существенного увеличения затрат ручного труда
не гарантирует постоянство свойств набивной или засыпной изоля-
ции в связи с уплотнением и разрушением материалов в период эксплуатации.
Основным направлением развития производства теплоизоляционных материалов является расширение выпуска высококачественных крупноразмерных жестких изделий, применение которых в наибольшей степени способствует повышению уровня индустриализации
строительного производства.
По структуре теплоизоляционные материалы подразделяют на
волокнистые, ячеистые и зернистые.
По средней плотности в сухом состоянии, кг/м3, теплоизоля-
ционные материалы подразделяют на группы и марки.
I группа – особо легкие материалы (ОЛ), имеющие марки 15,
25, 35, 50, 75 и 100. II группа – легкие материалы (Л) марок 125, 150,
175, 200, 225, 250, 300 и 350. III группа – тяжелые материалы (Т) марок 400, 450, 500 и 600. Материалы с промежуточным значением
средней плотности относят к ближайшей большей марке.
По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют на
виды, исходя из относительной деформации сжатия под удельной нагрузкой (табл. 3.1).
По теплопроводности теплоизоляционные материалы и изделия делят на классы: малотеплопроводные – λ до 0,058 Вт/(м·°С);
среднетеплопроводные – λ = 0‚058–0,116 Вт/(м·°С) и повышенной теплопроводности – λ = 0,116–0,18 Вт/(м·°С). Для подразделения на
классы значения теплопроводности материалов определяют при температуре 25 °С.
По возгораемости теплоизоляционные материалы подразделяют на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
21
Таблица 3.1
Вид изделий
Относительное сжатие, %,
при удельной нагрузке, МПа
0,02
0,04
0,1
Мягкие
Более 30
–
–
Полужесткие
От 6 до 30
–
–
Жесткие
До 6
–
–
Повышенной
жесткости
–
До 10
–
Твердые –
До 10
Классификация изделий по жесткости
3.2. Классификация акустических материалов
Данная классификация построена на принципе функционального назначения этих материалов. По этому принципу акустические
материалы подразделяют:
а) на звукопоглощающие‚ предназначенные для применения в
конструкциях звукопоглощающих облицовок внутренних помещений
и для отдельных звукопоглотителей для снижения звукового давления
в помещениях производственных и общественных зданий;
б) звукоизолирующие, применяющиеся в качестве прокладок
(прослоек) в многослойных ограждающих конструкциях для улучшения изоляции ограждений от ударного и воздушного звуков;
в) вибропоглощающие, предназначенные для ослабления изгибных колебаний, распространяющихся по жестким конструкциям
(преимущественно тонким) для снижения излучаемого ими звука.
Звукопоглощающие материалы в соответствии с действующим стандартом классифицируются по следующим основным признакам: эффективности, форме, жесткости (величине относительного
сжатия), структуре и возгораемости.
По форме звукопоглощающие материалы и изделия подразделяют на штучные (блоки, плиты); рулонные (маты, полосовые, прокладки, холсты); рыхлые и сыпучие (вата минеральная и стеклянная, керамзит, вспученный перлит и другие пористые зернистые
материалы).
По жесткости эти материалы и изделия подразделяют на мяг-
кие, полужесткие, жесткие и твердые.
22
По структурным признакам звукопоглощающие материалы
Наименование
диапазона частот
Обозначение
диапазона частот
Среднегеометрические час-
тоты октавных полос, Гц
Низкочастотный
Н
100, 125, 160, 200, 250, 315
Среднечастотный
С
400, 500, 630, 800, 1000,
1250
Высокочастотный
В
1600, 2000, 2500, 3150,
4000, 5000
и изделия подразделяют на пористо-волокнистые, пористо-ячеистые (из ячеистого бетона и перлита) и пористо-губчатые (пенопласты,
резины).
По возгораемости, как и все строительные материалы, акустические материалы и изделия подразделяют на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
Сравнивая классификационные признаки звукопоглощающих,
а также теплоизоляционных материалов и изделий, можно видеть их
общность, что лишний раз подчеркивает идентичность задач при производстве этих материалов. Однако следует отметить, что для придания высоких показателей функциональных свойств рассматриваемым
материалам и изделиям необходимо применять различные технологические приемы, позволяющие образовывать нужную для того или иного случая пористую структуру.
По эффективности звукопоглощающие материалы и изделия
подразделяют на три класса: первый класс ‒ ɑ свыше 0,8; второй
класс ‒ ɑ от 0,8 до 0,4; третий класс ‒ ɑ от 0,4 до 0,2. В основу такого
деления положена величина среднеарифметического реверберационного (послезвучание, наблюдающееся после выключения источника
звука) коэффициента ɑ, которой характеризуется материал в каждом
из диапазонов частот, указанных в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Классификация частоты октавных полос
Звукоизоляционные материалы подразделяют на штучные
(ленточные, полосовые и штучные прокладки, маты, плиты) и сыпучие
(керамзит, доменный шлак, песок).
По структуре звукоизоляционные изделия (материалы) подразделяют на пористо-волокнистые‚ изготовляемые из минеральной и
стеклянной ваты в виде мягких, полужестких и жестких прокладочных
23
изделий со средней плотностью от 75 до 175 кг/м3 и динамическим
модулем упругости Ед не более 0,5 МПа при нагрузке 0,002 МПа; пористо-губчатые, изготовляемые из пенопластов и пористой резины и
характеризующиеся Ед от 1,0 до 5,0 МПа. Динамический модуль упругости зернистых засыпок не должен превышать 15 МПа.
Таким образом, звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы должны обладать повышенной способностью поглощать и
рассеивать звуковые волны. Кроме того, звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы и изделия также должны обладать стабильными физико-механическими и акустическими свойствами в течение
всего периода эксплуатации; быть био- и влагостойкими; не выделять
в окружающую среду вредных веществ. А звукопоглощающие изделия, как правило, должны обладать еще и высокими декоративными
свойствами, так как их одновременно используют и для отделки внутренних поверхностей ограждений зданий.
24
4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
И АКУСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
К любым строительным материалам предъявляется комплекс
требований функционального (специфического) и строительноэксплуатационного характера. Например, к материалам для полов основным требованием функционального характера является низкая истираемость. Наряду с этим данные материалы должны отвечать общестроительным требованиям: соответствовать стандартам по форме и
размерам, цвету, прочности и т.д.
Соответствие любого строительного материала предъявляемым
к нему требованиям оценивается по его качеству, которое определяется совокупностью показателей его свойств.
В соответствии с требованиями свойства строительных, в том
числе теплоизоляционных и акустических, материалов и изделий подразделяются на функциональные и общестроительные или строительно-эксплуатационные.
Таким образом, функциональные свойства определяются основным назначением материала.
Для теплоизоляционных материалов такими свойствами являются теплоизолирующая способность (теплопроводность) и температура применения, для звукопоглощающих материалов ‒ величина звукопоглощения, для звукоизоляционных материалов ‒ способность гасить звуковые волны, характеризуемая динамическим модулем упругости и относительным сжатием при кратковременной и длительной
нагрузках.
К функциональным свойствам теплоизоляционных и акустических материалов и изделий следует отнести пористость, величина и
структурные показатели которой решающим образом влияют на качество этих материалов.
Строительно-эксплуатационные свойства характеризуют ма-
териалы с позиции их транспортирования, монтажа и эксплуатации.
Важнейшими из них для теплоизоляционных и акустических материалов являются прочность, стойкость к действию воды, температуры,
огня, химической и биологической агрессии. Для звукопоглощающих
материалов немаловажным показателем является декоративность.
Применяя различные технологические приемы, можно в какихто пределах направленно изменять эти свойства. Однако это не долж-
25
но существенно отражаться на функциональных свойствах материалов
и изделий.
4.1. Функциональные свойства теплоизоляционных
материалов и изделий
Теплопроводность – важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Размерность теплопроводности – Вт/(м·К) или Вт/(м·°С).
Из основного закона распространения теплоты путем теплопроводности, установленного Фурье, следует, что
λ =
, (4.1)
()
где Q – количество теплоты; δ – толщина материала; F – площадь сечения, перпендикулярная тепловому потоку; τ – время прохождения
теплового потока; – разность температур на противоположных
стенках материала.
Исходя из современных представлений о природе теплопередачи, Дебай преобразовал выражение теплопроводности:
λ = cωl, (4.2)
где c – удельная теплоемкость тела при постоянном объеме; ω – скорость распространения волн; l – средняя длина свободного пробега
волны (по аналогии с кинетической теорией газов).
Это выражение Дебая справедливо с определенными поправками для твердых, жидких и газообразных тел и позволяет объяснить
различную теплопроводимостъ материалов в зависимости от их агрегатного состояния и строения.
На практике теплопроводность определяют экспериментально
с помощью малоинерционного тепломера и рассчитывают по результатам измерений температурного градиента за определенный интервал
времени в процессе нагрева образца. В настоящее время сделаны небезуспешные попытки создания расчетных методов определения теплопроводности, учитывающих агрегатное состояние, структуру веществ и условия окружающей среды. Эти методы применяют главным
26
образом для прогнозирования теплопроводности при создании новых
материалов с заданными свойствами.
Теплопроводность, Вт/(м·°С), различных материалов колеблется в очень широких пределах, например: 0,024 – для воздуха в неподвижном состоянии при 0 °С и 0,075 – при 1000 °С; 0,55 – для воды
при 0 °С и 0,7 – при 100 °С; 2,5 – для льда; 0,11–0‚17 – для дерева;
0,45–0,8 – для керамического кирпича; 45–60 – для стали и чугуна;
418 – для серебра, т.е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз
ниже, чем у серебра. При этом следует отметить, что даже небольшие
изменения химического состава веществ и их физического состояния
приводят к существенному различию значений теплопроводности и,
следовательно, требуют их учета.
Теплопроводность материалов зависит от следующих
факторов:
‒ физического состояния и строения, которые определяются
фазовым состоянием вещества; степенью кристаллизации и размерами
кристаллов; анизотропией кристаллов и направлением теплового потока; объемом пористости материала и характеристиками пористой
структуры;
‒ химического состава и наличия примесей, которые особенно
влияют на теплопроводность кристаллических тел;
‒ условий эксплуатации материала, которые определяются
температурой, давлением, влажностью, наличием радиационного облучения, интенсивностью съема теплоты с холодной поверхности материала.
Влияние каждого из указанных факторов неравнозначно.
Значительное влияние на теплопроводность оказывает физическое состояние тела. Чтобы объяснить это явление, кратко рассмотрим
механизм теплопроводности в твердых телах, жидкостях и газах с позиции квантовой теории. В этой теории предполагается, что колебания
нормального вида квантуются по аналогии с фотонами в теории света.
Эти кванты называют фононами.
В твердых телах передача теплоты осуществляется путем
взаимодействия между тепловыми упругими колебаниями решетки
или вследствие движения электронов и столкновения их с атомами. В
металлах имеют место оба вида передачи энергии, чем и объясняется
их большая теплопроводность.
27
В неметаллах число свободных электронов, которые могли
бы свободно двигаться по кристаллической решетке, незначительно, поэтому в них теплота передается главным образом за счет колебаний решетки. Если бы эти колебания были полностью гармоничными, то сопротивления переносу теплоты не было и теплопроводность
была бесконечно велика. Однако в реальных телах колебания имеют
ангармоничный характер. Ангармоничность колебаний приводит к
взаимодействию фононов между собой, эквивалентному рассеиванию
фононов волнами, в результате чего теплопроводность значительно
снижается.
Для описания процесса удобно использовать понятие длины
свободного пробега волны в твердых телах и длины свободного пробега молекул в жидкостях и газах, в которых перенос теплоты осуществляется вследствие столкновения молекул с различной кинетической
энергией.
Таким образом, величина l, входящая в уравнение Дебая (4.2),
для твердых тел равна длине свободного пробега фононов, а
для жидкостей и газов ‒ длине свободного пробега молекул. Тогда,
рассматривая неметаллические тела кристаллического строения, можно объяснить влияние размера кристаллов, моно- и поликристаллических структур тел, наличия или отсутствия дефектов в решетке, направленности теплового потока по отношению к оптической оси кристалла, а в волокнистых материалах ‒ к оси волокна на их теплопроводность.
Чем меньше длина свободного пробега фононов l, тем ниже должна быть теплопроводность тела, т.е. она должна снижаться
с уменьшением размера монокристаллов, с увеличением дефектов
кристаллической решетки, в телах, сложенных из разнородных кристаллов (в поликристаллических системах), при направленности теплового потока перпендикулярно оптической оси кристалла или оси
волокна.
Исследования показали, что все положения справедливы. Например, установлено, что теплопроводность примерно пропорциональна размеру кристалла (снижается по мере уменьшения размеров кристаллов), при направлении теплового потока вдоль оптической оси кристалла или вдоль волокон теплопроводность существенно больше, чем при перпендикулярной направленности у кристалла кварца в диапазоне температур от ‒200 до 100 °С почти в
28
2 раза (такое же положение имеет место в древесине и асбесте).
На рис. 4.1 показана теплопроводность монокристалла и поликристал-
лов сапфира.
Рис. 4.1. Теплопроводность монокристалла и поликристаллов сапфира
На теплопроводность кристаллических тел значительное влияние оказывает температура; с ее понижением λ увеличивается. Следовательно, при повышении температуры теплопроводность таких тел
падает (рис. 4.2) и наоборот.
Рис. 4.2. Характер изменения теплопроводности монокристалла
кварца в зависимости от абсолютной температуры
29
Особенно заметное повышение теплопроводности наблюдается
Направление теплового
потока
λ, Вт/(м·°C), при температуре, °С
‒200
‒100
0
100
Перпендикулярно оси
кристалла
27 11,6 7,2 5,6
Параллельно оси
кристалла
53,5 22 13,6 9
при отрицательных температурах, поэтому теплоизоляционные свойства материалов в этом случае резко ухудшаются (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Теплопроводность кварца при различных температурах
В стеклообразных материалах среднее расстояние действия
упругой волны мало и равно лишь нескольким межатомным расстояниям. Поэтому их теплопроводность почти на порядок ниже, чем кристаллических. С повышением температуры в стеклообразных материалах длина свободного пробега фононов изменяется незначительно.
Это объясняется тем, что при усилении тепловых колебаний увеличивается рассеивание фононов вследствие нерегулярного расположения
атомов. Поэтому теплопроводность таких материалов с повышением
температуры возрастает (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Характер изменения теплопроводности аморфного кварца
в зависимости от абсолютной температуры
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]