淺談常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法及影響因素

陳培莉（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站）

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淺談常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法及影響因素

陳培莉
（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站）

【摘要】隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的不斷開展，各種新型節(jié)能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)熱系數(shù)是建筑節(jié)能材料主要的節(jié)能指標(biāo)。本文筆者將對(duì)常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討，以確保提高測(cè)定方法的準(zhǔn)確性，減少誤差。

【關(guān)鍵詞】建筑材料；導(dǎo)熱系數(shù)；測(cè)定方法

1　引言

隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的不斷開展，各種新型節(jié)能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。建筑材料的絕熱性能是需要重點(diǎn)評(píng)定的指標(biāo)。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，對(duì)于建筑工程中所應(yīng)用的節(jié)能材料，在進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)之前應(yīng)對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行見證取樣復(fù)驗(yàn)。然而，在實(shí)際的建筑工程中，一些檢測(cè)人員對(duì)于節(jié)能材料導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、方法等并不熟悉，這就導(dǎo)致了檢測(cè)所得到的結(jié)果無法真實(shí)地反映節(jié)能材料的性能。本文將根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素進(jìn)行分析，主要的影響因素包括密度、濕度、分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、熱流方向、溫度等。并探討導(dǎo)熱系數(shù)的幾種主要測(cè)定方法，主要包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。以確保提高測(cè)定方法的準(zhǔn)確性，減少誤差。

2　導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素

導(dǎo)熱系數(shù)λ是指對(duì)于1m厚的材料的兩側(cè)溫度在1K或1℃的情況下，1s的單位時(shí)間內(nèi)通過1m2面積所傳遞的熱量，其單位為W/（m.K）。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的概念可以知道，材料的導(dǎo)熱系數(shù)值越大，則表示其絕熱性能就越差。對(duì)于不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)可能相差較大，并且材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素較大，一般情況下主要包括密度、濕度、分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、熱流方向、溫度等。因此，為了準(zhǔn)確地測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素進(jìn)行分析和探討。

2.1密度

一般情況下，材料的密度越大，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越大，反之，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越小。而對(duì)于含有孔隙的材料而言，材料的導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素為材料的孔隙率和孔隙特征。一般情況下，材料的孔隙率越大，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越低。在材料的孔隙率相同的情況下，具有相互連通的孔隙的材料會(huì)比孔隙封閉的材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，這是因?yàn)檫B通的孔隙具有空氣對(duì)流的作用。此外，孔隙的尺寸越大，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越大。

2.2濕度

水的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比材料的導(dǎo)熱系數(shù)大很多，因此在材料受潮之后，材料的孔隙內(nèi)就會(huì)存在較多的水蒸氣和水，這就會(huì)提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下，材料的含水率越大，則導(dǎo)熱系數(shù)就越大。冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的導(dǎo)熱系數(shù)的4倍，如果材料中的水分被凍成冰，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比含水的材料大大增加。如表1所示為加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間的關(guān)系。

表1　加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間的關(guān)系

2.3分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分

材料的分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響非常大。比如說，玻璃體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比晶體的導(dǎo)熱系數(shù)小很多，這是因?yàn)椴Ａw物質(zhì)不能形成晶格的形式。而對(duì)于多孔材料而言，無論固體部分的結(jié)構(gòu)是晶體還是玻璃體，都不會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)有較大的影響。這是因?yàn)槎嗫撞牧现饕怯善鋬?nèi)的空氣決定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而固體部分的影響就減弱了。

2.4熱流方向

對(duì)于各向異性的材料而言，材料不同方向的導(dǎo)熱性能會(huì)有所不同，因此熱流方向也會(huì)影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下，如果熱流沿著材料纖維的延伸方向，則熱量所受到的阻力就越小，導(dǎo)熱系數(shù)就大，反之，如果熱流沿著材料纖維的垂直方向，導(dǎo)熱吸水就越小。

2.5溫度

溫度會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)造成較大的影響，這是因?yàn)闇囟仍礁?，材料固體分子的熱運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)，這就會(huì)增加材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁件的輻射作用。因此可以認(rèn)為，隨著溫度的增加，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就增加。

3　導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)方法

一般情況下，對(duì)建筑材材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，可以采用的方法包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，其中穩(wěn)態(tài)法包括防護(hù)熱板法和熱流計(jì)法，而非穩(wěn)態(tài)法則包括脈沖法。以下將對(duì)這幾種導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法進(jìn)行介紹。

3.1穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)法具有的優(yōu)點(diǎn)為原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、精度高等，但是其試驗(yàn)裝置復(fù)雜、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，此外穩(wěn)態(tài)法對(duì)試件的要求較高。如果試件存在尺寸和平整度方面的穩(wěn)態(tài)，則會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻，這會(huì)影響測(cè)試的精度。

3.1.1防護(hù)熱板法

⑴原理

防護(hù)熱板法的基本原理為在穩(wěn)態(tài)條件下，防護(hù)熱板裝置的中心計(jì)量區(qū)域內(nèi)在具有平行表面的均勻板狀試件中，建立類似于以兩個(gè)平行勻溫平板為界，無線大平板中存在的一維恒定熱流。導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式如下：

式中，Q代表一維恒定熱流；A代表計(jì)算單元的面積；ΔT代表試件冷熱表面的溫度差；d代表厚度。

⑵裝置

一般情況下可以采用的防護(hù)熱板裝置為雙試件裝置和單試件裝置。在雙試件裝置中，兩個(gè)幾乎相同的試件中夾一個(gè)加熱單元，各個(gè)試件的外側(cè)設(shè)置一個(gè)冷卻單元。如圖1所示為雙試件防護(hù)熱板裝置。在單試件裝置中，加熱單元的一側(cè)用絕熱材料和背防護(hù)單元代替試件冷卻單元。

圖1　雙試件防護(hù)熱板裝置

⑶檢測(cè)要點(diǎn)

①試件的選擇與尺寸。當(dāng)采用雙試件防護(hù)熱板裝置進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)時(shí)，所采用的兩個(gè)試件的尺寸應(yīng)確保一致，根據(jù)要求，兩個(gè)試件的厚度誤差應(yīng)控制在2%以內(nèi)。試件的尺寸應(yīng)確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時(shí)其厚度不得小于實(shí)際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應(yīng)進(jìn)行加工，確保平整，并且與面板之間應(yīng)保證緊密接觸。試件表面的不平行度應(yīng)控制在厚度的±2%以內(nèi)。

③狀態(tài)調(diào)節(jié)。在對(duì)試件的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)之前，應(yīng)將加工好的試件放置在干燥器內(nèi)進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。如果檢測(cè)的時(shí)間在試件從實(shí)驗(yàn)室空氣中吸收顯著水分所需要的時(shí)間以內(nèi)，則應(yīng)在試件干燥結(jié)束之前，將其及時(shí)放置在干燥器內(nèi)以確保試件保持干燥的狀態(tài)。如果檢測(cè)的時(shí)間超過試件從實(shí)驗(yàn)室空氣中吸收顯著水分所需要的時(shí)間，則將試件放置在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室的空氣，使試件的狀態(tài)調(diào)節(jié)到與室內(nèi)空氣平衡。根據(jù)要求，標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室空氣狀態(tài)為293K±1K，50%±10%RH。

④過渡時(shí)間和測(cè)量間隔。根據(jù)要求，試驗(yàn)裝置和試件應(yīng)確保有足夠的熱平衡時(shí)間，這樣可以準(zhǔn)確的測(cè)量得到材料的熱性質(zhì)。當(dāng)試件內(nèi)部存在傳質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，對(duì)試件測(cè)定的時(shí)間應(yīng)控制在24h以上。

3.1.2熱流計(jì)法

⑴原理

熱流計(jì)法的基本原理是指熱板和冷板在恒定溫度的穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流計(jì)裝置在熱流傳感器中心測(cè)量部分和試件中心部分建立類似于無限大平壁中存在的單向穩(wěn)定熱流。

⑵裝置

在熱流計(jì)法中，所采用裝置如圖2所示，其主要組成部分包括加熱單元、熱流傳感器、試件以及冷卻單元。

圖2　熱流計(jì)裝置

⑶檢測(cè)要點(diǎn)

①試件選擇與尺寸。當(dāng)采用雙試件熱流計(jì)裝置對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，兩個(gè)試件的厚度差值應(yīng)控制在2%以內(nèi)。試件的尺寸應(yīng)確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時(shí)其厚度不得小于實(shí)際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應(yīng)進(jìn)行加工，確保平整，并且與面板之間應(yīng)保證緊密接觸。試件表面的不平行度應(yīng)控制在厚度的±2%以內(nèi)。

③狀態(tài)調(diào)節(jié)。在熱流計(jì)法中，試件狀態(tài)的條件與防護(hù)熱板法中的描述相同。

④過渡時(shí)間。如果在缺少類似經(jīng)驗(yàn)的情況下，采用熱流計(jì)裝置檢測(cè)時(shí)，其測(cè)定的時(shí)間間隔應(yīng)為密度、比熱、厚度與熱阻的乘積或者300s的時(shí)間。一般應(yīng)進(jìn)行5次熱阻值的讀數(shù)，每次讀數(shù)之間的差值應(yīng)控制在±1%以內(nèi)。

3.2非穩(wěn)態(tài)法

非穩(wěn)態(tài)法主要包括脈沖法。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，不需要孔溫制冷裝置，并且能夠?qū)Σ煌瑵穸认碌牟牧系臒嵛锵禂?shù)進(jìn)行測(cè)定。對(duì)材料進(jìn)行一次試驗(yàn)即可得到導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)以及比熱等參數(shù)。

3.2.1原理

脈沖法的基本原理為在試驗(yàn)過程中，在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)試件進(jìn)行加熱，使其溫度發(fā)生變化，根據(jù)材料溫度的變化特點(diǎn)即可計(jì)算得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2.2裝置

在脈沖法中，所采用的裝置的主要組成部分包括一個(gè)加熱器、三塊試件以及測(cè)溫?zé)犭姷取?/p>

3.2.3檢測(cè)要點(diǎn)

⑴試件選擇

一個(gè)試件主要包括三塊試件，其中一塊薄試件和兩塊厚試件，薄試件的尺寸為200mm×20mm×（20～30）mm，厚試件的尺寸為200mm×20mm×（60～100）mm。根據(jù)要求，試件表觀密度之間的差值應(yīng)控制在5%以內(nèi)。試件的表面應(yīng)確保平整，厚度應(yīng)確保均勻。試件之間的接觸面應(yīng)確保緊密。

⑵狀態(tài)調(diào)節(jié)。試件的狀態(tài)應(yīng)根據(jù)測(cè)定的條件進(jìn)行調(diào)整。如果需要測(cè)定不同含水量下試件的導(dǎo)熱系數(shù)，則應(yīng)將試件放置在規(guī)定的濕度環(huán)境中。如果需要測(cè)定干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，則應(yīng)將試件烘干至恒重。

4　結(jié)語

對(duì)于建筑材料而言，導(dǎo)熱系數(shù)是其節(jié)能性質(zhì)的重要指標(biāo)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素有很多，并且可以采取的檢測(cè)方法有很多，因此在對(duì)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定之前，應(yīng)根據(jù)材料的特性選擇合適的檢測(cè)方法，以提高檢測(cè)精度，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?！?/p>

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