Лекция 8
Теплоизоляционными называют материалы и изделия, препятствующие перемещению тепловых потоков через строительные ограждающие конструкции (стены, крыша, полы) и технологическое оборудование. Для них характерна высокая пористость, низкая средняя плотность и теплопроводность. Чем выше содержание воздуха, тем эффективнее теплоизоляционный материал. Применение этих материалов позволяет сократить расход топлива на отопление здания, снизить массу ограждающих конструкций.
Обычно пористость теплоизоляционных материалов более 50 %, а некоторые наиболее эффективные теплоизоляционные материалы, например ячеистые пластмассы, как бы построены из воздуха (поры занимают 90...98 %, а стенки пор — всего лишь 2...10 % от общего объема). Теплоизоляционные материалы могут иметь ячеистое, зернистое, волокнистое и пластинчатое строение. Необходимую пористость создают различными технологическими приемами.
Для материалов ячеистого строения характерны однородные и равномерно распределенные поры, форма которых обычно близка к сферической. Для получения материалов ячеистого строения (ячеистые бетоны, пеностекло, газонаполненные пластмассы и т. п.) используют способы газовыделения и пенообразования.
Зернистое строение имеют сыпучие материалы. Пористость сыпучей массы зависит от ее зернового состава. Чем однороднее по форме и размерам зерна, тем больше просветы между ними и тем выше пористость материала в насыпном виде. При изготовлении сыпучих порошкообразных теплоизоляционных материалов применяют механическое дробление и помол исходного сырья, получая продукт с примерно одинаковым размером зерен.
Волокнистое строение присуще материалам из минерального или органического волокна (асбеста, минеральной и стеклянной ваты, растительных волокон и др.). Основным способом получения высокопористого строения для таких материалов является создание волокнистого каркаса с тонкими воздушными слоями, разделяющими волокна.
|
|
Органические волокна получают механическим расщеплением древесины или другого растительного сырья. Минеральное волокно получают путем расплавления неорганического сырья с последующим превращением расплава в волокна.
Пластинчатое строение характерно для материалов, содержащих в своем составе листочки слюды, которые предварительно при быстром нагревании вспучиваются за счет отщепления у слюды связанной воды (вспученный вермикулит).
Способ высокого водозатворения иногда используют для получения пористой структуры. В формовочную массу (например, из трепела или диатомита) добавляют заведомо много воды, которая удаляется в процессе сушки и обжига изделий, оставляя вместо себя поры. Этот способ сочетается с введением выгорающих добавок при производстве теплоизоляционных керамических изделий.
Пористость определяет основные свойства теплоизоляционных материалов: плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и др. Важное значение имеет равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор, а также химический состав и молекулярное строение каркаса и условия применения теплоизоляционного материала.
Теплопроводность является главной характеристикой теплозащитных свойств материала. На практике удобно судить о теплопроводности по плотности сухого материала. Однако эта зависимость приближенна, поскольку не учитывает влияние химического состава и молекулярного строения материала и характер пористости. При одинаковом или близком химическом составе теплопроводность материалов, имеющих кристаллическое строение, выше, чем материалов аморфного и смешанного строения.
|
|
При равной пористости более высокими теплоизоляцио иными свойствами обладают материалы, имеющие мелкие замкнутые поры вследствие уменьшения передачи теплоты конвекцией и излучением. Особенно это необходимо учитывать при выборе материалов для высокотемпературной изоляции. Это важно и потому, что теплопроводность возрастает с повышением средней температуры, при которой происходит передача теплоты от одной поверхности ограждения к другой. Изменение теплопроводности при изменении температуры у различных материалов происходит с разной скоростью. В расчетах тепловой изоляции всегда надо учитывать ее значение, соответствующее данной рабочей температуре.
Увлажнение и тем более замерзание воды в порах материала ведет к резкому увеличению теплопроводности, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/(м °С)] примерно в 25, а льда [2,32 Вт/(м °С)] в 100 раз больше, чем воздуха. Поэтому теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения.
Теплопроводность материалов с волокнистым и слоистым строением зависит от направления потока теплоты. Например, для дерева теплопроводность вдоль волокон примерно в 2 раза выше, чем теплопроводность поперек волокон.
|
|
Прочность теплоизоляционных материалов вследствие их пористого строения относительно невелика. Предел прочности при сжатии обычно колеблется от 0,2 до 2,5 МПа. Материалы, у которых прочность при сжатии выше 5 МПа, называют теплоизоляционно-конструктивными и используют для несущих ограждающих конструкций. Для ряда теплоизоляционных изделий основной характеристикой является предел прочности при изгибе (плиты, скорлупы, сегменты) или при растяжении (маты, войлок, асбестовый картон и т. п.). Во всех случаях требуется, чтобы прочность теплоизоляционного материала была достаточной для его сохранности при транспортировании, складировании, монтаже и работе в конкретных эксплуатационных условиях.
Температуростойкость оценивают предельной температурой применения теплоизоляционного материала. Выше этой температуры материал изменяет свою структуру, теряет механическую прочность и разрушается, а-органические материалы могут загораться. Предельную температуру применения теплоизоляционных материалов устанавливают (в целях предосторожности) несколько ниже значения температуростойкости и всегда указывают в технической характеристике материала.
Теплоемлость материала имеет существенное значение в условиях частых теплосмен, так как в этих случаях необходимо учитывать теплоту, поглощаемую (аккумулированную) теплоизоляционным слоем. Теплоемкость неорганических материалов колеблется от 0,67 до-1 кДж/(кг-°С). С увеличением влажности материала его теплоемкость резко возрастает, так как для воды при' 4 °С она очень высокая — 4,2 кДж/(кг°-С). Увеличение теплоемкости наблюдается и при повышении температуры.
Химическую и биологическую стойкость теплоизоляции повышают, применяя различные защитные покрытия. Высокопористое строение теплоизоляционных материалов способствует прониканию в них жидкостей, га-зови паров, находящихся в окружающей среде, которые, взаимодействуя с материалом, разрушают его. Органические теплоизоляционные материалы или содержащие в своем составе органические связующие вещества '(крахмал, клей и т. п.) должны обладать биологической стойкостью. Так как жизнедеятельность различных микроорганизмов возможна во влажной среде, основным условием повышения биостойкости теплоизоляционных материалов является устранение причин, вызывающих их увлажнение, а также обработка материалов антисептиками.
Теплоизоляционные материалы и изделия, используемые в конструкциях стен зданий и холодильников, в процессе эксплуатации могут подвергаться попеременному замораживанию и оттаиванию. В этом случае к ним предъявляют требования по морозостойкости такие же, как к стеновым материалам.
Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлака, стекла, асбеста). К этой группе относят минеральную, стеклянную вату и изделия из них, некоторые виды легких бетонов на пористых заполнителях (вспученном перлите и вермикулите), ячеистые теплоизоляционные бетоны, пеностекло, асбестовые и асбестосодержащие материалы, керамические и др. Эти материалы используют как для утепления строительных конструкций, так и для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов.
Минеральная вата и изделия из нее по объему производства занимает первое место среди теплоизоляционных материалов. Этому способствует наличие сырьевых ресурсов для их получения в виде горных пород (доломита, известняка, мергелей, базальта и др.), шлаков и зол; простота технологического процесса; небольшие капиталовложения при организации производства, Минеральная вата состоит из искусственных минеральных волокон. Производство ее включает две основные технологические операции — получение расплава и превращение его в тончайшие волокна. Расплав получают, как правило, в шахтных плавильных печах — вагранках или ванных печах. Превращение расплава в минеральное волокно производят дутьевым или центробежным способом. При дутьевом способе выходящий из печи расплав разбивается на мелкие капельки струей пара или воздуха, которые вдуваются в специальную камеру и в полете сильно вытягиваются, превращаясь в тонкие волокна диаметром 2...20 мкм. При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся диск центрифуги и под действием большой окружной скорости сбрасывается с него и вытягивается в волокна.
Плотность минеральной ваты 75... 150 кг/м3, теплопроводность 0,042...0,046 Вт/(м-°С). Вата не горит, не гниет, ее не портят грызуны, она малогигроскопична, морозостойка и температуростойка. Минеральную вату применяют для теплоизоляции как холодных (до —200 °С), так и горячих (до +600 °С) поверхностей, чаще в виде изделий: войлока, матов, полужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов. Иногда вату используют в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий, для чего ее гранулируют, т. е. превращают в рыхлые комочки в дырчатом барабане.
Минеральные маты представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизированной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой, прошитый прочными нитями или тонкой проволокой. Длина матов до 500 см, ширина до 150 см, толщина до 10 см. Плотность матов 300...200 кг/м3, теплопроводность 0,046...0,058 Вт/(м-°С). Маты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, их используют также для утепления свежеуложенных бетонов и растворов при строительстве в холодное время года.
Минераловатные полужесткие плиты изготовляют из минерального волокна путем распыления на него связующего (синтетических смол или битума) с последующим прессованием и термообработкой для сушки или полимеризации. Плотность плит в зависимости от вида связующего и уплотнения 75...300 кг/м3 и теплопроводность 0,041...0,07 Вт/(м-°С). Полужесткие изделия применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и горячих поверхностей оборудования при температуре до 200...300°С, если изделия изготовлены на синтетическом связующем, и до 60 °С — на битумном связующем.
Минераловатные жесткие изделия получают смешиванием минеральной ваты с битумной эмульсией или синтетическими смолами с последующим формованием, прессованием и прогреванием отформованных изделий для их сушки или полимеризации. Минераловатные жесткие плиты изготовляют толщиной 4... 10 см, плотностью 100...400 кг/м3 и теплопроводностью 0,051...0,135 Вт/(мХ Х°С). Минераловатные жесткие плиты применяют для утепления стен, покрытий и перекрытий жилых и промышленных зданий и холодильников. Жесткие плиты и фасонные изделия — сегменты, скорлупы на синтетическом и бентонитоколлоидном связующих применяют для теплоизоляции горячих поверхностей.
Промышленность выпускает также Минераловатные плиты повышенной жесткости и твердые плиты на синтетических связующих, которые характеризуются более высокой прочностью и большими размерами, чем обычные жесткие плиты. Такие плиты размером 180X120 см, а при определенных параметрах уплотнения до 360X120 см экономически целесообразно применять для утепления стен, перекрытий и покрытий зданий. Например, 1 м2 покрытия с использованием твердых минераловатных плит в 5...7 раз легче и на 25...40 % дешевле по сравнению с железобетонным покрытием, утепленным пенобетоном
Стеклянная вата является разновидностью искусственного минерального волокна. Для изготовления ваты используют стеклянный бой или те же сырьевые материалы, что и для оконного стекла; кварцевый песок, известняк или мел, соду или сульфат натрия. Тонкое стеклянное волокно для текстильных материалов получают вытягиванием из расплавленной стекломассы (фильерный и штабиковый способы). Более грубое волокно, применяемое для тепловой изоляции, изготовляют дутьевым или центробежным способом. Такое волокно называют стеклянной ватой. Плотность стеклянной ваты обычно не превышает 125кг/м3, а теплопроводность— 0,052 Вт/(м-°С). Промышленность выпускает также супертонкое стекловолокно плотностью до 25 кг/м3 и теплопроводностью около 0,03Вт/(м-°С). Стеклянная вата практически не дает усадки в конструкциях, волокна ее не разрушаются при длительных сотрясениях и вибрации. Она плохо проводит и хорошо поглощает звук, малогигроскопична, морозостойка. Слой стеклянной ваты толщиной 5 см соответствует термическому сопротивлению кирпичной стене толщиной в 1 м.
Стекловатные маты и полужесткие и жесткие плиты, а также фасонные изделия на связующих из синтетических смол применяют в качестве теплоизоляционного, акустического материала при температуре не выше 200 °С, а прошивные маты и полосы — при температуре до 450 °С.
Пеностекло (ячеистое стекло) выпускают в виде блоков или плит размером 50Х40Х(8...14) см путем спекания порошка стекольного боя или некоторых горных пород вулканического происхождения (трахиты, сиениты, нефелины, обсидианы и др.) с газообразователями, например с известняком или антрацитом. При температуре 800...900°С частицы стекольного боя начинают сплавляться, а выделяющиеся из газообразователя газы образуют большое количество пор (пористость 80...95 %). При этом в стекловидном материале межпоровых стенок содержатся мельчайшие микропоры. Двоякий характер пористости обеспечивает высокую теплоизоляционную способность пеностекла. Теплопроводность плит из пеностекла при плотности 150... 600 кг/м3 составляет 0,06... 0,14 Вт/(м-°С), а предел прочности при сжатии 2,0...6,0 МПа, при этом они хорошо обрабатываются (пилятся, сверлятся, шлифуются). Изделия из пеностекла обладают высокой водостойкостью, морозостойкостью и температуростойкостью. Для стекол обычного состава температуростойкость равна ЗОО...400°С, для бесщелочного стекла—до 1000 °С. Пеностекло применяют как утеплитель стен, перекрытий, полов, и кровель промышленных и гражданских зданий в конструкциях холодильников, а также для изоляции тепловых установок и сетей.
Стеклопор получают путем грануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.) Сначала производят гранулят — «стеклобисер», который затем вспучивают нагревом при температуре 32О...36О°С. Стеклопор выпускают трех марок: СЛ—-с рт = 15...4О кг/м3, %= = 0,028...0,035 Вт/(м-°С); Л и Т соответственно -~рт= = 40...80 и 80...120 кг/м3; X = 0.032...0.04 и 0,038...0,05 Вт/(м-°С). В сочетании с различными связующими стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции.
Большинство органических теплоизоляционных материалов изготовляют в виде плит, обычно крупноразмерных, что упрощает и ускоряет производство работ и способствует удешевлению строительства.
Основным сырьем для их изготовления служит древесина, главным образом в виде отходов (опилки', стружка, горбыль, рейка), и другое растительное сырье волокнистого строения (камыш, солома, малоразложившийся верховой торф, костра льна и конопли). Большое количество теплоизоляционных изделий изготовляют на основе различных полимеров и синтетических смол.
Древесина сама по себе представляет пористый материал (пористость 60...70%). Кроме того, древесная стружка и древесные волокна расположены в некоторых теплоизоляционных изделиях (фибролитовых, древесностружечных плитах и т. п.) так, что тепловой поток в конструкции оказывается направленным не вдоль, а поперек волокон, а это создает дополнительное сопротивление прохождению теплоты. Вместе с тем стружка и волокна древесины или другого растительного сырья создают своеобразный арматурный каркас в теплоизоляционных изделиях. Наконец, использование древесных и других растительных отходов для массового производства теплоизоляционных материалов является экономически выгодным и способствует решению экологической проблемы, т. е. позволяет уменьшить возможное загрязнение окружающей среды.
Древесноволокнистые плиты изготовляют из неделовой древесины, отходов лесопильной и деревообрабатывающей промышленности, бумажной макулатуры, а также стеблей соломы, кукурузы, хлопчатника и некоторых других растений.
С целью увеличения прочности и долговечности древесноволокнистых изделий при их изготовлении применяют специальные добавки: водные эмульсии синтетических смол, эмульсии из парафина, канифоли, битума, антисептики и антипирены, а также асбест, глинозем, гипс и др.
Растительное сырье измельчают в различных агрегатах в присутствии большого количества воды, облегчающей разделение древесины на отдельные волокна, и смешивают со специальными добавками. Далее жидкотекучую волокнистую массу передают на отливочную машину, состоящую из бесконечной металлической сетки и вакуумной установки. Здесь масса обезвоживается, уплотняется и разрезается на отдельные плиты заданного размера, которые затем подпрессовы-вают и сушат.
Плотность древесноволокнистых изоляционных и изоляционно-отделочных плит 150...350 кг/см3, теплопроводность 0,046...0,093 Вт/(м-°С), прочность при изгибе не менее 0.4...2.0 МПа.
Достоинством плит являются их большие размеры [(длина до 3 м, ширина до 1,6 м), так как это способствует индустриализации строительно-монтажных работ и уменьшению затрат труда.
Изоляционные плиты используют для тепло- и звукоизоляции стен, потолков, полов, перегородок и междуэтажных перекрытий, утепления кровель, акустической отделки специальных помещений (радиостудий, машинописных бюро, концертных залов и т'. п.).
Кроме изоляционных выпускают полутвердые, твердые и сверхтвердые древесноволокнистые плиты плотностью 400... 1100 кг/м3 и прочностью при изгибе не менее 15 МПа, используемые как отделочные и конструкционные материалы.
Древесностружечные плиты- получают горячим прессованием массы, содержащей около 90 % органического волокнистого сырья (чаще всего тонкая древесная стружка) и 8... 12 % синтетических смол (мочевинофор-мальдегидной, фенолформальдегидной и др.). Древесностружечные плиты выпускают одно- и многослойными. Например, у трехслойной плиты пористый средний слой состоит из относительно крупных стружек, а поверхностные слои выполняют из одинаковых по толщине плоских тонких стружек.
Для теплоизоляционных целей служат легкие плиты плотностью 250...500 кг/м3 и теплопроводностью 0,046......0,093 Вт/(м°С). Полутяжелые и тяжелые плиты плотностью соответственно 500...800 и 800... 1000 кг/м3 и прочностью при изгибе 5...35 МПа применяют как отделочный и конструкционный материал. Области применения древесностружечных плит в строительстве примерно те же, что и древесноволокнистых плит.
Фибролит — плитный материал, изготовляемый обычно из специальных древесных стружек (древесной шерсти) и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть получают на специальных станках в виде тонких и узких лент. В качестве вяжущего чаще используют портландцемент, реже магнезиальное вяжущее.
Древесную шерсть сначала минерализуют раствором хлористого кальция, жидкого стекла или сернокислого глинозема, а затем смешивают с цементом и водой. Плиты формуют под давлением до 0,5 МПа и направляют для твердения в пропарочные камеры. Затвердевшие плиты сушат до влажности не более 20 %.
Плиты обычно имеют длину 240 и 300 см, ширину 60 и 120 см, толщину 3...15 см. По плотности их делят на марки Ф-300 (теплоизоляционный вибролит) и Ф-400, Ф-500 кг/м3 (теплоизоляционно-конструкционный фибролит) с пределом прочности при изгибе соответственно не менее 0,35; 0,6 и 1,0 МПа и теплопроводностью 0,08...0,1 Вт/(м-°С). Фибролит не горит открытым пламенем, а тлеет, легко обрабатывается — его можно пилить, сверлить, вбивать в него гвозди. Водопоглощение цементного фибролита не более 35...45 %; при влажности выше 35 % он может поражаться домовым грибом, поэтому его необходимо защищать от увлажнения, в частности, путем оштукатуривания. Шероховатая поверхность фибролита способствует хорошему сцеплению со штукатуркой. Теплоизоляционный фибролит применяют для утепления стен и покрытий; конструкционный— для перегородок, каркасных стен и перекрытий в сухих условиях. Стена из фибролитовых плит толщиной 15 см по термическому сопротивлению эквивалентна кирпичной стене в два кирпича.
Арболит представляет собой разновидность легкого бетона, изготовляемого из подобранной смеси цемента, органических заполнителей, химических добавок и воды. Органические заполнители могут быть различного происхождения и с различной формой частиц (дробленые отходы древесных пород, сечка камыша, костра конопли или льна, подсолнечная лузга и т. п.). В качестве вяжущего чаще применяют портландцемент, реже другие неорганические вяжущие вещества. Технология изготовления изделий из арболита во многом приближается к технологии изделий из обычных бетонов.
Различают теплоизоляционный арболит (плотностью до 500 кг/м3) и конструкционно-теплоизоляционный (плотностью до 700 кг/м3). Прочность при сжатии колеблется от 0,5 до 3,5 МПа, на растяжение при изгибе — от 0,4 до 1,0 МПа. Теплопроводность арболита составляет 0,1...0,126 Вт/(м-°С). Арболит относится к категории труднопоражаемых грибами и трудносгораемых, материалов. Изделия из арболита применяют для возведения навесных и самонесущих стен и перегородок, а также в качестве теплоизоляционного материала в стенах, перегородках и покрытиях зданий различного назначения.
Камышит (камышитовые плиты) изготовляют (11.5) из тростника камыша осенне-зимней рубки. Производство камышита обычно организуют на передвижных установках, оборудованных прессами высокой производительности, на которых осуществляются прессование, прошивка проволокой и торцовка плит.
Плотность камышита в зависимости от степени прессования составляет 175...250 кг/м3, теплопроводность — 0,046...0,093 Вт/(м°С), предел прочности при изгибе — 0,5..1,0МПа. Камышит загнивает при увлажнении, не держит гвозди, способен возгораться, подвержен порче грызунами. Эти недостатки можно уменьшить путем пропитки плит антисептиками, оштукатуриванием плит.
Камышит применяют для заполнения стен каркасных зданий, устройства перегородок, утепления перекрытий и покрытий в малоэтажном строительстве. Для сельского строительства разработаны типовые проекты домов, в которых стены, перегородки и перекрытия выполняют из камышитовых панелей. Дома из таких панелей в 2 раза дешевле каменных.
Торфяные теплоизоляционные изделия изготовляют в виде плит, скорлуп и сегментов. Сырьем для их производства является малоразложившийся торф из верхних слоев болот, имеющий волокнистое рыхлое строение. Изделия изготовляют путем прессования в металлических формах торфяной массы, в которую для улучшения свойств вводят добавки — антисептики, антипирены, гидрофобизаторы. Отформованные изделия подвергают тепловой обработке. Специальных вяжущих веществ здесь не требуется. При тепловой обработке из торфа выделяются смолистые вещества, склеивающие волокна.
Торфоплиты выпускают плотностью 170 и 220 кг/см3, теплопроводностью 0,058...0,064 Вт/(м-°С) и пределом прочности при изгибе не менее 0,3 МПа. Торфяные теплоизоляционные изделия отличаются большой гигроскопичностью и водопоглощением.
Применяют торфяные изделия для утепления стен и перекрытий зданий, холодильников и трубопроводов при температуре от —60 до +100 °С.
Войлок строительный изготовляют из низших сортов шерсти животных с добавкой растительных волокон и крахмального клейстера. После валки войлок имеет вид пластин — полотнищ длиной и шириной до 200 см. Плотность войлока 150 кг/м3, теплопроводность около 0,06 Вт/(м-°С). Чтобы предотвратить появление моли, войлок необходимо пропитывать 3 %-ным раствором фтористого натрия и перед применением высушивать. Используют войлок для тепловой и звуковой изоляции стен и потолков под штукатурку, утепления наружных углов в рубленых домах, оконных и дверных коробок.
Акустические материалы
Совокупность многочисленных звуков, быстро меняющихся по частоте и силе, принято называть шумом. Шум в помещениях относится к категории санитарно-гигиенических вредностей, так как длительное его воздействие вредно для здоровья человека и понижает его работоспособность. Различают шумы воздушные и ударные. Воздушный шум возникает и распространяется в воздушной среде. Звуковые волны воздействуют на ограждающие конструкции зданий, приводят их в колебательное движение и тем самым передают звук в соседние помещения, отражаются и частично поглощаются ограждениями. Ударный шум возникает и передается в ограждающих конструкциях при ударных, вибрационных и других воздействиях непосредственно на конструкцию.
Вредное действие шумов стремятся уменьшить путем разработки рациональных планировочных и конструктивных решений зданий, осуществляемых с применением акустических материалов и изделий.
Акустическими называют материалы, способные поглощать звуковую энергию, а также снижать уровень силы и громкости проходящих через них звуков, возникщих как в воздухе, так и в материале ограждения. По назначению акустические материалы разделяют на звукоизоляционные и звукопоглощающие.
Звукоизоляционными называют материалы, применяемые в основном для ослабления ударного шума. Звукопоглощающие материалы обладают свойством преимущественно поглощать энергию падающих на них звуковых волн (воздушные шумы).
Звукоизоляционная способность материала в ограждении оценивается по разности уровней звука с обеих сторон ограждения и выражается в децибелах. Предельные (максимально допустимые) уровни шума устанавливаются в зависимости от назначения помещения и частотной характеристики звука. Нормальное ухо человека воспринимает звуковые колебания частотой 16......20 000 Гц, причем особо чувствительными являются частоты 1500...3000 Гц. Звукоизоляционная способность ограждения прямо пропорциональна десятичному логарифму его массы. Однако увеличение массы конструкций делает их слишком тяжелыми, громоздкими и дорогими. Гораздо эффективнее конструкции, изготовленные из пористых материалов, или многослойные конструкции, имеющие воздушные прослойки. В этом случае используются упругие свойства воздуха, который гасит звуковые колебания и прерывает распространение звука. По этой же причине и звукопоглощающие материалы стремятся изготовлять высокопористыми (пористость 40... 90 %), т. е. как и теплоизоляционные материалы. Однако в отличие от теплоизоляционных материалов, где выгодны замкнутые воздушные поры, эффективность звукопоглощающих материалов возрастает при наличии сквозных пор или специально предусмотренной перфорации.
Акустические материалы должны сохранять свои свойства в процессе длительной эксплуатации и вместе С тем удовлетворять общим строительно-техническим требованиям по огнестойкости, био- и влагостойкости, механической прочности и экономичности.
Звукопоглощающие материалы снижают энергию падающих на них звуковых колебаний и поэтому служат для борьбы с воздушным шумом. При применении для акустической отделки внутри помещений они выполняют также декоративную роль (декоративно-акустические материалы).
Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения а, равный отношению количества энергии звуковых колебаний, поглощенной материалом или конструкцией, к общему количеству звуковой энергии, падающей на изолируемую поверхность в единицу времени
Все строительные материалы обладают в той или иной мере звукопоглощением. К звукопоглощающим материалам принято относить только те, которые имеют коэффициент звукопоглощения на средних частотах больше 0,2. Эти материалы характеризуются высокой, преимущественно открытой, пористостью. Для усиления поглощения звуковой энергии звукопоглощающие материалы часто дополнительно перфорируют. Перфорация облегчает доступ звуковых волн к материалу и в зависимости от размера и формы отверстий, их наклона и глубины, а также процента перфорации (отношение площади, занимаемой отверстиями, к общей площади изделия) увеличивает коэффициент звукопоглощения на 10...20 % и более. Для этой же цели фактуру поверхности изделий делают трещиноватой, бороздчатой или рельефной и окрашивают эмульсионными или клеевыми красками, образующими пористое покрытие.
Звукопоглощающие плиты целесообразно располагать в конструкции с воздушным зазором — «на относе». При этом используются упругие свойства воздуха, что также увеличивает звукопоглощение конструкции.
Звукопоглощающие материалы применяют в виде однослойного однородного пористого материала с офактуренной поверхностью, двух- и многослойных пористых материалов с жестким перфорированным покрытием, а также в виде штучных одно- и многослойных изделий разнообразных размеров и формы.
Однослойные пористые звкуопоглощающие материалы и изделия могут иметь волокнистую, конгломератную и ячеистую структуру. Из звукопоглощающих материалов с волокнистой структурой наибольшее значение имеют минераловатные и древесноволокнистые плиты.
Минераловатные плиты изготовляют из минерального, в том числе стеклянного или асбестового, волокна на синтетическом или битумном связующем. Эти плиты отличаются от теплоизоляционных более жестким скелетом, сквозной пористостью и внешней отделкой. Эффективными отделочными звукопоглощающими материалами на основе минеральных волокон являются плиты «акмигран» и «акминит». Для производства «акмиграна» применяют минеральную или стеклянную гранулированную вату и связующее, состоящее из крахмала, карбоксилцеллюлозы и бентонита. Из приготовленной смеси связующего и гранул ваты формуют плиты толщиной 20 мм, которые после сушки подвергают отделке (их калибруют, шлифуют и окрашивают). Лицевая поверхность плит имеет «трещиноватую» фактуру. Плиты «акминит» имеют несколько измененный состав (в частности, вместо бентонита используют каолин), а формуют их путем отливки в формах. Коэффициент звукопоглощения обоих видов плит в среднем и высоком диапазоне частот составляет 0,8...0,9. Плиты предназначены для акустической отделки потолков и верхней части стен общественных и административных зданий с относительной влажностью воздуха не более 75%.
Для звукопоглощающих облицовок используют пористые (мягкие) древесноволокнистые плиты с плотностью 200...300 кг/м3. Плиты перфорируют обычно на 2/з толщины круглыми отверстиями или пазами и окрашивают клеевой краской.
К материалам с конгломератной структурой относят акустические бетоны и растворы в виде плит, блоков, изготовляемые на пористых заполнителях (вспученные перлит и вермикулит, легкие виды керамзита, природной или шлаковой пемзы) и белом, цветном или обычном портландцементах.
Среди материалов с ячеистой структурой наибольшее распространение получили плиты и блоки из ячеистых бетонов, пеностекла и поропласты (ячеистые пластмассы, содержащие сообщающиеся между собой поры).
Звукопоглощающие изделия из пористых материалов с перфорированным покрытием представляют собой пористый материал плотностью не более 100...140 кг/м3. Изготовляют их в виде минераловатных плит, рулонов, акустических бетонных плит или полиуретанового поропласта. С внешней стороны пористый материал закрывают перфорированным экраном, который изготовляют из слоистого пластика, дюралюминия, оцинкованной листовой стали, асбестоцементных листов, гипсовых акустических плит и т.д. Такие конструкции применяют для акустической отделки потолков и стен в общественных и культурно-бытовых зданиях.
Наибольший эффект звукопоглощения достигается при расположении звукопоглотителя в непосредственной близости от источника звука. В этом случае часть звуковой энергии гасится до того, как она проникает в помещение. Поэтому в общественных и особенно в промышленных зданиях большое практическое значение имеют штучные звукопоглотители в виде отдельных щитов, кубов, призм., конусов, шаров, подвешиваемых к потолкам шумных помещений или устанавливаемых на полу вблизи источника звука (станка, механизма и т.д.). Стенки штучных поглотителей имеют перфорацию, а полости между ними заполнены или облицованы изнутри пористыми материалами.
Высокого звукопоглощения при низких частотах достигают применением резонирующих панелей. Такие панели состоят из каркаса, на котором крепится мембрана из листов фанеры, жестких древесно-волокнистых плит или плотной ткани типа клеенки. Панели монтируют на потолке и стенах с определенным относом от ограждающей конструкции. Эффект звукопоглощения обусловливается активным сопротивлением системы, совершающей вынужденные колебания под действием падающей звуковой волны.