Теплоизоляционные материалы


Ю. А. ЩЕПОЧКИНА, Н. К. КАСАТКИНА






ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 66.02:699.86
ББК 38.637
     Щ59


Рецензенты:
инженер-технолог АО «Дмитровский завод газобетонных изделий» (Московская область) А. С. Быков;
д. т. н., профессор кафедры архитектуры и строительных материалов Ивановского государственного политехнического университета В. А. Огурцов





     Щепочкина, Ю. А.
Щ59 Теплоизоляционные материалы : учебное пособие / Ю. А. Щепочкина, Н. К. Касаткина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022 - 112 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0960-5

     Приведены способы создания пористой структуры. Рассмотрены технологические процессы и оборудование для изготовления теплоизоляционных материалов. Основное внимание уделено перспективным материалам, имеющим ячеистое строение (газо- и пенобетоны, пеностекло).
    Для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство». Может быть полезно инженерно-техническим работникам предприятий строительной индустрии.

УДК 66.02:699.86
ББК 38.637












ISBN 978-5-9729-0960-5

     © Щепочкина Ю. А., Касаткина Н. К., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            Оглавление



  Введение.................................................... 5

  1. Особенности строения теплоизоляционных материалов............ 6
    1.1. Классификация теплоизоляционных материалов и их свойства... 6
    1.2. Способы получения пористой структуры................ 12

  2.  Древесно-волокнистые плиты............................. 23
    2.1. Виды древесно-волокнистых плит и их свойства........ 23
    2.2. Сырьевые материалы для производства плит и их подготовка. 24
    2.3. Технология производства древесно-волокнистых плит........ 25

  3.  Фибролитовые плиты..................................... 29
    3.1. Виды фибролитовых плит и их свойства................ 29
    3.2. Сырьевые материалы для производства фибролитовых плит.... 30
    3.3. Технология производства фибролитовых плит........... 31

  4.  Ячеистый бетон......................................... 32
    4.1. Структура и свойства ячеистого бетона............... 32
    4.2. Технология производства ячеистого бетона............ 33
    4.3. Перспективные направления повышения качества ячеистого бетона......................................... 43

  5.  Вспученные перлит и вермикулит......................... 44
    5.1. Вспученный перлит................................... 44
    5.2. Вспученный вермикулит............................... 48
    5.3. Изделия на основе вспученного перлита и вермикулита...... 52

  6. Асбестосодержащие теплоизоляционные материалы................ 58
    6.1. Асбест и его свойства............................... 58
    6.2. Совелитовые изделия................................. 60
    6.3. Асбестоизвестковые кремнеземистые изделия........... 63
    6.4. Асбестомагнезиальные изделия........................ 64


3

  7.  Минеральная вата........................................ 65
    7.1. Структура и свойства минеральной ваты................ 65
    7.2. Сырьевые материалы для производства минеральной ваты. 66
    7.3. Плавлениесырья...................................... 68
    7.4. Силикатные расплавы................................. 74
    7.5. Переработка силикатного расплава в волокно.......... 76
    7.6. Изделия из минеральной ваты......................... 78
    7.7. Тепловая обработка изделий из минеральной ваты...... 84

  8.  Стеклянное волокно и вата.............................. 87
    8.1. Свойства стеклянного волокна........................ 87
    8.2. Подготовка сырья и варка стекла..................... 88
    8.3. Способы получения стеклянного волокна............... 88

  9.  Пеностекло.............................................. 91
     9.1. Структура и свойства пеностекла..................... 91
     9.2. Сырьевые материалы для производства пеностекла порошковым способом..................................... 92
     9.3. Технология производства пеностекла порошковым способом.... 93

  10. Пенопласты............................................. 98
     10.1. Пенополистирол.................................... 98
     10.2. Пенополиуретан................................... 103

  Заключение................................................ 106

  Библиографический список.................................. 107


4

            Введение



     В Российской Федерации более 40 % общего объема вырабатываемой тепловой энергии тратится на отопление жилых и промышленных зданий. Значительно сократить потери тепловой энергии через наружные стены зданий возможно, применяя теплоизоляционные материалы.
     За последние десятилетия толщина стен возводимых зданий и сооружений значительно уменьшилась именно за счет применения теплоизоляционных материалов. В строительстве предпочтительно использование материалов и изделий с низким коэффициентом теплопроводности (для наружных стен не более 0,25 Вт/(м °К). В европейских странах после 2021 г. этот коэффициент не будет превышать значения 0,2 Вт/(м °К).
     Общим свойством теплоизоляционных материалов является их малая теплопроводность, которая объясняется наличием большого количества пор, заполненных воздухом. Воздух, как известно, является плохим проводником тепла. Отличительная особенность строения всех теплоизоляционных материалов - высокая пористость. Благодаря высокой пористости теплоизоляционные материалы относятся к числу эффективных материалов, позволяющих существенно снизить массу строительных конструкций и тем самым уменьшить транспортные и ремонтные расходы, сократить расходы энергии на отопление жилых, общественных и промышленных зданий, повысить комфортность помещений.
     Современные теплоизоляционные материалы отличаются большим разнообразием: это минеральная вата, фибролит, ячеистые бетоны, пеностекло и многое другое.
     В учебном пособии рассмотрено технологическое оборудование и процессы производства лишь некоторых, наиболее востребованных в современном строительстве материалов, обобщен накопленный десятилетиями опыт их изготовления. Оговорены и те проблемы, которые предстоит решить в ближайшем будущем.
     Несмотря на широкое применение теплоизоляционных материалов, их производство является одной из молодых и активно развивающихся отраслей промышленности.

5

            1. Особенности строения теплоизоляционных материалов


        1.1. Классификация теплоизоляционных материалов и их свойства

     Теплоизоляционные материалы можно классифицировать по следующим основным признакам: по исходному сырью; структуре; форме и внешнему виду; средней плотности; жесткости (относительной деформации сжатия); теплопроводности; возгораемости [1-3, 9].
     По виду исходного сырья различают неорганические и органические материалы. К неорганическим материалам относят, например, минеральную вату, ячеистые бетоны, теплоизоляционную керамику. Органическими материалами считают древесно-волокнистые и торфяные плиты, теплоизоляционные (газонаполненные) пластмассы. Существуют еще материалы, изготовляемые из смеси неорганического и органического сырья, например, фибролит, получаемый из древесной «шерсти» и цемента, изделия из минеральной ваты на органическом связующем. Их не выделяют в отдельную группу, а условно относят или к органическим материалам (фибролит), или к неорганическим (изделия из минеральной ваты). Основанием для этого служит преобладающее содержание либо минеральной, либо органической части материала.
     По форме и внешнему виду материалы подразделяются на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, полуцилиндры, сегменты); рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты); рыхлые и сыпучие материалы (минеральная и стеклянная вата, вспученные перлит и вермикулит) [8].
     Наиболее прогрессивные теплоизоляционные материалы - штучные изделия. Самый распространенный вид изделий - плиты. Теплозащитные свойства ограждений из них лучше, чем у засыпных теплоизоляционных конструкций. Штучные изделия изготовляют в заводских условиях по установленной технологии, а качество их контролируют по соответствующим нормативным документам. Сыпучие теплоизоляционные материалы представляют собой минеральные и органические вещества в виде бесформенных волокнистых или зернистых порошкообразных масс. К сыпучим материалам относят молотый диатомит, гранулированную минеральную вату, перлитовый песок, вспученный вермикулит, торфяную крошку и др. Сыпучие теплоизоляционные материалы в сухом состоянии используют для засыпки пустот в стенах временных и облегченных зданий, для утепления чердачных перекрытий. Неорганические сыпучие материалы применяют для тепловой изоляции различного промышленного оборудования. Теплозащитные свойства засыпных конструкций зависят не только от свойств материалов, но и от способов их применения [16, 17], причем свой-


6

ства засыпной теплоизоляции существенно меняются в процессе ее эксплуата

ции.
     Различают строительно-эксплуатационные и функциональные свойства теплоизоляционных материалов.
     Важнейшими строительно-эксплуатационными свойствами считают прочностные показатели, отношение материала к действию воды, температуры, огня, химической агрессии, микроорганизмов.
     Строительно-эксплуатационные свойства предопределяют условия транспортирования, монтажа и эксплуатации изделий. Варьирование этих свойств в зависимости от условий эксплуатации, как правило, не должно существенно отражаться на функциональных свойствах материала.
     Функциональные свойства определяются основным назначением материала. Для теплоизоляционных материалов такими свойствами будут теплоизолирующая способность (теплопроводность) и предельная температура применения, а также пористость как параметр, предопределяющий качество этих материалов.
     Пористость характеризует долю (процентное содержание) газовой (воздушной) фазы в объеме материала. Принято подразделять пористость на истинную (общую), кажущуюся (открытую) и закрытую. Истинная (общая) пористость характеризует отношение общего объема всех пор к объему материала (в процентах). Кажущаяся (открытая) пористость - это отношение общего объема сообщающихся пор к объему материала (в процентах). Закрытая пористость характеризует объем закрытых пор в объеме материала (в процентах) [8].
     Истинную пористость теплоизоляционных материалов обычно определяют расчетным путем исходя из значений плотности и средней плотности материала. Кажущуюся пористость оценивают экспериментальными методами по объему пор, заполненных водой. Закрытую пористость рассчитывают по показателям истинной и открытой пористости. Большое влияние на свойства теплоизоляционного материала оказывает вид пористой структуры. Существуют следующие виды пористой структуры: ячеистая (например, изделия из ячеистого бетона, пеностекла), волокнистая (например, изделия из минеральной ваты), зернистая (например, перлитовые изделия). Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения истинной пористости не являются величиной постоянной.
     Объем истинной пористости зависит от содержания в материале твердой фазы, которая определяет механические, а следовательно, в значительной степени эксплуатационные свойства изделий. Поэтому превышение рациональных значений общей пористости приводит к резкому снижению прочностных и увеличению деформативных показателей материала. Оптимальное содержание 7

твердой фазы в теплоизоляционных изделиях зависит от прочности и характера распределения структурообразующего материала: чем выше его прочность и степень омоноличивания (связанности), тем больше может быть истинная пористость теплоизоляции.
     На свойства теплоизоляционных материалов большое влияние оказывают размеры, форма и расположение пор. Лучшие показатели теплоизолирующей способности имеют материалы с мелкими замкнутыми сферическими порами. С увеличением размеров пор и превращением их в открытые каналы ухудшаются теплозащитные свойства материалов, так как воздух, заключенный в порах, свободно перемещается, что приводит к снижению теплопроводности материалов. Такие материалы легко увлажняются, что также ухудшает их свойства [2, 3].
     Размер пор у различных теплоизоляционных материалов колеблется в широких пределах, но обычно не превышает 3-5 мм. Материалы волокнистой структуры характеризуются преимущественно сквозными каналами, и определить размеры их пор трудно. Характер, размеры и количество пор во многом зависят от способов получения высокопористого материала.
     Форма пор в ряде случаев является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов. Так, для изделий с порами эллиптической формы прочность и теплопроводность зависят от направления приложения нагрузки и температурного поля. Если нагрузка действует вдоль оси эллипса, то прочность бетона выше, чем при нагружении в перпендикулярном направлении. Для теплопроводности наблюдается обратная зависимость.
     Высокопористая структура определяет все основные свойства теплоизоляционных материалов: среднюю плотность, прочность, теплопроводность. Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость теплоизоляционных материалов и значительное снижение конвективной составляющей теплопередачи.
     За основу подразделения теплоизоляционных материалов на марки может быть принята средняя плотность материала в сухом состоянии.
     Средняя плотность материала - это величина, численно равная массе единицы объема этого материала в естественном состоянии (вместе с имеющимися в нем порами и пустотами); выражается в килограммах на кубический метр. Среднюю плотность материала можно определять после предварительного высушивания его до постоянной массы или в состоянии естественной влажности.
     Объем жестких изделий находят, измеряя их линейные размеры. Для изделий неправильной геометрической формы объем рассчитывают по объему песка или воды, вытесненной образцом изделия. Объем зернистых и порошко-

8

образных материалов определяют в мерных сосудах в свободной засыпке, объем рыхлых волокнистых материалов - в металлических цилиндрах под грузом.
     Теплоизоляционные материалы по средней плотности подразделяются на материалы особо низкой плотности - менее 75 кг/м³, низкой плотности - менее 175 кг/м³, средней плотности - менее 350 кг/м³, плотные - менее 600 кг/м³ [8].
     Прочность - это способность материалов сопротивляться разрушению при действии внешних сил, вызывающих деформации и внутренние напряжения в материале. Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности, то есть наибольшим напряжением в материале, соответствующим нагрузке, при которой происходит либо разрушение образца, либо изменение линейных размеров (деформация) образца. Теплоизоляционные материалы имеют пористое строение, поэтому обладают небольшой механической прочностью (до 1 МПа), и лишь отдельные материалы имеют прочность до 5 МПа. Поскольку повышение пористости приводит к уменьшению теплопроводности, но отрицательно сказывается на прочности, то необходимо стремиться к наилучшему сочетанию этих свойств. Значительное влияние на прочность материалов с ячеистой пористостью оказывают однородность распределения пористости и средний диаметр пор. Прочность материалов с зернистой структурой зависит прежде всего от прочности единичного зерна, материалов с пористокапиллярной структурой - от вида связующего, сцепления связующего с волокном, от ориентации волокон. Прочность материалов ячеистой структуры обычно характеризуется прочностью на сжатие, волокнистой структуры - на изгиб [1-6, 24].
     Один из основных показателей физико-механических свойств теплоизоляционных материалов - предел прочности при сжатии - зависит в первую очередь от объема твердой фазы и ее прочностных характеристик, а также от параметров пористой структуры. Для характеристики гибких материалов и изделий используют предел прочности при растяжении, например, для мягких плит из минеральной ваты. Теплоизоляционные изделия волокнистого строения под действием сжимающих нагрузок не разрушаются, а только сжимаются. Такие материалы (изделия) характеризуются сжимаемостью. Физико-механические свойства определяют на специальных машинах, где к образцам материала в зависимости от вида характеристики прикладывается усилие - растягивающее, изгибающее, сжимающее. Это прессы, разрывные машины. Физико-механические свойства выражаются в единицах отношения массы приложенной нагрузки к площади приложения сил, например в кг/см² или МПа. Кроме того, некоторые свойства, например, сжимаемость, могут выражаться в процентах (%). Теплоизоляционные изделия бывают мягкими (сжимаемость при удельной нагрузке 2 кПа свыше 30 %), полужесткими (сжимаемость при удельной нагрузке 9

кПа 6-30 %), жесткими (сжимаемость при удельной нагрузке 3 кПа до 6 %), повышенной жесткости (сжимаемость при удельной нагрузке 40 кПа до 10 %) и твердыми (сжимаемость при удельной нагрузке 100 кПа до10 %)[3].
     Теплопроводность является важнейшим показателем теплоизоляционных материалов. Теплопроводность - вид теплопередачи (теплообмена), то есть процесс переноса энергии (в форме теплоты) от одной части тела к другой. Теплопроводность характеризуется количеством тепла (Дж), проходящего в течение 1 часа через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м² при разности температур на противоположных плоскопараллельных плоскостях в 1 К. По теплопроводности (при температуре 25 °C) материалы подразделяются на следующие классы: с низкой теплопроводностью - до 0,06 Вт/(м °К); со средней - 0,06-0,115 Вт/(м °К); с повышенной - 0,115-0,175 Вт/(м °К) [4].
     Высокие теплозащитные свойства теплоизоляционных материалов объясняются тем, что они содержат значительное количество мелких пор, заполненных воздухом, который плохо проводит тепло. Теплопроводность теплоизоляционных материалов зависит от их плотности, влажности и температуры. Обычно с уменьшением плотности снижается и теплопроводность. Однако для волокнистых материалов это не характерно. Минеральная вата имеет наименьшую теплопроводность в том случае, если ее плотность равна 100-125 кг/м³. Это объясняется тем, что у волокнистых материалов пониженная плотность создается обилием каналов, по которым возможно движение воздуха, связанное с переносом тепла.
     Теплопроводность зависит от химического состава и молекулярного строения веществ. Вещества простые по химическому составу и строению более теплопроводны, чем сложные. Теплопроводность газов зависит от их молекулярной массы и числа атомов в молекуле. В зависимости от физического строения веществ теплопроводность кристаллических тел больше, чем аморфных. Теплопроводность жидкости тем больше, чем выше ее удельная теплоемкость. При увлажнении теплоизоляционных материалов их теплозащитные свойства резко ухудшаются, так как вода, замещающая в порах воздух, имеет теплопроводность значительно выше, чем воздух. C повышением температуры теплопроводность возрастает, особенно это характерно для материалов с крупными порами [4, 5].
     Как уже отмечалось выше, свободная вода в составе строительных материалов всегда ухудшает их строительно-эксплуатационные свойства: снижает прочность, морозостойкость, биостойкость. В теплоизоляционных материалах может присутствовать технологическая вода (она остается в изделиях при изготовлении) и эксплуатационная вода, приобретаемая материалом при транспортировании, монтаже и эксплуатации. Влажность - это содержание в мате-

10

риале свободной воды, которая химически с ним не связана и удаляется из материала при сушке его до постоянной массы. Определяют влажность как разницу в массе навески до и после сушки. Различают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность - отношение массы воды, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала. Относительная влажность материала - отношение массы влаги, содержащейся в материале, к его массе во влажном состоянии. Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу при непосредственном соприкосновении с водой (например, при погружении). Количество поглощенной образцом воды, отнесенное к массе сухого материала, характеризует массовое водопоглощение, а к объему материала - объемное водопоглощение. Водопоглощение материала всегда меньше истинной (общей) пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окружающей средой и не доступной для проникновения воды. Гигроскопичность (сорбционная влажность) - свойство материала поглощать водяные пары, находящиеся в воздухе. Изделия, имеющие структуру с открытыми, а следовательно, с сообщающимися порами, более влагоемки. Важным свойством материалов является их водостойкость. Водостойкость - это способность материалов (изделий) сохранять свою прочность при увлажнении. Принято считать материалы водостойкими, если их прочность после увлажнения снизилась не больше чем на 25 % от первоначальной прочности в сухом состоянии. Степень понижения прочности материалов, насыщенных водой, характеризуется коэффициентом размягчения, который представляет собой отношение прочности материала в насыщенном водой состоянии к прочности сухого материала. Однако следует учитывать, что для характеристики многих теплоизоляционных материалов (например, изготовленных с применением гипсовых вяжущих) этим показателем пользоваться нельзя, так как насыщение водой таких материалов приводит к необратимым изменениям их структуры. Увлажнение в значительной степени влияет на морозостойкость материала, его способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное, требуемое по условиям долговечности число циклов попеременного замораживания и оттаивания без признаков разрушения или допустимого снижения прочности. Для защиты теплоизоляционных материалов от увлажнения и повышения их морозостойкости применяют защиту поверхности материалов водонепроницаемыми покрытиями, гидрофобизацию поверхности, закупорку входов в капилляры водостойкими и водонепроницаемыми веществами. Для органических теплоизоляционных материалов особенно важна биостойкость, способность противостоять действию микроорганизмов.
Температуростойкость - это способность материала сохранять свои физические свойства (структуру, прочность, плотность, форму) без существенных 11

изменений при различных температурных воздействиях. Ее определяют по температурной линейной усадке или расширению, механической прочности, плотности. Температуростойкость зависит от вида пористой структуры, характера омоноличивания материала, химического и минералогического состава его компонентов, геометрии изделий, интенсивности изменения температуры.
     По возгораемости (способности выдерживать действие пламени) материалы бывают несгораемыми, трудносгораемыми, сгораемыми. Несгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются и не тлеют [12]. К ним относятся все неорганические материалы, например, минеральная вата, вспученные перлит и вермикулит. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются, тлеют, но после удаления источника тепла горение и тление прекращаются, при этом потеря массы у таких материалов не превышает 15-20 %. Это неорганические материалы с малой добавкой органического связующего (перлитобитумные плиты) или органические материалы, обработанные антипиренами. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют, теряя более 20 % массы. После удаления источника тепла они, как правило, продолжают гореть или тлеть. К таким материалам относится большинство органических материалов.
     Для повышения устойчивости материалов к действию огня осуществляют предварительную минерализацию сырья, пропитку готовых изделий антипиренами, наносят на изделия огнезащитные составы, например силикатные краски.

        1.2. Способы получения пористой структуры

     При формовании пористой структуры в теплоизоляционных материалах стремятся достичь максимальных значений пористости (минимальной средней плотности), получить оптимальные характеристики пористой структуры, чтобы улучшить функциональные показатели качества изделий, снизить теплопроводность без значительного снижения прочности, а также повысить экономические показатели [4, 8, 11].
     Оптимальной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в объеме материала пористость в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор. Форма пор должна приближаться к правильному додекаэдру (двенадцатиграннику). Чтобы получить высокие значения пористости и добиться рационального ее строения (что обеспечивает улучшение строительно-эксплуатационных свойств теплоизоляции), необходимо оптимизировать следующие характеристики ячеистой структуры: однородность распределения пористости в объеме материала, тол-


12