Теплоизоляционные материалы
Определение и классификация. Теплоизоляционные материалы — материалы, имеющие теплопроводность не более 0,175 Вт/(м×К) и соответственно среднюю плотность до 600 кг/м3, т. е. самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах материала имеет гораздо меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество.
Поскольку теплопроводность материалов напрямую связана с его пористостью, а пористость со средней плотностью, то с достаточной степенью точности можно установить и связь между плотностью и теплопроводностью материала. Чем ниже средняя плотность материала, тем больше в нем пор и тем ниже его теплопроводность. В зависимости от плотности теплоизоляционные материалы подразделяются на марки (кг/м3): D15, D25, D35, D50, D75, D100, D125, D150, D200, D250, D300, D350, D400, D500 и D600.
В условиях эксплуатации теплопроводность строительных материалов зависит также от структуры пористости, влажности, температуры окружающей среды и других факторов. Другими, не менее важными, качественными характеристиками теплоизоляционных материалов являются: сжимаемость, водопоглощение, сорбционная влажность, гидрофобность, паропроницаемость, водоотталкивающие свойства, водостойкость, негорючесть, надежность и долговечность, звукоизоляционные характеристики, экологичность и возможность проведения монтажных работ вне зависимости от сезона.
По теплопроводности теплоизоляционные материалы делят на три класса: низкой — до 0,06; средней — 0,06...0,115 и повышенной — 0,115...0,175 Вт/м×К. Причем согласно требованиям европейского стандарта СЕ использование показателя теплопроводности γ предполагается с обеспеченностью 90/90. Это означает, что данный показатель будут иметь 90% продукции в 90% проведенных испытаний. Для упрощения восприятия показатель теплопроводности γ указывают в мВт (м×К): например, индекс 35 показывает, что γ = 0,035 Вт/(м×К).
По составу исходного сырья теплоизоляционные материалы подразделяют на органические, неорганические и комбинированные (ГОСТ 16381).
По внешнему виду и форме они могут быть рыхлые (минеральная вата) и сыпучие (перлитовый песок), штучные (блоки, кирпичи, плиты), рулонные (маты) и шнуровые (жгуты).
По структуре и строению бывают — мелкопористые ячеистые (как пена), волокнистые (как вата), зернистые (воздух находится в межзерновом пространстве) и пластинчатые (воздушные прослойки заключены между листами материала).
Номенклатура применяемых в строительстве теплоизоляционных материалов довольно широкая. Однако реально рынок представлен практически тремя видами материалов: на основе минеральной ваты, органических пенопластов и ячеистых бетонов. Это объясняется в первую очередь простотой технологии их производства, большой сырьевой базой и высокими эксплуатационными характеристиками.
Разновидности теплоизоляционных материалов и изделий. Минеральная вата — волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород, металлургических шлаков и их смесей (ГОСТ 4640). В зависимости от исходного сырья минеральную вату различают:
► шлаковую (сырьем служат металлургические и другие шлаки);
► стеклянную (из отходов стекла и других силикатных материалов);
► каменную, или горную (из осадочных или изверженных горных пород (андезиты, базальты и др.).
Ведущие мировые производители в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать супертонкое минеральное волокно высокого качества и с длительным сроком эксплуатации. Изделия из каменной ваты благодаря своеобразной пористо-волокнистой структуре, не имеющей определенной направленности волокон, практически не дают усадки и не подвержены температурным деформациям. Это обеспечивает им высокие теплоизоляционные свойства, прочность и долговечность, а также сохранение первоначальных геометрических размеров в течение всего срока эксплуатации. Срок службы изделий, например из базальтового волокна, в несколько раз выше аналогичных изделий из шлаковаты и достигает 30...40 лет, а теплопроводность»- 0,027—0,035 Вт/(м-К).
Минераловатные изделия получают из минеральных волокон (минеральной ваты) путем скрепления их с помощью связующего или другими способами (рис. 13.8).
Войлок — получают в виде листов и полотнищ путем уплотнения минеральной ваты слегка пропитанной дисперсиями синтетических смол.
Минераловатные маты (ГОСТ 21880) представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизиро- ванной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой и прошитый прочными нитями или тонкой проволокой.
Минераловатные плиты, скорлупы, цилиндры и полуцилиндры различной жесткости производят путем пропитки минерало- ватного ковра синтетическим связующим и уплотнения с последующей термообработкой (ГОСТ 9573 и 23208). Плотность их в зависимости от степени уплотнения составляет 50...250 кг/м3.
Рис. 13.8. Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты: а — минеральный войлок;
б- полужесткие плиты; в - полуцилиндры; г - прошивной мат
Пеностекло — ячеистый материал, получаемый спеканием порошка стеклянного боя с газо- или пенообразующими добавками. В результате образуется легкий пористый материал (пористостью 80...95%), состоящий из герметично замкнутых гексагональных и сферических стеклянных ячеек. Такая структура материала исключает взаимодействие газовой среды ячеек с атмосферой и обусловливает неизменность его физико-технических характеристик во времени. Выпускается в виде плит, блоков и гранулята.
В зависимости от назначения, физико-технических свойств и номенклатуры изделий пеностекло подразделяется на теплоизоляционное, декоративно- акустическое, облицовочное и гранулированное. Изделия из пеностекла могут выпускаться в виде плит, засыпной теплоизоляции (гранулированного пеностекла, пенокрошки), а также скорлуп различного назначения.
Ячеистые бетоны (СТБ 1570) характеризуются значительным количеством искусственно созданных и условно замкнутых пор размером 0,5...2 мм. Мелкие воздушные поры равномерно распределены по всей массе бетона и разделены тонкими и прочными перегородками из отвердевшего вяжущего камня. В результате образуется достаточно прочный пространственный каркас. В таких бетонах отсутствует крупный и практически мелкий заполнители. В состав ячеистых бетонов входят лишь вяжущее, тонкомолотый кремнеземистый компонент, вода и порообразователь.
В зависимости от способа образования пористой структуры такие бетоны подразделяют:
► на газобетоны (если в смесь вводится газообразователь);
► пенобетоны (если смесь смешивается с устойчивой технической пеной).
В качестве газообразователей применяют алюминиевый порошок с содержанием активного алюминия 82% и тонкостью помола 5000...6000 см2/г и др. Для получения пены используют клееканифольный, смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый и синтетические пенообразователи.
Вяжущим в ячеистых бетонах служат портландцемент и его разновидности, известь, гипс. В качестве кремнеземистого компонента используются молотые кварцевый песок и гранулированный доменный шлак, зола-унос ТЭЦ и др. Кремнеземистый компонент уменьшает расход вяжущего и усадку бетона, а также повышает качество изделий.
Основными показателями качества ячеистых бетонов являются плотность, пористость и прочность.
Плотность ячеистых бетонов колеблется в пределах от 200 до 1200 кг/м3 и косвенно характеризует пористость, которая составляет соответственно 85...60%. По плотности ячеистые бетоны подразделяются на марки D250... D800 с интервалом 50 кг/м3 и D900... D1200 с интервалом в 100 кг/м3, по прочности — на классы: В0,35... В12,5.
Ячеистые пластмассы входят в группу органических теплоизоляционных материалов. Поры в них занимают 90...98% объема материала, а на стенки приходится всего лишь 2... 10%. В зависимости от характера пор они подразделяются:
► на пенопласты (имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками);
► поропласты (как правило, с сообщающимися порами);
► со смешанной структурой.
Пено- и поропласты получают при термическом разложении газообразователей или взаимодействии компонентов (химический способ), а также в результате расширения растворенных газов при снижении давления или повышении температуры (физический способ).
По внешнему виду и способу применения ячеистые пластмассы могут быть в виде штучных изделий (в основном плит) и в виде жидковязких материалов, вспучивающихся и отвердевающихся на месте применения (заливочные пенопласты, монтажные пены).
Наибольшее распространение в строительстве получили экструдированный пенополистирол, пенополиуретаны, пенополиизоционаты, фенолоформальдегидные и карбамидоформальдегидные пенопласты.
Теплоизоляционными материалами нового поколения считаются эластичные вспененные полиэтилены (в том числе сшитые), полипропилены, полистирол. Они имеют закрытую ячеистую структуру, упруго-пластичны, не впитывают влагу, хорошо поглощают звук, гасят удары и вибрацию, т. е. сочетают в себе одновременно тепло-, паро-, гидро- и звукоизоляцию. Их можно использовать в диапазоне температур от -70 до + 100 °С. Выпускаются под различными торговыми марками: «Энерго- флекс», «Teplex», «Изолон», «Пенолон», «Пенотерм», «Поли- фом», «Пенофол» и др. Они могут также быть ламинированы (фольгированы) с одной или двух сторон алюминиевой фольгой толщиной от 7 до 30 мкм (рис. 13.9) или металлизированной полимерной пленкой, чаще всего лавсановой (полиэтилен- терефтолат). Все они выпускаются, как правило, в рулонах длиной в среднем по 25 м, шириной 120 см и толщиной от 2 до 10 мм. Некоторые фирмы выпускают такие материалы самоклеющимися — с нанесенным на одну из сторон липким слоем акрилового клея.
Рис. 13.9. Фольгированный утеплитель (пенофол)
К органическим теплоизоляционным материалам относят еще целлюлозную вату, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фибролит, арболит, камышит, торфоплиты, войлочные изделия (войлок, пакля, шевелин) и др.
В настоящее время учеными разработан совершенно новый класс теплоизоляционных строительных материалов, которые содержат в своем составе инкапсулированный парафин. Воскоподобная добавка, находящаяся в покрытии (штукатурке) толщиной всего в несколько миллиметров, при повышении наружной температуры способна расплавляться, поглощая при этом значительное количество энергии, и хранить ее как скрытое тепло, не повышая практически температуру парафина. Когда наружная температура понижается, парафин вновь возвращается в твердое состояние, высвобождая скрытое тепло.
На стадии апробирования находится и ряд других новых теплоизоляционных материалов и технологий.