建筑绝热保温和吸声隔声是节约能源、降低环境污染、提高建筑物使用功能非常重要的方面。随着人民生活水平的逐步提高,人们对建筑物质量的要求越来越高。建筑用途的扩展,使对其功能方面的要求也越来越高。因此建筑绝热吸声材料的地位和作用也越来越受到人们的重视。
1 绝热材料的分类
绝热(保温、隔热)材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体;绝热制品则是指被加工成至少有一面与被覆盖面形状一致的各种绝热材料的制成品。
材料保温隔热性能的好坏是由材料导热系数的大小所决定的。导热系数越小,保温隔热性能越好。材料的导热系数与其成分、表观密度、内部结构以及传热时的平均温度和材料的含水量有关。绝大多数建筑材料的导热系数介于0.023~3.49W/(m•K)之间,通常把λ值不大于0.23的材料称为绝热材料,而将其中λ值小于0.14的绝热材料称为保温材料。根据材料的适用温度范围,将可在零摄氏度以下使用的称为保冷材料,适用温度超过1000℃者称为耐火保温材料。习惯上通常将保温材料分为三档,即低温保温材料(使用温度低于250℃);中温保温材料(使用温度250~700℃);高温保温材料(使用温度700℃以上)。
除节能这一主要功能外,建筑绝热材料还应具备如下功能:(1)绝热保温或保冷,阻止热交换、热传递的进行。(2)隔热防火。(3)减轻建筑物的自重。
绝热材料的选用应符合以下基本要求。(1)具有较低的导热系数。优质的保温绝热材料,其导热系数一般不应大于0.14W/(m•K),即具有较高孔隙率和较小的表观密度一般不大于600kg/m3。(2)具有较低的吸湿性。大多数保温材料吸收水分之后,保温性能会显著降低,甚至会引起材料自身的变质,故要使保温材料处于干燥状态。(3)具有一定的承重能力。保温绝热材料的强度必须保证建筑和工程设备上的最低强度要求,其抗压强度大于0.4MPa。(4)具有良好的稳定性和足够的防火防腐能力。(5)造价经济,易成型和施工方便。
2 绝热材料的基本要求和使用功能
绝热材料是用于减少结构物与环境热交换的一种功能材料。建筑工程中使用的绝热材料,一般要求其导热系数不宜大于0.23W/(m•K),表观密度不大于600kg/m3,抗压强度不小于0.4MPa。在具体选用时除考虑上述基本要求外,还应了解材料在耐久性、耐火性、耐侵蚀性等方面是否符合要求。
导热系数(λ)是材料导热特性的一个物理指标。当材料厚度、受热面积和温差相同时,导热系数(λ)值主要决定于材料本身的结构与性质。因此,导热系数是衡量绝热材料性能优劣的主要指标。λ值越小,通过材料传送的热量就越少,其绝热性能也越好。材料的导热系数决定于材料的组分、内部结构、表观密度;也决定于传热时的环境温度和材料的含水量。通常表观密度小的材料其孔隙率大,因此导热系数小。孔隙率相同时,孔隙尺寸大,导热系数就大;孔隙相互连通比相互不连通(封闭)者的导热系数大。对于松散纤维制品,当纤维之间压实至某一表观密度时,其λ值最小,则该表观密度为最佳表观密度。纤维制品的表观密度小于最佳表观密度时,表明制品中纤维之间的空隙过大,易引起空气对流,因而其λ值增加因为水的λ值[0.58W/(m•K)]远大于密闭空气的导热系数[0.023W/(m•K)]。当受潮的绝热材料受到冰冻时,其导热系数会进一步增加,因为冰的λ值为2.33W/(m•K),比水大。因此,绝热材料应特别注意防潮。
当材料处在0~50℃范围内时,其λ值基本不变。高温时材料的λ值随温度的升高而增大。对各向异性材料(如木材等),当热流平行于纤维延伸方向时,热流受到的阻力小,其λ值较大;而热流垂直于纤维延伸方向时,受到的阻力大,其λ值就小。
为了常年保持室内温度的稳定性,凡房屋围护结构所用的建筑材料,必须具有一定的绝热性能。在建筑中合理地采用绝热材料,能提高建筑物的效能,保证正常的生产、工作和生活。在采暖、空调、冷藏等建筑物中采用必要的绝热材料,能减少散热损失,节约能源,降低成本。据统计,绝热良好的建筑,其能源消耗可节省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。
3 常用的绝热材料
绝热材料的品种很多,按材质可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。按形态可分为纤维状、多孔(微孔、气泡)状、层状等数种。目前在我国建筑工程中应用比较广泛的纤维状绝热材料如岩矿棉、玻璃棉、硅酸铝棉及其制品,以木纤维、各种植物秸杆、废纸等有机纤维为原料制成的纤维板材;多孔状绝热材料如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、微孔硅酸钙、泡沫石棉、泡沫玻璃以及加气混凝土,泡沫塑料类如聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯以及酚醛、脲醛泡沫塑料等;层状绝热材料如铝箔、各种类型的金属或非金属镀膜玻璃及以各种织物等为基材制成的镀膜制品。
此外,玻璃绝热、吸声材料的种类有许多,如热反射膜镀膜玻璃、低辐射膜镀膜玻璃、导电膜镀膜玻璃、中空玻璃、泡沫玻璃等建筑功能性玻璃。反射型绝热保温材料如铝箔波形纸保温隔热板、玻璃棉制品铝复合材料、反射型保温隔热卷材和AFC外护绝热复合材料也都得到了长足发展,产品的品种、质量和数量都在迅速提高。随着我国对建筑围护结构热工标准的逐步提升,对该类建筑材料的需求将会大大增加。
(1)无机散粒绝热材料
常用的无机散粒绝热材料有膨胀珍珠岩和膨胀蛭石等。
1)膨胀珍珠岩及其制品
膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩煅烧而成,为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。建筑上广泛用于围护结构、低温及超低温保冷设备、热工设备等处的隔热保温材料,也可用于制作吸声制品。
膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为主,配合适量胶凝材料(水泥、水玻璃、磷酸盐、沥青等),经拌和、成型、养护(或干燥,或固化)后而制成的具有一定形状的板、块、管壳等制品。
2)膨胀蛭石及其制品
蛭石是一种天然矿物,在850~1000℃的温度下煅烧时,体积急剧膨胀,单个颗粒体积能膨胀约20倍。膨胀蛭石的主要特点:表观密度80~900kg/m3,导热系数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、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。其水泥制品通常用10%~15%体积的水泥,85%~90%的膨胀蛭石及适量的水经拌和、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 0.08~0.10W/(m•K),抗压强度0.2~1MPa,耐热温度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(NaSiF6)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900℃。
(2)无机纤维状绝热材料
常用的无机纤维有矿棉、玻璃棉等。可制成板或筒状制品。由于不燃、吸音、耐久、价格便宜、施工简便,而广泛用于住宅建筑和热工设备的表面。
1)玻璃棉及制品
玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成的一种纤维状材料。一般的堆积密度为40~150kg/m3,导热系数小,价格与矿棉制品相近。可制成沥青玻璃棉毡、板及酚醛玻璃棉毡和板,使用方便,因此是广泛用在温度较低的热力设备和房屋建筑中的保温隔热材料,还是优质的吸声材料。
2)矿棉和矿棉制品
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、铜矿渣和其它矿渣等,另加一些调整原料(含氧化钙、氧化硅的原料)。岩石棉的主要原料是天然岩石,经熔融后吹制而成的纤维状(棉状)产品。矿棉具有轻质、不燃、绝热和电绝缘等性能,且原料来源丰富,成本较低,可制成矿棉板、矿棉防水毡及管套等。可用作建筑物的墙壁、屋顶、顶棚等处的保温隔热和吸声。
(3)无机多孔类绝热材料
多孔类材料是指材料体积内含有大量均匀分布的气孔(开口气孔、封闭气孔或二者皆有)。主要有泡沫类和发气类产品。
1)泡沫混凝土
是由水泥、水、松香泡沫剂混合后经搅拌、成型、养护而成的一种多孔、轻质、保温、隔热、吸声材料。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约为300~500kg/m3,导热系数约为0.082~0.186W/(m•K)。
2)加气混凝土
是由水泥、石灰、粉煤灰和发气剂(铝粉)配制而成的一种保温隔热性能良好的轻质材料。由于加气混凝土的表观密度小(500~700kg/m3),导热系数值[0.093~0.164W/(m•K)]比粘土砖小,因而240mm厚的加气混凝土墙体,其保温隔热效果优于370mm厚的砖墙。此外,加气混凝土的耐火性能良好。
3)泡沫玻璃
由玻璃粉和发泡剂等经配料、烧制而成。气孔率达80%~95%,气孔直径为0.1~5㎜,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0.8~15MPa。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。
4)硅藻土
由水生硅藻类生物的残骸堆积而成。其孔隙率为50~80%,导热系数约为0.060W/(m•K),因此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。
(4)有机绝热材料
1)泡沫塑料
泡沫塑料是以各种树脂为基料,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、耐热、吸声、防震性能的材料。目前我国生产的有聚苯乙烯泡沫塑料,其表观密度为20~50kg/m3,导热系数为0.038~0.047W/(m•K),最高使用温度约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30~65kg/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,还有脲醛泡沫塑料及制品等。该类绝热材料可用作复合墙板及屋面板的夹芯层及冷藏和包装等绝热需要。
2)窗用绝热薄膜
用于建筑物窗户的绝热,可以遮蔽阳光,防止室内陈设物褪色,降低冬季热量损失,节约能源,增加美感。其厚度为12~50μm,使用时将特制的防热片(薄膜)贴在玻璃上,其功能是将透过玻璃的阳光反射出去,反射率高达80%。防热片能够减少紫外线的透过率,减轻紫外线对室内家具和织物的有害作用,减弱室内温度变化程度,也可以避免玻璃碎片伤人。
3)植物纤维类绝热板
该类绝热材料可用稻草、木质纤维、麦秸、甘蔗渣等为源料经加工而成。其表观密度约为200~1200kg/m3,导热系数为0.058~0.307W/(m•k),可用于墙体、地板、顶棚等,也可以用冷藏库,包装箱等。

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