СМ 2013

301

Глава 11. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

11.1.  Теплоизоляционные материалы

11.1.1.  Назначение и классификация теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные строительные материалы предназначены для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также промышленных установок, аппаратуры и трубопроводов.

Важнейшей функцией теплоизоляционных материалов является сокращение потерь теплоты и расхода энергии на отопление зданий и сооружений, поэтому для теплоизоляции применяются пористые материалы с низкими средней плотностью и теплопроводностью.

Теплоизоляционные материалы должны обладать стабильными техническими свойствами, не выделять токсичных веществ. При температуре 25 °С коэффициент теплопроводности не должен превышать 0,175 Вт/(м °С), а средняя плотность – 500 кг/м³.

Теплоизоляционные материалы классифицируются по форме и внешнему виду, структуре, типу исходного сырья, средней плотности, жесткости (относительной деформации сжатия), теплопроводности и возгораемости. Классификация теплоизоляционных материалов приведена в таблице 11.1 и 11.2

303

обеспечить повышением пористости. Движение воздуха ускоряет теплообмен, поэтому поры должны быть мелкими (от долей миллиметра до 3-5 мм) и замкнутыми.

Средняя плотность. Связана с пористостью, поэтому марку определяют по средней плотности. Однако теплопроводность зависит и от структуры пор, и два материала с одинаковой средней плотностью (одинаковой марки по плотности) могут иметь разную теплопроводность.

Марка теплоизоляционных материалов устанавливается по средней плотности в кг/м³. По этому показателю теплоизоляционные материалы подразделяют на марки 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 и 600.

Прочность. Характеризуют пределами прочности при сжатии, растяжении и изгибе. Прочность должна быть достаточной для того, чтобы выдерживать транспортные и монтажные нагрузки.

Прочность теплоизоляционных материалов определяется по нагрузке, вызывающей деформацию, равную 10 %. Предел прочности при сжатии изменяется в пределах 0,2-2,5 МПа, при изгибе – 0,15-2,0 МПа.

Теплопроводность – один из видов переноса тепла (теплообмена) от более нагретых частей тела к менее нагретым, обусловлена изменением амплитуды колебаний атомов в структуре твердого тела. Теплообмен может быть обусловлен движением воздуха в порах материала (конвективный теплообмен), а также изменением квантов энергии при переходе электронов на орбиту с более низким энергетическим уровнем (теплообмен путем излучения). В металлах в теплообмене участвуют электроны проводимости.

Теплопроводность (Вт/м·°С) материалов зависит:

а) от пористости и средней плотности. По формуле В. П. Некрасова

где ρ – средняя плотность, кг/м³; a = 0,0196;  b = 0,22;  k = 1,164; б) от температуры материала:

где, b = 0,0025 при температуре ниже 100 °С. Теплопроводность нормируется и определяется при темературе 25, 125 и 300 °С;

в) от влажности материала:

где, a изменяется в пределах от 0,006 до 0,016 Вт/м·°С при температуре выше 0 °С.

305

3. Стеклянную вату изготавливают из стекольных сырьевых шихт, которые могут содержать до 30 % стеклобоя.

Состав сырьевой шихты определяется расчетом. Минеральную вату высокого качества можно получить в том случае, когда поддерживают определенные оптимальные вязкость, интервал вязкости и температуру минерального расплава. Вязкость расплава должна находиться в пределах 5-20 Пуаз. Повышение температуры расплава необходимой вязкости приводит к увеличению расхода топлива и затрат на производство. При охлаждении вязкость расплава должна понижаться сравнительно медленно.

Интервал вязкости – температурный интервал, в котором вязкость расплава изменяется в пределах, позволяющих изготавливать волокно. Расплавы с большим интервалом вязкости позволяют получать длинные и тонкие волокна при вытягивании.

Состав сырьевой шихты устанавливают на основании химического анализа сырья по модулям кислотности и вязкости.

Модуль кислотности

(11.4)

Модуль кислотности должен находиться в пределах 1,2-1,5. Так как сырье содержит другие оксиды при расчете используют модуль вязкости

. (11.5)

Если состав шихты не соответствует требованиям по Мк и Мв, его корректируют – вводят добавки.

Технология производства минеральной ваты включает операции подготовки сырьевых компонентов, приготовления шихты, получения расплава и его превращения в волокно.

Твердое сырье загружают в шахтную печь (вагранку) высотой 3-6 м и диаметром 1,2-1,5 м. Вагранка – шахтная печь непрерывного действия, работает по принципу противотока. Сырье загружается в вагранку и опускается вниз, превращаясь в расплав при температуре 1400-1800 °С. Газ, образующийся при сгорании топлива в нижней части вагранки поднимается вверх, обеспечивая нагревание и расплавление сырья. Для приготовления расплава используются также ванные и электродуговые печи.

При производстве шлаковаты можно использовать расплавы из плавильного агрегата (например, доменной печи) и операция расплавления шихты исключается, что позволяет понизить затраты на производство.

306 Глава 11.  Теплоизоляционные и акустические материалы

Рис.  11.1.  Схема работы камеры волокноосаждения

Расплав превращают в волокно несколькими способами:

Дутьевой способ. При воздействии на струю расплава водяного пара под давлением 0,4-0,6 МПа происходит превращение расплава в капли. Капли отбрасываются и при движении превращаются в волокна.

Центробежно-дутьевой способ. Струя расплава попадает на центрифугу, вращающуюся с частотой 1000-1200 об/мин, и превращается в капли, на которые воздействует водяной пар под давлением. Комбинированное воздействие позволяет получить более тонкое волокно.

Центробежно-фильерно-дутьевой способ. Расплав из печи поступает в емкость, в днище которой имеются отверстия (фильеры). Расплав проходит через фильеры, образуются струйки диаметром 1-2 мм, которые попадают на центрифугу и дополнительно раздуваются водяным паром. Этот вариант позволяет получать тонкие длинные волокна и используется на современных предприятиях.

Процессы превращения капель расплава в волокно происходят в камере волокноосаждения (рис. 11.1). Пол камеры – сетчатый или ленточный транспортер; волокна падают на транспортер, проходят через валки и далее полотнище разрезается.

При производстве плит иногда используются синтетические смолы – фенолоспирты, эмульсия ПВА, фенолформальдегидные и карбамидные полимеры, которые вводятся в камеру волокнообразования. Далее лента разрезается на плиты, последние уплотняются прессованием.

Преимуществами минеральной ваты являются легкость монтажа, химическая и биологическая стойкость. Изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов и применяются как огнезащитные. Минеральная вата обладает низкой гигроскопичностью, влажность изделий не превышает 0,5 % по объему; с целью снижения гигроскопичности минеральную вату обрабатывают гидрофобизаторами (кремний­ органическими и др.).

307

Марки минеральной ваты 75, 100, 125 и 150. Максимальная температура применения 100-400 °С, при более высоких температурах минеральная вата становится хрупкой и измельчается.

Номенклатура изделий на основе минеральной ваты включает гранулированную вату, мягкие минераловатные маты и плиты, маты вер- тикально-слоистые, плиты мягкие, полужесткие и жесткие на полимерном связующем, а также прошивные с металлическими (алюминиевые сплавы), тканевыми и бумажными обкладками.

Минераловатные материалы широко применяются в строитель­ стве:в лёгких штукатурных системах для наружного утепления фасада, в наружных стенах с утеплителем с внутренней стороны.

Полужесткие плиты, выдерживающие нагрузку до 5 кН/м², и жесткие плиты, выдерживающие нагрузку до 12 кН/м², применяются:

а) в наружных стенах с утеплителем внутри стен (трехслойные стеновые панели, слоистая кирпичная кладка и др);

б) в качестве основания под мастичную кровлю; в) в конструкциях скатных кровель и мансард;

г) в конструкциях перекрытий и полов (например, по грунту). Стеклянная вата и изделия из нее отличаются от минераловатных по-

вышенной упругостью и прочностью. Максимальная температура при применении – 450 °С. Изделия обладают высокой химической стойкостью, звукопоглощением, высокой деформационной способностью, гибкостью. Номенклатура и область применения изделий из стекловаты такие, как и у минераловатных.

Асбестосодержащие теплоизоляционные материалы

На основе асбестового волокна выпускают бумагу, ткань, шнур, плиты. Асбестовое волокно используется в качестве микроармирующего компонента в композиционных материалах (совелит и др.).

Асбестовая бумага – огнестойкий листовой и рулонный материал. Толщина – 0,3-1,0 мм. Бумагу в рулонах выпускают шириной 670, 950 и 1150 мм. Средняя плотность – 650-1500 кг/м³, предельная температура применения – 500 °С.

Асбестовый картон – изготавливают из смеси асбестового волокна с каолином и крахмалом. Средняя плотность – 900-1000 кг/м³. Применяют для изоляции труб, тепловых установок.

Асбестовую ткань – выпускают в рулонах длиной до 25 м и шириной 1000-1500 мм, толщина – до 3 мм.

Пеноасбест – получают тонким дисперсированием асбеста – механическим и последующим химическим (с помощью химических реагентов). Средняя плотность – 25-60 кг/м³, коэффициент теплопроводности – 0,028-0,045 Вт/м·°С.

308 Глава 11.  Теплоизоляционные и акустические материалы

Асбозурит – сухая смесь, содержащая 15-30 % асбестового волокна, 70-85 % трепела или диатомита. Если смесь содержит слюду, материал называется асбослюдой. Используют для мастичной теплоизоляции. Затворяют сухую смесь водой и наносят на изолируемую поверхность слоями, с послойной сушкой. Средняя плотность изоляции – 450-850 кг/м³. Предельная температура применения – 600 °С.

Асбестоцементные изделия – получают из смеси, содержащей 50 % асбестового волокна и 50 % портландцемента. Изделия формуют из текучей смеси на вакуум-прессах и по окончании процессов схватывания пропаривают и сушат. Изготавливают плиты толщиной до 30 мм и скорлупы. Марки плит: 300, 400 и 500. Предельная температура применения – 400 °С. Применяют для изоляции труб.

Асбестоизвестковокремнеземные изделия (вулканит) – получают из смеси, содержащей 10-15 % асбестового волокна 6 сорта, 20-25 % гидратной извести и 65-70 % диатомита или трепела. Способом литья в формах изготавливают плиты, которые направляются на автоклавную обработку. Средняя плотность плит 350-400 кг/м³. Температура применения – до 400 °С

Совелит – получают из доломита и асбестового волокна. Доломит предварительно подготавливают – обжигают при температуре 900-1000 °С, гидратируют и карбонизируют. После сушки полученный материал смешивают с асбестовым волокном 5-6-го сорта. Используется в виде сухой смеси, которая затворяется водой и наносится на изолируемую поверхность, а также для производства плит. Средняя плотность – не более 450 кг/м³ (марки 350 и 400). Предельная температура применения – 550 °С. Применяется для изоляции трубопроводов (мастичная теплоизоляция).

Вспученные материалы

При изготовлении материалов и изделий вводят газообразующие добавки, которые разлагаются при повышенной температуре. К этой группе относят пеностекло, вспученные вермикулит и перлит, а также газобетон и газосиликат.

Пеностекло можно получать из стекольных сырьевых шихт, содержащих кварцевый песок и соду, а также из стеклобоя. В сырьевую смесь вводят газообразователь – каменноугольный кокс, антрацит, известняк, мрамор.

При производстве пеностекла из стекольной сырьевой шихты сырье расплавляют в ванных печах, получают стекломассу, которую гранулируют в бассейнах с водой. При использовании стеклобоя операция варки отсутствует. Гранулят или стеклобой измельчают с газообразователем, загружают в формы и подают в тоннельную печь. Максимальная температура обжига 600-1000 °С, температура разложения газообразователя должна быть на 50-70 °С выше температуры размягчения стеклянного

309

порошка. При нагревании происходит спекание и размягчение стекла и разложение газообразователя. Выделяющийся газ вспучивает стекломассу, образуется материал, имеющий пористую структуру. Последующее медленное охлаждение позволяет понизить уровень напряжений в пеностекле и повысить его долговечность (отжиг).

Пеностекло можно также получить формованием стекломассы, поризованной газообразователем в процессе варки стекла или поризацией размягченного стекла под вакуумом.

Пористость пеностекла достигает 80-95 %, марки по средней плотнос- ти – 200 и 300, предел прочности при сжатии – 0,5-1,0 МПа. Пеностекло обладает низкими водопоглощением и гигроскопичностью, выдерживает до 50 морозосмен. Предельная температура при применении – 400 °С.

В зависимости от свойств пеностекло подразделяют на влагозащитное, строительное, декоративное, облицовочное, декоративно-акустическое, высокотемпературное. Применяется для изоляции промышленных установок, холодильников, для теплоизоляции стен, перекрытий, кровли.

Вспученный вермикулит и изделия из него получают вспучиванием при обжиге природного вермикулита и гидрослюд. Вспучивание производят в горизонтальных трубчатых печах. Сырье непрерывно подается в зону обжига (температура 900-1100 °С). Вспучивание обусловлено испарением химически связанной воды и раздвижкой пластинок вермикулита.

Применяется как сыпучий теплоизоляционный материал. Марки: 100, 150 и 200; обладает высокой отражательной способностью и теплостойкостью (до 1200 °С). Вспученный вермикулит используется в качестве заполнителя в особо легких бетонах марок 300, 350 и 400 на различных вяжущих веществах, минеральных и органических, применяется для изоляции промышленного оборудования, трубопроводов.

Вспученный перлит и изделия из него получают вспучиванием при обжиге горных пород, состоящих из вулканического стекла и содержащих воду обсидиана, перлита, пехштейна. Средняя плотность вспученного перлита: щебня – 300-600 кг/м³, песка – 80-300 кг/м³. Марки 100, 150, 200 и 250. Максимальная температура при применении – 900 °С. Перлит гигроскопичен, водопоглощение по объему достигает 60 %.

Щебень и песок используют в качестве сыпучих теплоизоляционных материалов, а также заполнителей для легких бетонов и строительных растворов.

На основе перлитового щебня и песка в сочетании с различными минеральными и органическими вяжущими получают битумоперлит, цементоперлит, пластперлит (на синтетических смолах), гипсоперлит (на гипсовом вяжущем), стеклоперлит (на жидком стекле), силикатоперлит (на основе извести и кварцевого песка). При обжиге получают керамоперлит, керамоперлитофосфат, перлитовый легковес.

310 Глава 11.  Теплоизоляционные и акустические материалы

Битумоперлит применяют для утепления и гидроизоляции кровли, пластоперлит – в трехслойных стеновых панелях, цементоперлит – в качестве тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов, керамоперлит – для изоляции оборудования с температурой на поверхности до 900 °С.

Газобетон и газосиликат – ячеистые бетоны на основе портландцемента (газобетон) и смеси извести и измельченного кварцевого песка (газосиликат). Технологии производства газобетона и газосиликата приведены в гл. 6 «Бетоны». В качестве теплоизоляционных применяются газобетоны и газосиликаты со средней плотностью 300-500 кг/м³, предел прочности при сжатии – 0,4-1,2 МПа, водопоглощение – до 30 %, предельная температура использования – 400 °С. Применяются при строительстве жилых зданий (стены, перекрытия), изоляции тепловых сетей и оборудования. Теплоизоляционные газо- и пенобетоны применяются в кирпичных стенах с внутренней стороны, в каркасных зданиях – для заполнения каркаса.

Вспененные теплоизоляционные материалы

Вспененные материалы получают смешиванием формовочной массы, затворенной водой, с технической пеной. К этой группе относятся пенобетон, пеносиликат, пенодиатомовые изделия.

Пенобетон и пеносиликат. Для теплоизоляции используются легкие бетоны со средней плотностью менее 500 кг/м³. Производство этих бетонов и их свойства приведены в гл. 6 «Бетоны». Область применения пенобетона и пеносиликата в строительстве аналогична области применения газобетона.

Пенодиатомовые и пенотрепельные изделия. Получают из пенодиатомовой или пенотрепельной смеси путем литья. Диатомит или трепел сушат, измельчают, затворяют водой, получают шликер, который смешивают с пеной. Пеномассу разливают в формы и сушат в сушильной камере. Высушенные блоки извлекают из форм и обжигают при максимальной температуре 800-830 °С. После обжига блоки опиливают так, чтобы получить изделия стандартных размеров. Выпускают кирпич 250×123×65 мм и блоки 500×250 мм толщиной 65 мм, 100 и 125 мм. Марки 350, 400 и 500. Предел прочности при сжатии 0,68 и 1,0 МПа, предельная температура применения – 900 °С. Используются для изоляции печей и промышленного оборудования.

Материалы с выгорающими добавками. Пористые диатомовые и трепельные изделия изготавливают также с выгорающими добавками. Диатомит или трепел сушат, измельчают и смешивают с древесными опилками или торфяной крошкой. Смесь увлажняют, изделия получают способом пластического формования на ленточном прессе. Сырец высушивается и