Пластические массы

Строение и свойства

Процесс переноса тепла в материале под действием градиента температуры называется теплопроводностью.

Тепловой поток q, проходящий через материал, пропорционален градиенту температуры, dt/dx, который обозначается как grad t и имеет размерность, °С/м

q=~Agrad. t. (16.1)

Множитель А в уравнении 16.1, выражающий пропорциональ­ность теплового потока градиенту температуры, называется коэффи­циентом теплопроводности. Он представляет собой количество те­пла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности материала при падении температуры 1 °С на единицу длины, и имеет размерность Вт/(м °С). Знак минус в формуле (16.1) означает, что перенос тепла происходит в направлении понижения температуры (отрицательный градиент температуры).

Коэффициент теплопроводности строительных материалов опре­деляют экспериментально в стационарных условиях теплопередачи при температуре +25 °С. Численные их значения приведены в норма­тивных документах — СНиП ЇЇ-3-79 и стандартах общественных ор­ганизаций РНТО и РОИС. Зная коэффициент теплопроводности мате­риала, можно определить его тепловое (термическое) сопротивление R передаче тепла при заданной толщине S из соотношения — R = SI А, м2-°С/Вт и сравнить с требуемым.

Теплопроводность связана с коэффициентом температуропро­водности а, теплоемкостью с и плотностью материала рт в виде А = асрт. (16.2)

Численные значения коэффициента температуропроводности а и теплоемкости с для материалов строительных конструкций в ста­ционарных условиях теплопередачи можно условно считать посто­янными. Отсюда следует, что А = /(/»„). Эта зависимость позволяет установить связь теплопроводности материалов с их плотностью с достаточной для практики точностью (рис. 16.1) и провести марки­ровку теплоизоляционных материалов по этому показателю: D15, D25, D35, D50, D100, D125, D150, D175, D200, D250, D300, D350, D400, D500 (кг/м3).

В практике используют следующие основные способы создания высокопористого строения материала. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, пористые пласт­массы) используют способы газовыделения и пенообразования.

Способ высокого водозатворения состоит в применении боль­шого количества воды при получении формовочных масс (например, из трепела, диатомита); последующее испарение воды при сушке и обжиге формовочных изделий способствует образованию воздушных пор. Этот способ часто сочетается с введением выгорающих добавок (углесодержащих техногенных отходов, древесных опилок и др.).

Создание волокнистого каркаса — основной способ образова­ния пористости у волокнистых материалов (минеральная вата, дре­весно-волокнистые плиты и т. п.). Высокопористое строение закреп­ляется главным образом путем тепловой обработки изделий.

Тепловой поток через пористые многокомпонентные строитель­ные материалы представляет собой сумму кондукционного ЛТ, кон­векционного Лк и радиационного ЛР потоков. Для описания про­цессов теплопереноса через строительные материалы нельзя исполь­зовать термин теплопроводность, относящийся только к кондукци - онному переносу тепла. Зависимость Лэ = Лт +ЛК + ЛР характеризует составные части или компоненты эффективной (общей) теплопро­водности.

Целесообразно для комплексного ресурсосбережения изготовлять теплоизоляционные изделия с технологическими пустотами, в кото­рых создаются воздушные прослойки. Чем тоньше прослойки воздуха и чем их больше, тем меньше теплопроводность изделия (рис. 16.2).

Стремление к замкнутой пористости отличает структуру тепло­изоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, кото­рые должны иметь определенное количество «сквозных» пор. Это принципиальное отличие необходимо иметь в виду, так как часто
для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий используются одни и те же исходные материалы.

Известно, что теплопроводность материала является функцией теплопроводности скелета материала Яск, теплопроводности воз­душной среды Лв и влаги AIV, находящейся в поровом пространст­ве. Существенно понизить теплопроводность скелета можно путем использования материала аморфного строения, так как оно значи­тельно хуже проводит тепловой поток, чем материал кристалличе­ского строения.

Минимальную теплопроводность имеет сухой воздух, заклю­ченный в мелких замкнутых порах, в которых практически невозмо­жен конвективный теплообмен. В этом случае теплопроводность воздуха минимальна и составляет 0,0255 Вт/(м °С) при 25 °С. Следо­вательно, структура теплоизоляционного материала и изделия долж­на иметь скелет аморфного строения, предельно насыщенный мел­кими замкнутыми порами или тонкими воздушными прослойками.

Для теплопроводности имеет огромное значение влажность материала и его сорбционный потенциал, так как теплопроводность воды Xw = 0,6 Вт/(м °С) при 25 °С, что в 24 раза выше теплопровод­ности воздуха, содержащегося в мелких замкнутых порах материала.

В случае замерзания воды в порах материала теплопроводность его резко возрастает, так как теплопроводность льда на два порядка выше теплопроводности сухого воздуха и в 4 раза больше теплопро­водности воды.

В определенных пределах теплопроводность повышается прямо пропорционально возрастанию объемной влажности WQ (%), что по­зволяет вычислить теплопроводность влажного материала Я№ по следующей формуле:

Xw=Xc+SfV0, (16.3)

где Яс — теплопроводность сухого материала; 8 — приращение теплопроводности на 1% объемной влажности, которое составляет: для неорганических материалов при положительной температуре — 0,002 Вт/(м-°С), при отрицательной температуре — 0,004 Вт/(м-°С); для органических соответственно 0,003 и 0,004 Вт/(м °С).

Принято защищать теплоизоляционные материалы и изделия от увлажнения. Материал, примыкающий к теплоизоляционному мате­риалу в изделии и покрывающий его с одной, двух или всех сторон, называется покровным.

Теплоизоляция тепловых агрегатов и теплопроводов работает при повышенных температурах.

Теплопроводность Я, при повышенной температуре материала можно вычислить, зная теплопроводность при 0 °С и температурную поправку р на 1 °С повышения температуры:

Л,=Л0(1 + /й). (16.4)

У различных пористых материалов теплопроводность возрастает при повышении температуры с разной скоростью, поэтому и темпе­ратурный коэффициент р будет различный. Расчетные значения теплопроводности материала принимают по СНиП «Строительная теплотехника».

У некоторых материалов (магнезиальных огнеупоров, металлов) теплопроводность уменьшается при повышении температуры и, сле­довательно, температурная поправка имеет отрицательный знак.

Плотность волокнистого материала — отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке.

Прочность на сжатие определяется при 10%-ной деформации, это величина напряжения, вызывающего изменение толщины изде­лия на 10%. Сжимаемость — способность материала изменять тол­щину под действием заданного давления. Материалы по сжимаемо­сти делят на мягкие (М) — деформация свыше 30%; полужесткие (П) — деформация 6-30%; жесткие (Ж) — деформация не более 6%. Сжимаемость характеризуют относительной деформацией материала при сжатии под действием удельной нагрузки 0,002 МПа.

Прочность теплоизоляционных материалов при сжатии сравни­тельно невелика — 0,2-2,5 МПа. Основной прочностной характери­стикой волокнистых материалов (плит, скорлуп, сегментов) является предел прочности при изгибе. У неорганических материалов он со­ставляет 0,15-0,5 МПа; у древесных плит — 0,4-2 МПа. Гибкие теп­лоизоляционные материалы (минераловатные маты, войлок, асбе­стовый картон) испытывают на растяжение. Прочность материала должна обеспечивать его сохранность при перевозке, складирова­нии, монтаже и, конечно, в эксплуатационных условиях

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойст­ва пористого материала, но также понижает его прочность и долговеч­ность. Материалы с закрытыми порами, например пеностекло, отлича­ются небольшим водопоглощением. Для снижения водопоглощения при изготовлении материалов вводятся гидрофобизующие добавки.

Газо - и паропроницаемость учитывают при применении в ог­раждающих конструкциях. Теплоизоляция не препятствует воздухо­обмену жилых помещений с окружающей средой, происходящему через наружные стены зданий. Теплоизоляцию стен влажных произ­водственных помещений защищают от увлажнения с помощью на­дежной гидроизоляции, устраиваемой с «теплой» стороны.

Огнестойкость связана с горючестью материала, т. е. его спо­собностью воспламеняться и гореть. Сгораемые материалы можно применять только при осуществлении мероприятий по их защите.

Горючесть материалов определяется при стандартных условиях воздействия температуры и времени выдержки.

Предельная температура применения не должна изменять экс­плуатационные свойства материала.

Химическая и биологическая стойкость. Большая пористость теплоизоляционных материалов благоприятствует проникновению в них агрессивных газов и паров, находящихся в окружающей среде. Органические теплоизоляционные материалы и связующие (клей, крахмал) должны обладать биологической стойкостью, т. е. сопро­тивляться действию микроорганизмов, домовых грибов, насекомых (муравьев, термитов).