В воздушно-сухом состоянии все виды пеностекла являются морозостойкими, здесь влияние отрицательных температур аналогично положительным. Морозостойкость увлажненного пеностекла (в воде) снижается по мере увеличения в нем дефектов структуры и открытой пористости. Разрушение структуры происходит вследствие деструктивного воздействия льда и направлено с поверхности к центру испытуемого образца.

3. Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала в большой мере обусловливается его структурой. У пористых тел тепло передается через твердое вещество и через пустоты с находящимися в них газами. Поскольку газы являются плохим проводником тепла, то изолирующая способность материала будет тем выше, чем больше его пористость. Но передача тепла внутри пор снижается с уменьшением их диаметра, так как при определенной величине ее диаметра может достигаться минимальная теплопроводность. Так, по данным М. Хюбшера [126], теплопроводность пеностекла с ячейками диаметром 5 мм приблизительно на 37% 'больше, чем для пеностекла со средним диаметром ячеек 2 мм.

И. С. Каммерер [401] приводит сведения об изменении теплопроводности воздуха, замкнутого в ячейках размером 0—3 мм в интервале температур 0—500 °С. Согласно его данным, теплопроводность воздуха при 500 °С увеличивается примерно в 10 раз в ячейках размером 3 мм.

По мнению М. А. Михеева [402], при увеличении размера замкнутых пор возрастает конвективный теплообмен внутри поры между газом и твердой оболочкой. При этом процесс теплопередачи осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. По приведенной им формуле (6.3), количество тепла Q, передаваемое через ячейку, близкую к шару, пропорционально тепловой проводимости стенки λ/δ, поверхности ячейки F_х и температурному напору Δt:

Следовательно, при производстве теплоизоляционного пеностекла необходимо стремиться к получению материала с минимальным значением объемной массы при возможно меньшем диаметре закрытых пор. Это требование справедливо также и по отношению к прочности пеностекла и устойчивости вязкой пены. Поскольку газы, содержащиеся в ячейках, имеют значительно меньшую теплопроводность, чем стекло, то для достижения минимального значения λ следует регулировать степень насыщения пеностекла газами. В связи с этим возникает необходимость установления зависимости между теплопроводностью и объемной массой пеностекла.

Для расчета коэффициента теплопроводности пеностекла М. Хюбшер [126] рекомендует применять уравнение Э. Манегольда [55], выведенное им для пористых органических материалов, по которому λ = λ_c2/3P_c + λ_гР_г (6.5).

Здесь λ — теплопроводность пеностекла; λ_c — теплопроводность стекла; λ_г — теплопроводность газов в ячейках пеностекла; Р_с — относительный объем стекла в пеностекле γ_п/γ_с; Р_г — относительный объем ячеек, равный 1—Р_с; γ_п — объемная масса пеностекла, кг/м³; γ_с — плотность стекла, кг/м³.

Подставляя в уравнение (6.5) соответствующие значения, например γ_с = 2500 кг/м³, γ_с = 0,7 ккал/ (м * ч * °С) и λ_г = 0,0203 ккал/(м * ч * °С), получаем λ = 0,0203 + 0,00018 γ (6.6).

Анализ зависимости λ=f(γ) для пеностекла того же интервала объемной массы, приведенной другими авторами [55, 115, 126], показывает, что уравнение (6.6) имеет несколько иные значения слагаемых, что можно объяснить изменением структуры материала, главным образом величины и формы ячеек. Характер кривых, выражающих данную зависимость для строительного и влагозащитного пеностекла (рис. 6.7), подтверждает влияние на повышение λ не только структурного фактора, но и состава газов, заключенных в ячейках, а также давления их внутри ячеек.

Нами экспериментально установлено, что в ячейках готового пеностекла давление газов ниже атмосферного и в зависимости от их размера и состояния структуры суммарная величина его находится в пределах 500—720 мм рт. ст. Поскольку конвекция газов в ячейках ослабляется с понижением давления в них, то это должно влиять не только на снижение λ, но и на уменьшение градиента dλ/dγ, что мы и наблюдаем, сопоставляя кривые 1 и 3 или 2 и 4 (рис. 6.7). Влияние снижения давления в ячейках на величину λ подтверждается и тем, что при одинаковом градиенте температуры для обоих видов пеностекла (от —180 до +25 °С) Δλ для влагозащитного пеностекла меньше, чем для строительного, у которого конвекция газов в ячейках более активная, поскольку их масса в равновеликих ячейках большая.

Таким образом, при необходимости получения пеностекла с минимальным значением λ следует стремиться не только снижать его объемную массу, но и вести процесс вспенивания таким образом, чтобы получить пеностекло с мелкопористой замкнутой структурой.

В связи с изложенным становятся понятными расхождения в значениях λ для пеностекла с равнозначной объемной массой, приводимые многими иследователями [1, 7, 12, 50, 52, 115, 126, 306]. Очевидно, поэтому в литературе приводятся различные формулы, выражающие зависимость λ для заданного интервала объемной массы.

Если полученные нами экспериментальные данные (рис. 6.7) аппроксимировать прямыми, то зависимость λ=f(y) для влагозащитного пеностекла (кривые 1 и 2) можно выразить следующими уравнениями:

Эти уравнения являются весьма приближенными, поскольку на теплопроводность пеностекла оказывает влияние не только количество и величина ячеек, но и их форма. Наши исследования показали, что для пеностекла со сплюснутыми ячейками, ориентированными по большой оси эллипса перпендикулярно движению теплового потока, характерно снижение (на 20—30%) коэффициента теплопроводности.