Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология теплоизоляционных и акустических материалов. Учебное пособие
.pdf
рах возрастает по гиперболическому закону. Поэтому, чем больше
различия в толщине межпоровых перегородок, тем значительнее недобор прочности материалом при прочих равных условиях.
На прочность поризованного материала оказывает влияние и
характер внутренней поверхности воздушных пор, т.е. припорового
слоя, толщина которого для минеральных систем составляет 15–
30 мкм, а для полимерных – от 1 до 10 мкм. Из-за отсутствия четких
критериев оценки состояния припорового слоя используют условную
градацию: рваная (рыхлая), гладкая (ровная) и глянцевая (высокоплотная) поверхность.
В зависимости от условий формирования ячеистой структуры
припоровый слой может быть более рыхлым, чем основной материал
межпоровой перегородки (рваная поверхность), равнопрочныи (гладкая поверхность) и более плотным и прочным (глянцевая поверхность). В последнем случае припоровый слой выполняет роль подкрепляющей зоны, аналогично густоармированной зоне в железобетонных арках и оболочках. Рыхлый же припоровый слой ослабляет сечение межпоровой перегородки. Экспериментально установлено, что
формирование глянцевого припорового слоя существенно повышает
прочность материала при прочих равных условиях и в тем большей
степени, чем выше пористость материала.
Необходимо также отметить, что деформация пор, т.е. отклонение от сферической формы, во всех случаях ведет к снижению
прочностных показателей ячеистых материалов. Однако деформация
мелких пор в правильные многогранники незначительно влияет на
прочность и применительно к теплоизоляционным материалам с позиций теплопроводности и прочности, т.е. с позиции комплексной оценки материала, правомерно говорить об оптимальной пористой структуре с такой характеристикой пористости.
Таким образом, для теплоизоляционных материалов опти-
мальной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор с глянцевой поверхностью
припорового слоя, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по
сечению межпоровыми перегородками. Для получения такой оптимальной ячеистой структуры необходимо оптимизировать следующие
ее характеристики.
61
Однородность распределения пористости в объеме материала. Этот параметр может быть оценен средним квадратичным откло-
нением (дисперсией) от среднего значения пористости σ{П} или коэффициентом вариации V
п
. Экспериментально установлено, что для
0
ячеистых теплоизоляционных бетонов σ{П} изменяется от 3 до 11 %,
причем с повышением пористости дисперсия, как правило, увеличивается.
Равномерность распределения пористости в поризованных
системах подчиняется статистическим законам. Известны также направленные закономерности распределения пористости в изделиях.
Например, пористость в горизонтальных сечениях возрастает от периферийных зон к центральной (сказывается «пристенный эффект»), в
вертикальных же сечениях рост пористости наблюдается снизу вверх
(сказывается давление верхне лежащих слоев).
Однородность распределения пористости зависит от однородности смеси и прежде всего от равномерности распределения порообразователя; однородности температурного поля и реологических характеристик по ее объему; величины «пристенного эффекта», тормозящего вспучивание массы; кинетики изменения пластично-вязких
свойств поризуемой массы; высоты формуемого изделия и других
технологических факторов. Учет и направленное регулирование всех
этих факторов позволяют существенно повысить однородность распределения пор в объеме материала. Значение σ{П} для эффективных
теплоизоляционных материалов не должно превышать 5 %.
Толщина межпоровых перегородок. Этот показатель объединяет три параметра: толщину перегородки в наиболее топкой ее части,
равномерность сечения перегородки по периметру поры (неоднородность сечения в пределах одной поры), неоднородность толщин перегородок в объеме поризованного материала.
Среднюю толщину межпоровой перегородки в материале с
ячеистой структурой определяют дисперсность исходных компонентов и способ поризации. Толщина перегородки зависит от пористости
плотности упаковки твердых частиц.
Равномерность сечения перегородки по периметру пор зависит
от характера упаковки пор в объеме материала, степени и вида деформации пор, полидисперсности распределения пор по размерам. Этот
параметр практически не поддается прямому регулированию. Однако
62
установлено, что с увеличением объема пористости равномерность
сечения перегородок повышается.
На неоднородность толщины перегородок в объеме материала
влияют в первую очередь равномерность распределения в поризуемой
смеси порообразователя и однородность температурного поля. Наименьшие колебания толщины перегородок характерны для пенопластов, наибольшие – для ячеистых бетонов. Оценивают неоднородность
толщины перегородок средним квадратичным отклонением толщины
перегородки от среднего значения толщины всех перегородок σ{δ}
или коэффициентом вариации этого параметра V
п
. Для теплоизоляци-
0
онного ячеистого бетона значение σ{δ} колеблется в пределах от 0,05
до 0,16 мм. Снижение значений этого показателя добиваются увеличением объема пористости, диаметра пор, уменьшением воды затворения (В/Т).
Реально достижимые толщины перегородок и неоднородность
толщин в объеме материала составляют для теплоизоляционных полимерных материалов с ячеистой структурой соответственно 0,006–
0,01 и (1–2)·10-3 мм, а для материалов из неорганического сырья –
0,09–0,12 и 0,04–0,07 мм.
Плотность межпоровых перегородок. Этот показатель определяется их пористостью, которая слагается из пористости, создаваемой водой затворения, и межзерновой пористости, характерной для
неорганических материалов зернистого строения. Первый из этих двух
факторов зависит от количества воды затворения (В/Т) или количества
разбавителя, а также от доли жидкой фазы, связываемой в процессе
твердения. Второй фактор определяется гранулометрическим составом
твердых компонентов, формой зерен, шероховатостью их поверхности, а также реологическими характеристиками смеси и интенсивностью уплотнения.
Повышение плотности перегородок достигается:
– для полимерных систем – уменьшением количества разбавителя, наиболее полной полимеризацией системы;
– минеральных систем гидратационного твердения – снижением В/Т, подбором оптимальной гранулометрии твердых компонентов,
интенсивным уплотнением и обжатием перегородок;
– минеральных систем, проходящих стадию пиропластического состояния, – оптимизацией тепловой обработки, обеспечивающей
63
наиболее полное омоноличивание зернистых составляющих жидким
расплавом.
С учетом сказанного возможно доведение плотности межпоровых перегородок почти до 100 % для полимерных систем и до 74–78 %
для минеральных материалов гидратационного твердения.
Форма пор. Этот параметр характеризует степень деформирования сферических пор в правильные многогранники. Повышение
объема ячеистой пористости системы, снижение поверхностного натяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация пористой
структуры путем отверждения приводят к увеличению объема пормногогранников. О степени деформирования пор можно судить по
объему ячеистой пористости: если значение Пя превышает 75–80 %, то
это указывает на переход сферических пор в многогранники. Чем выше объем ячеистой пористости, тем более правильной формы должны
быть многогранники.
Характер внутренней поверхности пор. Этот параметр отражает главным образом прочностные характеристики теплоизоляционных материалов. Необходимо стремиться к получению пор с плотной
гладкой внутренней поверхностью. Этому способствуют следующие
основные факторы: понижение поверхностного натяжения в период
поризации массы; применение динамических воздействий (вибрации);
быстрое закрепление образовавшейся пористой структуры, а также
недопущение слишком интенсивного порообразования.
Практика показывает, что поризация минеральных композиций
с помощью технической пены позволяет получать наиболее гладкую
внутреннюю поверхность пор.
Замкнутость ячеистой структуры. Для теплоизоляционных материалов и изделий идеальной является пористая структура с
замкнутыми ячейками. Однако в реальных материалах, выпускающихся промышленностью, характерно наличие дефектов ячеистой структуры, нарушающих замкнутость пор: «контактные дырки» и трещины
в перегородках, возникающие из-за несоответствия скорости газообразования и темпа нарастания предельного напряжения сдвига и пластической вязкости массы; вертикально направленные каналы со значительным разрыхлением структуры в приствольной зоне канала (результат интенсивного порообразования или прорыва массы газами);
поперечные и косые трещины в перегородках, образующиеся при
64
транспортировании поризованной массы в формах с недостаточной
жесткостью.
Наиболее трудноустранимый дефект – «контактные дырки».
Он характерен для материалов с ячеистой структурой, получаемых
методом газового вспучивания. Это связано с тем, что количество газообразователя при газообразовании в различных микрообъемах массы и порах неодинаковое, в результате чего в соседних порах возникает неравномерное давление. По мере роста перепада давления и
уменьшения толщины перегородок создаются условия для прорывов
стенки соседних пор и выравнивания давления. В результате образуется контактная дырка.
Трещины же возникают в массах, затвердевающих раньше
окончания процесса газообразования. Поэтому этот дефект легко устраним путем изменения условий твердения и газообразования.
Применение способа пенообразования исключает практически
полностью этот дефект ячеистой структуры, равно как и образование
вертикально направленных каналов.
Анализ показывает, что дефекты ячеистой структуры теплоизоляционных материалов в подавляющем большинстве можно ликвидировать оптимизацией технологии и добиться получения пористой
структуры ячеистого строения, близкой к идеальной. Для этого необходимо реализовать в промышленных условиях следующий комплекс
технологических мероприятий:
а) для минеральных систем гидратационного твердения: направленно регулировать реологические свойства и кинетику поризации массы, вводя поверхностно активные добавки и электролиты, изменяя температурный режим и применяя механические воздействия,
оптимизируя гранулометрию и дисперсность твердых компонентов;
снизить водотвердое отношение до значения, близкого к необходимому для гидратации вяжущего; создать условия для интенсивного уплотнения и обжатия твердой фазы материала;
– для минеральных систем, проходящих стадию пиропластического состояния: увеличить однородность распределения порообразователя в массе, оптимизировать его концентрацию в ней, а также дисперсность газообразователя; выбрать рациональные режимы тепловой
обработки для достижения соответствия кинетики изменения реологических свойств массы и газовыделения в ней, а также условий для
наиболее полного омоноличивания компонентов смеси и уменьшения
остаточных напряжений в поризованном материале.
65
5.2. Оптимизация волокнистой структуры
Пористость теплоизоляционных волокнистых материалов
складывается из межволокнистой пористости и пористости самих волокон. Подавляющее количество волокнистых теплоизоляционных
материалов производится из волокон, пористость которых практически равна нулю (минеральных, стеклянных, муллитокремнеземистых).
Поэтому применительно к ним оперируют понятием межволокнистой
пористости, называя ее волокнистой. Поры в материалах с волокнистой структурой имеют неопределенную форму и представляют собой
сообщающуюся систему воздушных полостей, в которой замкнутые
поры отсутствуют.
Теплопроводность таких материалов во многом зависит от
размера пор, определяющего вклад конвективного переноса теплоты.
Уменьшение размеров пор достигают простым приемом – снижением
диаметра волокон, ибо чем тоньше волокно, тем больше числоволокон
в единице объема материала (при постоянной массе твердой фазы) и,
следовательно, ниже конвективный теплоперенос. Кроме того, чем
тоньше волокно, тем меньше площадь контакта междуволокнами и
тем больше этих контактов, что повышает сопротивление материала
передаче теплоты. Поэтому для повышения теплоизоляционных
свойств волокнистых материалов необходимо стремиться к уменьшению диаметра волокон.
Однако, обеспечение необходимых строительно-эксплуатационных свойств волокнистых материалов такого типа ставит определенные ограничения этому фактору. Дело в том, что диаметр стекловидных волокон оказывает большое влияние на стабильность комплекса свойств волокнистых материалов.
С одной стороны, уменьшение диаметра волокон приводит к
повышению их прочности при разрыве. Это объясняется повышенной
дефектностью поверхности более толстых волокон и в связи с этим
большим проявлением эффекта Ребиндера, что предопределяет интенсивную потерю прочности толстыми волокнами во времени при их
увлажнении. Это положение хорошо иллюстрируют данные
Ю.А. Боброва, приведенные в табл. 5.3.
Установлено, что теплоизоляционные материалы, изготовленные
из более тонких волокон, обладают лучшими теплофизическими и
строительными свойствами, в том числе меньшей средней плотностью,
большей упругостью, более высокой прочностью при изгибе и др.
66
Таблица 5.3
Показатели
Значения показателей
при диаметре волокон, мкм
6–8
10–15
20–25
Прочность при разрыве, МПа·102
17–15
13–10
8–6
Снижение прочности, %, при
36-суточном выдерживании во-
локон в воздушной среде с относительной влажностью 95 %
4–6
12–14
28–30
Влияние диаметра минеральных волокон на их прочность
С другой стороны, существует некоторый предел, после которого уменьшение диаметра волокон негативно сказывается на эксплуатационных и теплофизических свойствах волокнистых материалов. Это объясняется и снижением жесткости и упругости очень тонких волокон, их слеживаемостью в процессе эксплуатации и, следовательно, ростом средней плотности и снижением пористости. Следовательно, диаметр волокон подлежит оптимизации в зависимости от вида волокна и условий службы изделий в конструкции.
Сечение волокон должно быть круглым, так как в этом случае,
во-первых, уменьшается масса твердой фазы в единице объема материала и, во-вторых, становится меньше площадь контактов между волокнами, что снижает теплопроводность через волокна. Волокна, применяющиеся для изготовления теплоизоляционных материалов, в подавляющем большинстве имеют круглое сечение или близкое к нему.
Вместе с тем существуют материалы, для изготовления которых применяют волокно эллиптического сечения и близкого к плоскому (некоторые виды огнеупорных волокон, древесная шерсть и т.д.).
По теплофизическим характеристикам оптимальна неровная
(рыхлая) поверхность волокон, т.к. при этом еще больше уменьшается
площадь контактов между волокнами. Особенно сильно это проявляется при высоких температурах. Однако рыхлый поверхностный слой
снижает прочность и упругость волокон. Кроме того, при изготовлении изделий на связующем такая поверхность требует большего расхода связки, что приводит к увеличению средней плотности, теплопроводности и, как правило, повышению стоимости изделий.
Нерационально использовать волокна с резким перепадом
толщины (с периодическим профилем). Такие волокна хотя и обеспе-
67
чивают повышение прочности волокнистого ковра за счет зацепления
волокон друг с другом, но вместе с тем вызывают преждевременное
разрушение волокон по «ослабленному» сечению и ухудшение всех
свойств материала.
Таким образом, оптимальной волокнистой структурой является
структура с минимальным содержанием твердой фазы в виде длинных
волокон малого диаметра, обеспечивающая упругость и неслеживаемость волокнистого каркаса при заданных нагрузках. Рациональная
длина волокон определяется технологией изделий, а диаметрпрочностными и упругими свойствами волокна. Волокна должны быть
круглого сечения с плотной гладкой поверхностью, без резкого перепада диаметра по всей их длине.
5.3. Оптимизация зернистой структуры
Пористость зернистых теплоизоляционных материалов и
изделий складывается из межзерновой Пмз и внутризерновой П
по-
вз
ристости:
Пз = П
. (5.9)
мз + Пвз
У эффективных теплоизоляционных материалов соотношение
между указанными видами пористости находится около 1 : 1. Внутризерновая пористость в большинстве случаев характеризуется ячеистой
структурой. Она может быть замкнутой (гранулы пенополистирола,
легкого вида керамзита) и открытой (перлит, вермикулит). Объем
внутризерновой пористости можно рассчитать, исходя из средней
плотности материала в куске:
ρср = (100 – Пнз) ρ/100, (5.10)
отсюда
Пвз = (1 – ρ/ρср) 100. (5.11)
В материалах с замкнутой пористостью поры распределены
неравномерно по объему зерна (гранулы). Наибольший объем пор и
наибольший их размер характерны для центральной зоны зерна, наименьшие – для наружной зоны.
Объем межзерновой пористости (пустотности) зависит от гранулометрического состава и формы зерен и не зависит от их размера.
68
Чем однороднее по размерам зерна, тем выше Пмз. Полифракционные
зернистые материалы характеризуются более плотной упаковкой и,
следовательно, большей насыпной плотностью. Непрерывная гранулометрия в меньшей степени снижает межзерновую пустотность, чем
прерывистая. Межзерновая пустотность – величина непостоянная и
зависит от характера уплотнения, которое может иметь различную
природу и осуществляться под действием внешней статической или
динамической нагрузки, гравитационного давления лежащих выше
слоев, электростатического притяжения, силы поверхностного натяжения. Для реальных грубодисперсных систем (размер зерен более
0,1 мм) два последних фактора малозначительны.
В процессе механического (подпрессовка) или динамического
(вибрация) воздействия зерна в теплоизоляционной засыпке смещаются в направлении более плотной упаковки. У малопрочных хрупких
зерен при этом сминаются или скалываются выступы, препятствующие уплотнению; у пластичных материалов (пенополистирольные гранулы) происходит деформация, способствующая плотной укладке. В результате подпрессовки или вибрационного уплотнения
межзерновая пустотность снижается с 45–50 до 25–32 % у перлитов,
до 33–37 % – у пенополистирола.
Влияние формы зерен на межзерновую пустотность однозначно оценить трудно. Принципиально наибольшую пустотность должны
образовывать зерна одинакового диаметра сферической формы. Однако в силу зацепления зерен при укладке и неровности их поверхности
пустотность засыпки из зерен неопределенной формы (перлит, вермикулит, пористый щебень) такая же, как в засыпках из шарообразных
зерен (керамзит, стеклопор и т.п.), или даже несколько больше, главным образом за счет сводообразования.
Максимальная межзерновая пустотность сферических тел одного диаметра в условиях плотной упаковки может достигать 48 %.
В реальных системах за счет нарушения плотной упаковки и фракционного состава зерен, а также некоторого отклонения их от сферической формы эта цифра может несколько увеличиваться и уменьшаться,
и колебаться в пределах 40–50 %. Для засыпок из щебня Пмз колеблется от 43 до 48 %.
Важнейшей характеристикой зернистой структуры, решающим
образом влияющей как на теплофизические, так и на прочностные
свойства, является размер зерен. Учитывая, что размер зерен не влияет
69
на объем межзерновой пористости, предпочтительно использовать материал из зерен малого размера. Во-первых, при малом размере зерен
существенно уменьшаются межзерновые поры (пустоты), в результате
чего затрудняется конвективный перенос теплоты. Во-вторых, уменьшаются площади контактов между зернами, вследствие чего увеличивается сопротивление теплопередаче. В-третьих, увеличивается число
контактов между зернами; из-за этого уменьшается разрушающее (пенетрирующее) действие каждого контакта – возрастает прочность системы на сжатие, а также повышается ее устойчивость (уменьшается
сжимаемость материала в условиях эксплуатации под нагрузкой).
Положение меняется при переходе от теплоизоляционных засыпок к изготовлению штучных изделий. В данном случае для придания прочности изделиям необходимо применить вяжущее, с помощью
которого создать омоноличенную по контактам между зернами структуру (способ контактного омоноличивания). При этом уменьшение
размеров зерен (рост их удельной поверхности) требует увеличения
расхода связующего и, следовательно, приводит к повышению средней плотности и теплопроводности материала. Поэтому в этом случае
рациональный зерновой состав подбирают экспериментально с учетом
реологических свойств связующего и поверхностных характеристик
заполнителя. Определяющими параметрами при этом служат средняя
плотность, прочность и теплопроводность изделия.
Понятие «оптимальная зернистая пористость» бывает различным в зависимости от способа ее создания и условий эксплуатации.
Следует различать два вида зернистой структуры: нестационарная
зернистая структура, характерная для засыпной теплоизоляции – в
этом случае контакт между зернами осуществляется только за счет
механического трения; стабильная зернистая структура, присущая
контактно-омоноличенному материалу, в которой контакт между зернами зафиксирован с помощью тонкой прослойки связующего.
5.4. Формирование оптимальной пористой структуры
акустических материалов и изделий
Так же как для теплоизоляционных материалов, вид пористой
структуры и характеристика пористости являются определяющими
показателями качества для акустических материалов.
Их функциональные и строительно-эксплуатационные свойства тесно связаны с видом скелетообразующего материала и соответст-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]