《建筑材料与检测技术》-第10章

绝热材料是防止住宅、生产车间、公共建筑及各种热工设备中热量传递的材料，也就是具有保温隔热性能的材料。在土木工程中，绝热材料主要用于墙体和屋顶保温隔热，以及热工设备、采暖和空调管道的保温，在冷藏设备中则大量用作保温。在建筑物中合理采用绝热材料，能提高建筑物使用效能，保证正常的生产、工作和生活，能减少热损失，节约能源。据统计，具有良好的绝热功能的建筑，其能源可节省25%～50%。因此，在建筑工程中，合理地使用绝热材料具有重要意义。具有较强的吸收声能、减低噪声性能的材料称为吸声材料。为了改善声波在室内传播的质量，保持良好的音响效果和减少噪声的危害，在音乐厅、影剧院、大会堂、播音室及噪声大的工厂车间等室内的墙面、地面、顶棚等部位，应选用适当的吸声材料。10.1

概述返回10.2.1绝热材料基本要求1.绝热材料基本要求绝热材料的基本要求是：导热系数不宜大于0.23W/(m·K)，表观密度不宜大于600kg/m3，抗压强度则应大于0.3MPa。由于绝热材料的强度一般都很低，因此，选用时除了能单独承重的少数材料外，在围护结构中，经常把绝热材料层与承重结构材料层复合使用。如建筑外墙的保温层通常做在内侧，以免受大气的侵蚀，但应选用不易破碎的材料，如软木板、木丝板等；如果外墙为砖砌空斗墙或混凝土空心制品，则保温材料可填充在墙体的空隙内，此时可采用散粒材料，如矿渣、膨胀珍珠岩等。屋顶保温层则以放在屋面板上为宜，这样可以防止钢筋混凝土屋面板由于冬夏温差引起裂缝，但保温层上必须加做效果良好的防水层。总之，在选用绝热材料时，应结合建筑物的用途、围护结构的构造、施工难易、材料来源和经济核算等综合考虑。10.2

绝热材料下一页返回对于一些特殊建筑物，还必须考虑绝热材料的使用温度条件、不燃性、化学稳定性及耐久性等。2.影响材料导热性的主要因素(1)材料的组成及微观结构。不同的材料其导热系数是不同的。一般来说，导热系数以金属最大，非金属次之，液体再之，气体最小。对于同一种材料，其微观结构不同，导热系数也有很大的差异，一般地，结晶体结构的最大，微晶体结构的次之，玻璃体结构的最小。对于绝热材料来说，由于孔隙率大，气体(空气)对导热系数的影响起主要作用，而固体部分的结构不论是晶态还是玻璃态，对导热系数的影响均不大。(2)表观密度与孔隙特征。由于材料中固体物质的热传导能力比空气大得多，故表观密度小的材料，因其孔隙率大，导热系数小。在孔隙率相同时，孔隙尺寸越大，导热系数越大；连通孔隙的比封闭孔隙的导热系数大。10.2

绝热材料上一页下一页返回对于纤维状材料，当纤维之间压实至某一表观密度时，其导热系数最小，该表观密度称为最佳表观密度。当纤维材料的表观密度小于最佳表观密度时，其导热系数反而增大，这是由于孔隙增大且相互连通，引起空气对流的结果。(3)材料的湿度。材料吸湿受潮后，其导热系数增大，这在多孔材料中最为明显。这是由于水的导热系数0.58W/(m·K)远大于密闭空气的导热系数0.023W/(m·K)。当绝热材料中吸收的水分结冰时，其导热系数会进一步增大。因为冰的导热系数2.33W/(m·K)比水的大。因此，绝热材料应特别注意防水防潮。(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。10.2

绝热材料上一页下一页返回(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，热流受阻小，故导热系数大。而热流垂直于纤维方向时，热流受阻大，故导热系数小。以松木为例，当热流垂直于木纹时，导热系数为0.17W/(m·K)，而当热流平行于木纹时，则导热系数为0.35W/m·K。上述各项因素中以表观密度和湿度的影响最大。因而在测定材料的导热系数时，也必须测定材料的表观密度。至于湿度，通常对多数绝热材料可取空气相对湿度为80%～85%时材料的平衡湿度作为参考值，应尽可能在这种湿度条件下测定材料的导热系数。10.2.2常用绝热材料绝热材料按化学成分可分为有机和无机两大类；按材料的构造可分为纤维状、松散粒状和多孔状三种。通常可制成板、片、卷材或管壳等多种型式的制品。一般来说，无机绝热材料的表观密度较大，但不易腐朽，不会燃烧，有的能耐高温。10.2

绝热材料上一页下一页返回有机绝热材料则质轻，绝热性能好，但耐热性较差。现将土木工程中常用的绝热材料简介如下。1.纤维状保温隔热材料这类材料主要是以矿棉、石棉、玻璃棉及植物纤维等为主要原料，制成板、简、毡等形状的制品，广泛用于住宅建筑和热工设备、管道等的保温隔热。这类绝热材料通常也是良好的吸声材料。(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、石棉纸板和石棉毡等制品。由于石棉中的粉尘对人体有害，因此民用建筑中已很少使用，目前主要用于工业建筑的隔热、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)；岩石棉的主要原料为天然岩石(白云石、花岗石或玄武岩等)。10.2

绝热材料上一页下一页返回上述原料经熔融后，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、天花板等处的保温隔热和吸声材料，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的纤维材料，包括短棉和超细棉两种。短棉的表观密度为40～150kg/m3，导热系数为0.035W/(m·K)～0.058W/(m·K)，价格与矿棉相近。可制成沥青玻璃棉毡、板及酚醛玻璃棉毡、板等制品，广泛用在温度较低的热力设备和房屋建筑中的保温隔热，同时它还是良好的吸声材料。超细棉直径在4μm左右，表观密度可小至18kg/m3，导热系数为0.028W/(m·K)～0.037W/(m·K），绝热性能更为优良。(4)植物纤维复合板。植物纤维复合板是以植物纤维为主要材料加入胶结料和填加料而制成。10.2

绝热材料上一页下一页返回其表观密度为200～1200kg/m3，导热系数为0.058W/(m·K)，可用于墙体、地板、顶棚等，也可用于冷藏库、包装箱等。木质纤维板是以木材下脚料经机械制成木丝，加入硅酸钠溶液及普通硅酸盐水泥，经搅拌、成型、冷压、养护和干燥而制成。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、保温和绝热的材料。(5)陶瓷纤维绝热制品。陶瓷纤维是以氧化硅、氧化铝为主要原料，经高温熔融、蒸汽(或压缩空气)喷吹或离心喷吹(或溶液纺丝再经烧结)而制成，表观密度为140～150kg/m3，导热系数为0.1160～0.186W/(m·K)，最高使用温度为1100～1350℃，耐火度≥1770℃，可加工成纸、绳、带、毯、毡等制品，供高温绝热或吸声之用。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℃锻烧，体积急剧膨胀，单颗粒体积能膨胀约20倍。10.2

绝热材料上一页下一页返回膨胀蛭石的主要特性是表观密度为80～900kg/m3，导热系数为0.046～0.070W/(m·K)，可在1000～1100℃温度下使用，不蛀、不腐，但吸水性较大。膨胀蛭石可以呈松散状铺设于墙壁、楼板、屋面等夹层中，作为绝热、隔声之用。使用时应注意防潮，以免吸水后影响绝热效果。膨胀蛭石也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合，浇制成板，用于墙、楼板和屋面板等构件的绝热。其制品通常用10%～15%体积的水泥，85%～90%体积的膨胀蛭石，适量的水经拌和、成型、养护而成。其制品的表观密度为300～550kg/m3，相应的导热系数为0.08～0.l0W/(m·K)，抗压强度为0.2～1.0MPa，耐热温度为600℃。水玻璃膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石、水玻璃和适量氟硅酸钠(Na2SiF6)配制而成。其表观密度为300～550kg/m3，相应的导热系数为0.079～0.084W/(m·K)，抗压强度为0.35～0.65MPa，最高耐热温度为900℃。10.2

绝热材料上一页下一页返回(2)膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩锻烧而成的，呈蜂窝泡沫状的白色或灰白色颗粒，是一种高效能的绝热材料。其堆积密度为40～500kg/m3，导热系数为0.047～0.070W/(m·K)，最高使用温度可达800℃，最低使用温度为－200℃。具有吸湿小、无毒、不燃、抗菌、耐腐、施工方便等特点。建筑上广泛用作围护结构、低温及超低温保冷设备、热工设备等的绝热保温材料，也用于制作吸声制品。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为主，配合适量胶结材料(水泥、水玻璃、磷酸盐、沥青等)，经拌和、成型和养护(或干燥，或固化)后制成板、块和管壳等制品。3.多孔性板块绝热材料(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。10.2

绝热材料上一页下一页返回以托贝莫来石为主要水化产物的微孔硅酸钙，表观密度约为200kkg/m3，导热系数为0.047W/(m·K)，最高使用温度约为650℃。以硬硅钙石为主要水化产物的微孔硅酸钙，其表观密度约为230kg/m3，导热系数为0.056W/（m·K)，最高使用温度可达1000℃。用于围护结构及管道保温，效果较水泥膨胀珍珠岩和水泥膨胀蛭石为好。(2)泡沫玻璃。泡沫玻璃是由玻璃粉和发泡剂等经配料、烧制而成。气孔率为80%～95%，气孔直径为0.1～5.0mm，且大量为封闭而孤立的小气泡。其表观密度为150～600kg/m3，导热系数为0.058～0.128W/（m·K），抗压强度为0.8～15.0MPa。采用普通玻璃粉制成的泡沫玻璃最高使用温度为300～400℃，若用无碱玻璃粉生产时，则最高使用温度可达800～1000℃，耐久性好，易加工，可满足多种绝热需要。(3)泡沫混凝土。泡沫混凝土由水泥、水、松香泡沫剂混合后，经搅拌、成型、养护而制成的一种多孔轻质、保温、绝热、吸声的材料。10.2

绝热材料上一页下一页返回也可用粉煤灰、石灰、石膏和泡沫剂制成粉煤灰泡沫混凝土。泡沫混凝土的表观密度为300～500kg/m3，导热系数为0.082～0.186W/(m·K)。(4)加气混凝土。加气混凝土是由水泥、石灰、粉煤灰和发泡剂(铝粉)配制而成。是一种保温绝热性能良好的轻质材料。由于加气混凝土的表观密度小300～800kg/m3，导热系数0.10～0.20W/(m·K），要比烧结普通砖小许多，因而24cm厚的加气混凝土墙体，其保温绝热效果优于37cm厚的砖墙。此外，加气混凝土的耐火性能良好。(5)硅藻土。硅藻土是由水生硅藻类生物的残骸堆积而成。其孔隙率为50%～80%，导热系数为0.060W/(m·K)，具有很好的绝热性能。最高使用温度可达900℃。可用作填充料或制成制品。(6)泡沫塑料。泡沫塑料以各种树脂为基料，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一种具有轻质、保温、绝热、吸声、抗震性能的材料。10.2

绝热材料上一页下一页返回目前我国生产的有：聚苯乙烯泡沫塑料，其表观密度为15～60kg/m3，导热系数为0.038～0.047W/(m·K)，最高使用温度为70℃；聚氯乙烯泡沫塑料，其表观密度为12～75kg/m3，导热系数为0.031～0.045W/(m·K)，最高使用温度为70℃，遇火能自行熄灭；聚氨酯泡沫塑料，其表观密度为24～80kg/m3，导热系数为0.035～0.042W/(m·K)，最高使用温度可达120℃，最低使用温度为-60℃。此外，还有脉醛树脂泡沫塑料及其制品等。该类绝热材料可用于复合墙板及屋面板的夹芯层、冷藏及包装等绝热需要。由于这类材料造价高，且具有可燃性，因此应用上受到一定限制。今后随着这类材料性能的改善，将向着高效、多功能方向发展。如表10-1所示。10.2

绝热材料上一页返回10.3吸声材料10.3.1吸声材料基本要求衡量材料吸声性能的重要指标是吸声系数。当声波遇到材料表面时，一部分被反射；另一部分穿透材料，其余的声能转化为热能而被吸收。被材料吸收的声能E(包括部分穿透材料的声能在内)与原先传递给材料的全部声能E0之比，称为吸声系数，用公式表示如下：