土木工程絕熱材料的性能因素及其在建筑物中的應(yīng)用意義

天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院專科畢業(yè)論文.絕熱材料相關(guān)概述1.1絕熱材料的概念絕熱材料是指能阻滯熱流傳遞的材料，又稱熱絕緣材料。傳統(tǒng)絕熱材料，如玻璃纖維、石棉、巖棉、硅酸鹽等，新型絕熱材料，如氣凝膠氈、真空板等。它們用于建筑圍護(hù)或者熱工設(shè)備、阻抗熱流傳遞的材料或者材料復(fù)合體，既包括保溫材料，也包括保冷材料。絕熱材料分為多孔材料,熱反射材料和真空材料三類。前者利用材料本身所含的孔隙隔熱，因為空隙內(nèi)的空氣或惰性氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很低，如泡沫材料、纖維材料等；熱反射材料具有很高的反射系數(shù)，能將熱量反射出去，如金、銀、鎳、鋁箔或鍍金屬的聚酯、聚酰亞胺薄膜等。真空絕熱材料是利用材料的內(nèi)部真空達(dá)到阻隔對流來隔熱。航空航天工業(yè)對所用隔熱材料的重量和體積要求較為苛刻，往往還要求它兼有隔音、減振、防腐蝕等性能。各種飛行器對隔熱材料的需要不盡相同。飛機座艙和駕駛艙內(nèi)常用泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板來隔熱。導(dǎo)彈頭部用的隔熱材料早期是酚醛泡沫塑料，隨著耐溫性好的聚氨酯泡沫塑料的應(yīng)用，又將單一的隔熱材料發(fā)展為夾層結(jié)構(gòu)。導(dǎo)彈儀器艙的隔熱方式是在艙體外蒙皮上涂一層數(shù)毫米厚的發(fā)泡涂料，在常溫下作為防腐蝕涂層，當(dāng)氣動加熱達(dá)到200°C以上時，便均勻發(fā)泡而起隔熱作用。人造地球衛(wèi)星是在高溫、低溫交變的環(huán)境中運動，須使用高反射性能的多層隔熱材料，一般是由幾十層鍍鋁薄膜、鍍鋁聚酯薄膜、鍍鋁聚酰亞胺薄膜組成。另外，表面隔熱瓦的研制成功解決了航天飛機的隔熱問題，同時也標(biāo)志著隔熱材料發(fā)展的更高水平。1.2絕熱材料發(fā)展現(xiàn)狀十年前中國的保溫材料就以珍珠巖，巖棉類保溫材料為主，當(dāng)時的中國珍珠巖廠如雨后春筍樣的出現(xiàn)在全國各地。后來因為施工環(huán)節(jié)，材料自身強度低，高吸水率問題難以解決，從而珍珠巖保溫材料退出了國內(nèi)保溫市場。后來又出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)更低的聚苯板之類有機材料，后來又出現(xiàn)了擠塑板，聚氨酯等有機保溫材料占據(jù)了國內(nèi)保溫建筑材料市場近十年?？芍^山不轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)，有機材料天生就存在防火性能差的缺陷，必然是會被市場所淘汰的。而具有防火本身性的珍珠巖無機保溫材料類在解決了防水，強度等問題后又加上綠色環(huán)保的砝碼自然會重新出現(xiàn)在人們的面前，勢必會成為國內(nèi)保溫材料發(fā)展的新方向。絕熱材料在建筑中常見的應(yīng)用類型及設(shè)計選用應(yīng)符合GB/T17369-1998《建筑絕熱材料的應(yīng)用類型和基本要求》的規(guī)定。選用時除應(yīng)考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.175W/（m·K））外，還應(yīng)考慮材料的吸水率、燃燒性能、強度等指標(biāo)。不同絕熱材料的性能特點見相應(yīng)的分類指南。絕熱材料是指能阻滯熱流傳遞的材料，又稱熱絕緣材料。傳統(tǒng)絕熱材料，如玻璃纖維、石棉、巖棉、硅酸鹽等，新型絕熱材料，如氣凝膠氈、真空板等。它們用于建筑圍護(hù)或者熱工設(shè)備、阻抗熱流傳遞的材料或者材料復(fù)合體，既包括保溫材料，也包括保冷材料。絕熱材料一方面滿足了建筑空間或熱工設(shè)備的熱環(huán)境，另一方面也節(jié)約了能源。因此，有些國家將絕熱材料看作是繼煤炭、石油、天然氣、核能之后的“第五大能”。2.絕熱材料的性能因素2.1絕熱層材料的性能要求（1）絕熱層材料應(yīng)具有明確的隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)方程式或圖表。對于松散或可壓縮的絕熱材料，應(yīng)提供在使用密度下的導(dǎo)熱系數(shù)方程式或圖表。（2）保溫材料在平均溫度低于350℃時，導(dǎo)熱系數(shù)不得大于0.12W/（m·℃），保冷材料在平均溫度低于27℃時，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)不大于0.064W/（m·℃）。（3）保溫硬質(zhì)材料密度一般不大于300kg/m3；軟質(zhì)材料及半硬質(zhì)制品密度不得大于220kg/m3；保冷材料密度不得大于220kg/m3；對強度要求特殊的除外。（4）耐振動硬質(zhì)材料抗壓強度不得小于0.4MPa；用于保冷的硬質(zhì)材料抗壓強度不得小于0.15MPa；如需要，尚需提供抗折強度。（5）吸水率要小，保溫材料的質(zhì)量含水率不得大于7.5%，對于有防水要求的材料，防水率不得小于95%（原棉不作防水率要求）。軟質(zhì)保溫材料的回彈率不得小于90%。保冷材料的質(zhì)量含水率不得大于1%，用于直埋管道上的保溫材料，含水率應(yīng)小于3%。如需要，尚需提供防潮性能（吸濕性、吸水性、增水性）的數(shù)據(jù)。（6）絕熱層材料按被保溫對象外表面溫度的不同，其燃燒性能應(yīng)符合GB8624規(guī)定的如下要求。a.外表面溫度To＞100℃時，絕熱層材料應(yīng)符合不燃性類A級材料性能要求。b.外表面溫度To≤100℃時，絕熱層材料應(yīng)符合難燃類B1級材料的性能要求。c.外表面溫度To≤50℃時，絕熱層材料應(yīng)符合一般可燃性B2級材料要求。對于化工和石化企業(yè)，阻燃型保冷材料及其制品的氧指數(shù)不應(yīng)小于30。（7）化學(xué)穩(wěn)定性能好，對被絕熱的金屬表面無腐蝕作用。與奧氏體不銹鋼表面接觸的保溫材料應(yīng)符合GBJ126《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工驗收規(guī)范》中第2.1.1條有關(guān)氯離子含量的規(guī)定。（8）要有線脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)，施工設(shè)計時應(yīng)根據(jù)材料的膨脹系數(shù)大小（正值或負(fù)值）決定是否留膨脹縫。（9）價格低廉、施工方便，盡可能選用制品和半制品材料，如板、瓦及棉氈等材料。2.2防潮層材料的性能要求（1）抗蒸汽滲透性好，防水防潮力強，吸水率不大于1%。（2）防潮層材料的防火性能也應(yīng)符合GBJ126《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工驗收規(guī)范》中第2.1.1（6）條規(guī)定。（3）化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒或低毒耐腐蝕，并不得對絕熱層和保護(hù)層材料產(chǎn)生腐蝕或溶解作用。（4）防潮層材料在夏季不軟化、不起泡、不流淌，低溫使用中不脆化、不開裂、不脫落。（5）涂抹型防潮層材料軟化溫度不低于65℃，黏接強度不小于0.15Mpa；揮發(fā)物不大于30%。2.3保護(hù)層材料的性能要求（1）保護(hù)層材料應(yīng)具有一定的強度。在使用環(huán)境下不軟化、不脆裂、外表整齊美觀、抗老化、使用壽命長（至少應(yīng)達(dá)到經(jīng)濟使用年限），重要工程或難檢修部位保護(hù)層材料使用壽命應(yīng)在10年以上。（2）保護(hù)層材料應(yīng)有防水、防潮、抗大氣腐蝕性能，且不燃或難燃（氧指數(shù)應(yīng)大于或等于30%），化學(xué)穩(wěn)定性好，對接觸的防潮層或絕熱層不產(chǎn)生腐蝕或溶解作用。（3）儲存或輸送易燃、易爆物料的設(shè)備和管道，以及與其臨近的管道，其保護(hù)層必須采用不燃性材料。（4）應(yīng)無毒、無臭、外觀美觀、便于施工和檢修。2.4黏結(jié)劑、密封劑和耐磨劑的性能要求（1）保冷用黏結(jié)劑能在使用的德低溫范圍內(nèi)保持良好的黏結(jié)性，黏結(jié)強度在常溫時大于0.15Mpa，軟化溫度大于65℃。泡沫玻璃泳黏結(jié)劑在-190℃時的黏結(jié)強度應(yīng)大于0.05Mpa。（2）對金屬壁不腐蝕、對保冷材料不熔解。（3）固化時間短、密封性好、長期使用（至少在經(jīng)濟使用年限內(nèi)）不開裂。（4）有明確的使用溫度范圍和有關(guān)性能數(shù)據(jù)。（5）泡沫玻璃用耐磨劑，在溫度變化或機械振動情況下，能防止泡沫玻璃與金屬外壁之間和保冷材料界面之間產(chǎn)生磨損。2.5常用絕熱材料的性能材料名稱使用密度/kg/m3極限使用溫度/℃最高實用溫度/℃常溫導(dǎo)熱系數(shù)（70℃時）λo/W/（m·℃）導(dǎo)熱系數(shù)參考方程抗壓強度/MPa備注硅酸鈣制品170220240Ta-6505500.0550.0620.0640.40.50.5泡沫石棉304050普通型Ta-500防水型-50-5000.0460.0530.059壓縮回彈率：80%，50%，30%；室外只能用憎水型產(chǎn)品，回彈率95%巖棉、礦渣制品原棉≤150氈60-80100-120板管80100-120150-160≤200約650約400約600約400約600約600約600600400400350350350350≤0.044≤0.049≤0.049≤0.044≤0.046≤0.048≤0.044玻璃棉制品φ≤5μm60約4003000.042φ≤8μm4064-120約350約400300≤0.044300≤0.042普通硅酸鋁纖維制品100-170干法制品約4004000.046Tm≤400℃Tm＞400℃式中λL取Tm=400℃時計算結(jié)果濕法制品約850850膨脹珍珠巖散料＜8080-150150-250-200-850＜0.0530.053-0.0640.064-0.075憎水膨脹珍珠巖制品220-70-6000.0590.0700.5憎水度90%復(fù)合硅酸鹽保溫涂料≤300Ta約5000.071Tm≤300℃300℃＜Tm≤400400℃＜Tm≤500℃黏結(jié)強度不小于0.075Mpa；主要用于異形件表面，最好工件為熱態(tài)時施工硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料30-60-180-100-65-800.0275（25℃時）保溫時保冷時氧指數(shù)應(yīng)不小于30%；用于-65℃以下的特級聚氨酯，性能應(yīng)于產(chǎn)品廠家協(xié)商聚苯乙烯泡沫塑料＞30-65-700.041（20℃時）氧指數(shù)應(yīng)不小于30%；聚乙烯泡沫塑料24-100-800.029酚醛泡沫塑料30-50-100-1500.035氧指數(shù)應(yīng)不小于45%；阻燃性好；煙密度應(yīng)不大于10，毒性小泡沫玻璃150-200-4000.062（35℃時）-101℃時，λ-46℃時，λ10℃時，λ24℃時，λ93℃時，λ204℃時，λ0.51800.064（35℃時）-101℃時，λ-46℃時，λ10℃時，λ24℃時，λ93℃時，λ204℃時，λ0.7注：（1）導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)方程中，（Tm-70）、（Tm-400）等表示該方程的常數(shù)項：如λo，λH1等應(yīng)代入Tm為70℃，400℃時的數(shù)值。（2）本表數(shù)據(jù)僅供參考，設(shè)計計算時必須以產(chǎn)品生產(chǎn)廠商提供的技術(shù)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。（3）設(shè)計采用的各種絕熱材料，其物理化學(xué)性能及數(shù)據(jù)應(yīng)符合各自的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。（4）Tm-保溫層平均溫度，℃；Ta-周圍環(huán)境的溫度，℃。3.常用絕熱材料在建筑物中的應(yīng)用3.1納米絕熱材料在建筑材料中的應(yīng)用1992年美國學(xué)者Hunt，A．J．等在國際材料工程大會上就提出了超級絕熱材料（SupperInsulation）的概念。納米孔超級絕熱材料指絕大多數(shù)氣孔尺寸都在50nm以下，導(dǎo)熱系數(shù)低于“無對流空氣”的絕熱材料，按使用環(huán)境可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防水型和高溫防水型。納米復(fù)合絕熱材料是絕熱保溫建材的重要發(fā)展反向，納米孔超級絕熱材料是最有前景的一種納米復(fù)合絕熱材料。納米材料通常指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料與常規(guī)材料的區(qū)別不僅在于尺度的不同，最重要的是在于物理化學(xué)性能的變化。下面對其重要性質(zhì)作介紹：（1）表面效應(yīng)。表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。當(dāng)直徑小于粒子10nm時，其表面原子數(shù)激增，超微粒子的比表面積總和可達(dá)100㎡/g。而粒徑為1nm時，幾乎全部原子都集中在粒子的表面。納米晶粒的減小結(jié)果導(dǎo)致其表面積、表面能及表面結(jié)合能的增大，并具有不飽和性質(zhì)，表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。（2）小尺寸效應(yīng)。當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。（3）量子尺寸效應(yīng)。這是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散現(xiàn)象，納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的最高分子軌道能級，并且存在未被占據(jù)的最低的分子軌道能級，同時，能隙變寬。納米材料中處于離散的量子化能級中的電子的波動性使納米材料具有一系列特殊性質(zhì)．如特異性催化、強氧化性和還原性。與其他絕熱材料相比，納米超級絕熱材料中的納米效應(yīng)使其具有優(yōu)良的絕熱性能，性能更為穩(wěn)定，隨溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)增加較慢。主要原因可歸納如下：（1）零對流效應(yīng)。當(dāng)絕熱材料中的氣孔都為小于50nm的理想封閉氣孔時，絕熱材料內(nèi)部的空氣分子就基本失去了宏觀運動的能力，因此也就失去了熱對流運動和對流傳熱的能力。（2）無窮多遮熱板效應(yīng)。當(dāng)超輕的絕熱材料內(nèi)氣孔尺寸減小時，其氣孔壁的表面積急劇增加，在材料內(nèi)部形成無窮多（當(dāng)然是可以計量的）的氣-固界面。熱輻射的射線在傳播過程中會發(fā)生近于無窮多次的反射、吸收、透射和再輻射過程，熱輻射的傳播能力迅速衰減，最后大部分被吸收在納米絕熱材料的靠近熱面一側(cè)的表面，然后再以熱輻射的方式返回個原有的發(fā)射體。（3）長路途效應(yīng)。固體熱傳導(dǎo)路途效應(yīng)要比普通絕熱材料大幾十甚至幾百倍，固體熱傳導(dǎo)的能力比普通絕熱材料中固體降低了很多。其在建筑物中的應(yīng)用主要在以下方面：（1）鋼結(jié)構(gòu)防火。納米孔超級絕熱材料可以制成厚質(zhì)防火涂料進(jìn)行超級防火，也可以以細(xì)顆粒形式與樹脂類材料復(fù)合制成裝飾性強的薄層防火涂料。（2）建筑保溫。將透明的納米孔超級絕熱材料制成雙層玻璃夾芯面板用于門窗可制成具有良好透光性并具有超級絕熱功能的節(jié)能門窗。3.2無機纖維狀絕熱材料在建筑材料中的應(yīng)用巖礦棉是巖棉和礦渣棉等一類人造無機纖維材料的總稱。礦渣棉的主要原材料是冶金礦渣等工業(yè)廢渣和焦炭，生產(chǎn)巖棉的主要原材料是玄武巖和輝綠巖等一類天然巖石。礦渣棉的最高使用溫度為600°C~650°C，一般產(chǎn)品纖維較粗略短；巖棉的最高使用溫度可達(dá)900℃~1000℃，纖維較長，化學(xué)耐久性能也優(yōu)于礦渣棉?？傊瑤r棉具有礦渣棉所具有的一切優(yōu)點和特性，且性能更為可靠，但生產(chǎn)成本較礦渣棉高。在巖礦棉纖維中加入一定量的膠粘劑，增強劑和防塵油等，經(jīng)加工后可制成各種用途的巖棉制品。巖棉制品一般可分為板、管、氈、繩、粒狀棉和塊狀制品。巖礦棉材料保溫節(jié)能效果顯著，240mm的外磚墻，采用巖棉內(nèi)保溫，空隙20mm，巖棉層30mm（密度8080g/m3），紙而石膏板12mm，總厚度僅為302mm，其保溫隔熱效果與790mm厚的外墻磚相當(dāng)。巖礦棉產(chǎn)品除了具有良好的保溫和節(jié)能效果外，還具有吸聲、隔震、防火、自重輕、增加建筑使用而積等優(yōu)點，同時巖礦棉生產(chǎn)工藝技術(shù)相對簡單，設(shè)備投資較小，生產(chǎn)能耗低，價格低廉，因此是世界各國廣泛使用的建筑保溫材料。根據(jù)膠粘劑的類型，巖礦棉制品可分為有機和無機兩類。有機巖礦棉制品所用膠粘劑主要是水溶性酚醛樹脂、聚乙烯醇和瀝青等材料。由于多數(shù)有機膠粘劑耐溫性差，因此用量都有嚴(yán)格控制，使用量一般小于3%。無機類膠粘劑多為水玻璃、改性水玻璃和其他耐高溫膠粘劑，無機類制品的使用溫度相對有機類巖棉制品大大提高。按形狀的不同，巖棉制品可分為巖礦棉保溫板、巖礦棉縫氈、巖礦棉保溫帶、巖礦棉管殼和巖礦棉吸聲板等。這類產(chǎn)品使用時還可在表而粘貼或縫上玻璃纖維薄氈、玻璃纖維網(wǎng)格布、玻璃布、牛皮紙、鋁箔和鐵絲網(wǎng)等貼而材料。另外，還有一類重要的巖礦棉制品—粒狀棉，其一般是在制成帶有熱固性樹脂的巖礦棉之后，經(jīng)造粒工藝制成。粒狀棉目前在我國還未大量發(fā)展，而在西方發(fā)達(dá)國家的建筑中已應(yīng)用相當(dāng)廣泛。主要用作制造巖礦棉裝飾吸聲板的原材料，也可用作墻而、頂棚等處的噴涂材料，起到保溫、吸聲、防火和裝飾的作用。巖礦棉原棉分為無樹脂巖礦棉和樹脂巖礦棉。無樹脂巖礦棉主要用作填充材料或用作濕法成型制品的原料，樹脂巖礦棉主要用作于成型制品的原料。由于所用膠粘劑樹脂的不同，樹脂巖礦棉在防火程度上有些差異，使用時應(yīng)注意。結(jié)束語隨著科技化和信息化的不斷推進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)代建筑的理念將受到巨大的沖擊，設(shè)計的方式和方法也將發(fā)生翻天覆地的變化。在這種大環(huán)境下，更多更先進(jìn)的新型材料也將應(yīng)運而生。在現(xiàn)代建筑工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。我們有理山相信，現(xiàn)代建筑中，土木工程新型材料的應(yīng)用的空間一定越來越廣闊。當(dāng)然，廣闊的應(yīng)用和發(fā)展市場固然