保溫陶瓷的抗熱震性研究與探討*

林 偉 陳延東 韓復興

(1 廣東鷹牌陶瓷集團 廣東 佛山 528031)(2 河南省珍珠巖制品工程技術研究中心 河南 信陽 464117)

前言

住建部副部長仇保興在“第六屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會”上表示:我國是世界上每年新增建筑量最高的國家，每年新建面積為20億m2，相當于消耗世界上40%的水泥和鋼材，但其壽命卻只能持續(xù)使用25～30年。 相比我國建筑30年的平均壽命，發(fā)達國家的建筑可以算是壽比南山了——英國建筑的平均壽命達到了132年，而美國建筑的平均壽命也達到了74年。那么我國的建筑耐久年限應該是多少？如何設計外墻保溫陶瓷的耐久年限已成為亟待解決的問題。

耐久年限是指結構在正常使用、維修的情況下不影響結構預定功能的使用期限，是指建筑物預期的從建成到破壞所經歷的時間。根據(jù)我國《民用建筑設計通則(試行)》規(guī)定，一般認為按民用建筑的主體結構確定的建筑耐久年限分為四級：一級耐久年限是100年以上，適用于重要的建筑和高層建筑；二級耐久年限是50～100年，適用于一般性建筑；三級耐久年限是25～50年，適用于次要的建筑；四級耐久年限15年以下，適用于臨時性建筑。民用住宅建筑屬于一般性建筑，其耐久年限應該是50～100年，權屬最高年限為70年。據(jù)報道，我國建筑平均壽命為30年，其原因是由于城市規(guī)劃部門邊建邊改,在城市規(guī)劃定位上的短期行為和城市定位缺乏遠期規(guī)劃造成的必然結果，盡管這些結果具有一定的普遍性，但是不能也不應該成為建筑和建材設計耐久年限的依據(jù)。

《綠色建筑行動方案》(國辦發(fā)〔2013〕1號)文件提出“因地制宜、就地取材，結合當?shù)貧夂蛱攸c和資源稟賦，大力發(fā)展安全耐久、節(jié)能環(huán)保、施工便利的綠色建材”。2013年3月22日，工信部原材料工業(yè)司和科技司召開“綠色建材標準建設會議”，認為“綠色建材應是在全生命周期內可減少對天然資源消耗和減輕對生態(tài)環(huán)境影響，本質更安全、使用更便利，具有‘節(jié)能、減排、安全、便利和可循環(huán)’特征的建材產品”。

依據(jù)國家統(tǒng)計局標準《戰(zhàn)略性新興產業(yè)分類(2012)》(試行)，外墻保溫陶瓷產品屬于“節(jié)能環(huán)保產業(yè)新興建筑材料制造”大類“隔熱和隔音材料制造”小類，行業(yè)代碼是3035，符合國家重點支持產業(yè)政策(國務院關于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產業(yè)的意見(國發(fā)〔2013〕30號)。外墻保溫陶瓷的耐久性指標，對于生產中的質量控制、使用條件的規(guī)定，特別是新產品的能否推廣使用都是關鍵性的。隨著材料科學和統(tǒng)計數(shù)學的發(fā)展，把材料在使用中的變質失效作為某種隨機過程來處理，通過數(shù)學模擬，并輔以短期試驗，從而預測比較可靠的安全使用年限，作為耐久性指標。

陶瓷材料的疲勞性分為靜態(tài)疲勞、動態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。陶瓷材料的靜態(tài)疲勞是在持久載荷的作用下發(fā)生的失效斷裂；陶瓷材料的動態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性；陶瓷的循環(huán)疲勞，是在循環(huán)應力作用下發(fā)生的失效斷裂。外墻保溫陶瓷的靜態(tài)疲勞與自身重力、系統(tǒng)粘結拉拔強度有關；而外墻保溫陶瓷的動態(tài)疲勞與建筑結構變形、沉降、外力沖擊相關；外墻保溫陶瓷的循環(huán)疲勞與氣候的熱度濕度循環(huán)變化相關，也就是耐候性。

對于生產外墻保溫陶瓷產品的企業(yè)，企業(yè)最關注的是外墻保溫陶瓷的循環(huán)疲勞。如何定量和定性分析，在眾多標準中，采用何種檢測方法？有什么理論依據(jù)？實際意義如何？作為新興的產業(yè)值得我們進行分析和探討。

1 抗熱震性檢測方法研究

表1 保溫陶瓷抗熱震性檢測方法

續(xù)表1

與冷熱循環(huán)和濕熱循環(huán)有關的檢測標準很多，但是疑問也較多。由于陶瓷標準大都參考國外標準，對適應環(huán)境和檢測目的不明確，因此不能反映出材料和產品的循環(huán)疲勞和耐久性。

筆者認為應考慮外墻保溫陶瓷的應用環(huán)境(受熱、受冷、受濕環(huán)境)，據(jù)此制定出可行的檢測方法。檢測方法應該考慮產品的受熱、受冷、受濕面是裝飾鋪貼的外表面，介質為空氣或雨水。最大溫差或者最高次數(shù)的確定需要依據(jù)《全國建筑氣候分區(qū)標準》和系統(tǒng)檢測方法《外墻飾面磚工程施工及驗收規(guī)程》來確定。

2 提高抗熱震性機理研究

Kingery基于熱彈性理論，提出了抗熱震斷裂理論。由熱震溫差引起熱應力與材料固有抗拉強度之間的平衡作為抗熱震斷裂判據(jù)，導出抗熱震斷裂參數(shù),也叫瞬時(急冷急熱)熱應力斷裂抵抗因子或第一熱應力斷裂抵抗因子，公式表示為：

(1)

式中:σf——強度極限;

E——彈性模量;

μ——泊松比;

α——熱膨脹系數(shù)。

事實上，理想的瞬時熱應力幾乎無法實現(xiàn)，尤其是保溫材料，熱的傳導更無法瞬時完成。對于緩慢受熱(降溫)的第二熱應力斷裂抵抗因子，就需要考慮材料的熱導率，公式表示為：

(2)

式中:σf——強度極限;

E——彈性模量;

μ——泊松比;

α——熱膨脹系數(shù);

λ——導熱系數(shù)。

熱傳導不但與材料的熱導率(導熱系數(shù))相關，而且與材料的散熱面積、介質的熱擴散效率也相關。在對流及輻射傳熱條件下，對于理想狀態(tài)下的無限大平面，可以用公式表示:

(3)

式中:h——假設材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1 K，在單位表面積上，單位時間帶走的熱量;

rm——材料的半徑厚度,cm；

S——散熱或受熱面積。

現(xiàn)實中，降溫速率和升溫速率最有生產指導意義，恒定速度(降溫或受熱)的第三熱應力斷裂抵抗因子，還需要考慮材料的體積密度和比熱容，公式表示為：

(4)

式中:ρ——材料密度,kg/m3;

Cp——比熱容。

對于輕質保溫陶瓷產品來說，反映抗循環(huán)疲勞性能的最大溫差既與材料的微觀結構、力學性能、熱學性能有關，也與產品尺寸和介質的散熱性相關。外墻保溫陶瓷屬于閉孔發(fā)泡陶瓷，為了實現(xiàn)裝飾效果和提高抗動態(tài)疲勞性能，采用了梯度材料，所以產品的抗循環(huán)疲勞性能也與表面裝飾材料的力學性能、熱學性能及尺寸相關。目前仍沒有準確的理論公式可以計算出閉孔發(fā)泡陶瓷的抗熱震性，盡管保溫陶瓷屬于平板形狀。

從公式(3)可以得出：反映其抗循環(huán)疲勞性能的最大溫差與抗拉斷裂強度、導熱系數(shù)、散熱或受熱面積成正比，與熱膨脹系數(shù)、彈性模量、產品厚度以及介質熱能擴散速度成反比。針對保溫陶瓷產品導熱系數(shù)極低，產品較厚和陶瓷材料彈性模量大(脆性材料)的普遍性，提高抗循環(huán)疲勞性能，需要借助于熱膨脹系數(shù)和抗拉斷裂強度，也就是降低熱膨脹系數(shù)和提高材料韌性的基本途徑。從公式(4)可以得出：產品的最大降溫速度(退火速度)與抗拉斷裂強度、導熱系數(shù)成正比，與體積密度、比熱容、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和半厚的平方成反比。如，產品厚度從20 cm增加到40 cm，其退火速度至少需要減慢至原來的四分一，窯爐退火速度就至少需要延長到原來的4倍。

3 研究意義

外墻保溫陶瓷產品抗循環(huán)疲勞檢測方法是外墻保溫陶瓷產品抗循環(huán)疲勞的檢測方法，要求便捷快速，既能反映出材料本質特征，又對工程技術和生產技術具有指導意義。

應該說GB/T 16536能定量地檢測到彎曲強度未明顯下降時的溫差和表面不產生開裂時的溫差，不過還要依據(jù)統(tǒng)計數(shù)學理論，抗熱震性與耐候性、耐久性的對應關系，如GB/T 3532中提出180～20 ℃循環(huán)一次不裂，可保證耐久性達2～3年，這個經驗如何獲得？能否找到合適的研究方法才是解決問題的關鍵。筆者認為由于耐候性檢測的是系統(tǒng)，也就是說受熱、受冷端面主要是裝飾面，介質為空氣或雨水。假如熱震性(145～15 ℃)循環(huán)10次不裂，對應耐候性熱雨實驗(70～20 ℃)就是30次不裂；抗凍性(10～30 ℃)循環(huán)40次相當于耐候性熱冷循環(huán)實驗(20～20 ℃)循環(huán)30次。并且能根據(jù)受熱、受冷條件的不同，分別針對外墻保溫陶瓷產品的保溫層和裝飾層實驗研究，才有實際意義和指導意義。

退火降溫過程階段抗熱震性的研究實際生產中有重要意義；外墻保溫陶瓷產品的熱震性還對窯爐設計、生產產量、生產成本具有實際價值。因為針對外墻保溫陶瓷產品熱膨脹系數(shù)的研究價值并不高，產品的特殊性需要不同溫度階段，不同降溫速率的抗熱震性實驗，這些實驗有助于解決面料與底料不同導熱系數(shù)引起的溫度梯度，也可以解決保溫基層低導熱系數(shù)引起的溫度梯度。

高韌性和低膨脹系數(shù)有助于抗熱震性的提高，可是特定的溫度制度又使陶瓷玻璃材料的韌性和降低陶瓷玻璃材料的熱膨脹系數(shù)提高。以晶化和鋼化為例說明，晶化促使陶瓷玻璃材料微觀晶相結構產生變化，分相、析晶和晶體狀態(tài)改變，可以降低材料熱膨脹、提高材料韌性；鋼化可以促使玻璃材料產生微裂紋，可以使得微裂紋的方向、長度發(fā)生改變，從而提高產品的屈服值和韌性。

所以，作為生產技術人員如何提高產品的抗熱震性和抗凍性，尤其是在生產工藝制度優(yōu)化等方面是十分必要的工作。