Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

План

• 1. Классификация теплоизоляционных материалов
• 2. Свойства теплоизоляционных материалов и изделий
• 2.1 Функциональные свойства теплоизоляционных материалов
• 2.2 Строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов и изделий
• 3. Взаимосвязь состава, структуры и свойств теплоизоляционных материалов
• 3.1 Влияние физического состояния
• 3.2 Влияние химического состава
• 3.3 Влияние макроструктуры

1. Классификация теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы классифицируются (ГОСТ 16381-77) по следующим признакам:

- виду основного исходного сырья;

- структуре;

- форме;

- возгораемости (горючести);

- содержанию связующего вещества.

По виду исходного сырья все теплоизоляционные материалы подразделяют на две большие группы: неорганические и органические.

К неорганическим материалам относят минеральную и стеклянную вату, пеностекло, ячеистые бетоны, вспученные перлит и вермикулит, теплоизоляционную керамику, асбестосодержащие теплоизоляционные массы и изделия.

К органическим материалам относят материалы на основе древесины, различных стеблей растений (торфа, льна, камыша, соломы), а также газонаполненные пластмассы.

Существует группа материалов, изготовляемых из смеси органического и неорганического сырья, например, фибролит, получаемый из древесной шерсти и цемента, изделия из минеральной ваты на синтетическом связующем, высокопористые пластмассы, наполненные вспученным перлитом или особо легким керамзитом, и другие виды материалов.

Смеси из неорганических и органических материалов относятся к неорганическим, если количество последних в смеси превышает 50% по массе.

По структуре теплоизоляционные материалы подразделяют на:

- волокнистые (а); ячеистые (б); зернистые (в).



По форме и внешнему виду теплоизоляционные материалы подразделяются на:

- рыхлые (вата, перлит и др.);

- плоские (плиты -1, маты, войлок и др).

- фасонные (блоки -2, кирпич -3, сегменты -4, полуцилиндры -5, цилиндры

- шнуровые (шнуры, жгуты).

По возгораемости (горючести) материалы и изделия подразделяются на:

- несгораемые;

- трудносгораемые;

- сгораемые.

По содержанию связующего вещества:

содержащие связующее вещество (плиты из минеральной ваты на связующем), не содержащие связующего вещества (минеральная вата).

По средней плотности в сухом состоянии, кг/м ³, теплоизоляционным материалам назначаются марки 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500.

Материалы с промежуточным значением средней плотности относят к ближайшей большей марке.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов должна быть не более 0,175 Вт/м °С, а средняя плотность - не более 500 кг/м

Теплопроводность материалов и изделий, в зависимости от предельной температуры применения, указывают в отечественных стандартах или технических условиях на конкретные виды материалов и изделий при температуре 25°С для материалов и изделий, применяемых при рабочей температуре до 200°С; 125°С - для материалов и изделий, применяемых при температуре до 500°С; 300°С - для материалов в изделий, применяемых при температуре свыше 500°С.

В зарубежных нормативных документах теплопроводность определяется при других температурах, например, при 10°С. В связи с этим для уточнения теплопроводности зарубежных теплоизоляционных материалов в соответствии с отечественными требованиями необходимо производить их пересчет.

2. Свойства теплоизоляционных материалов и изделий

Соответствие любого строительного материала предъявляемым к нему требованиям оценивается по его качеству, которое определяется совокупностью показателей его свойств.

В соответствии с требованиями, свойства строительных, в том числе теплоизоляционных, материалов и изделий подразделяются на функциональные и общестроительные или строительно-эксплуатационные.

Функциональные свойства - это свойства, обеспечивающие способность материала выполнять функции, определяемые его назначением.

Для теплоизоляционных материалов такими свойствами являются теплоизолирующая способность (теплопроводность), теплоемкость, температура применения.

К функциональным свойствам теплоизоляционных материалов и изделий следует отнести и пористость, величина и структурные показатели которой решающим образом влияют на качество этих материалов.

Строительно-эксплуатационные свойства характеризуют материалы с позиции их транспортирования, монтажа и эксплуатации. Важнейшими из них для теплоизоляционных материалов являются прочность, стойкость к действию воды, температуры, огня, химической и биологической агрессии.

2.1 Функциональные свойства теплоизоляционных материалов

А) Теплопроводность

Теплопроводность - важнейшая характеристика теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов. Единица измерения теплопроводности - Вт/(м °К) или Вт/(м °С).

В старой системе СГС теплопроводность измеряется в ккал/(м ч°С). Соотношение между старыми и международными единицами теплопроводности - 1 Вт/(м °С) = 0,86 ккал/(м ч °С) или 1 ккал/(м ч °С) = 1,163 Вт/(м °С).

Теплопроводность материалов определяется следующим выражением:

(6)

где: q - плотность теплового потока (Вт/м²) через материал толщиной (м) д при разности температур на противоположных поверхностях (°С) Дt.

Или термическим сопротивлением R (м² °С/Вт), определяемом как

(7)

Теплопроводность жидкости или газа определяется уравнением Дебая

(8)

где с - теплоемкость среды, Дж/кг °С (см. ниже); щ - скорость распространения волны, м/сек; l - длина свободного пробега волны, м.

Теплопроводность различных материалов колеблется в очень широких пределах, например:

- 0,024 Вт/(м °С) - для воздуха в неподвижном состоянии при 0°С и 0,075 при 1000°С;

- 0,55 Вт/(м °С) - для воды при 0°С и 0,7 при 100°С;

- 2,5 Вт/(м °С) - для льда;

- 0,11 - 0,17 Вт/(м °С) - для дерева;

- 0,45 - 0,8 Вт/(м °С) - для керамического кирпича;

- 45 - 60 Вт/(м °С) -для стали и чугуна;

- 418 Вт/(м °С) - для серебра, т. е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз ниже, чем серебра.

Установлены следующие эмпирические зависимости теплопроводности от параметров состояния материалов, влажности и температуры:

1) Теплопроводность и пористость связаны следующей зависимостью (уравнение Лёба)

, (9)

где л - теплопроводность материала; л_s - коэффициент теплопроводности твердой фазы; р - коэффициент пористости в сечении, перпендикулярном потоку тепла.

2) Связь теплопроводности и средней плотности для ряда теплоизоляционных материалов упрощенно выражается линейной зависимостью

, (10)

где л- теплопроводность; а и b коэффициенты.

Эта зависимость применима для пенобетонов, пенокерамики, бетонов на пористых заполнителях. Однако ряд исследований показал, что для волокнистых (минеральная вата) и полимерных ячеистых (пенополистирол) материалов зависимость теплопроводности от плотности имеет экстремум.

При уменьшении средней плотности меньше определенного значения теплопроводность возрастает.

Причина этого явления - увеличение радиационного теплового потока в общей части теплового потока через материал. С учетом этого явления была предложена следующая зависимость:

, (11)

где л - теплопроводность материала; г₀ - средняя плотность; А, В и С -коэффициенты.

Расчеты, проведенные в НИИСФ (Москва), показали, что для базальтовой ваты лmin = 0,033 Вт/м °С при г = 75,3 кг/мі; для пенополистирола - лmin = 0,029 Вт/м °С при г = 30 кг/м

3) Теплопроводность в зависимости от влажности материала можно приближенно рассчитать по следующей линейной зависимости:

, (12)

где л - теплопроводность материала; л_с - теплопроводность сухого материала; W₀ - влажность материала, %; д - коэффициент, равный для органических материалов 3,5•10^-3 (при положительных температурах) и 4•10^-3 (при отрицательных температурах); для неорганических материалов 2•10^-3 (при положительных температурах) и 3,5•10^-3 (при отрицательных температурах).

4) Теплопроводность материала зависит от температуры. СНиП 2.04.14-88 рекомендует определять расчетную теплопроводность по следующей зависимости:

, (13)

где л - теплопроводность материала, л₀- теплопроводность при 0° С, Т -температура; в - температурный коэффициент.

Для фенольных пенопластов в =0,00019-0,00023; для минераловатных изделий в =0,0002-0,0003; для изделий из стеклянной ваты в =0,00023-0,00035; для известково-кремнеземистых изделий в =0,0001; для вспученного перлита в =0,00012.

В действительности зависимости теплопроводности теплоизоляционных материалов от температуры несколько сложнее и обладают явно наблюдаемой кривизной.

На рис.6 представлены некоторые из них.

Рис.6. Зависимость теплопроводности от температуры: 1 - вертикально-слоистый мат из базальтовой ваты; 2 - базальтовый техмат; 3 - карбамидный пенопласт; 4 - цилиндр из базальтовой ваты; 5 - муулито-кремнеземистая вата; 6 - базальтовый прошивной мат

Б) Теплоемкость

Теплоемкость - свойство материала поглощать и сохранять теплоту при повышении температуры. Количественной характеристикой этого свойства материалов является удельная теплоемкость (Дж/кг С):

, (14)

где с - удельная теплоемкость; m - масса, Q - количество поглощенного тепла; (t - t₁) -разность температур материала и среды.

Удельная теплоемкость показывает какое количество теплоты надо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.

Удельная теплоемкость материалов зависит от их природы и в значительно меньшей степени от пористости. Например, удельная теплоемкость воздуха и плотного бетона равна соответственно 1,04 и 0,92 кДж/(кг °С). Удельная теплоемкость органических материалов значительно выше, чем минеральных.

У жидкости удельная теплоемкость больше, чем у газов и твердых тел

Теплоемкость меняется с увлажнением материала:

(15)

где c_w -теплоемкость при влажности w; c₀ - теплоемкость в сухом состоянии; w - влажность материала в %.

В) Температуропроводность

Температуропроводность - это способность материала к выравниванию температуры в его объеме, если она не одинакова.

Характеризуется скоростью распространения (выравнивания) температуры в материале.

(16)

где б - температуропроводность, м²/сек; с - удельная теплоемкость; г -средняя плотность, кг/м³ .

Некоторые значения температуропроводности: у стали - 2,1•10^-5 ; у воздуха - 1,8•10^-5; у минеральной ваты - 0,055•10^-5; у стекла - 0,048•10^-5.

Г) Предельная температура применения

Предельная температура применения - это предельная температура (Т_пр), при которой материал выполняет свое функциональное назначение.

Эта температура несколько ниже температуростойкости материала, так как при ее назначении учитывают влияние деструктивных процессов, происходящих в материалах при длительном воздействии высоких температур Так, в стеклообразных материалах (минеральной, стеклянной вате, ячеистом стекле и др.) в условиях длительного воздействия повышенных температур возможны образование и рост кристаллов, что приводит к резкому возрастанию внутренних напряжений в стекле вплоть до его разрушения. Направленно изменяя вещественный состав стекол, можно значительно повышать Т_пр.

В полимерных или полимерсодержащих материалах происходит температурная деструкция высокомолекулярных соединений (обрыв цепей, образование поперечных связей), в результате чего прочность и эластичность полимерного связующего резко ухудшаются. В материалах на гидравлических вяжущих, а также в асбестосодержащих материалах при длительном воздействии повышенных температур происходит дегидратация минерального вяжущего и асбеста, что приводит к сбросу прочности и повышению хрупкости изделий.

Для материалов из органического сырья (камышит, торфяные плиты, ДВП и т. п.) Т_пр назначают с учетом возможности возгораемости материалов в процессе эксплуатации. Ее можно повысить введением в состав материалов антипиренов.

Значения Т_пр °С, для некоторых теплоизоляционных материалов:

керамические волокна - до 1300 °С,

муллитокремнеземистая вата - до 1150 °С;

вспученный вермикулит - до 1100 °С;

жаростойкий перлитобетон - до 1000 °С;

диатомитовая теплоизоляция - до 900 °С;

базальтовая вата - до 900 °С;

минеральная вата - до 700 °С;

пеностекло - до 700 °С, в зависимости от состава;

стеклянная вата-до 400 °С;

минераловатные изделия на различных связующих - до 60 - 400 °С, в зависимости от вида и содержания связующего;

торфоплиты - до 100 °С;

газонаполненные пластмассы - до 60 - 180 °С.

Д) Горючесть

Теплоизоляционные материалы подразделяются на три группы горючести в соответствии с ГОСТ 12.1.044 - 89: сгораемые (горючие), трудносгораемые (трудногорючие) и несгораемые (негорючие).

Трудногорючие и горючие теплоизоляционные материалы в зависимости от значений параметров горючести, определяемых по ГОСТ 30244-94 (степени повреждения, температуре дымовых газов, продолжительности самостоятельного горения), подразделяют на четыре группы горючести: П, Г 2, ГЗ,Г 4.

Е) Пористость

Пористость - одна из важнейших характеристик теплоизоляционных материалов.

Пористость важна не только как косвенная характеристика теплопроводности материалов, но и как параметр состояния, позволяющий оценивать долю (процентное содержание) газовой (воздушной) фазы в объеме материала.

Следует различать пористость общую, открытую и закрытую.

Общая пористость определяется отношением объема пор в материале к объему материала:

П_об=V_пор/V_мат (17)

или

П_об=(1 - г/с), (18)

где с - истинная плотность, г - средняя плотность.

или

П_об=П_з + П_к (19)

где П_з - закрытая пористость; П_к - кажущаяся (открытая) пористость.

Кажущаяся (открытая) пористость определяется экспериментально по поглощению, например, воды и представляет отношение объема открытых пор в материале к объему материала:

П_к=V_{откр.пор}/V_мат. (20)

Закрытая пористость представляет отношение объема закрытых пор в материале к объему материала:

П_з=V_{закр.пор}/V_мат. (21)

или

П_з = П_об-П_к. (22)

Для зернистых материалов (заполнителей для легких бетонов, засыпной теплоизоляции) введено понятие межзерновой пустотности М_зп %, которая характеризует объем пустот между зернами материала и определяется по следующей зависимости:

М_зп=(1 -г/г_з) 100% (23)

где г_з - плотность зерен материала; г - насыпная плотность.

В таблице 2 приводятся значения пористости материалов различной структуры.

Таблица 2. Значения пористости теплоизоляционных материалов

Структура	Материалы	Пористость, %
		общая	открытая	закрытая
Ячеистая	Ячеистый бетон Пеностекло Пенопласты	85 -90 85-90 92-99	40- 50 2-5 1-55	35-50 80-88 37-98
Волокнистая	Минеральная вата	85-92	85-92	0
Зернистая	Перлитовые Стеклопор	85-88 90-95	60-65 60-65	20-28 25-35

Объем общей пористости определяется содержанием в материале каркасообразующих элементов (волокон, зерен, мембран, образующих межпоровые перегородки в ячеистых структурах), прочностью этих элементов и образованного ими каркаса.

Чем выше прочность структурообразующего материала и чем прочнее связи между элементами каркаса, тем больше может быть общая пористость теплоизоляционного материала.

Для материалов с волокнистой и зернистой структурой значения общей пористости не являются величинами постоянными, так как даже при небольшой нагрузке П_об снижается за счет уплотнения. После снятия нагрузки у волокнистых материалов возможно частичное восстановление П_об за счет упругого последействия волокон.

В технологии теплоизоляционных материалов применяют ряд приемов для повышения П_об. Для материалов с волокнистой структурой это достигается путем уменьшения диаметра волокон до предела, обеспечивающего малую сминаемость минеральной ваты, снижением содержания связующего в материале за счет повышения его адгезионных и когезионных свойств, а также путем направленного ориентирования волокон по отношению к нагрузке при эксплуатации материала.

Для материалов с зернистой структурой - применением зерен монодисперсного гранулометрического состава, повышением их прочности, увеличением пористости зерен, снижением расхода связующего путем уменьшения его вязкости, поризацией связующего.

Для материалов с ячеистой структурой - повышением прочности межпоровых перегородок и уменьшением их толщины.

Повышение общей пористости может быть также достигнуто конструкционными приемами, путем снижения эксплуатационной нагрузки на теплоизоляционный слой в конструкции.

Открытая пористость ухудшает эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являясь причиной проникновения влаги и газов в глубь изделий. Это приводит к резкому повышению теплоемкости и теплопроводности теплоизоляции, интенсификации химической и физической коррозии твердой фазы.

Закрытая пористость обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость строительной теплоизоляции. При производстве теплоизоляционных материалов с ячеистой структурой П 3 стремятся увеличить. Это достигается оптимизацией процесса порообразования путем направленного регулирования его кинетики и реологических характеристик формовочных смесей.

При устройстве высокотемпературной теплоизоляции предпочтительней материалы с волокнистой структурой, они намного лучше выдерживают резкие колебания температуры, так как элементы, слагающие их структуру, способны деформироваться без разрушения каркаса и релаксировать за счет этого температурные напряжения.

Размер и форма пор оказывают существенное влияние не только на теплопроводность теплоизоляционных материалов, но и на их прочностные характеристики. Снижение размера пор в материалах с любой структурой до определенного предела в зависимости от прочности и степени связности каркасообразующего материала является одним из эффективных приемов повышения прочности высокопористых изделий.

Форма пор также оказывает влияние на прочность теплоизоляционного материала. Наилучшие показатели по прочности имеют ячеистые и зернистые материалы со сферическими порами. Форма пор является причиной анизотропии свойств теплоизоляционных материалов. Например, прочность материала с продолговатыми или эллиптическими порами при приложении нагрузки вдоль короткой оси пор меньше, чем при приложении нагрузки вдоль длинной оси. Теплопроводность же вдоль короткой оси больше, а вдоль длинной оси - меньше.

2.2 Строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов и изделий

А) Средняя плотность

Средняя плотность г, кг/м³ - физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества ко всему занимаемому ими объему, включая имеющиеся в них пустоты и поры:

г = m_с/V, (24)

где m_с - масса материала в сухом состоянии; V - объем в естественном состоянии.

Среднюю плотность материала в естественно-влажном состоянии определяют по формуле

г_w = m_в/V(l + 0,01W), (25)

где W - влажность материала; m_в - масса материала в естественно-влажном состоянии.

Средняя плотность материалов в сухом состоянии пропорциональна объему пористости. Для многих материалов (пенобетон, древесина, керамические материалы, пеностекло) теплопроводность можно приближенно определить по значению средней плотности с помощью эмпирических формул В.П. Некрасова, Б.Н. Кауфмана, О.Б. Власова:

(26)

л=0,11d^1,1•1,68^d+0,022 (27)

л=0,2d +0,05d², (28)

где d - относительная плотность, равная отношению средней плотности материала к плотности воды.

Б) Прочность

К прочностным показателям относят прочность при сжатии (R_сж), прочность при изгибе (R_изг), прочность при растяжении (R_раст) и прочность при сжатии при 10% линейной деформации. Прочность определяется по ГОСТ 17177-94.

Прочность при сжатии распространяется на все теплоизоляционные изделия.

Прочность при сжатии, при 10%-ной линейной деформации, распространяется на неорганические волокнистые и органические ячеистые теплоизоляционные изделия.

Прочность при растяжении распространяется на неорганические волокнистые материалы и изделия.

Прочность при изгибе распространяется на все теплоизоляционные изделия.

Как правило, значения этих показателей не велики и зависят от многих факторов, например, вида пористой структуры, прочностных показателей каркасообразующих элементов структуры.

Вид пористой структуры в значительной мере предопределяет способность материала воспринимать тот или иной вид нагружения, В связи с этим, стандарты регламентируют проведение испытаний теплоизоляционных материалов на один или несколько показателей прочности. Так, материалы с волокнистой структурой испытывают на изгиб и реже - на растяжение, с зернистой и ячеистой структурами - на сжатие и реже - на изгиб.

Прочностные показатели наиболее распространенных теплоизоляционных материалов приведены в табл.

Таблица - Прочностные показатели распространенных теплоизоляционных материалов

Материалы	Средняя плотность, кг/м3	Прочность, МПа, при
		сжатии	изгибе
1 Ячеистый бетон	350	0,6	-
2. Пеностекло	200	1,0	0,7
Минераловатные плиты
На синтетическом
связующем	200	-	0,1
4. Асбестосодержащие	350	-	0,17-0,3
5. Перлитовые
- на битуме	300	-	0,15
- на цементе	300	0,8	0,25
6. Керамические	400	0,8	-
7. Древесноволокнистые плиты	300	-	0,12
8. Фибролит	400	-	0,7
9. Пенопласты	25-100	0,07-0,1	0,1

В) Сжимаемость и упругость

К физико-механическим свойствам следует отнести сжимаемость материала, С_сж. Этот показатель характеризует уплотняемость материала, %, под действием сжимающих сил.

С_сж=(h-h₁)/h, (29)

где h и h₁- высота (мм) стандартных образцов материала при давлении 0,5 и 2 КПа, соответственно.

Упругость - способность материала восстанавливать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

У=h₂/h₁ (30)

где h₂ - высота через 15 минут после снятия нагрузки.

Сжимаемость и упругость являются характерными показателями для теплоизоляционных материалов с волокнистой пористой структурой, например; минеральной ваты.

Г) Влажность

Влажность характеризуется отношением массы (объема) влаги, содержащейся в объеме материала, к его массе в сухом состоянии (влажность по массе) или к его объему (влажность по объему). Влажность определяется по формуле:

W_m=(m₁-m₂)/m₁, (31)

где m₁ и m₂ - масса образца или изделия соответственно в сухом и увлажненном состоянии.

Показатель влажности по массе W_m существенно зависит от средней плотности материала, с ее уменьшением W_m растет и для теплоизоляционных материалов может достигать значений намного больше 100%. Поэтому удобнее пользоваться объемной влажностью W_v, дающей наглядное представление о степени увлажненности материала.

Переход от влажности по объему к влажности по массе осуществляется по зависимости

W_v=W_m•г, (32)

где г - средняя плотность материала.

Увлажнение материалов происходит при контакте с водой или воздухом. Свойства материала поглощать влагу из окружающего воздуха называют гигроскопичностью, а достигаемое при этом увлажнение - сорбционной или равновесной влажностью.

Гигроскопичность зависит от природы материалов, характера пористой структуры, величины поверхности пор, а также от относительной влажности воздуха. теплоизоляционный гигроскопичность водопоглощение

При прочих равных условиях гигроскопичность выше у тех теплоизоляционных материалов, в структуре которых больше мелких капилляров, так как в них выше капиллярная конденсация паров воды.

Снижения гигроскопичности теплоизоляционных материалов достигают путем их объемной гидрофобизации, уменьшения содержания микропор, защиты поверхности изделий обкладочными материалами или затирочными растворами.

Свойство материала увлажняться при соприкосновении одной из поверхностей с водой называют капиллярным подсосом.

Величина капиллярного подсоса, главным образом, зависит от пористой структуры материала и смачиваемости его водой.

Чем больше капиллярных пор, тем выше при прочих равных условиях этот показатель. Крупные поры в процессе капиллярного подсоса не участвуют.

Д) Водопоглощение

Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение имеет место при погружении материала в воду.

Характеризуется водопоглощение отношением массы (объема) воды, содержащейся в объеме материала, к его массе в сухом состоянии (водопоглощение по массе) или к его объему (водопоглощение по объему).

По объему водопоглощение всегда меньше объема пористости теплоизоляционного материала, а по массе - часто превышает 100%.

Водопоглощение зависит от вида и характера пористой структуры и смачиваемости твердой фазы водой. Примерные значения водопоглощения теплоизоляционных материалов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Водопоглощение теплоизоляционных материалов

Материал	Водопоглощение, %
	по массе	по объему
Ячеистые материалы
-закрытые поры (пеностекло)	80-120	2-15
-сообщающиеся поры (перлитобетон)	350-400	30-40
Волокнистые материалы (минеральная вата)	400-650	80-85

Е) Паропроницаемость

Паропроницаемость характеризуется способностью материала пропускать сквозь себя водяной пар.

Паропроницаемость теплоизоляционных материалов характеризуется коэффициентом паропроницаемости (м), который численно равен количеству водяного пара в мг, проходящему через один квадратный метр поверхности материала за один час при толщине один метр и разности давлений на противоположных сторонах 1 Па (мг/м•час Па).

Коэффициент сопротивления паропроницанию в (м ² час Па)/мг определится как:

R_п = д/м, (33)

где д - толщина материала, м.

В зарубежных нормах паропроницаемость характеризуется безразмерным коэффициентом диффузии водяного пара (м*), равным отношению паропроницаемости воздуха к паропроницаемости материала.

При паронеприцаемости воздуха, равной 0,625 мг/(м ч Па),

м=0,625/м*. (34)

Ж) Водостойкость, морозостойкость

Водостойкость теплоизоляционных материалов оценивается по коэффициенту размягчения (водостойкости).

Коэффициент размягчения характеризует влияние влаги на свойства материалов и, прежде всего, на их прочность:

K_paзм=R_вн/R_c, (35)

где R_вн - прочность водонасыщенного материала; R_c - прочность сухого материала.

Коэффициент размягчения учитывается у ячеистых и зернистых теплоизоляционнх материалов.

У некоторых материалов, например, минеральной ваты, водостойкость оценивается по значению рН среды после обработки пробы материала 0,1Н раствором соляной кислоты (ГОСТ 4640-93).

Морозостойкость характеризует способность материалов в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.

Морозостойкость распространяется на теплоизоляционные бетоны (арболит, газобетон, пенобетон и др.).

Показатель морозостойкости (F) показывает число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором потеря прочности (для теплоизоляционных бетонов) не превышает 15%, а потеря массы - 5%.

Следует отметить, что показатели водостойкости и морозостойкости для теплоизоляционных материалов во многих случаях теряют смысл, так как водонасыщенные теплоизоляционные материалы не выполняют своих теплоизолирующих функций.

3. Взаимосвязь состава, структуры и свойств теплоизоляционных материалов

Необходимо отметить, что даже небольшие изменения химического состава материалов, их физического состояния и структуры приводят к существенному изменению значений теплопроводности и, следовательно, требуют учета при выборе материала для теплоизоляции.

Теплопроводность материалов зависит от следующих факторов:

- физического состояния и строения, которые определяются фазовым состоянием вещества;

- степени кристаллизации и размеров кристаллов; анизотропии кристаллов и направления теплового потока;

- объема пористости материала и характеристик поровой структуры;

- химического состава и наличия примесей, которые особенно влияют на теплопроводность материалов;

- условий эксплуатации материала, которые характеризуются эксплуатационными факторами, например, температурой среды, атмосферным давлением, влажностью и пр.

3.1 Влияние физического состояния

В твердых телах передача теплоты осуществляется путем взаимодействия между тепловыми упругими колебаниями решетки или вследствие движения электронов и столкновения их с атомами. В металлах имеют место оба вида передачи энергии, чем и объясняется их большая теплопроводность.

В неметаллах число свободных электронов, которые могли бы свободно двигаться по кристаллической решетке, незначительно, поэтому в них теплота передается, главным образом, за счет колебаний решетки и теплопроводность неметаллов значительно ниже.

Для кристаллических веществ теплопроводность примерно пропорциональна размеру кристалла (снижается по мере уменьшения размеров кристаллов).

При направлении теплового потока вдоль оптической оси кристалла или вдоль волокон теплопроводность существенно больше, чем при перпендикулярной направленности (у кристалла кварца в диапазоне температур от -200 до 100°С - почти в 2 раза; такое же явление имеет место в древесине и асбесте.

Теплопроводность кристаллических тел можно понизить путем увеличения дефектов в их структуре или рекристаллизацией с уменьшением размера кристаллов и снижением их доли в материале.

Например, радиоактивное облучение создает точечные дефекты в структуре кристаллов, а при интенсивном облучении вызывает переход от кристаллического к стеклообразному состоянию, что и является причиной уменьшения теплопроводности.

На теплопроводность кристаллических тел значительное влияние оказывает температура, с ее понижением теплопроводность увеличивается, следовательно, при повышении температуры теплопроводность таких тел падает.

Особенно заметное повышение теплопроводности наблюдается при отрицательных температурах, поэтому теплоизоляционные свойства материалов в этом случае резко ухудшаются.

В стеклообразных материалах вследствие нерегулярного расположения атомов теплопроводность почти на порядок ниже, чем в кристаллических.

С повышением температуры стеклообразных материалов их теплопроводность возрастает.

Теплопроводность жидкости тем больше, чем выше ее удельная теплоемкость - один из параметров, входящих в уравнение Дебая (8).

При повышении температуры расстояние между молекулами в жидкостях увеличивается, плотность их уменьшается, теплопроводность падает (исключение составляют вода, тяжелая вода и глицерин).

Чем ниже температура кипения жидкости (при нормальном давлении), зависящая от химического состава, тем быстрее уменьшается теплопроводность с ростом температуры.

Для различных жидкостей изменение теплопроводности колеблется от 0,1 до 0,25% на 1°С.

В газах с повышением температуры теплопроводность увеличивается

Теплопроводность газов зависит от их молекулярной массы и числа атомов в молекуле. С увеличением молекулярной массы (М) теплопроводность падает;

л=1/М ^1/2. (36)

С увеличением числа атомов в молекуле, т.е. с усложнением строения молекулы, теплопроводность газов уменьшается.

3.2 Влияние химического состава

Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность.

Вещества, простые по химическому составу и строению, имеют большую теплопроводность, чем сложные.

Например, MgO имеет большую теплопроводность, чем SiО₂ и Аl₂О. Еще меньшей теплопроводностью обладают CaOSiО₂; 2CaOSiО₂ и муллит 3Al₂О₃2SiО₂.

Примеси, как правило, уменьшают теплопроводность вещества, даже если сами они более теплопроводны, чем основное вещество.

В данном случае играет роль усложнение структуры веществ. Это явление характерно для материалов с кристаллическим строением и слабее выражено у стекловидных веществ.

3.3 Влияние макроструктуры

Наличие пор в твердых материалах существенно снижает их теплопроводность.

Наименьшей теплопроводностью обладают газы, находящиеся в неподвижном состоянии, когда отсутствует конвективный перенос теплоты.

Мелкопористая структура эти условия обеспечивает, поэтому теплопроводность материалов с такой структурой при прочих равных условиях ниже, чем у материалов с крупнопористой. При отсутствии сплошного каркаса (в теплоизоляционных засыпках и волокнистых материалах) тепловой поток, проходя от одной твердой фазы к другой в местах контакта частиц, преодолевает дополнительное термическое сопротивление. Из этого следует, что материалы ячеистой структуры при одном и том же составе твердой фазы характеризуются большей теплопроводностью, чем с волокнистой или зернистой структурами.

Очевидно также, что уменьшение диаметра волокон и размера зерен увеличивает сопротивление материала теплопередаче, снижает его теплопроводность, так как в этом случае число контактов между элементами структуры возрастает, а размеры пор уменьшаются.

Размер и форма воздушных включений оказывают большое влияние на теплопроводность материала. В реальных материалах форма пор в большинстве случаев отличается от сферической, поэтому она оказывает влияние, особенно при крупнопористой структуре, на теплопроводность материала в зависимости от направления потока по отношению к расположению пор (воздушных прослоек). В этом случае наименьшая теплопроводность материала имеет место при расположении воздушных прослоек (пор) перпендикулярно потоку тепла.

При мелкопористой структуре ориентация материала по отношению к тепловому потоку не существенно влияет на теплопроводность.

Размещено на Allbest.ru