Теплоизоляционные материалы

 
 
 
Ю. А. ЩЕПОЧКИНА, Н. К. КАСАТКИНА 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ  
МАТЕРИАЛЫ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
91 
 

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 ма- 
териалов. 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 
2 
 

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 
 

98 
103 
 
106 
7. Минеральная вата.................................................................................. 
65 
7.1. Структура и свойства минеральной ваты......................................... 65 
7.2. Сырьевые материалы для производства минеральной ваты.......... 66 
7.3. Плавление сырья................................................................................ 
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............................................................................................ 
10.1. Пенополистирол............................................................................. 
10.2. Пенополиуретан............................................................................. 
 
Заключение.................................................................................................. 
 
Библиографический список...................................................................... 107 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

Введение 
 
В Российской Федерации более 40  общего объема вырабатываемой те- 
пловой 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 те- 
плопроводность, которая объясняется наличием большого количества пор, заполненных воздухом. Воздух, как известно, является плохим проводником те- 
пла. Отличительная особенность строения всех теплоизоляционных материа- 
лов – 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 ближай- 
шем 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 [13, 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 сме- 
си неорганического и органического сырья, например, фибролит, получаемый 
из древесной «шерсти» и цемента, изделия из минеральной ваты на органиче- 
ском 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 обо- 
рудования. Теплозащитные свойства засыпных конструкций зависят не только 
от свойств материалов, но и от способов их применения [16, 17], причем свой6 
 

ства засыпной теплоизоляции существенно меняются в процессе ее эксплуатации. 
Различают строительно-эксплуатационные и функциональные свойства 
теплоизоляционных материалов.  
Важнейшими строительно-эксплуатационными свойствами считают проч- 
ностные 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 пори- 
стость характеризует объем закрытых пор в объеме материала (в процентах) [8]. 
Истинную пористость теплоизоляционных материалов обычно определя- 
ют 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 сле- 
дующие 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 по- 
рах, свободно перемещается, что приводит к снижению теплопроводности материалов. Такие материалы легко увлажняются, что также ухудшает их свой- 
ства [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 те- 
плоизоляционных 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 еди- 
ницы 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 порошко8 
 

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 наи- 
лучшему 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 пористо- 
капиллярной 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-механиче- 
ские свойства выражаются в единицах отношения массы приложенной нагруз- 
ки 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 на- 
грузке 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 до 10 ) [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 °С) 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 объяс- 
няются 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 бо- 
лее 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 тепло- 
емкость. При увлажнении теплоизоляционных материалов их теплозащитные 
свойства резко ухудшаются, так как вода, замещающая в порах воздух, имеет 
теплопроводность значительно выше, чем воздух. С повышением температуры 
теплопроводность возрастает, особенно это характерно для материалов с круп- 
ными 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 мате10