Основные свойства теплоизоляционных материалов

Ограждающие конструкции зданий и сооружений выполняют роль конструктивной преграды, оказывающей сопротивление переходу тепла от нагретых поверхностей к холодным. Цель теплоизоляции - ограничить количество передаваемого тепла в процессе эксплуатации зданий и сооружений.

Основным показателем, характеризующим теплозащитные свойства ограждения, является коэффициент теплопроводности. Для выполнения расчетов и подбора материалов при проектировании необходимо знать такие физико-технические характеристики теплоизоляционных материалов, как средняя плотность, влажность, пористость, прочность, стойкость к эксплуатационным факторам и теплопроводность.

Средняя плотность.

Средняя плотность γ, кг/м³ - масса единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами)

γ = m/V

где m - масса материала, кг ; V – объем материала м³.

Основные свойства теплоизоляционных материалов связаны с их пористостью, но самую непосредственную связь с пористостью имеет средняя плотность. Поэтому, обычно теплоизоляционные материалы маркируют не по пористости, а по величине средней плотности. Чем больше средняя плотность, тем хуже теплозащитные свойства материала. В современных нормативных требованиях верхний предел средней плотности теплоизоляционных материалов составляет 500 кг/м³. По ранее действовавшим Строительным нормам и правилам (1955 г) теплоизоляционные материалы выпускались с средней плотностью до 1000 кг/ м³, позднее с плотностью 700 кг/ м³ (1962г) и 600 кг/ м³. То есть, снижение верхнего предела средней плотности теплоизоляционных материалов может являться одним из показателей технического прогресса производства этих материалов в стране.

Материалы со средней плотностью 400-кг/м³ разрешается применять только как конструктивно-теплоизоляционные при условии, что одновременно используются их теплозащитные свойства и несущая способность (например, изделия из арболита). Самыми легкими теплоизоляционными материалами являются гофрированная алюминиевая фольга (7 кг/м³) газонаполненные пласт­массы (до 50 кг/м³), минераловатные изделия на синтетических связующих (50 - 60 -100 кг/м³ и)

Прочность.

Прочность – способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений.

Предел прочности материала (чаще при сжатии)

или растяжении (МПа), определяют по формуле:

R=P/A,

где P – нагрузка, вызывающая начало разрушения, Н; А – площадь поперечного сечения образца до испытания, м².

Предел прочности при изгибе - , МПа:

где М - изгибающий момент, W – момент сопротивления.

Прочность теплоизоляционных материалов определяется прочностными показателями твердой фазы и параметрами поровой структуры. Положительное влияние на прочность оказывают однородное распределение пор по объему и уменьшение их среднего диаметра. Положительно сказывается также подбор связующего с улучшенными адгезионными свойствами по отношению к заполнителям, ориентация волокон в направлении действия напряжений и другие технологические приемы. С увеличением пористости прочность материала, как правило, снижается. Регулируют эти показатели с учетом условий предполагаемой работы материала в конструкции. При оценке прочности теплоизоляционных материалов следует учитывать значение их средней плотности. Поэтому более полной характеристикой прочности может служить коэффициент конструктивного качества ККК, представляющий отношение показателя прочности R к средней плотности материалаγ. Для удобства в расчетах частное от деления показателя прочности на величину средней плотности умножают на 100.

ККК = (R/ γ ) 100.

Таким образом, при всех случаях следует стремиться к достижению не только минимальной стоимости, высокой пористости и малой теплопроводности материалов, но и обеспечивать при этом их прочность, достаточную для складирования, транспортирования и использования в течение требуемого срока в качестве теплоизоляции в ограждающих конструкциях.

Водопоглощение. Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Количество поглощенной образцом материала воды, отнесённое к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенные к его объему – водопоглощением по объему:

Wm = [ ( - )/ ]100%,

Wo = [ ( - )/ ]100%,

где - масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, кг ; - плотность воды, кг/ .

При увлажнении воздух вытесняется из пор материала и поры заполняются водой. При этом значительно ухудшаются теплозащитные свойства материалов; так как вода проводит тепло в 25 раз быстрее; чем воздух.

Теплоизоляционные материалы органического происхождения обладают большим водопоглощением, чем неорганические. Водопоглощение зависит не только от капиллярного строения, но и от сорбционных и других свойств материалов. Допустимые значения влажности установлены нормативными документами для каждого вида теплоизоляционного материала.

Теплопроводность.

Свойство материалов проводить тепло называется теплопроводностью. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей - теплоизоляционные материалы (табл.1). Единица измерения теплопроводности - коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводность λ [Вт/(м °С)] характеризуется количеством теплоты Q, проходящей через материал толщиной a =1 м, площадью S =1 м² в течение Z=1 с, при разности температур (t₂ – t₁) на противоположных поверхностях материала 1 °С.

λ = Q. a/ S(t₂ – t₁)Z

Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры, при которых происходит процесс передачи теплоты. Материалы слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения.

В значительной мере теплопроводность зависит от величины пористости, размера и характера пор. У пористых, материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность воздуха очень низка — 0,023 Вт/(м ·°С), а вещества, из которых построен твердый каркас материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность.

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз больше, чем воздух. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность льда равна 2,3 Вт/(м ·°С), т. е. в 4 раза больше, чем у воды.

Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры. Это необходимо знать при выборе материалов для тепловой изоляции теплопроводов, котельных установок и т. п.

Чем ниже коэффициент теплопроводности материала, тем меньше тепла будет отдавать конструкция. Материалы с низкой теплопроводностью применяются в виде тонких изоляционных слоев. Например, кирпичную стену толщиной 64 см и массой 1240 кг на 1 м² можно заменить асбестоцементной панелью с минераловатным утеплением толщиной лишь 10 см. При этом в теплотехническом отношении облегченная панель имеет лучшие показатели: почти в 20 раз легче по массе и на 10% дешевле, чем кирпичная стена.

Теплотехнические свойства слоя конструкции оцениваются термическим сопротивлением R, определяемым по формуле

где λ - коэффициент теплопроводности;

S - площадь поперечного сечения

Теплопроводность материалов учитывается при теплотехнических расчетах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников.

От термического сопротивления зависят толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий. В табл. 1. приведены значения теплопроводности некоторых строительных материалов в воздушно-сухом состоянии. С известной степенью приближения о теплопроводности каменных материалов можно судить по их плотности, используя формулу В.П. Некрасова:

где d – плотность материала по отношению к плотности воды.

Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Материалы с высокой теплоемкостью могут выделять больше теплоты при последующем охлаждении. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, пола, перегородок и других частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удельной теплоемкостью), т.е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 °С.

Таблица 1.

Теплопроводность некоторых строительных материалов

Наименование материала	Теплопроводность, Вт/(м ·˚С)	Наименование материала	Теплопроводность, Вт/(м ·˚С)
Сталь		Бетон лёгкий	0,35…0,8
Гранит	2,9…3,3	Пенобетон	0,12…0,15
Бетон тяжёлый	1,28…1,55	Фибролит	0,09…0,17
Кирпич кера-мический сплошной	0,81…0,87	Минеральная вата	0,06…0,09
Вода (для сравнения)	0,59	Древесноволокнистые плиты	0,08
Известняк	9,52…0,98	Мипора	0,04…0,05

Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью [4,2 кДж/ (кг · °С)]. Например, коэффициент теплоемкости лесных материалов 2,39...2,72 кДж/(кг · °С), природных и искусственных каменных материалов – 0,75...0,92 кДж/(кг · °С), стали – 0,48 кДж/ (кг · °С). Поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Коэффициент теплоемкости материалов используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций (стен, перекрытий), подогрева материала при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), а также при расчете печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя удельную объемную теплоемкость, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 м³ материала на 1°С.

Морозостойкость.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15, -17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше -15, -17 ˚С вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %).

Биостойкость. Под биостойкостью принято понимать способность материала сопротивляться разрушающему действию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых (муравьев, термитов и др.). Теплоизоляционные материалы, содержащие такие органические вещества, как крахмал и целлюлозу, во внешней среде при температуре выше 25-30°С подвержены воздействию бактерий, грибков и других микроорганизмов.

Органические материалы с низким водопоглощением менее подвержены воздействию микроорганизмов, чем материалы с высоким водопоглощением. Жизнедеятельность микроорганизмов активизируется во влажной среде, поэтому для повышения биостойкости теплоизоляционных материалов необходимо увеличить их водостойкость и устранить причины возможного увлажнения утеплителя как во время транспортирования и складирования, так и в период эксплуатации.

Биостойкость некоторых теплоизоляционных материалов органического происхождения (арболит, древесноволокнистые и торфяные плиты и др.) может быть повышена путем предварительной обработки их (или органического сырья, из которого они изготовляются) антисептиками. Для уничтожения вредных насекомых на теплоизоляционные изделия наносят специальные отравляющие вещества инсектофунгициды.

Огнестойкость характеризует степень возгораемости, присущую лишь органическим материалам. По степени возгораемости материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые (табл. 2).

Таблица 2.

Классификация основных теплоизоляционных материалов по группам сгораемости

Несгораемые	Трудносгораемые	Сгораемые
Минеральная вата Стеклянная вата Перлит Вермикулит Керамзит Шунгизит Пеностекло Поризованная керамика	Минераловатные и стекловатные изделия на синтетических связующих Фибролит Арболит	Древесноволокнистые, древесноструженые плиты Камышит Пенопласты