Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия

Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлака, стекла, асбеста).

К этой группе относят минеральную, стеклянную вату и изделия из них, некоторые виды легких бетонов на пористых заполнителях (вспученном перлите и вермикулите), ячеистые теплоизоляционные бетоны, пеностекло, асбестовые и асбестосодержащие материалы, керамические и др.

Эти материалы используют как для утепления строительных конструкций, так и для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов.

Минеральная вата и изделия из нее по объему производства занимает первое место среди теплоизоляционных материалов. Этому способствует наличие сырьевых ресурсов для их получения в виде горных пород (доломита, известняка, мергелей, базальта и др.), шлаков и зол; простота технологического процесса; небольшие капиталовложения при организации производства.

Минеральная вата состоит из искусственных минеральных волокон. Производство ее включает две основные технологические операции — получение расплава и превращение его в тончайшие волокна. Расплав получают, как правило, в шахтных плавильных печах — вагранках или ванных печах.

Превращение расплава в минеральное волокно производят дутьевым или центробежным способом. При дутьевом способе выходящий из печи расплав разбивается на мелкие капельки струей пара или воздуха, которые вдуваются в специальную камеру и в полете сильно вытягиваются, превращаясь в тонкие волокна диаметром 2...20 мкм.

При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся диск центрифуги и под действием большой окружной скорости сбрасывается с него и вытягивается в волокна.

Плотность минеральной ваты 75... 150 кг/м³, теплопроводность 0,042...0,046 Вт/(м*°С). Вата не горит, не гниет, ее не портят грызуны, она малогигроскопична, морозостойка и температуроустойчива. Минеральную вату применяют для теплоизоляции как холодных (до —200 °С), так и горячих (до +600 °С) поверхностей, чаще в виде изделий: войлока, матов, полужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов. Иногда вату используют в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий, для чего ее гранулируют, т. е. превращают в рыхлые комочки в дырчатом барабане.

Минеральный войлок выпускают в виде листов и рулонов из минеральной ваты, слегка пропитанной дисперсиями синтетических смол и спрессованной.

Плотность войлока 100... 150 кг/м³, теплопроводность 0,046...0,052 Вт/(м•°С). Листы и полотнища минерального войлока применяют для утепления стен и перекрытий в кирпичных, бетонных и деревянных домах.

Минеральные маты представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизированной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой, прошитый прочными нитями или тонкой проволокой. Длина матов до 500 см, ширина до 150 см, толщина до 10 см. Плотность матов 300...200 кг/м³, теплопроводность 0,046...0,058 Вт/(м•°С).

Маты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, их используют также для утепления свежеуложенных бетонов и растворов при строительстве в холодное время года.

Фото. 11.1. Минераловатный мат

Минераловатные полужесткие плиты изготовляют из минерального волокна путем распыления на него связующего (синтетических смол или битума) с последующим прессованием и термообработкой для сушки или полимеризации.

Плотность плит в зависимости от вида связующего и уплотнения 75...300 кг/м³ и теплопроводность 0,041...0,07 Вт/(м•°С). Полужесткие изделия применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и горячих поверхностей оборудования при температуре до 200...300°С, если изделия изготовлены на синтетическом связующем, и до 60 °С — на битумном связующем.

Фото 11.2. Минераловатные плиты

Минераловатные жесткие изделия получают смешиванием минеральной ваты с битумной эмульсией или синтетическими смолами с последующим формованием, прессованием и прогреванием отформованных изделий для их сушки или полимеризации.

Минераловатные жесткие плиты изготовляют толщиной 4... 10 см, плотностью 100...400 кг/м³ и теплопроводностью 0,051...0,135 Вт/(м•°С).

Минераловатные жесткие плиты применяют для утепления стен, покрытий и перекрытий жилых и промышленных зданий и холодильников. Жесткие плиты и фасонные изделия — сегменты, скорлупы на синтетическом и бентонитоколлоидном связующих применяют для теплоизоляции горячих поверхностей.

Рис. 11.1. Схема теплоизоляции с применением минераловатных блоков

Промышленность выпускает также, минераловатные плиты повышенной жесткости и твердые плиты на синтетических связующих, которые характеризуются более высокой прочностью и большими размерами, чем обычные жесткие плиты.

Такие плиты размером 180х120 см, а при определенных параметрах уплотнения до 360х120 см экономически целесообразно применять для утепления стен, перекрытий и покрытий зданий. Например, 1 м² покрытия с использованием твердых минераловатных плит в 5...7 раз легче и на 25...40 % дешевле по сравнению с железобетонным покрытием, утепленным пенобетоном

Стеклянная вата является разновидностью искусственного минерального волокна. Для изготовления ваты используют стеклянный бой или те же сырьевые материалы, что и для оконного стекла; кварцевый песок, известняк или мел, соду или сульфат натрия.

Тонкое стеклянное волокно для текстильных материалов получают вытягиванием из расплавленной стекломассы (фильерный и штабиковый способы). Более грубое волокно, применяемое для тепловой изоляции, изготовляют дутьевым или центробежным способом.

Фото. 11.3. Рулон из стекловаты

Такое волокно называют стеклянной ватой. Плотность стеклянной ваты обычно не превышает 125 кг/м³, а теплопроводность— 0,052 Вт/(м•°С). Промышленность выпускает также супертонкое стекловолокно плотностью до 25 кг/м³ и теплопроводностью около 0,03 Вт/(м•°С). Стеклянная вата практически не дает усадки в конструкциях, волокна ее не разрушаются при длительных сотрясениях и вибрации. Она плохо проводит и хорошо поглощает звук, малогигроскопична, морозостойка. Слой стеклянной ваты толщиной 5 см соответствует термическому сопротивлению кирпичной стене толщиной в 1м.

Стекловатные маты и полужесткие и жесткие плиты, а также фасонные изделия на связующих из синтетических смол применяют в качестве теплоизоляционного, акустического материала при температуре не выше 200 °С, а прошивные маты и полосы — при температуре до 450 °С.

Пеностекло (ячеистое стекло) выпускают в виде блоков или плит размером 50х40х(8...14) см путем спекания порошка стекольного боя или некоторых горных пород вулканического происхождения (трахиты, сиениты, нефелины, обсидианы и др.) с газообразователями, например, с известняком или антрацитом.

При температуре 800...900°С частицы стекольного боя начинают сплавляться, а выделяющиеся из газообразователя газы образуют большое количество пор (пористость 80...95 %). При этом в стекловидном материале межпоровых стенок содержатся мельчайшие микропоры. Двоякий характер пористости обеспечивает высокую теплоизоляционную способность пеностекла.

Фото.11.4. Изделия из пеностекла

Теплопроводность плит из пеностекла при плотности 150... 600 кг/м³ составляет 0,06... 0,14 Вт/(м•°С), а предел прочности при сжатии 2,0...6,0 МПа, при этом они хорошо обрабатываются (пилятся, сверлятся, шлифуются). Изделия из пеностекла обладают высокой водостойкостью, морозостойкостью и температуростойкостью. Для стекол обычного состава температуростойкость равна 300...400°С, для безщелочного стекла—до 1000 °С. Пеностекло применяют как утеплитель стен, перекрытий, полов, и кровель промышленных и гражданских зданий в конструкциях холодильников, а также для изоляции тепловых установок и сетей.

Стеклопор получают путем грануляции, и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.)

Сначала производят гранулят — «стеклобисер», который затем вспучивают нагревом при температуре 320...360°С. Стеклопор выпускают трех марок: СЛ - ρ = 15...40 кг/м³, λ = 0,028...0,035 Вт/(м•°С); Л и Т соответственно - ρ = 40...80 и 80...120 кг/м³; λ = 0.032...0.04 и 0,038...0,05 Вт/(м•°С). В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции.

Ячеистый бетон — искусственный пористый строительный материал на основе минеральных вяжущих и кремнезёмистого заполнителя. Является одной из разновидностей лёгкого бетона.

Предназначен, в основном, для строительной теплоизоляции:

- утепление по железобетонным плитам перекрытий и чердачных перекрытий, в качестве теплоизоляционного слоя многослойных стеновых конструкций зданий различного назначения;

- для теплозащиты поверхностей оборудования и трубопроводов при температуре до 400°С;

- жаростойкие ячеистые бетоны применяются для теплоизоляции оборудования с температурой поверхности до 700°С.

В последние годы блоки из ячеистого бетона набирают популярность в качестве конструкционного стенового материала. Коттеджи и многоэтажные дома, построенные из ячеистого бетона, имеют лучшие тепловые характеристики по сравнению с кирпичными. Достигается это во многом благодаря правильной геометрии современных блоков. За счёт четких размеров (±2 мм) блоки можно укладывать на специальный клей с клеящим слоем не более 3 мм, а не на слой цементного раствора, который и служит мостиком холода.

Бетоны ячеистые классифицируются:

1. По функциональному назначению

- теплоизоляционный – средняя плотность 300-500 кг/м³;

- конструкционно-теплоизоляционный – средняя плотность 500—900 кг/м³;

- конструкционный (бетон для конструкционных элементов жилых и сельскохозяйственных зданий) – средняя плотность 1000—1200 кг/м³;

2. По способу поризации:

- газообразование (газобетоны, газосиликаты);

- пенообразование (пенобетоны, пеносиликаты);

- аэрирование (аэрированный ячеистый бетон, аэрированный ячеистый силикат);

К модификациям способов поризации относятся:

- вспучивание массы газообразованием в вакууме (небольшое разрежение);

- аэрирование массы под давлением (барботирование её сжатым воздухом) с последующим снижением давления до атмосферного (баротермальный способ);

- газопенная технология (Пеногазобетон) – сочетание метода аэрирования и газообразования;

3. По виду вяжущего вещества: в основном, используют цемент, известь, реже гипс (газогипс).

4. По виду кремнезёмистого компонента: кварцевый песок, зола-унос от сжигания угля, кислые металлургические шлаки и др.

5. По способу твердения: неавтоклавные, предусматривающие пропаривание, электропрогрев или другие виды прогрева при нормальном давлении, и автоклавные, которые твердеют при повышенном давлении и температуре.

Газобетон, газосиликатобетон — разновидность ячеистого бетона.

Строительный материал, представляющий собой искусственный камень с равномерно распределёнными по всему объёму сферическими порами диаметром 1—3 мм. Качество газобетона определяют равномерность распределения, равность объёма и закрытость пор.

Основными компонентами этого материала являются цемент, кварцевый песок и специализированные газообразователи, также возможно добавление гипса и извести. Сюда могут входить и промышленные отходы, такие, как, например, зола и шлаки. В качестве специализированных газообразователей используются алюминиевые пасты и пудры. Сырьё смешивается с водой, заливается в форму, и происходит реакция воды и газообразователя, приводящая к выделению водорода, который и образует поры, смесь поднимается, как тесто. После первичного затвердевания разрезается на блоки, плиты и панели. После этого изделия подвергаются закалке паром в автоклаве, где они приобретают необходимую жёсткость, либо высушиваются в условиях электроподогрева. В зависимости от условий твердения газобетон подразделяется на автоклавный и неавтоклавный газобетон.

Фото. 11.5. Газобетонные блоки

Газобетон хорошо подлежит обработке простейшими инструментами: пилится, сверлится, строгается. В него легко забиваются гвозди, скобы. Со временем газобетон становится твёрже и твёрже. Не горит, так как состоит только из минеральных компонентов. Относительно экологически безопасен, по естественной радиоактивности благополучнее железобетона и тяжёлого бетона, так как плотность материала меньше.

Пенобетон, пеносиликаты — ячеистый бетон, имеющий пористую структуру за счёт замкнутых пор (пузырьков) по всему объёму, получаемый в результате твердения раствора, состоящего из цемента, песка, воды и пенообразователя.

В таких бетонах часть пор создается пенообразующими добавками. Прочность пенобетона зависит от средней плотности, вида и свойств исходных материалов, а также от режимов тепловлажностной обработки (ТВО) и влажности бетона. Ячеистый бетон изготовлен на цементном вяжущем.

Поэтому он продолжает набирать прочность ещё длительное время. Исследования конструкций из неавтоклавных ячеистых бетонов после 40-50 лет эксплуатации показали, что они не только пригодны для дальнейшей эксплуатации, но и увеличили свою прочность в 3-4 раза по сравнению с марочной.

Рис. 11.2. Пенобетонный блок

Введение комплексных добавок повышает прочность бетона, снижает водопотребность и усадку при высыхании, повышает водо- и морозостойкость, снижает равновесную влажность и эксплуатационную теплопроводность.