（材料学专业论文）节能环保型保温材料的研制.pdf

节能环保型保温材料的研制 专业：材料学 硕士生：桑国臣 指导老师：尚建丽教授 摘要 保温材料是目前国内外建筑节能材料领域内的研究热点，由于浆体保温材 料的施工方便、亲和性好、成本低等特点使其成为保温材料体系的一个重要组成 部分。 目前在土建工程中应用的浆体保温材料主要是膨胀珍珠岩类传统浆体保温 砂浆，其综合性能较差，已经越来越不能满足实际工程的需要。本文针对传统保 温砂浆的性能缺陷，利用废弃的聚苯乙烯颗粒的保温优势，开发研制节能环保型 保温材料。课题研究中，首先采用特殊的改性工艺及外加剂实现对聚苯乙烯颗粒 表面的成功改性，使其表面由憎水转化为完全亲水，确保与无机材料的复合质量； 其次，通过采用优化骨料级配及使用复合纤维等措施解决了保温材料的轻质与强 度的矛盾，使保温材料在满足必要的强度的前提下，导热系数降至最小：并且， 课题研究中成功解决了纤维在保温材料中均匀分散的问题，达到了抑制保温材料 收缩的目的：最后，通过采用复合外加剂、合适的胶凝材料及合理的配比等措施 确保该保温材料具有良好的和易性，满足施工的要求。 节能环保型保温材料走的是绿色建材之路，有利于资源的可持续利用和促 进环境保护。 节能环保型保温材料适合我国国情，它的成功研制具有重要的现实意义。 关键词：保温材料聚苯乙烯颗粒导热系数节能环保 s t u d y o ft h e e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n g a n d e n e r g y - s a v i n gi n s u l a t i n gm a t e r i a l s s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ：s a n g g u o c h e n i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o r s h a n g j i a n l i a b s t r a c t n o w a d a y s ，m a n yr e s e a r c h e r s i nt h ef i e l do f e n e r g y - s a v i n gb u i l d i n gm a t e r i a l sa g e e n g a g e d i nt h es t u d yo f i n s u l a t i n gm a t e r i a l sb o t ha th o m e a n da b r o a d t h ep a s t yb u i l d i n g i n s u l a t i n gm a t e r i a li sa ni m p o r t a n tp a r to f t h eb u i l d i n gi n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，b e c a u s eo fi t s c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n ，g o o da f f i n 赴ya n dl o wc o s t i n g t h i s p a p e r a i m sa t d e v e l o p i n g t h e e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n g a n d e n e r g y - s a v i n g i n s u l a t i n gm a t e r i a l sb yu t i l i z i n gt h es u p e r i o r i t yo fp o l y s t y r e n ei ni n s u l a t i o nt oo v e r c o m e t h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a l i n s u l a t i n gm a t e r i a l si nt h es t u d y s e v e r a lp r o b l e m sa r e s o l v e d f i r s t l y , t h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i co fp o l y s t y r e n ep a r t i c l ei sc h a n g e df r o mw a t e r d e t e s t i n g t ow a t e ri n t i m i t y b yu s i n gs p e c i a lt e c h n i q u e sa n da d m i x t u r e ss ot h a tt h e c o m p o u n dq u a l i t y w i t h i n o r g a n i c m a t e r i a l si s i n s u r e d s e c o n d l y ，t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h ew e i g h ta n ds t r e n g l 如i ss o l v e dt h r o u g ho p t i m i z i n gt h e p a r t i c l es i z ea n du s i n g c o m p o s i t ef i b e ra n dt h eb e s th e a tc o n d u c t i v i t yi sa c h i e v e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e n e c e s s a r ys t r e n g t hi sm e t ，i nt h er e s e a r c hp r o c e s s , t h ea u t h o rs o l v e dt h ep r o b l e mo ff i b e r d i s p e r s i n g i n i n s u l a t i n gm a t e r i a l ss ot 1 1 a tt h ec o n t r a c t i o no ft h em a t e r i a li sc o n t r o l l e d f i n a l l y ，b e t t e rw o r k i n gq u a l i t yo fi n s u l a t i n gm a t e r i a l si sa c h i e v e dt om e e tt h en e e do f c o n s t r u c t i o nb yc h o o s i n gb e t t e rc o m p o s i t ef i b e r ，c e m e n ta n d a p p r o p r i a t em i xp r o p o r t i o n t h eu t i l i z a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n ga n d e n e r g y - s a v i n gi n s u l a t i n gm a t e r i a l s t ot h es u s t a i n i n gu s eo f r e s o u r c e sa n dp r o m o t e st h ep r o t e c t i o no f t h ee n v i r o n m e n t t h ee n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n ga n d e n e r g y s a v i n gi n s u l a t i n gm a t e r i a l si sc o n s i s t e n tw i t h t h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r ya n dt h ea c h i e v e m e n to ft h es t u d yo nt h i sm a t e r i a li so f g r e a t s i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：i n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，p o l y s t y r e n ep a r t i c l e , h e a tc o n d u c t i v i t y ，e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n g 声明 y 6 1 7 0 1 2 本人郑重声明我所呈交的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，除了文中特别加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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文储签名弗j 胡吐眺一哥细 关子论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，h p ： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 甚一签菇娃新签名船砀慨呻 6 ) 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 序言 人类的现代文明依赖于能源、信息和材料三大支柱。能源问题是当前世界各国普 遍重视的闯题，被列为人类面临的四大生存问题之一。1 。面随着工业文明的快速发展， 地球上可被人类利用的石油、煤炭等资源正在日渐枯竭，对于人类而言能源危机总的 趋势不可避免。自上个世纪7 0 年代世界性能源危机发生以来，人类已逐渐的认识到 无节制的使用能源，必然加剧能源危机程度，最终自毁人类生存的环境。由于受科学 技术发展水平的制约，人类开发能够从根本上解决能源危机的新能源尚需时曰，所以 如何高效的节自就成为了当前解决问题的关键。我国是能源相对缺乏的国家，随着经 济建设的高速发展，能源短缺已经成为了制约国民经济发展的重要因素，在1 9 9 0 1 9 9 5 年五年间，我国国内生产总值平均年增长率为1 2 ，而一次商品能源平均年增 长率为3 6 。我国民生领域能源消耗巨大，其中建筑能耗在我国的总能耗中占有较 大的比重，约为百分之三十左右。近些年我国的城乡建筑发展迅速，每年建成的住宅 面积，城镇已达4 5 亿i l l 2 ，农村达到7 8 亿m 2 ，全国每年建成的房屋建筑面积达到 1 卜1 7 亿2 。现在全国城乡既有建筑面积已超过3 6 0 亿m 2 ，但其中按采暖节能标准建 造的只有1 3 亿m z ，只限于少数城市的居住建筑，而且与气候条件相近的发达国家相 比，我国居住建筑单位面积采暖能耗明显偏高，约为他们的3 倍左右。随着高能耗建 筑冬季采暖与夏季空调使用的日益普遍，能源浪费必将更加严重。最近几年以及今后 相当长的一段时间里，我国的能源增长速度还会滞后于生产总值的增长速度，因此为 了尽快解决能源短缺越来越制约国民经济发展的局面，我国已将节约能源作为经济工 作的一项长期任务，并将节能问题列为我国经济建设的战略重点。 建筑节能，是指提高建筑物中的能源利用率，即采取积极有效的措施在建筑物中 合理的使用能源，有效地利用能源。我国的建筑节能工作已开展了二十多年，尤其近 些年随着建筑业的快速发展，国家更加大了在建筑领域可持续发展的力度。1 9 8 6 年 国家颁布民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 提出节能3 0 ，1 9 9 6 年又 颁布了民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ，提出节能5 0 ，并采取了诸 多措施，推动建筑节能工作的发展。由于建筑材料及建筑保温材料是实现建筑节能的 最基本的条件，我国加大在此方面的重视。在建筑物的围护结构中，不论是商用建筑 还是民用建筑，逐步推广使用轻质高效的玻璃棉、岩棉、泡沫塑料等保温材料，以尽 可能的降低建筑物的能耗。近年我国采暖地区的城镇新建采暖住宅建筑面积逐年递 增，按最少每年增加1 亿f n 2 计算。1 ，若所有建筑都能达到国家标准要求节能5 0 的指 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 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。 然而我国保温材料工业发展相对较跪，大多数用于工业窑炉、热力管道和设备、 冷库及交通运输等领域。近些年我国在建筑节能领域取得了长足进展，但与发达国家 相比，在生产技术和产品种类上仍有很大的差距。”。就建筑用保温材料而言，目前发 达l 雪家的建筑围护均采用高效复合绝热材料和密封性能优良的门窗，而我国目前大量 使用的保温隔热材料仍然性能较差，同时外墙、外窗漏风严重。以我国华北地区典型 的3 7 c m 砖墙多层住宅为例，与气候条件相近的发达国家相比，单位面积能耗外墙为 发达国家的4 5 倍，屋顶为2 5 5 5 倍，外窗为1 5 2 2 倍。可见我国的建筑能 耗远高于发达国家。 由于建筑节能制约建筑可持续发展，开发研制节能环保型保温材料对降低建筑能 耗有着不可低估的作用，本课题就在这种需求下提出的。 i 2 国内外保温材料的研究现状 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，瑞典及芬兰等西欧国家8 0 以上的岩棉制品用于建筑节能啪1 。 国外一些发达国家早在7 0 年代末就已经开始了建筑节能的工作，强制建筑业在新建 建筑中执行节能标准，美国在1 9 7 5 年第一次颁布了a s h r a e ( 美国采暖、卷4 冷及空调 工程协会) 标准9 0 一7 5 “新建筑物设计节能”。以此为基础，1 9 7 7 年1 2 月官方正式颁 布了“新建筑物结构中的节能法规”，并在4 5 个卅| 内收到很明显的节能效果。美国国 家能源局、标准局及全国建筑法规和标准大会，不断地在建筑节能设计等方面提出新 的内容，每五年便对a s h r a e 标准进行一次修订。发达国家对建筑节能的重视和采取 一些行之有效的措旌取得了巨大的成效，使整个国家的建筑能耗大幅度下降。如丹麦 1 9 8 5 年比1 9 7 2 年采暖面积增加了3 0 9 6 ，但采暖能耗却减少了3 1 8 万吨标准煤，采暖 能耗占全国总能耗的比重，也由3 9 9 6 下降为2 8 ：美国自从制定和执行一部节能标准 至今己节约了大量资金耗费，估计到2 0 1 1 年，在此基础上又节约4 3 0 亿美元。由此 可见，国外的建筑节能法规3 0 多年来取得了多么显著的社会效益和经济效益。 建筑节能不仅仅是建筑节能法规的颁布执行，它的实现还涉及一个庞大的产业群 体，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重视，新型保温材料不断的涌现。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 西安建筑科技大学硕士学位论文 曼曼詈曼皇皇! 曼蔓曼曼皇e 曼曼詈暑蔓i ii 薯e 鼻曾量曼量蔓| 曼曼皇喜 “，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对是以点固定为主、面固定为辅，板材之问要进行 必要拼接、粘结，不适应外形较复杂的建筑物的保温，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，因此对建筑物的外装 饰如面砖、涂料的使用或施工构成了很大的制约。不定型的浆体保温材料可以克服 板材类的这些不足，因此其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。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，以及日后的处理问题，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， 它节约了自然资源，降低了废弃物流对环境的压力，同时在生产过程中消耗较少的能 量。例如美国十分鼓励在保温材料工业中大量使用可再回收利用的原料，美国环境保 护总局( e p a ) 规定了如果想要获得超过i 0 0 0 0 美元联邦基金的资助，建筑工程中选 用保温材料所含最低回收利用成分必须达到规定标准。 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 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，本课题 从环境保护与瓷源综合利用出发，研究开发综合性能更好的节能环保型浆体保温材料。 西安建筑科技大学硕士学位论文 其具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以废弃的e p s 颗粒为主并配有部分轻质膨胀珍珠岩作为保温骨料。从保温骨 料的粒径、级配、孔隙率及孔结构入手，最大程度地降低材料的导热系数，增强材料 的保温效果。 ( 2 ) 对e p s 颗粒进行合理改性，克服e p s 亲水性差的缺陷，确保与无机材料的有 效复合，实现对废弃e p s 的再利用。 ( 3 ) 优选其它原材料，并通过实验运用数理统计的理论和方法确定最佳配合比。 ( 4 ) 对所研制保温材料的性能机理进行深入的分析。 本课题是以硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，配有适量的复合纤维，充分利用e p s 耐化学腐蚀性优良，不吸水，韧性大，抗裂性好等特点，开发一种导热系数小、施工 方便、使用安全的粉粒状涂抹式保温材料。 1 4 课题研究意义 本论文从建筑保温节能的观点出发，针对我国北方地区，尤其是部分夏热冬冷地 区的气候条件而研制的一种具有保温性能好、相关技术性能优良、施工方便、成本低、 便于推广等优点的节能环保型浆体保温材料。该材料的成功研制及推广必将对广大地 区的墙体改革的顺利进行和建筑节能事业的发展产生一定的推动作用。 近年来由于工业的高速发展，聚苯乙烯的生产和使用日益增大，由此造成大量废 弃的聚苯乙烯，已成为严重影响生态环境良性发展的“白色垃圾”。而本课题所研制 的节能环保型保温材料是以废弃的e p s 颗粒为主要原料，变废为宝，综合利用资源， 具有积极的环保作用。同时，浆体保温材料符合我国国情，研制和开发高性能节能环 保型浆体保温材料，推动墙体材料的改革以满足对建筑保温及环境保护的要求，具有 重要的现实意义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 传热理论 2 1 1 建筑传热过程 2 建筑传热过程及理论研究基础 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“。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壁围护结构和 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 i 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，因此存在流体与圆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。 西安建筑科技大学硕士学位论文 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0k ，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 温度随时问变化，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。 本课题主要针对北方寒冷地区的建筑保温而提出的。因此主要是以稳定传热为基 础。 1 墙体的稳定传热 ( 1 ) 墙体内表面吸热 由于室内的温度大于室外的温度，室内的热量通过墙体向室外传递时，必然形成 室内温度、墙体内表面温度、墙体自身温度、墙体外表面温度及室外温度依次递减的 温度状态。墙体内表面向外侧传热的同时必须从室内空气中得到相等的热量，否则就 可能保持墙体内表面温度的稳定。在这一过程中，既有与室内空气的对流换热，同时 存在内表面与室内空间各相对表面的辐射换热。 q 。= 口，( f 。一只) ( 2 一1 ) 其中：q i 单位时间通过单位面积墙体的导热量( w m 2 ) ； a 墙体外表面的换热系数( w m 2 k ) ； 口墙体内表面温度( ) ； t ，室内空气温度( ) 。 ( 2 ) 墙体材料层导热 墙体内表面吸热后，通过墙体材料向墙体外表面传递，若墙体由单一材料组成， 则设墙体材料的导热系数为 ，厚度为d ，两侧的温度为只和口。，且只 口。，根据导 热计算公式可知： ， q ，= 三( 只一以) ( 卜2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 其中：目，单位时间通过单位面积墙体的导热量( w m 2 ) o j 墙体内表面温度( ) ； 见墙体外表面温度( ) 。 可见，通过墙体的导热量除与材料层的厚度有关外，与材料层的导热系数密切相 关。为降低墙体的导热量必须设法降低材料的导热系数。 ( 3 ) 墙体外表面散热 由于墙体外表面温度见高于室外空气温度。即以 t e ，墙体外表面向室外空气 和环境散热。外表面的散热是对流换热和辐射换热的综合，但由于换热条件的变化， 所以换热系数亦随之变动。散热量为： q 。= a 。 - t 。) ( 2 3 ) 其中：g e 单位时间单位面积墙体外表面散出的热量( w m 2 ) ； 瑾e 墙体外表面的换热系数( w m 2 k ) ； 包墙体外表面温度( ) ： e 室外空气温度( ) 。 ( 4 ) 墙体的传热系数 在稳定状态下，以上三种的导热量相等，改写为： r ，0 ，= 旦 “j 8 e 鼍= 彘 见一只2 。 三式相加，消去只、吼，得出墙体的传热热流密度： g ：t * 也一) 9 2 t 丌也一j 一十一十一 口 口。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 令： k = 1 丁，则称k 为墙体的传热系数， 二+ 二+ 二 q a 口。 1 令：r = ，则称r 为墙体的传热热阻。 丘 总之，墙体传热热阻丑越大，通过墙体所传出的热量就越少。墙体的传热热阻与 传热系数互为倒数关系，因此传热系数和传热热阻都是衡量墙体在稳定传热条件下的 重要热工指标。 2 墙体的不稳定传热 建筑物在自然条件下使用，其实际气候因素的变化都近于周期性如：春夏秋冬的 变化、昼夜的交替，以及固定的某段时间气候变化因素等，都可以认为是周期性的热 作用。在周期性热作用中，最简单、最基本的是简谐热作用，即温度随时间呈正弦函 数或余弦函数的规律变化。在简谐热作用下，材料和墙体内部温度的分布、温度波波 幅的衰减程度以及相位的延迟多少，都与所选的材料、构造情况和边界条件有直接的 关系。其中蓄热系数是一个主要的指标，建筑材料在周期性波动的热作用下，均有蓄 存热量和放出热量的能力，借以调节材料层表面温度的波动。在实际的工程实践中， 墙体的厚度是有限的。在此情况下，材料层受到简谐温度波作用时，其表面温度的波 动与各构造层组成材料的热物理性能有密切关系。由此可见，墙体阻止热量的传递很 大程度上依赖于组成墙体材料的保温性。 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州。 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 ，气体部分的导热系数为飞，孔隙率为p ，则其总体导热系数一般介 于“l u i 和“一之问。 西安建筑科技大学硕士学位论文 一= 以一忆一以j p ( 2 _ 4 ) k n 2 石泞砺 僻s ) 由以上我们可以看出，材料的导熟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 热 系 数 | 矢 最目 泣 土 辐射传热 密度k g m 3 图2 1 材料密度与导热系数的关系 对于多孔绝热材料，只有当材料导热系数五、对流换热系数口w 和辐射换热系数 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，导热系数越小。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，孑l 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： 五= 九+ 6 l ( 2 川) 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 其中：九常温下的导热系数，w ( m k ) ； b 系数； 乙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： i 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。 2 2 节能环保型保温材料的特征要求 2 。2 1 保温材料的强度 本课题中提出保温材料强度与轻质的矛盾统一是需要解决的关键，也是研究的难 点之一。本课题采用的思路如下： ( 1 ) 保温材料中的骨料，均采用孔隙率大的轻质材料如；e p s 颖粒、膨胀珍珠岩等。 所以骨料的自身强度很小，基本上起不到“骨架”作用。为此，保温材料的强度主要 来自于无机胶凝材料。平用水化反应生成水化产物，形成由晶体和凝胶体组成的网状 结构，充填骨料间的空隙并将保温骨料和其它材料胶结在一起，从而形成强度。 ( 2 ) 然而无机胶凝材料与保温骨料存在亲和性问题。由于部分骨料表面的憎水性， 使得两种材料相互排斥，因此要求通过对保温骨料的表面改性，确保骨料与胶凝材料 的粘结强度，充分发挥其弹性增强效果，为保温材料提供足够的抗拉及抗折强度。从 而确保材料在使用中具备足够的抵抗外力破坏的能力。 2 2 。2 节能环保型保温材料的料抗裂性能 无机胶凝材料虽然提供了强度来源，但本身存在收缩的性质，因此在材料中必须 加入抑制收缩的组分。由聚丙烯为主要材料，加以增强添加剂及改性工艺制造而成的 高强度特种微纤维，能够在保温材料中起到明显的抑制收缩，防止开裂的作用。超强 丝表面的改性处理，使其同基料的结合力明显提高伽。而且掺入超强丝纤维能使材料内 西安建筑科技大学硕士学位论文 部的裂缝碰到邻近的微纤维时立即被阻挡，因而防止了裂缝的扩大，提高了保温材料 的断裂韧性，从而提高了保温材料的抗拉强度和因塑性收缩、温度应力、干缩等因素 导致的裂纹的抗裂能力。同时可以改善保温材料的抗冻融能力，延长保温材料的使用 寿命。 然而，实际工程中纤维往往因为分散问题而未能更好的发挥出阻裂、抗收缩的作 用。因此，纤维的分散以及与胶凝材料、保温骨料的均匀混合是本课题的难点之二。 2 2 3 节能环保型保温材料的保温性 导热系数是评定保温材料优劣的一个重要指标，目前大多数浆体保温材料的导热 系数偏高，或者单纯追求导热系数而影响其强度的获得。从理论上讲，孔隙多受力面 积减小，强度下降，或轻质骨料的比例不当而影响胶凝材料强度的发挥，降低了整体 强度。总之，在保证必要的强度下，能使导热系数减至最小，是本课题的难点之三。 2 2 4 节能环保型保温材料的施工性 传统的水泥膨胀珍珠岩保温砂浆吸水率很大，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。节能环保型浆体保温材料必须克服传 统保温砂浆存在的吸水性大、和易性差等问题，具有良好的触变性能，涂抹省力，易 于操作，施工性好，减少施工成活次数。同时对施工技术及施工工具要求较低，能显 著提高施工效率。并且突破传统保温砂浆现场配制质量不易控制的缺陷。 2 2 5 节能环保型保温韦砉料的环保性 - 资源的合理利用，包括两个方面：既要充分的发挥材料的可利用价值，又要注重 材料开发的节能环保作用。以废弃聚苯乙烯颗粒为主要的保温骨料，将其加以回收利 用，既有利于资源的可持续使用又有利于治理“白色垃圾”，净化生态环境。同时此材 料生产过程中没有废气、废渣、废液的产生，生产工艺简单，噪音很小不会影响工人 的健康。材料中所使用的组分，要考虑到无刺激性和放射性，在生产、施工及使用过 程中安全、无害。这也是开发新型保温材料的必要条件。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 原材料的选用 3 原材料选用及优化设计 浆体保温材料走的是“复合之路”可以综合各种组成材料的性能优势。但同时 每一种原材料都将不同程度的影响保温材料的性能，因此原材料的选用必须要慎重 全面的分析。 3 1 1 组成材料的分析 根据各组成材料在复合保温隔热材料中所起的作用及作用的主次关系，分为以下 几部分。其质量基本要求及作用见下表。 表3 一l 各组成部分的质量要求及作用 复合保温材料 预期发挥的主要作用质量基本要求 主要组成部分 降低复合材料的导热系质轻、导热系数小、级配良 保温组分( 保温骨料) 数，确保材料的保温性能。好，其它性能合格。 确保材料的掩体性和强无机材料的强度及其它性 胶凝组分( 无机胶凝材料) 度。能合格。 强度高、易分散、亲和性好、 纤维组分( 增强纤维)抗裂、增强、增韧、保温。 导热系数小，其它性能合格。 增强各组成材料与胶凝组分的 改性效果显著、憎水率高、 改性组分( 外加剂)亲和性、改善材料的憎水性、 增稠明显，其它性能合格。 浆体料的粘性及施工和易性。 根据四种组分所起作用的主次关系，优化选择原材料，以合适的比例复合在一起 才能使复合材料具备最佳的综合性能。 l ，保温骨料 目前在保温绝热制品中常用的保温骨料有无机骨料和有机骨料两大类。其中无机 骨料以膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和陶砂为代表。它们都具有表观密度小、导热系数小、 防火、防腐、化学性能稳定、无毒无味等特点，是良好的保温、隔热、吸音、耐腐蚀 的建筑材料。但由于吸水性较大，在应用时需进行必要的憎水处理。有机保温骨料主 要是指泡沫塑料，包括聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚 一1 2 - 西安建筑科技大学硕士学位论文 乙烯泡沫塑料和酚醛泡沫塑料等。它们具有比无机保温骨料更低的表观密度、导热系 数、吸水性，并且耐腐蚀、耐霉变的能力极强，但不耐高温、亲水性及与无机材料的 亲和能力较差。 ( 1 ) 无机保温骨料 常规的无机保温骨料的基本性能比较。 表3 2 无机保温骨料的基本性能比较 散粒堆积密度 导热系数化学稳定 粒径范围 骨料品种 ( w m k )颗粒形状性及耐腐 ( k g m 3 )( m ) 2 9 8 5 k 蚀性等 膨胀珍珠岩 7 00 0 4 9球形0 1 6 2 良好 ( 等品) 膨胀蛭石8 0 2 0 0 0 0 4 7 o 0 7层片状5 1 5 良好 陶砂3 0 0 0 0 9颗粒l 5 良好 从上表可以看出三种骨料的化学性能稳定性、耐腐蚀性等基本相同，但膨胀珍珠 岩导热系数最小，粒径适中、颗粒接近球形适合作为浆体材料的骨料，同时珍珠岩具 有的产地广、价格低廉等特点，用其作为保温骨料能够满足在土建工程中大量使用的 要求。因此，在研究开发的复合保温材料中最适合选用膨胀珍珠岩作为无机保温骨料。 无机多孔材料普遍具有吸水率大的特点，这对于浆体保温隔热材料的施工和应用都有 不利影响，为此在使用膨胀珍珠岩作为保温骨料时需对其进行必要的工艺处理，降低 吸水率。 ( 2 ) 有机骨料 有机骨料是指有机轻质泡沫塑料破碎后得到的粒状材料。 近半个世纪以来，泡沫塑料在工业发达国家发展迅速，尤其在美国、日本和欧洲 各国泡沫塑料的品种、产量都在迅速增加。相对而言，我国的泡沫塑料工业起步较晚， 目前我国泡沫塑料生产品种主要是聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料。 泡沫塑料，按其泡孔结构可分为闭孔、开孔和网状泡沫塑料三类。1 。几乎所有泡 孔都互不连通的泡沫塑料为闭孔泡沫塑料，几乎所有泡孔都互相连通的泡沫塑料为开 孔泡沫塑料，泡孔壁几乎全部被除掉的为网状泡沫塑料。按泡沫塑料的表观密度可将 其低发泡( 表观密度 0 4 9 c m 3 ) 、中发泡( o 4 9 c m 3 表观密度 0 1 9 c m ) 和高发 泡( 表观密度 9 6 4 5 1 2 o 2 5 r a m )( 1 0 0 0 x 1 2 h ) f 4 人类健康 本投入控制 个人伤害 制度审议 臭氧破坏影响 劳动力 水污染控经济损失 维修费用 化学光雾 社会福利 能源耗费制公共印象 未来市场 酸化资源影响 维护费用放射性损失变化耗费 生物体损 保险税危险物管理 害 收 原料废弃 水污染 制度协调物管理 1 由于材料的自身工艺特点及环保特性，其它产品的常规耗费如：空气污染控 制、水污染控制、放射性危险物管理、原料废弃物管理等不属于节能环保型浆体保 温材料的常规耗费范畴。节能环保型浆体保温材料的常规耗费，包括资本投入、设备 投入、劳动力、维护费用、保险、能源、原材料等几部分。而且该材料的生产设备简 单、工艺流程短( 一般8 lo f f l i n 藏可以将原材料加工成成品 、对生产人员的技术要 求低、劳动力成本低、原材料成本低( 以废弃的聚苯乙烯为主) ，所以节能环保型浆 体保温材料具有低资本投入，低能耗的特点。 2 、节能环保型浆体保温材料是一种新型的建筑材料，其生产企业必然以先进的 企业管理制度为产品的发展提供良好的条件，所以在“可能耗费”上，仅提供维修费 用、未来市场变化、个人伤害等少量资金就可以满足生产的要求。 3 、环保是节能环保型浆体保温材料的一个显著特点，由于其生产及使用过程中 没有“三废”的排放。所以该材料基本上不存在“环境耗费”。 由此可知该保温材料具有显著的经济性优势。 6 5 节能环保型保温材料的综合评价 绿色建筑材料的科学和权威的定义目前仍在研究确定阶段。绿色建筑材料的概念 来自于生态环境材料，其主要特征首先是节约资源和能源；其次是减少环境污染，避 免温室效应与臭氧层的破坏：第三是容易回收和循环利用。作为生态环境材料一个 重要分支，按其含义绿色建筑材料应指在材料的生产、使用、废弃和再生循环过程中 以与生态环境相协调，满足最少资源和艟源消耗，最小或无环境污染，最佳使用性能， 最高循环再利用率要求设计生产的建筑材料。节能环保型浆体保温材料在其生产及使 用过程中，最大程度的节约资源和能源，没有环境污染，具有技术先进性、绿色性、 经济性的显著特点，因此属于绿色建筑材料的范畴。它的成功研制适应了当前社会对 建筑产品的要求，对环境的保护做出了较大的贡献。随着节能环保型浆体保温材料的 不断发展和完善，必将对环境材料的发展起到一个推动作用 4 1 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 节能环保型保温材料的工程应用 通常建筑物的墙体保温分为外墙内保温和外墙外保温两种，但随着建筑保温节能 工作的不断推广和加强，在建筑保温的实际工程应用中，外墙外保温越来越显示出外 墙内保温所无法匹敌的优点。首先，外墙外保温能够保护建筑主体结构，延长建筑物 使用寿命。采用外墙外保温，由于保温层置于建筑物围护结构外测，缓冲了因温度变 化导致结构变形产生的应力，避免了冻融循环造成结构破坏，减少了空气中有害气体 和紫外线对围护结构的侵蚀。其次，外墙外保温墙体由于蓄热能力较大的结构层在墙 体的内侧，当室内受到不稳定热作用，室内空气温度上升或下降时，墙体结构层能够 吸收或放出热量，所以有利于室内温度保持温度。并且保温层在外侧，基本可以消除 了“热桥”的影响。另外，外保温可以使墙体的潮湿情况得