保溫材料自然氣候模擬條件下導熱系數(shù)的研究

江 威 劉 倩 曲軍輝

1.武漢中科巖土工程技術培訓有限公司；2.湖北神龍工程測試技術有限公司；3.中國建筑科學研究院有限公司

1 前言

目前我國建筑節(jié)能行業(yè)飛速發(fā)展，被動式、超低能耗建筑得以大力推廣，而這些新型建筑中的圍護結構是建筑節(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就是導熱系數(shù)。隨著圍護結構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對材料的導熱系數(shù)產(chǎn)生不同的影響，能否保證其穩(wěn)定性成了關鍵。眾所周知，同樣的外墻熱阻性能指標，導熱系數(shù)決定了設計厚度，這一點針對被動式、超低能耗建筑尤為明顯。

從目前來看，保溫材料的導熱系數(shù)在各種條件下穩(wěn)定性的問題經(jīng)過實驗室檢測或現(xiàn)場檢測的驗證還較少，因此有必要對保溫材料導熱系數(shù)的穩(wěn)定性進行檢測研究。

2 材料選擇

鄧琴琴[1]通過對近零能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)耐候性能測試得出石墨聚苯板（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、技術性質(zhì)都較為相近，而石墨板導熱系數(shù)優(yōu)于模塑板，故僅選取石墨聚苯板進行測試。

由于巖棉板的壓剪強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)在實際測試中熱阻下降較多，普遍超過理論值的20%，研究其導熱系數(shù)穩(wěn)定性參考價值不大，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）四種保溫材料進行導熱系數(shù)穩(wěn)定性測試，每種材料選擇兩個不同廠家的產(chǎn)品進行，每組樣品數(shù)量為2塊。

3 試驗設計

本測試模擬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，具體方案設計如下。

（1）浸水試驗（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，測量初始導熱系數(shù)和干燥后的導熱系數(shù)。

（2）凍融循環(huán)試驗（降雪后）。將材料放置于全自動凍融循環(huán)試驗機中，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，測量初始導熱系數(shù)和凍融后的導熱系數(shù)。

（3）耐久性試驗（冷熱交替）。將材料放置于高低溫交變濕熱試驗箱中，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，測量初始導熱系數(shù)和耐久后的導熱系數(shù)。

（4）老化試驗（暴曬雨淋老化）。將材料放置于氙燈老化試驗箱中，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進行人工氣候老化，試驗時長1000h，取出在（23±2）℃，（50±5）%RH 環(huán)境下靜置48h，測量初始導熱系數(shù)和老化后的導熱系數(shù)。

4 試驗結果

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

表1 浸水試驗測試結果比對

表2 凍融循環(huán)試驗測試結果比對

表3 耐久性試驗測試結果比對

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 老化試驗測試結果比對

5 試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 浸水試驗結果分析

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

5.2 凍融循環(huán)試驗結果分析

4 組材料中僅SEPS 的導熱系數(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，測試結果基本與初始數(shù)據(jù)一致；無機材料巖棉帶的變化率增長至3.0%～3.2%，凍融循環(huán)對材料內(nèi)部結構的改變不大明顯，對導熱系數(shù)有一定的影響；PU、XPS 兩種有機材料增長最為明顯，其中XPS 的增長率為3.5%～7.9%，PU 的增長率更是高達4.0%～11.5%，分析原因為這兩種材料的開口孔隙都較大（行業(yè)標準對于XPS 的吸水率規(guī)定為≤1.5%，對于PU的吸水率規(guī)定為≤3%），水的凍脹加速了孔隙的破壞，導致孔隙中含有更多的水，進一步導致導熱系數(shù)的增大。

5.3 耐久性試驗結果分析

導熱系數(shù)總體變化趨勢同凍融循環(huán)試驗。其中SEPS 測試數(shù)據(jù)同初始數(shù)據(jù)相比依然變化很小；巖棉帶、PU、XPS 的導熱系數(shù)增長率略大于凍融試驗的增長率，分析應該是提高了溫差和溫度變化的頻率，縮短了循環(huán)時間，對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 老化試驗結果分析

3組有機材料導熱系數(shù)增長變化明顯，可以看到增長幅度超過凍融試驗及耐久試驗，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)部結構，導致導熱系數(shù)大幅增大，保溫效果折扣明顯；老化試驗對于無機材料巖棉來說有一定影響，但從數(shù)據(jù)看來不及耐久試驗的作用大，18min淋水時間不能讓水完全滲透進有憎水性的巖棉中，對導熱系數(shù)有一定影響。

5.5 同一材料在不同條件下試驗結果比對

圖1

從上述數(shù)據(jù)比對不難看出，耐水試驗在僅僅有水的作用下，經(jīng)過一定時間的干燥后，材料的導熱系數(shù)是可以比較快的恢復到初始狀態(tài)的；耐凍融、耐濕熱冷凍試驗由于從單一狀態(tài)變成了循環(huán)狀態(tài)，不僅有水的作用，同時還有劇烈的溫度變化作用，導致導熱系數(shù)變化幅度明顯；而耐濕熱老化比耐凍融條件更加嚴苛，可以看出這種條件下對四種材料都有更加大的影響；老化試驗由于加入光的因素，對于高分子有機材料的影響明顯高于無機巖棉類材料。

6 結語

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

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

（3）太陽光老化對于有機保溫材料損傷嚴重，特別是外保溫系統(tǒng)需要做好防護層，防止脫落，避免陽光和雨水直接作用于保溫材料，導致材料老化，增大導熱系數(shù)，形成熱橋。

（4）以上測試只限于上述4種材料，對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，希望研究結論對設計及應用單位的保溫材料及保溫系統(tǒng)的選用方面有所幫助。