几种保温材料耐久性试验分析与应用

李玉娜 ，赵津津 ，彭丹 ，陈江涛 ，高欣 ，胡培峰

（1.郑州电力高等专科学校 动力工程系，河南 郑州 450000；2.南阳理工学院 建筑设计院，河南 南阳 473004）

0 前 言

随着我国建筑节能工作的不断开展，各种新型节能材料在建筑工程中得到了广泛应用[1]。保温系统在高温和寒冷环境下，对降低屋面结构负荷起着非常重要的作用[2]。丁杨等[3]利用软件对保温系统进行模拟研究，得出了不同的构造措施对传热的影响。在构造形式分析上，JED Oliveira等[4]通过一系列的实践对构造进行改进得到了屋面隔热效果的理论分析。SA和MF[5]在对节能建筑的保温隔热层的厚度进行研究时，认为厚度的选取还应考虑热桥的影响。Seo等[6]在三维热传导研究上，对自保温系统的三维稳态的传热模拟，得到了模拟计算可以减小建筑构件中的多维传热带来的计算误差。许凯等[7]通过对节能窗的数值模拟得出了三维传热模拟与二维传热模拟结果相差6%以上。张国永等[8]以烧结保温砌块为例，通过模拟计算分析了砌块的砌筑方式、砌筑砂浆、抹灰砂浆对墙体自保温系统热工性能的影响。崔嵛等[9]为了研究聚苯乙烯外墙保温系统火灾风险的问题，对比了3种火灾测试方法，得到了影响聚苯乙烯外墙保温系统火灾风险的关键因素。管旭东和孙立新[10]通过建立岩棉板薄抹灰外保温系统承载力试验分析模型，对不同构造类型的系统承载力、粘锚连接特性、典型墙材锚栓承载力等进行试验和数据分析。张苗等[11]通过采集试验表观现象、火焰蔓延特性、温度分布特性、系统损坏特征等耐火性能试验数据，综合比较分析了不同工况下不同燃烧性能等级的建筑幕墙外保温系统的耐火性能。朱保华和韩丽婷[12]介绍了由水性环氧树脂浸润剂处理的玻璃棉板外保温系统，包括系统组成和结构，系统施工工艺，并测试分析了其保温性能。闫坤惠和丁子虎[13]介绍了某保温装饰一体板外墙保温系统的保温性能的测试及优化过程。通过数值模拟、实验室测试找到了影响此保温系统保温性能的关键因素，提出了优化改进措施以及应用中需要特别注意的事项。毛朝君等[14]介绍了不燃外墙保温装饰系统的结构设计以及低密度泡沫混凝土基板的研究现状。采用正交试验确定低密度泡沫混凝土的生产配方，对其及生产工艺、连接饰面铝板与低密度泡沫混凝土的粘结剂选择、不燃保温装饰板成型工艺、装饰板粘锚结合施工方法、装饰板间的接缝的处理及排气孔的安装方式等进行研究。

本文结合混凝土耐久性试验标准，对市场常见的保温隔热材料进行耐候性试验，为今后设计与施工提供技术参考。

1 导热系数测试方法

导热系数的测试方法一般有稳态法和动态法2类。本文选择稳态法测试保温材料导热系数，先利用热源对样品加热，样品内部的温差热量从高温向低温处传导。

设在物体内部垂直于热传导方向相距h，即样品厚度，冷板热板温度分别设置为15℃和35℃。待检测样品内部形成稳定的温度分布后，导热系数测试仪根据这一温度分布按公式（1）计算出导热系数。

式中：△Q——热量；△t——时间差；λ——导热系数；A——材料接触面积；T1——热板温度；T2——冷板温度；h——样品厚度。

试验选用市场上常见的3种保温材料，南京凯凯聚氨酯有限公司生产的聚氨酯、北京高圣佳保温材料厂生产的挤塑聚苯板及北京中科新筑泡沫混凝土有限公司生产的泡沫混凝土进行4种耐久性试验，试验材料的主要性能及规格见表1。

表1 3种保温材料主要性能及规格

2 耐久性试验

湿热老化试验：根据GB/T 12000—2003《塑料暴露于湿热、水喷雾和盐雾中影响的测定》，将材料置于相对湿度93%，温度25℃12 h、40℃12 h的条件下进行循环试验，每隔7 d进行导热系数的测试。

冻融循环试验：参考混凝土的冻融循环试验方法，将保温材料放入-20℃冷冻机12 h，随后再将材料放入20℃的恒温恒湿箱中12 h，依次进行循环试验，每隔7 d进行导热系数的测试。

高低温循环：由于直接与外界环境相接触，最高温度为60℃，最低温度则为-20℃，每隔7 d进行导热系数测试。

干湿循环：参考GB/T 2423.34—2012《环境试验第2部分：试验方法试验ZAD：温度湿度组合循环试验》，将保温材料置于恒温恒湿箱中，每隔7 d进行导热系数的测试。

2.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到由水泥基胶凝材料、集料、掺合料、外加剂和水制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种适用于室内外垫层、屋面保温隔热、非承重墙体或隧道、基坑填充等多孔现浇混凝土及其制品。泡沫混凝土耐候性试验结果见图1。

图1 泡沫混凝土的耐久性试验结果

从图1可以看出，泡沫混凝土经湿热老化后导热系数总体减小，这可能是因为湿热循环过程中，水泥会进一步水化，加剧泡沫混凝土的硬化凝结，使得开口孔隙率降低，导热系数减小。而在冻融循环过程中泡沫混凝土的导热系数持续增大，从0.0778 W/（K·m）增大至56 d时的0.0870 W/（K·m），增加了11.8%，这是因为泡沫混凝土在冻融循环试验中泡孔剥落，质量下降，导致导热系数逐渐增大。而在高低温循环和干湿循环试验中，导热系数波动较大，可能是由高低温所产生的温度应力导致泡沫混凝土受拉破坏。

2.2 挤塑聚苯板

挤塑聚苯板耐久性试验结果见图2。

图2 挤塑聚苯板的耐久性试验结果

从图2可以看出，挤塑聚苯板经4种耐久性试验中导热系数均增大。在湿热老化试验中，挤塑聚苯板导热系数变化最大，从0.0185 W/（K·m）增大至56 d时的0.0210 W/（K·m），提高了13.5%。这是因为在高温情况下，高分子材料中的化学键出现断裂，导致化学成分发生降解，整个材料破坏，发生不可逆的变化而产生老化损伤。在冻融循坏试验中，挤塑聚苯板的导热系数从0.0193W/（K·m）增大至56d时的0.0204W/（K·m），提高了5.7%，这是因为在冻融循环过程中，孔隙被胀裂破坏，从而结构被破坏。在干湿循环试验中，挤塑聚苯板的导热系数从0.0183 W/（K·m）增大至56 d时的0.0193 W/（K·m），提高了5.5%，这是因为在干湿循环中会出现吸水膨胀，破坏材料结构。在高低温试验中，挤塑聚苯板的导热系数从0.0180 W/（K·m）增大至56 d时的0.0186 W/（K·m），提高了3.3%，这是因为高低温循环出现了温度差导致了材料被拉坏。

2.3 聚氨酯

聚氨酯发泡保温材料是一类以闭孔为主体且综合性能优异的高分子绝热材料，具有导热系数低、密度小、力学强度高以及防水性、粘结性、化学稳定性和隔声性好等优点，广泛应用于建筑墙体、屋面、天花板等保温系统中。聚氨酯保温材料的耐久性试验结果见图3。

图3 聚氨酯的耐久性试验结果

从图3可以看出，聚氨酯经4种耐候性试验中导热系数均增大。但在冻融循环试验中聚氨酯的导热系数变化最大，从0.015W/（K·m）增大至56d时的0.019W/（K·m），提高了26.7%。这是因为在冻融循环过程中孔隙会被胀裂破坏，从而结构被破坏。在湿热老化试验中，聚氨酯的导热系数从0.0140W/（K·m）增大至56 d时的0.0155W/（K·m），提高了10.7%。在干湿循环试验中，聚氨酯的导热系数从0.0150 W/（K·m）增大至56 d时的0.0183 W/（K·m），提高了22.0%；这是因为在干湿循环中会出现吸水膨胀，从而破坏材料的结构。在高低温试验中，聚氨酯的导热系数从0.0147 W/（K·m）增大至56 d时的0.0165 W/（K·m），提高了12.2%，这是因为高低温循环出现了温度差导致了材料被拉坏。

3 结 论

（1）泡沫混凝土经冻融循环试验导热系数变化最大，56 d后提高了11.8%；而经湿热老化循环试验，导热系数则会降低。根据这一特性，建议在湿热地区选用泡沫混凝土作为保温材料。

（2）挤塑聚苯板经4种耐久性试验导热系数均增大。但在湿热老化实验中导热系数变化最大，56 d后提高了13.5%，这是因为在湿热老化环境下，高分子材料中的化学键会出现断裂，导致化学成分发生降解，整个材料出现破坏，发生不可逆的变化而产生老化损伤。

（3）聚氨酯在4种耐候性试验中导热系数均增大。但在冻融循环试验中导热系数变化最大，56 d后提高了26.7%，这是因为在冻融循环过程中，孔隙会被胀裂破坏，从而结构被破坏。根据这一特点，有机类保温隔热材料挤塑聚苯板、聚氨酯导热系数受湿热老化影响较大，受冻融循环及干湿循环影响较小。建议在温度变化不是特别大的地区使用有机类材料作为保温材料。