6.2 Теплоизоляционные материалы

Материалы, имеющие низкую теплопроводность, называются теплоизоляционными. Самая низкая теплопроводность у замкнутого воздуха или у материалов, имеющих много закрытых воздушных пор, поэтому у них низкая плотность и низкая теплопроводность. К теплоизоляционным относятся материалы с плотностью менее 500 кг/м³.

Как можно сделать материалы низкой плотности? Есть в технологии производства строительных материалов способы, позволяющие из плотных каменных материалов делать пористые лёгкие структуры. Изготавливают теплоизоляционные структуры, насыщая материал воздухом. Воздух может попасть в структуру только тогда, когда смесь находится в вязко-пластичном состоянии. Есть несколько способов поризации структуры: газо- и пенообразование, воздухововлечение, способ высокого водозатворения и с помощью выгорающих добавок. Есть горные породы, содержащие воду в кристаллической решётке, которые при нагревании вспучиваются, их используют в качестве лёгкого заполнителя в лёгкие бетоны (керамзит, перлит).

Легкие бетоны имеют широкий диапазон по плотности от 250 до 1800 кг/м³, но в качестве теплоизоляционных могут рассматриваться не только бетоны, поэтому марки у теплоизоляционных материалов обозначают по плотности: Д 15, Д 25, Д 50, Д125, Д150, Д 175, Д 200, Д 250, Д 300, Д 350, Д 400, Д 500, Д 600.

С помощью технической пены, вводимой в смесь с водой затворения, получают цементные пенобетоны и силикатные ячеистые бетоны. Плотность пенобетонов в зависимости от состава может быть от 100 до 500 кг/м³, прочность– от 2 до 35 кг/см², коэффициент теплопроводности – λ = 0,04-0,25 Вт/м °С.

Когда цементную смесь поризуют с помощью газообразователей, получают более мелкопористую структуру, и более прочную – даже с крупным лёгким заполнителем. В качестве газообразователя чаще всего берут порошок алюминия, добавляют ПАВ и вводят с водой затворения в бетонную смесь. С началом гидратации цемента в растворной смеси появляется Са(ОН)₂, который вступает в реакцию с алюминиевой пудрой, выделяя водород. Выделяющийся газ по всему объёму смеси поризуют её, увеличивает в объёме, заполняет все неплотности так, что даже можно срезать появившуюся «горбушку» смеси. Плотность бетонной смеси в этом случае снижается. Получают газобетоны плотностью от 250 до 1200 кг/м³ с прочностью от 2 до 150 кг/см² с коэффициентом теплопроводности от 0,05 до 0,4 Вт/м°С. Из газобетонов формуют ограждающие конструкции как самонесущие, так и несущие.

В последние годы в качестве ограждающих все шире используют слоистые конструкции (двух-трёхслойные), когда несущие функции выполняет более прочный и плотный материал, а теплоизолятором служит другой слой из более лёгкого материала. В качестве обшивок применяют: тонколистовой металл, стеклопластик, асбестоцементные листы, фанеру, а также ДСП и ДВП. В качестве утеплителя, расположенного между обшивками, берут пористые пластмассы, минеральное и синтетическое волокно, сотопласты и др.

Способ высокого водозатворения используют при изготовлении формовочных масс из природных пористых или волокнистых пород. Эти материалы химически с водой не соединяются. После перемешивания и формования вода испаряется. Изделия сушат, обжигают или запаривают с вяжущими в автоклаве и получают пористую структуру с низкой плотностью. Так изготавливают изделия из диатомитов, трепелов, опоки, асбеста. Их получают плотностью от 300 до 700 кг/м³, прочностью от 6 до 10 кг/см², коэффициентом теплопроводности λ = 0,07-0,2 Вт/м°С.

Создавая волокнистый каркас из органических волокон (отходы деревообработки, сельскохозяйственные) с полимерной или минеральной матрицей, получают: ДСП, ДВП, фибролиты, ксилолиты и др. Их плотность – от 300 до 800 кг/м³, коэффициент теплопроводности – от λ = 0,06 до 0,1 Вт/м°С. Температуростойкость – 250-300°С.

Эффективными и дешёвыми теплоизоляторами являются волокна минерального происхождения. Их делают из расплавленной массы каменного сырья (отходы камнедробления от переработки базальтов, диабазов, доломитов или кремнезёма, глины, стеклобоя). Дроблёный камень с добавками плавней (для снижения температуры плавления) расплавляют до 1400°С. Когда вязкость расплава становится минимальной, её направляют в фильеры и раздувают горячим воздухом или паром под давлением, подавая в камеру волокноосаждения. Из камеры на конвейерной сетке волокна (d = 5-15 мкм) быстро охлаждают, сбрызгивая раствором органического состава (масло, полимер или битум) для предотвращения слипаемости, гранулируют или укладывают в рулоны. Если рулон делают в оболочке из фольги, стеклохолста, плёнки, бумаги, то получают маты, которые используют в качестве штучных теплоизоляционных изделий. Плотность их – от 15 до 75 кг/м³, коэффициент теплопроводности – от 0,035 до 0,05 Вт/м°С. Теплостойкость 600°С. По такой же технологии получают стекловолокно, силикатное, керамическое, синтетическое волокно. Керамические волокна имеют самую высокую температуростойкость – 900-1000°С.

Высокую температуростойкость имеют все керамические изделия. Эффективными их делает воздух, который в структуре появляется на месте выгорающих добавок, в качестве которых в глиняную массу вводят угольную пыль, мазут, опилки и др., сгорающие при температуре обжига (1000°С), оставляющие после выгорания поры. Эффективный кирпич делают с выгорающими добавками, а вместо кварцевого песка (в качестве отощителя) берут более лёгкие пористые молотые породы – диатомит, трепел, вулканические породы. Плотность эффективного кирпича может быть от 700-1300 кг/м³, коэффициент теплопроводности – от 0,07 до 0,4 Вт/м°С.

Штучные изделия всегда удобнее использовать в работе, чем насыпные теплоизоляторы или в форме рулонов. Они рвутся, изоляция становится неравномерной, со временем волокна уплотняются, поэтому делают маты, плиты, гофрированные изделия. Они могут быть жёсткими (Ж), полужесткими (ПЖ), мягкими (М), с хаотичным, горизонтальным и вертикальным направлением волокон. Оказалось, что при вертикальном направлении волокон прочность растёт, теплопроводность снижается. Плотность таких изделий – от 80 до 200 кг/м³, прочность – 0,2-2,5 МПа, коэффициент теплопроводности – от 0,04 до 0,07 Вт/м°С. Самым эффективным и тонким является базальтовое волокно с плотностью 15-20 кг/м³, теплостойкость его до 900°С.

Из неорганических теплоизоляционных материалов надо отметить ячеистое стекло (пеностекло), получаемое из стеклобоя или горных пород с использованием известняка в качестве газообразователя. При температуре плавления из известняка выделяется СО₂, жидкая масса вспучивается. Так же получают стеклопор, сырьём для него служит жидкое стекло. Эти материалы имеют высокую температуростойкость 400-600°С, их добавляют в полимерные ячеистые пластмассы, таким образом повышая температуростойкость пластмасс.

Комбинации неорганических волокон и порошков с минеральными вяжущими дают различные композиционные теплоизоляционные материалы: вулканиты, совелиты, асбестоизвестковые, гипсоволокнистые и др.

В качестве зернистых теплоизоляционных материалов в засыпках используют: вспученный перлит, вермикулит, диатомиты, пемзы, а также специально полученный керамзит и доменные гранулированные шлаки. Плотность сыпучих зернистых материалов – от 50 (для перлита) до 500 кг/м³ (для керамзита); у этих материалов высокая теплостойкость – 600-900°С.

Органические теплоизоляционные материалы могут содержать в качестве наполнителя и неорганические вещества, но если матрица состоит из полимера, она будет определять его температуростойкость.

С помощью прессования получают прочные водонепроницаемые полимерные материалы, которые используют в качестве оболочки к пористым пластмассам.

Сами синтетические полимеры используют для получения наиболее эффективных теплоизоляторов, имеющих самую низкую плотность ρ_m = 8-50 кг/м³ и коэффициент теплопроводности λ = 0,018-0,025 Вт/м°С.

По структуре различают пенопласты, поропласты, сотопласты.

Пенопласты с изолированными ячейками, закрытой структурой; поропласты – с сообщающимися ячейками, сотопласты – с регулярно повторяющимися полостями – сотами.

Поро- и пенопласты делают из жидких полимеров тремя способами:

1. физико-механическим (давление воздуха, пара или газа при нагревании);

2. химическим (разложение химических компонентов с выделением газов);

3. воздушно-механическим (с помощью пенообразователей).

Первый способ (беспрессовый) применяют чаще, так как он обеспечивает более эффективную закрытую пористость (пенополистирол).

В ячеистых пластмассах поры занимают до 90-98% объёма. Прочность повышают при наполнении полимера волокнами или лёгкими порошками, а также увеличивая объёмное содержание полимера – чем его больше, тем жёстче пенопласт. Теплопроводность зависит от вида наполняющего ячейки газа. Если в ячейках не воздух, а газ или вакуум, то теплопроводность их может быть ниже, чем у воздуха.

Сотопласты получают, склеивая в блоки гофрированные листы бумаги или ткани, пропитанные полимером. Если засыпают в соты лёгкий порошок или волокна, то жёсткость увеличивается. Сотопласты используют в качестве утепляющего слоя в 3-х слойных конструкциях.

Самый распространенный в мире ячеистый пенопласт – пенополиуретан. Он может быть жёстким и эластичным, химически и биологически стойким, с низким водопоглощением (0,2%), температуростойкостью до 110-150°С. Жёсткий пенопласт применяют в виде скорлуп, (рис. 11) плит, а вспенивая внутри конструкции, используют для изготовления лодок, жилетов и др. Эластичный пенопласт идёт для утепления щелей, стыков.

Пенополистирол – также распространённый пенопласт с низкой плотностью, жёсткий и мягкий, с низким водопоглощением. Применяется в качестве утеплителя в ограждающих конструкциях, (делают тёплый пол), служит в качестве теплогидроизоляционного материала. Температуростойкость его 100°С.

Рекордным по плотности материалом является поропласт из мипоры 10-20 кг/м³. Мягкая мипора – это губка, которую используют в виде плит и скорлуп для теплоизоляции трубопроводов и оборудования. Её получают с помощью пенообразователя, все поры открыты, она гигроскопична. Теплостойкость – 120°С.

Термореактивные пористые пластмассы более термостойки (до 200-250°С), но ещё более термостойки кремнийорганические полимеры и изделия из них (до 400-500°С). Чтобы повысить теплостойкость, прочность, жёсткость изделий из лёгких пенистых структур, в их состав вводят волокна и модифицирующие добавки – каучук, другие полимеры. Для теплоизоляции горячих труб делают двухслойное покрытие из более теплостойкого материала внутри и менее теплостойкого снаружи – комбинированная структура.

Там, где нельзя использовать штучные изделия или обёртку, делают теплоизоляционные мастичные составы из порошковых материалов, вспученных полимерных пен. Напылённые пенопласты имеют преимущества: хорошую адгезию, теплоизоляцию любых искривлённых поверхностей, отсутствие коррозии и швов.

В строительной практике разработано более 100 видов теплоизоляционных материалов, поэтому их классифицируют по используемому сырью, по плотности, виду, структуре и коэффициенту теплопроводности.

По используемому сырью различают материалы органического происхождения, неорганические и комбинированные материалы.

Органические делают из природного сырья – отходов переработки древесины, растений и искусственного сырья – полимеров.

Неорганические делают из минеральных материалов: каменных пород, вяжущих, ячеистых бетонов, ячеистого стекла, вспученных природных пород.

Теплоизоляционные материалы получают из органических и неорганических, сочетая минеральную матрицу с органическим наполнителем и наоборот. Это композиционные материалы, сделанные по заказу и сочетающие свойства одних и других. У каждого материала есть свои особенности, например, органические имеют самые низкие марки по плотности (ρ_m = 10 кг/м³) и теплопроводности (λ = 0,02 Вт/м°С), но они гигроскопичны, сгораемы, нетермостойки.

Неорганические материалы термостойки, не гниют, не горят, много минерального сырья, но имеют более высокую плотность и теплопроводность.

У комбинированных материалов можно выгодно сочетать то и другое, например, слоистые ограждающие панели или маты из минерального волокна в полимерной оболочке и др. В отличие от композиционных, разные материалы не смешиваются, а дополняют функции друг друга.

По плотности теплоизоляционные материалы разделяют на 3 вида:

1. ОЛ – особо лёгкие с ρ_m = 15-100 кг/м³;

2. Л – лёгкие с ρ_m = 125-350 кг/м³;

3. Т – теплоизоляционные с ρ_m = 400-700 кг/м³.

По виду или форме теплоизоляционные материалы могут быть: штучными (жёсткими, полужёсткими, гибкими), рулонными, шнуровыми, насыпными.

По структуре: ячеистыми, волокнистыми, зернистыми, слоистыми.

По теплопроводности: низкой теплопроводности – класс А с коэффициентом λ < 0,058 Вт/м°С; средней теплопроводности – класс Б с λ = 0,058-0,175 Вт/м°С; повышенной теплопроводности – класс В с λ > 0,175 Вт/м°С.

Эти материалы могут изолировать как горячую, так и холодную поверхности, поэтому важным показателем является их термостойкость.

Термостойкость или теплостойкость – это граничная температура, при которой материал сохраняет свои функциональные качества. Для каждого материала установлена предельная температура применения. Для пластмасс это – 70-100°С, для кремнийорганических полимеров – 300-500°С, для керамических – 1000°С.

Теплоизоляционные материалы создаются из сырья с аморфной структурой, так как кристаллические структуры хорошо проводят тепло.

Теплопроводность – это свойство материала передавать тепловую энергию другому материалу. Скорость передачи тепловой энергии характеризует коэффициент теплопроводности λ. Теплопроводность определяет количество тепла, проходящего сквозь толщину δ через 1 м² поверхности S при градиенте температуры в 1°, :

Сопротивление потоку тепла прямо пропорционально толщине слоя изоляции и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности, :

Способность материала сопротивляться потоку тепла или холода определяет изменение температуры. Чем многослойнее стена, чем ниже λ каждого слоя, тем больше теплосопротивление.

Внутри каждого слоя температура изменяется по закону прямой линии, если слоёв несколько и они из разных материалов (штукатурный слой, за ним кирпичная стена, за ней облицовка), то по ломанной линии, так как каждый слой имеет свою теплопроводность. Температурный поток движется всегда в сторону холода – уменьшения энергии.

Термическое сопротивление многослойных материалов складывается из сопротивления каждого слоя:

где α (1-2) коэффициенты теплоотдачи, из-за малых величин их опускаем.

И тогда:

(сколько: в ограждении слоёв, столько будет слагаемых).

R_тр (требуемое) для каждой климатической зоны установлено СНиП, для нашей зоны это 2,95-3,5 м²°С/Вт и этот показатель при расчёте сопротивления теплопередаче стены должен соблюдаться. Если не хватает теплосопротивления стены из проектируемого материала, то легко рассчитать необходимую толщину утеплителя.

Теплопроводность прямо связана с температуропроводностью, плотностью и теплоёмкостью:

Если принять температуропроводность и теплоёмкость для теплоизоляционных материалов постоянными, то можно считать, что:

Приближённо теплопроводность рассчитывают по формуле Некрасова, где надо знать только плотность:

.

Зависимость термического сопротивления от величины воздушной прослойки показана на рисунке 10. Нет смысла увеличивать её более 0,03-0,05 м из-за высокой доли конвекции и излучения с увеличением слоя воздуха.

Рис. 10 – Зависимость теплопроводности (а) и термического сопротивления

(б) от толщины воздушных прослоек

Тепловой поток, проходящий через пористую структуру стены, складывается из трёх составляющих: кондукции (λ_Т) – теплоотдачи от электромагнитных колебаний и движения свободных электронов твёрдых частиц материала; конвекции (λ_К) – движение воздуха в порах; излучения (λ_И) – радиационного потока светового и инфракрасного спектра вещества.

Эквивалентная теплопроводность вычисляется по формуле:

У кристаллических материалов значительна λ_Т – синхронные электромагнитные колебания, у аморфной структуры они слабые.

увеличивается с увеличением воздушной прослойки или с укрупнением пор, поэтому для теплоизоляционного материала эффективнее закрытая мелкопористая структура.

снижается у отражающих поверхностей.

Значит, теплоизоляционные материалы должны иметь аморфную структуру с мелкими закрытыми порами, низкую плотность и светлый тон.

Увлажнение теплоизоляционных материалов увеличивает теплопроводность, снижает прочность, морозостойкость, биостойкость:

где δ – приращение теплопроводности на каждый процент влажности от 0,002 до 0,004 Вт/м²°С. Чтобы противостоять увлажнению все теплоизоляционные материалы пропитывают гидрофобными и защитными составами или гидроизолируют.

Рис. 11 – Скорлупы теплоизоляции