ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Формирование оптимальной ячеистой структуры теплоизоляционных материалов и изделий

Общая пористость материала с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоро - въ? х перегородок (микропористости). На долю ячеистой пористости приходится примерно 90% от общего ее объема. Рассмотрим, каков же максимальный общий объем ячеистой пористости возможен в реальных материалах.

Объем ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (их упаковкой), распределением пор по разме­рам, максимальным и средним размером пор, их формой, толщи­ной межпоровых перегородок. Наибольшие значения пористости при сферической форме пор достигаются в условиях геометрически правильной их укладки (упаковки), к которой относятся кубиче - екая и гексагональная. Известно, что при плотных кубических или гексагональных упаковках шаров (сферических пор) любого одина­кового диаметра в условиях их соприкосновения (рис. 5.1) предель­ный объем, %, ячеистой пористости составит:

Пкуб=[(ГЮ/6)/£>3] 100 — 52,4; (5.1)

Пгекс = [(П0з/6)/(2 утр)] 100 = 74,05. (5.2)

В этом случае минимальная средняя плотность полимерных ма­териалов составит 330 кг/м3, а минеральных — 735 кг/м3, т. е. она значительно выше допустимой для теплоизоляционных и акустиче­ских изделий.

По при ячеистом структуре а условиях соприкосновения пор, т. е. при отсутствии межнороных перегородок, существование мате­риала невозможно. С учетом этого формулы (5.1) и (5.2) преобра­зовываются и принимают вид: —

Пку6 = 0,524 [(DID + 8)р 100;

П^кс = 0,74 f DID - j - й)]3100,

Где!) толщина, Мсжпороион перегородки в ее наиболее тонком сечении.

Таким образом, наличие перегородок, а также отклонение от идеальной гексагональной схемы упаковки пор (искажение ук­ладки) в реальных материалах существенно уменьшают значения ячеистой пористости. Увеличение диаметра пор приводит к некото­рому повышению объема пористости за счет уменьшения числа меж - поровых перегородок и наоборот. Однако в крупных порах заметно возрастает конвективный теплообмен и теплопроводность такого

А — с раздвижкой крупных пор (объемно-центрированная кубическая упаковка); 6 — без раздвижки крупных пор с размещением мелких пор в межузловом пространстве

Материала, несмотря на возрастание объема газовой фазы, не сни­жается. Кроме того, его прочностные характеристики падают.

Принципиально возможно увеличение объема пористости путем изменения характера пористой ячеистой структуры и межпоровых перегородок. Для этого необходимо иметь в материале поры раз­личных размеров. Полидисперсный характер распределения пор по размерам при определенных условиях обеспечивает высокую веро­ятность равномерного размещения пор меньших размеров между порами больших диаметров (рис. 5.2). В этом случае для материа­лов с последовательно убывающим размером пор от D до d при определенном отношении d/D и количественном соотношении пор всех размеров решетки постепнно переходят из одномерных (куби­ческих пли гексагональных) в бинарные, тронные, четырехмерные /г-мерные. При этом предел пористости возрастает.

При условии равномерного распределения пор всех диаметров:

D - (1/2-1 )D - (Кб/2-1)D и (2 КЗ/3-1)D

И при их количественном соотношении 1:1:1:1 —может быть дос­тигнут наибольший объем пористости. Дальнейшее уменьшение (II т. е. переход к /2-мериоп решетке, дает ничтожно малый при­рост пористости.

В табл. 5.1 приведены значения ячеистой пористости в зависимо­сти от ее структуры.

Таким образом, в случае идеального распределения пор в четы­рехмерной гексагональной решетке достигается предел объема ячеистой пористости:

.n„ = 8l2[D/(D-f 8)]Ч00. (5.5)

Повышенная пористость полимерных материалов, равно как и их пониженная средняя плотность, объясняется возможностью соз­дания более тонких межпоровых перегородок, а также меньшей плотностью полимерного материала

В реальных материалах реализация строгого распределения пор по размерам невозможна. Обычно содержатся поры с размерами от d до D, а их количественное соотношение строго не выдерживается и зависит от множества факторов, главным образом технологиче­ского характера. Поэтому реальные материалы только за счет по­лидисперсности макропор не могут иметь величину ячеистой порис­тости, характеризующуюся предельными значениями.

Однако промышленность производит высокопористые материа­лы ячеистой структуры, как полимерные (пенопласты), так и неор­ганические (газобетон, пеностекло), которые характеризуются значительно меньшей средней плотностью и, следовательно, боль­шей пористостью, чем значения этих показателей, представленные в табл. 5.1. Это обстоятельство можно объяснить с позиций дефор­мации пор, г. е. и ІМСІІіЧІІіеМ |1 формы. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

Если бы поры одинакового размера были идеально деформиро­ваны в форму правильных многогранников (рнс. 5.3, а), то при сотовом строении

N = [D/(D-j-8)]3100, (5.6)

Т. е. объем пористости определялся бы толщиной перегородки (рис. 5.3, б). В этом случае толщина межпоровой перегородки зависит от размера частиц твердой фазы и плотности упаковки этих частиц.

Например, наименьший размер частиц характерен для полимерных композиций, промежуточный — для глиняных и наибольший — для цементно-песчаных материалов. При этом необходимо отметить, что в реальных материалах образование перегородки толщиной в одно зерно маловероятно, а если такая перегородка и образуется, то прочность и устойчивость ее минимальны.

Следовательно, для создания тонких и прочных перегородок, т. е для снижения плотности материала с сотовой структурой, есть лишь один путь — уменьшение размера зерен вяжущего и заполни­теля. Например, для ячеистых бетонов, если предположить, что в межпоровых перегородках зерна песка окружены зернами цемента, то минимально возможная тол. цина перегородок может достигать значений, приведенных в табл. 5.2.

В реальных материалах толщина перегородок значительно выше приведенной в табл. 5.2, так как не достигается плотная упаковка зернистых частиц вследствие их угловатости и шероховатости Это­му же препятствует наличие воды затворения в составе смеси. В ре­зультате в перегородках формируется разветвленная сеть микропо­ристости, состоящей нз капилляров и гелевых опор. Объем капил­лярной пористости определяют по формуле

Где В її Ц — соответственно расход воды и цемента; Wi — количест­ва воды, связанное цементным іелем химически и физико-хими­чески; и — степень гидратации, составляющая для автоклавного ячеистого бетона в среднем 0,55.

Г елевую пористость рассчитывают по формуле

П1е, = 0,001/аЦ,

Где / — объем адсорбционно связываемой гелем воды, равной при­мерно 0,2.

В теплоизоляционных ячеистых бетонах объем капиллярной по­ристости составляет 5 12%, гелевой—1,5...2,5%. Чем выше сред­няя плотность бетона, т. е. чем толще перегородки или чем их боль­ше, тем больше ВОДЫ, выше Пкап И Прел

Несмотря на то что капиллярные и гелевые поры увеличивают на 7...15% обшую пористость материала, негативное влияние этих пор на функциональные и строительно-эксплуатационные свойства ячеистого материала весьма велико.

В основном они определяют гигроскопичность материала, суще­ственно влияют на прочность и коэффициент конструктивного каче­ства. С ростом объема этих пор увеличиваются водопоглощеиие и равновесная влажность материала, при этом возрастает его тепло­проводность и снижается прочность. Таким образом, снижение капиллярной пористости является существенным резервом повыше­ния качества материалов с ячеистой пористой структурой.

Сравнивая формулы (5.5) и (5.6), можно заметить, что сотооб - разное строение пористости позволяет существенно, примерно на 19%, увеличить ячеистую пористость. Однако создание такой порис­той структуры в реальных материалах, исключая сотопласты, не­реально. Тем не менее на практике получают ячеистые бетоны с общей порпстостыо до 92%, при этом их средняя плотность состав­ляет 200 кг/м3. Это можно обьисипть применением високодисперс­ного сырья, некоторым увеличением среднем крупности пор, их час­тичном С. ІМіМфОІНІїО. ТМКМЇ іеформ. іцмеіі в многогранники, наличием значительного объема сообщающихся пор и, конечно же, учетом мнкропористости, имеющейся в твердой фазе.

При получении таких особо легких ячеистых бетонов идут на снижение их прочности, но выигрывают в материало - и энергоем­кости при их производстве, в теплопроводности в случае примене­ния таких материалов в строительной теплоизоляции, т. е. при обычных температурах, или в повышении звукопоглощения прп использовании их в качестве акустических покрытий.

Межпоровые перегородки в материале с ячейистой структурой должны быть не только тонкими, но и близкими между собой по толщине. Различие межпоровых перегородок по толщине сущест­венно снижает прочность материала. Разрушение наиболее тонких (слабых) перегородок влечет за собой перераспределение нагрузок на оставшиеся более прочные перегородки Эта нагрузка в ячеис­тых структурах возрастает по гиперболическому закону. Поэтому чем больше различия в толщине межпоровых перегородок, тем зна­чительнее недобор прочности материалом при прочих равных усло­виях.

На прочность поризованного материала оказывает влияние и ха­рактер внутренней поверхности воздушных пор, т. е. припорового слоя, толщина которого для минеральных систем составляет 15... 30 мкм, а для полимерных — от 1 до 10 мкм. Из-за отсутствия чет­ких критериев оценки состояния припорового слоя используют условную градацию: рваная (рыхлая), гладкая (ровная) и глянце­вая (высокоплотная) поверхность.

В зависимости от условий формирования ячеистой структуры припоровый слой может быть более рыхлым, чем основной матери­ал межпоровой перегородки (рваная поверхность), равнопрочным (гладкая поверхность) и более плотным и прочным (глянцевая поверхность). В последнем случае припоровый слой выполняет роль подкрепляющей зоны, аналогично густоармированной зоне в желе­зобетонных арках и оболочках. Рыхлый же припоровый слой ослаб­ляет сечение межпоровой перегородки. Экспериментально установ­лено, что формирование глянцевого припорового слоя существенно повышает прочность материала при прочих равных условиях и в тем большей степени, чем выше пористость материала.

Необходимо также отметить, что деформация пор, т. е. отклоне­ние от сферической формы, во всех случаях ведет к снижению проч­ностных показателей ячеистых материалов. Однако деформация мелких пор в правильные многогранники незначительно влияет на прочность и применительно к теплоизоляционным материалам с по­зиций теплопроводности и прочности, т. е. с позиций комплексной оценки материала, правомерно говорить об оптимальной пористой структуре с такой характеристикой пористости.

Таким образом, для теплоизоляционных материалов оптималь­ной ячеистой структурой следует считать равномерно распределен­ную в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформирован­ных в правильные многогранники пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками. Для получения такой оптимальной ячеистой структуры необходимо оптимизировать сле­дующие ее характеристики.

Однородность распределения пористости в объеме материала. Этот параметр может быть оценен средним квадратичным отклоне­нием (дисперсией) от среднего значения пористости о{П} нли коэф­фициентом вариации V0n. Экспериментально установлено, что для ячеистых теплоизоляционных бетонов а{П} изменяется от 3 до 11%, причем с повышением пористости дисперсия, как правило, уве­личивается.

Равномерность распределения пористости в поризованных систе­мах подчиняется статистическим законам. Известны также направ­ленные закономерности распределения пористости в изделиях. Например, пористость в горизонтальных сечениях возрастает от периферийных зон к центральной (сказывается «пристенный эф­фект»), в вертикальных же сечениях рост пористости наблюдается снизу вверх (сказывается давление верхнележащих слоев).

Однородность распределения пористости зависит от однородно­сти смеси и прежде всего от равномерности распределения поро - образователя; однородности температурного поля и реологических характеристик по ее объему; величины «пристенного эффекта», тормозящего вспучивание массы; кинетики изменения пластично - вязких свойств поризуемой массы; высоты формуемого изделия и других технологических факторов. Учет и направленное регулиро­вание всех этих факторов позволяют существенно повысить одно­родность распределения пор в объеме материала. Значение о{П} для эффективных теплоизоляционных материалов не должно пре­вышать 5%.

Толщина межпоровых перегородок. Этот показатель объединя­ет три параметра: толщину перегородки в наиболее топкой ее час­ти, равномерность сечения перегородки по периметру поры (неод­нородность сечения в пределах одной поры), неоднородность толщин перегородок в объеме поризованного материала

Среднюю толщину межпоровой перегородки в материале с яче­истой структурой определяют дисперсность исходных компонентов и способ поризации Толщина перегородки зависит от пористости плотности упаковки твердых частиц.

Равномерность сечения перегородки по периметру пор зависит от характера упаковки пор в объеме материала, степени и вида деформации пор, полидисперсности распределения пор по разме­рам. Этот параметр практически не поддается прямому регулиро­ванию. Однако установлено, что с увеличением объема пористости равномерность сечения перегородок повышается.

На неоднородность толщины перегородок в объеме материала влияют и первую очередь равномерность распределения в поризуе­мой смеси порообразователя, однородность температурного поля

Т? и гізозоч зсп'^"ізан-п і хіно? м.4о:*■>

T -- • ; -

Наименьшие колебания толщины перегородок характерны для пенопластов, наибольшие — для ячеистых бетонов. Оценивают не­однородность толщины перегородок средним квадратичным откло­нением толщины перегородки от среднего значения толщины всех перегородок о{6} или коэффициентом вариации этого параметра V0n. Для теплоизоляционного ячеистого бетона значение о{б} колеблется в пределах от 0,05 до 0,16 мм. Снижение значений это­го показателя добиваются увеличением объема пористости, диамет­ра пор, уменьшением воды затворения (В/Т).

Реально достижимые толщины перегородок и неоднородность толщин в объеме материала составляют для теплоизоляционных полимерных материалов с ячеистой структурой соответственно 0,006...0,01 и 1...2-10~3 мм, а для материалов из неорганического сырья —0,09...0,12 и 0,04 0,07 мм.

Плотность межпоровых перегородок. Этот показатель определя­ется их пористостью, которая слагается из пористости, создаваемой водой затворения, и межзерновой пористости, характерной для не­органических материалов зернистого строения. Первый из этих двух факторов зависит от количества воды затворения (В/Т) или количе­ства разбавителя, а также от доли жидкой фазы, связываемой в процессе твердения. Второй фактор определяется гранулометриче­ским составом твердых компонентов, формой зерен, шероховатостью их поверхности, а также реологическими характеристиками смеси и интенсивностью уплотнения.

Повышение плотности перегородок достигается: для полимерных систем — уменьшением количества разбавителя, наиболее - полной полимеризацией системы, для минеральных систем гидратационно го твердения — снижением В/Т, подбором оптимальной грануломет­рии твердых компонентов, интенсивным уплотнением и обжатием перегородок; для минеральных систем, проходящих стадию пиро - пластического состояния, — оптимизацией тепловой обработки, обеспечивающей наиболее полное омоноличивание зернистых со­ставляющих жидким расплавом.

С учетом сказанного возможно доведение плотности межпоро­вых перегородок почти до 100% для полимерных систем и до 74... 78% для минеральных материалов гидратационного твердения.

Форма пор. Этот параметр характеризует степень деформирова­ния сферических пор в правильные многогранники. Повышение объема ячеистой пористости системы, снижение поверхностного на­тяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация порис­той структуры путем отверждения приводят к увеличению объема пор — многогранников. О степени деформирования пор можно су­дить по объему ячеистой пористости: если значение П„ превышает 75...80%, то это указывает на переход сферических нор в многогран

.... кн. Чем выше объем ячеистой пористости, тем более правильной

Формы должны быть многогранники.

Характер внутренней поверхности пор. Этот параметр отражает главным образом прочностные характеристики теплоизоляционных материалов. Необходимо стремиться к получению пор с плотной гладкой внутренней поверхностью. Этому способствуют следующие основные факторы: понижение поверхностного натяжения в период порнзации массы; применение динамических воздействий (вибра­ции) ; быстрое закрепление образовавшейся пористой структуры, а также недопущение слишком интенсивного порообразования.

Практика показывает, что порнзация минеральных композиций с помощью технической пены позволяет получать наиболее глад­кую внутреннюю поверхность пор.

Замкнутость ячеистой структуры. Для теплоизоляционных мате­риалов и изделий идеальной является пористая структура с замкну­тыми ячейками. Однако в реальных материалах, выпускающихся промышленностью, характерно наличие дефектов ячеистой структу­ры, нарушающих замкнутость нор: «контактные дырки» и трещины в перегородках, возникающие из-за несоответствия скорости газо­образования и темпа нарастания предельного напряжения сдвига и пластической вязкости массы; вертикально направленные каналы со значительным разрыхлением структуры в приствольной зоне ка­нала (результат интенсивного порообразования или прорыва массы газами); поперечные и косые трещины в перегородках, образую­щиеся при транспортировании поризованной массы в формах с не­достаточной жесткостью.

Наиболее трудноустранимый дефект — «контактные дырки». Он характерен для материалов с ячеистой структурой, получаемых ме­тодом газового вспучивания. Это связано с тем, что количество газообразователя при газообразовании в различных микрообъемах массы и порах неодинаковое, в результате чего в соседних порах возникает неравномерное давление. По мере роста перепада давле­ния и уменьшения толщины перегородок создаются условия для прорывов стенки соседних пор и выравнивания давления. В резуль­тате образуется контактная дырка.

Трещины же возникают в массах, затвердевающих раньше окон­чания процесса газообразования. Поэтому этот дефект легко устра­ним путем изменения условий твердения и газообразования.

Применение способа пенообразования исключает практически полностью этот дефект ячеистой структуры, равно как и образова­ние вертикально направленных каналов.

Анализ показывает, что дефекты ячеистой структуры теплоизо­ляционных материалов в подавляющем большинстве можно ликви­дировать оптимизацией технологии и добиться получения пористой структуры ячеистого строения, близкой к идеальной. Для этого не­обходимо реализовать в промышленных условиях следующий комп­лекс технологических мероприятий.

Для минеральных систем гндратацнонною твердения: направ­ленно регулировать реологические свойства и кинетику поризации массы, нноvi поверхностно активные добавки и электролиты, нзме-

Няя температурный режим и применяя механические воздействия, оптимизируя гранулометрию и дисперсность твердых компонентов; снизить водотвердое отношение до значения, близкого к необходи­мому для гидратации вяжущего; создать условия для интенсивного уплотнения и обжатия твердой фазы материала.

Для минеральных систем, проходящих стадию пиропластическо - го состояния: увеличить однородность распределения порообразова - теля в массе, оптимизировать его концентрацию в ней, а также дис­персность газообразователя; выбрать рациональные режимы тепло­вой обработки для достижения соответствия кинетики изменения реологических свойств массы и газовыделения в ней, а также усло­вий для наиболее полного омоноличивания компонентов смеси и уменьшения остаточных напряжений в порнзованном материале.