（材料学专业论文）干混轻质保温砂浆的制备技术与性能研究.pdf

摘要 摘要 随着能源形势的日益严峻，建筑能耗的飞速增长，建筑节能显得日益重要。墙体是建筑 围护结构的重要组成部分，在夏热冬冷地区，外墙的耗热量约占居住建筑总热量损耗的 2 0 0 0 - - 3 0 。而我国的外墙外保温系统主要采用有机保温材料，这类保温材料虽然具有良好 的保温隔热性能，但耐候性差，易老化，且存在2 5 年使用寿命限制问题。相比于有机保温 材料，无机保温砂浆具有强度较高、耐久性及防火性能好的特点，结合夏热冬冷地区的气候 条件、节能现状及资源特点，为轻质无机保温材料的开发和应用提供了很好的机遇和巨大的 发展空间。 本文是以硅酸盐水泥和粉煤灰为主要胶凝材料，以炉底渣为保温轻骨料，与目前常见的 保温砂浆( 陶砂、泡沫玻璃微珠、膨胀珍珠岩、e p s 颗粒) 对比，轻质保温砂浆有许多明显 的优势：首先是保温效果；其次是成本低廉；再者是对环境污染少，综合利用电厂废 料，节能环保，实现材料角度的“绿色建材”。是一种理想的保温节能材料。对电厂炉底渣 的综合利用也有利于建筑节能和保护环境。 本文研究了炉底渣、粉煤灰、乳胶粉、纤维素醚、膨润土对无机轻集料聚合物保温砂浆 性能的影响。研究结果表明：随炉底渣掺量的增加，保温砂浆干表观密度、导热系数减小， 收缩率降低；合适的粉煤灰的掺量，能改善砂浆的和易性；膨润土具有一定的增稠、保水作 用，能改善砂浆的工作性和和易性。适宜的纤维素醚掺量能改善新拌砂浆的施工性能，提高 保温砂浆保水率；纤维能提高砂浆的抗开裂性能。 导热系数是保温砂浆的重要考核指标之一，本文详细叙述了建筑热工计算中的墙体保温 计算过程。以目前工程中常见的墙体材料粘土多孔砖、粉煤灰砌块、混凝土砌块等为例，分 别计算了普通砂浆和轻质砂浆砌筑后整个构造的整体传热系数。计算轻质保温砂浆的节能效 果发现能使整个构造的保温性能提升2 0 以上。 关键词t 建筑节能；保温砂浆；炉底渣；膨润土；导热系数 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o n s i d e r a t i o no ft h es e r i o u s e n e r g y u s i n g s i t u a t i o na n dt h e r a p i dg r o w t h i n e n e r g y c o n s u m p t i o no fc o n s t r u c t i o n sa n db u i l d i n g s ，e n e r g y s a v i n gi nb u i l d i n g sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h ew a l li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ee n v e l o p eo fr e s i d e n t i a l b u i l d i n g i nh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rz o n e ，n e a r l y2 0t o3 0p e r c e mo ft o t a lt h e r m a ll o s si n r e s i d e n t i a lb u i l d i n gi sc a u s e db yt h ew a l l c o n s i d e r i n gt ot h ec l i m a t i cc o n d i t i o n s ，s i t u a t i o no f e n e r g y - s a v i n gi nb u i l d i n ga n dr e s o u r c ec h a r a c t e r i s t i c s ，p r o v i d e dag o o ds p a c ef o rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e w - t y p et h e r m a ls e l f - i u s u l a t i o nm a t e r i a l si nt h ew a l l c o m p a r i n gw i t hs o m em o r t a ri nt h ep r e s e m ，t h em o r t a rw i t ht h eu s eo f c i n d e ri nt h e e l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gs t a t i o nh a ss o m em e r i t ：t h ee x c e l l e me f f e c to fh e a tc o n s e r v a t i o n , l o wc o s t ， l i t t l ep o l l u t i o n i tc 锄u s et h ew a s t eo fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ns t a t i o nt of o r mt h eg r e e na r c h i t e c t u r e m a t e r i a l i ng e n e r a l ，t h i sl i g h t w e i g h ta n dh e a tp r e s e r v i n gm o r t a ri sak i n do fi d e a lb u i l d i n g m a t e r i a l ，w h i c hc a la l s ot a k ea d v a n t a g eo ft h es l a go fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gs t a t i o nt op r e s e r v et h e e n v i r o n m e n ta n dc o n s e r v et h ee n e r g y t h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fe a c hc o m p o n e mw h e nt h em i xa m o u n to fm i x a m o u n t c h a n g e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：、i t l lt h ea m o u n to fg l a s sb e a d si n c r e a s i n gd r yd e n s i t ya n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e s ，s h r i n k a g er a t ed e c r e a s e dt o o ；t h es u i t a b l ea m o u n to ff l ya s ha n d c a l c i u mh y d r o x i d e ，c a ni m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo ft h em o r t a r , l a t e xp o w d e ri n c r e a s et h et e n s i l e b o n ds t r e n g t ha n dr e d u c es h r i n k a g e ；a p p r o p r i a t ea m o u n to fc e l l u l o s ee t h e r sf l e s hm o r t a rc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n s t r u c t i o n , r e d u c ei n s u l a t i o nm o r t a rs h r i n k a g e ；t h ef i b e rc a n i m p r o v et h et e n s i l eb o n ds t r e n g t h t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e r m a li n s u l a t i o nm o r t a ra r ei m p o r t a n ti n d i c a t o ro fa p p r a i s a l ，t h i s a r t i c l ed e s c r i b e di nd e t a i lt h ec a l c u l a t i o no fb u i l d i n gt h e r m a li n s u l a t i o no ft h ew a l lc a l c u l a t i o n c u r r e n tp r o j e c t sc o m m o nw a l lm a t e r i a lc l a yb r i c k , f l ya s hb r i c k , c o n c r e t eb l o c k ，s u c ha sf o r e x a m p l e ，c a l c u l a t e ds e p a r a t e l yo r d i n a r ym a s o n r ym o r t a ra n dl i g h tt h r o u g h o u tt h es t r u c t u r ea sa w h o l ea f t e rt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t c a l c u l a t i o no fl i g h te n e r g ys a v i n ge f f e c to ft h e r m a l i n s u l a t i o nm o r t a rf o u n di nt h ee n t i r es t r u c t u r ec a ne n h a n c et h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo fm o r e t h a n 2 0 k e yw o r d s ：e n e r g y s a v i n gi nb u i l d i n g ；t h e r m a li n s u l a t i o nm o r t a r ；f u r a i l a c 七b o t t o ms l a g ；b e n t o n i t e ； t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特 l , j m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：啤日期：上竺世 东南大学学位论文使用授权声明 研究生躲刨导师躲纽吼型 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 所谓建筑节能，今天它的含义比字面上的意思要丰富、深刻得多。自从1 9 7 3 年发生世 界性的石油危机以后的2 0 多年来，在发达国家，它的说法已经经历了三个发展阶段：最初 就叫“建筑节能”；但不久即改为“在建筑中保持能源”，意思是减少建筑中能量的散失；近 来则普遍称作“提高建筑中的能源利用效率”，也就是说，并不是积极意义上的节省，而是 从积极意义上提高利用效率。在我国仍然统称为建筑节能，但其含义应该进到第三层意思， 即在建筑中合理使用和有效利用能源，不断提高能源利用率。 在2 0 世纪7 0 年代发生能源危机后，发达国家开始致力于研究与推行建筑节能技术1 1 1 ， 而我国却忽视了这一方面的问题。时至今日，我国建筑节能水平远远落后于发达国家。举例 说明，国内绝大多数采暖地区围护结构的热功能都比气候相近的发达国家差许多。外墙的传 热系数是他们的3 5 - - 4 5 倍，外窗为2 3 倍，屋面为3 6 倍，门窗的空气渗透为3 - 6 倍。我 国建筑不仅耗能高，而且能源利用效率很低，单位建筑能耗比同等气候条件下国家高出2 3 倍。仅以建筑供暖为例，北京市在执行建筑节能设计标准前，一个采暖期的平均能耗为 3 0 1 w m 2 执行节能标准后，一个采暖期的平均能耗为2 0 6 w m 2 ，而相同气候条件的瑞典、 丹麦、芬兰等国家一个采暖期的平均能耗仅为l i w m 2 。因此，与当前发达国家建筑能耗已 经大大降低的情况相比1 2 l ，我国单位建筑面积能耗与发达国家存在较大的差距，降低建筑能 耗是节能工作中最重要的任务之一i j j 。 目前，我国已建房屋有4 0 0 多亿m 2 ，其中城市建筑总面积约为1 3 8 亿m 2 左右，能达到 建筑节能标准的仅占5 ，其余普遍存在着围护结构保温隔热性和气密性差、供热空调系统 效率低下等问题，均属于高耗能建筑。而我国公共建筑面积大约为4 5 亿m 2 ，其中采用中央 空调的大型商厦、办公楼、宾馆约为5 - 6 亿m 2 ，这些建筑绝大部分为高耗能建筑，其单位 面积能耗大约是普通居住建筑的1 0 - 1 5 倍。我国建筑不仅耗能高，而且能源利用率很低，单 位建筑耗能比同等条件下发达国家高出2 3 倍1 4 】p 】。我国目前处于建设鼎旺期，每年竣工房 屋面积高达1 6 - 2 0 亿m 2 ，预计到2 0 2 0 年底，我国新增的房屋面积将近3 0 0 亿m 2 ，新增城 镇民用建筑面积将为1 0 0 1 5 0 亿m 2 。在未来3 0 年内，我国还需建造4 0 0 亿m 2 的新建筑， 建筑数量和建设速度都属于世界发展史上所罕见。因此，如果现在不开始注重建筑节能，将 直接加剧能源危机。 建筑节能是降低能耗、提高能源利用效率、保护环境的一项重大战略举措，关系到国家 可发展战略的实施。近年来，随着我国城市化建设的快速发展，能源紧缺问题凸显，已严重 影响和制约了我国经济社会的发展。据不完全统计，建筑在建造和使用过程中直接消耗的能 源占全社会总能耗的3 0 ，并呈继续上升趋势。若所有建筑都能达到国家标准要求节能5 0 的指标，则每年可节约采暖用标准煤1 5 0 0 k t ，并可减少s 0 2 排放量1 2 7 k t ，烟尘6 5 5 0 t 。事 实证明在建筑中广泛的使用性能优良的保温材料和科学的保温技术，会取得良好的社会效益 和经济效益。 东南大学硕士学位论文 1 2 无机轻集料保温砂浆研究现状 保温材料是一种减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率的材料或复合材料。由于材料 的高热阻，保温材料阻碍热流进出建筑物。根据设备及管道保温技术通则，在平均温度不大 于6 2 3 k ( 3 5 0 ) 时，材料的导热系数应小于0 1 4 w ( m k ) 。保温材料的优点主要有以下几点： ( 1 ) 从经济效益角度看，使用保温材料不仅可以大量节约能源花费，而且减小了机械设备( 空 调、暖气) 规模，节约了设备花费；( 2 ) 从环境效益角度看，使用保温材料不仅节约了能源， 而且由于减少机械设备，使得设备排放的污染气体量也相应减少：( 3 ) 从舒适度角度看，保温 材料可以减小室内温度的波动，尤其是在季节交替时，更可以保持室温的平稳，并且保温材 料普遍具有隔音性。受外界噪音干扰减小；( 4 ) 从保护建筑物的角度看，剧烈的温度变化将破 坏建筑物的结构，使用保温材料可以保持温度平稳变化，延长建筑物的使用寿命，保持建筑 物结构的完整性，同时使用和安装保温材料有助于隔热和阻燃，减少人员伤亡和财物损失 1 6 胴。 保温隔热材料根据其构成大体可分为两类，即无机保温材料和有机保温材料。岩棉、矿 渣棉、玻璃棉、硅酸铝纤维、膨胀珍珠岩、膨胀蛙石、泡沫石棉等均属于无机保温材料的范 畴，该类材料的保温、防火性能较好。而聚胺酯泡沫颦料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯、 聚乙烯泡沫塑料、酚醛树脂、脲醛树脂泡沫塑料、橡塑环氧、p e 泡沫塑料等都属于有机保 温材料范畴，其隔热、保温性能好，但耐高温性能不佳悼j 。 上世纪7 0 年代后，国外普遍重视保温材料的生产和在建筑中的应用，力求大幅度减少 能源的消耗量，从而减少环境污染和温室效应。国外保温材料工业已经有很长的历史，建筑 节能用保温材料占绝大多数，如美国从1 9 8 7 年以来建筑保温材料占所有保温材料的8 1 左 右，瑞典及芬兰等两欧国家8 0 以上的岩棉制品用于建筑节能。 发达国家对建筑节能的重视和采取的一些行之有效措施，取得了巨大的成效，使这些国 家的建筑能耗大幅度下降。其中保温隔热材料与制品是影响建筑节能一个重要的影响因素。 建筑保温材料的研制与应用越来越受到世界各国的普遍霞视，新型保温材料正在不断地涌现。 从建筑保温材料的材质和品种上看，国内外对以聚苯乙烯为主要原料的保温材料研究相对广 泛，但绝大部分都是在板材领域，如聚苯板、钢丝网架夹芯复合内外墙板、金属复合夹芯板 等。虽然聚苯板作为保温材料在使用中具有良好的保温效果，但由于板材的特点使得聚苯板 在施工中与主体联接时是以点固定为主、面固定为辅，板材之间要进行必要拼接、黏结，不 适应外形较复杂建筑物的保温，施工工艺较复杂、综合成本高。同时，由于聚苯板的憎水性 与常规的亲水性材料不适应，导致其面层以外的后续施工质量不易保证。容易出现面层砂浆 开裂、脱落、空鼓等质量问题，对建筑物的外装饰如面砖、涂料的使用或施工构成了很大的 制约。不定形的浆体保温材料可以克服板材类的这些不足，因此它构成了建筑保温隔热材料 的重要组成部分。欧美等发达国家在浆体保温材料的研究与应用方面起步较早，技术较为成 熟，在研究和应用上已卓有成效。 目前，发达国家在浆体保温材料研制开发方面，是以轻质多功能复合浆体保温材料为主。 此类浆体保温材料的各项性能较传统浆体保温材料明显提高，如具有较低的导热系数和良好 的使用安全性及耐久性等。同时，这类复合浆体保温材料又具有优异的功能性，如无氟里昂 阻燃型聚氨酯泡沫复合浆体保温材料、超轻质全憎水硅酸钙浆体保温材料等，可以满足不同 使用条件的要求【9 】o 此外，国外非常重视保温材料工业的环保问题，积极发展“绿色”保温 材料制品，从原材料准备( 开采或运输) 、产品生产及使用，及日后的处理问题，都要求最大 限度地节约资源和减少对环境的危害。保温材料工业是国外资源重新回收利用的一个很成功 的典型。 2 第一章绪论 1 9 8 0 年以前，我国保温材料工业的发展十分缓慢，与国外先进水平相比，至少落后了 3 0 年。改革开放以来，尤其是8 0 年代中后期，我国保温隔热材料工业有了长足的发展，产 品品种、产品质量、产品数量均有了较大提高，基本满足了国家建设对保温隔热材料的需求。 优质隔热保温材料，如矿物棉、玻璃棉、泡沫塑料等制品的生产能力有了很大提高，应用的 数量和范围不断扩大，在节能工程中产生的社会和经济效应逐步为人们所认识。但是由于宏 观失控、市场需求的变化等原因，与国外先进的水平相比，还存在不少差距l l 。 我国的保温材料目前正处于发展时期，虽然取得了一些可喜的进步，但总体上技术水平 落后，尤其浆体保温材料的研究开发方面，更是相对落后。目前我国大量应用在土建工程上 的浆体保温材料仍然是以传统浆体膨胀珍珠岩保温材料为主，其吸水率很大，抗裂性、耐候 性差，应用有很大局限性，施工时需多次成活，施工效率低下，保温砂浆为现场配制，其质 量不易控制和保证。 目前，我国使用的保温绝热材料主要有以下几种i l 卜”j ： ( 1 ) 膨胀珍珠岩及制品。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配合适量胶结剂，如水 玻璃、水泥、磷酸盐等，经搅拌、成型、干燥、焙烧( 一般为6 5 0 ) 或养护而成的具有一 定形状的产品。其研究应用比玻璃棉、矿棉晚，但发展速度较快。膨胀珍珠岩在一段时期曾 受到矿棉产品的冲击，但由于其价格和施工性能上所具有的优势，仍在建筑和工业保温材料 中占有较大的比重，约为保温材料的4 4 。 ( 2 ) 复合硅酸盐保温材料。复合硅酸盐保温材料是一种固体基质联系的封闭微孔网状结构 材料，主要采用火山灰玻璃、白玉石、玄武石、海泡石、膨润土、珍珠岩等矿物材料和多种 轻质非金属材料，运用静电原理和湿法工艺复合制成的憎水性复合硅酸盐保温材料，具有可 塑性强、导热系数低、容霞轻、粘结性强、施工方便、不污染环境等特点，是新型优质保温 绝热材料。复合硅酸盐保温材料在相对湿度为7 5 ，环境温度为2 8 时的吸湿率为1 8 9 6 。 其抗压强度大于o 6 m p a ，抗折强度大于0 4 m p a ，在高温6 0 0 下抗拉强度大于o 0 5 m p a 。 这种材料的黏接强度大，保温层在任何场合都不会因自身重量而脱落。 ( 3 ) 泡沫塑料。泡沫塑料是以合成树脂为基础制成的内部具有微小气孔的塑料制品。它具 有导热系数低、加工成型方便等优点，国外在建筑保温中应用较多。1 9 8 0 年以来，我国的 泡沫塑料工业得到了一定的发展，主要品种为聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料，此外还 有少量的聚乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料的年产量为2 0 万吨，建筑保温和其他工业保 温各用到产量的一半：聚氨酯泡沫塑料的年产量为1 5 万吨，主要用于工业保温，在建筑上 应用很少。泡沫塑料应用领域存在的主要问题是应用技术不完善、单位体积价格高、防火及 安全性较差等，目前主要应用于冰箱行业及地下直埋管保温、冷库保冷等领域，近年来在建 筑用的夹芯板材、彩色钢板复合夹芯板等产品上的应用也日渐增多。 ( 4 ) 硅酸铝纤维。硅酸铝纤维主要用作窑炉保温，目前我国约有生产企业2 0 0 家左右，设 计年生产能力超过4 万吨，实际年产量约为2 5 万吨。硅酸铝纤维的品种较多，目前国内生 产的有普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维和含铬硅酸铝纤维及少量制品，均为中 低档产品，而高档的多晶莫来石纤维、多晶氧化铝纤维和多晶氧化锆纤维等产品尚处于开发 阶段。我国的硅酸铝纤维多为小作坊式生产，工艺和技术装备比较落后，二次加工能力差。 为提高硅酸铝纤维的生产水平，我国已相继从美国引进了4 条生产线，其工艺技术先进，速 熔速甩成纤，干法针刺制毡，且生产规模大、产品质量稳定，成本、能耗比普通生产线低约 5 0 ，可生产耐温8 0 0 1 2 5 0 等不同容重的5 个中低档品种。 除上述保温材料外，膨胀蛭石、泡沫石棉、泡沫玻璃、膨胀石墨保温材料、铝酸盐纤维 以及保温涂料等，在我国也有一定量的生产和应用i l6 。 随着我国提出的可持续性发展目标的实施，建筑行业作为一个耗能最大的行业之一，建 筑节能具有深远的意义。我国要成为经济大国，能源问题不容忽视，无机保温砂浆的使用不 3 东南大学硕士学位论文 仅可以节省很多能源( 比如电能，水能等) ，还可以综合利用矿产废渣、工业废料。无机保温 砂浆的应用过程中，难免存在着一些问题。目前我国大量应用在土建工程上的浆体保温材料 仍然是以传统浆体膨胀珍珠岩保温材料为主，其吸水率很大，抗裂性、耐侯性差，应用有很 大局限性，施工时需多次成活，施工效率低下，保温砂浆为现场配制，其质量不易控制和保 证。另外，中国作为一个发展中的大国，工农业正呈现出蓬勃发展的新局面，因此我国和其 它发展中国家一样面临环境污染日益加剧的问题。所以，如何利用工业的废弃物开发出性能 优异的保温材料实现节能降耗、节约资源、减小环境污染，是当前我国浆体保温材料研究的 热点，是适合中国国情的保温材料研究方向。 1 3 课题研究内容 本项目研究以炉底渣为主，辅以保水、增稠和早强作用的添加剂，通过大量试验，研制 成功了既可节约水泥，又能改善干粉砂浆物理力学性能的矿物增稠剂。采用此矿物增稠剂研 究开发出的干粉砂浆不仅具有良好的流动性、保水性和强度，而且在生产过程中有效地利用 炉底渣和粉煤灰等工业废渣，因此，如能得到推广应用，不仅能大大改善施工现场脏、乱、 差的环境，而且可以将我国大量的炉底渣进行开发再利用，减少其对环境的污染，具有很好 的经济效益和社会效益。 针对目前我国在土建工程中大量使用的传统保温砂浆所存在的技术问题，从环境保护与 资源综合利用出发，研究开发综合性能更好的节能环保型浆体保温材料。 其具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以炉底渣为主作为保温骨料。从料的粒径、级配、孔隙率及孔结构入手，最大程度地 降低保温砂浆材料的导热系数，提高保温效果。 ( 2 ) 对炉底渣砂浆进行合理优化，配置出优质的保温砂浆外加剂，保证配置的干粉砂浆 不仅具有良好的流动性、保水性和强度，还具有低导热和低成本的优势。 ( 3 ) 优选其它外加原材料，并通过实验运用数理统计的理论和方法确定保温砂浆最佳配 比。 ( 4 ) 对所研制保温材料的性能机理进行深入的分析。 1 4 课题研究意义 目前，配制外墙外保温用干粉砂浆所用集料，一般为天然河砂，经水洗、烘干并筛分分 级而成，在外保温用干粉砂浆中所占比例一般为5 0 0 旷7 0 ，其作为骨料直接关系到成品砂 浆的质量。由于河道砂源已经枯竭，北京市已禁止天然砂的开采，用砂一般由外地运来，增 大了外保温砂浆用砂的成本。本着减少炉底渣堆存、降低骨料的表观密度、节约天然砂石资 源的目的，我们对电厂炉底渣代替天然砂用于外墙外保温干粉砂浆生产的技术途径进行了试 验研究。这对工业废渣的资源再利用、减少环境污染、提高砂浆的保温性能、对墙体材料革 新和建筑节能具有重要的意义。 4 第二章建筑保温 2 1 建筑保温传热理论 2 1 1 建筑传热过程 第二章建筑保温 建筑物的房间是借助围护结构而与外界环境隔开，并通过房间采暖和空气调节在室内创 造出一定的热湿环境和空气条件 1 7 - 1 9 】。但建筑物在实际的使用过程中其内部的热力系统要受 到室外的空气湿度、温度、太阳辐射强度、风向、风速以及临室空气温湿度等外扰因素的影 响。这些因素以通过热交换和通过空气交换两种方式影响室内的热湿状态。通过热交换是指 周围空气温度及太阳辐射都会通过不透明的板擘围护结构和半透明的门、窗、玻璃等向房间 进行热交换，以及太阳辐射透过半透明的玻璃向房间射入辐射热等。建筑的板壁围护结构主 要指：外墙、屋顶等围护结构，地面、内墙等围护结构和外窗、外门等。外扰通过板壁围护 结构的热传递过程，不论是以导热还是以辐射形式进行，不论是立即影响到室内还是逐渐影 响到室内，都是首先作用到围护结构的内表面使其温度发生变化，然后再以对流形式与室内 空气发生热交换，从而影响室内的热环境。 2 1 2 建筑传热方式 传热是热量从高温区向低温区自发的流动，是一种由温度差引起的能量转移现象。自然 界里，无论在任何一种介质内部，还是在两种介质之间，只要有温度差存在就会出现传热过 程。导热，是依靠物体内分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在宏观上物体各部分 无相对位移的热传递现象。在固体、液体和气体中均可发生，但在地球重力场的作用范围内， 单纯的导热过程只会发生于密实的固体中。对于墙体导热主要发生在材料内部。 热对流，是依靠流体分子的随机运动和流体整体的宏观运动，将热量从一处传到另一处 的现象。主要发生在液体和气体中，但在多孔性的固体绝热材料中，孔隙内的气体也会发生 对流传热。在传热和绝热工程中，对流传热须与固体壁发生接触才能完成，因此存在流体与 固体壁接触的换热现象。当流体经过物体表面时，只要二者存在温度差，即有换热现象出现。 在壁面附近，由于流体的速度很低，热量的传递主要是通过分子的随机运动来实现，可以将 其看作是导热和对流同时存在的过程。对于墙体，热对流主要发生在墙内表面与室内空气换 热和墙外表面与室外对流换热。 热辐射，是依靠物体表面对外发射电磁波而传递热量的现象。任何物体，只要其温度大 于绝对温度o k ，都会对外辐射能量，并且不需要直接接触和传递介质，当辐射电磁波遇到 其它物体时，将有一部分转化成热量。物体的辐射随着温度的升高而增大，当两物体存在温 差时，由于辐射力的差异，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的 能量，其结果为热量从高温物体传递给低温物体。对于墙体，发生热辐射与发生热对流是同 时进行的。 从建筑传热的角度出发，除考虑墙体所起的作用，还必须考虑居住舒适性。分两种情况： 一是冬季墙体的保温。冬季为了保持室内的温度，室内的温度必须大于室外的温度。此时墙 体的散热是在室内温度不随时间变化的条件下进行的，因而称之为稳定传热，稳定传热对墙 东南大学硕士学位论文 体材料的保温性要求高。其二，是夏季墙体的隔热。由于室外温度随时间变化，作用于墙体 通过传热而使室内温度也随之变化，故称之为不稳定传热。为了使室内温度不升高，对于墙 体材料的隔热性要求高。 2 1 3 材料的绝热性 绝热就是最大限度的阻抗热量的传递。所以，就要求绝热材料须具有较小的导热系数、 换热系数和辐射换热系数，或由绝热材料组成的绝热层具有较高的热阻值1 2 呲5 。从以上分析 的导热机制上看，材料的导热系数主要受下列因素影响： 1 材料的组成与结构 有机高分子材料的导热系数小于无机材料。无机材料中，非金属的导热系数小于金属材 料；气态物质的导热系数小于液态物质，液态物质小于固体。 2 表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。其体积既包括固体部分的体积又包 括孔隙的体积。在低温状态下，孔隙中的气体可以看作是无对流的静止气体，仅有导热，没 有对流换热。由于静止空气的导热系数比固体的导热系数小，所以，随着孔隙率的提高或表 观密度的降低，其导热系数变小。对于多孔材料，假设固体部分的导热系数为五。，气体部 分的导热系数为兄名g ，孔隙率为p ，则其总体导热系数一般介于k 和k 之间a k = 乃一( 以一以) p ( 2 1 ) 九n = a g + 坠( a , - g , g ) p ( 2 2 ) 由以上我们可以看出，材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降低的。当表 观密度小于某一个临界值后，由于孔隙率太高，空隙中的空气开始产生对流，同时由于气体 对热辐射的阻抗能力很低，如果孔隙率过高，辐射传热也相应加强，这时材料的总传热系数 反而增大。如下图所示： 导 执 系 数 度 暑 犬 父 、 辐射传热 密度k g m 3 图2 - i 材料密度与导热系数的关系 6 第二章建筑保温 对于多孔绝热材料，只有当材料导热系数、对流换热系数a 和辐射换热系数气三者之和 最小时，才具有最低的绝热性能。此时材料的表观密度，称为最佳密度。 3 孔隙的大小与特性 在表观密度相同的条件下，孔隙的尺寸越小，导熟系数越小。当孔径小至一定尺寸后， 空气将完全被气孔壁吸附，孔隙接近于真空状态，导热系数降到最小。当孔隙体积大到一定 程度，孔隙内部空气出现对流，导热系数变大。对于相同孔隙率和孔径尺寸，当孔隙彼此连 通时，导热系数较大；当孔隙彼此密封时，导热系数较小。 4 湿度 水的导热系数比静止空气的导热系数大得多，因此，材料的孔隙吸水后或材料的平衡含 水率提高，导热系数相应增大。 5 热流方向 如果材料是各向异性的，则在不同方向上的导热系数也各不相同，甚至差别很大。所以， 为降低材料的导热系数必须尽可能的减小热流方向性的影响。 6 温度 由于辐射传热的影响，多孔材料的导热系数一般随着温度的升高而增大。二者的关系如 下： a = 九+ b t p j ( 2 3 ) 其中五一常温下的导热系数w ( m k ) ： 卜系数； l ，一内外表面的平均温度，。 但对于多孔固体材料的辐射传热，可以通过增加孔隙壁的数量来增大热阻。这与孔隙体 积较小有利于防止对流传热是一致的。所以，材料的孔隙率越大，尤其是体积小而且封闭的 孔隙越多，对降低材料的导热系数越有利。通过以上对影响材料导热系数的因素的分析可以 知道，要使得材料的绝热性能提高可以通过以下途径获得： 1 尽量降低材料的表观密度，使其表观密度符合绝热最佳密度。 2 尽量采用有机高分子材料和无定形的无机材料。 3 在材料的表观密度尽可能达到绝热最佳密度时，应尽可能增加材料内部的孔隙数量， 孔隙细小，呈封闭状态，通过孔隙壁对孔隙内的气体分子吸附作用，而使孔隙内能 自由运动的气体分子数量尽可能小。 4 材料中使用纤维时，应尽量减小纤维的直径避免形成热流方向的不利影响。 保温砂浆是采用水泥、粉煤灰等凝胶材料与炉底渣等轻质多孔骨料按一定比例配制的砂 浆，其组分和配比决定了热工性能描述热工性能的参数主要包括导热系数、蓄热系数、比热、 导温系数、蒸汽渗透系数等，其中导热系数和蓄热系数对砂浆的保温性能影响最大，因此， 可直接反映保温性能的优劣。导热系数和蓄热系数作为保温砂装的主要参数，分别用于描述 反映保温砂浆在稳定和周期性不稳定传热状态时的保温性能。它反映了保温砂浆的导热能力， 在同样温差下，导热系数值越小，导热能力越弱，保温性能越好。，蓄热系数反映了材料对 波动热作用反应的敏感程度，在同样波动热的作用下，蓄热系数越大，表面温度波动越小， 热稳定性好。其数值取决于材料的导热系数、比热、密度，同时也因波动热作用的周期而异。 保温砂浆的绝热机理遵循热量传递的基本规律，即通过保温砂浆的热量与导热系数成正比， 与法线方向的温度梯度成正比，与厚度成反比，即保温砂浆保温性能与导热系数和温差成反 比，与厚度成正比，而蓄热系数与导热系数成正比。因此，控制保温砂浆的导热系数和蓄热 7 东南大学硕士学位论文 系数在规定的范围内，就能改善保温砂浆的热工性能。 砂浆的绝热性能直接由导热系数和蓄热系数反映，影响两系数的主要因素有以下几方面。 保温砂浆的组分与配比线膨胀系数保温砂装厚度保温砂浆的施工质量。 2 2 常用保温体系 早些年，国家把建筑节能的重点放在采暖地区，那是因为与夏热冬冷地区的建筑能耗相 比，当时采暖地区的建筑能耗要高得多。但是到了今天，情况已经而且还将发生重大的变化， 夏热冬冷地区夏季空调和冬季采暖所消耗的能源正在增加而且还将有大幅度的增加：另一方 面由于长期以来对建筑节能工作不够重视，导致该地区的建筑围护结构保温隔热性能不足。 所以对夏热冬冷地区的节能工作而言，经济而有效的措施仍是通过提高围护结构材料保温性 能，达到减少建筑能耗的目的。目前，江苏地区应用较为广泛的外墙外保温形式有以下几种 2 5 - 2 9 1 ： 2 2 1 聚苯颗粒保温砂浆外保温系统 采用聚苯乙烯颗粒作为轻集料来配制保温砂浆。该技术包含保温层、抗裂防护层和抗渗 保护面层( 或是面层防渗、抗裂的二合一砂浆层) 。该施工技术简便，可以减少劳动强度，提 高工作效率，不受结构质量差异的影响，对有缺陷的墙体施工时墙面不需修补找平，直接用 保温料浆找补即可，避免了因找平抹灰过厚而脱落的现象。同时该技术解决了外墙保温工程 中因使用条件恶劣造成界面层易脱粘、空鼓、面层易开裂等问题，从而实现外墙外保温技术 的重要突破。 1 饰面为涂料的基本构造如图a 2 饰面为黏贴面砖的基本构造如图b 燃 ( a ) 基层墙体 界面砂浆 保温砂浆 抗裂砂浆 涂层饰面层 燃 燃 图2 - 2 e p s 保温砂浆构造图 基层墙体 界面砂浆 保温砂浆 钢丝网 抗裂砂浆 面砖饰面层 对于表面粘贴饰面砖等重质饰面的外墙体来说，由于饰面砖具有一定的重量，若砂浆层 的粘结强度较低，那么在表面粘贴饰面砖后很容易发生竖向的滑移，严重的还会发生饰面砖 的脱落，影响建筑物的表面装饰效果。因而针对这种外墙体，要采用具有较高力学性能的 e p s 保温砂浆配方，高层建筑使用时还应在抗裂砂浆中挂热镀锌钢丝网进行加强处理，并用 膨胀螺栓进行锚固。并且在这种保温砂浆的配制时，不建议使用膨胀剂，虽然抗裂性能要稍 8 第二章建筑保温 差一些，但基本不会影响砂浆的使用性能。 以上系统适用于新建居住建筑、公共建筑各种墙体的外墙保温，各类既有建筑的节能改 造工程。适用于外墙涂料饰面或面砖饰面，低层建筑文化石等重质饰面。保温层厚度根据热 工要求由设计确定。 2 2 2 外挂式外保温系统 外挂的保温材料有岩( 矿) 棉、玻璃棉毡、聚苯乙烯泡沫板、陶粒混凝土复合聚苯仿石装 饰保温板、钢丝网架夹芯墙板等。该外挂技术是采用粘接砂浆或者是专用的固定件将保温材 料贴、挂在外墙上，然后抹抗裂砂浆，压入玻璃纤维网格布形成保护层，最后加做装饰面。 由于外挂板式结构面密度较小，不适合采用面砖饰面的形式，一般采用涂料饰面。同时，由 于外挂板材保温层多为空腔结构，抗风压和压剪粘结性较差，容易出现表面裂缝、空鼓和脱 落等技术问题。 下图是以e p s 板为例，附加玻纤网格布增强抹面层和外饰面为保护层，采用粘结的方 式固定的外墙保温系统。 1 基层 2 粘结层 3 e p s 板 4 辅助锚栓 5 标准网 6 薄抹面层 7 饰面层 8 保护层 图2 - 3 e p s 板系统构造图 2 2 - 3 硬质聚氨酯泡沫塑料外保温系统 用聚氨酯发泡工艺将聚氨酯保温材料喷涂于基层墙体上，聚氨酯保温材料面层用轻质找 平材料进行找平。它拥有连续致密的表皮及闭孔率高达9 5 以上的互联壁高强度蜂窝结构， 具有理想的不透水性和良好的水蒸汽渗透阻；采用现场寅接喷涂技术，可以在建筑物外墙及 屋面形成无接缝的连续防水保温层，饰面层可采用涂料或面砖等进行装饰。该材料具有优良 的自粘结性能，与外墙及屋面粘结牢固，其化学性质稳定，使用寿命长；其导热系数低于 0 0 2 2w ( m k ) ，远远优于传统的保温材料。该工艺保温效果好，可达到国家第三步6 5 的 节能目标，而且施工速度快，能明显缩短工期。但是该系统工装投入较大，所需设备复杂， 同时对工人的技术要求高。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 保温计算 常见的墙体保温系统多设置在外墙外侧，由墙体、保温系统、和饰面层构成，起保温隔 热、防护和装饰作用。保温层是整个保温系统的功能主体，在基层结构和材料性能稳定的情 况下，墙体的保温隔热性能( 传热阻和热惰性指标) 将主要取决于保温层厚度1 3 0 - 3 2 1 。 下面以江苏省民用建筑热环境与节能设计标准( d b 3 2 4 7 8 - 2 0 0 1 ) 中的规定( 见表2 1 ) 对保温层厚度计算方法作简要的阐述。 表2 1 墙体传热阻值r ( m 2 k w ) 注：( 1 ) p 为太阳辐射吸收系数；( 2 ) 墙体冷桥处传热阻应不小于o 5 2m 2 l ：( 3 ) 当体型系数超过0 3 5 时，南墙、东西墙的传热阻按北墙采用。 2 3 1 保温层设计厚度计算 1 )确定外墙节能设计指标 根据民用建筑地理区位、体型系数、墙体方位热惰性指标和太阳辐射吸收系数确定墙体 最小传热阻，具体数值见表2 1 。 2 )外墙主体部位构造与热工计算 外墙主体通常由基层墙体、保温系统和饰面系统构成。基层墙体可为现浇混凝土、预制 混凝土或混凝土空心砌块、烧结多孔砖、灰砂砖、炉渣砖和页岩模数砖等；保温系统常见的 为e p s 保温砂浆体系、e p s 板系统等；饰面层为涂料和瓷砖饰面两种。本文以胶粉聚苯颗 粒保温砂浆为例说明主墙体的热工计算。 现假设基层墙体为k p l 多孔砖，外墙主体部位的构造简图及其性能如图2 - 4 和表2 2 所示。 1 0 第二章建筑保温 l23 4 j砖砌体外墙 1 内 。 2 。 厂 内外外u 外墙主体构造简图构造柱节能构造简图 图2 4 外墙主体和构造柱部分的构造简图 表2 2 水泥基复合保温砂浆外墙外保温构造 基本数a胜mi 7 4 5 m i n裟： 安定性( 雷氏值)5 m m2 0 m m 细度( $ 0 1 a m ) ( ) 1 0 04 0 3 d3 54 6 抗折强度( m p a ) 2 8 d 6 58 2 抗压强度( m p a ) 3 d1 6 03 2 4 2 跚4 2 56 2 3 比表面积( m 2 k g ) 3 5 03 4 8 3 1 2 细集料 砂：炉底渣，产地：南通华能电厂，细度模数为2 0 3 ，堆积密度为6 4 0k g m 3 ，表观密 度为1 9 9 0k g m 3 ，空隙率为6 8 ，含泥量为1 4 7 。 轻质保温砂浆制备技术研究试验采用电厂炉底渣作为砂浆的细骨料，电厂轻质炉底渣 ( 粒径1 8 5 m m ) ，分为粗、中、细三类，其基本性能见表3 4 。 1 6 第三章原材料与试验方法 表3 4 轻质砂的幕本性能 3 1 3 聚丙烯纤维 江苏无锡生产的“安固斯”牌聚丙烯纤维，其长度为1 0 m m ，直径2 0 “m ，纤维的主要 物理性能指标见表3 5 。 表3 5 聚丙烯纤维的力学性能和物理性能 项目指标 抗拉强度( m p a ) 弹性模量( m p a ) 断裂延伸率( ) 熔点( ) 密度( 眺m 3 ) 形状 吸湿性( ) 4 8 1 5 0 0 l 2 6 8 1 6 7 0 9 l 束装单丝 d 2 ) 、小( 2 d 1 ) 、极细( 】 d ) ，分 z u 对应的权值是3 、2 、1 ，0 5 。每一权值和相应的长度的乘祝2 和即为开裂指数。本试验选 取了4 纽配台比的保温砂浆进行了抗塑性开裂试验，砂浆配音比如表5 3 。 表53 # t l 匕g ) 5 22 砂装塑性开裂试验结果及分析 砂浆平扳开裂试验结果列于表5 4 中部分开裂的平板如图5 2 。 口啊 目5 2 # 十* * * a 从表5 4 可以看出，砂浆在i ：2 的灰砂比下，膨润七、膨润十和乳腔粉复掺后的砂浆 开裂指数都要大干空白组，在同膨润上掺量的情况下乳胶耪和纤维的加入都改善r 砂浆的 抗开裂性能。 k 3 组添加了可再分散乳胶粉后开裂指数由2 5 3 1 5 降低到了2 3 2 ，提高了约83 的抗塑 性开裂的能力。这是因为可再分散乳睃粉形成的膜层具有较高的变形能山，可以吸收缺陷和 微裂纹扩展所需的能量，从而对砂浆的抗裂性得到提高”“9 “。 在砂浆中掺入纤维，有效降低了开裂指数，相对