РОЗДІЛ 14. Теплоізоляційні та акустичні матеріали

Теплоізоляційними називають матеріали, які мають низьку теплопровідність і призначені для теплової ізоляції будівель­них конструкцій, промислового обладнання та трубопроводів. Засто­сування теплоізоляційних матеріалів дозволяє знизити масу огоро­джуючих та несучих конструкцій, витрати палива й електроенергії. На відміну від теплоізоляційних, акустичні матеріали при­значені для забезпечення необхідних умов слухового сприймання, зниження рівня шуму, також звукоізоляції приміщень.

Головна особливість теплоізоляційних та акустичних матеріалів - це висока пористість, яка забезпечує їх низьку тепло- та звукопро­відність.

14.1. Загальна характеристика теплоізоляційних матеріалів

Класифікація та способи отримання. Теп­лоізоляційні матеріали класифікуються (табл. 14.1) за щільністю і призначенням, будовою, видом основної сировини, формою та зовні­шнім виглядом.

Середня густина є найважливішим показником теплоізоляцій­них матеріалів. В залежності від середньої густини їх розподіляють на марки: 15, 25, 35, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700.

За призначенням теплоізоляційні матеріали класифікують на власне теплоізоляційні (для утеплення будівельних конструкцій), теп­лоізоляційно-конструкційні (одночасно несучі, огороджуючі та утеп­люючі конструкції), теплоізоляційно-монтажні (для теплової ізоляції трубопроводів і промислового обладнання), також спеціальні теплогі- дроізоляційні матеріали.

За структурою теплоізоляційні матеріали розподіляються на зе­рнисті (сипкі), ніздрюваті та волокнисті.

Зерниста структура утворюється при механічному подрібненні або грануляції вихідних матеріалів.

Ніздрювата структура може бути отримана внаслідок газоутво­рення, спінювання, спучення деяких гірських порід при швидкому на­гріванні, при введенні вигоряючих або інших добавок.

Таблиця 14.1 Класифікація теплоізоляційних матеріалів Формовані (штучні) Сипкі Жорсткі Гнучкі Неорганічні матеріали Мінераловатні з бітумним або синтетичним зв'язуючим Піноскляні Перлітні Вермикулітові Газо- й пінобетонні Газо- й піносилікатні Керамічні Азбестомісткі Мінераловатні (скловатні) мати прошивні Джгут мінераль­ний Шнур азбестомаг- незіальний Азбестовий папір, картон Мінеральна вата не- оброблена або грану­льована Скляна вата Перліт спучений Діатоміт (трепел) Шлаки і золи паливні Шлаки гранульовані доменні Пемза, вулканічний попіл Азбестотрепельний, азбестомагнезіальний порошок Органічні матеріали Деревноволокнисгі плити Деревностружечні плити Фібролітові Торфяні Комишитові плити Пластмаси пористі Войлок будівель­ний Картон гофрова­ний Мати з пористого поліуретану Пінополістирол (сті- ропор)

 

Волокнисту структуру мають теплоізоляційні матеріали із дере­вини та інших рослинних продуктів, також азбест, мінеральна або скловата. Органічні волокна отримують шляхом подрібнення дереви­ни механічним, термо- або хіміко- механічним способами. Для інтен­сифікації процесу деревину попередньо пропарюють або обробляють в лугах.

Штучні мінеральні волокна отримують шляхом плавлення гір­ських порід, металургійних шлаків, скла з наступною обробкою роз­плаву дуттєвим або відцентровим способом.

Теплоізоляційні вироби із волокнистої сировини отримують шляхом застосування різних в'яжучих (цементу, бітуму, полімерів тощо). Для скріплення волокон використовуються й інші способи: прошивання дротом, переплетіння.

Властивості теплоізоляційних матеріалів обумовлені їх високою пористістю. Показниками якості цих матеріалів є теплопровідність та середня густина, також міцність, хімічна, водо- та біостійкість, вогне- та термостійкість, газо- й паронепроникність, акустичні властивості.

Теплопровідність теплоізоляційних матеріалів дорівнює 0,029...0,21 Вт/(м-°С). Для матеріалів з високою пористістю вона є близькою до теплопровідності повітря (0,025 Вт/(м-°С)) і зменшується із зменшенням розмірів пор. Теплопровідність матеріалів знижується з ускладненням хімічного складу та при аморфній структурі, а зростає з підвищенням вологості і температури матеріалів. Деяким орієнтиром про величину теплопровідності є середня густина матеріалу.

Міцність теплоізоляційних матеріалів звичайно дорівнює 0,1...1,5 МПа, а теплоізоляційно-конструкційних - 3,5 МПа та більше. Більш високу міцність мають матеріали з рівномірно розподіленими дрібними порами та армовані різними волокнами.

В залежності від сировини теплоізоляційні матеріали бувають органічними та неорганічними.

14.2. Органічні теплоізоляційні матеріали

Органічні теплоізоляційні матеріали виготовляють на основі де­ревини або іншої рослинної сировини, шерсті тварин, полімерів.

Теплоізоляційні матеріали на основі деревини. Найбільш розповсюджені із цих матеріалів фіброліт, арболіт, деревоволокнисті та деревостружечні плити.

Фіброліт отримують у вигляді плит із деревної шерсті (спеціально виготовленої стружки), портландцементу або іншого мі­нерального в'яжучого. Деревна шерсть попередньо мінералізується хлористим кальцієм для зменшення шкідливої дії сахаристих речовин. Суміш формується під тиском від 0,1 до 0,4 МПа Після твердіння пли­ти висушують до вологості не більше 20. Для теплової ізоляції засто­совують фіброліт середньою густиною до 400 кг/м Він добре оброб­ляється і зчіплюється із штукатурним шаром, в нього легко забити цвя­хи.

Арболіт - це різновид легкого бетону на заповнювачах рос­линного походження. Найбільш часто для нього використовують по­дрібнені хвойні породи, іноді - тріску, стружку, відходи сільськогос­подарського виробництва. Технологія виготовлення арболітних виро­бів включає підготовку сировини, виготовлення суміші та її вкладання у форми, твердіння та сушіння. Плити та блоки із арболіту мають се­редню густину до 500 кг/м міцність при стисканні - до 3,5 МПа.

Деревностружечні плити - це матеріал, який отримують гарячим пресуванням подрібненої деревини із добавкою зв'язуючих полімерних речовин. Для теплової ізоляції застосовують легкі плити середньою густиною 200...400 кг/м. Більш важкі плити застосовують як опоряджувальний матеріал.

Деревноволокнисті плити - це матеріал, який фо­рмується із волокнистої маси з наступною тепловою обробкою. Для теплоізоляції застосовують м'які плити середньою густиною не біль­ше 350 кг/м та мінімальною міцністю при згинанні від 0,4 до 2 МПа.

Теплоізоляційні пластмаси. За структурною ознакою їх умовно класифікують на ніздрюваті або пінисті (піноплас- ти); пористі (поропласти); сотові (сотопласти).

Пінопласти на відміну від поропластів характеризуються комір­ками, які не сполучені між собою та заповнені газом. Піно- та пороп­ласти отримують шляхом спінювання розм'якшених при нагріванні полімерів в результаті розширення газів, що виділяються при терміч­ному розкладанні речовин.

Спінювання полімерів здійснюється також під дією газів, які виділяються при взаємодії компонентів або випаровування легкокип- лячих рідин.

Сотопласти отримують шляхом склеювання гофрованих листів або блоків, котрі далі просочують термореактивними полімерами та отверджують з фіксуванням структури сотопластів.

Властивості теплоізоляційних пластмас залежать від структури, властивостей полімерів та спінюючих газів, також від середньої гус­тини. За теплоізоляційними властивостями вони перевершують біль­шість звичайних матеріалів. Однаковий термічний опір має шар бето­ну товщиною 100, порожнистої цегли - 50, пемзобетону - 40, дереви­ни -20, пінополістиролу - 1,5см.

Середня густина теплоізоляційних пластмас коливається від 10 до 250 кг/м³. Самий легкий матеріал (10...15 кг/м³) - міпора, вона яв­ляє собою пінопласт із сечовиноформальдегідного (карбамідного) по­лімеру.

При середній густині 100...250 кг/м пластмаси мають границю міцності при стисканні і розтягненні від 1,5 до 4 МПа, а при згинанні від 3,5 до 7,7 МПа. Особливо легкі пластмаси

(15...30 кг/м)

мають

невелику міцність і значну крихкість. Механічні властивості пластмас можна регулювати, змінюючи параметри спінювання, використовую­чи волокнисті наповнювачі і так далі. Пористі полімерні матеріали більш водостійкі і довговічні порівняно з іншими теплоізоляційними матеріалами. Найбільш гідрофобні матеріали із замкненими порами - пінопласти, особливо пінополіепоксиди. При низькій теплопровіднос­ті вони мають високу адгезію до багатьох матеріалів, високі механічні властивості, водо- та хімічну стійкість.

Для герметизації швів, ущільнюючих прокладок та улаштування шпонок застосовується поліуретановий еластичний пінопласт, просо­чений дьогтевими сумішами для надання водонепроникності.

Для виготовлення трьохшарових панелей, утеплення покрить, стін, підлог, трубопроводів та резервуарів застосовують пінополісти­рол, пінополівінілхлорид, також пінопласт із фенолформальдегідних, сечовиноформальдегідних та інших полімерів.

14.3. Неорганічні теплоізоляційні матеріали

На відміну від органічних, неорганічні теплоізоляційні матеріа­ли малогігроскопічні, вогнестійкі, не загнивають.

Мінеральна вата та вироби з неї.Ці матеріа­ли найбільш розповсюджені у будівництві. Основними різновидами мінеральної вати є шлакова і скляна. Мінераловатні матеріали засто­совують для утеплення будівельних конструкцій, теплової ізоляції трубопроводів, для гідромеліорації виготовляють дренажні матеріали.

Мінеральну вату виготовляють із силікатних розплавів шляхом їх переробки.. Найбільш розповсюдженим є дуттьовий спосіб отри­мання мінеральної вати, який полягає у розбиванні струменя рідкого розплаву та витягування його частин у волокна за допомогою водяної пари або стисненого повітря. За відцентровим способом струмінь роз­плаву перетворюється у волокна за допомогою центрифуги.

Основними процесами виготовлення скляної вати є плавлення скломаси та отримання скловолокна. Крім дуттьового і відцентрового способів, для отримання скловолокна застосовують також спосіб ви­тягування скломаси крізь філь'єри або із розігрітих скляних штапиків. За довжиною скляне волокно поділяють на неперервне довге (200 м та більше) і штапельне коротке (5...50 см). Неперервне скловолокно є основою для виготовлення тканих та нетканих матеріалів, які викори­стовують для фільтрації газів та рідин.

Мінеральна вата має середню густину 75... 125 кг/м і теплопро­відність 0,04...0,052 Вт/(м-°С). Скляні волокна характеризуються бі­льшою довжиною, хімічною стійкістю, міцністю, також меншою кіль­кістю неволокнистих включень у вигляді крапель силікатного розплаву.

Мінеральна і скляна вата є напівфабрикатами для виготовлення різних теплоізоляційних виробів: сипких - гранульованої мінеральної вати і мінераловатних сумішей для мастичної теплоізоляції; гнучких та формованих виробів, котрі бувають напівжорсткими і жорсткими, з органічними або неорганічними зв'язуючими речовинами.

Піноскло (ніздрювате скло). Його отримують спіканням тонкоздрібненого скла із газоутворювачем (кокс, вугілля, крейда тощо) в кількості 0,2...3 % маси шихти. Процес спінювання скла здійснюється при 600...900 °С. Основними перевагами піноскла є: висока водо- та морозостійкість, міцність, звукопоглинання, декора­тивність, здатність до обробки, з піноскла виготовляють плити, блоки, крупні будівельні панелі та інші тепло- й звукоізоляційні деталі. Воно характеризується середньою густиною 100...130 кг/м та теплопровід­ністю біля 0,16 Вт/(м-°С).

Піноскло застосовують для теплоізоляції будівельних конструк­цій, також для спеціальних робіт: хімічних та інших фільтрів, теплової ізоляції холодильників тощо.

Керамічні та аз бестомісткі теплоізоля- ційні вироби. Вироби із теплоізоляційної кераміки отримують шляхом формування, сушіння, випалу. Основними сировинними ма­теріалами є трепели й діатоміти - дрібнопористі кремнеземисті поро­ди осадового походження. Для зменшення середньої густини виробів застосовують піноутворювачі та вигоряючі речовини, також вводять легкі заповнювачі (перліт, вермикуліт). Азбестомісткі теплоізоляційні матеріали поряд із азбестовим волокном містять 70... 85 % наповню­вача -діатоміту, трепелу, магнезиту та інші. Найважливішими матері­алами цієї групи є азбестотрепельні (азбозурит, азботерміт), азбесто- вапнянодіатомітові (вулканіт), азбестомагнезіальні (ньювель) та азбе- стодоломітові (совеліт) матеріали. Легкі керамічні та азбестомісткі вироби призначені для ізоляції печей, котлів, теплових мереж.

Матеріали із спучених гірських порід. Є низка гірських порід, які при випалі спучуються внаслідок випарову­вання з них гігроскопічної та хімічної води. Після наступного подріб­нення отримують пористі зерна (перліт) або луску (вермикуліт) серед­ньою густиною від 75 до 250 кг/м.

Спучені гірські породи застосовуються для високотемператур­ної ізоляції, теплоізоляційних засипок та отримання різноманітних матеріалів і виробів на в' яжучих (цемент, рідке скло, бітум, полімери тощо).

14.4. Акустичні матеріали

Акустичні матеріали поєднують у дві групи - звукопоглинальні та звукоізоляційні. Основне призначення звукопоглинальних матеріа­лів - зниження рівня шуму за рахунок зменшення енергії відбитих звукових хвиль. Такі акустичні матеріали повинні поглинати понад 40 % енергії звукових хвиль. Здатність до звукопоглинання матеріалів зростає із зростанням загального об'єму та поверхні пор. Звукопогли­нальні матеріали одночасно призначені для внутрішнього опоряджен­ня будівель і тому їх поверхня повинна бути не тільки проникливою для звукових хвиль, але й декоративною. Як звукопоглинаючі, засто­совують звичайно мінераловатні плити, акустичний цементний фібро­літ, деревоволокнисті плити.

Якщо в матеріалі сполучені пори, то набувають здатність до звукопоглинання також ніздрювата кераміка, скло, бетон та інші. Аку­стичні матеріали виготовляють у вигляді виробів, які мають перфоро­ваний екран або футляр із алюмінію, гіпсу, азбоцементу, тощо та зву- поглинальне заповнення із мінеральної вати, скловолокна або іншого пористого матеріалу.

Поряд із звукопоглинальними застосовують звукоізоляційні акустичні матеріали для ізоляції від ударних та інших шумів, які пере­даються крізь перекриття та перегородки. Їх застосовують у вигляді прокладок та прошарків в конструкціях. Звукоізоляційними матеріа­лами є мінераловатні мати й плити, деревоволокнисті плити, пінопла- сти, пориста гума.