五種保溫材料的耐久性性能試驗(yàn)研究*

高 瞻，張啟志

（1.駐馬店市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 駐馬店463000；2.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店463000）

前 言

近年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，綠色建筑也逐漸成為建筑節(jié)能技術(shù)的重要方向，因此保溫材料的性能演變也逐漸成為研究熱點(diǎn)。王曉晴等采用物理發(fā)泡法，制備了膨脹微球-甲基乙烯基硅橡膠泡沫隔熱材料，探究了發(fā)泡溫度和發(fā)泡劑用量對(duì)硅橡膠泡沫材料性能的影響[1]。彭小云等探討了保溫材料導(dǎo)熱性能與相對(duì)濕度的定量關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型擬合并校驗(yàn)了某地區(qū)常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)[2]。邵艷麗等對(duì)有機(jī)保溫材料的彎曲性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)有機(jī)保溫材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給予了客觀評(píng)價(jià)[3]。王圣程等采用磷系阻燃劑和可膨脹石墨對(duì)聚氨酯保溫材料進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性聚氨酯保溫材料燃燒后的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均有不同程度的提高[4]。李玉娜等對(duì)聚氨酯、擠塑聚苯板和泡沫混凝土3種常用保溫材料進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，并建議在不同地區(qū)選取相應(yīng)的保溫材料進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。葛欣國(guó)等研究了模塑聚苯乙烯泡沫、硬質(zhì)聚氨酯泡沫及酚醛泡沫等3種常見有機(jī)保溫材料的燃燒性能、熱穩(wěn)定性、氣相分解產(chǎn)物及產(chǎn)煙毒性[6]。劉方舟等通過對(duì)能耗和經(jīng)濟(jì)性的綜合分析，為辦公建筑的外墻保溫材料厚度的優(yōu)化提供理論參考[7]。李瑩等提出基于蒙特卡羅法的復(fù)合保溫材料隔熱性能高效檢測(cè)方法，該方法檢測(cè)結(jié)果精度較高，能夠有效判斷建筑材料的隔熱性以及防火性[8]。薛偉等研究了在摻入不同量的粉煤灰后氯氧鎂水泥保溫材料在抗折、抗壓強(qiáng)度、耐水性、體積穩(wěn)定性等性質(zhì)上所發(fā)生的相關(guān)變化[9]。王芳通過導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)和質(zhì)量變化試驗(yàn)得出橡塑海綿保溫板受干濕影響較大，硅酸鋁板和泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)受濕熱老化影響較大[10]。黃仁達(dá)等建立了計(jì)算保溫材料經(jīng)濟(jì)厚度的數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果對(duì)于復(fù)合墻體建筑節(jié)能應(yīng)用具有重要意義[11]。丁楊等對(duì)聚氨酯板、泡沫混凝土板和真空絕熱板分別展開耐候性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土板和聚氨酯板在耐候性能試驗(yàn)中，導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸上升[12～13]。

上述研究是學(xué)者通過在不同環(huán)境下對(duì)各保溫材料進(jìn)行的測(cè)試，得出的結(jié)果為綠色建筑設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，但在耐候性試驗(yàn)下保溫材料的力學(xué)性能測(cè)試較少。本文以五種保溫材料為例，測(cè)試了其導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性能在耐候性試驗(yàn)下的表現(xiàn)，所得的試驗(yàn)結(jié)果可以為金華綠色建筑設(shè)計(jì)作為參考補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 材料

本文選取河北瑞泰管道制造有限公司生產(chǎn)的100mm×100mm×10mm聚氨酯泡沫；廊坊盛闊防火材料有限公司生產(chǎn)的100mm×100mm×10mm硅酸鋁陶瓷；廊坊奧美節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的100mm×100mm×10mm鋁箔玻璃棉；廊坊科力保溫材料有限公司生產(chǎn)的100mm×100mm×10mm橡塑保溫板；濟(jì)寧潤(rùn)物建材有限公司生產(chǎn)的100mm×100mm×10mm擠塑聚苯板；具體材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度由各廠家提供，如表1所示。

表1 建筑材料的性能指標(biāo)Table 1 The performance index of building materials

1.2 方法

根據(jù)國(guó)家外墻外保溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述五種保溫材料進(jìn)行耐久性試驗(yàn)：抗凍性能（冷凍機(jī)6h、溫度箱6h）和耐老化性能（10℃下6h，50℃下6h）。用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的DRL-II導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀以及武漢國(guó)量?jī)x器有限公司生產(chǎn)的復(fù)合材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 保溫材料的抗凍性能

通過不同凍融循環(huán)次數(shù)，測(cè)得各保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)演變關(guān)系，如圖1所示。聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為81.25%，從0.016W/m·K增加至0.029 W/m·K；硅酸鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為57.78%，從0.045W/m·K增加至0.071W/m·K；鋁箔玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為28.95%，從0.038W/m·K增加至0.049W/m·K；橡塑保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為34.48%，從0.028W/m·K增加至0.037W/m·K；擠塑聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為32.26%，從0.031W/m·K增加至0.041W/m·K。聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)速率最快，而鋁箔玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)速率相對(duì)較慢。這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過程中，孔洞中的水結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹，進(jìn)而會(huì)使材料發(fā)生受拉破壞，孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加。

圖1 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與抗凍性能關(guān)系Fig.1 The relationship between the thermal conductivity coefficient and the frost resistance of thermal insulation materials

2.2 保溫材料的耐老化性能

通過不同耐老化次數(shù)，測(cè)得各保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)演變關(guān)系，如圖2所示。聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為68.75%，從0.016W/m·K增加至0.027W/m·K；硅酸鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為20.00%，從0.045W/m·K增加至0.054W/m·K；鋁箔玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為21.05%，從0.037W/m·K增加至0.044W/m·K；橡塑保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為20.69%，從0.027W/m·K增加至0.032W/m·K；擠塑聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)比例為25.81%，從0.031W/m·K增加至0.039W/m·K。聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)速率最快，而硅酸鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)速率相對(duì)較慢。這是因?yàn)樵谀途眯匝h(huán)過程中，材料會(huì)出現(xiàn)脹縮變形，破壞材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加。

圖2 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與耐老化性能關(guān)系Fig.2 The relationship between the thermal conductivity coefficient and the aging resistance of thermal insulation materials

2.3 保溫材料的抗壓強(qiáng)度變化

通過不同耐老化次數(shù)，測(cè)得各保溫材料的抗壓強(qiáng)度演變關(guān)系，如圖3所示。聚氨酯泡沫的抗壓強(qiáng)度下降比例為42.42%，從0.33MPa降低至0.19MPa；硅酸鋁陶瓷的抗壓強(qiáng)度下降比例為57.69%，從0.26MPa降低至0.12MPa；鋁箔玻璃棉的抗壓強(qiáng)度下降比例為26.79%，從0.56MPa降低至0.41MPa；橡塑保溫板的抗壓強(qiáng)度下降比例為25%，從0.48MPa降低至0.36MPa；擠塑聚苯板的抗壓強(qiáng)度下降比例為35.14%，從0.37MPa降低至0.24MPa。硅酸鋁陶瓷的抗壓強(qiáng)度下降速率最快，而橡塑保溫板的抗壓強(qiáng)度下降速率相對(duì)較慢。這是因?yàn)樵谀途眯匝h(huán)過程中，材料會(huì)出現(xiàn)吸水膨脹，破壞材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度下降。

圖3 保溫材料抗壓強(qiáng)度與耐老化性能關(guān)系Fig.3 The relationship between the compressive strength and the aging resistance of thermal insulation materials

2.4 保溫材料的抗拉強(qiáng)度變化

通過不同耐老化次數(shù)，測(cè)得各保溫材料的抗拉強(qiáng)度演變關(guān)系，如圖4所示。聚氨酯泡沫的抗拉強(qiáng)度下降比例為50%，從0.06MPa降低至0.03MPa；硅酸鋁陶瓷的抗拉強(qiáng)度下降比例為75%，從0.04MPa降低至0.016MPa；鋁箔玻璃棉的抗拉強(qiáng)度下降比例為25%，從0.12MPa降低至0.09MPa；橡塑保溫板的抗拉強(qiáng)度下降比例為22.22%，從0.09MPa降低至0.07MPa；擠塑聚苯板的抗拉強(qiáng)度下降比例為42.86%，從0.07MPa降低至0.04MPa。由于各保溫材料的抗拉強(qiáng)度值都非常小，并且由于萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試的精度的有限，導(dǎo)致部分循環(huán)次數(shù)后的材料抗拉強(qiáng)度值沒有發(fā)生變化。硅酸鋁陶瓷的抗拉強(qiáng)度下降速率最快，而橡塑保溫板的抗拉強(qiáng)度下降速率相對(duì)較慢。這是因?yàn)樵谀途眯匝h(huán)過程中，材料會(huì)出現(xiàn)吸水膨脹，破壞材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度下降。

圖4 保溫材料抗拉強(qiáng)度與耐老化性能關(guān)系Fig.4 The relationship between the tensile strength and the aging resistance of thermal insulation materials

3結(jié)論

（1）凍融循環(huán)條件下，孔洞中的水結(jié)冰導(dǎo)致的體積膨脹進(jìn)一步破壞了材料自身結(jié)構(gòu)。凍融循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果表明，聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化較快；而鋁箔玻璃棉在五種材料中，其導(dǎo)熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化較慢。

（2）不同耐老化循環(huán)試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)吸水膨脹，從而破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。耐老化試驗(yàn)的結(jié)果表明，聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)隨老化循環(huán)次數(shù)的增加而變化較快；在五種材料中，硅酸鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)隨老化循環(huán)次數(shù)的增加而變化較慢。

（3）外墻外保溫材料隨著老化循環(huán)試驗(yàn)的次數(shù)增多，其力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生較大的變化。通過力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)可知，硅酸鋁陶瓷的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降速率最快，而橡塑保溫板的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降速率相對(duì)較慢。

綜上所述，鋁箔玻璃棉適合在寒冷地區(qū)使用、硅酸鋁陶瓷適合在濕熱地區(qū)使用，并且該材料不宜作為受力材料。