新型墻體保溫材料研究

劉發(fā)全

摘要：保溫材料一般是指導(dǎo)熱系數(shù)小于或等于0.2的材料。在建筑和工業(yè)中采用良好的保溫技術(shù)與材料，是降低建筑物能耗，延長(zhǎng)建筑物使用壽命的有效措施之一。本文介紹的EPS輕集料混凝土保溫材料具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。

關(guān)鍵詞：保溫材料；導(dǎo)熱系數(shù)

Abstract: thermal insulation material is generally guidance hot coefficient less than or equal to 0.2 of the material. In the building and industry using good insulation technology and materials, and building is to reduce energy consumption and prolong the service life of building one of the effective measures. This paper introduces the EPS light-weight aggregate concrete heat preservation material has the good economic effect.

Keywords: heat preservation material; Coefficient of thermal conductivity

中圖分類(lèi)號(hào)：TU761.1+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)墻體材料的的內(nèi)使用的墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)大，而且有些材料還浪費(fèi)資源、污染環(huán)境，其性能不能滿足人們的要求，新型的保溫隔熱墻體材料的研究是很有必要的。EPS輕集料混凝土墻體保溫材料具有表觀密度低，導(dǎo)熱系數(shù)小，強(qiáng)度高，隔聲、抗震性能好，且造價(jià)低的性能。

1 材料導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱是指物體個(gè)部分直接接觸的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、自由電子）做熱運(yùn)動(dòng)熱引起的熱能傳遞工程。

在傳熱過(guò)程中，往往都同時(shí)存在兩種或三種傳熱方式。例如，通過(guò)實(shí)體結(jié)構(gòu)本身的透熱過(guò)程，主要是靠導(dǎo)熱，但一般的建筑材料內(nèi)部或多或少的有一些孔隙，在孔隙內(nèi)除存在氣體的導(dǎo)熱外，同時(shí)還有對(duì)流和熱輻射的存在。

2 導(dǎo)熱系數(shù)

熱量通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程如圖1所示。

圖1熱量通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程

實(shí)踐證明，在穩(wěn)定導(dǎo)熱的情況下，通過(guò)壁體的熱量Q與整體材料的導(dǎo)熱能力、壁面之間的溫差、傳熱面積和傳熱時(shí)間成正比，與壁體的厚度成反比。

式中：

總的傳熱量(J)；

材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；

壁體的厚度(m)；

壁體內(nèi)、外表面的溫度(K或℃)；

傳熱時(shí)間(s或h)；

傳熱面積(m2)

由上式可以說(shuō)明導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：即在穩(wěn)定傳熱條件下，當(dāng)材料層單位厚度內(nèi)相對(duì)表面的溫差為1K時(shí)，在1h內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量。

材料保溫隔熱性能的好壞是由材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小所決定的。導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫隔熱性能越好。絕大多數(shù)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.023～3.49W/（m·K）之間，通常把值不大于0.23 W/（m·K）的材料稱(chēng)為保溫隔熱材料。進(jìn)而根據(jù)材料的適用溫度范圍將在0℃以下使用的保溫隔熱材料稱(chēng)為保冷材料，適用溫度超過(guò)1000℃者稱(chēng)為耐火保溫隔熱材料。習(xí)慣上通常將保溫隔熱材料分為三檔，即高溫保溫隔熱材料（使用溫度700℃以上）、中溫保溫隔熱材料（使用溫度低于250～700℃）、低溫保溫隔熱材料（使用溫度低于250℃）。應(yīng)當(dāng)指出，即使同一種材料，其導(dǎo)熱系數(shù)也不是常數(shù)，它與材料的構(gòu)造、溫度和濕度等因數(shù)有關(guān)。

3 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)算

導(dǎo)熱系數(shù)是通過(guò)傳熱系數(shù)換算而來(lái)，傳熱系數(shù)的測(cè)定采用的是標(biāo)定熱箱法，其適用于測(cè)定干燥或不同含濕狀況下輕骨料混凝土的傳熱系數(shù)。

其測(cè)試傳熱系數(shù)的原理圖如圖2所示

圖2傳熱系數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3顯示的是試塊中熱流傳遞的途徑。

圖3 試件和框架中的熱流路徑

4EPS輕集料混凝土保溫材料配合比實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)原材料選擇

(1)水泥：32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

(2)細(xì)骨料：陶砂，粒徑小于5mm。

(3)EPS顆粒：再生EPS顆粒，堆積密度3.5kg/m3，直徑為1～4mm。

(4)粉煤灰：干排灰，Ⅰ級(jí)粉煤灰。

(5)攪拌水：自來(lái)水；泡沫劑；玻璃纖維。

4.2 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案是以水泥為膠凝材料，陶砂和EPS顆粒為骨料，粉煤灰為摻合料，外加泡沫劑和玻璃纖維，將其按一定的配比組合而成的輕質(zhì)混凝土材料。根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002選擇各組成成分的用量。

實(shí)驗(yàn)方案的配合比如表1所示。

表1輕集料混凝土配合比

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

（1） 輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與其干表觀密度有關(guān)，其導(dǎo)熱系數(shù)隨干表觀密度的增加呈線性增加，輕集料混凝土干表觀密度越小，混凝土內(nèi)部的孔隙越多，導(dǎo)熱系數(shù)就越小。

（2）泡沫劑的摻入改變輕集料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部形成許多微小的孔隙，減小了混凝土的表觀密度，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)泡沫劑摻量較小的時(shí)候，混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)度隨著泡沫劑摻量的增加而減小，但是，當(dāng)泡沫劑的摻量大于一定值的時(shí)候，泡沫劑的作用不明顯，此時(shí)，隨著泡沫劑摻量的增加，輕集料混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)略有上升的趨勢(shì)。

(3) 利用玻璃纖維的高抗拉強(qiáng)度可以提高輕集料混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，當(dāng)摻量較小的時(shí)候，輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量的增加而增加，但是當(dāng)其摻量超出一定值的時(shí)候，玻璃纖維的摻入降低了輕集料混凝土的和易性、密實(shí)性，從而也降低了輕集料混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)。

5 經(jīng)濟(jì)分析

目前國(guó)內(nèi)常用的墻體材料有很多，表2列出了幾種常用的墻體材料，以及它們的熱工性能指標(biāo)。

表2 幾種常用墻體材料的熱工性能指標(biāo)

從表2中可以看出，本論文所研究的新型輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），與加氣混凝土的保溫性能相近，且比其他的一些墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)小的多，即保溫性能好。

5.1保溫材料的經(jīng)濟(jì)性分析

在進(jìn)行保溫材料的經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，人們僅進(jìn)行單位體積保溫材料的造價(jià)的比較，這種比較忽視了保溫材料之間保溫性能的差別，顯然是不合理的。下面推薦一種比較方法，這種方法將材料的保溫性能和單位體積的材料造價(jià)結(jié)合起來(lái)，可供選材時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

5.2單位熱阻費(fèi)用比較法

評(píng)定保溫材料的保溫性能有各種不同的方法，近年以熱阻作為保溫性能比較的基本指標(biāo)廣泛應(yīng)用，即單位熱阻值所需費(fèi)用。

對(duì)于平板材料，導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱系數(shù)由如下關(guān)系：

式中：

材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；

壁體的厚度(m)；

熱阻是一定厚度的保溫材料對(duì)熱流的阻抗能力。值越大，保溫性能越好。熱阻是傳熱系數(shù)的倒數(shù),即

單位熱阻值所需費(fèi)可以理解為保溫材料在一定厚度下所需的總費(fèi)用除以該條件下的總熱阻，即

式中：

單位熱阻的保溫費(fèi)，元；

保溫總費(fèi)用，元；

保溫材料的總熱阻[m2·k/W]；

5.3新型輕集料混凝土的單位熱阻費(fèi)用

先計(jì)算單位體積新型輕集料混凝土的材料費(fèi)用，其費(fèi)用及各材料的單價(jià)見(jiàn)表28所示。

表3 新型輕集料混凝土費(fèi)用表

從表3中可以看出，單位體積新型輕集料混凝土的材料總費(fèi)用為365.2元，新型輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m·K)，再根據(jù)公式（5-1）、（5-2）、（5-3）可以計(jì)算出新型輕集料混凝土的單位熱阻費(fèi)用為54.78元。與實(shí)心粘土磚相比較，實(shí)心粘土磚的單位熱阻費(fèi)用173.25元，兩者相差較大。與其它的幾種常用墻體材料相比，它也是比較經(jīng)濟(jì)的。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)保溫材料的傳熱機(jī)理的分析，提高墻體材料的內(nèi)部孔隙率可以降低其表觀密度，減小導(dǎo)熱系數(shù)，但是也降低了保溫材料的強(qiáng)度。為了達(dá)到較好的保溫性能，在輕集料混凝土中摻入泡沫劑，為了滿足強(qiáng)度要求，在輕集料混凝土中摻入玻璃纖維絲。。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在泡沫劑摻量小于一定值時(shí)，輕集料混凝土的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)隨著泡沫劑摻量的增加而減小，最終確定泡沫劑的最佳摻量為每立方米輕集料混凝土的泡沫劑摻量為0.5kg。在玻璃纖維摻量不大時(shí)，輕集料混凝土的強(qiáng)度隨其摻量的增加而增大，玻璃纖維的最佳摻量為每立方米輕集料混凝土的泡沫劑摻量為0.4kg，最后得到保溫隔熱墻體材料的最佳配合比，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。