Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
Декоративно-акустические материалы, предназначенные одновременно и для отделки помещений, часто окрашивают. При этом существенно уменьшается открытая пористость и, как следствие, снижается звукопоглощение на высоких частотах.
Главную характеристику звукопоглощающих материалов и изделий – коэффициент звукопоглощения ɑ – определяют расчетным
путем по волновым параметрам материала и экспериментальными методами с помощью акустического интерферометра или в реверберационной камере. Такие определения и расчеты выполняют обычно в специализированных лабораториях.
Для первичной оценки звукопоглощающих свойств материала
пользуются акустическим интерферометром, определение коэффициента звукопоглощения которого основано на измерении разности
уровней звукового давления при максимуме и минимуме стоячей
волны, возникающей при наложении прямой и отраженной звуковых волн:
Δh = 20 lg
. (4.19)
Значения коэффициента звукопоглощения ɑ по Δh находят по
графику (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Зависимость коэффициента звукопоглощения (ɑ)
от соотношения уровня звукового давления при максимуме
и минимуме стоячей волны
51
Реверберационный способ определения коэффициента звукопоглощения материалов позволяет характеризовать звукопоглощение
материалов в условиях, весьма близких к реальным. Поэтому среднеарифметический реверберационный коэффициент звукопоглощения
принят в нормативных документах в качестве основной характеристики звукопоглощающих свойств материалов и применяется при акустических расчетах помещений. Его значение определяют в реверберационной камере.
Реверберационный способ основан на том, что при внесении в
помещение любого предмета или материала общее звукопоглощение в
этом помещении увеличивается. Определение ведут по изменению
скорости затухания звука. Время, в течение которого уровень звука в
помещении понизится на 60 дБ, называют временем стандартной реверберации. По соотношению времени реверберации до и после внесения определенного объема материала в камеру находят реверберационный коэффициент звукопоглощения исследуемого материала.
Звукоизоляционные свойства материалов тесно связаны с их упругими деформациями: способностью уплотняться и восстанавливать
первоначальные размеры при постоянной и переменной нагрузках.
Статический модуль упругости применяют для приблизительной оценки звукоизоляционных свойств материалов. Он характеризует
связь между напряжением σ и соответствующей ему деформацией ɛ,
позволяющей под действием силы, приложенной к испытуемому материалу. Эта связь описывается законом Гука:
σ = Еɛ,
следовательно:
Е = σ/ɛ, (4.20)
где Е – статический модуль упругости.
Динамический модуль упругости Ед дает более точную характеристику и поэтому принят в нормативных документах за основной
показатель звукоизоляционных свойств материалов. Дело в том, что
деформации в материалах зависят от множества факторов. Так, для
упруговязких тел зависимость между σ и ɛ имеет вид
Ест = σ/(ɛ0+ ɛпд+ɛп), (4.21)
где ɛ0 – чисто упругая деформация; ɛ
– деформация упругого после-
пд
действия; ɛп – необратимая деформация (ползучесть). Из этой форму-
52
лы следует, что на значение Ест влияет момент измерения, следовательно, Е
– величина переменная.
ст
Установлено, что статический модуль упругости звукоизоляционных материалов, полученный в момент стабилизации осадки материала, может отличаться от начального модуля упругости в 3–5 раз.
При измерении статического модуля упругости значительное
влияние на деформацию оказывают значения напряжений, средняя
плотность, толщина материала, время действия нагрузки.
При действии на упруговязкий материал, к которому относят
все звукоизоляционные материалы, деформация периодически действующей силы (звуковых волн) не успевает следовать за возмущением
вследствие упругого последствия. Модуль упругости, найденный в
момент действия нагрузки (ɛ0 ≠ ɛст)‚ называют мгновенным, или динамическим Ед. Он наиболее точно отражает деформативные процессы,
происходящие в материале под воздействием звуковых волн.
Звукоизоляционные материалы в конструкции могут находиться в свободном состоянии (в стенах, перегородках) и в нагруженном
(прокладки под полы, в стыках и т.п.). От этого существенно зависят
значения динамического модуля упругости Ед (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Зависимость динамического модуля упругости волокнистых
плит от средней плотности и статической нагрузки:
1 – 2 кПа; 2 – 4кПа
Динамический модуль упругости звукоизоляционных материалов в зависимости от их вида не должен превышать 5 МПа при удельной нагрузке 0,002 МПа для штучных изделий и 15 МПа для зернистых засыпок.
53
Относительная деформация сжатия. Звукоизоляционные
свойства прокладочных материалов приближенно можно оценивать по
относительной сжимаемости материалов под нагрузкой без учета поперечного расширения, т.е. по линейной деформации материала:
ɛ = (l1 – l2)/l1· 100 = Δl/l1 ·100. (4.22)
У эффективных звукоизоляционных материалов основная доля
деформации отмечается при нагрузке до 0,002 МПа.
Таким образом, функциональные свойства звукопоглощающих
материалов оценивают коэффициентом звукопоглощения, а звукоизоляционных материалов – их плотностью для случая изоляции помещений от наружных шумов, распространяющихся в воздушной среде
(чем плотнее материал, тем выше его отражающая способность и тем
эффективнее защита от воздушного шума), и динамическим модулем
упругости в случае изоляции ударных и структурных шумов (чем ниже значения этого показателя, тем эффективнее звукоизоляционный
материал).
Строительно-эксплуатационные свойства акустических материалов в основном оценивают по тем же показателям, которые при-
меняют для оценки строительно-эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов: по механической прочности; деформации при
колебаниях температуры и влажности; стойкости при воздействии
влаги, высокой температуры, огня, микроорганизмов и т.д. Поэтому в
данном разделе эти свойства не рассматриваются. Однако необходимо
подчеркнуть‚ что подавляющее большинство как акустических, так и
теплоизоляционных материалов для обеспечения стабильности функциональных свойств требует надежной защиты от увлажнения.
54
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ОПТИМАЛЬНОЙ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В предыдущей главе было показано превалирующее влияние
вида, характера пористости и ее общего объема на функциональные и
строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляционных и акустических материалов.
При получении теплоизоляционного материала всегда стремятся увеличить общий объем пористости и при этом создать мелкопористую структуру с равномерным распределением пор в объеме материала. На практике существует достаточно большое количество
приемов, позволяющих в той или иной степени направленно регулировать как объем, так и характер структуры пористости. Однако, необходимо знать пределы, к которым следует стремиться и которые обеспечивают заданные функциональные и прочностные свойства материалов.
Решающее влияние на максимально достижимый объем пористости оказывает вид пористой структуры, а на характеристику пористой структуры влияют объем пористости, технологические параметры
и способы производства материала. Любое производство, в том числе
и рассматриваемых материалов, нельзя оценить только по показателям
свойств готовой продукции. В оценку обязательно входят техникоэкономические показатели, главнейшими из которых являются: материалоемкость, трудоемкость, энергоемкость единицы продукции‚ из
которых в основном складывается ее себестоимость.
Рассмотрим теоретические принципы формирования трех основных видов пористой структуры: ячеистой, волокнистой и
зернистой.
5.1. Формирование оптимальной ячеистой структуры
теплоизоляционных материалов и изделий
Общая пористость материала с ячеистой структурой образует-
ся из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости). На долю ячеистой пористости
приходится примерно 90 % от общего ее объема. Рассмотрим, каков
55
же максимальный общий объем ячеистой пористости возможен в реальных материалах.
Объем ячеистой пористости определяется пространственным
расположением пор (их упаковкой), распределением пор по размерам,
максимальным и средним размером пор, их формой, толщиной межпоровых перегородок. Наибольшие значения пористости при сферической форме пор достигаются в условиях геометрически правильной их
укладки (упаковки), к которой относятся кубическая и гексагональная.
Известно, что при плотных кубических или гексагональных упаковках
шаров (сферических пор) любого одинакового диаметра в условиях их
соприкосновения предельный объем ячеистой пористости составит:
П
= [(ПD/6)/D3] 100 = 52,4, (5.1)
куб
П
= [(ПD
гекс
3
/6)/(22
3
/2)] 100 = 74,05. (5.2)
В этом случае минимальная средняя плотность полимерных материалов составит 330 кг/м3‚ а минеральных – 735 кг/м3, т.е. она значительно выше допустимой для теплоизоляционных и акустических изделий.
Но при ячеистой структуре и условиях соприкосновения пор, т.е. при
отсутствии межпоровых перегородок, существование материала невозможно. С учетом этого формулы (5.1) и (5.2) преобразовываются и
принимают вид:
П
= 0,524 [(D/D + δ)]3 100, (5.3)
куб
П
= 0,74 [D/D+ δ)]3 100, (5.4)
гекс
где δ – толщина межпоровой перегородки в ее наиболее тонком сечении.
Таким образом, наличие перегородок, а также отклонение от
идеальной гексагональной схемы упаковки пор (искажение укладки) в
реальных материалах существенно уменьшают значения ячеистой пористости. Увеличение диаметра пор приводит к некоторому повышению объема пористости за счет уменьшения числа межпоровых перегородок и наоборот. Однако в крупных порах заметно возрастает конвективный теплообмен и теплопроводность такого материала, несмотря на возрастание объема газовой фазы, не снижается. Кроме того, его
прочностные характеристики падают.
56
Принципиально возможно увеличение объема пористости пу-
Вид
упа-
ковки
Вид решетки
Максимальные значения
пористости
Минимальные значения
средней плотности, кг/м3,
при наличии перегородок,
выполненных
при сопри-
касающихся
порах
при наличии пере-
городок
из полимерно-
го материала
из неоргани-
ческого ма-
териала
Куби-
ческая
Одномерная
52,4
47,5
49,3
570
1290
Четырехмерная
80,9
73,7
76,1
260
600
Гексаго-
нальная
Одномерная
74,05
67,3
69,6
330
735
Четырехмерная
81,2
73,8
76,3
250
590
тем изменения характера пористой ячеистой структуры и межпоровых
перегородок. Для этого необходимо иметь в материале поры различных размеров. Полидисперсный характер распределения пор по размерам при определенных условиях обеспечивает высокую вероятность
равномерного размещения пор меньших размеров между порами
больших диаметров. В этом случае для материалов с последовательно
убывающим размером пор от D до d при определенном отношении d/D
и количественном соотношении пор всех размеров решетки постепенно переходят из одномерных (кубических или гексагональных) в бинарные, тройные, четырехмерные n-мерные. При этом предел пористости возрастает.
При условии равномерного распределения пор всех диаметров:
(2 – 1)D; (6/2 – 1)D и (2 3/3 – 1)D
и при их количественном соотношении 1:1:1:1 – может быть достигнут
наибольший объем пористости. Дальнейшее уменьшение d/D, т.е. переход к n-мерной решетке, дает ничтожно малый прирост пористости.
В табл. 5.1 приведены значения ячеистой пористости в зависи-
мости от ее структуры.
Таблица 5.1
Предельные значения ячеистой пористости и средней плотности
материалов при сферической недеформированной пористости*
*Примечание. Над чертой приведены данные для материалов на минераль-
ном вяжущем, под чертой – на полимерных.
57
Таким образом, в случае идеального распределения пор в че-
тырехмерной гексагональной решетке достигается предел объема
ячеистой пористости:
Пя = 812 [D/(D + δ)]3 100. (5.5)
Повышенная пористость полимерных материалов, равно как и
их пониженная средняя плотность, объясняется возможностью создания более тонких межпоровых перегородок, а также меньшей плотностью полимерного материала
В реальных материалах реализация строгого распределения
пор по размерам невозможна. Обычно содержатся поры с размерами
от d до D, а их количественное соотношение строго не выдерживается
и зависит от множества факторов, главным образом технологического
характера. Поэтому реальные материалы только за счет полидисперсности макропор не могут иметь величину ячеистой пористости, характеризующуюся предельными значениями.
Однако промышленность производит высокопористые мате-
риалы ячеистой структуры, как полимерные (пенопласты)‚ так и неорганические (газобетон, пеностекло), которые характеризуются значительно меньшей средней плотностью и, следовательно, большей пористостью, чем значения этих показателей, представленные в табл. 5.1.
Это обстоятельство можно объяснить с позиций деформации пор, т.е.
изменением их формы. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Если бы поры одинакового размера были идеально деформи-
рованы в форму правильных многогранников, то при сотовом
строении
П = [D/(D + δ)]3 100, (5.6)
т.е. объем пористости определялся бы толщиной перегородки. В этом
случае толщина межпоровой перегородки зависит от размера частиц
твердой фазы и плотности упаковки этих частиц.
Например, наименьший размер частиц характерен для поли-
мерных композиций, промежуточный – для глиняных и наибольший –
для цементно-песчаных материалов. При этом необходимо отметить,
что в реальных материалах образование перегородки толщиной в одно
зерно маловероятно, а если такая перегородка и образуется, то прочность и устойчивость ее минимальны.
Следовательно, для создания тонких и прочных перегородок,
т.е. для снижения плотности материала с сотовой структурой, есть
58
лишь один путь – уменьшение размера зерен вяжущего и заполнителя.
Цемент
Песок
Сочетание
зерен
Толщина
перегородок,
мкм
Sуд,
см2/г
d, мкм
Sуд, см2/г
d, мкм
3500
20
2000
50
ЦПЦ
ЦПЦПЦ
90
160
3500
20
3000
30
ЦПЦ
ЦПЦПЦ
70
120
3500
20
4000
15
ЦПЦ
ЦПЦПЦ
55
90
Например, для ячеистых бетонов, если предположить, что в межпоровых перегородках зерна песка окружены зернами цемента, то минимально возможная толщина перегородок может достигать значений,
приведенных в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Минимально достигаемые значения толщины межпоровых
перегородок в ячеистом бетоне в условиях плотной упаковки
В реальных материалах толщина перегородок значительно
вышеприведенной в табл. 5.2, так как не достигается плотная упаковка
зернистых частиц вследствие их угловатости и шероховатости. Этому
же препятствует наличие воды затворения в составе смеси. В результате в перегородках формируется разветвленная сеть микропористости, состоящей из капилляров и гелевых опор. Объем капиллярной
пористости определяют по формуле
П
= 0,001 (В – WiɑЦ), (5.7)
кап
где В и Ц – соответственно расход воды и цемента; Wi – количество воды, связанное цементным гелем химически и физико-химически;
ɑ – степень гидратации, составляющая для автоклавного ячеистого
бетона в среднем 0,65.
Гелевую пористость рассчитывают по формуле
П
= 0,001jɑЦ, (5.8)
гел
где j – объем адсорбционно связываемой гелем воды, равны
примерно 0,2.
59
В теплоизоляционных ячеистых бетонах объем капиллярной
пористости составляет 5–12 %‚ гелевой – 1,5–2‚5 %. Чем выше средняя
плотность бетона, т.е. чем толще перегородки или чем их больше, тем
больше воды, выше П
кап
и П
гел
.
Несмотря на то, что капиллярные и гелевые поры увеличивают
на 7–15 % общую пористость материала, негативное влияние этих пор
на функциональные и строительно-эксплуатационные свойства ячеистого материала весьма велико. В основном они определяют гигроскопичность материала, существенно влияют на прочность и коэффициент конструктивного качества. С ростом объема этих пор увеличиваются водопоглощение и равновесная влажность материала, при
этом возрастает его теплопроводность и снижается прочность. Таким образом, снижение капиллярной пористости является существенным резервом повышения качества материалов с ячеистой пористой
структурой.
Сравнивая формулы (5.5) и (5.6), можно заметить, что сотообразное строение пористости позволяет существенно, примерно на
19 %, увеличить ячеистую пористость. Однако создать такую пористую структуру и реальные материалы, исключая сотопласты, нереально. Тем не менее на практике получают ячеистые бетоны с общей пористостью до 92 %, при этом их средняя плотность составляет
200 кг/м3. Это можно объяснить применением высокодисперсного сырья, некоторым увеличением средней крупности пор, их частичной
самопроизвольной деформацией в многограннике, наличием значительного объема сообщающихся пор и, конечно же, учетом микропористости, имеющейся в твердой фазе.
При получении таких особо легких ячеистых бетонов идут на
снижение их прочности, но выигрывают в материало- и энергоемкости
при их производстве, в теплопроводности в случае применения таких
материалов в строительной теплоизоляции, т.е. при обычных температурах, или в повышении звукопоглощения при использовании их в
качестве акустических покрытий.
Межпоровые перегородки в материале с ячейистой структурой
должны быть не только тонкими, но и близкими между собой по толщине. Различие межпоровых перегородок по толщине существенно
снижает прочность материала. Разрушение наиболее тонких(слабых)
перегородок влечет за собой перераспределение нагрузок на оставшиеся более прочные перегородки. Эта нагрузка в ячеистых структу-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]