防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的影響因素及誤差分析

龔洪秀

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350108）

1 導熱系數(shù)及檢測方法

導熱系數(shù)是評判保溫隔熱材料保溫性能的重要指標，也是保溫材料進場復驗的一個重要參數(shù)。影響材料導熱系數(shù)的主要因素包括：材料成分、含濕量、平均溫度、熱經(jīng)歷等。其中平均溫度對導熱系數(shù)的影響較為明顯，在材料沒有明顯變形時，壓縮荷載對材料導熱系數(shù)基本沒有影響。同時，環(huán)境因素也會對導熱系數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。

導熱系數(shù)的檢測方法可分為穩(wěn)態(tài)熱流法和動態(tài)熱流法兩種，對比常用的檢測方法，其中防護熱板法的準確性較高，并且可實時查看導熱系數(shù)檢測過程的曲線和數(shù)據(jù)記錄。目前，我國保溫材料相關(guān)標準對導熱系數(shù)的檢測方法有明確規(guī)定，穩(wěn)態(tài)熱流法由于儀器簡單、操作方便、結(jié)果可靠，已被廣泛應(yīng)用。穩(wěn)態(tài)熱流法中的防護熱板法用于檢測絕熱材料的導熱系數(shù)，其實驗誤差主要來源于儀器設(shè)備本身測量精度、接觸熱阻、不平衡和邊緣熱損失、不對稱條件等。實驗過程中，如果兩塊試件厚度差別小于2%，試件尺寸完全覆蓋加熱單元，冷面溫差小于2%時，不對稱條件引起的誤差可忽略不計。而防護熱板法是假定理想的一維穩(wěn)態(tài)熱傳遞，并且冷熱板表面與試件接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同。但在實際檢測過程中存在以下問題：

（1）由于試件邊緣的熱損失，存在熱流量誤差。

（2）隔縫兩側(cè)的溫差不為0，存在不平衡熱損失。

（3）由于試件與冷、熱板不完全接觸，存在接觸熱阻，接觸面兩側(cè)的溫度有差異。這些問題會導致檢測結(jié)果與真實值存在偏差。因此，需要對防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的影響因素及實驗誤差進行分析，以便為相關(guān)檢測工作提供參考。

2 防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的原理

防護熱板法是在穩(wěn)態(tài)條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內(nèi)，建立類似于兩個平行的溫度均勻的平面為界的無限大平板中存在一維的均勻熱流密度。導熱系數(shù)按公式（1）計算：

式中：Φ——加熱單元計量部分的平均加熱功率，W；

T1——試件熱面溫度平均值，K；

T2——試件冷面溫度平均值，K；

Α ——計量面積，m2；

d——試件平均厚度，m。

3 防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的影響因素

檢測過程中，導熱系數(shù)檢測結(jié)果會受很多因素影響，主要有以下幾個方面：

（1）檢測人員的影響，體現(xiàn)在整個檢測過程，如對標準的理解、樣品的前期處理、儀器設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)的處理等。

（2）冷熱板的溫差。

（3）試件厚度。

3.1 檢測人員的影響

在任何檢測項目中，檢測人員都是關(guān)鍵的影響因素。為了得到準確的檢測結(jié)果，檢測人員需充分了解檢測對象、標準規(guī)范及儀器設(shè)備，并具備良好的檢測技能。檢測過程中，樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)和平整度這兩個方面極易被忽視。

（1）樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)。水的導熱能力要比空氣強，水的導熱系數(shù)約為0.581W/(m·K)，比靜態(tài)空氣的導熱系數(shù)大20多倍，所以，樣品含濕量越大，導熱系數(shù)越大。在實際檢測過程中，很多檢測人員對標準規(guī)范不熟悉，樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境不符合標準，沒有在實驗室內(nèi)進行狀態(tài)調(diào)節(jié)就直接進行材料導熱系數(shù)的檢測，導致試驗結(jié)果不準確。因此，樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)應(yīng)按照被測試件的產(chǎn)品標準進行。例如：XPS應(yīng)在溫度為23℃±2℃，相對濕度為50%±5%的環(huán)境條件下調(diào)節(jié)16h；蒸壓加氣混凝土砌塊是檢測干態(tài)的導熱系數(shù)，其狀態(tài)調(diào)節(jié)可以與干密度的干燥過程相同，采用電熱鼓風干燥箱，先用60℃±5℃烘24h，再用80℃±5℃烘24h，最后用105℃±5℃烘至恒重。由于蒸壓加氣混凝土砌塊在空氣中具有較強的吸濕性，所以，干燥后應(yīng)及時放入裝置內(nèi)進行試驗。保溫砂漿應(yīng)在105℃±5℃的電熱鼓風干燥箱內(nèi)烘至恒重，干燥后及時放入裝置內(nèi)進行試驗。

（2）樣品平整度。如果檢測人員沒有測量試件表面的平整度就直接進行試驗，可能導致檢測結(jié)果不準確。試驗過程中，剛性材料試件的不平整度應(yīng)在試件厚度的2%以內(nèi)，避免由于試件不平整，使試件與加熱板不能完全接觸而產(chǎn)生接觸熱阻，導致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，當平整度不符合標準時，應(yīng)用磨砂紙進行磨平。對于半軟質(zhì)材料，如XPS，其平行度誤差應(yīng)滿足相關(guān)標準要求。

3.2 冷熱板溫差的影響

為研究冷熱板溫差對導熱系數(shù)檢測的影響，以20mm厚的XPS為例，冷熱板平均溫度設(shè)定為25℃，冷熱板溫差分別為15℃、18℃、20℃、22℃、25℃，冷熱板溫差對XPS導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響如圖1所示。

圖1 冷熱板溫差對XPS導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響

由圖1得出，冷熱板溫差在15℃～25℃范圍內(nèi)，XPS的導熱系數(shù)隨著溫差增大而增大，溫差在15℃～22℃范圍內(nèi)，導熱系數(shù)檢測結(jié)果的變化相對較小。這可能是因為溫差較大的情況下，其不平衡和邊緣熱損失誤差增大，不能準確預測導熱系數(shù)的檢測結(jié)果。因此，建議XPS在15℃～22℃的溫差范圍內(nèi)進行檢測，以提高導熱系數(shù)檢測結(jié)果的準確性和重現(xiàn)性。對于未規(guī)定檢測溫差范圍的材料，建議檢測人員研究其冷熱板溫差對材料導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響，并制定作業(yè)指導書。

3.3 試件厚度的影響

熱傳導是材料特定的性質(zhì)，導熱系數(shù)的大小與試件厚度無關(guān)，但在導熱系數(shù)檢測過程中，試件厚度可能會影響檢測結(jié)果。為了研究試件厚度對導熱系數(shù)檢測的影響，以XPS為例，冷板設(shè)定為15℃，熱板設(shè)定為35℃，厚度分別為30mm、25mm、20mm、15mm、10mm，試件厚度對XPS導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響如圖2所示。

圖2 試件厚度對XPS導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響

由圖2得出，樣品厚度在10～30mm范圍內(nèi)，XPS的導熱系數(shù)隨著厚度增大而增大，這主要是因為隨著樣品的增厚，不平衡熱損失和側(cè)面熱損失增加，導致檢測結(jié)果偏大。因此，在檢測過程中，應(yīng)嚴格按照相關(guān)標準規(guī)范和儀器設(shè)備要求控制試件厚度。如果沒有相關(guān)標準規(guī)范，樣品厚度建議控制在15～25mm。

4 誤差分析

當溫度、濕度不變的情況下，導熱系數(shù)是材料的固有屬性，其不隨著試件厚度的變化而變化。均質(zhì)材料的熱阻與其厚度成正比，與其導熱系數(shù)成反比?？梢酝ㄟ^改變試件厚度來分析實驗誤差，并通過測得的導熱系數(shù)計算熱阻，不同厚度試件熱阻如圖3所示。

圖3 不同厚度試件的熱阻

由圖3得出，XPS的熱阻與試件厚度呈線性關(guān)系，與理論相符，線性回歸公式為：y = 0 .0283x+ 0.0326，相關(guān)系數(shù)R2為0.998 6，公式的截距為0.032 6，該部分為檢測過程中的附加熱阻，可作為檢測誤差考慮。通過檢測的導熱系數(shù)計算出的熱阻是包含了附加熱阻的總熱阻。對熱阻進行修正，再通過修正后的熱阻計算材料的導熱系數(shù)修正值，計算公式如下：

式中：RTotal--通過檢測導熱系數(shù)計算得到的熱阻，（m2·K）/W；

R'--熱阻的修正值，（m2·K）/W；

R0--附加熱阻即系統(tǒng)誤差，（m2·K）/W；

λ'--導熱系數(shù)的修正值，W/（m·K）。

XPS導熱系數(shù)的實測值和修正值對比如圖4所示。

由圖4得出，隨著檢測試件厚度增大，實驗誤差減小，誤差最大值達到10.5%，實測導熱系數(shù)變化幅度為4.9%，修正后的導熱系數(shù)變化幅度為3.4%，其檢測精度有所提高，實驗誤差的影響不容忽視。當熱冷板溫差固定不變，試件厚度增大，不平衡和邊緣熱損失誤差也增大，而實驗誤差隨著試件厚度增大而減小。這一現(xiàn)象說明檢測試件較薄時，接觸熱阻對檢測結(jié)果的影響占主導地位，接觸熱阻的影響隨著厚度增大而減小。綜上所述，增大試件厚度，有利于實驗誤差的減小。

圖4 XPS導熱系數(shù)的實測值和修正值對比

5 結(jié)語

防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的主要影響因素有：檢測人員、冷熱板溫差、試件厚度。其中檢測人員應(yīng)熟悉相關(guān)標準規(guī)范，嚴格按照規(guī)范、文件進行檢測工作。在進行冷熱板溫差對導熱系數(shù)影響的檢測過程中，不僅要按照標準規(guī)范進行檢測，還應(yīng)研究冷熱板溫差對導熱系數(shù)檢測結(jié)果的影響，并制定作業(yè)指導書，當溫差對產(chǎn)品檢測結(jié)果影響較大時，應(yīng)在檢測報告注明檢測溫差。試件厚度對導熱系數(shù)的檢測結(jié)果影響比較明顯，當試件厚度超過標準或儀器設(shè)備要求時，應(yīng)對其進行加工，試件厚度建議控制在15～25mm。通過實驗誤差分析，發(fā)現(xiàn)實驗誤差隨著厚度的增大而增大，誤差的最大值達到10.5%，因此，需要通過扣除附加熱阻，對檢測結(jié)果進行修正，修正后導熱系數(shù)的變化幅度為3.4%，較修正前減少了1.5%，其檢測精度有所提高。綜上所述，通過對防護熱板法檢測絕熱材料導熱系數(shù)的影響因素及實驗誤差進行分析，為相關(guān)檢測工作提供參考。