Физические свойства теплоизоляционных материалов

Некоторое количество влаги всегда наблюдается в материалах с капиллярно-пористой структурой, находящихся в естественной воздушной среде. Происхождение этой влаги определяется тем, что присутствующие в воздухе с определенной влажностью молекулы водяного пара, попадая под влияние молекулярных сил более сухого материала, конденсируются на поверхности в виде тонкой водяной пленки.

Когда материал находится в воздушной среде  с постоянными температурой и  относительной влажностью, то в нем  преобладает равновесное состояние (неизменное количество влаги), эта влага называется сорбционной. 
После того как сорбированная влага достигла состояния равновесия на поверхности материала с давлением водяного пара в воздухе, постепенно происходит впитывание влаги во внутреннюю структуру материала. 
Влажность вычисляют по формуле

W= [m - m_i)/ m_i]100,

где т — масса материала в естественном состоянии (влажного), г; тi— масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

 

Водопоглощение

 

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу при непосредственном соприкосновении с водой (например, при погружении). Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала. Водопоглощение W_n (%) вычисляют по формуле

Wп= [m2 – m₁)/ m₁]100,

где m₁— масса материала в сухом состоянии, г; т₂— масса материала в насыщенном водой состоянии, г.

 
Чем больше поглощает материал влагу, тем больше теплопроводность материала. Это происходит потому, что вода занимает внутри материала какую-то часть объема пор и ячеек, замещая собой воздух. 
 
Такое существенное увеличение теплопроводности теплоизоляционного материала вызывается тем, что теплопроводность воды λ=0,58 Вт/(м*К ) приблизительно в 25 раз выше теплопроводности «стоячего» воздуха. 
Когда температура окружающей среды падает ниже нуля градусов Цельсия вода в порах материала замерзает, а это служит еще большим увеличением теплопроводности материала, потому что теплопроводность льда λ=2,2 Вт/(м*К ) практически стократно превышает теплопроводность «стоячего» воздуха. 
Гидрофобизация позволяет значительно уменьшить водопоглощение стекловолокнистых и минераловатных теплоизоляционных материалов, как правило, путем введения кремнийорганических добавок. 
Если материал практически не увлажняется при взаимодействии с водой, то это говорит о том, что он обладает свойством гидрофобности. 

Паропроницаемость, водонепроницаемость, водоустойчивость

 

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений на противоположных поверхностях слоя материала.

Парциальное давление — часть общего давления составляющих парогазовой смеси. Парциальное давление водяного пара равно давлению, которое он оказывал бы, занимая весь объем смеси и находясь при температуре смеси.

Парциальное давление водяных паров с повышением температуры возрастает. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т. е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхностей с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение.

Паропроницаемость характеризуется  коэффициентом паропро- ницаемости, который определяется количеством водяных паров в мг, проходящих через слой материала площадью 1 м², толщиной 1 м в течение 1 ч при разности давлений водяного пара на противоположных поверхностях слоя 133,3 Па (1 мм рт. ст.). Размерность этого коэффициента — мг/(Па• м • ч).

Как было сказано выше, при устройстве теплоизоляционной конструкции важно защитить теплоизоляционный материал от увлажнения. В этой связи важно знать такие свойства покрытия тепловой изоляции, как водонепроницаемость и водоустойчивость. Ряд теплоизоляционных материалов также обладают этими качествами.

Водонепроницаемость — способность покрытий тепловой изоляции либо самого теплоизоляционного материала не пропускать воду под воздействием гидростатического давления. Водонепроницаемость (ГОСТ 2678—94) характеризуется временем, в течение которого образец не пропускает воду при постоянном гидростатическом давлении, или гидростатическим давлением, выдерживаемым образцом в течение определенного промежутка времени. Гидростатическое давление (в м или мм) указывается в нормативно-техническом документе на испытуемый материал или конструкцию.

Водоустойчивость — важнейшее свойство покрытий тепловой изоляции не терять свои свойства в результате поглощения воды. Так, при воздействии воды некоторые мастичные материалы набухают и разрушаются, листовые материалы — отслаиваются либо расслаиваются. Водоустойчивость (набухание), измеряемая в процентах по объему, не должна превышать для гидротехнических сооружений 0,5 %, для кровли — 1,5 %.

Теплоустойчивость

Теплоустойчивость—способность материалов сохранять свои основные свойства при воздействии положительных (температуростойкость, температуроустойчивость, теплостойкость) или отрицательных (хрупкость, морозостойкость) температур.

Температуростойкость (предельная положительная температура применения) — способность материала сохранять свои свойства (структуру, прочность, теплопроводность и т. д.) при повышенной температуре. Температуростойкость различных теплоизоляционных материалов различна. Так, для пенопластов температуростойкость составляет 60—150 °С, а для диатомитовых изделий — 900 °С.

Способ определения  температуростойкости теплоизоляционных  материалов зависит от их формы и  структуры и устанавливается  в каждом случае соответствующими ГОСТами  или ТУ. Так, температуростойкость минеральной ваты (рыхлого волокнистого материала) определяют специальным прибором, представляющим собой цилиндр с крышкой в виде поршня заданной массы.

Перед началом испытания  линейкой измеряют высоту расположения поршня. Затем цилиндр помещают в печь и нагревают, постепенно повышая температуру. В процессе испытания определяют температуру, при которой начинается перемещение поршня вниз. Этот момент соответствует началу разрушения волокон, а определенная температура характеризует их температуростойкость. Предельная температура применения теплоизоляционных материалов приведена в ГОСТах или ТУ на материалы.

Температуроустойчивость гидроизоляционных рулонных материалов (ГОСТ 2678—94) характеризуется максимальной температурой, при которой отсутствует смещение покровного слоя или вздутие. Температуроустойчивость определяют путем осмотра образцов после выдержки их в сушильном шкафу в течение двух часов при заданной температуре. Материалы, применяемые для гидроизоляционных конструкций, должны не терять свои свойства (размягчаться, расслаиваться) при повышенных температурах или не быть хрупкими при отрицательных температурах. Так, температуроустойчивость должна быть не ниже 40 °С (для гидроизоляционных конструкций), а для надземных конструкций и кровли — не ниже 60—70 °С.

Теплостойкость — способность теплоизоляционных материалов выдерживать без изменения структуры и разрушения периодические колебания температуры. Теплостойкость измеряется числом теплосмен, т. е. числом резких изменений воздействующей на материал температуры, которая, как правило, бывает ниже температуры применения. Например, предельная температура применения минеральной ваты 700 °С, теплое тонкость же ее значительно ниже и в зависимости от числа теплосмен может понижаться до 200 °С.

При резком колебании  температур материал разрушается за счет возникающих в нем вследствие быстрого нагревания и охлаждения внутренних напряжений и, следовательно, неравномерного нагревания материала по всей его массе.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме, и образующийся лед давит на стенки пор материала. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его. Морозостойкость определяют на образцах-кубиках, вырезанных из жестких материалов. Образцы погружают в воду, выдерживают до полного насыщения, а затем подвергают попеременному замораживанию при температуре —20 °С в морозильной камере в течение шести часов и оттаиванию при комнатной температуре в течение пяти часов. Число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое должен выдержать материал без разрушения, характеризует его морозостойкость. По морозостойкости материалы подразделяют на следующие марки: Мрз 10, 15, 25, 35,50,100,150,200 и более.

Гидроизоляционные материалы проверяют также на атмосфероустойчивость.

Атмосфероустойчивость материалов — способность гидроизоляционных материалов выдерживать колебания температуры окружающей среды от минусовой до плюсовой и наоборот. Эту величину измеряют коэффициентом атмосфероустойчивости К_а, соответствующим 500 циклам колебаний температуры. Этот коэффициент не должен быть менее 0,9 для надземных и 0,7—0,5 для подземных и гидротехнических сооружений.

Химическая  и биологическая стойкость

 

Теплоизоляционные и  покровные материалы могут разрушаться под воздействием химических и биологических факторов.

Химическая стойкость — способность материалов противостоять разрушающему действию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов, бензинов, масел и др. Многие теплоизоляционные материалы не обладают этим свойством. Например, пенополистирол стоек к воде, большинству кислот, щелочей и спирту, но растворим в бензине, бензоле, минеральных маслах и эфире. Химическую стойкость теплоизоляционных материалов в конструкции можно увеличить, установив защитное покрытие из штукатурки, пленки, различных листовых материалов, труб и т. д.

Покровные материалы  должны быть кислотостойки при pH не ниже 2,0 для надземных сооружений и 5,5—6,0 — для гидротехнических и кровли, щелочестойки при pH не более 12 в зависимости от назначения материала. Сульфатостойкость и магнезиальная стойкость определяются допускаемым количеством солей (мг), растворенных в литре воды, которое не должно превышать определенных величин, устанавливаемых для материалов в зависимости от вида изолируемого сооружения.

Биологическая стойкость — свойство материалов и изделий долговременно сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий.

Органические теплоизоляционные  материалы или неорганические на органических связках под действием температурновлажностных факторов могут разрушаться вследствие развития в них микроорганизмов, вызывающих гниение и разрушение в процессе эксплуатации. Так, в Средней Азии материалы, содержащие битум, разрушаются под действием микроорганизмов, которые для своего развития поглощают органические составляющие битума. Торфяные теплоизоляционные цлиты при повышенных температуре и влажности разрушаются под действием грибков, а минераловатные плиты на крахмальной связке в условиях увлажнения покрываются грибковой плесенью.

Чтобы повысить биологическую  стойкость материалов, в них вводят специальные химические вещества — антисептики. В процессе транспортирования, хранения, монтажа материалы должны быть защищены от увлажнения.

 
Огнестойкость

 

Огнестойкость — способность материалов выдерживать без раз- рушения воздействие высоких температур (огня). Теплоизоляционные материалы по горючести (способности вещества или материала к горению) подразделяют на группы (ГОСТ 30244—94):

негорючие (несгораемые) — материалы, не способные к горению  в воздухе;

трудногорючие (трудносгораемые) — материалы, способные возгораться на воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления;

горючие (сгораемые)—материалы, способные самовозгораться, а также  возгораться от источников зажигания  и самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие материалы могут  быть легко- и трудновоспламеняющи- мися.

В зависимости от группы горючесть определяют различными методами.

Для негорючих материалов группу горючести определяют методом огневых испытаний, при которых материал помещают в электропечь трубчатого типа и выдерживают его при температуре 800—850 °С в течение 20 минут. Материал относится к группе негорючих, если средняя потеря массы пяти испытуемых образцов не превысит 50 % от начальной (до испытания) и устойчивое их воспламенение не превышает 10 с.

Для трудногорючих материалов (СТ СЭВ 2437—80) горючесть определяют, помещая образцы материала в вертикальную шахтную печь и воздействуя на них пламенем газовой горелки определенной мощности в течение 10 минут.

После испытания подсчитывают степень повреждения образца по длине и степень повреждения образца по массе.