外墙保温材料导热系数的试验研究

摘 要：针对常用的XPS聚苯乙烯泡沫塑料、EPS聚苯乙烯泡沫塑料，以及水泥基复合保温砂浆和建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材XPS聚苯乙烯泡沫塑料、EPS聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的表现密度和导热系数之间没有表现出特定的关系。水泥基复合保温砂浆扣建垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料的导热系数随着密度的增大线性增加，大孔径材料比小孔径材料导热系数要大。通过研究，可以对建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料配方及工艺的进一步改良提供理论依据和指导。

关键词：保温材料；导热系数；表现密度；

建筑围护结构节能是建筑节能的重要组成部分，建筑围护结构的耗热量要占建筑采暖空调能耗的l/3以上，其中，墙体所占比例最大，约占围护结构的传热耗热量的75％～80％，因此，要大力推广和应用建筑外墙保温。

外墙保温技术的发展与建筑节能材料的革新密不可分，建筑节能以发展新型节能材料为前提，建筑节能材料的发展只有与外墙保温技术相结合，才能真正发挥其作用。正是由于节能材料的不断革新，外墙保温技术的优越性才日益受到人们重视团。外墙保温系统分为外墙外保温、外墙内保温、外墙自保温3种形式。当前，浙江省常用的保温材料大致分为聚苯乙烯泡沫塑料、保温砂浆、聚氨酯泡沫材料等几种类型，这几种材料主要用在外墙外保温体系。聚苯乙烯泡沫塑料分为模塑聚苯泡沫板和挤塑聚苯泡沫板两大类。这两种聚苯乙烯泡沫塑料均含有封闭的孔结构，具有良好的绝热性能和不透水性，表观密度小，自重轻；缺点是压缩强度较低，防火性能较差。聚氨酯泡沫材料分为板状的硬质聚氨酯泡沫塑料和现场喷涂的聚氨酯泡沫塑料。这种材料导热系数小，是理想的保温材料；但压缩强度低，造价高，现场喷涂的材料施工工艺难度大，在工程中应用相对较少。保温砂浆干密度相对较大，加水混合后封闭孔结构少，导热系数较大，但是其防火性能很好，强度较高，适宜在其外层做多种饰面。

为节约成本，革新建筑节能材料，采用硅酸盐和常见的建筑垃圾作为主要原料，调配成低成本的建筑垃圾为细骨料的硅酸盐保温节能材料。目前，国家对这些材料的质量主要是通过干表观密度、导热系数、压缩强度等指标来控制。在这3项指标中，导热系数是衡量一种材料绝热性能的重要指标，干表观密度和导热系数之间的关系最为密切，一般来讲，干表观密度的大小直接影响导热系数的大小。但对于不同的材料而言，导热系数与表观密度的关系又不尽相同，由于实验室引进了由沈阳合兴检测设备有限公司生产的DRCD-3030型智能化导热系数测定仪，因此，对4种保温材料的导热系数和密度的关系进行试验研究。

1 材料导热系数的影响因素

1.1 材料的组成与结构

有机高分子材料的导热系数小于无机材料。无机材料中，非金属材料的导热系数小于金属材料；气态物质的导热系数小于液态物质；液态物质的导热系数小于固体。

1.2 表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。其体积既包活固体部分的体积，也包括空隙的体积。随着孔隙率的提高或表观密度的降低，其导热系数变小。其中，材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降低的，当表观密度小于某个临界值后，由于孔隙率太高，空隙中的空气开始产生对流；同时由于气体对热辐射的阻抗能力很低，如果孔隙率过高，辐射传热也相应增强，这时材料的导热系数反而增大。

1.3 空隙的大小与特征

在表观密度相同的条件下，材料孔隙的尺寸越小，导热系数越小。当孔径小到一定尺寸后，孔隙中的空气完全被孔壁吸附，导热系降到最小；当孔隙体积大到一定程度，孔隙内部空气出现对流，导热系数变大。对于相同孔隙率和孔径尺寸，当孔隙彼此连通时，导热系数较大；当孔隙彼此密闭时，导热系数较小。

2 保温材料的密度和导热系数

在试验中，我们选取了大量的保温材料导热系数的数据，对常用的XPS聚苯乙烯泡沫塑料、EPS聚苯乙烯泡沫塑料和水泥基复合保温砂浆的导热系数与密度的关系进行总结，同时也对建筑垃圾为细骨料的硅酸盐保温节能材料的导热系数与密度及孔径大小进行分析，进而得到一些结论。

2.1 XPS聚苯乙烯泡沫塑料的密度与导热系数的对应关系

如表l所示，从表中可以看出，相同密度的XPS聚沫塑料的导热系数离散很大，导热系数并不一定随着密度的增大而增加。分析原因，主要与生产工艺及生产所用的原材料有关，因为XPS聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成分，添加少量外加剂，经加热挤塑成型制成的，含有大量封闭的微小孔隙，因此在密度相同或相差不大的情况下，孔隙率越大，封闭孔隙越多，其导热系数越小。目前，工程中常用的XPS聚苯乙烯泡沫塑料的密度集中分布在3l～40kg/m3之间，导热系数集中分布在0.022～0.035W/(m·K)范围内。

表1 XPS聚苯乙烯泡沫塑料的密度和导热系数的关系

密度/（kg/m3）	26	28	30	32	34	36	38	40	42	44	46	48	50
导热系数/W/(m·K)	0.022～0.029	0.026～0.031	0.026～0.030	0.027～0.036	0.022～0.029	0.024～0.039	0.020～0.040	0.024～0.037	0.026～0.032	0.028～0.040	0.027～0.039	0.035～0.039	0.037～0.040

2.2 EPS保温板表观密度与导热系数的关系

从表2可以看出，相同密度的EPS聚苯乙烯泡沫塑料导热系数离散也很大，导热系数并不一定随着密度的增大而增加。分析原因，这主要与生产工艺及生产所用的原材料有关，因为EPS泡沫塑料板是由可发性的聚苯乙烯珠粒加热预发泡后，在模具中加热成型。EPS由完全封闭的多面体形蜂窝构成，蜂窝直径为0.2～0.5mm，蜂窝壁厚为0．001mm。EPS由约98％的空气和2％的聚苯乙烯组成，截留在蜂窝内的空气是惰性气体，对聚苯乙烯泡沫塑料优良的绝热性能起决定性的作用。由于原料的质量不同，即使密度相近，材料内所形成蜂窝的数量及大小也会不同，从而导致导热有很大的差异。目前，工程中常用的EPS聚苯乙烯泡沫塑料密度集中分布在16～25kg/m3，导热系数集中中分布在0.033～0.041W/(m·K)之间。

表2 EPS保温板密度和导热系数的关系

密度/（kg/m3）	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26
导热系数/W/(m·K)	0.034～0.037	0.036～0.037	0.036～0.037	0.032～0.039	0.030～0.042	0.029～0.046	0.028～0.042	0.029～0.043	0.028～0.044	0.032～0.036	0.034～0.038	0.034～0.036	0.034～0.0360

2.3 水泥基复合保温砂浆表观密度与导热系数的关系

从表3可以看出，相同密度的水泥基复合保温砂浆导热系数虽不完全相同，但相差数值不大，除少量异常数值外，导热系数随着密度的增大线性增加。目前工程中常用的水泥基复合保温砂浆的密度集中分布在250～450kg/m3，导热系数集中分布在0.050～0.090W/(m·K)之间。

表3 水泥基复合保温砂浆密度和导热系数的关系

密度/（kg/m3）	180	210	240	270	300	330	360	390	420	450	480	510	540
导热系数/W/(m·K)	0.041～0.043	0.045～0.047	0.055～0.061	0.057～0.065	0.055～0.069	0.065～0.081	0.067～0.074	0.079～0.083	0.078～0.081	0.079～0.0966	0.081～0108	0.082～0.106	0.085～0.104

选取不同孔径的水泥基复合保温砂浆，在材料密度为260kg/m3，9℃恒重的条件下测定导热系数，结果如表4。

表4 水泥基复合保温板沙井导热系数与孔径的关系

孔径/mm	2~3	1.5~2	1~1.5	0.7~1	≤0.7
导热系数/W/(m·K)	0.048	0.058	0.062	0.065	0.071

保温砂浆成型硬化后，其孔隙的孔径比聚苯乙烯泡沫塑料的要大得多，孔隙率与密闭孔隙数量和密度有很大关系。相对来说，密度较小的保温砂浆，孔隙率较大，密闭孔隙较多，导热系数相对较小。对同样密度而言，大孔径材料比小孔径材料导热系数要大。

2.4 建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温材料密度和导热系数的关系

针对国内日益增多的建筑垃圾，将建筑垃圾粉碎球磨细化后应用于硅酸盐保温材料中，调配主要使用胶凝材料、填充材料、建筑垃圾、外加剂、增强等材料，制备具有保温功能的建筑垃圾为细骨料的盐基多孔材料，并研究这种硅酸盐保温材料导热系数的影响因素和变化规律。同时，研究这种硅酸盐保温材料导热系数和水泥基复合保温砂浆导热系数进行对照分析。

表5 建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温材料密度和导热系数的关系

密度/（kg/m3）	180	210	240	270	300	330	360	390	420
导热系数/W/(m·K)	0.059	0.063	0.065	0.068	0.075	0.081	0.083	0.085	0.087

由表5可知：随着材料密度的升高，导热系数不断增大，导热系数与材料容重呈正相关关系。在180-330kg/m3密度睛况下，水泥基复合保温砂浆导热系数导热系数比建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温材料要小，在密度较大时，两种材料的导热系数基本相同，但总体都偏大，也失去了比较保温材料导热系数的意义。通过这些对比研究，对建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料配方及工艺的进一步改良提供理论依据和指导。

选取不同孔径的建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温材料，在材料密度为260kg/m3，9℃恒重的条件下测定导热系数结果见表6。

表6 建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温材料

孔径/mm	2~3	1.5~2	1~1.5	0.7~1	≤0.7
导热系数/W/(m·K)	0.059	0.063	0.065	0.068	0.075

由表6可知，在相同容重条件下，大孔径材料比小孔径材料导热系数要大，但是孔径过低(<0.7mm)，导热系数反而升高。究其原因，主要是由于孔径过小时，气体对流的效应逐渐减弱，孔壁的数量在不断增加，传热路径不断延长，从而造成对流传热的比例减小，通过导热进行热量传递的比例变大，从而造成导热系数反而上升。

3 结语

从研究结果来看，XPS聚苯乙烯泡沫塑料和EPS聚苯乙烯泡沫塑料的表观密度和导热系数之间没有表现出特定的关系。在保温材料的各项指标中，材料的导热系数和表观密度都是重要指标，导热系数是衡量材料的热工性能，材料的表观密度也是影响材料导热系数的因素。同样我们也看到，像水泥基复合保温砂浆等材料，导热系数和表观密度的关系呈现出明显的线性关系。

采用胶凝材料、填充材料、建筑垃圾、外加剂等原料制备的建筑垃圾骨料的硅酸盐保温节能材料，将建筑节能和建筑垃圾的减量化结合起来，对于国家节能减排具有重要意义，硅酸盐保温节能材料保温性能与材料密度、孔径大小等因素密切相关，材料导热系数随材料密度增大而升高；同密度条件下大孔径材料比小孔径材料导热系数大；建筑垃圾作为再生骨料应用于硅酸盐保温材料的导热系数与水泥基复合保温砂浆等材料相比，在保温性能上还有差距，这也是今后在调配和工艺如何改进，如何创新的一个重要课题。

 

 

 

 

 

 

 

 ---摘自《工程施工技术》2014年第3期