陳培莉（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測站）

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淺談常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法及影響因素

陳培莉
（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測站）

【摘要】隨著我國建筑節(jié)能工作的不斷開展，各種新型節(jié)能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)熱系數(shù)是建筑節(jié)能材料主要的節(jié)能指標(biāo)。本文筆者將對常用建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法進(jìn)行簡要的闡述，并對其影響因素進(jìn)行探討，以確保提高測定方法的準(zhǔn)確性，減少誤差。

【關(guān)鍵詞】建筑材料；導(dǎo)熱系數(shù)；測定方法

1　引言

隨著我國建筑節(jié)能工作的不斷開展，各種新型節(jié)能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。建筑材料的絕熱性能是需要重點(diǎn)評定的指標(biāo)。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，對于建筑工程中所應(yīng)用的節(jié)能材料，在進(jìn)入施工現(xiàn)場之前應(yīng)對其導(dǎo)熱系數(shù)等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行見證取樣復(fù)驗(yàn)。然而，在實(shí)際的建筑工程中，一些檢測人員對于節(jié)能材料導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)的檢測標(biāo)準(zhǔn)、方法等并不熟悉，這就導(dǎo)致了檢測所得到的結(jié)果無法真實(shí)地反映節(jié)能材料的性能。本文將根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素進(jìn)行分析，主要的影響因素包括密度、濕度、分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、熱流方向、溫度等。并探討導(dǎo)熱系數(shù)的幾種主要測定方法，主要包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。以確保提高測定方法的準(zhǔn)確性，減少誤差。

2　導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素

導(dǎo)熱系數(shù)λ是指對于1m厚的材料的兩側(cè)溫度在1K或1℃的情況下，1s的單位時(shí)間內(nèi)通過1m2面積所傳遞的熱量，其單位為W/（m.K）。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的概念可以知道，材料的導(dǎo)熱系數(shù)值越大，則表示其絕熱性能就越差。對于不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)可能相差較大，并且材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素較大，一般情況下主要包括密度、濕度、分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分、熱流方向、溫度等。因此，為了準(zhǔn)確地測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)對材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素進(jìn)行分析和探討。

2.1密度

一般情況下，材料的密度越大，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越大，反之，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越小。而對于含有孔隙的材料而言，材料的導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素為材料的孔隙率和孔隙特征。一般情況下，材料的孔隙率越大，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越低。在材料的孔隙率相同的情況下，具有相互連通的孔隙的材料會(huì)比孔隙封閉的材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，這是因?yàn)檫B通的孔隙具有空氣對流的作用。此外，孔隙的尺寸越大，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越大。

2.2濕度

水的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比材料的導(dǎo)熱系數(shù)大很多，因此在材料受潮之后，材料的孔隙內(nèi)就會(huì)存在較多的水蒸氣和水，這就會(huì)提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下，材料的含水率越大，則導(dǎo)熱系數(shù)就越大。冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的導(dǎo)熱系數(shù)的4倍，如果材料中的水分被凍成冰，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比含水的材料大大增加。如表1所示為加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間的關(guān)系。

表1　加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間的關(guān)系

2.3分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分

材料的分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響非常大。比如說，玻璃體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比晶體的導(dǎo)熱系數(shù)小很多，這是因?yàn)椴Ａw物質(zhì)不能形成晶格的形式。而對于多孔材料而言，無論固體部分的結(jié)構(gòu)是晶體還是玻璃體，都不會(huì)對材料的導(dǎo)熱系數(shù)有較大的影響。這是因?yàn)槎嗫撞牧现饕怯善鋬?nèi)的空氣決定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而固體部分的影響就減弱了。

2.4熱流方向

對于各向異性的材料而言，材料不同方向的導(dǎo)熱性能會(huì)有所不同，因此熱流方向也會(huì)影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下，如果熱流沿著材料纖維的延伸方向，則熱量所受到的阻力就越小，導(dǎo)熱系數(shù)就大，反之，如果熱流沿著材料纖維的垂直方向，導(dǎo)熱吸水就越小。

2.5溫度

溫度會(huì)對材料的導(dǎo)熱系數(shù)造成較大的影響，這是因?yàn)闇囟仍礁撸牧瞎腆w分子的熱運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)，這就會(huì)增加材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁件的輻射作用。因此可以認(rèn)為，隨著溫度的增加，材料的導(dǎo)熱系數(shù)就增加。

3　導(dǎo)熱系數(shù)檢測方法

一般情況下，對建筑材材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定，可以采用的方法包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，其中穩(wěn)態(tài)法包括防護(hù)熱板法和熱流計(jì)法，而非穩(wěn)態(tài)法則包括脈沖法。以下將對這幾種導(dǎo)熱系數(shù)的檢測方法進(jìn)行介紹。

3.1穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)法具有的優(yōu)點(diǎn)為原理簡單、計(jì)算方便、精度高等，但是其試驗(yàn)裝置復(fù)雜、試驗(yàn)時(shí)間長，此外穩(wěn)態(tài)法對試件的要求較高。如果試件存在尺寸和平整度方面的穩(wěn)態(tài)，則會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻，這會(huì)影響測試的精度。

3.1.1防護(hù)熱板法

⑴原理

防護(hù)熱板法的基本原理為在穩(wěn)態(tài)條件下，防護(hù)熱板裝置的中心計(jì)量區(qū)域內(nèi)在具有平行表面的均勻板狀試件中，建立類似于以兩個(gè)平行勻溫平板為界，無線大平板中存在的一維恒定熱流。導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式如下：

式中，Q代表一維恒定熱流；A代表計(jì)算單元的面積；ΔT代表試件冷熱表面的溫度差；d代表厚度。

⑵裝置

一般情況下可以采用的防護(hù)熱板裝置為雙試件裝置和單試件裝置。在雙試件裝置中，兩個(gè)幾乎相同的試件中夾一個(gè)加熱單元，各個(gè)試件的外側(cè)設(shè)置一個(gè)冷卻單元。如圖1所示為雙試件防護(hù)熱板裝置。在單試件裝置中，加熱單元的一側(cè)用絕熱材料和背防護(hù)單元代替試件冷卻單元。

圖1　雙試件防護(hù)熱板裝置

⑶檢測要點(diǎn)

①試件的選擇與尺寸。當(dāng)采用雙試件防護(hù)熱板裝置進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)的檢測時(shí)，所采用的兩個(gè)試件的尺寸應(yīng)確保一致，根據(jù)要求，兩個(gè)試件的厚度誤差應(yīng)控制在2%以內(nèi)。試件的尺寸應(yīng)確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時(shí)其厚度不得小于實(shí)際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應(yīng)進(jìn)行加工，確保平整，并且與面板之間應(yīng)保證緊密接觸。試件表面的不平行度應(yīng)控制在厚度的±2%以內(nèi)。

③狀態(tài)調(diào)節(jié)。在對試件的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行檢測之前，應(yīng)將加工好的試件放置在干燥器內(nèi)進(jìn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。如果檢測的時(shí)間在試件從實(shí)驗(yàn)室空氣中吸收顯著水分所需要的時(shí)間以內(nèi)，則應(yīng)在試件干燥結(jié)束之前，將其及時(shí)放置在干燥器內(nèi)以確保試件保持干燥的狀態(tài)。如果檢測的時(shí)間超過試件從實(shí)驗(yàn)室空氣中吸收顯著水分所需要的時(shí)間，則將試件放置在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室的空氣，使試件的狀態(tài)調(diào)節(jié)到與室內(nèi)空氣平衡。根據(jù)要求，標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室空氣狀態(tài)為293K±1K，50%±10%RH。

④過渡時(shí)間和測量間隔。根據(jù)要求，試驗(yàn)裝置和試件應(yīng)確保有足夠的熱平衡時(shí)間，這樣可以準(zhǔn)確的測量得到材料的熱性質(zhì)。當(dāng)試件內(nèi)部存在傳質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，對試件測定的時(shí)間應(yīng)控制在24h以上。

3.1.2熱流計(jì)法

⑴原理

熱流計(jì)法的基本原理是指熱板和冷板在恒定溫度的穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流計(jì)裝置在熱流傳感器中心測量部分和試件中心部分建立類似于無限大平壁中存在的單向穩(wěn)定熱流。

⑵裝置

在熱流計(jì)法中，所采用裝置如圖2所示，其主要組成部分包括加熱單元、熱流傳感器、試件以及冷卻單元。

圖2　熱流計(jì)裝置

⑶檢測要點(diǎn)

①試件選擇與尺寸。當(dāng)采用雙試件熱流計(jì)裝置對導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行檢測時(shí)，兩個(gè)試件的厚度差值應(yīng)控制在2%以內(nèi)。試件的尺寸應(yīng)確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時(shí)其厚度不得小于實(shí)際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應(yīng)進(jìn)行加工，確保平整，并且與面板之間應(yīng)保證緊密接觸。試件表面的不平行度應(yīng)控制在厚度的±2%以內(nèi)。

③狀態(tài)調(diào)節(jié)。在熱流計(jì)法中，試件狀態(tài)的條件與防護(hù)熱板法中的描述相同。

④過渡時(shí)間。如果在缺少類似經(jīng)驗(yàn)的情況下，采用熱流計(jì)裝置檢測時(shí)，其測定的時(shí)間間隔應(yīng)為密度、比熱、厚度與熱阻的乘積或者300s的時(shí)間。一般應(yīng)進(jìn)行5次熱阻值的讀數(shù)，每次讀數(shù)之間的差值應(yīng)控制在±1%以內(nèi)。

3.2非穩(wěn)態(tài)法

非穩(wěn)態(tài)法主要包括脈沖法。這種方法設(shè)備簡單、操作方便，不需要孔溫制冷裝置，并且能夠?qū)Σ煌瑵穸认碌牟牧系臒嵛锵禂?shù)進(jìn)行測定。對材料進(jìn)行一次試驗(yàn)即可得到導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)以及比熱等參數(shù)。

3.2.1原理

脈沖法的基本原理為在試驗(yàn)過程中，在較短的時(shí)間內(nèi)對試件進(jìn)行加熱，使其溫度發(fā)生變化，根據(jù)材料溫度的變化特點(diǎn)即可計(jì)算得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2.2裝置

在脈沖法中，所采用的裝置的主要組成部分包括一個(gè)加熱器、三塊試件以及測溫?zé)犭姷取?/p>

3.2.3檢測要點(diǎn)

⑴試件選擇

一個(gè)試件主要包括三塊試件，其中一塊薄試件和兩塊厚試件，薄試件的尺寸為200mm×20mm×（20～30）mm，厚試件的尺寸為200mm×20mm×（60～100）mm。根據(jù)要求，試件表觀密度之間的差值應(yīng)控制在5%以內(nèi)。試件的表面應(yīng)確保平整，厚度應(yīng)確保均勻。試件之間的接觸面應(yīng)確保緊密。

⑵狀態(tài)調(diào)節(jié)。試件的狀態(tài)應(yīng)根據(jù)測定的條件進(jìn)行調(diào)整。如果需要測定不同含水量下試件的導(dǎo)熱系數(shù)，則應(yīng)將試件放置在規(guī)定的濕度環(huán)境中。如果需要測定干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，則應(yīng)將試件烘干至恒重。

4　結(jié)語

對于建筑材料而言，導(dǎo)熱系數(shù)是其節(jié)能性質(zhì)的重要指標(biāo)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素有很多，并且可以采取的檢測方法有很多，因此在對建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定之前，應(yīng)根據(jù)材料的特性選擇合適的檢測方法，以提高檢測精度，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?！?/p>

【參考文獻(xiàn)】

［1］鄧朝暉.建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素及測定方法［J］.工程質(zhì)量，2008，204（07）：15-18.

［2］龍連芳.節(jié)能材料導(dǎo)熱系數(shù)測定影響因素與質(zhì)量控制［J］.能源與節(jié)能，2015，117（06）：96-99.

［3］李才對.非穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的研究［D］.昆明理工大學(xué)，2006.

［4］程曉輝.建筑絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的開發(fā)［D］.河北大學(xué)，2012.