土木工程绝热材料的性能因素及其在建筑物中的应用意义

天津大学网络教育学院专科毕业论文.绝热材料相关概述1.1绝热材料的概念绝热材料是指能阻滞热流传递的材料，又称热绝缘材料。传统绝热材料，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，新型绝热材料，如气凝胶毡、真空板等。它们用于建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递的材料或者材料复合体，既包括保温材料，也包括保冷材料。绝热材料分为多孔材料,热反射材料和真空材料三类。前者利用材料本身所含的孔隙隔热，因为空隙内的空气或惰性气体的导热系数很低，如泡沫材料、纤维材料等；热反射材料具有很高的反射系数，能将热量反射出去，如金、银、镍、铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等。真空绝热材料是利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热。航空航天工业对所用隔热材料的重量和体积要求较为苛刻，往往还要求它兼有隔音、减振、防腐蚀等性能。各种飞行器对隔热材料的需要不尽相同。飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板来隔热。导弹头部用的隔热材料早期是酚醛泡沫塑料，随着耐温性好的聚氨酯泡沫塑料的应用，又将单一的隔热材料发展为夹层结构。导弹仪器舱的隔热方式是在舱体外蒙皮上涂一层数毫米厚的发泡涂料，在常温下作为防腐蚀涂层，当气动加热达到200°C以上时，便均匀发泡而起隔热作用。人造地球卫星是在高温、低温交变的环境中运动，须使用高反射性能的多层隔热材料，一般是由几十层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜、镀铝聚酰亚胺薄膜组成。另外，表面隔热瓦的研制成功解决了航天飞机的隔热问题，同时也标志着隔热材料发展的更高水平。1.2绝热材料发展现状十年前中国的保温材料就以珍珠岩，岩棉类保温材料为主，当时的中国珍珠岩厂如雨后春笋样的出现在全国各地。后来因为施工环节，材料自身强度低，高吸水率问题难以解决，从而珍珠岩保温材料退出了国内保温市场。后来又出现了导热系数更低的聚苯板之类有机材料，后来又出现了挤塑板，聚氨酯等有机保温材料占据了国内保温建筑材料市场近十年。可谓山不转水转，有机材料天生就存在防火性能差的缺陷，必然是会被市场所淘汰的。而具有防火本身性的珍珠岩无机保温材料类在解决了防水，强度等问题后又加上绿色环保的砝码自然会重新出现在人们的面前，势必会成为国内保温材料发展的新方向。绝热材料在建筑中常见的应用类型及设计选用应符合GB/T17369-1998《建筑绝热材料的应用类型和基本要求》的规定。选用时除应考虑材料的导热系数（导热系数不大于0.175W/（m·K））外，还应考虑材料的吸水率、燃烧性能、强度等指标。不同绝热材料的性能特点见相应的分类指南。绝热材料是指能阻滞热流传递的材料，又称热绝缘材料。传统绝热材料，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，新型绝热材料，如气凝胶毡、真空板等。它们用于建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递的材料或者材料复合体，既包括保温材料，也包括保冷材料。绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境，另一方面也节约了能源。因此，有些国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能”。2.绝热材料的性能因素2.1绝热层材料的性能要求（1）绝热层材料应具有明确的随温度变化的导热系数方程式或图表。对于松散或可压缩的绝热材料，应提供在使用密度下的导热系数方程式或图表。（2）保温材料在平均温度低于350℃时，导热系数不得大于0.12W/（m·℃），保冷材料在平均温度低于27℃时，导热系数应不大于0.064W/（m·℃）。（3）保温硬质材料密度一般不大于300kg/m3；软质材料及半硬质制品密度不得大于220kg/m3；保冷材料密度不得大于220kg/m3；对强度要求特殊的除外。（4）耐振动硬质材料抗压强度不得小于0.4MPa；用于保冷的硬质材料抗压强度不得小于0.15MPa；如需要，尚需提供抗折强度。（5）吸水率要小，保温材料的质量含水率不得大于7.5%，对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）。软质保温材料的回弹率不得小于90%。保冷材料的质量含水率不得大于1%，用于直埋管道上的保温材料，含水率应小于3%。如需要，尚需提供防潮性能（吸湿性、吸水性、增水性）的数据。（6）绝热层材料按被保温对象外表面温度的不同，其燃烧性能应符合GB8624规定的如下要求。a.外表面温度To＞100℃时，绝热层材料应符合不燃性类A级材料性能要求。b.外表面温度To≤100℃时，绝热层材料应符合难燃类B1级材料的性能要求。c.外表面温度To≤50℃时，绝热层材料应符合一般可燃性B2级材料要求。对于化工和石化企业，阻燃型保冷材料及其制品的氧指数不应小于30。（7）化学稳定性能好，对被绝热的金属表面无腐蚀作用。与奥氏体不锈钢表面接触的保温材料应符合GBJ126《工业设备及管道绝热工程施工验收规范》中第2.1.1条有关氯离子含量的规定。（8）要有线胀系数和体积膨胀系数数据，施工设计时应根据材料的膨胀系数大小（正值或负值）决定是否留膨胀缝。（9）价格低廉、施工方便，尽可能选用制品和半制品材料，如板、瓦及棉毡等材料。2.2防潮层材料的性能要求（1）抗蒸汽渗透性好，防水防潮力强，吸水率不大于1%。（2）防潮层材料的防火性能也应符合GBJ126《工业设备及管道绝热工程施工验收规范》中第2.1.1（6）条规定。（3）化学稳定性好、无毒或低毒耐腐蚀，并不得对绝热层和保护层材料产生腐蚀或溶解作用。（4）防潮层材料在夏季不软化、不起泡、不流淌，低温使用中不脆化、不开裂、不脱落。（5）涂抹型防潮层材料软化温度不低于65℃，黏接强度不小于0.15Mpa；挥发物不大于30%。2.3保护层材料的性能要求（1）保护层材料应具有一定的强度。在使用环境下不软化、不脆裂、外表整齐美观、抗老化、使用寿命长（至少应达到经济使用年限），重要工程或难检修部位保护层材料使用寿命应在10年以上。（2）保护层材料应有防水、防潮、抗大气腐蚀性能，且不燃或难燃（氧指数应大于或等于30%），化学稳定性好，对接触的防潮层或绝热层不产生腐蚀或溶解作用。（3）储存或输送易燃、易爆物料的设备和管道，以及与其临近的管道，其保护层必须采用不燃性材料。（4）应无毒、无臭、外观美观、便于施工和检修。2.4黏结剂、密封剂和耐磨剂的性能要求（1）保冷用黏结剂能在使用的德低温范围内保持良好的黏结性，黏结强度在常温时大于0.15Mpa，软化温度大于65℃。泡沫玻璃泳黏结剂在-190℃时的黏结强度应大于0.05Mpa。（2）对金属壁不腐蚀、对保冷材料不熔解。（3）固化时间短、密封性好、长期使用（至少在经济使用年限内）不开裂。（4）有明确的使用温度范围和有关性能数据。（5）泡沫玻璃用耐磨剂，在温度变化或机械振动情况下，能防止泡沫玻璃与金属外壁之间和保冷材料界面之间产生磨损。2.5常用绝热材料的性能材料名称使用密度/kg/m3极限使用温度/℃最高实用温度/℃常温导热系数（70℃时）λo/W/（m·℃）导热系数参考方程抗压强度/MPa备注硅酸钙制品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压缩回弹率：80%，50%，30%；室外只能用憎水型产品，回弹率95%岩棉、矿渣制品原棉≤150毡60-80100-120板管80100-120150-160≤200约650约400约600约400约600约600约600600400400350350350350≤0.044≤0.049≤0.049≤0.044≤0.046≤0.048≤0.044玻璃棉制品φ≤5μm60约4003000.042φ≤8μm4064-120约350约400300≤0.044300≤0.042普通硅酸铝纤维制品100-170干法制品约4004000.046Tm≤400℃Tm＞400℃式中λL取Tm=400℃时计算结果湿法制品约850850膨胀珍珠岩散料＜8080-150150-250-200-850＜0.0530.053-0.0640.064-0.075憎水膨胀珍珠岩制品220-70-6000.0590.0700.5憎水度90%复合硅酸盐保温涂料≤300Ta约5000.071Tm≤300℃300℃＜Tm≤400400℃＜Tm≤500℃黏结强度不小于0.075Mpa；主要用于异形件表面，最好工件为热态时施工硬质聚氨酯泡沫塑料30-60-180-100-65-800.0275（25℃时）保温时保冷时氧指数应不小于30%；用于-65℃以下的特级聚氨酯，性能应于产品厂家协商聚苯乙烯泡沫塑料＞30-65-700.041（20℃时）氧指数应不小于30%；聚乙烯泡沫塑料24-100-800.029酚醛泡沫塑料30-50-100-1500.035氧指数应不小于45%；阻燃性好；烟密度应不大于10，毒性小泡沫玻璃150-200-4000.062（35℃时）-101℃时，λ-46℃时，λ10℃时，λ24℃时，λ93℃时，λ204℃时，λ0.51800.064（35℃时）-101℃时，λ-46℃时，λ10℃时，λ24℃时，λ93℃时，λ204℃时，λ0.7注：（1）导热系数参数方程中，（Tm-70）、（Tm-400）等表示该方程的常数项：如λo，λH1等应代入Tm为70℃，400℃时的数值。（2）本表数据仅供参考，设计计算时必须以产品生产厂商提供的技术数据为准。（3）设计采用的各种绝热材料，其物理化学性能及数据应符合各自的产品标准规定。（4）Tm-保温层平均温度，℃；Ta-周围环境的温度，℃。3.常用绝热材料在建筑物中的应用3.1纳米绝热材料在建筑材料中的应用1992年美国学者Hunt，A．J．等在国际材料工程大会上就提出了超级绝热材料（SupperInsulation）的概念。纳米孔超级绝热材料指绝大多数气孔尺寸都在50nm以下，导热系数低于“无对流空气”的绝热材料，按使用环境可分为标准型、高温型、防水型和高温防水型。纳米复合绝热材料是绝热保温建材的重要发展反向，纳米孔超级绝热材料是最有前景的一种纳米复合绝热材料。纳米材料通常指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料与常规材料的区别不仅在于尺度的不同，最重要的是在于物理化学性能的变化。下面对其重要性质作介绍：（1）表面效应。表面效应是指纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。当直径小于粒子10nm时，其表面原子数激增，超微粒子的比表面积总和可达100㎡/g。而粒径为1nm时，几乎全部原子都集中在粒子的表面。纳米晶粒的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性。（2）小尺寸效应。当超微颗粒尺寸不断减小，在一定条件下，会引起材料宏观物理、化学性质上的变化，称为小尺寸效应。（3）量子尺寸效应。这是指当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散现象，纳米半导体微粒存在不连续的被占据的最高分子轨道能级，并且存在未被占据的最低的分子轨道能级，同时，能隙变宽。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质．如特异性催化、强氧化性和还原性。与其他绝热材料相比，纳米超级绝热材料中的纳米效应使其具有优良的绝热性能，性能更为稳定，随温度升高导热系数增加较慢。主要原因可归纳如下：（1）零对流效应。当绝热材料中的气孔都为小于50nm的理想封闭气孔时，绝热材料内部的空气分子就基本失去了宏观运动的能力，因此也就失去了热对流运动和对流传热的能力。（2）无穷多遮热板效应。当超轻的绝热材料内气孔尺寸减小时，其气孔壁的表面积急剧增加，在材料内部形成无穷多（当然是可以计量的）的气-固界面。热辐射的射线在传播过程中会发生近于无穷多次的反射、吸收、透射和再辐射过程，热辐射的传播能力迅速衰减，最后大部分被吸收在纳米绝热材料的靠近热面一侧的表面，然后再以热辐射的方式返回个原有的发射体。（3）长路途效应。固体热传导路途效应要比普通绝热材料大几十甚至几百倍，固体热传导的能力比普通绝热材料中固体降低了很多。其在建筑物中的应用主要在以下方面：（1）钢结构防火。纳米孔超级绝热材料可以制成厚质防火涂料进行超级防火，也可以以细颗粒形式与树脂类材料复合制成装饰性强的薄层防火涂料。（2）建筑保温。将透明的纳米孔超级绝热材料制成双层玻璃夹芯面板用于门窗可制成具有良好透光性并具有超级绝热功能的节能门窗。3.2无机纤维状绝热材料在建筑材料中的应用岩矿棉是岩棉和矿渣棉等一类人造无机纤维材料的总称。矿渣棉的主要原材料是冶金矿渣等工业废渣和焦炭，生产岩棉的主要原材料是玄武岩和辉绿岩等一类天然岩石。矿渣棉的最高使用温度为600°C~650°C，一般产品纤维较粗略短；岩棉的最高使用温度可达900℃~1000℃，纤维较长，化学耐久性能也优于矿渣棉。总之，岩棉具有矿渣棉所具有的一切优点和特性，且性能更为可靠，但生产成本较矿渣棉高。在岩矿棉纤维中加入一定量的胶粘剂，增强剂和防尘油等，经加工后可制成各种用途的岩棉制品。岩棉制品一般可分为板、管、毡、绳、粒状棉和块状制品。岩矿棉材料保温节能效果显著，240mm的外砖墙，采用岩棉内保温，空隙20mm，岩棉层30mm（密度8080g/m³），纸而石膏板12mm，总厚度仅为302mm，其保温隔热效果与790mm厚的外墙砖相当。岩矿棉产品除了具有良好的保温和节能效果外，还具有吸声、隔震、防火、自重轻、增加建筑使用而积等优点，同时岩矿棉生产工艺技术相对简单，设备投资较小，生产能耗低，价格低廉，因此是世界各国广泛使用的建筑保温材料。根据胶粘剂的类型，岩矿棉制品可分为有机和无机两类。有机岩矿棉制品所用胶粘剂主要是水溶性酚醛树脂、聚乙烯醇和沥青等材料。由于多数有机胶粘剂耐温性差，因此用量都有严格控制，使用量一般小于3%。无机类胶粘剂多为水玻璃、改性水玻璃和其他耐高温胶粘剂，无机类制品的使用温度相对有机类岩棉制品大大提高。按形状的不同，岩棉制品可分为岩矿棉保温板、岩矿棉缝毡、岩矿棉保温带、岩矿棉管壳和岩矿棉吸声板等。这类产品使用时还可在表而粘贴或缝上玻璃纤维薄毡、玻璃纤维网格布、玻璃布、牛皮纸、铝箔和铁丝网等贴而材料。另外，还有一类重要的岩矿棉制品—粒状棉，其一般是在制成带有热固性树脂的岩矿棉之后，经造粒工艺制成。粒状棉目前在我国还未大量发展，而在西方发达国家的建筑中已应用相当广泛。主要用作制造岩矿棉装饰吸声板的原材料，也可用作墙而、顶棚等处的喷涂材料，起到保温、吸声、防火和装饰的作用。岩矿棉原棉分为无树脂岩矿棉和树脂岩矿棉。无树脂岩矿棉主要用作填充材料或用作湿法成型制品的原料，树脂岩矿棉主要用作于成型制品的原料。由于所用胶粘剂树脂的不同，树脂岩矿棉在防火程度上有些差异，使用时应注意。结束语随着科技化和信息化的不断推进和发展，现代建筑的理念将受到巨大的冲击，设计的方式和方法也将发生翻天覆地的变化。在这种大环境下，更多更先进的新型材料也将应运而生。在现代建筑工程中发挥着越来越重要的作用。我们有理山相信，现代建筑中，土木工程新型材料的应用的空间一定越来越广阔。当然，广阔的应用和发展市场固然