Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия

ВВЕДЕНИЕ

        Теплоизоляционными называют строительные материалы, которые обладают малой теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования и агрегатов (промышленных печей, турбин, трубопроводов, камер холодильников и пр.). Эти материалы имеют небольшую среднюю плотность — не выше 600 кг/м3, что достигается повышением пористости. В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и понизить их стоимость, уменьшить расход топлива в эксплуатационный период. В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда. Чтобы получить достаточный эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются конкретные разновидности теплоизоляционных материалов и учитываются их теплофизические характеристики. Эти мероприятия позволяют успешно решать проблему экономии топливно-энергетических ресурсов.

       По основной теплофизической характеристике — теплопроводности — теплоизоляционные материалы делят на три класса: А — малотеплопроводные, Б — среднетеплопроводные и В — повышенной теплопроводности. Классы отличаются величиной теплопроводности материала, а именно: при средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б — от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В — от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К). При других средних температурах измерения теплопроводность материала возрастает согласно следующей зависимости: λt=λ0/(1+βt), где λt — теплопроводность при температуре t°C; λ0 — теплопроводность при температуре 0°С; β — температурный коэффициент, выражающий приращение теплопроводности материала при повышении его температуры на 1°С и равный 0,0025 (до 100°С — по данным О.Е. Власова). Наблюдаются исключения из этой зависимости, когда с повышением температуры материала теплопроводность его не повышается а снижается, например у магнезитовых огнеупоров, металлов.

       Самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах имеет меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество в конденсированном состоянии (твердом или жидком). При величине пор 0,1—2,0 мм воздух имеет в них теплопроводность, равную 0,023—0,030 Вт/(м-К). Пористость теплоизоляционных материалов может составлять до 90 и даже до 98%, а супер тонкое стекловолокно имеет пористость до 99,5%. Между тем, такие конструкционные материалы, как тяжелый цементный бетон, имеет пористость до 9—15%, гранит, мрамор — 0,2—0,8%, керамический кирпич — 25—35%, сталь — 0, древесина — до 70% и т. п. Поскольку пористость непосредственно влияет на величину средней плотности, теплоизоляционные материалы обычно различают не по пористости, а по средней плотности. Их делят на три группы: особо легкие ОЛ (и наиболее пористые), имеющие марку по средней плотности (в кг/м3) в сухом состоянии 15, 25, 35, 50, 75 и 100; легкие (Л) — 125, 150, 175, 200, 225, 300 и 350 и тяжелые (Т) — 400, 450, 500 и 600. Материалы, имеющие среднюю плотность между указанными марками, относят к ближайшей большей марке. При средней плотности 500—700 кг/м3 материалы используют с учетом их несущей способности в конструкциях, т.е. как конструкционно-теплоизоляционные. В целом же следует отметить, что ориентация на низкую теплопроводность воздуха в порах хотя и обоснована, но не исключает поиска менее теплопроводных средне инертных газов, вакуума и других условий работы материалов.

       Теплопроводность резке возрастает при увлажнении теплоизоляционных материалов, так как теплопроводность воды равна 0,58 Вт/(м-К), т.е. примерно в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании увлажненного теплоизоляционного материала происходит дальнейшее увеличение его теплопроводности, поскольку теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м-К), т.е. в 100 раз больше, чем воздуха в тонких порах. Очевидно, что весьма важно предохранять теплозащитный слой в конструкциях и на оборудовании от увлажнения, тем более при возможном последующем замерзании влаги. Важным свойством утеплителя является морозостойкость при защите наружных ограждающих конструкций. Кроме различия теплоизоляционных материалов по теплопроводности и средней плотности они подразделяются также:

- по виду  исходного сырья — на неорганические и органические. К неорганическим относятся минеральная и стеклянная вата (и изделия из них), вспученный перлит и вермикулит (изделия из них), ячеистые бетоны, керамические теплоизоляционные изделия и др.; к органическим — древесноволокнистые и древесностружечные плиты, камышит, теплоизоляционные пластмассы и др.;

- по форме  материалов различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, картон, матрацы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы (минераловатная смесь, вспученный перлит и др.);

- по способности  к сжимаемости под нагрузкой (относительной  деформации сжатия) теплоизоляционные  материалы делят на три вида: мягкие (М), имеющие сжимаемость свыше 30% под удельной нагрузкой 2-103 Па, полужесткие (ПЖ) — соответственно  — 6—30%, жесткие (Ж) — до 6%, повышенной  жесткости — до 10% под удельной  нагрузкой 4-103 Па и твердые —  до 10% под удельной нагрузкой 10 кПа.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

К группе неорганических теплоизоляционных материалов относятся: минеральная и стеклянная вата и изделия из них; ячеистое стекло (пеностекло); легкие бетоны с применением вспученных перлита и вермикулита; ячеистые теплоизоляционные бетоны; асбестовые и асбестосодержащие материалы; керамические теплоизоляционные изделия и огнеупорные легковесы. Отличительной особенностью неорганических теплоизоляционных материалов является их достаточная огнестойкость, малая гигроскопичность, неподверженность загниванию, низкая теплопроводность.

Минеральная вата применяется для теплоизоляции холодных (до -200°С) и горячих (до 600°С) поверхностей. Укладка ваты слоем — сравнительно трудоемкий процесс, поэтому ее чаще при засыпной изоляции превращают в гранулы во вращающемся дырчатом барабане. Однако основными видами изделий с применением минеральной ваты являются плиты полужесткие и жесткие на битумном и синтетическом (полимерном) связующем. Битумы для плит полужестких, мягких и войлока применяют с температурой размягчения 50°С и выше; из синтетических смол наибольшим применением пользуется фенолоформальдегидная водоэмульсионная или мочевиноформальдегидная смолы. Волокна минеральной ваты смешивают со связующим веществом и из полученной массы при давлении и нагревании формуют изделия.

Из минеральной ваты изготовляют плиты теплоизоляционные на синтетическом связующем (фенолоспирте, растворе карбамидного полимера и др.) марок 50, 75, 125, 175, 200, 300 (по средней плотности). Длина плит 1000 мм, ширина 500; 1000 мм; толщина от 60 до 100 мм. Предел прочности при сжатии (при 10%-ной деформации) должен быть не менее 0,04 МПа для марки 300; предел прочности при растяжении — не менее 0,01 МПа для марок 50 и 75, предел прочности при изгибе — не менее 2 и 4 МПа соответственно для марок 200 и 300. Содержание синтетического связующего от 1,5 до 8% для плит разных марок.

Теплоизоляционные плиты из минеральной ваты на битумном связующем выпускают марок: 75, 100, 150, 200, 250. Теплопроводность плит первой категории качества при температуре 25±5°С должна быть не более 0,046—0,064 Вт/(м-К). Предел прочности на растяжение при изгибе для плит марок 200 и 250 первой категории качества соответственно не менее 0,1 и 0,12 МПа, а предел прочности при растяжении для плит марок 75 и 100 соответственно не менее 0,0075 и 0,008 МПа. Содержание битумного связующего вещества в плитах разных марок составляет 5—18%.

Плиты минераловатные повышенной жесткости, изготовляемые по технологии мокрого формования гидромассы или пульпы, должны иметь среднюю плотность не более 200 кг/м3, теплопроводность — не более 0,052 Вт/(м-К) при расходе синтетического связующего не более 10%, предел прочности при сжатии (при 10%-ной деформации) не менее 0,1 МПа.

К полужестким, гибким минераловатным изделиям относят плиты и скорлупы, маты и войлочные изделия, получаемые уплотнением ваты, обработанной битумом или синтетическим связующим веществом. Выпускают прошивные маты длиной до 2500 мм, шириной до 1000 мм и толщиной 40—120 мм. По средней плотности они делятся на марки 75, 100, 125, 150, а прошивают их суровыми нитями, шпагатом, стеклянными нитями или проволокой. Эти маты выпускают с обкладками с одной или двух сторон или без обкладок. Обкладочные материалы: упаковочная бумага, металлические сетки, ткани асбестовые, стеклосетки и др.

Как и другие, теплоизоляционные материалы должны обладать определенной прочностью, хотя и не высокой, но достаточной для монтажных работ и сохранения формы изделий.

Из минеральной ваты на синтетическом связующем изготовляют цилиндры и полуцилиндры для теплоизоляции трубопроводов с температурой поверхности от 180 до 400°С. По средней плотности они подразделяются на марки: 100, 150, 200. Длина их 500, 1000 мм, толщина 40—80 мм, внутренний диаметр 18— 219 мм. Теплопроводность при температуре 25±5°С — 0,041—0,045 Вт/(м-К), а при 125°С — 0,058 Вт/(м-К). Предел прочности при растяжении для изделий разных марок не менее 0,015— 0,025 МПа (рис. 3).

Стеклянная вата и изделия из нее обладают примерно теми же свойствами, что и минеральные. Эту разновидность, ваты применяют для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования, трубопроводов с температурой до 450°С, изделия в виде плит, матов, скорлуп — для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и поверхностей промышленного оборудования при температуре до 200—450°С в зависимости от связки. В зависимости от назначения и средней плотности они подразделяются на марки: ПЖС-175 и ПЖС-200 (плиты жесткие строительные); ГШ-50 и ППС-75 (плиты полужесткие строительные); ППТ-40; ППТ-50; ППТ-75 (плиты полужесткие технические); МС-35, МС-50 (маты строительные); МТ-35 и МТ-50 (маты технические). По соглашению с потребителем изделия могут быть оклеены с одной или двух сторон стеклотканью, алюминиевой фольгой, синтетической пленкой и другими материалами. Они могут использоваться также в звукоизоляционных и звукопоглощающих конструкциях.

Ячеистое стекло — блоки и плиты, получаемые из измельченного в порошок стекла (стеклянного боя, эрклеза) в смеси с газообразователем (известняком, антрацитом) и при обжиге (900—1000°С). Марки по средней плотности 200 и 300; теплопроводность при температуре 25°С — 0,09—0,10 Вт/(м-К), предел прочности при сжатии 0,5—3,0 МПа. Плиты имеют пористость до 85—95%, размеры по длине 500 мм, ширине 400 мм, толщине 80—140 мм. Их применяют в качестве теплоизоляции ограждающих конструкций зданий (вкладыши в стеновых панелях). Они поглощают не только теплоту, но и звуковые волны.

Вспученные перлит и вермикулит составляют эффективные сыпучие теплоизоляционные материалы для засыпок и набивок полостей, но особенно в качестве заполнителей легких бетонов и растворов, применяемых в монолитном и сборном строительстве. Из вспученного перлита с применением минеральных или органических связующих веществ получают жароупорный перлитобетон с частичным введением в него молотого перлита для температур 500—700°С; перлитобетон — без добавления перлитовой молотой муки; поливинилацетатоперлит; мочевиноформальдегидоперлит и др.; изделия из керамзитоперлитобетрна, силикатоперлитовые, гипсоперлитовые, перлитоцементные, перлитобитумные изделия и т. п. Из вспученного вермикулита в нашей стране вырабатывают асбестовермикулитоперлитовые плиты и сегменты и асбестовермикулитовые плиты, скорлупы и сегменты на основе связующих веществ с применением асбеста и других добавок. Вермикулитобетон марки 50 применяют для изготовления трехслойных панелей. С использованием вспученных перлита и вермикулита можно получать материалы трех групп: 1) рядовая изоляция с температурой применения до +200°С — песок и пудра, перлитобитумная изоляция, перлитопластбетоны, лигноперлит; 2) среднетемпературная изоляция (до +600°С) — перлитоцементы, обжиговый легковес, термоперлит; 3) высокотемпературная изоляция (800—1000°С) — эпсоперлит, перлитокерамические изделия, жароупорный перлитобетон, перлитофосфатные изделия, перлитовые огнеупоры и др.

Ячеистые бетоны и силикаты применяют в качестве теплоизоляционных материалов и изделий при средней плотности ниже 400 кг/м3. По виду примененного порообразователя и вяжущего вещества их называют газобетонами, газосиликатами, пенобетонами, пеносиликатами. Эти бетоны могут быть со смешанным порообразователем и тогда их называют пеногазобетонами, пеногазосиликатами, керамзитопенобетонами и т. п. Из ячеистых бетонов обычно изготовляют плиты длиной до 1000 мм, шириной 400, 500, 600 мм, толщиной 80—240 мм. Их марки по средней плотности 350 и 400 кг/м3, а предел прочности при сжатии для изделий первой категории качества не менее 0,7—1 МПа и ≥ 0,8—1 МПа для изделий высшей категории качества; теплопроводность в сухом состоянии при температуре 25°С составляет 0,093—0,104 Вт/(м-К) и менее.

Плиты из ячеистых бетонов применяют для теплоизоляции стен (рис. 4, а, б, в) и перекрытий, укрытия поверхностей заводского оборудования и трубопроводов (пластичные бетоны и растворы).

Асбестовые и асбестосодержащие теплоизоляционные материалы представлены асбестовой бумагой, картоном, шнурами разного диаметра и пр., плитами, скорлупами, сегментами и др., мастичными изоляциями с применением порошков.

Штучные асбестоцементные теплоизоляционные изделия изготовляют из смеси распушенного асбеста V и VI сортов и цемента не ниже марки 300 с помощью прессования и сушки. Допускается частично заменять асбест минеральной ватой, а цемент — известково-трепельным вяжущим веществом. Изделия в виде плит (1000x500x30 мл скорлуп (длиной 500 мм при толщине 30—40 мм) и сегментов (длине 500 мм при толщине 50—80 мм) вырабатывают по средней плотности марок 400 и 450, прочностью при изгибе соответственно 0,2 и 0,25 MПа и теплопроводностью 0,08—0,09 Вт/(м-К). Используют для тепловой изоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре до 450°С (рис. 5).

С меньшей средней плотностью получают асбестовермикулитовые изделия путем прессования и сушки гидромассы, состоящей асбеста, вспученного вермикулита и связующих веществ. Прея смотрены три марки — 250, 300 и 350 по средней плотности (в кг/м3). Длина плит 500 и 1000 мм, ширина 500, толщина 40—100 мм, скорлупы и сегменты имеют длину 500 мм, толщину и 50 мм. Их применяют при температуре изолируемых поверхностей до 600°С (рис. 6). Предел прочности при изгибе — не менее 0,8-0,25 МПа (для разных марок), влажность — не более 5%.

Многие асбестосодержащие теплоизоляционные материалы кроме асбестового волокна, содержат 70—85% наполнителя — диатомита, трепела, магнезита и др. Целесообразно добавлять в такие смеси отходы асбошиферного производства. Представителями этой группы материалов являются асбестотрепельные (асбозурит, асботермит), асбестоизвестководиатомитовые (вулканит), иногда с частичной заменой асбеста гипсом, асбестомагнезиальные (ньювель), асбестодоломитовые (совелит) и др. С применением этих материалов изготовляют главным образом мастичную изоляцию, реже — изделия. Свежеотформованные изделия направляют в сушильные камеры, в которых они высыхают при температуре 200°С. Плиты маркируют в зависимости от средней плотности, определяют их прочность и теплопроводность, которые соответствуют теплоизоляционным материалам достаточно высокого качества.

        Особенно часто совелитовые плиты, скорлупы и сегменты используют при температурах не выше 550°С (начало разложения углекислого кальция, содержащегося в высушенном совелите). Находят широкое применение также другие разновидности асбестосодержащих материалов.