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保温材料导热系数变化规律探究
摘要：随着我国被动式、超低能耗建筑的大力推广，围护结构外保温厚度也相应地大幅增加，这就对保温材料的导热系数提出了更高的要求，一方面要求更低的指标，另一方面要求更稳定的性能。本文针对四种常用超低能耗建筑保温材料在不同气候及其使用条件下的导热系数参数变化进行了研究，分别模拟大雨过后、大雪过后、极端冷热交替和暴晒雨淋老化四种气候测试条件，得出保温材料导热系数变化的稳定性关系，对实际工程的保温性能设计提出合理的建议。
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1、前言
目前我国建筑节能行业飞速发展，被动式、超低能耗建筑得以大力推广，而这些新型建筑中的围护结构是建筑节能的核心，其中保温材料的保温性能就显得尤为突出，衡量保温性能的指标就是导热系数。随着围护结构保温材料厚度的增加，在各种气候、天气的作用下，集中在材料内部的温度、湿度以及老化变化会对材料的导热系数产生不同的影响，能否保证其稳定性成了关键。众所周知，同样的外墙热阻性能指标，导热系数决定了设计厚度，这一点针对被动式、超低能耗建筑尤为明显。
从目前来看，保温材料的导热系数在各种条件下稳定性的问题经过实验室检测或现场检测的验证还较少，因此有必要对保温材料导热系数的稳定性进行检测研究。
2、材料选择
邓琴琴[1]通过对近零能耗建筑外墙外保温系统耐候性能测试得出石墨聚苯板（SEPS）系统>模塑聚苯板（EPS）系统>聚氨酯板（PU）系统>岩棉带系统>挤塑聚苯板（XPS）系统>岩棉板（RWP）系统>真空绝热板（VIP）系统。
由于模塑聚苯板与石墨聚苯板生产工艺、技术性质都较为相近，而石墨板导热系数优于模塑板，故仅选取石墨聚苯板进行测试。
由于岩棉板的压剪强度仅部分满足限量要求，不作为推荐使用，故舍去。
由于真空绝热板系统在实际测试中热阻下降较多，普遍超过理论值的20%，研究其导热系数稳定性参考价值不大，故也采取舍去原则。
最终选取石墨聚苯板（SEPS）、聚氨酯板(PU)、岩棉带、挤塑聚苯板（XPS）四种保温材料进行导热系数稳定性测试，每种材料选择两个不同厂家的产品进行，每组样品数量为2块。
3、试验设计
本测试模拟4种气候天气条件，分别为大雨过后、大雪过后、极端冷热交替、暴晒雨淋老化，具体方案设计如下。
(1）浸水试验（降雨后）。将材料在（23±2）℃水中浸泡96h，取出在（23±2）℃，（50±5)%RH环境下静置48h，测量初始导热系数和干燥后的导热系数。
(2）冻融循环试验（降雪后）。将材料放置于全自动冻融循环试验机中，先（20±2）℃水中浸泡8h，后在（-20±2）℃冷冻16h,30次循环后，取出在（23±2）℃，（50±5)%RH环境下静置48h，测量初始导热系数和冻融后的导热系数。
(3）耐久性试验（冷热交替）。将材料放置于高低温交变湿热试验箱中，先用1h升温加湿至（70±5）℃、（90±5)RH，并保持3h，后用1h降温至（-20±5）℃，并保持3h,30次循环后，取出在（23±2）℃，（50±5)%RH环境下静置48h，测量初始导热系数和耐久后的导热系数。
(4）老化试验（暴晒雨淋老化）。将材料放置于氙灯老化试验箱中，参照《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露滤过的氙弧辐射》（GB/T1865—2009)[2]中方法1循环A进行人工气候老化，试验时长1000h，取出在（23±2）℃，（50±5)%RH环境下静置48h，测量初始导热系数和老化后的导热系数。
4、试验结果
导热系数试验依据《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》（GB/T10295—2008）进行，由于孙立新[3]研究建筑保温材料导热系数环境影响因素得出同种材料在不同的平均温度下导热系数随着温度的变化幅度明显，而本研究主要针对导热系数稳定性，故仅对经过4种材料共8组样品测试了平均温度25℃为基准的导热系数，得到试验数据见表1～表4。
表1浸水试验测试结果比对
表2冻融循环试验测试结果比对
表3耐久性试验测试结果比对
表4老化试验测试结果比对
5、试验数据分析
5.1浸水试验结果分析
材料在浸水后，均在（23±2）℃，（50±5）%的标准环境下静置了48h，且测试样品厚度较薄，有利于水分释出，浸水吸收的水分基本都干燥完全，故4组结果均与初始导热系数基本一致，变化率都小于1.0%。
5.2冻融循环试验结果分析
4组材料中仅SEPS的导热系数变化不大，由于添加了石墨元素，性质较普通EPS更加稳定，测试结果基本与初始数据一致；无机材料岩棉带的变化率增长至3.0%～3.2%，冻融循环对材料内部结构的改变不大明显，对导热系数有一定的影响；PU、XPS两种有机材料增长最为明显，其中XPS的增长率为3.5%～7.9%,PU的增长率更是高达4.0%～11.5%，分析原因为这两种材料的开口孔隙都较大（行业标准对于XPS的吸水率规定为≤1.5%，对于PU的吸水率规定为≤3%），水的冻胀加速了孔隙的破坏，导致孔隙中含有更多的水，进一步导致导热系数的增大。
5.3耐久性试验结果分析
导热系数总体变化趋势同冻融循环试验。其中SEPS测试数据同初始数据相比依然变化很小；岩棉带、PU、XPS的导热系数增长率略大于冻融试验的增长率，分析应该是提高了温差和温度变化的频率，缩短了循环时间，对材料的破坏速度略微有提升，因此表现为小幅度增长。
5.4老化试验结果分析
3组有机材料导热系数增长变化明显，可以看到增长幅度超过冻融试验及耐久试验，且在1000h（约42d）后，表面均出现不同程度的变色现象，放置48h后也未能恢复初始状态，为不可逆改变，光照和水的共同作用破坏了高分子材料的内部结构，导致导热系数大幅增大，保温效果折扣明显；老化试验对于无机材料岩棉来说有一定影响，但从数据看来不及耐久试验的作用大，18min淋水时间不能让水完全渗透进有憎水性的岩棉中，对导热系数有一定影响。
5.5同一材料在不同条件下试验结果比对
从上述数据比对不难看出，耐水试验在仅仅有水的作用下，经过一定时间的干燥后，材料的导热系数是可以比较快的恢复到初始状态的；耐冻融、耐湿热冷冻试验由于从单一状态变成了循环状态，不仅有水的作用，同时还有剧烈的温度变化作用，导致导热系数变化幅度明显；而耐湿热老化比耐冻融条件更加严苛，可以看出这种条件下对四种材料都有更加大的影响；老化试验由于加入光的因素，对于高分子有机材料的影响明显高于无机岩棉类材料。
6、结语
(1）在相同测试条件下，导热系数的稳定性排序：SEPS>岩棉带>XPS>PU。
(2）水对上述四种材料的导热系数的影响显著，在实际工程中，应采取有效措施防止雨水渗入，同时做好保温系统内部水蒸气散出。
(3）太阳光老化对于有机保温材料损伤严重，特别是外保温系统需要做好防护层，防止脱落，避免阳光和雨水直接作用于保温材料，导致材料老化，增大导热系数，形成热桥。
(4）以上测试只限于上述4种材料，对于广大的其他材料的研究还有待下一步继续的深入研究，希望研究结论对设计及应用单位的保温材料及保温系统的选用方面有所帮助。
参考文献：
[1]邓琴琴.近零能耗建筑外墙外保温系统性能检测研究[J].建筑节能,2018(8):13~18.
[2]GB/T1865-2009.色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露滤过的氙弧辐射[S].
[3]孙立新.建筑保温材料导热系数环境影响因素的确定及方法研究[J].建筑科学,2017(8):163~167.
江威,刘倩,曲军辉.保温材料自然气候模拟条件下导热系数的研究[J].绿色环保建材,2020(09):1-2.
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2020-09-11我要评论
期刊名称：建筑节能
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出版地方：辽宁
专业分类：建筑
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2020-09-11
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