Объемная масса теплоизоляционных материалов имеет непосредственную связь с их пористостью, выражающуюся соотношением, %L..,~
где Пи — общая пористость материала, %; ?и— плотность материала ? абсолютно плотном состоянии, г/см3; ?к — объемная масса материала, г/см3.
Так как плотность материала ?и не зависит от его структуры и является величиной постоянной, характеризующей плотность упаковки кристаллической решетки вещества, то Пи=f(?к). Поэтому приближенной характеристикой качества теплоизоляционных материалов обычно служит их объемная масса. Чем меньше объемная масса, тем выше пористость и как следствие этого выше качество теплоизоляционных материалов. Максимальное значение объемной массы для теплоизоляционных материалов установлено ГОСТ 17177—71 и равно 600 кг/м3. Самые легкие современные теплоизоляционные материалы — газонаполненные пластмассы — имеют объемную массу, равную 10— 15 кг/м3.
Высокая пористость теплоизоляционных материалов обусловливает их меньшую прочность по сравнению с другими строительными материалами: чем выше пористость, тем ниже прочность.
Прочность теплоизоляционных материалов характеризуется показателями пределов прочности: при сжатии Rсж, изгибе Rизг и растяжении Rраст. Обычно при определении прочности теплоизоляционных материалов ячеистого строения ограничиваются одним показателем прочности—значением Rсж, при определении прочности изделий волокнистого строения — значением Rизг или Rраст.
Небольшая прочность теплоизоляционных материалов не позволяет использовать их в качестве несущих строительных конструкций. Для этой цели могут быть использованы только некоторые материалы, имеющие прочность 50 кгс/см2 (5 МПа) и выше. Такие материалы называют теплоизоляционно-конструкционными.
Теплопроводность, характеризует способность материала проводить тепло и является главным показателем качества теплоизоляционных материалов. Чем меньше теплопроводность материала ?, тем выше его теплоизоляционные свойства (методика определения теплопроводности приведена в гл. I).
Высокопористые материалы можно рассматривать как двухфазные системы, состоящие из твердого вещества, образующего межпоровые перегородки, или каркас материала, и воздуха, заполняющего поры.
Наименьшей теплопроводностью обладают газы в «спокойном», т. е. неподвижном, состоянии. Теплопроводность воздуха в неподвижном состоянии очень мала, при 20°С она равна 0,026 Вт/(м-К). Находящийся а мелких порах материала воздух может считаться «спокойным». Теплопроводность материалов, содержащих большое количество воздушных пор, незначительна. Доля тепла, передаваемого твердой фазой (каркасом) высокопористого материала, составляет 10—20% общей теплопроводности. Поэтому пористость материала является главным фактором, определяющим его теплопроводность.
На теплопроводность материала влияют также размер пор, характер распределения их по объему материала и форма.
Мелкопористые материалы хуже проводят тепло, чем крупнопористые. Это объясняется уменьшением передачи тепла конвекцией и излучением в общем процессе передачи тепла в пористом материале. Материалы, в которых преобладают замкнутые поры, при прочих равных условиях хуже проводят тепло, чем материалы с открытыми сообщающимися порами.
Помимо структурных факторов, на теплопроводность материалов в значительной степени влияют его температура, влажность и объемная масса. Теплопроводность материалов резко возрастает при увлажнении. Это объясняется тем, что теплопроводность воздуха и воды сильно отличается друг от друга. Так, ? воды равна 0,58 Вт/(м-К), т. е. примерно в 20 раз больше, чем воздуха. Еще больше разница между теплопроводностью воздуха и льда. Теплопроводность льда равна 2,33 Вт/(м-К), т. е. примерно в 80 раз больше, чем воздуха. Из сказанного следует, что для обеспечения эффективности работы теплозащитных материалов и конструкций их следует всемерно предохранять от увлажнения.
С повышением температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и в редких случаях уменьшается, как, например, у магнезитовых и корундовых огнеупоров.
Зависимость теплопроводности высокопористого материала от ряда факторов в наиболее универсальном виде выражают уравнением Леба:
где ?? — теплопроводность материала; ?, — теплопроводность твердой фазы материала; Pс—количество пор, находящихся в сечении, перпендикулярном потоку тепла; PL—количество пор, находящихся в сечении, параллельном потоку тепла; ? — радиальная постоянная; ? — излучаемость; ? — геометрический фактор, влияющий на излучение внутри пор; Tт — средняя абсолютная температура; d — средний диаметр пор.
Увлажнение теплоизоляционных материалов ухудшает их свойства.
Влажность характеризует степень увлажнения материала. Содержание влаги в материалах выражают в процентах по массе или по объему. Для того чтобы перейти от значения одной влажности к другой, пользуются соотношениями:
где Wоб-объемная влажность материала, %; Wm — влажность но массе, %; ?к — объемная масса материала, кг/м.
Различают абсолютную и относительную влажность материала по массе.
Абсолютная влажность Wa — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к его массе в абсолютно сухом состоянии.
Относительная влажность W?? — отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе его во влажном состоянии.
Для пересчета относительной влажности в абсолютную и обратно используют следующие формулы:
Для теплоизоляционных материалов, объемная масса которых может колебаться в очень широких пределах, объемная влажность Wo6 дает более правильное представление о степени увлажненности материала, так как представляет собой отношение массы воды, заключено и в порах материала, к постоянной величине — единице объема этого материала.
Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является водопоглощение.
Водопоглощение — степень заполнения объема материала водой. Водопоглощение, как и влажность, выражают в процентах по массе или по объему. Большое водопоглощение не является отрицательной характеристикой теплоизоляционных материалов, так как изделия, используемые для тепловой изоляции различных тепловых установок, как правило, не подвергаются непосредственному воздействию влаги. Но для материалов, которые могут увлажняться в условиях эксплуатации, например конструкции наружных стен зданий, большое водопоглощение сильно влияет на их прочностные и теплозащитные свойства.
Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при увлажнении. Водостойкость строительных материалов оценивают коэффициентом размягчения kp, представляющим собой отношение прочности ма — риала в насыщенном водой состоянии к прочности того же материала, но в сухом состоянии:
Материалы считаются водостойкими, если kp>0,75.
Биостойкость материала характеризует способность его сопротивляться разрушающему действию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых: муравьев, термитов и др. Биостойкость строительных материалов может быть повышена путем обработки их антисептиками.
Морозостойкость — способность насыщенного водой материала выдерживать неоднократное замораживание и оттаивание без значительного снижения прочности. Требование высокой морозостойкости, предъявляемое к. теплоизоляционным материалам, которые используют для тепловой изоляции наружных стен зданий и холодильников, является одним из важнейших. Потеря прочности материала и нередко полное его разрушение при замораживании в насыщенном водой состоянии объясняется тем, что вода, замерзая в порах материала и увеличиваясь в объеме примерно на 9%, создает в нем растягивающие напряжения.
Пористое строение теплоизоляционных материалов и наличие в них сообщающихся пор создают благоприятные условия для насыщения таких материалов водой и вместе с тем способствуют повышению их морозостойкости. Все поры в материале не могут быть заполнены водой из-за защемленного в них воздуха. Та часть пор, которая занята защемленным воздухом, называется резервной пористостью. В материалах с резервной пористостью расширение воды при замерзании не вызывает разрушающих напряжений. При расширении воды в момент ее замерзания резервные поры играют роль своеобразных амортизаторов.
Температуростойкость — способность материала сохранять свои свойства при нагревании до определенной температуры. Это понятие применимо как к теплоизоляционным материалам органического, так и неорганического происхождения. Температуростойкость теплоизоляционных материалов, так же как и огнеупоров, характеризуется обычно предельной температурой применения.
Возгораемость — свойство, присущее лишь органическим материалам. По степени возгораемости все строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
(К несгораемым относятся все неорганические материалы, к сгораемым— все органические, а к трудносгораемым— неорганические на различных органических связках или с органическим наполнителем и частично органические, обработанные антипиренами — особыми веществами, снижающими горючесть материала.
Многие теплоизоляционные материалы благодаря особенности строения обладают способностью поглощать звук. Такие материалы применяют для акустической отделки различных общественных и промышленных зданий.
По акустическим свойствам материалы делятся на звукопоглощающие и звукоизоляционные.
Механизм поглощения звука пористыми телами заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность пористого тела, проникают в его поры, возбуждая в них колебания воздуха. Благодаря вязкому трению воздуха при его колебаниях в порах материала часть энергии колебаний преобразуется в тепловую энергию, что и является причиной поглощения звука материалом. Способность материала поглощать звук оценивается коэффициентом звукопоглощения — отношением доли звуковой энергии, поглощаемой материалом, ко всей звуковой энергии, падающей на поверхность этого материала. Коэффициент звукопоглощения выражают в долях единицы. Материалы, коэффициент звукопоглощения которых не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, считаются звукопоглощающими и могут применяться для акустической отделки с целью снижения Уровня шума в помещении.
Назначение звукоизоляционных материалов—не допустить распространение звуковой волны по конструкциям зданий. Такие материалы применяют в виде звукоизоляционных прокладок (например, при устройстве «плавающих» полов). Эффективность применения звукоизоляционных материалов в большой степени зависит от способа укладки их и сочетания с другими строительными материалами в ограждающих конструкциях зданий.