Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
Средняя плотность материалов в сухом состоянии прямо про-
Материалы
Средняя плот-
ность, кг/м3
Прочность, МПа
при
сжатии
при
изгибе
Ячеистый бетон
350
0,6 – Пеностекло
200
1,0
0,7
Минераловатные плиты на
синтетическом связующем
200
–
0,1
Асбестосодержащие
350
–
0,17–0,3
Перлитобитумные
300
–
0,15
Перлитоцементные
300
0,8
0,25
Керамические
400
0,8
–
Древесно-волокнистые плиты
300
–
0,12
Фибролит
400
–
0,7
Пенопласты
25
0,07
0,1
порциональна объему пористости, и с ее помощью приближенно оценивают теплопроводность. При прочих равных условиях по средней
плотности можно судить и о прочности теплоизоляционных материалов, конечно, в сугубо приближенном виде.
Физико-механические свойства характеризуют прочность и
деформативность теплоизоляционных материалов, т.е. общестроительные качества.
К прочностным показателям относят прочности при сжатии
Rсж, изгибе Rи и растяжении Rр. Как правило, значение этих показате-
лей не велико и зависит от многих факторов: вида пористой структуры, прочностных показателей, формы и пространственного расположения каркасообразующих элементов структуры. Вид пористой структуры в значительной мере предопределяет способность материала
воспринимать тот или иной вид нагружения.
В связи с этим стандарты регламентируют проведение испытаний теплоизоляционных материалов на один или несколько показателей прочности. Так, материалы с волокнистой структурой испытывают
на изгиб и реже на растяжение, с зернистой и ячеистой структурами –
на сжатие и реже на изгиб.
Прочностные показатели наиболее распространенных теплоизоляционных материалов приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Прочностные показатели распространенных
теплоизоляционных материалов
41
К физико-механическим свойствам следует отнести сжимаемость материала Ссж. Этот показатель характеризует уплотняемость
материала, под действием сжимающих сил. Его используют для определения жесткости теплоизоляционных материалов. Сжимаемость является характерным показателем для теплоизоляционных материалов
с волокнистой пористой структурой.
Отношение теплоизоляционных материалов к действию воды.
Наличие воды в теплоизоляционных материалах всегда ухудшает их
функциональные и строительно-эксплуатационные свойства.
У влажных материалов резко повышаются теплопроводность и теплоемкость, у большинства из них снижаются физико-механические показатели. Поэтому снижение влажности является важным фактором
улучшения всех свойств теплоизоляции. Отношение теплоизоляционных материалов к действию воды, как и всех строительных материалов, оценивается несколькими показателями.
Влажность характеризуется отношением массы (объема)
влаги, содержащейся в объеме материала, к его массе в сухом
состоянии (влажность по массе) или к его объему (объемная
влажность).
Показатель влажности по массе (Wв) существенно зависит от
средней плотности материала, с ее уменьшением Wв растет и для теплоизоляционных материалов может достигать значений намного
больше 100 %. Поэтому удобнее пользоваться объемной влажностью
1 Wоб, дающей наглядное представление о степени увлажненности ма-
териала.
Для перехода от влажности по объему к влажности по массе,
пользуются зависимостью
Wв = 100Wоб/ρср. (4.11)
Увлажнение материалов происходит при контакте с водой
или воздухом. Свойства материала поглощать (сорбировать) влагу
из окружающего воздуха называют гигроскопичностью, а достигаемое при этом увлажнение – сорбционной или равновесной влажностью.
Гигроскопичность зависит от природы материалов, характера
пористой структуры, величины поверхности пор, а также от относительной влажности воздуха. При прочих равных условиях гигроскопичность выше у тех теплоизоляционных материалов, в структуре ко-
42
торых больше мелких капилляров, так как в них выше капиллярная конденсация паров воды. Снижение гигроскопичности
теплоизоляционных материалов достигают путем их объемной
гидрофобизации, уменьшения содержания микропор, защиты поверхности изделий обкладочными материалами или затирочными
растворами.
Свойство материала увлажняться при соприкосновении одной
из поверхностей с водой называют капиллярным подсосом (насыщением). Величина капиллярного подсоса главным образом зависит
от пористой структуры материала и смачиваемости его водой.
Чем больше капиллярных пор, тем выше при прочих равных условиях
этот показатель. Крупные поры в процессе капиллярного подсоса не
участвуют.
Способность материала впитывать и удерживать воду характеризует его водопоглощение. Водопоглощение имеет место при погружении материала и воду. По объему оно всегда меньше объема пористости теплоизоляционного материала, и по массе – часто превышает
100 %. Водопоглощение зависит от вида и характера пористой структуры и смачиваемости твердой фазы водой. Например, водопоглощение по объему и массе ячеистых материалов с закрытой пористостью
(пеностекло) составляет соответственно 2–15 и 80–120 %, с сообщающейся пористостью (перлит) – 30–40 и 350–400 %; для материалов с
волокнистой структурой водопоглощающая способность равна 80–85
и 400–650 %.
Коэффициент размягчения К
характеризует влияние влаги-
разм
на строительные свойства материалов и прежде всего на их прочность:
К
разм
= R
нас/Rсух
. (4.12)
Однако этот показатель непригоден для многих теплоизоляционных материалов, так как насыщение водой приводит к необратимым
изменениям их структуры. Например, минераловатные изделия при
этом уплотняются и резко снижают теплоизоляционные свойства, древесно-волокнистые плиты набухают и теряют форму. Поэтому их отношение к действию воды оценивают комплексно.
Морозостойкость характеризует способность материалов в
насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Этот показатель оце-
43
нивается числом циклов, которое для различных теплоизоляционных
материалов устанавливается соответствующими нормативными документами.
Отношение теплоизоляционных материалов к действию
высоких температур. Группа показателей, характеризующих поведе-
ние теплоизоляционных материалов при воздействии на них высоких
температур, позволяет оценить эффективность применения их в тех
или иных условиях службы.
Термическая стойкость – способность материалов выдерживать резкое многократное нагревание и охлаждение. Количественно
измеряется числом циклов и характеризует продолжительность службы материалов в периодически действующих тепловых агрегатах.
Этот важный показатель у теплоизоляционных материалов зависит
главным образом от вида их пористой структуры. В связи с тем, что
теплопроводность их значительно меньше, чем плотных материалов,
разница температур на горячей и холодной сторонах равновеликих
изделий будет значительно больше. Следовательно, и величина температурных напряжений, определяемая расширением материала при нагревании и уменьшением объема при охлаждении, будет намного выше. Если же учесть, что высокопористое строение теплоизоляционных
материалов предопределяет невысокую прочность, то становится ясным, что у большинства теплоизоляционных материалов термическая
стойкость невысока.
Особенно низка она у материалов с жестким ячеистым каркасом, например, получаемых пеновым способом. Наличие в структуре
дефектов (микротрещин) способствует частичной релаксации температурных напряжений и, как следствие, повышению термической
стойкости материалов. Такое строение характерно для керамических
теплоизоляционных материалов, получаемых способом выгорающих
добавок. Наиболее высокой термической стойкостью обладают материалы, в которых элементы твердой фазы, составляющие пористый
каркас, имеют возможность свободно деформироваться при нагревании и охлаждении. Это прежде всего материалы на основе огнеупорных волокон. Их термическая стойкость в десятки, а иногда в сотни
раз превышает тот же показатель материалов с ячеистой структурой и
гораздо выше термостойкости плотных материалов. Для повышения
термостойкости стремятся применять материалы с меньшими значе-
44
ниями коэффициента линейного температурного расширения (ТЛКР),
который зависит от природы применяемого сырья.
Огнеупорность – свойство материала противостоять, не де-
формируясь и не расплавляясь, длительному воздействию высоких
температур. Огнеупорность зависит только от вещественного состава
материала, т.е. от огнеупорности минералов, составляющих этот материал, и их соотношения в нем. Огнеупорность является важным признаком для определения предельной температуры применения теплоизоляционного материала.
Температура начала деформации под нагрузкой – показатель,
определяющий предельную температуру применения материала. Она
соответствует температуре 4 % деформации материала под удельной
нагрузкой, которая для теплоизоляционных материалов принимается,
как правило, в соответствии с их средней плотностью. Температура
начала деформации под нагрузкой всегда ниже огнеупорности и с повышением пористости снижается.
Горючесть – способность материала выдерживать без разру-
шения действие высоких температур и открытого пламени. Горючесть
характеризуется степенью возгораемости строительных материалов.
По степени возгораемости все строительные материалы, в том числе и
теплоизоляционные, делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.
К несгораемым материалам относят все неорганические теплоизоляционные материалы. Материалы из органического сырья относят
к группе сгораемых. Негорючесть материалов повышают введением в
их состав минеральных компонентов, пропиткой антипиренами, покрытием огнезащитными составами. Модифицированные таким
образом материалы и изделия относят к группе трудносгораемых материалов.
4.3. Функциональные и строительно-эксплуатационные свойства
акустических материалов и изделий
Функциональные свойства акустических материалов опреде-
ляются их назначением и областью применения.
Звукопоглощающие материалы предназначены для гашения
воздушных шумов и регулирования акустических характеристик помещений, поэтому они должны обладать хорошим звукопоглощением,
45
которое характеризуется среднеарифметическим реверберационным
коэффициентом звукопоглощения ɑ, называемым часто просто коэффициентом звукопоглощения.
При падении звуковой волны на ограждающую поверхность,
часть звуковой энергии отражается и часть поглощается материалом. Коэффициент звукопоглощения представляет собой отношение, характеризующее количество поглощенной энергии Е
дающей Е
пад
:
погл
к па-
ɑ = (Епад – Еотр)/Епад = Епогл/Епад, (4.13)
где Е
– энергия отраженной звуковой волны.
отр
На величину ɑ оказывают влияние уровень и характеристика звука (шума), свойство звукопоглощающего материала и в
первую очередь характер и объем пористости этого материала, конструктивные особенности устройства звукопоглощающей облицовки
ограждения.
Решающее влияние на звукопоглощение оказывает частота звуковой волны, т. е. один и тот же материал может хорошо поглощать высокочастотный звук и плохо низкочастотный. Поэтому ɑ определяют для каждого материала при нескольких значениях частот.
Весьма существенное влияние на ɑ оказывают общий объем и характер пористости.
Наилучшие условия для поглощения звука создаются в
материалах с сообщающейся пористостью. Для уменьшения количества отраженной энергии пористость звукопоглощающего материала
должна быть открытой. С возрастанием частоты звука ɑ одного и
того же материала возрастает. При этом в диапазоне высоких частот
его значения несколько снижаются. Наименьшим значением ɑ
звукопоглощающие материалы характеризуются в диапазоне низких
частот (ниже 250 Гц). Низкочастотные волны в материал почти не
проникают.
На рис. 4.5 приведено влияние на ɑ общей пористости и частоты звуковых волн в низко- и среднечастотном диапазонах.
Выявлено, что высокочастотные волны лучше проникают в поры малых размеров без значительного отражения.
В табл. 4.4 приведены значения коэффициента звукопоглощения наиболее распространенных акустических материалов.
46
Материал
Значения λ на частотах, Гц
125
500
1000
2000
4000
Плиты минераловатные
0,05
0,66
0,91
0,96
0,89
Плиты ячеистобетонные
0,08
0,36
0,62
0,77
0,76
Акустический фибролит
0,06
0,25
0,38
0,58
0,63
Рис. 4.5. Влияние частоты звуковых волн на коэффициент
звукопоглощения волокнистых материалов с различной
пористостью: 1 – 95 %; 2 – 50 %; 3 – 25 %; 4 – 15 %.
Таблица 4.4
Значения ɑ некоторых акустических материалов
Материалы, значения ɑ которых более 0,4 при частоте 1000 Гц,
относят обычно к эффективным.
Выше было отмечено, что высокочастотные волны хорошо поглощаются порами малых размеров. Макропоры фибролита нельзя
отнести к таковым. Однако малые поры в большом количестве имеются в древесной шерсти, из которой фибролит изготовляют. Этим и
можно объяснить достаточно высокие значения ɑ при высоких частотах. Отсюда следует, что для эффективного гашения высокочастотного звука надо не только создавать мелкопористую структуру в акустическом материале, но и применять для его изготовления сырьевые материалы, характеризующиеся большим объемом естественных пор малых размеров.
47
Эффективность звукопоглощающих материалов часто оценивают по косвенным показателям, которыми являются структурный
ϰ-фактор и сопротивление материала продуванию постоянным потоком воздуха r при постоянном давлении.
Структурный фактор зависит от объема, вида и расположения пор. Для высокопористых материалов ϰ всегда больше единицы.
Близкими к единице значениями ϰ характеризуются волокнистые материалы (минеральная и стеклянная вата, мягкие изделия из них и др.).
Значения структурного фактора, близкие к 4, характерны для твердых
акустических материалов средней плотности (ячеистые бетоны, акустические штукатурки, пеногипс и др.). Повышение значений ϰ связано с увеличением плотности акустических материалов и понижением
их звукопоглощающих свойств.
Сопротивление продуваниюr также зависит от объема, вида и
размера пор, а главное-от соотношения объемов открытой и закрытой
пористости. Сопротивление продуванию обычно определяют в стационарных условиях при постоянном потоке воздуха Q и постоянной
разности давлений Δр. Удельное сопротивление продуванию находят
по формуле
r = ΔpF/Qδ, (4.14)
где δ и F – соответственно толщина и площадь образца.
Сопротивление продуванию достаточно хорошо характеризует
звукопоглощение материала. При значениях r, близких к волновому
сопротивлению воздуха [r = (1…2)ρ0С0]‚ звукопоглощающий материал
при достаточной толщине хорошо поглощает звуковые волны низких
и средних частот. Хорошее поглощение высокочастотного звука обеспечивается при некотором повышении плотности материала.
Значения структурного фактора ϰ, пористости П и сопротивления продуванию используют для определения толщины звукопоглощающего материала, так как она существенно влияет на частотную
характеристику звукопоглощения.
Для этого пользуются следующими установленными зависимостями:
h = 800/
(4.15)
или
h = 120
/(rП), (4.16)
где – среднее значение частоты звуковых волн.
48
Весьма большое влияние на эффективность звукопоглощения
оказывает расположение звукопоглощающего материала относительно
жесткой поверхности, перед которой его устанавливают.
Возможны два варианта установки звукопоглотителя: с относом и без относа от жесткой стенки. Принципиальное отличие
этих двух вариантов заключается в том, что при отсутствии
относа гашение звука происходит лишь в толще материала. Так как
звукопоглощающие материалы имеют обычно толщину несколько
сантиметров, то в этих условиях гасятся лишь высокочастотные звуковые волны.
При монтаже звукопоглотителя с относом звуковая волна проходит последовательно его толщу, затем воздушный зазор, который
играет роль упругой прокладки, отражается от жесткой поверхности
ограждения и вторично попадает в материал. При такой схеме гашения
звука большая часть звуковой энергии гасится, даже если толщина
звукопоглощающего материала незначительна. Наиболее эффективные звукопоглощающие материалы толщиной 2 см при монтаже с относом 20 см практически полностью поглощают звуковую энергию
падающих волн.
Расположение звукопоглощающего материала с относом не
только увеличивает гашение звука, но и качественно изменяет частотную кривую звукопоглощения (рис. 4.6).
Независимо от вида материала увеличение относа сдвигает
эффект звукопоглощения в область низких частот, т.е. в область наиболее трудногасящихся звуковых волн.
Для определения резонансной частоты звукопоглощающей
конструкции установлена следующая зависимость:
ƒ0=
2
, (4.17)
2
1
где ρС/δ – упругое сопротивление воздушного промежутка на единицу
поверхности при толщине δ, см; m – масса звукопоглощающей конструкции на единицу поверхности, кг/м2.
При подстановке значений Си ρ для воздуха формула примет
вид
ƒ = 600/
. (4.18)
49
Рис. 4.6. Влияние схемы монтажа звукопоглощающих материалов
на частотную кривую звукопоглощения. Монтаж плит:
а – без относа; б – с относом 50 мм; в – с относом 200 мм
Пользуясь этой зависимостью, можно определить рациональную массу 1 м2 звукопоглощающего материала при различных значениях относа. Расчеты и практика показывают, что увеличение массы
конструкции ведет к снижению резонансной частоты. Такое же явление наблюдается и при увеличении воздушного относа.
Характер фактурной поверхности звукопоглощающих материалов оказывает существенное влияние на звукопоглощение. Для
лучшего проникновения звуковых волн в материал на его лицевой поверхности делают круглую или шелевую перфорацию, борозды,
трещины.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]