不同環境下四種保溫材料的耐久性性能試驗研究

王曉暉 張輝

(1 四川化工職業技術學院 瀘州 646000)

(2 瀘州臨港產業建設有限公司 瀘州 646000)

1 引言

隨著綠色建筑概念的提出,保溫材料的研發也逐漸成為當下的研究熱點。因此,不少研究學者對保溫材料的研發開展了相關試驗研究,張曉晨等[1]研究臨空與貼壁工況下擠壓型聚苯乙烯寬度對豎向逆流火蔓延與傳熱演化的影響。郭顏鳳[2]綜述了聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的保溫性能,燃燒性能及節能效果等,介紹了常用阻燃保溫材料的性能。楊鴻昌[3]討論了發泡倍率,鋁膜,濕度,阻燃劑對保溫材料導熱系數的影響。宋偉杉等[4]制備硬質聚氨酯/膨脹蛭石復合保溫材料,探討了膨脹蛭石不同粒徑以及不同填充比對復合材料性能的影響。鄭育春[5]將磷石膏脫水得到半水石膏,并利用脫水后的磷石膏,水泥和聚苯顆粒,制備了磷石膏-水泥-聚苯顆粒保溫板。沈玲華等[6]為有效提高建筑容積率,降低建筑能耗,研制了新型TRC 自保溫三明治墻體結構。

上述研究學者通過試驗配比制備了高性能的保溫材料,但是由于我國南北方環境相差較大,對保溫材料的耐候性性能要去有著明顯的不同,因此,不少研究學者對保溫材料開展了數值計算和試驗分析。丁楊等[7]結合荷載和濕度等因素對屋面保溫復合材料及部品的傳熱規律和施工過程進行模擬。彭軍等[8]對戶外耐候性涂料在不同氣候特征條件下的老化性能研究進行了概述,介紹了國內外戶外涂料老化實驗方法。陸松巖等[9]利用FLAC3D 數值模擬方法,分析了改性聚苯板、玻化微珠保溫砂漿和普通混凝土3 種保溫層材料在夏天和冬天環境下的保溫特性。董晶亮等[10]對保溫材料開展耐候性能試驗,得出保溫材料在耐候性能試驗中,導熱系數隨時間延長逐漸上升。華治國[11]通過模擬的氣候條件,研究了新型保溫材料的耐久性試驗方法及耐久性指標的確立。陳麗華等[12]通過對巖棉板和巖棉條經水浸和高溫高濕環境處理前后,研究分析巖棉板和巖棉條的耐水性及耐久性。

上述研究學者通過在不同環境下對各保溫材料進行耐久性性能測試,得出了保溫材料的導熱系數的演變規律,但在不同環境下保溫材料的抗壓強度測試較少。因此本文選擇四種保溫材料(聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、巖棉板和擠塑板),分析測試其在碳化、凍融和干濕環境下的導熱系數和抗壓強度的演變規律,所測得的結果能夠為今后綠色建筑施工作為參考。

2 材料與方法

2.1 材料

選取A 公司生產的聚苯乙烯泡沫板,B 公司生產的聚氨酯泡沫板,C 公司生產的巖棉板,D 公司生產的擠塑板,各保溫材料的性能如表1 所示。

表1 建筑材料的性能指標Table 1 Performance parameters of selected building materials

2.2 方法

參考保溫材料耐久性性能測試標準,分別在碳化環境、凍融環境和干濕環境下,對上述4 種保溫材料的導熱系數和抗壓強度的變化規律進行測試。

(1)將試件放入碳化箱中進行養護12 h 后,放入導熱系數測試儀和萬能試驗機中進行測試,以此記為1 個循環。

(2)將試件放入冷凍箱中進行冷凍12 h 后,放入導熱系數測試儀和萬能試驗機中進行測試,以此記為1 個循環。

(3)將試件放入烘箱中進行烘干6 h 后,放入水箱中進行浸泡6 h 后將試件放入導熱系數測試儀和萬能試驗機中進行測試,以此記為1 個循環。

3 凍融環境下性能變化

在不同凍融循環次數下對4 材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規律如表2 所示。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.036 W/(m·K),增長比例為71.43%,抗壓強度為0.23 MPa,下降比例為36.11%;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.025 W/(m·K),增長比例為47.06%,抗壓強度為0.16 MPa,下降比例為38.46%;巖棉板的導熱系數為0.042 W/(m · K),增長比例為35.48%,抗壓強度為 0.61 MPa,下降比例為16.44%;擠塑板的導熱系數為0.041 W/mK,增長比例為41.38%,抗壓強度為0.51 MPa,下降比例為20.31%。可見,對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐凍融影響;對于力學性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐凍融影響。因此建議在凍融環境下,應優先選用擠塑板和巖棉板。

圖1 凍融環境下性能變化Fig.1 Performance change in freeze-thaw environment

表2 凍融循環30 次后各保溫材料的變化率Table 2 Change rate of each insulating material after 30 freeze-thaw cycles

出現這一現象的原因是因為在凍融循環過程中,保溫材料中的水會發生相變:由液態水變成固態冰或由固態冰變成液態水。由于水與冰的密度不同,固態冰的體積比等質量液態水的體積大,當液態水轉變為固態冰時,冰晶生長體積膨脹,導致材料發生受拉破壞。由于四種保溫材料都是多孔介質材料,即孔隙結構較多,因此在凍融環境下遭受到的破壞很大,從而導致導熱系數迅速增加,抗壓強度逐漸下降的現象。

結合參考文獻[13]進一步的從微觀結構層次進行分析可以得出,凍融循環后各保溫材料的微觀結構也存在著更多的孔隙,質地也會更加的疏松,并且主要組成材料會出現:完整性形態-少量絲絮化形態-大量絲絮化形態,這一類的形態變化。微觀形態的變化也能夠反映出保溫材料的導熱系數和抗壓強度的變化規律,即保溫材料中的主要阻熱、抗壓材料在凍融環境下會發生破壞,從而導致整個保溫材料的性能失效。

4 干濕環境下性能變化

在不同干濕循環次數下對4 種保溫材料進行熱工性能和力學性能測試,得到圖2。從圖1 中可以看出,隨著干濕循環次數的增加,保溫材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規律如表3 所示。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.030 W/(m·K),增長比例為42.85%,抗壓強度為0.28 MPa,下降比例為22.22%;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.021 W/(m·K),增長比例為23.53%,抗壓強度為0.19 MPa,下降比例為26.92%;巖棉板的導熱系數為0.036 W/(m · K),增長比例為13.89%,抗壓強度為0.67 MPa,下降比例為8.22%;擠塑板的導熱系數為0.035 W/(m·K),增長比例為20.69%,抗壓強度為0.56 MPa,下降比例為12.5%。可見,對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐干濕影響;對于力學性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐干濕影響。因此建議在干濕環境下,應優先選用擠塑板和巖棉板。

圖2 干濕環境下性能變化Fig.2 Performance change in dry and wet environment

表3 干濕循環30 次后各保溫材料的變化率Table 3 Change rate of each insulating material after 30 dry and wet cycles

出現這一現象的原因是因為在干濕循環過程中,保溫材料通常會經歷3 個典型階段:大幅變化階段、過渡階段和平緩階段。由于保溫材料的孔隙率較高,在濕潤狀態下吸收的水分也也就越多,但當在干燥狀態下失去水分的速率也會變快。因此,在反復干燥、濕潤狀態下保溫材料會出現脹縮變形,并且膨脹率隨著干濕循環次數的增加而增加。因此在干濕環境下保溫材料遭受到的破壞較大,從而導致導熱系數迅速增加,抗壓強度逐漸下降的現象。

結合參考文獻[14]進一步的從微觀結構層次進行分析可以得出,干濕循環后各保溫材料的微觀孔結構的分布情況發生了較大的改變,即孔徑分布曲線峰值下降,孔徑分布曲線變得更加扁平,各小孔徑逐漸形成大孔徑。根據吳中偉院士[15]的研究結果可知:材料中20 nm 以下的孔為無害孔,20—50 nm 的孔為少害孔,50—200 nm 的孔為有害孔,而200 nm 以上的孔為多害孔。因此,可以得出在干濕循環環境下,各保溫材料中的有害孔會逐漸增加,從而導致整個保溫材料的性能失效。

5 碳化環境下性能變化

在不同碳化循環次數下對4 種保溫材料進行熱工性能和力學性能測試,得到圖3。從圖3 中可以看出,隨著碳化循環次數的增加,保溫材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規律如表4 所示。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.032 W/(m·K),增長比例為52.38%;抗壓強度為0.26 MPa,下降比例為27.78%;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.022 W/(m·K),增長比例為29.41%;抗壓強度為0.18 MPa,下降比例為30.77%;巖棉板的導熱系數為0.039 W/(m · K),增長比例為25.81%;抗壓強度為 0.63 MPa,下降比例為13.70%;擠塑板的導熱系數為0.037 W/(m·K),增長比例為27.59%;抗壓強度為0.53 MPa,下降比例為17.19%。可見,對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐碳化影響;對于力學性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐碳化影響。因此建議在碳化環境下,應選用擠塑板和巖棉板。

圖3 碳化環境下性能變化Fig.3 Performance change in carbonation environment

表4 碳化循環30 次后各保溫材料的變化率Table 4 Change rate of each insulating material after 30 carbonation cycles

這是因為在碳化環境下,空氣中的二氧化碳會侵入材料內部,與保溫材料的化學組成成分發生化學反應,使得保溫材料變得疏松、脫落,進而導致材料內部結構發生破壞,導致各保溫材料的導熱系數增加,抗壓強度下降。

6 結論

(1)隨著凍融循環次數的增加,保溫材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.036 W/(m·K),抗壓強度為0.23 MPa;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.025 W/(m·K),抗壓強度為0.16 MPa;巖棉板的導熱系數為0.042 W/(m·K),抗壓強度為0.61 MPa;擠塑板的導熱系數為0.041 W/(m·K),抗壓強度為0.51 MPa。

(2)隨著干濕循環次數的增加,保溫材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.030 W/(m·K),抗壓強度為0.28 MPa;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.021 W/(m·K),抗壓強度為0.19 MPa;巖棉板的導熱系數為0.036 W/(m·K),抗壓強度為0.67 MPa;擠塑板的導熱系數為0.035 W/(m·K),抗壓強度為0.56 MPa。

(3)隨著碳化循環次數的增加,保溫材料的導熱系數逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當循環30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導熱系數為0.032 W/(m·K),抗壓強度為0.26 MPa;聚氨酯泡沫板的導熱系數為0.022 W/(m·K),抗壓強度為0.18 MPa;巖棉板的導熱系數為0.039 W/(m·K),抗壓強度為0.63 MPa;擠塑板的導熱系數為0.037 W/(m·K),抗壓強度為0.53 MPa。

因此,根據本文實驗結果建議在3 種環境下選擇保溫材料的順序為:巖棉板、擠塑板、聚苯乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板(以抗壓強度變化率為評價指標時);巖棉板、擠塑板、聚氨酯泡沫板、聚苯乙烯泡沫板(以導熱系數變化率為評價指標時)。