ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Оптимизация зернистой структуры

Пористость зернистых теплоизоляционных материалов и изде­лий складывается из межзерновой Пмз и внутризерновой Пвз по­ристости:

Пз = Пмз + Пвз. (5.9)

У эффективных теплоизоляционных материалов соотношение между указанными видами пористости находится около 1:1. Внут- ризерновая пористость в большинстве случаев характеризуется яче­истой структурой. Она может быть замкнутой (гранулы пенополис - тирола, легкого вида керамзита) и открытой (перлит, вермикулит). Объем внутризерновой пористости можно рассчитать, исходя из средней плотности материала в куске:

РСр = (100—Пвз) р/100, (5.10)

Отсюда

Пвз = (1 —Р/Рср) 100. (5.11)

В материалах с замкнутой пористостью поры распределены не­равномерно по объему зерна (гранулы). Наибольший объем пор и наибольший их размер характерны для центральной зоны зерна, наименьшие — для наружной зоны.

Объем межзерновой пористости (пустотности) зависит от грану­лометрического состава и формы зерен и не зависит от их размера.

Чем однороднее по размерам зерна, тем выше Пмз. Полнфракцион - ные зернистые материалы характеризуются более плитной упаков кой и, следовательно, большей насыпной плотностью. Непрерывная гранулометрия в меньшей степени снижает межзерновую нустот - ность, чем прерывистая. Межзерновая пустотность — величина не­постоянная п зависит от характера уплотнения, которое может иметь различную природу и осуществляться под действием внешней статической или динамической нагрузки, гравитационного давления лежащих выше слоев, электростатического притяжения, силы по­верхностного натяжения.

Для реальных грубоднснерспых систем (размер зерен более 0,1 мм) два последних фактора малозначительны.

В процессе механического (подпрессовка) или динамического (вибрация) воздействия зерна в теплоизоляционной засыпке сме­щаются в направлении более плотной упаковки. У малопрочных хрупких зерен при >том сминаются или скалываются выступы, пре­пятствующие уплотнению; у иласгнчпых материалов (пепоиолпетп - рольные гранулы) происходит деформация, способствующая плот­ной укладке. В результате подпрессовки или вибрационного уплот­нения межзерновая пустотность снижается с 45. .50 до 25...32% У перлнтов, до 33...37% У пеноиолистпрола.

Влияние формы зерен на межзерновую пустотность однозначно оценить трудно. Принципиально наибольшую пустотность должны образовывать зерна одинакового диаметра сферической формы. Однако в силу зацепления зерен при укладке и неровности их по­верхности пустотность засыпки из зерен неопределенной формы (перлит, вермикулит, пористый щебень) такая же, как в засыпках из шарообразных зерен (керамзит, стеклопор и т. п.), или даже не­сколько больше, главным образом за счет сводообразования.

Максимальная межзерновая пустотность сферических тел одно­го диаметра в условиях плотной упаковки может достигать 48%. В реальных системах за счет нарушения плотной упаковки и фрак­ционного состава зерен, а также некоторого отклонения их от сфе­рической формы эта цифра может несколько увеличиваться и уменьшаться и колебаться в пределах 40...50%. Для засыпок из щебня Пмз колеблется от 43 до 48%.

Важнейшей характеристикой зернистой структуры, решающим образом влияющей как на теплофизические, так и на прочностные свойства, является размер зерен. Учитывая, что размер зерен не влияет на объем межзерновой пористости, предпочтительно исполь­зовать материал из зерен малого размера.

Во-первых, при малом размере зерен существенно уменьшаются межзерновые поры (пустоты), в результате чего затрудняется кон­вективный перенос теплоты. Во-вторых, уменьшаются площади кон - такгов мгж. чу зернами, вследствие чего увеличивается сопротивле­ние іенлопсречачс И порошках с ра імером час піц, равным долям микрометра, п с таким же малым размером пор на границе раздела. і ; момсрхпосн. но ншк. чег імамиге. тьиьііі температурный скачок,

В-третьих, увеличивается число контактов между зернами; из-за этого уменьшается разрушающее (пенетрирующее) действие каж­дого контакта — возрастает прочность системы на сжатие, а также повышается ее устойчивость (уменьшается сжимаемость материала в условиях эксплуатации под нагрузкой).

Положение меняется при переходе от теплоизоляционных засы­пок к изготовлению штучных изделий. В данном случае для прида­ния прочности изделиям необходимо применить вяжущее, с помо­щью которого создать омоноличенную по контактам между зернами структуру (способ контактного омоноличивания). При этом умень­шение размеров зерен (рост их удельной поверхности) требует уве­личения расхода связующего и, следовательно приводит к повыше­нию средней плотности и теплопроводности материала. Поэтому в этом случае рациональный зерновой состав подбирают эксперимен­тально с учетом реологических свойств связующего и поверхност­ных характеристик заполнителя. Определяющими параметрами при этом служат средняя плотность, прочность и теплопроводность изделия.

Понятие «оптимальная зернистая пористость» бывает различ­ным в зависимости от способа ее создания и условий эксплуатации. Следует различать два вида зернистой структуры: нестационарная зернистая структура, характерная для засыпной теплоизоляции; в этом случае контакт между зернами осуществляется только за счет механического трения; стабильная зернистая структура, присущая контактно-омоноличенному материалу, в которой контакт между зернами зафиксирован с помощью тонкой прослойки связующего.

Оптимальная нестационарная зернистая структура характеризу­ется высокопористыми мелкими зернами монофракционного соста­ва. Форма зерен и характер их поверхности в этом случае не име­ют первостепенного значения.

Оптимальная стабильная зернистая структура формируется из высокопористых зерен увеличенного размера и монофракционного состава со сферической формой и уплотненным поверхностным слоем.