11.1 Общие сведения
Теплоизоляционными материалами называют материалы, предназначенные для минимизации теплообмена с окружающей средой через ограждающие конструкции зданий и поверхности оборудования и трубопроводов. К таким материалам относятся материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(мК) и соответственно среднюю плотность не более 600 кг/м3.
Применение теплоизоляционных материалов позволяет, помимо экономии тепловой энергии, существенно снизить вес и толщину ограждающих конструкций, соответственно уменьшив расходы на основные материалы, транспортные расходы и т. п.
По назначению теплоизоляционные материалы делят на общестроительные и монтажные (для изоляции агрегатов и трубопроводов).
По виду исходного сырья теплоизоляционные материалы бывают неорганические и органические; это определяет их рабочие температуры, склонность к возгоранию и долговечность. Изготовляют также и комбинированные материалы, состоящие из органического и неорганического сырья (например, деревоцементные материалы).
По внешнему виду и форме теплоизоляционные материалы могут быть сыпучие и штучные.
Сыпучие материалы представляют собой рыхлые массы порошкообразного, зернистого или волокнистого строения. В сухом виде их используют для засыпки полостей в ограждающих конструкциях (керамзит, вспученный перлит т. п.). Некоторые порошкообразные материалы затворяют водой и в виде мастик наносят на изолируемую поверхность трубопроводов и тепловых агрегатов.
Штучные теплоизоляционные материалы — жесткие и гибкие изделия различной формы: плиты, маты, блоки, скорлупы и т. п. Применение штучных изделий позволяет ускорить и упростить производство теплоизоляционных работ и повысить их качество.
11.2 Основные виды теплоизоляционных материалов
Неорганические материалы изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, вяжущих веществ, асбеста и т. п.). К этим материалам относятся изделия из минеральной ваты, пеностекло, ячеистые бетоны, асбестосодержащие засыпки и мастичные составы, а также пористые заполнители, используемые как теплоизоляционные засыпки (керамзит, перлит, вермикулит и др.).
Неорганические теплоизоляционные материалы теплостойкие, негорючие, не подвержены загниванию. Наибольшее применение находят изделия на основе минеральной ваты.
Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью связующего или другими способами.
Минеральную вату вырабатывают из силикатных расплавов, сырьем для которых служат металлургические шлаки, осадочные (мергели, каолины и др.) и изверженные (базальт и др.) горные породы, отходы стекла и другие силикатные материалы. Название минеральная вата получает по виду сырья: например, шлаковая, базальтовая или стекловата. Вид сырья определяет, в частности, температуростойкость ваты (у базальтовой ваты — до 1000о С, а у стекловаты 550...650о С), тонкость и упругость волокна и другие свойства.
Силикатный расплав раздувом или разбрызгиванием центрифугой превращают в тончайшие стекловидные волокна диаметром 1-10 мкм и длиной в несколько сантиметров. Волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. Сюда же подается связующее вещество для получения из рыхлого минерального волокна ковра и дальнейшего формования изделий (в исходном виде минеральная вата в настоящее время не применяется).
Производят следующие виды минераловатных изделий: мягкие плиты (минеральный войлок) и прошивные маты, полутвердые и твердые плиты и скорлупы.
Мягкие маты и плиты (минеральный войлок) получают как с помощью прошивки минераловатного ковра, сдублированного с фольгой или металлической сеткой, так и с помощью минерального связующего путем его путём его лёгкой подпрессовки. Такие маты выпускают в виде рулонов. Плотность 30-100 кг/м3, теплопроводность 0,033-0,035 Вт/м*К.
Полужесткие и жесткие плиты получают с использованием полимерных связующих (размер плит обычно 600 х 1200 мм при толщине от 50 до 120 мм). Для получения большой жесткости плиты без, увеличения ее плотности применяют технологию с частичной вертикальной ориентацией волокон. Плотность плит 50-150 кг/м3; теплопроводность 0,04-0,06 Вт/(м*К). Подобные плиты используют для устройства теплоизоляции стен и кровельных покрытий. Плиты легко режутся и укрепляются на стенах клеящими мастиками.
Теплоизоляционные бетоны — бетоны плотностью не более 500 кг/м3 по структуре могут быть трех видов:
1. слитного строения на пористых заполнителях (например, керамзитовом гравии и перлитовом песке) и цементном или полимерном вяжущем;
2. крупнопористые (беспесчаные) на однофракционном керамзитовом гравии и цементном или полимерном связующем;
3. ячеистые.
Крупнопористые бетоны используют в виде плит, заменяющих засыпную теплоизоляцию.
Ячеистые бетоны отличаются сравнительно простой технологией получения. Их широкому распространению препятствует высокое водопоглощение и гигроскопичность. Сухой ячеистый бетон при плотности 300-500 кг/м3 имеет теплопроводность 0,07-0,1 Вт/(м*К); при влажности 8% теплопроводность возрастает до 0,15-0,18 Вт/(м*К). Применяют ячеистые бетоны в виде камней правильной формы, заменяющих 8-16 кирпичей.
Органические теплоизоляционные материалы получают как из природного сырья (древесины, сельскохозяйственных отходов, торфа и т. п.), так и на основе синтетических полимеров.
Материалы из сельскохозяйственных отходов: камыша, торфа — местные теплоизоляционные материалы. У них не очень высокие технические характеристики и небольшая долговечность, но они выгодны экономически.
Материалы на основе древесного сырья: изоляционные древесноволокнистые плиты (ДВП), фибролит и арболит имеют более высокие технические характеристики и соответствен, но находят большее применение в строительстве, в частности, для малоэтажных зданий.
Древесно-волокнистая плита (ДВП) — листовой материал, изготовленный путём горячего прессования или сушки ковра из древесных волокон. Толщина изоляционных древесноволокнистых плит 10-25 мм. Плотность таких плит – 150-350 кг/м3, теплопроводность 0,05-0,09 Вт/(м*К).
Фибролит —материалы из древесной стружки, опилок и щепы с портландцементом и химическими добавками, благодаря этому у них пониженная горючесть и повышенная биостойкость по сравнению с другими древесными материалами.
Плотность теплоизоляционного фибролита 300-350 кг/м3; теплопроводность — 0,09-0,1 Вт/(м*К). Фибролит с плотностью 400-500 кг/м3 и прочностью 0,7-1,2 МПа применяются как конструкционно-теплоизоляционный материал, например, для заполнения каркасных конструкций стен.
Фибролит не горит открытым пламенем, а тлеет и затухает после удаления источника огня. Он легко обрабатывается — его можно пилить, сверлить, вбивать в него гвозди. Стена из фибролитовых плит толщиной 10-15 см эквивалентна по термическому сопротивлению кирпичной стене в два кирпича.
Полимерные теплоизоляционные материалы в строительстве применяются: пенопласты, поропласты и сотопласты. Их доля в общем объеме теплоизоляционных материалов достигает 20 %. Они отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, достаточно долговечны и технологичны.
По внешнему виду и способу применения могут быть в виде штучных изделий (в основном плит) и в виде жидко-вязких материалов, впучивающихся и отверждающихся на месте применения (заливочные пенопласты, монтажные пены).
Пенопласты— листовые и фасонные изделия получают вспениванием различных полимеров: полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, фенольных полимеров и др. Используется прессовый и беспрессовый методы изготовления изделий из пенопластов.
Пенополистирол — наиболее известный вид строительных пенопластов. Из него получают крупноразмерные плиты толщиной до 100 мм. Марки по плотности (кг/м3) пенополистирола D15-D50; теплопроводность — 0,03-0,04 Вт/(м*К); теплостойкость 80-90о С. Пенополистирол — горючий материал; однако с помощью антипиренов получают трудновоспламеняемый пенополистирол.
Беспрессовый пенополистирол состоит из склеившихся друг с другом вспененньх гранул полистирола. Этот вид пенополистирола паропроницаем, имеет заметное водопоглощение и невысокую прочность. Беспрессовый пенополистирол в виде листов и плит применяется для тепловой изоляции стен, когда необходима паропроницаемость всей конструкции.
Прессовый пенополистирол имеет плотные корки на обеих поверхностях плит и полностью замкнутую пористость. Поэтому он абсолютно паронепроницаем, имеет ничтожное водопоглощение (<0,3%) и большую прочность, чем беспрессовый. Этот вид пенополистирола рекомендуется для тепловой изоляции конструкций, где возможен длительный контакт с водой и не нужна паропроницаемость.
Пенополивинилхлорид— материал в виде плит, по методу получения и структуре аналогичен прессовому пенополистиролу. Плотность пенополивинилхлорида 35-70 кг/м3, теплопроводность 0,04-0,054 Вт/(м*К). Теплостойкость пенополивинилхлорида — 130-140 Со; горючесть значительно ниже, чем у пенополистирола. Благодаря повышенной прочности применяется для теплоизоляционных слоев кровельных конструкций.
Фенольный пенопласт — двухкомпонентный (смола с газообразователем и отвердитель) заливочный пенопласт, смешиваемый непосредственно перед заливкой. В качестве газообразователя применяется алюминиевая пудра, а кислотный отвердитель, кроме своей основной роли, реагируя с алюминиевой пудрой, выделяет газообразный водород. Фенольные пенопласты жесткие и теплостойкие; они имеют высокую адгезию с другими материалами (используется, например при производстве трехслойных легких панелей типа «сэндвич»).
Пенополиуретан — газонаполненный пластмасс на 85-90 % состоящий из инертной газовой фазы. В зависимости от вида исходного полиуретана могут быть жёсткими или эластичными («поролон»). Популярны самовспенивающиеся самотвердеющие составы для использования непосредственно на объекте в строительстве (монтажная пена). Устойчивы к действию всех распространённых органических растворителей. В практических применениях требуют защиты от солнечного света и других УФ-источников.
11.3. Строение и свойства теплоизоляционных материалов
Основной признак теплоизоляционных материалов — высокое содержание воздуха в объеме материала. Газы по сравнению с жидкостями и твердыми телами обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью из-за удаленности молекул газа друг от друга, что затрудняет передачу ими тепловой энергии. Так, теплопроводность воздуха = 0,023 Вт/(м*К). Движение воздуха (в частности, конвекция) способствует намного более интенсивному теплообмену. Поэтому теплоизоляционный материал должен состоять в основном из воздуха, лишенного способности перемещаться.
Это возможно в тех следующих случаях, когда материал имеет следующее строение:
- мелкопористое ячеистое (как пена);
- волокнистое (как вата);
- зернистое (воздух находится в межзерновом пространстве);
- пластинчатое (воздушные прослойки заключены между листками материала).
Строение вещества твердого каркаса материала также влияет на его теплопроводность. Если вещество имеет кристаллическое строение, то его атомы расположены в правильном порядке; это предопределяет его высокую теплопроводность. Вещества, имеющие стеклообразное строение, не имеют такого порядка в расположении атомов. Поэтому одно и то же вещество в стеклообразном состоянии имеет в несколько раз меньшую теплопроводность, чем в кристаллическом (например, кристалл кварца имеет = 7,2 (13,6) Вт/(м*К) (в зависимости от направления), а кварцевое стекло — около 0,7 Вт/(м*К).
У большинства неорганических теплоизоляционных материалов вещество, образующее каркас, имеет стеклообразное строение (минеральная вата, пеностекло и др.).
Средняя плотность материала зависит в основном от его пористости. В то же время пористость является главным фактором, от которого зависит теплопроводность материала. Поэтому в определенных пределах с достаточной степенью точности связь между плотностью и теплопроводностью можно считать линейной.
Влажность оказывает существенное влияние на теплопроводность материалов, так как у воды, замещающей воздух в порах материала, = 0,58 Вт/(м*К), что в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании воды теплопроводность материала еще возрастает, так как у льда = 2,32 Вт/(м*К). Поэтому желательно, чтобы теплоизоляционные материалы в минимальной степени поглощали влагу и при эксплуатации находились в сухом состоянии. Пути достижения этого — закрытая пористость, гидрофобность материала и конструктивные меры, обеспечивающие сухое состояние теплоизоляции. Гигроскопичные материалы нежелательны для теплоизоляции.
Газо- и паропроницаемость материала важна при использовании его теплоизолирующего материала возможно накопление влаги. в месте его контакта с другим материалом, что может привести к развитию негативных процессов в этом месте конструкции вплоть до ее разрушения.
Теплостойкость (жаростойкость) оценивают по предельной температуре применения материала. Она зависит от химического состава материала и у органических материалов не превышает 100...1500 С. Минеральные теплоизоляционные материалы в зависимости от состава выдерживают, нагрев до 500...8000 С Для больших температур производится специальная высокотемпературная и огнеупорная теплоизоляция.
Химическая и биологическая стойкость. Высокопористое строение и большая удельная поверхность теплоизоляционных материалов делают их уязвимыми для действия химически агрессивных веществ. Органические материалы природного происхождения при повышении влажности легко загнивают. Многие теплоизоляционные материалы повреждаются грызунами.
Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравнительно невелика — 0,2...2,5 МПа. Показателем стабильности качества материала является напряжение при 10 %-ной деформации сжатия, так как уплотнение материала повышает его теплопроводность. Материалы, имеющие предел прочности > 2,5 МПа, могут применяться самостоятельно (как самонесущие) для ограждающих конструкций. Менее прочные используются при условии закрепления на несущем материале или для заполнения пустот в нем. Во всяком случае, прочность теплоизоляционного материала должна быть такова, чтобы обеспечивалась его сохранность при перевозке, складировании, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях.
