Теплоизоляционные материалы и изделия из неорганического сырья

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский Государственный Архитектурно-Строительный Университет

Кафедра экономической теории

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Строительные материалы»

На тему: «Теплоизоляционные материалы и изделия из неорганического сырья»

 

 

 

Работу выполнила: студентка

очного отделения, 3 курса, 11-301 группы

Гиззатуллина М.Ф.

 

Научный руководитель:

к.т.н. Халиуллин М.И.

 

 

 

 

КАЗАНЬ – 2011

 

Содержание

 

Введение

Теплоизоляционными называют строительные материалы, которые обладают малой  теплопроводностью и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного оборудования и агрегатов (промышленных печей, турбин, трубопроводов, камер холодильников и пр.). Эти материалы имеют небольшую среднюю плотность — не выше 600 кг/м³, что достигается повышением пористости.¹

В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину  ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и понизить их стоимость, уменьшить расход топлива в эксплуатационный период. В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда. Чтобы получить достаточный эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются конкретные разновидности теплоизоляционных материалов и учитываются их теплофизические характеристики. Эти мероприятия позволяют успешно решать проблему экономии топливно-энергетических ресурсов.²

По основной теплофизической характеристике — теплопроводности — теплоизоляционные материалы делят на три класса: А — малотеплопроводные, Б — среднетеплопроводные и В — повышенной теплопроводности. Классы отличаются величиной теплопроводности материала, а именно: при средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б — от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В — от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К). При других средних температурах измерения теплопроводность материала возрастает согласно следующей зависимости: λ_t=λ₀/(1+β_t), где λ_t — теплопроводность при температуре t°C; λ₀ — теплопроводность при температуре 0°С; β — температурный коэффициент, выражающий приращение теплопроводности материала при повышении его температуры на 1°С и равный 0,0025 (до 100°С — по данным О.Е. Власова)³.

Теплопередача пор складывается из теплопроводности газа в порах, конвективной передачи теплоты и теплоизлучения газа. Как отмечалось выше, теплопроводность воздуха при атмосферном давлении составляет при температуре 25°С около 0,025, при температуре 100°С — 0,031 и при температуре 1000°С — 0,079 Вт/(м-К). Такие же примерно значения теплопроводности имеют азот, кислород, а водород 0,20 Вт/(м-К). Эти значения теплопроводности учитывают при работе теплоизоляционного материала в соответствующей газовой среде⁴.

Второе слагаемое общей теплопередачи  пор — конвекция. В порах размером меньше 5 мм она практически отсутствует и поэтому не учитывается. Но при большей величине пор или их непрерывности конвекция становится больше.

Третье аддитивное слагаемое теплопередачи  — теплоизлучение — зависит от черноты стенок пор, формы и размера пор, температуры.

Твердая фаза имеет большую теплопроводность и поэтому, когда она является в структуре непрерывной, теплопроводность материала оказывается в 2—2,5 раза выше, чем при непрерывности пор. В волокнистых теплоизоляционных  материалах непрерывными в структуре являются как твердые фазы, так и поры, поэтому их теплопроводность весьма значительно зависит от лучистой составляющей теплопроводности.⁵

Таким образом, актуальность данной работы вызвана той огромной ролью, которую  играют теплоизоляционные материалы из неорганического сырья.

Объект исследования данной работы является неорганический теплоизоляционный материал - пеностекло.

Цель написания данной работы, это  понимание процесса производства пеностекла.

При написании данной работы необходимо было решить следующие задачи:

• привести историческую справку;
• провести классификацию теплоизоляционных материалов;
• описать процесс получения пеностекла;
• привести технико-экономические показатели пеностекла.

Информационная база, которая использовалась при написании данной работы следующая:

• научно-теоретическая литература по строительным материалам;
• периодическая литература (журналы) с описанием существующих строительных материалов.

Структура работы следующая: введение, основана часть из шести разделов, заключение, список использованной литературы.

 

1.История развития

 

Чтобы понять особенности развития производства пенопластов в России необходимо проследить за тенденцией выпуска газонаполненных пластмасс в СССР.

В СССР начиная с 1970 года, производство вспененных пластмасс растет примерно на 17,5% в год. И хотя за десятилетие их производство возросло в 5 раз, еще более увеличился спрос и поэтому дефицит потребности в теплоизоляционных пенопластах не уменьшился, а возрос. При этом структура производства пенопластов в СССР была иная, чем в США. Так, основную долю в производстве вспененных материалов занимали: пенополиуретаны - 31%; пенополистирол - 31%; фенольные пенопласты - 32%. На долю карбамидных пенопластов приходилось не более 1%, что по объему составляло порядка 30-40 тыс. м3, или не более 1% того, что производили США.

Таким образом, если к середине 80-х  годов в развитых капиталистических  странах стало наблюдаться насыщение  рынков сбыта пенопластами, то в  СССР - отставание производства вспененных материалов от их потребности.

После распада СССР и связанного с этим резкого падения объемов  промышленного производства в России, пришлось, по сути дела, вновь создавать предприятия, специализирующиеся на выпуске теплоизоляционных материалов. В отечественном строительстве дефицит теплоизоляционных материалов первоначально покрывался за счет импорта пенополистирольных плит, а также изделий из минеральной ваты и стеклянного штапельного волокна. Хорошо зарекомендовали себя экструдированный полистирол германского химического концерна "BASF AG" (плиты зеленого цвета); изделия из полистирола американской фирмы "The Dow Chemical Company" (плиты голубого цвета), а также стекловатные маты URSA концерна "PFLEIDERER", Германия, Isover, Финляндия и минераловатные изделия Rockwool, Дания.

Однако, учитывая масштабность России, перевозка теплоизоляционных материалов на значительные расстояния способна поднять их стоимость сверх пределов конкурентоспособности, так как  в связи с малой объемной массой теплоизоляционных материалов, перевозится в основном воздух. Поэтому ведущие компании мира - производители теплоизоляции - стараются продавать технологии или организовывать производство в странах - потребителях и по возможности с использованием своих сырьевых фирменных полуфабрикатов. Так, под Санкт-Петербургом ОАО "Флайдерер-Чудово" налажено производство стекловатных матов и плит под общим товарным названием URSA по немецкой технологии, а в г. Железнодорожный под Москвой с 1999 года стали производить некоторые типы наиболее качественных изделий Rockwool из минеральной ваты по датской технологии.

 

 

2.Классификация

В основном используется классификация  по теплопроводности или средней  плотности. Кроме различия теплоизоляционных материалов по теплопроводности и средней плотности они подразделяются также:

• по виду исходного сырья — на неорганические и органические. К неорганическим относятся минеральная и стеклянная вата (и изделия из них), вспученный перлит и вермикулит (изделия из них), ячеистые бетоны, керамические теплоизоляционные изделия и др.; к органическим — древесноволокнистые и древесностружечные плиты, камышит, теплоизоляционные пластмассы и др.;
• по форме материалов различают штучные (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, сегменты), рулонные (маты, полосы, картон, матрацы), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие материалы (минераловатная смесь, вспученный перлит и др.);
• по способности к сжимаемости под нагрузкой (относительной деформации сжатия) теплоизоляционные материалы делят на три вида: мягкие (М), имеющие сжимаемость свыше 30% под удельной нагрузкой 2-10³ Па, полужесткие (ПЖ) — соответственно — 6—30%, жесткие (Ж) — до 6%, по+вышенной жесткости — до 10% под удельной нагрузкой 4-10³ Па и твердые — до 10% под удельной нагрузкой 10 кПа.

 

3.Сырьевые материалы

Из тарного или оконного боя стекла готовят тонко молотую шихту с удельной поверхностью >300 м2/кг⁶: содержащую стекло (92-96%). Используется вторсырье, что снижает стоимость готовой продукции⁷.

Минеральное поверхностно-активное вещество (3-5%), которое и позволяет получать теплоизоляционное пеностекло с замкнутыми газовыми ячейками, и газообразователь мел или мрамор (рис.1) - (1-3%).

Рис. 1 Природное сырье: слева мел, справа мрамор.

Увеличение количества поверхностно-активного  вещества в шихте свыше 5% приводит к возрастанию температур вспенивания на 12-15°С на каждый добавляемый процент, а уменьшение его количества от 3,0 до 0,0% приводит к резкому возрастанию объемного водопоглощения с 3 до 30-40%.

 

4.Основные технологические  процессы и оборудование.

Стеклянный гранулят и стеклянный бой размалывают, используя шаровые мельницы (Рис.2) в смеси с газообразователем (каменный уголь) в тонкий порошок загружают в формы из жароупорной стали с каолиновой обмазкой. Формы на вагонетках и по роликовому конвейеру подают в туннельную печь. Под действием высокой температуры происходит размягчение частиц стеклянного порошка и его спекание. Газы, выделяющиеся при сгорании и разложении газообразователя, вспучивают вязкую стекломассу. При охлаждении образуется материал с ячеистой структурой. Медленное охлаждение (отжиг) способствует равномерному остыванию изделий по объему, поэтому в них не возникают внутренние напряжения и не образуется трещин.⁸ Охлажденные изделия распиливают, оправляют на опиловочном оборудовании и упаковывают.

В результате данных этапов производства и получаются блоки из пеностекла. Химический состав пеностекла на 100% совпадает  с химическим составом классического  стекла и включает в себя оксиды кремния, кальция, натрия, магния, алюминия. Газовая среда полностью замкнутых стеклянных ячеек не взаимодействует с атмосферой и представляет собой, в основном, оксиды и соединения углерода. Давление газовой среды в ячейках на порядок ниже атмосферного давления, т.к. процесс вспенивания происходит за счет выделения газов коксом, антрацитом и сажей при температуре порядка 1000°С. Благодаря газообразованию и вспениванию стекла объем стекла увеличивается в 15 раз.

Готовая структура пеностекла, где стенки и узлы ячеек состоят из такого прочного материала, как стекло, обусловили уникальную прочность пеностекла и способность противостоять механическим нагрузкам. Матрица узлов и связей структуры пеностекла представляет собой наиболее оптимальную пространственно-объемную конфигурацию, способную при минимальной плотности выдерживать максимальные нагрузки. Основные параметры ячейки пеностекла характеризуются следующими показателями: при среднем диаметре ячейки 2 000 мкм толщина стенок ячеек варьируется в интервале от 20 до 100 мкм.

 

1-Шаровая мельница; 2-Смеситель;3-тунельная печь.

Рис.2 Технологическая схема производства пеностекла.

 

5. Основные свойства продукции.

Пеностекло представляет собой  легкий пористый материал. Строение пеностекла напоминает твердую мыльную пену. Размер ячеек пены может быть от долей миллиметра до сантиметра. Цвет материала от светло-кремового до черного (обычно зеленовато-серый), но в зависимости от состава стекла и примесей может приобретать практически любые цвета (рис.3).

Рис.3 Срез окрашенного пеностекла.

 Пеностекло - это полностью неорганический  теплоизоляционный материал, подвергнутый  термообработке при 700-800°С. Согласно  протоколу № 17 т/ф от 16.08.2005 г.  Испытательной пожарной лаборатории  он не горит, не поддерживает горение и относится к группе негорючих материалов (НГ). Предел огнестойкости по потере теплоизолирующей способности при толщинах 40, 80 и 100 мм составляет соответственно 30, 45 и 60 минут. Таким образом, этот материал может значительно снизить пожароопасность зданий и сооружений, построенных с его применением, а в случае пожара будет препятствовать его распространению, что позволит значительно снизить ущерб.  

 Пеностекло - это материал с  широким диапазоном плотностей  от 100 до 600 кг/м3, состоящий из большого количества стеклянных ячеек, механическое разрушение даже некоторой части которых не приводит к потере его плавучести. Этот материал может применяться как для одновременной гидро- и теплоизоляции (кровли, парковки, пандусы и др.), так и для создания плавучих конструкций различного назначения. Паропроницаемое пеностекло позволяет создавать ограждающие конструкции, обеспечивающие комфортный микроклимат в помещении. Паронепроницаемое пеностекло обеспечит паро- и гидроизоляцию любых поверхностей.  

 Пеностекло - это материал, который  благодаря своей ячеистой структуре  и свойствам стекла является  жестким и безусадочным материалом. Предел прочности на сжатие  зависит от плотности материала  и изменяется от 5 до 75 кг/см2. Наряду  с этим, пеностекло легко обрабатывается, что позволяет создавать изделия любой формы. Согласно протоколу № 1/14-И от 2 марта 2000 года, коэффициент водостойкости (размягчения) пеностекла равен 0,95, что соответствует характеристикам гранита.

Коэффициент сопротивления диффузии в соответствии с DIN 52 615 при толщине 50mm и плотности ~180 kg/m3 = 1065-4281 и эквивалент слоя воздуха = 53 - 214m. Пропускание воды в соответствии с DIN 18 130 -1 = 0,00512 – 0,0233 m/s.  

 Пеностекло - это стеклянная  пена. Именно поэтому, его химическая стойкость будет соответствовать стойкости стекла, т.е. оно будет инертно во всех средах за исключением растворов сильных щелочей и плавиковой кислоты. Химическая стойкость материала наряду с его жесткостью, негорючестью, легкостью делает его незаменимым для использования в качестве теплоизоляции в агрессивных средах.