В учебнике рассматриваются свойства и теоретические основы получения оптимальных пористых теплоизоляционных и акустических материалов из волокнистых, зернистых н порошкообразных каркасообразующих компонентов. Особое внимание уделяется вопросам снижения топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов на основе последних достижений науки и техники.

Рецензенты: кафедра «Технология строительства зданий и сооружений на железнодорожном транспорте» Московского института инженеров железнодорожного транспорта (зав. кафедрой проф. В. И. Соломатов); д-р техн. наук А.Ю. Каминскас (ВНИИТеплоизоляция)

Предисловие
Введение

Часть I Основные понятия о теплопередаче и звуке. Требования к теплоизоляционным и акустическим материалам

Глава 1. Теплопередача. Требования к теплоизоляционным материалам
1.1 Основные представления о теплопередаче
1.2. Требования к теплоизоляционным материалам

Глава 2. Основные понятия о звуке. Требования к акустическим материалам
2.1. Основные понятия о звуке
2.2. Требования к звукопоглощающим и звукоизолирующим материалам

Часть II. Классификация, свойства, принципиальные способы получения теплоизоляционных и акустических материалов и изделий

Глава 3. Классификация теплоизоляционных и акустических материалов
3.1. Классификация теплоизоляционных материалов
3.2. Классификация акустических материалов

Глава 4. Основные свойства теплоизоляционных и акустических материалов
4.1. Функциональные свойства теплоизоляционных материалов и изделий
4.2. Строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов
4.3. Функциональные и строительно-эксплуатационные свойства акустических материалов и изделий

Глава 5. Теоретические принципы формирования оптимальной пористой структуры теплоизоляционных и акустических материалов
5.1. Формирование оптимальной ячеистой структуры теплоизоляционных материалов и изделий
5.2. Оптимизация волокнистой структуры
5.3. Оптимизация зернистой структуры
5.4. Формирование оптимальной пористой структуры акустических материалов и изделий

Глава 6. Способы получения высокопористых материалов и изделий из волокнистых, зернистых и порошкообразных элементов
6.1. Классификация способов получения высокопористых материалов и изделий
6.2. Физико-химические основы создания высокопористых структур теплоизоляционных и акустических материалов и изделий

Часть III. Технология неорганических теплоизоляционных материалов и изделий

Глава 7. Искусственное минеральное волокно и теплоизоляционные изделия на его основе
7.1. Минеральная вата
7.2. Особенности получения стекловолокна
7.3. Изделия из минеральной ваты и стекловолокна
7.4. Состояние и перспективы развития производства минераловатных и стекловолокнистых изделий

Глава 8. Материалы и изделия из поризованных искусственных стекол
8.1. Ячеистое стекло (пеностекло)
8.2. Материалы на основе вспученного жидкого стекла

Глава 9. Теплоизоляционные материалы и изделия из вспученных горных пород и минералов
9.1. Вспученный перлит и изделия из него
9.2. Вспученный вермикулит из изделия из него

Глава 10. Ячеистые бетоны
10.1. Виды и свойства ячеистых бетонов
10.2. Технология ячеистых бетонов
10.3. Перспективные направления совершенствования технологии и повышения качества теплоизоляционного ячеистого бетона
10.4. Техника безопасности на предприятиях неорганических теплоизоляционных материалов

Часть IV. Технология теплоизоляционных материалов и изделий из органического сырья

Глава 11. Теплоизоляционные материалы на основе древесины
11.1. Древесно-волокнистые плиты
11.2. Фибролит

Глава 12. Теплоизоляционные материалы на основе местного сырья
12.1. Торфяные теплоизоляционные изделия
12.2. Льнокостричные плиты
12.3. Камышитовые теплоизоляционные изделия

Глава 13. Полимерные теплоизоляционные материалы (газонаполненные пластмассы)
13.1. Виды и свойства газонаполненных пластмасс
13.2. Общие технологические принципы получения газонаполненных пластмасс
13.3. Пенопласты на основе полистирола
13.4. Пенопласты на основе поливинилхлорида
13.5. Пенопласты на основе фенолоформальдегидных композиций
13.6. Карбамидоформальдегидные поропласты
13.7. Пенопласты на основе полиуретанов
13.8. Сотопласты
13.9. Перспективы развития производства и применения пенопластов
13.10. Техника безопасности на предприятиях газонаполненных пластмасс

Часть V. Технология жаростойких теплоизоляционных материалов и изделий

Глава 14. Асбестосодержащие теплоизоляционные материалы и изделия
14.1. Асбест и его свойства
14.2. Технологии известково-кремнеземистых изделий (ИКИ)
14.3. Асбестодиатомитовые массы для мастичной теплоизоляции

Глава 15. Керамические теплоизоляционные изделия
15 1. Диатомитовые (трепельные) теплоизоляционные изделия
15.2. Высокопористая огнеупорная керамика

Глава 16. Жаростойкие волокна и пористые материалы на их основе
16 1. Способы получения жаростойких волокон
16.2. Изделия из муллитокремнеземистой ваты

Часть VI Технология акустических материалов и изделий

Глава 17. Звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы и изделия
17.1. Технология звукопоглощающих материалов
17.2. Перспективы развития производства и применения эффективных видов декоративно акустических материалов
17.3. Звукоизоляционные материалы

Часть VII. Технико-экономические и экологические аспекты использования промышленных отходов в строительном комплексе

Глава 18. Проблема промышленных отходом и возможные пути ее решения
18.1. Проблема промышленных отходов
18.2. Перспективные пути решения проблемы промышленных отходов
18.3. Выбор направления утилизации промышленных отходов

Глава 19. Перспективные теплоизоляционные и акустические материалы и изделия на основе промышленных отходов
19.1. Пути утилизации промышленных отходов при получении высокопористых материалов и изделий        

Часть VIII. Перспективные пути оптимизации функциональных и общестроительных свойств теплоизоляционных и акустических материалов

Глава 20. Методологические принципы оптимизации функциональных и общестроительных свойств теплоизоляционных и акустических материалов и изделий
20.1. Методологические принципы оптимизации строительной теплоизоляции
20.2. Методологические принципы оптимизации высокотемпературной теплоизоляции

Глава 21. Технологические пути повышения качества теплоизоляционных и акустических материалов и технико-экономических факторов их производства и применения

Литература

Предисловие

В учебнике в соответствии с программой одноименного курса для специальности 2906 «Производство строительных изделий и конструкций», описаны технология и свойства современных высокопористых материалов, широко применяющихся для тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий, горячих поверхностей технологического оборудования и трубопроводов, холодильных установок, а также для борьбы с шумом в помещениях различного назначения.

Объединение в один курс технологии теплоизоляционных и акустических (звукопоглощающих и звукоизоляционных) материалов продиктовано общностью технологических задач — созданием высокопористых структур этих материалов, что и явилось методологической основой курса. Это позволило рассмотреть все многообразие материалов и изделий с единые теоретических и технологических позиций, систематизировать весьма сложные и разнообразные задачи, стоящие перед студентами при изучении данного курса.

В учебнике примерно 25% объема посвящено теоретическим основам получения высокопористых материалов из различного сырья, оптимизации пористых структур с позиций функциональных и общестроительных свойств рассматриваемых материалов при их применении в различных условиях эксплуатации.

При описании технологии отдельных видов материалов и изделий основное внимание уделено физико-химической сущности создания данного материала, а также рассмотрению путей повышения эффективности производства с позиций ресурсосбережения и повышения качества продукции.

Значительная часть учебника посвящена проблеме вовлечения в производство строительных материалов вторичных ресурсов, возможным путям рационального использования промышленных отходов для получения высокопористых материалов, экономическому и экологическому значению данной проблемы с учетом последних достижений строительной науки и передовых производственных предприятий.

В последнем разделе учебника обобщены сведения о современном состоянии производства и применении высокопористых материалов в строительстве и промышленности с позиций их технико-экономической эффективности, а также обсуждены возможные пути повышения качества теплоизоляционных и акустических материалов и изделий на основе совершенствования и создания новых технологий.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Технология строительства зданий и сооружений на железнодорожном транспорте» Московского института инженеров железнодорожного транспорта, руководимому проф. д-ром техн. наук В.И. Соломатовым, а также д-ру техн. наук А.Ю. Каминскасу за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

Автор с признательностью примет все критические замечания и рекомендации, направленные на улучшение книги.

Введение

В своей работе «Развитие капитализма в России» В.И. Ленин писал: «Одним из необходимых условий роста крупной машинной индустрии (и чрезвычайно характерным спутником ее роста) является развитие промышленности, дающей топливо и материалы для построек, и строительной промышленности». Эта мысль В.И. Ленина проходит через всю историю развития нашего государства, неуклонного возрастания его материально-технической базы, подъема материального и культурного уровня советского народа.

Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют большое внимание капитальному строительству как одному из определяющих факторов создания материально-технической базы. Из пятилетки в пятилетку возрастает объем капитальных вложений в промышленное и жилищное строительство, строительство культурно-бытовых объектов, домов отдыха, школ, больниц, дошкольных учреждений, различного рода спортивных сооружений.

Технический прогресс в строительстве существенным образом зависит от уровня развития предприятий промышленности строительных материалов, от их оснащенности современной технологией, позволяющей чутко реагировать на возрастающие требования строительного производства, новые экономичные конструкционные решения зданий и сооружений, их эстетический облик, комфортность внутренних помещений.

Необходимо отметить, что промышленность строительных материалов никоим образом не является пассивным участником развития технического прогресса в строительном комплексе. Наоборот, производя новые эффективные материалы, изделия и конструкции, она самым активным образом влияет на развитие технического прогресса в технологии строительного производства, изменяя методы и темпы производства различных видов строительных работ, создавая новые возможности по улучшению планировки зданий, разнообразию их архитектурных форм, повышению комфортабельности помещений.

К числу эффективных строительных материалов, позволяющих существенно снизить материалоемкость и стоимость строительных конструкций и сооружений в целом, а также повысить степень индустриализации строительства, относятся теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционные материалы — разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью.

Как известно, тепловой поток через какое-либо ограждение, разделяющее среды с разными температурами, направлен от нагретой к холодном среде. Любой материал, из которого выполнено ограждение, в той или иной степени препятствует передаче тепла. Степень сопротивления ограждения теплопередаче можно существенно повысить путем увеличения толщины ограждения либо путем применения теплоизоляционных материалов, позволяющих значительно уменьшить толщину и, следовательно, материалоемкость ограждения.

Малая теплопроводность теплоизоляционных материалов обусловлена их высокопористым строением. Воздух, заполняющий поры и находящийся в спокойном состоянии, является плохим проводником теплоты и создает вследствие этого большое сопротивление теплопередаче.

Таким образом, отличительная особенность теплоизоляционных материалов — высокопористая структура. По этому признаку все теплоизоляционные материалы независимо от применяющегося для их изготовления сырья и способов получения объединены в единый раздел учебной дисциплины «Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий».

Функциональное назначение теплоизоляционных материалов — устройство тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений, технологической аппаратуры, тепловых и холодильных установок и различных трубопроводов.

В понятие «тепловая изоляция» вкладывают весьма широкое и не всегда одинаковое содержание. В наиболее общем и распространенном смысле под теплоизоляцией понимают технико-экономические мероприятия по уменьшению потерь теплоты во внешнюю среду через ограждающие поверхности зданий и сооружений (строительная теплоизоляция), промышленных тепловых установок и теплопроводов (высокотемпературная теплоизоляция), различного рода холодильных установок помещений и емкостей, внутри которых поддерживается отрицательная температура (хладоизоляция).

Выражение «тепловая изоляция» часто употребляют для названия теплоизоляционных конструкций (например, теплоизоляция стен, кровель, трубопроводов и т. п.).

Теплоизоляционные материалы широко применяют в строительстве, промышленности, на транспорте. При этом достигается весьма большой технико-экономический эффект. В строительстве применение этих материалов позволяет существенно снизить массу зданий и сооружений, т. е. достичь экономию материальных ресурсов и, следовательно, снизить транспортные расходы, расходы на производство монтажных работ.

Снижение массы строительных конструкций позволяет увеличить их габариты, т. е. повысить степень индустриализации строительного производства, а также существенно экономить основные строительные материалы: цемент, металл, древесину, кирпич и др.

Создание и применение новых более эффективных видов теплоизоляционных материалов, совершенствование тепловой изоляции ограждающих конструкции зданий неизбежно приводят к сокращению расхода топлива на отопление зданий и повышению комфорта в помещениях.

Так, подсчитано, что в среднем общая масса конструкций здания в расчете на 1 м² жилой площади составляет для кирпичного и крупноблочного домов около 3 т, крупнопанельного — около 2 т. В случае же применения легких стеновых панелей, утепленных эффективным теплоизоляционным материалом, масса конструкций на 1 м² здания снижается до 0,5...0,8 т, т. е. в 4...6 раз.

При применении теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях панельных и каркасно-панельных зданий сокращается расход стали в 1.5...3 раза и цемента в 3...4 раза по сравнению со стенами без тепловой изоляции; 1 т минераловатного утеплителя заменяет не менее 7,5 тыс. шт. кирпича.

Соответственно со снижением массы зданий сокращаются перевозки не только готовых строительных материалов и сборных конструкций на стройплощадку, но и сырьевых материалов от места их добычи на заводы-изготовители. Все это дает весьма существенный экономический эффект, исчисляемый в масштабе страны десятками миллиардов рублей.

В промышленности теплоизоляционные материалы применяют с целью сокращения теплопотерь через ограждающие конструкции тепловых агрегатов и теплопроводов, экономии ценного огнеупорного сырья, тепловой защиты строительных конструкций и оборудования от вредного воздействия высоких температур, интенсификации технологических процессов, создания нормальных условий для работы людей в горячих цехах.

Например, изоляция поверхности оборудования и трубопроводов на тепловых электростанциях снижает потери теплоты в 25 раз. Так, без изоляции теплопотери на 1000 кВт установочной мощности составляют 1450...2950 кДж/ч, что эквивалентно примерно 12...25% расхода топлива. Потери же теплоты через слой изоляции составляют лишь 65...130 кДж/ч, что равно 0,5... 1 % расхода топлива. Замена кирпичной кладки легким жаростойким материалом «керамволом» при строительстве кольцевых печей для обжига глиняного кирпича позволяет в 15 раз уменьшить массу печи, существенно повысить ее производительность и снизить удельный расход топлива.

Еще большую экономию энергии дает применение теплоизоляционных материалов при транспортировке и хранении сжиженных газов, при тепловой изоляции стационарных, передвижных (железнодорожные вагоны, суда-рефрижераторы и т. п.) холодильников и другого холодильного оборудования.

Производство теплоизоляционных материалов — одна из молодых подотраслей промышленности строительных материалов. Однако в связи с высокой эффективностью применения этих материалов в народном хозяйстве их производство за последние 30 лет бурно развивалось.

Начало заводского производства теплоизоляционных материалов относится к концу второй пятилетки (1933—1937) В годы Великой Отечественной воины выпуск этих материалов сократился, а в послевоенное время стал быстро возрастать. Это положение хорошо иллюстрируется на примере темпов развития производства минеральном ваты, являющейся основным продуктом теплоизоляционной промышленности. Так, в 1940 г. в стране было всего три предприятия, вырабатывающих минеральную вату. Годовой объем продукции этих предприятий составлял всего 30 тыс. м³. В послевоенный период было организовано и развито производство и других видов теплоизоляционных материалов: цементного фибролита, автоклавного ячеистого бетона, пеностекла, вспученного перлита, газонаполненных пластмасс и др. Общий объем выпуска теплоизоляционных материалов к 1985 г. увеличился более чем в 25 раз.

В постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР постоянно делался упор на повышение эффективности во всех отраслях народного хозяйства и повышение качества работы.

XXVII съезд КПСС с особой силон подчеркнул необходимость кардинального повышения эффективности строительного производства на основе достижении современной науки и техники, совершенствования механизма управления отраслью.

В связи с этим характерной чертой развития производства теплоизоляционных материалов, без которых невозможно дальнейшее развитие капитального строительства, в настоящее время является преимущественное увеличение выпуска эффективных теплоизоляционных материалов.

К, таким материалам относятся: минераловатные изделия на синтетических связующих (жесткие плиты и плиты повышенной жесткости), а также минераловатные маты с обкладками и без них; стекловолокнистые плиты и маты; изделия из вспученного перлита; калиброванные плиты из ячеистого бетона со средней плотностью не выше 250 кг/м³; изделия из пластмасс высокопористой структуры и пониженной горючести.

Усилиями научных и производственных коллективов расширяется номенклатура эффективных теплоизоляционных материалов, предназначенных для строительной и промышленной теплоизоляции, разрабатываются новые технологические приемы их получения, обеспечивающие ресурсосбережение как в сфере производства, так и в сфере применения, все шире используются в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств.

Второй группой материалов, рассматриваемых в рамках данной дисциплины, являются акустические материалы, применение которых в строительстве и промышленности призвано создавать комфортные условия и жилых, общественных и производственных помещениях, снижать вредное воздействие шума на организм человека.

Эти материалы по своему функциональному назначению подразделяются на следующие виды:

• звукопоглощающие материалы, предназначенные для гашения воздушных шумов и регулирования акустических характеристик помещений;
• звукоизоляционные материалы, применяемые в качестве прокладок под плавающими полами и в многослойных ограждающих конструкциях для изоляции ограждений от ударного и воздушного звуков;
• вибропоглощающие материалы, предназначенные для ослабления изгибных колебаний, распространяющихся по жестким (преимущественно тонким) конструкциям, для снижения излучаемого ими шума.

Звукопоглощающие материалы и отчасти звукоизоляционные близки по своей структуре и методам получения к теплоизоляционным материалам, что и позволило объединить изучение их технологии в одну учебную дисциплину.

Начало широкого заводского производства акустических (особенно звукопоглощающих) материалов в СССР связано с развитием производства теплоизоляционных материалов и относится к 50 м годам. Широкое применение звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов в жилых, производственных и общественных зданиях, в зданиях и сооружениях культурно-массового назначения повысило возросшую культуру строительства в нашей стране, призванную обеспечивать повышенную комфортабельность для жизни, труда и отдыха советских людей.

Особенно бурное развитие производств и применение акустических материалов в строительной практике получили в последние 20 лет. При этом особое внимание уделялось и уделяется созданию наиболее эффективных материалов, сочетающих в себе акустические и декоративные свойства и получивших поэтому название декоративно-акустических материалов. К таким материалам относят жесткие минераловатные изделия в виде плит для навесных потолков с декорированной поверхностью, газобетонные, пеногипсовые, комбинированные плитные изделия с фасонной или плоской поверхностью перфорированные цветные листы и др.

Создание новых видов акустических материалов отличающихся более высокими функциональными и эксплуатационными свойствами, является и по сей день весьма важной задачей научно-исследовательских, проектных и производственных коллективов строительной отрасли народного хозяйства.

Советские ученые внесли большой вклад в теорию и практику развития производства теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. Используя основополагающие материалы, изложенные в трудах Б.Г. Скрамтаева, П.П. Будникова, Ю.И. Бутта, А.В. Волженского, П.И. Боженова, И.А. Попова, A.И. Августинина, В.В. Тимашева, П.И. Китайгородского, наиболее существенный вклад в развитие производства теплоизоляционных и акустических материалов в СССР внесли К.Э. Горяйнов, А.П. Меркни, В.А. Китайцев, А.И. Жилин, А.Ю. Каминскас, В.И. Соломатов, М.И. Хигерович, А.В. Жуков, А.Т. Баранов, Ю.Л. Бобров, В.Н. Соков, Б.М. Румянцев, Г.Я. Кунос, Р.А. Андрианов и многие другие. Ими сформулированы научные концепции, вскрыты закономерности получения высокопористых материалов с высоко организованной пористой структурой, обеспечивающей высокие функциональные свойства материалов, получаемых из различного вида сырья; разработаны эффективные способы порообразования, которые реализованы в производстве и продолжают совершенствоваться.

Процесс поиска новых принципов производства высокопористых материалов продолжается и в настоящее время. В нем участвуют научные коллективы ряда научно-исследовательских институтов.

Основной задачей текущего момента и на перспективу является вовлечение в сферу производства максимально возможных объемов побочных продуктов других отраслей и промышленных отходов, образующихся в весьма большом количестве, исчисляемом миллиардами тонн, при добыче и сжигании углей, выплавке черных и цветных металлов, производстве и применении стекол, переработке нефти, производстве удобрений, добыче и переработке руды и нерудных полезных ископаемых и т. п.

Решение этой проблемы кроме значительного технико-экономического эффекта имеет важное экологическое значение.