Начиная с эпохи неолита и по настоящее время теплоизоляционные материалы всегда играли важную роль в жизни человека, создавая комфортные условия существования. В различных климатических зонах они имели соответствующее функциональное назначение. В тропиках защищали от зноя, в умеренных и северных широтах – от холода. По мере развития технологии строительства жилищ человек применял различные теплоизоляционные материалы, которые также претерпевали эволюционные изменения в направлении повышения своих служебных свойств.
На первом этапе, очевидно, находили применение не подвергаемые какой-либо обработке доступные дикоросы: пальмовые, банановые листья, трава и т.п. в южных широтах; тростник, камыш, мох, торф, крапива, ветви лиственных и хвойных деревьев в северных широтах. Применялись также теплоизоляционные материалы животного происхождения: шкуры, кожа, шерсть.
По мере развития земледелия в качестве теплоизоляционных материалов стали применяться отходы растениеводства: солома, костра льна, конопля и т.п.
Кроме функции теплоизоляции эти материалы выполняли также функцию укрывного материала для защиты от атмосферных осадков.
Второй этап эволюции теплоизоляционных материалов характеризуется тем, что человек целенаправленно начал изменять их форму и свойства. С использованием технологии вязания из растительных материалов стали изготавливаться маты, циновки, полотна, из шерсти стал производиться войлок.
Теплоизоляционным материалам стала придаваться форма, обеспечивающая конструкционную прочность и технологичность при возведении сооружений и жилищ. Древесина использовалась при строительстве деревянных домов и других сооружений. Кроме материалов растительного и животного происхождения началось применение такого природного сырья, как глина, пористое минеральное сырье: туф, ракушечник, песчаник и т.п. В малолесных местностях строились жилые дома под соломенными крышами. Из необожжённого глиняного кирпича был построен Вавилон и многие города на всех континентах.
В особый этап следует выделить производство композитных теплоизоляционных материалов. По-видимому, одним из первых искусственных композиционных теплоизоляционных материалов является саман – строительный материал, произведенный на основе дешевого и недефицитного природного сырья, не требующего для производства больших затрат энергии. В нем в качестве основного конструкционного и теплоизолирующего материала используется какое-либо волокнистое растительное сырье, в основном солома, а глина играет роль связующего. Ни солома, ни глина не выделяют никаких вредных веществ. Саманные стены толщиной 40–50 см имеют такую же теплоизоляционную способность, как и кирпичная кладка толщиной 80 см.
Именно на этом этапе человек интуитивно использовал пористость как одно из основных свойств теплоизоляционных материалов.
Следующим этапом развития строительных теплоизоляционных материалов стало появление в качестве их компонент искусственно созданных материалов ‒ цемента, полимеров, стекла, волокнистых материалов (каменное и стекловолокно, асбестовое волокно и т.п.).
Появились многочисленные теплоизоляционные материалы, выпускаемые в условиях массового производства, которые можно классифицировать по виду основного исходного сырья (органическое, неорганическое); структуре (волокнистая, зернистая, ячеистая, сыпучая); содержанию связующего вещества (содержащие и не содержащие); возгораемости (несгораемые, трудносгораемые, сгораемые); по форме: плоские (плиты, маты, войлок); рыхлые (вата, перлит); шнуровые (шнуры, жгуты); фасонные (сегменты, цилиндры, полуцилиндры и др.).
Теплоизоляционные легкие бетоны готовят из пористого заполнителя – легкого керамзита, вермикулита, вспученного перлита и, как правило, минерального или органического связующего. Плотность изделий составляет 150–300 кг/м3.
Теплоизоляционные цементные ячеистые газо- и пенобетоны имеют достаточную марку по прочности, низкое водопоглощение, хорошую морозостойкость, повышенную огнестойкость, низкую теплопроводность, плотность составляет 100–500 кг/м3.
Из портландцемента и органического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, сечки соломы и камыша, дробленой станочной щепы или стружки), обработанного раствором минерализатора, изготавливают арболитовые изделия. Химическими добавками служат: растворимое стекло, сернокислый глинозем, хлористый кальций. В строительстве применяют теплоизоляционный арболит плотностью до 500 кг/м3 и конструкционно-теплоизоляционный арболит плотностью до 700 кг/м3. Теплопроводность арболита составляет 0,08–0,12 Вт/(м∙К), прочность при сжатии – 0,5–3,5 МПа, растяжение при изгибе – 0,4–1,0 МПа.
Фибролит представляет собой плитный материал из древесной шерсти и неорганического вяжущего вещества. В качестве вяжущего служит портландцемент и раствор минерализатора – хлористого кальция. Плиты выпускаются толщиной 25, 50, 75 и 100 мм с теплопроводностью 0,1–0,15 Вт/(м∙К), плотностью 300–500 кг/м3, и пределом прочности при изгибе 0,4–1,2 МПа.
Древесно-волокнистые изоляционные плиты производят из неделовой древесины, отходов деревообработки и лесопиления, макулатуры, стеблей кукурузы и соломы. Плотность этих плит до 250 кг/м3, теплопроводность – до 0,07 Вт/(м∙К).
Древесно-стружечные плиты изготавливают путем горячего прессования массы, содержащей около 90 % органического волокнистого сырья, как правило, специально приготовленной древесной шерсти и 7–9 % синтетических смол. Для улучшения свойств плит в сырьевую массу добавляют гидрофобизирующие вещества, антисептики и антипирены.
Мипора изготавливается путем вспенивания мочевиноформальдегидной смолы, отвердения блоков, отлитых из пеномассы, и их последующей сушки. Мипора – наиболее легкий (плотность – 10–20 кг/м3) и наименее теплопроводный (0,026–0,03 Вт/(м∙К)) из теплоизоляционных материалов.
Теплоизоляционный пеноизол обладает теплозащитными и звукоизолирующими свойствами. Плита пеноизола толщиной 10 см с жесткой наружной облицовкой по теплопроводности соответствует 90–100 см кирпичной кладки и поглощает до 95 % звуковых колебаний.
Полипеновинилхлорид выпускается двух видов: эластичный и жесткий. Жесткий пеновинилхлорид – теплоизоляционный материал, незначительно изменяющий свои свойства при изменении температуры в диапазоне от +60…–6 °С.
Пенополистирол, изготавливаемый из полистирола с порообразователем – жесткий пластик. Пенополистирол – мягкий материал с плотностью до 25 кг/м3, стойкий к истиранию, трудновоспламенимый, но более горючий по сравнению с поливинилхлоридом, водопоглощение составляет доли процента.
Пенополиуретан получают в результате химических реакций, протекающих при смешивании исходных компонентов (полиэфира, воды, диизоцианита, эмульгаторов и катализаторов). Изготавливают жесткий и эластичный полиуретан.
Пенополиуретан имеет самую низкую теплопроводность, ниже 0,019 Вт/(м∙К) по сравнению с другими изоляционными материалами; может быть использован в интервале температур от –50…+110 °С; максимальное водопоглощение составляет 2–5 %.
Полиэтилен вспененный с замкнутыми порами. Плотность 30 г/м3, теплопроводность 0,04 Вт/(м∙К), допустимые температуры от –45… +100 °С, диаметр от 10 до 114 мм, толщина стенок изоляции 10; 15; и 20 мм, длина 2 м. Не гигроскопичен (не впитывает влагу) и химически нейтрален, легко монтируется.
Сотопласты изготавливают путем склейки гофрированных листов бумаги, хлопчатобумажной или стеклянной ткани, пропитанной полимером. При заполнении ячеек крошкой из мипоры теплоизоляционные свойства сотопласта повышаются.
Ячеистые пластмассы в зависимости от характера пор подразделяются на пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют преимущественно закрытые поры в виде ячеек, разделенных тонкими перегородками. Поропласты – ячеистые пластмассы с сообщающимися порами. Имеются также и материалы со смешанной структурой. Поры ячеистых пластмасс занимают 90–98 % объема материала, на стенки приходится всего лишь 2–10 %, вследствие этого ячеистые пластмассы легки и малотеплопроводны.
Теплоизоляционный слой пенопласта толщиной 5–6 см, имеющий плотность около 2–3 кг/м3, эквивалентен слою ячеистого бетона или минеральной ваты толщиной 14–16 см. Вследствие этого масса 1 м2 трехслойной панели, утепленной ячеистой пластмассой, снижается на 2–50 кг.
Ячеистые пластмассы применяют для утепления стен и покрытий, теплоизоляции трубопроводов при температуре до –60 °С.
Вулканитовые изделия изготавливают из смеси молотого трепела или диатомита (около 60 %), асбеста (20 %) и воздушной извести (20 %). Автоклавная обработка отформованных изделий ускоряет химическое взаимодействие между кремнезернистыми компонентами и воздушной известью и приводит к образованию гидросиликатов кальция.
Базальтовое волокно способно выдерживать действие температурной нагрузки до +1000 °С, как и основная порода, тогда как стекловолокно – лишь +550…650 °С. Базальтовая вата обладает теплопроводностью 0,035 Вт/(м∙К), плотностью 130 кг/м3 при температуре 0 °С. Применяется базальтовая вата в виде огнестойких матов, плит и лент; поставляется в рулонах, устойчива к коррозии.
Зернистые материалы применяют для теплоизоляционных засыпок. При температурах до +450…600 °С применяют гранулированную и стеклянную вату, топливные шлаки, полученные в результате сжигания кускового топлива, топливные золы от сжигания пылевидного топлива, дробленую пемзу и вулканический туф. При температурах до +900 °С применяют измельченные трепелы и диатомиты с крупностью до 5 мм; вспученный вермикулит в виде смеси пластинчатых зерен крупностью не более 15 мм, плотностью 100–120 кг/м3; вспученный перлит в виде пористого песка с плотностью 75–100 кг/м3.
Каменная вата на базальтовой основе применяется для теплоизоляции коммуникаций, перекрытий, кровель, а также для утепления фасадов. Изделия из неё уменьшают уровень шума лучше стекловаты на 20–30 % и устойчивы к воздействию влаги, отталкивают воду, но пропускают водяной пар. Влага практически не влияет на долговечность этого материала и не изменяет характеристик, благодаря низкому уровню водопоглощения. Волокна ваты выдерживают температуру до +1000 °С в течение 120 минут, поэтому все изделия из них относятся к группе несгораемых материалов.
Количество видов утеплителей из каменной ваты насчитывает более 18 наименований, каждое из которых имеет свои типоразмеры, плотность (мягкие, полужесткие, жесткие) и форму.
Минеральная вата представляет собой бесформенный волокнистый материал, состоящий из тонких стекловидных волокон диаметром 5–15 мкм, получаемых из расплава легкоплавких горных пород (доломитов, мергелей), топливных и металлургических шлаков.
Минераловатные изделия с гофрированной структурой содержат до 30 % ориентированных в вертикальном положении волокон; плотность изделий составляет 140–200 кг/м3. По сравнению с плитами с горизонтальной ориентацией волокон гофрированные плиты отличаются повышенной прочностью (в 1,7–2,5 раза) и меньшей деформативностью.
Минераловатные жесткие плиты и фасонные изделия (скорлупы, сегменты) выпускают с битумным, синтетическим и неорганическим связующим (глиной, цементом, жидким стеклом и др.). Для повышения прочности и снижения количества связующего в состав изделий вводят коротковолокнистый асбест. Плиты толщиной 40–100 мм выпускают плотностью 100–400 кг/м3 и теплопроводностью 0,051–0,135 Вт/(м∙К).
Минераловатные твердые плиты изготавливают на синтетическом связующем – фенолспирте, растворе или дисперсии карбамидного полимера. Плиты обладают повышенной жесткостью, плотностью – 180–200 кг/м3, теплопроводностью – 0,047 Вт/(м∙К) и толщиной 30–70 мм.
Теплоизоляционные асбестовые материалы изготавливают из асбестового волокна и выпускают в виде рулонов и листов. Для получения асбестового шнура, бумаги, картона вводят наполнитель и небольшое количество склеивающих веществ – казеина, крахмала.
Неорганические жесткие изделия – диатолитовые, перлитокерамические, ячеисто-керамические ‒ обладают высокой температуроустойчивостью – до +900 °С.
Неорганические рыхлые материалы изготавливают из смеси волокнистых материалов, асбеста, минерального волокна с неорганическими связующими, затворяемыми водой. Применяют для мастичной теплоизоляции трубопроводов с учетом температуры у границ теплоизоляционного слоя.
Асбестодиатомитовый порошок представляет собой смесь молотого трепела и диатомита (85 %), асбеста (15 %), иногда с добавками слюды и всякого рода отходов. Плотность теплоизоляции составляет 450–700 кг/м3, теплопроводность – 0,093–0,21 Вт/(м∙К).
Минераловатная смесь готовится из минеральной ваты, портландцемента, тонкодисперсной глины и асбеста. Плотность изоляции в сухом состоянии – 400 кг/м3, теплопроводность не более 0,28 Вт/(м∙К).
Совелитовый порошок – смесь легкого основного углекислого кальция с асбестом, применяемая при температурах до + 500 °С. Совелитовая изоляция в готовом виде имеет плотность 450 кг/м3 и теплопроводность не более 0,098 Вт/(м∙К).
Совелит – наиболее распространенный асбесто-магнезиальный материал. Сырьем для производства совелита служат доломит и асбест (15 %). Совелит применяют для изоляции трубопроводов, материал способен выдерживать температурную нагрузку до +500 °С.
Стекловата изготавливается, как правило, из вторично используемого стекла, песка, известняка и соды. Материал обладает низкой теплопроводностью, вследствие чего улучшаются его изолирующие свойства. Практически все такие изделия относятся к группе несгораемых строительных материалов и отвечают требованиям пожарной безопасности.
В группе теплоизоляционных материалов стекловата считается одним из лучших по звукопоглощению.
Стеклопор выпускают трех марок:
«СЛ» с плотностью 15–40 кг/м3, теплопроводностью 0,028–0,035 Вт/(м∙К);
«Л» с плотностью 40–80 кг/м3, теплопроводностью 0,032–0,05 Вт/(м∙К);
«Т» с плотностью 80–120 кг/м3, теплопроводностью 0,038–0,05 Вт/(м∙К).
В сочетании с разнообразными связующими стеклопор используют для изготовления заливочной, мастичной, штучной теплоизоляции. Применение стеклопора в наполненных пенопластах наиболее эффективно, так как позволяет снизить расход материала и значительно повысить огнестойкость теплоизоляционных изделий.
Термозвукоизол – комбинированный современный строительный материал, составленный из холстопрошивного стекло-волокнистого полотна типа ПСХ, упакованного в защитный материал лутрасил, представляющий собой монофиламентное полипропиленовое синтетическое волокно, исключительно прочное и легкое. Лутрасил абсолютно не пропускает пыль и не отсыревает. Термозвукоизол – открытие современной строительной индустрии. Воздух на молекулярном уровне проходит через слой лутрасила, который совершенно исключает возможность выделения стеклянной пыли. Термозвукоизол состоит из внутреннего слоя, стекловолокнистого холстопрошивного полотна, и оболочки из двух слоев нетканого полипропилена.
Современный этап развития теплоизоляционных материалов связан с применением при их производстве наночастиц, придающих им уникальные свойства, в частности в виде различных мастик, которые используются путем нанесения на изолируемую поверхность теплоизоляционного материала в пластичном состоянии. Мастики готовят на месте производства работ путем растворения порошкообразного материала, включающего наночастицы, водой до необходимой густоты, который затем наносят послойно.
Рецензенты:
Шибаков В.Г., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Машиностроение», Набережночелнинский филиал, Казанский федеральный университет, г. Набережные Челны;
Сибгатуллин Э.С., д.ф.-м..н., профессор, зав. кафедры «Промышленное, гражданское и строительство и строительные материалы», Набережночелнинский институт (филиал), Казанский федеральный университет, г. Набережные Челны.
Библиографическая ссылка
Халиков Д.А., Халикова Г.С., Гончарова Т.В., Исламов К.Ф. ЭВОЛЮЦИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 10-3. – С. 529-533;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39250 (дата обращения: 20.04.2024).