книги / Современные материалы и технологии в строительстве

5. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Как известно из курса физики, теплопередача реализуется тремя способами за счет:

–теплопроводности;

–конвекции;

–излучения.

Теплопередача посредством теплопроводности происходит внутри твердых тел, неподвижной жидкости и газа благодаря переносу энергии в форме теплоты от одной элементарной частицы к другой. Теплота переносится из области с высокой температурой в область с более низкой. В установившемся режиме плотность теплового потока между двумя параллельными поверхностями тела зависит от температурного напора, толщины стенки и теплофизическойконстанты– коэффициентатеплопроводности.

Конвекция – перемещение массы жидкости или газа из среды с одной температурой в среду с другой температурой. Если движение вызвано разностью плотностей нагретых и холодных частиц – это естественная конвекция, если разностью давлений – вынужденная конвекция. Конвекцией теплота передается в жидкостях и газах.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты от излучающего тела с помощью электромагнитных волн. Он обусловлен температурой и оптическими свойствами излучающего тела (твердых тел, трех- и многоатомных газов).

В твердых телах теплота передается только теплопроводностью. Только излучением теплота передается между телами, расположенными в вакууме.

Конвекцию невозможно отделить от теплопроводности. Совместныйперенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Передача теплоты одновременно двумя или тремя способами называется сложным теплообменом.

61

Именно с описанными физическими процессами мы сталкиваемся при миграции теплового потока из помещений наружу. Если, например, наружная стена не утеплена, то процесс потери тепла происходит за счет трех процессов:

1.Внутренний воздух отдает тепло внутренней поверхности наружной стены в основном за счет конвекции и частично за счет излучения нагретых тел, находящихся в помещении.

2.За счет теплопроводности неутепленной наружной стены идет процесс теплопередачи от внутренней поверхности стены к наружной.

3.С наружной поверхности наружной стены идет процесс теплоотдачи за счет в основном конвекции и излучения.

Таким образом, у нас имеется возможность влияния на теплопотери через наружную стену путем создания максимально эффективного препятствия теплопередаче.

Наибольшим эффектом теплоизоляции обладает вакуум, в котором, какизвестно, теплопередача реализуется только за счет излучения. В вакууме нетпередачи тепла за счет конвекции и теплопроводности. Но вакуум создать и сохранить сложно.

Другим, хотя и менее эффективным, но зато сравнительно легко реализуемым способом создания препятствия для теплового потока является размещение на его пути большого количества мельчайших воздушных пор.

Конвективный теплообмен в мелких порах будет практически отсутствовать, теплопередача за счет излучения тоже будет невысока в силу малого различия температур в пределах одной ячейки порового пространства.

Таким образом, теплопередача будет реализована в основном за счет теплопроводности тончайших перегородок материала межпорового пространства. Именно этот принцип положен в основу производствавсех современных теплоизоляционных материалов.

Важнейшими качественными свойствами утеплителя являются его пористость, плотность и теплопроводность. Теплоизоляционные изделия классифицируются как имеющие теплопро-

62

водность 0,175 Вт/(м×К) или меньше исреднюю плотность 500 кг/м3 или меньше.

Поэтому наиболее характерными свойствами этих материалов являются низкая плотность и высокая пористость. Поскольку теплопроводность материала напрямую связана с его пористостью, а пористость напрямую связана с его средней плотностью, можно с достаточной точностью определить соотношение между плотностью материала и теплопроводностью.

Чем ниже средняя плотность материала, тем больше в нем пор и тем ниже теплопроводность [13].

Поэтому изоляцию обычно делят на классы D15, D25, D35, D50, D75, D100, D125, D150, D200, D250, D300, D350, D400, D500 в зависимости от плотности (кг/м3). Качество изоляционного материала указывает верхний предел его средней плотности. Например, продукт при температуре 75 градусов имеет плотность от 51 до 75 кг/м3.

Теплопроводность материала в рабочих условиях зависит не только от плотности и пор, но и от таких факторов, как структу-

ра, влажность и температура окружающей среды [14]. Важными характеристиками качества утеплителя явля-

ются сжимаемость, прочность, теплопроводность, водопоглощение, влагопроницаемость, водоотталкивающие свойства, водостойкость, морозостойкость, огнестойкость, надежность и долговечность, жизненная стабильность, экологические аспекты и способность проводить монтажные работы вне зависимости от сезона.

По теплопроводности утеплитель делится на три класса:

А – низкой (до 0,06 Вт/м·К);

Б – средней (0,06–0,115 Вт/м·К);

В – повышенной теплопроводности (0,115–0,175 Вт/м·К). Кроме того, в соответствии с требованиями европейских

стандартов учитывается использование коэффициента тепло-

проводности λ для обеспечения 90/90. Это означает, что 90 % продуктов показывают этот показатель в 90 % проведенных тестов.

63

Изоляционные материалы делятся на органические, неорганические и соединения (композиты) в зависимости от состава сырья.

Взависимости от внешнего видаиформыонивыглядят так:

–рыхлыми (минеральная или эковата);

–сыпучими (перлитовый песок, керамзит, вермикулит);

–штучными (блоки, кирпичи, плиты);

–рулонными (маты);

–шнуровыми (жгуты).

Конструктивно и структурно они бывают микропористые (как пена), волокнистые (как вата), гранулированные (воздух находится внутри границы зерен) и слоистые (воздушный слой находится между слоями материала)[13].

Утеплитель так же делится по жесткости:

мягкие (М) – сжимаемость превышает 30 % при удельной нагрузке 0,002 МПа;

полужесткие (П) – степень сжатия 6–30 % при удельной нагрузке 0,002 МПа;

жесткие (Ж) – максимальное сжатие 6 % при удельной нагрузке 0,002 МПа;

повышенной жесткости (ПЖ) – максимальное сжатие 10 % при определенных нагрузках 0,04 МПа;

твердые (Т) – степень сжатия до 10 % при удельной нагрузке 0,1 МПа.

Изоляционные материалы подразделяются на негорючие (НГ), средневоспламеняемые (Г1), умеренно воспламеняемые (Г2), нормально воспламеняемые (Г3) и легковоспламеняющиеся (Г4) по воспламеняемости[15].

Ассортимент теплоизоляционных материалов, используемых в строительстве, очень широк. В действительности же рынок представлен почти тремя видами материалов на основе ми-

неральной ваты, пенопласта и ячеистого бетона. В основном это связано с простотой технологии производства, большой сырьевой базой и высокой производительностью.

64

Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия

Минеральная вата (MW) – это рыхлый бесформенный волокнистый материал, состоящий из тонких волокон (1–15 микрометров) со структурой стекла. Это достигается за счёт охлаждения отливок минеральных пород, силикатных составов, шлаков и их смесей, измельчения их на капли и вытягивания стеклоподобных нитей. В составе минеральной ваты кроме волокон могут присутствовать волокнистые включения (камни, расплавы) и фрагменты тонких волокон. В зависимости от производственного процесса длина волокон может составлять от 2 до 60 мм. По диаметру волокон в минеральной вате существуют ограничения: содержание волокон с диаметром более 15 мкм должно быть в пределах 7 %; до 90 % составляют тонкие волокна (менее 7 мкм).

Преимуществами минеральной ваты в сравнении с другими изоляционными материалами являются:

материал негорючий (класс НГ);

негигроскопичный (влажность в пределах 0,5 % по объему при нормальных условиях эксплуатации).

Для минимизации водопоглощения при эксплуатации во влажных условиях минеральную вату обрабатывают (пропитывают) гидрофобными жидкостями.

Минеральная вата является химически пассивной средой, устойчива к химическому воздействию, не вызывает коррозии металлов (с которыми контактирует). Серьезными недостатками этого материалаявляютсявысокаяхрупкостьинизкаяпрочностьволокон[13].

По сырью минеральная вата классифицируется следующим образом:

шлаковая – в качестве сырья используются шлаки черной и цветнойметаллургии идругиепобочные продуктыпроизводства;

стеклянная – получают из того же сырья, которое используется для производства обычного стекла или промышленных стеклянных отходов и других силикатных материалов;

65

горная – осадочные или магматические породы (известняк, доломит, базальт, долерит) [14].

Крупнейшие мировые производители минеральной ваты используют только камень в качестве сырья для получения высококачественных и долговечных ультратонких минеральных волокон (каменная вата 2–6 мкм). Изделия из каменной ваты имеют уникальную структуру, состоящую из пористых волокон, которые не имеют определенной ориентации волокон, поэтому они не имеют значительной усадки и не подвержены термической деформации. Это не только обеспечивает высокие изоляционные свойства, прочность и долговечность, но и сохраняет исходные геометрические размеры на протяжении всего срока службы. Например, продукт из базальтового волокнаимеет срок годности в несколько раз больший, чем аналогичный продукт из минеральной ваты, который хранится 30–40 лети имеет теплопроводность0,077–0,12 Вт/(м×К).

Стеклянная вата. Толщина стекловолокна составляет от 5 до 15 мк, а длина – от 15 до 50 мм, что обеспечивает превосходную эластичность, мягкость и упругость продукта. Коэффициент теплопроводности составляет от 0,030 до 0,052 Вт/(м·К). Однако жесткость и прочность на сжатие изделий из стекловаты низкие, главным образом потому, что волокна ориентированы горизонтально. Кроме того, стекловата чрезвычайно хрупкая и едкая. Поврежденные волокна легко проникают через кожу, в легкие и глаза. Из стеклопластика выпускаются такие изделия, как панели плотностью 13–75 кг/м3, ковры плотностью 10–25 кг/м3 и толщиной 40–140 мм и др. (ГОСТ 10499). Максимальная температура для их применения составляет менее 500°С [15].

Минеральная вата, полученная из шлака

При получении минеральной ваты из шлака ее технические показатели невысоки, поэтому она лучше противостоит воздействию высоких нагрузок, в меньшей степени чувствительна к повышенной влажности и перепадам температуры. По своим показателям качества вата на основе шлака значительно уступает аналогам

66

из стекловаты или каменной ваты. Параметры волокон шлаковаты составляют: длина до 16 мм; толщина волокон – 4–12 мкм. Теплопроводность шлаковаты составляет 0,46–0,48 Вт/(м·К), а температура применения – до 300 °С.

Минераловатные изделия. Из минеральных волокон изготавливают широкий спектр изделий. Изделия получают посредством приклеивания волокон к изделию с помощью связующего. Характеристики качества изделий зависят от их формы, ориентации волокон, типа связующего и других показателей.

В зависимости оториентации волоконв изделии ихразличают:

на горизонтально-слоистые – волокна располагаются преимущественно параллельно поверхности изделия;

вертикально-слоистые – расположение волокон в вертикальных слоях (перпендикулярно поверхности изделия). Такую структуру делают путем разрезания ковров минеральной ваты на ламели с последующим склеиванием в плиты с вертикально расположенными волокнами;

структура с хаотично расположенными волокнами является наиболее эффективной при заданной плотности. Чем выше доля вертикально ориентированных волокон, тем ниже плотность ваты, её прочность на сжатие и теплопроводность.

Ассортимент минераловатных изделий:

войлок – производят в виде листов или пластин (рулонов) посредством прессования минеральной ваты, пропитанной дисперсией синтетической смолы. Изготавливают изделия длиной

1000–3000 мм, шириной 375–1250 мм и толщиной 30–60 мм.

Плотность войлока составляет 100–150 кг/м3, теплопроводность –

0,042–0,052 Вт/(м·К);

маты – ковер из минеральной ваты, обернутый стеклотканью, битуминизированный бумагой и прошитый прочной нитью или тонкой проволокой. Маты могут иметь размеры: длину –

1000–6000 мм, ширину – 500–1000 мм, толщину – 40–120 мм.

Плотность колеблется от 60 до 135 кг/м3, теплопроводность со-

ставляет 0,036–0,044 Вт/(м·К);

67

панели различной жесткости и сечения (квадрат, прямоугольник). По жесткости подразделяют на полужесткие, жесткие

иповышенной жесткости. Панели готовят пропиткой минераловатных матов синтетическим связующим с последующим сжатием и термообработкой. Размеры плит: длина 1000–2000 мм, ши-

рина 50–1000 мм, толщина 40–120 мм. Плотность материала – 75–250 кг/м3, а теплопроводность – 0,044–0,058 Вт/(м·К) в зависимости от степени сжатия исходной заготовки;

цилиндры и полуцилиндры (корпус) – разработаны для изоляции труб. Плотность 75–225 кг/м3 и теплопроводность

0,048–0,052 Вт/(м·К) [14].

Пеностекло (газовое стекло) представляет собой пористый материал с пузырьковой структурой, в которой пузырьки равномерно распределены и разделены тонкими стенками. Его получают несколькими способами:

– спекание смеси стеклянного порошка и вспенивателя (порошковый процесс);

– размягчение стеклянной пены в вакууме;

– ввод в состав смеси веществ, вызывающих сильное пенообразование, как в случае плавления стекла.

Пеностекло для строительных целей получают путем спекания стеклянного порошка с газообразующими добавками (углерод, известняк, мрамор). Сырье для стеклянной пудры такое же, как для производства обыкновенного стекла, стеклянные отходы, слабоспеченные породы с высоким содержанием щелочей (сиенит, туф, обсидиан и др.) и специально сваренное стекло [15].

Нагрев до 800–900 °С приводит к размягчению стекла до вязкожидкого состояния, а углерод окисляется до газообразного состоя-

ния (СО или СО2), что и приводит к вспучиванию стекломассы. После охлаждения получается высокопористый (пористость 80–95 %) материал, состоящий из сферических или гексагональных стеклянных ячеек с размерами 0,1–3,0 мм. Замкнутые ячейки предотвращают взаимодействие окружающей среды с газовой средой ячеек. Материал обладает стабильными во времени свойствами. Пеностекло

68

обладает большим набором положительных свойств, его плотность 90–180 кг/м3, пористость до 95 %. Теплопроводность зависит от плотности и пористости и составляет 0,04–0,08 Вт/(м·К). В зависимости от технологии производства пористость материала может быть закрытия или открытая, следовательно, значительно колеблется и величина водопоглощения: от 1 до 10 % (по объему) преимущественно для структуры с закрытыми порами, до 70–80 % – для структурысоткрытойпористостью.

Пеностекло является самым прочным из всех эффективных материаловдля теплоизоляции:

–прочность при сжатии – 400–1600 кПа;

–прочность при изгибе – 200–500 кПа.

Материал не имеет усадки, имеет стабильные размеры при рабочих нагрузках. Химически и биологически устойчив. Имеет морозостойкость F50. В зависимости от химического состава стекла температура эксплуатации составляет 160–400 °С, но может достигать 1000°С.

Вспученный перлит. Получают путем термической обработки природных вулканических водосодержащих пород (обсидиан, перлит, витрофир и др.). Технология заключается в нагревании предварительно полученного щебня до температуры 900– 1100 °С. Внешние части куска породы размягчаются, и вода, выделяющаяся из внутренних частиц куска, переходит в поры, «раздвигает» размягченное стекло, создавая закрытые внутренние поры. При значительном содержании воды расплавленные кусочки стекла взрываются и образуют мелкий порошок.

При вспучивании перлит увеличивается в объеме в 10–12 раз. Материал производят в виде песка (до 5 мм) и щебня (5–20 мм). Его плотность (насыпная) составляет 50–400 кг/м3, теплопроводность 0,043 Вт/(м·К). Водопоглощение зависит от дисперсности частиц и возрастает с увеличением их дисперсности. При размере частиц более 2 мм водопоглощение достигает 30 % по объему (около 300 % по массе), а при дисперсности 0,2–0,5 мм – 60 % по объему (800–900 % по массе).

69

Вспученный перлит используется для производства широкого спектра теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов, легких и жаропрочных растворов и бетонов при температуре изолируемых поверхностей 200– 875 °С.

Вспученный вермикулит получают путем обжига (вспучивания) сырого концентрированного и фракционированного вермикулита. При нагревании до температуры 400–1000°С частицы этого минерала наслаиваются в виде червеобразных частиц (чешуек) серебра и золота, увеличивая объем в 15– 20 раз, до 40 раз. Причиной набухания вермикулита является выделение водяного пара, давление которого направлено перпендикулярно плоскости разложения. В результате получается очень тонкий 0,5–20 мм текучий материал из золотой латуни с плотностью 80–150 кг/м3 и теплопроводностью 0,056 Вт/(м·К) или более. Он не только достаточно высок с точки зрения звукопоглощения, биостойкости, огнестойкости и низкой гигроскопичности, но также имеет коэффициент водопоглощения 400–530 %.

Вспученный вермикулит (зонолит) используется в качестве теплоизоляционного наполнителя в различных конструкциях, в бетонах и растворах, при производстве линолеума, пластиков, красок и лаков [14].

Керамзитовый гравий (керамзит) получают из легкоплав-

ких вспучивающихся при обжиге глин. Керамзит представляет собой окатанные гранулы с размерами от 0,16 до 32 мм. Структура гранулы похожа на застывшую пену, внешняя оболочка гранулы – плотная керамика. Насыпная плотность керамзита 150–600 кг/м3. Для керамзита как теплоизоляционного материала важны такие показатели качества, как насыпная плотность, размер зерен, прочность при дроблении. Керамзит используется для засыпочной теплоизоляции, а также как заполнитель для бетонов [15].

Ячеистый бетон. Для теплоизоляции используется бетон плотностью до 500 кг/м3. Из него создают:

теплоизоляционные панели класса D150–D400 грузоподъ-

емностью 50 кг/м3. Теплопроводность этих панелей составляет

70