幾種保溫材料耐久性試驗分析與應用

李玉娜 ，趙津津 ，彭丹 ，陳江濤 ，高欣 ，胡培峰

（1.鄭州電力高等專科學校 動力工程系，河南 鄭州 450000；2.南陽理工學院 建筑設計院，河南 南陽 473004）

0 前 言

隨著我國建筑節能工作的不斷開展，各種新型節能材料在建筑工程中得到了廣泛應用[1]。保溫系統在高溫和寒冷環境下，對降低屋面結構負荷起著非常重要的作用[2]。丁楊等[3]利用軟件對保溫系統進行模擬研究，得出了不同的構造措施對傳熱的影響。在構造形式分析上，JED Oliveira等[4]通過一系列的實踐對構造進行改進得到了屋面隔熱效果的理論分析。SA和MF[5]在對節能建筑的保溫隔熱層的厚度進行研究時，認為厚度的選取還應考慮熱橋的影響。Seo等[6]在三維熱傳導研究上，對自保溫系統的三維穩態的傳熱模擬，得到了模擬計算可以減小建筑構件中的多維傳熱帶來的計算誤差。許凱等[7]通過對節能窗的數值模擬得出了三維傳熱模擬與二維傳熱模擬結果相差6%以上。張國永等[8]以燒結保溫砌塊為例，通過模擬計算分析了砌塊的砌筑方式、砌筑砂漿、抹灰砂漿對墻體自保溫系統熱工性能的影響。崔崳等[9]為了研究聚苯乙烯外墻保溫系統火災風險的問題，對比了3種火災測試方法，得到了影響聚苯乙烯外墻保溫系統火災風險的關鍵因素。管旭東和孫立新[10]通過建立巖棉板薄抹灰外保溫系統承載力試驗分析模型，對不同構造類型的系統承載力、粘錨連接特性、典型墻材錨栓承載力等進行試驗和數據分析。張苗等[11]通過采集試驗表觀現象、火焰蔓延特性、溫度分布特性、系統損壞特征等耐火性能試驗數據，綜合比較分析了不同工況下不同燃燒性能等級的建筑幕墻外保溫系統的耐火性能。朱保華和韓麗婷[12]介紹了由水性環氧樹脂浸潤劑處理的玻璃棉板外保溫系統，包括系統組成和結構，系統施工工藝，并測試分析了其保溫性能。閆坤惠和丁子虎[13]介紹了某保溫裝飾一體板外墻保溫系統的保溫性能的測試及優化過程。通過數值模擬、實驗室測試找到了影響此保溫系統保溫性能的關鍵因素，提出了優化改進措施以及應用中需要特別注意的事項。毛朝君等[14]介紹了不燃外墻保溫裝飾系統的結構設計以及低密度泡沫混凝土基板的研究現狀。采用正交試驗確定低密度泡沫混凝土的生產配方，對其及生產工藝、連接飾面鋁板與低密度泡沫混凝土的粘結劑選擇、不燃保溫裝飾板成型工藝、裝飾板粘錨結合施工方法、裝飾板間的接縫的處理及排氣孔的安裝方式等進行研究。

本文結合混凝土耐久性試驗標準，對市場常見的保溫隔熱材料進行耐候性試驗，為今后設計與施工提供技術參考。

1 導熱系數測試方法

導熱系數的測試方法一般有穩態法和動態法2類。本文選擇穩態法測試保溫材料導熱系數，先利用熱源對樣品加熱，樣品內部的溫差熱量從高溫向低溫處傳導。

設在物體內部垂直于熱傳導方向相距h，即樣品厚度，冷板熱板溫度分別設置為15℃和35℃。待檢測樣品內部形成穩定的溫度分布后，導熱系數測試儀根據這一溫度分布按公式（1）計算出導熱系數。

式中：△Q——熱量；△t——時間差；λ——導熱系數；A——材料接觸面積；T1——熱板溫度；T2——冷板溫度；h——樣品厚度。

試驗選用市場上常見的3種保溫材料，南京凱凱聚氨酯有限公司生產的聚氨酯、北京高圣佳保溫材料廠生產的擠塑聚苯板及北京中科新筑泡沫混凝土有限公司生產的泡沫混凝土進行4種耐久性試驗，試驗材料的主要性能及規格見表1。

表1 3種保溫材料主要性能及規格

2 耐久性試驗

濕熱老化試驗：根據GB/T 12000—2003《塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測定》，將材料置于相對濕度93%，溫度25℃12 h、40℃12 h的條件下進行循環試驗，每隔7 d進行導熱系數的測試。

凍融循環試驗：參考混凝土的凍融循環試驗方法，將保溫材料放入-20℃冷凍機12 h，隨后再將材料放入20℃的恒溫恒濕箱中12 h，依次進行循環試驗，每隔7 d進行導熱系數的測試。

高低溫循環：由于直接與外界環境相接觸，最高溫度為60℃，最低溫度則為-20℃，每隔7 d進行導熱系數測試。

干濕循環：參考GB/T 2423.34—2012《環境試驗第2部分：試驗方法試驗ZAD：溫度濕度組合循環試驗》，將保溫材料置于恒溫恒濕箱中，每隔7 d進行導熱系數的測試。

2.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到由水泥基膠凝材料、集料、摻合料、外加劑和水制成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種適用于室內外墊層、屋面保溫隔熱、非承重墻體或隧道、基坑填充等多孔現澆混凝土及其制品。泡沫混凝土耐候性試驗結果見圖1。

圖1 泡沫混凝土的耐久性試驗結果

從圖1可以看出，泡沫混凝土經濕熱老化后導熱系數總體減小，這可能是因為濕熱循環過程中，水泥會進一步水化，加劇泡沫混凝土的硬化凝結，使得開口孔隙率降低，導熱系數減小。而在凍融循環過程中泡沫混凝土的導熱系數持續增大，從0.0778 W/（K·m）增大至56 d時的0.0870 W/（K·m），增加了11.8%，這是因為泡沫混凝土在凍融循環試驗中泡孔剝落，質量下降，導致導熱系數逐漸增大。而在高低溫循環和干濕循環試驗中，導熱系數波動較大，可能是由高低溫所產生的溫度應力導致泡沫混凝土受拉破壞。

2.2 擠塑聚苯板

擠塑聚苯板耐久性試驗結果見圖2。

圖2 擠塑聚苯板的耐久性試驗結果

從圖2可以看出，擠塑聚苯板經4種耐久性試驗中導熱系數均增大。在濕熱老化試驗中，擠塑聚苯板導熱系數變化最大，從0.0185 W/（K·m）增大至56 d時的0.0210 W/（K·m），提高了13.5%。這是因為在高溫情況下，高分子材料中的化學鍵出現斷裂，導致化學成分發生降解，整個材料破壞，發生不可逆的變化而產生老化損傷。在凍融循壞試驗中，擠塑聚苯板的導熱系數從0.0193W/（K·m）增大至56d時的0.0204W/（K·m），提高了5.7%，這是因為在凍融循環過程中，孔隙被脹裂破壞，從而結構被破壞。在干濕循環試驗中，擠塑聚苯板的導熱系數從0.0183 W/（K·m）增大至56 d時的0.0193 W/（K·m），提高了5.5%，這是因為在干濕循環中會出現吸水膨脹，破壞材料結構。在高低溫試驗中，擠塑聚苯板的導熱系數從0.0180 W/（K·m）增大至56 d時的0.0186 W/（K·m），提高了3.3%，這是因為高低溫循環出現了溫度差導致了材料被拉壞。

2.3 聚氨酯

聚氨酯發泡保溫材料是一類以閉孔為主體且綜合性能優異的高分子絕熱材料，具有導熱系數低、密度小、力學強度高以及防水性、粘結性、化學穩定性和隔聲性好等優點，廣泛應用于建筑墻體、屋面、天花板等保溫系統中。聚氨酯保溫材料的耐久性試驗結果見圖3。

圖3 聚氨酯的耐久性試驗結果

從圖3可以看出，聚氨酯經4種耐候性試驗中導熱系數均增大。但在凍融循環試驗中聚氨酯的導熱系數變化最大，從0.015W/（K·m）增大至56d時的0.019W/（K·m），提高了26.7%。這是因為在凍融循環過程中孔隙會被脹裂破壞，從而結構被破壞。在濕熱老化試驗中，聚氨酯的導熱系數從0.0140W/（K·m）增大至56 d時的0.0155W/（K·m），提高了10.7%。在干濕循環試驗中，聚氨酯的導熱系數從0.0150 W/（K·m）增大至56 d時的0.0183 W/（K·m），提高了22.0%；這是因為在干濕循環中會出現吸水膨脹，從而破壞材料的結構。在高低溫試驗中，聚氨酯的導熱系數從0.0147 W/（K·m）增大至56 d時的0.0165 W/（K·m），提高了12.2%，這是因為高低溫循環出現了溫度差導致了材料被拉壞。

3 結 論

（1）泡沫混凝土經凍融循環試驗導熱系數變化最大，56 d后提高了11.8%；而經濕熱老化循環試驗，導熱系數則會降低。根據這一特性，建議在濕熱地區選用泡沫混凝土作為保溫材料。

（2）擠塑聚苯板經4種耐久性試驗導熱系數均增大。但在濕熱老化實驗中導熱系數變化最大，56 d后提高了13.5%，這是因為在濕熱老化環境下，高分子材料中的化學鍵會出現斷裂，導致化學成分發生降解，整個材料出現破壞，發生不可逆的變化而產生老化損傷。

（3）聚氨酯在4種耐候性試驗中導熱系數均增大。但在凍融循環試驗中導熱系數變化最大，56 d后提高了26.7%，這是因為在凍融循環過程中，孔隙會被脹裂破壞，從而結構被破壞。根據這一特點，有機類保溫隔熱材料擠塑聚苯板、聚氨酯導熱系數受濕熱老化影響較大，受凍融循環及干濕循環影響較小。建議在溫度變化不是特別大的地區使用有機類材料作為保溫材料。