保溫材料自然氣候模擬條件下導(dǎo)熱系數(shù)的研究

江 威 劉 倩 曲軍輝

1.武漢中科巖土工程技術(shù)培訓(xùn)有限公司；2.湖北神龍工程測(cè)試技術(shù)有限公司；3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司

1 前言

目前我國建筑節(jié)能行業(yè)飛速發(fā)展，被動(dòng)式、超低能耗建筑得以大力推廣，而這些新型建筑中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能的核心，其中保溫材料的保溫性能就顯得尤為突出，衡量保溫性能的指標(biāo)就是導(dǎo)熱系數(shù)。隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料厚度的增加，在各種氣候、天氣的作用下，集中在材料內(nèi)部的溫度、濕度以及老化變化會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生不同的影響，能否保證其穩(wěn)定性成了關(guān)鍵。眾所周知，同樣的外墻熱阻性能指標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)決定了設(shè)計(jì)厚度，這一點(diǎn)針對(duì)被動(dòng)式、超低能耗建筑尤為明顯。

從目前來看，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)在各種條件下穩(wěn)定性的問題經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的驗(yàn)證還較少，因此有必要對(duì)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)研究。

2 材料選擇

鄧琴琴[1]通過對(duì)近零能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)耐候性能測(cè)試得出石墨聚苯板（SEPS）系統(tǒng)＞模塑聚苯板（EPS）系統(tǒng)＞聚氨酯板（PU）系統(tǒng)＞巖棉帶系統(tǒng)＞擠塑聚苯板（XPS）系統(tǒng)＞巖棉板（RWP）系統(tǒng)＞真空絕熱板（VIP）系統(tǒng)。

由于模塑聚苯板與石墨聚苯板生產(chǎn)工藝、技術(shù)性質(zhì)都較為相近，而石墨板導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于模塑板，故僅選取石墨聚苯板進(jìn)行測(cè)試。

由于巖棉板的壓剪強(qiáng)度僅部分滿足限量要求，不作為推薦使用，故舍去。

由于真空絕熱板系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中熱阻下降較多，普遍超過理論值的20%，研究其導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定性參考價(jià)值不大，故也采取舍去原則。

最終選取石墨聚苯板（SEPS）、聚氨酯板(PU)、巖棉帶、擠塑聚苯板（XPS）四種保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定性測(cè)試，每種材料選擇兩個(gè)不同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行，每組樣品數(shù)量為2塊。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本測(cè)試模擬4種氣候天氣條件，分別為大雨過后、大雪過后、極端冷熱交替、暴曬雨淋老化，具體方案設(shè)計(jì)如下。

（1）浸水試驗(yàn)（降雨后）。將材料在（23±2）℃水中浸泡96h，取出在（23±2）℃，（50±5）%RH環(huán)境下靜置48h，測(cè)量初始導(dǎo)熱系數(shù)和干燥后的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）凍融循環(huán)試驗(yàn)（降雪后）。將材料放置于全自動(dòng)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中，先（20±2）℃水中浸泡8h，后在（-20±2）℃冷凍16h，30 次循環(huán)后，取出在（23±2）℃，（50±5）%RH 環(huán)境下靜置48h，測(cè)量初始導(dǎo)熱系數(shù)和凍融后的導(dǎo)熱系數(shù)。

（3）耐久性試驗(yàn)（冷熱交替）。將材料放置于高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中，先用1h 升溫加濕至（70±5）℃、（90±5）RH，并保持3h，后用1h 降溫至（-20±5）℃，并保持3h，30 次循環(huán)后，取出在（23±2）℃，（50±5）%RH環(huán)境下靜置48h，測(cè)量初始導(dǎo)熱系數(shù)和耐久后的導(dǎo)熱系數(shù)。

（4）老化試驗(yàn)（暴曬雨淋老化）。將材料放置于氙燈老化試驗(yàn)箱中，參照《色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射暴露濾過的氙弧輻射》（GB/T 1865—2009）[2]中方法1循環(huán)A進(jìn)行人工氣候老化，試驗(yàn)時(shí)長1000h，取出在（23±2）℃，（50±5）%RH 環(huán)境下靜置48h，測(cè)量初始導(dǎo)熱系數(shù)和老化后的導(dǎo)熱系數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)依據(jù)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定熱流計(jì)法》（GB/T 10295—2008）進(jìn)行，由于孫立新[3]研究建筑保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)環(huán)境影響因素得出同種材料在不同的平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化幅度明顯，而本研究主要針對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定性，故僅對(duì)經(jīng)過4 種材料共8 組樣品測(cè)試了平均溫度25℃為基準(zhǔn)的導(dǎo)熱系數(shù)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 浸水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

表3 耐久性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

4 5 6 7 8 XPS巖棉帶2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 0.0293 0.0324 0.0376 0.0462 0.0459 300×300×25 300×300×30 300×300×30 300×300×25 300×300×25 0.0262 0.0311 0.0339 0.0440 0.0438

表4 老化試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 浸水試驗(yàn)結(jié)果分析

材料在浸水后，均在（23±2）℃，（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置了48h，且測(cè)試樣品厚度較薄，有利于水分釋出，浸水吸收的水分基本都干燥完全，故4組結(jié)果均與初始導(dǎo)熱系數(shù)基本一致，變化率都小于1.0%。

5.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

4 組材料中僅SEPS 的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，由于添加了石墨元素，性質(zhì)較普通EPS 更加穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果基本與初始數(shù)據(jù)一致；無機(jī)材料巖棉帶的變化率增長至3.0%～3.2%，凍融循環(huán)對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變不大明顯，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響；PU、XPS 兩種有機(jī)材料增長最為明顯，其中XPS 的增長率為3.5%～7.9%，PU 的增長率更是高達(dá)4.0%～11.5%，分析原因?yàn)檫@兩種材料的開口孔隙都較大（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于XPS 的吸水率規(guī)定為≤1.5%，對(duì)于PU的吸水率規(guī)定為≤3%），水的凍脹加速了孔隙的破壞，導(dǎo)致孔隙中含有更多的水，進(jìn)一步導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的增大。

5.3 耐久性試驗(yàn)結(jié)果分析

導(dǎo)熱系數(shù)總體變化趨勢(shì)同凍融循環(huán)試驗(yàn)。其中SEPS 測(cè)試數(shù)據(jù)同初始數(shù)據(jù)相比依然變化很??；巖棉帶、PU、XPS 的導(dǎo)熱系數(shù)增長率略大于凍融試驗(yàn)的增長率，分析應(yīng)該是提高了溫差和溫度變化的頻率，縮短了循環(huán)時(shí)間，對(duì)材料的破壞速度略微有提升，因此表現(xiàn)為小幅度增長。

5.4 老化試驗(yàn)結(jié)果分析

3組有機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)增長變化明顯，可以看到增長幅度超過凍融試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)，且在1000h（約42d）后，表面均出現(xiàn)不同程度的變色現(xiàn)象，放置48h后也未能恢復(fù)初始狀態(tài)，為不可逆改變，光照和水的共同作用破壞了高分子材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)大幅增大，保溫效果折扣明顯；老化試驗(yàn)對(duì)于無機(jī)材料巖棉來說有一定影響，但從數(shù)據(jù)看來不及耐久試驗(yàn)的作用大，18min淋水時(shí)間不能讓水完全滲透進(jìn)有憎水性的巖棉中，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響。

5.5 同一材料在不同條件下試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

圖1

從上述數(shù)據(jù)比對(duì)不難看出，耐水試驗(yàn)在僅僅有水的作用下，經(jīng)過一定時(shí)間的干燥后，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是可以比較快的恢復(fù)到初始狀態(tài)的；耐凍融、耐濕熱冷凍試驗(yàn)由于從單一狀態(tài)變成了循環(huán)狀態(tài)，不僅有水的作用，同時(shí)還有劇烈的溫度變化作用，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度明顯；而耐濕熱老化比耐凍融條件更加嚴(yán)苛，可以看出這種條件下對(duì)四種材料都有更加大的影響；老化試驗(yàn)由于加入光的因素，對(duì)于高分子有機(jī)材料的影響明顯高于無機(jī)巖棉類材料。

6 結(jié)語

（1）在相同測(cè)試條件下，導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定性排序：SEPS＞巖棉帶＞XPS＞PU。

（2）水對(duì)上述四種材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響顯著，在實(shí)際工程中，應(yīng)采取有效措施防止雨水滲入，同時(shí)做好保溫系統(tǒng)內(nèi)部水蒸氣散出。

（3）太陽光老化對(duì)于有機(jī)保溫材料損傷嚴(yán)重，特別是外保溫系統(tǒng)需要做好防護(hù)層，防止脫落，避免陽光和雨水直接作用于保溫材料，導(dǎo)致材料老化，增大導(dǎo)熱系數(shù)，形成熱橋。

（4）以上測(cè)試只限于上述4種材料，對(duì)于廣大的其他材料的研究還有待下一步繼續(xù)的深入研究，希望研究結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)及應(yīng)用單位的保溫材料及保溫系統(tǒng)的選用方面有所幫助。