Общие сведения о теплоизоляционных материалах

1. Введение

 

Теплоизоляционными называют материалы, применяемые в строительстве жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с целью уменьшить тепловые потери в окружающую среду.

Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением и, как следствие  этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и  низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м*°С). Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных  конструктивных  материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные  материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.

Минеральная вата  (минераловатный утеплитель) - волокнистый теплоизоляционный материал. Наиболее распространенными в наше время являются минераловатные изделия. Структура ваты очень интересная. Она представляет собой тонкие и гибкие волокна, которые получились из капель раздробленного минерального расплава вытянутого в нити.

В зависимости от вида сырья минеральная вата делится на каменную и шлаковую. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы - диабаз, базальт, известняк, доломит, и др. Шлаковую вату получают из шлаков чёрной и цветной металлургии.

Ведущие мировые производители в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно её рекомендуется применять для ответственных конструкций - в случае, когда требуется их многолетняя надежная работа.

Патентных и других достоверных данных о изобретателях минеральной ваты нет. Но в технической литературе встречаются любопытные сведения о фактах, якобы, служивших отправным началом для изобретения минерального волокна и зарождения его промышленного производства. Неслучайно эти факты относятся к середине XIX века. В тот исторический период происходило быстрое развитие отраслей техники, связанных с сжиганием топлива и использованием тепла. В этих условиях и возникла необходимость изыскания новых в то время материалов для защиты промышленного оборудования от потерь тепла. Одно из объяснений изобретения минеральной (шлаковой) ваты относится к устройству и работе доменных печей в Уэльсе, где было замечено, что воздушное дутье из-за неплотностей в кладке таких печей выдувает наружу частички жидкого шлака, которые вытягиваясь и застывая, образуют волокна. Поэтому родиной шлаковой ваты считают Уэльс, где, впервые в 1840 году она была получена, а в 1864 году организовано ее промышленное производство.

Минвата является материалом, устойчивым к воздействию повышенных температур. Она сохраняет все свои химические и физические характеристики при температуре до + 400 С. Незначительное разрушение структуры начинается только при исходной температуре + 1090 С - это порог устойчивости материала.

 

 

 

 

2. Общие сведения о теплоизоляционных материалах

 

Неорганические теплоизоляционные материалы повсеместно используются в строительстве. Обширная номенклатура теплоизоляционных изделий основана на сравнительно небольшом количестве исходных сырьевых материалов. Однако, меняя технологические приемы обработки, можно значительно изменять свойства изделий применительно к условиям их эксплуатации.

Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия должны иметь среднюю плотность не более 700 кг/м3, не должны выделять веществ, снижающих прочность соприкасающихся элементов конструкции и качество отделки помещений, вредных для здоровья и вызывающих порчу пищевых продуктов.

Все теплоизоляционные материалы классифицируются по следующим категориям:

По виду исходного сырья их разделяют на неорганические – огнеупорные теплоизоляционные материалы, ячеистое стекло (пеностекло), минеральная и стеклянная вата и изделия из них, теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы на основе минеральных вяжущих, автоклавные теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы, вспученные вермикулит и перлит и изделия на их основе, теплоизоляционные материалы на основе асбеста, вакуум-порошковая и вакуум-волокнистая теплоизоляция. Органические – фибролит на портландцементе, древесно-волокнистые и торфяные теплоизоляционные плиты, камышит, тплоизоляционные пластмассы и другое.

По форме различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, матрацы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы.

По структуре их делят на пористо-волокнистые (минераловатные, стекловатные, асбесто- и древесноволокнистые), пористозернистые (перлитовые, вермикулитовые, совелитовые, известовокремнеземистые), ячеистые (ячеистые стекла, бетон, керамзитобетон, пенопласты).

По сжимаемости (относительной деформации сжатия под удельной нагрузкой 0,02 МПа) теплоизоляционные материалы подразделяют на мягкие – сжимающиеся более чем на 30%, полужесткие – на 6-30% и жесткие – до 6% высоты образцы. Различают также материалы повышенной жесткости с деформацией до 10% высоты при удельной нагрузке 0,04 МПа, твердые – до 10% высоты при удельной нагрузке 0,1 МПа.

Теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные материалы, также как и другие материалы, используемые в строительстве, подвергаются в процессе эксплуатации механическим, тепловым и агрессивным воздействиям. Поэтому эти материалы должны иметь соответствующие свойства, обеспечивающие их долговечность.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности λ.

Прочность теплоизоляционных материалов и изделий означает способность сопротивляться без разрушения всем видам внешних силовых воздействий и зависит от их физического состояния и структуры.

Упругость – свойство материалы деформироваться под дейтсвием нагрузки и быстро восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия ее.

Эластичность – свойство материала упруго деформироваться под воздействием сравнительно малых сил, сохраняющееся длительное время после снятия нагрузки. Оно проявляется в минераловатных полужестких и жестких изделиях на битумном связующем.

Пластичность – свойство материала изменять свою форму и размеры без образования трещин под действием внешних нагрузок и сохранять ее после снятия нагрузки.

Ползучесть – свойство материала необратимо деформироваться под длительным воздействие малой силы.

Теплостойкость материалов оценивается температурой, при которой в нагреваемом материале начинается процесс деструкции.

Температуропроводность характеризует температурный градиент, устанавливающийся в материале при его нагревании или охлаждении.

Стойкость к термической деструкции – способность материалов выдерживать длительный нагрев при определенной температуре без существенных структурных изменений.

Тепловое расширение – свойство материала увеличиваться в размерах при нагревании.

Огенупорность – свойство материала противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать капельную жидкость.

Гигроскопичность – свойство материала поглощать влагу из воздуха.

Водостойкость – свойство материала сохранять прочность при увлажнении, не изменяя своего физического и химического состояния при длительном воздействии воды.

Морозостойкость характеризуется способностью насыщенного водой материала выдерживать большое количество циклов замораживания и оттаивания без существенного уменьшения прочности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сырьевые материалы для производства минеральной ваты

 

Для производства минеральной ваты используют природное сырье – различные горные породы и промышленные отходы, главным образом металлургические, преимущественно доменные шлаки. Основным требованием к сырью для производства минеральной ваты при плавке сырья в вагранках являются:

- химический  состав, позволяющий получать расплав  с невысокой температурой плавления  и значительным интервалом вязкости, обеспечивающий получение химически  стойкой ваты против действия  атмосферных, температурных и других  факторов.

- прочность  и термическая стойкость кусков  сырья, допускающие плавку их  в вагранках без превращения в мелочь и образования большого количества пыли-уноса.

- распространенность  сырья, учитывая, что минеральную  вату должны вырабатывать непосредственно  в местах ее потребления или  вблизи этих мест вследствие  нетранспортабельности ее.

- доступность  получения сырья и несложность  его предварительной подготовки.

Горные породы для производства минеральной ваты представляют собой  осадочные, магматические, метаморфические породы. Наиболее распространенными осадочными породами являются глинистые и карбонатные.

Колебания в химическом составе этих горных пород обычно не ограничивают их применения для данной цели: необходимое соотношение отдельных компонентов в сырье достигают составлением соответствующей сырьевой смеси – шихты, состоящей обычно из двух, а иногда из трех видов сырья.

Глины для производства минеральной ваты в большинстве случаев являются легкоплавкими.

К карбонатным горным породам, применяемым для производства минеральной ваты, относят известняки, доломиты и мергели.

Химический состав доломитизированных мергелей позволяет в ряде случаев получать из них вату высокого качества без добавки других видов сырья, что упрощает производство.

Сырьем для производства минеральной ваты могут служить также и магматические породы: базальт, габбро, гранит, диабаз, диорит, сиенит. Эти породы в большинстве своем являются кислыми. Содержание кремнезема в них колеблется от 45 до 75%. Некоторые из них содержат значительное количество окислов железа и щелочных металлов, что благоприятствует получению расплавов необходимой вязкости.

К метаморфическим горным породам, реже применяемым в качестве сырья для производства минеральной ваты, чем осадочные и магматические породы, относится, например, глинистый сланец.

Металлургические шлаки. Другим видом сырьевых материалов для выработки минеральной ваты являются металлургические шлаки, получаемые при выплавке металлов.

Шлаки представляют собой сплавы силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Химический состав шлаков характеризуют часто модулем кислотности Мо.

В соответствие с коэффициентом вязкости, определенным при температуре 1550 оС, шлаки делят на густые, промежуточные или средней вязкости и жидкие.

Жидкие шлаки более подвижны, текучи и быстро затвердевают с образованием кристаллической структуры. Густые шлаки, напротив, вязки, тягучи, застывают медленнее первых, при охлаждении лучше вытягиваются в стекловидные волокна.

По температуре плавления tпл шлаки условно считаются легкоплавкими, средней плавкости и тугоплавкими.

В зависимости от степени стабильности затвердевшего шлака различают шлаки стойкие, склонные к распаду и распавшиеся.

По микроструктуре шлаке делят на кристаллические, стекловидные и смешанные. По способу охлаждения шлаки могут быть медленно и быстро охлаждаемыми (гранулированными).

Особенно важное значение для производства минеральной ваты имеет вязкость, так как от нее зависят условия раздува расплава в волокно и его качество.

Наиболее пригодными для выработки минеральной ваты являются кислые шлаки. Однако химический состав кислых шлаков с высоким содержанием SiO2 для понижения вязкости расплава надо улучшать, добавляя в шихту доломит.

Кислые шлаки обладают большей стабильностью, меньшей склонностью к распаду, который может происходить под влиянием перекристаллизации некоторых минералов, содержащих главным образом SiO2, CaO, Fe2O3.

Шлаки, склонные к распаду, не пригодны для производства минеральной ваты, так как полученное из них минеральное волокно, находясь в строительных конструкциях, с течением времени может превратиться в порошок. Для предотвращения этого к таким шлакам необходимо добавлять другие виды сырья определенного химического состава, чтобы нейтрализовать вредное влияние веществ, вызывающих распад.

В производстве минеральной ваты наибольшее применение нашли доменные шлаки. Химический состав таких шлаков неодинаков. Кроме доменных шлаков для выработки минеральной вата могут быть использованы мартеновские шлаки, а также шлаки никелевых, цинковых и свинцовых заводов. Мартеновские шлаки, обычно содержащие окислы железа и марганца, используют в производстве минеральной ваты главным образом в качестве добавок для уменьшения вязкости расплава.