在建筑上,将主要作为保温、隔热使用的材料通称为绝热材料。绝热材料通常导热系数(λ)值应不大于0.23W/(m·k),热阻(R)值应不小于4.35(m2·k)/W。此外,绝热材料尚应满足:表观密度不大于600kg/m3,抗压强度大于0.3MPa,构造简单,施工容易,造价低等。
12.1.1 影响材料导热系数的因素
影响材料保温性能的主要因素是导热系数的大小,导热系数愈小,保温性能愈好。材料的导热系数受以下因素影响:
(1)材料的性质。不同的材料其导热系数是不同的,一般说来,导热系数值以金属最大,非金属次之,液体较小,而气体更小。对于同一种材料,内部结构不同,导热系数也差别很大。一般结晶结构的为最大,微晶体结构的次之,玻璃体结构的最小。但对于多孔的绝热材料来说,由于孔隙率高,气体(空气)对导热系数的影响起着主要作用,而固体部分的结构无论是晶态或玻璃态对其影响都不大。
(2)表观密度与孔隙特征。由于材料中固体物质的导热能力比空气要大得多,故表观密度小的材料,因其孔隙率大,导热系数就小。在孔隙率相同的条件下,孔隙尺寸愈大,导热系数就愈大;互相连通孔隙比封闭孔隙导热性要高。对于表观密度很小的材料,特别是纤维状材料(如超细玻璃纤维),当其表观密度低于某一极限值时,导热系数反而会增大,这是由于孔隙增大且互相连通的孔隙大大增多,而使对流作用加强的结果。因此这类材料存在一最佳表观密度,即在这个表观密度时导热系数最小。
(3)湿度。材料吸湿受潮后,其导热系数就会增大,这在多孔材料中最为明显。这是由于当材料的孔隙中有了水分(包括水蒸气)后,则孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用,而水的λ为0.58W/(m·K),比空气的λ=0.029W/(m·K)大20倍左右。如果孔隙中的水结成了冰,则冰的λ=2.33W/(m·K),其结果使材料的导热系数更加增大。故绝热材料在应用时必须注意防水避潮。
(4)温度。材料的导热系数随温度的升高而增大,因为温度升高时,材料固体分子的热运动增强,同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响,当温度在0~50℃范围内时并不显著,只有对处于高温或负温下的材料,才要考虑温度的影响。
(5)热流方向。对于各向异性的材料,如木材等纤维质的材料,当热流平行于纤维方向时,热流受到阻力越小,导热系数越大;而热流垂直于纤维方向时,受到的阻力越大,导热系数越小。
12.1.2 建筑上常用保温材料
1.纤维状保温隔热材料
(1)石棉及其制品。石棉是一种天然矿物纤维,主要化学成分是含水硅酸镁,具有耐火、耐热、耐酸碱、绝热、防腐、隔音及绝缘等特性。常制成石棉粉、石棉纸板、石棉毡等制品,用于建筑工程的高效能保温及防火覆盖等。
(2)矿棉及其制品。矿棉一般包括矿渣棉和岩石棉。矿渣棉所用原料有高炉硬矿渣、铜矿渣等,并加一些调节原料(钙质和硅质原料)。岩棉的主要原料为天然岩石(白云石、花岗石、玄武岩等)。上述原料经熔融后,用喷吹法或离心法制成细纤维。矿棉具有轻质、不燃、绝热和电绝缘等性能,且原料来源广,成本较低。可制成矿棉板、矿棉毡及管壳等。可用作建筑物的墙壁、屋顶、天花板等处的保温和吸声材料,以及热力管道的保温材料。
(3)玻璃棉及其制品。玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成纤维状材料,包括短棉和超细棉两种。
(4)植物纤维复合板。系以植物纤维为主要材料加入胶结料和填料而制成。如木丝板是以木材下脚料制成木丝,加入硅酸钠溶液及普通硅酸盐水泥混合,经成型、冷压、养护、干燥而制成。甘蔗板是以甘蔗渣为原料,经过蒸制、加压、干燥等工序制成的一种轻质、吸声、保温材料。
2.散粒状保温隔热材料
(1)膨胀蛭石及其制品。蛭石是一种天然矿物,经850~1000℃燃烧,体积急剧膨胀(可膨胀5~20倍)而成为松散颗粒,其堆积密度为80~200kg/m3,导热系数0.046~0.07W/(m·K),用于填充墙壁、楼板及平屋顶,保温效果佳。可在1000~1100℃下使用。膨胀蛭石也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合,制成砖、板、管壳等用于围护结构及管道保温。
(2)膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩、黑耀岩或松脂岩为原料,经煅烧体积急剧膨胀(约20倍)而得蜂窝状白色或灰白色松散颗料。堆积密度为40~300kg/m3,λ=0.025~0.048W/(m·K),耐热800℃,为高效能保温保冷填充材料。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料,配以适量胶凝材料,经拌和、成型、养护(或干燥、或焙烧)后制成的板、砖、管等产品。
3.多孔性保温隔热材料
(1)微孔硅酸钙制品。微孔硅酸钙制品是用粉状二氧化硅材料(硅藻土)、石灰、纤维增强材料及水等经搅拌、成型、蒸压处理和干燥等工序而制成。用于围护结构及管道保温。(www.daowen.com)
(2)泡沫玻璃。它是采用碎玻璃加入1%~2%发泡剂(石灰石或碳化钙),经粉磨、混合、装模,在800℃下烧成后形成含有大量封闭气泡(直径0.1~5mm)的制品。它具有导热系数小、抗压强度和抗冻性高、耐久性好等特点,且易于进行锯切、钻孔等机械加工,为高级保温材料,也常用于冷藏库隔热。
(3)多孔混凝土(包括泡沫混凝土、加气混凝土等)和轻骨料混凝土。
(4)泡沫塑料。泡沫塑料是以合成树脂为基料,加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料经加热发泡而制成的轻质保温、防震材料。目前我国生产的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯及脲醛树脂等泡沫塑料。
4.其他保温隔热材料
(1)软木板。软木也叫栓木。软木板是用栓皮、栎树皮或黄菠萝树皮为原料,经破碎后与皮胶溶液拌和,再加压成型,在80℃的干燥室中干燥一昼夜而制成。软木板具有表观密度小,导热性低,抗渗和防腐性能高等特点。
(2)蜂窝板。蜂窝板是由两块较薄的面板,牢固地黏结在一层较厚的蜂窝状芯材两面而制成的板材,亦称蜂窝夹层结构。蜂窝状芯材是用浸渍过合成树脂(酚醛、聚酯等)的牛皮纸、玻璃布和铝片等,经加工粘合成六角形空腹(蜂窝状)的整块芯材。常用的面板为浸渍过树脂的牛皮纸、玻璃布或不经树脂浸渍的胶合板、纤维板、石膏板等。面板必须采用合适的胶粘剂与芯材牢固地粘合在一起,才能显示出蜂窝板的优异特性,即具有比强度大、导热性低和抗震性好等多种功能。
12.1.3 常用绝热材料的技术性能
常用绝热材料的技术性能见表12.1。隔热材料应能阻抗室外热量的传入,以及减小室外空气温度波动对内表面温度的影响。材料隔热性能的优劣,不仅与材料的导热系数有关,而且与导温系数、蓄热系数有关。
表12.1 常用绝热材料技术参数及用途
续表
在建筑中,围护结构隔热设计时,除了采用隔热材料外,还可以采取其他措施,起到隔热的效果,如:
(1)外表面做浅色饰面,如浅色粉刷、浅色涂层和浅色面砖等,窗户采用绝热薄膜。
(2)设置通风层,如通风屋顶、通风墙等。
(3)采用多排孔的混凝土或轻骨料混凝土空心砌块墙体。
(4)采用蓄水屋顶、有土或无土植被屋顶,以及墙面垂直绿化等。
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