Задача 8.1

Определить теплопроводность стекла. Содержание в стекле каждого из оксидов (% по массе) принять по табл. 5. Удельные коэффициенты теплопроводности соответствующих оксидов в стекле принять по табл. 6.

Таблица 5

Таблица 6

9. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Применение теплоизоляционных материалов при проектировании зданий позволяет значительно экономить основные строительные материалы, снижать вес конструкций и расход топлива на обогрев помещений при отрицательных температурах.

К теплоизоляционным относятся неорганические и органические материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции стро­ительных конструкций зданий и сооружений, технологического обо­рудования, средств транспорта, трубопроводов.

Теплоизоляционные материалы должны:

– при температуре 25 ºС обладать коэффициентом теплопровод­ности не более 0,175 Вт/(м׺С);

– иметь среднюю плотность не более 500 кг/м³;

– обладать стабильными физико-механическими и теплотехническими свойствами;

– не выделять токсических веществ и пыли сверх предельно до­пускаемой концентрации.

Одним из основных показателей назначения теплоизоляционных материалов является марка по средней плотности. Различают 17 ма­рок по средней плотности: от 15 до 500 кг/м³.

Основной признак теплоизоляционных материалов – высокое содержание пор и пустот в объёме материала. Газы, заполняющие поры, по сравнению с жидкостями и твёрдыми телами обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью (объясняется это удалённостью молекул газов друг от друга, что затрудняет передачу ими тепловой энергии). Так, теплопроводность воздуха λ = 0,023 Вт/(м׺С). Эта цифра справедлива для переноса тепла воздухом в спокойном состоянии. Движение воздуха (в частности, конвекция) способствует намного более интенсивному теплообмену. Поэтому теплоизоляционный материал должен состоять в основном из воздуха, лишённого способности перемещаться.

Влажность оказывает существенное влияние на теплопроводность материалов, так как у воды, замещающей воздух в порах материала, λ = 0,58 Вт/(м׺С), что в 25 раз выше, чем у воздуха. Поэтому важно, чтобы теплоизоляционные материалы в минимальной степени поглощали влагу и при эксплуатации находились в сухом состоянии.

Теплоизоляционные материалы и изделий классифицируют по следующим признакам:

По виду основного исходного сырья:

– неорганические (поризованная керамика);

– органические (газонаполненные пластмассы);

– композиционные (многослойные).

По назначению подразделяют на:

– изоляционно-строительные (утепление ограждающих конструкций);

– монтаж­ные (утепление трубопроводов и оборудо­вания).

По структуре:

– волокнистые (минераловатные, древесноволокнистые);

– ячеистые и мелкопористые (ячеистые бетоны, пеностекло, пенопласты);

– зернисто-сыпучие (перлитовые, вермикулитовые).

По форме:

– рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок);

– штучные (плиты, блоки, кирпичи);

– фасонные (цилиндры, полуцилиндры, сегменты);

– рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты).

По возгораемости (горючести):

– несгораемые;

– трудносгораемые;

– сгораемые.

По основной теплофизической характеристике (теплопроводности) делят на три класса:

– малотеплопроводные (А), λ ≤ 0,06 Вт/(м׺С);

– среднетеплопроводные (Б), λ = 0,06…0,115 Вт/(м׺С);

– повышенной теплопроводности (В), λ = 0,115…0,175 Вт/(м׺С).

По средней плотности:

– особо лёгкие (марки по плотности (кг/м³) 15, 25, 35, 50 и 75);

– лёгкие (марки 100, 125, 150 и 175);

– облегчённые (марки 200, 225, 250, 300 и 350);

– тяжёлые (марки 400, 450, 500).

По сжимаемости под нагрузкой 2×10³ Па (относительной деформации сжатия) подразделяются на:

– мягкие (М), сжимаемость свыше 30 %, P = 2×10³ Па;

– полужёсткие (ПЖ), сжимаемость 6…30 %, P = 2×10³ Па;

– жёсткие (Ж), сжимаемость до 6 %, P = 2×10³ Па.

К группе неорганических теплоизоляционных материалов относятся: минеральная и стеклянная вата и изделия из них; ячеистое стекло (пеностекло); лёгкие 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 ºС) и горячих (до 600 ºС) поверхностей. Основными видами изделий с применением минеральной ваты являются плиты полужёсткие и жёсткие на битумном и синтетическом (полимерном) связующем.

Плиты теплоизоляционные на синтетическом связующем (фенолоспирте, растворе карбамидного полимера и др.) выпускаются следующих марок: 50, 75, 125, 175, 200, 300 (по средней плотности). Длина плит 1000 мм, ширина 500; 1000 мм; толщина от 60 до 100 мм. 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. Содержание битумного связующего вещества в плитах разных марок составляет 5…18 %.

Плиты минераловатные повышенной жёсткости, изготовляемые по технологии мокрого формования гидромассы, должны иметь среднюю плотность не более 200 кг/м³, теплопроводность – не более 0,052 Вт/(м׺С), предел прочности при сжатии (при 10 %-ной деформации) не менее 0,1 МПа.

К полужёстким, 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.

Из минеральной ваты на синтетическом связующем изготовляют цилиндры и полуцилиндры для теплоизоляции трубопроводов с температурой поверхности от 180 до 400 ºС.

Стеклянная вата и изделия из неё обладают примерно теми же свойствами, что и минеральные. Эту разновидность ваты применяют для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования, трубопроводов с температурой до 450 ºС, изделия в виде плит, матов, скорлуп. Изделия могут быть оклеены с одной или двух сторон стеклотканью, алюминиевой фольгой, синтетической плёнкой и другими материалами. Они могут использоваться также в звукоизоляционных и звукопоглощающих конструкциях.

Ячеистое стекло – блоки и плиты, получаемые из измельчённого в порошок стекла (стеклянного боя) в смеси с газообразователем (известняком, антрацитом) и при обжиге (900…1000 ºС). Марки по средней плотности 200 и 300; теплопроводность при температуре 0,09…0,10 Вт/(м׺С), 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 лёгких бетонов и растворов, применяемых в монолитном и сборном строительстве. Из вспученного перлита и вермикулита с применением различных минеральных или органических связующих веществ получают жароупорные и огнеупорные изделия, а также лёгкие бетоны.

Ячеистые бетоны и силикаты применяют в качестве теплоизоляционных материалов и изделий при средней плотности ниже 400 кг/м³. 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 0,7…2 МПа; теплопроводность составляет 0,073…0,114 Вт/(м׺С). Плиты из ячеистых бетонов применяют для теплоизоляции стен и перекрытий, укрытия поверхностей заводского оборудования и трубопроводов (пластичные бетоны и растворы).

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

Органические теплоизоляционные материалы изготовляют с применением растительного сырья и отходов (побочных продуктов) лесного и сельского хозяйства. Для этих материалов с успехом используют древесную стружку, горбыли, рейки, опилки, камыш, костру, торф, очёсы льна, конопли и др. Другой важной разновидностью органических теплоизоляционных материалов являются полимерные, получаемые на основе термопластичных и термореактивных полимерных материалов.

К основным теплоизоляционным материалам с применением растительного сырья относятся древесностружечные, древесноволокнистые, фибролит, арболит, камышит, торфяные, войлочные (войлок, пакля и др.).

Древесностружечные плиты – искусственный строительный конгломерат в форме плит, изготовляемый горячим прессованием смеси измельчённой древесной стружки с полимерными веществами, выполняющими функции связующего компонента. В качестве связующего вещества применяют термореактивные смолы: мочевиноформальдегидные, фенолоформальдегидные и др. Древесностружечные плиты различают лёгкие со средней плотностью 250…400 кг/м³, полутяжёлые – средняя плотность 400…800 кг/м³ и тяжёлые – свыше 800 до 1200 кг/м³. Для теплоизоляционных целей используют только лёгкие плиты: их коэффициент теплопроводности от 0,046 до 0,093 Вт/(м׺С).

Древесноволокнистые плиты изготовляются из отходов дровяной древесины путём её измельчения в рубильной машине и расщепления в дефибраторе в волокнистую массу. Для теплоизоляции используют мягкие плиты со средней плотностью не более 150…350 кг/м³ с теплопроводностью не более 0,064…0,1 Вт/(м׺С).

Фибролит является искусственным строительным конгломератом, изготовляемым на основе неорганических вяжущих веществ (портландцемента, магнезиальных вяжущих) с применением в качестве заполняющего (армирующего) компонента древесной шерсти (тонкой древесной стружки). Используют фибролит для утепления стен и покрытий.

Арболит – искусственный строительный конгломерат, полученный из правильно подобранной смеси цемента, древесного заполнителя, химических добавок и воды. По своей структуре он представляет собой разновидность лёгкого бетона матричной частью, в котором является цементный камень. Этот материал применяют в стеновых конструкциях и как теплоизоляцию в стенах, перегородках и покрытиях зданий, особенно малоэтажных сельскохозяйственного назначения.

Камышит и камышитовые плиты получают из стеблей камыша и тростника путём прессования и скрепления стальной проволокой поперёк стеблей. Применяют для заполнения каркасных стен и перегородок. Камышитовые плиты изготовляют длиной 2400…2600 мм, шириной 550…1500 мм, толщиной 30…100 мм. Средняя плотность плит колеблется в пределах 175…250 кг/м³ при теплопроводности от 0,055 до 0,095 Вт/(м׺С).

Торфяные теплоизоляционные плиты, скорлупы и сегменты производят из малоразложившегося торфа, сохранившего волокнистое строение. Размеры плит 1000×500×30 мм, а мар­ки по средней плотности равны: 170, 200, 230, 260, что обеспечивает величину теплопроводности в пределах 0,052…0,075 Вт/(м׺С), а предел прочности при изгибе не менее 0,4 МПа. Торфяные плиты применяют для утепления стен и перегородок в зданиях, а также для изоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температурах в пределах от -60 до +100 ºС.

Полимерные теплоизоляционные материалы, получаемые на основе органических полимеров, характеризуются значительной лёгкостью, малой теплопроводностью и достаточной механической прочностью. Особый интерес представляют пено- и поропласты на основе пенополистирольных, пенополивинилхлоридных и полиуретановых полимеров.

Пенополистирол имеет пористую структуру с замкнутыми ячейками, заполненными воздухом или газом (азот и др.), Сырьём для изготовления пенополистирола служат суспензионный полистирол и порофор как вспенивающий компонент. Пенополистирол характеризуется следующими показателями физико-механических свойств: средняя плотность плит находится в пределах 20…40 кг/м³, теплопроводность 0,035…0,4 Вт/(м׺С), предел прочности при изгибе до 0,18 МПа, водопоглощение по объёму не более 2…5 % за 24 ч. Пенополистирол не подвержен гниению. Он используется в конструкциях совмещённых кровель, в строительстве холодильников, при устройстве внутренних перегородок, междуэтажных перекрытий, вентиляционных канатов, утепления стен. Пенополистирол – горючий материал; однако с помощью антипиренов получают трудновоспламеняемый пенополистирол.

Пенополивинилхлорид – жёсткий, эластичный или полуэластичный пенопласт в виде плит, по методу получения и структуре аналогичен прессовому пенополистиролу. Плотность пенополивинилхлорида 35…70 кг/м³, теплопроводность 0,04….0,054 Вт/(м׺С). Теплостойкость пенополивинилхлорида – 130…140 ºС; горючесть значительно ниже, чем у пенополистирола. Пенополивинилхлорид широко применяют для термоизоляции холодильников, рефрижераторов, а также для звукоизоляционных целей наравне с пенополистиролом

Пенополиуретаны – газонаполненные пенопласта, получающиеся на основе полиэфиров. Выпускают их в виде плит. Такие пенопласты могут быть применены в интервале температур от -60 до +170 ºС. Пенополиуретаны обладают низкой плотностью 30...50 кг/м³ и теплопроводностью при достаточно высокой прочности. Пенополиуретаны могут быть как жёсткими, так и эластичными. Пенополиуретан применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала, в виде скорлуп и сегментов; широко используют для изоляции трубопроводов горячего и холодного водоснабжения.

Сотопласты – тепло- и звукоизоляционные материалы, получаемые путём горячего формования гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, предварительно пропитанных феноло-формальдегидным резольным полимером. Физико-механические свойства сотопластов зависят в основном от формы и размеров сот и от природы материала, образующего стенки полостей. Благодаря невысокой стоимости и малой теплопроводности наиболее широкое применение в строительстве получили сотопласты с наполнителем из хлопчатобумажных тканей и бумаги. Для улучшения теплотехнических показателей материала ячейки-соты заполняют измельчённым пенопластом или стекловатой. Сотопласты применяют чаше всего как промежуточный слой при изготовлении трёхслойных высокопрочных панелей.

Вопросы для проверки

1. Какие материалы называются теплоизоляционными?

2. Классификация теплоизоляционных материалов.

3. Требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам?

4. Почему теплоизоляционные материалы делают пористыми?

5. В чем заключается технико-экономическая эффективность тепловой изоляции?

6. Почему теплоизоляционные материалы надо защищать от увлажнения?

7. Назовите теплоизоляционные материалы на основе неорганического сырья?

8. Что такое минеральная и стеклянная вата?

9. Что такое пеностекло?

10. Какие теплоизоляционные материалы производят из асбеста, перлита, вермикулита, каковы их свойства и где они применяются в строительстве?

11. Какие теплоизоляционные материалы изготавливают из органического сырья и где их применяют?

12. Назовите теплоизоляционные материалы на основе сырья растительного происхождения?

13. Какие теплоизоляционные материалы изготавливаются па основе полимеров, каковы их свойства и где их применяют?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.