建筑節(jié)能材料導熱系數(shù)測定方法綜述

董恒瑞，秦硯瑤，鄧鈴夕，劉軍

（1中煤科工集團重慶設計研究院有限公司 綠色建筑技術中心，重慶 400016；2貴州磷鎂材料有限公司，貴州貴陽 551109）

0 概述

節(jié)能材料的導熱系數(shù)是評價其保溫性能優(yōu)劣的重要技術指標，是工程節(jié)能設計中不可或缺的設計參數(shù)[1]。不同種類、不同材性、不同孔結構的保溫材料對應的測試方法并不一樣，若選用不當，則難以真正表征出該保溫材料的真實導熱系數(shù)，在一定程度上影響節(jié)能工作高質量發(fā)展。

經(jīng)過近幾十年測試技術的發(fā)展，材料導熱系數(shù)測定方法逐漸豐富，準確度也越來越高，根據(jù)導熱過程的宏觀機理可分為穩(wěn)態(tài)熱流法和動態(tài)熱流法兩大類，其中常見的熱流計法、防護熱流計法、防護熱板法為穩(wěn)態(tài)法的范疇；熱線法、熱脈沖法、瞬態(tài)平面熱源法等屬于動態(tài)法的一種[2]。國內(nèi)外相關標準規(guī)范對常用的建筑保溫材料導熱系數(shù)的測定方法有明確規(guī)定，本文結合保溫材料研究經(jīng)驗和相關資料，在標準規(guī)范提供方法的基礎上對常用的幾種測定保溫材料導熱系數(shù)的方法進行對比綜述，并通過試驗測試分析提出較為合理的測定方法。

1 穩(wěn)態(tài)熱流法

穩(wěn)態(tài)熱流法是經(jīng)典的建筑保溫材料導熱系數(shù)測定方法，至今仍在廣泛應用，其原理是利用熱量穩(wěn)定傳熱過程中傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)，根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導模型，通過試樣的熱流密度、兩側溫差和厚度，計算得出材料的導熱系數(shù)[2-3]。試驗室常見的建筑材料導熱系數(shù)測定方法中熱流計法、防護熱流計法和防護熱板法均屬于穩(wěn)態(tài)熱流計法。

1.1 熱流計法

熱流計設備是一種不需精確計量熱量參數(shù)的相對法設備[4]，采用校準過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，得到導熱系數(shù)的絕對值[5]。熱流計導熱系數(shù)測定儀裝置主要由測控主機、加熱板、單塊或雙塊測定板、熱流傳感器、冷卻板、低溫恒溫槽組成。

1.1.1 測試原理

測量時，將厚度一定的方形樣品 （一般為300×300mm、400×400mm、600×600mm三種）插入設備冷熱平板間并設置一定的溫度梯度ΔT，使用已校準標定的熱流傳感器測量試件的熱流，通過輸入試件厚度、冷熱板溫度梯度和通過的穩(wěn)定熱流即可計算材料的導熱系數(shù)[4]，圖1是幾種不同形式的熱流計法測定裝置原理示意圖。

熱流計法的優(yōu)點是設備價格相對防護熱板法便宜，易于操作，測量結果較精確，測定速度快，環(huán)境溫度對測量時間影響小[4-5]。缺點主要是溫度和測量范圍有限，對測定樣品平整度要求高，樣品表面的尖銳顆粒易使傳感器損壞，每次測量時均須進行校準標定，并且在不同季節(jié)測定的樣品的重復率相對較低。

圖1 熱流計法工作結構原理

1.1.2 試驗

選用該儀器進行測試，試驗結果表明：該方法的離散型較大，同種原材料配制的不同密度等級的陶粒混凝土，如圖2所示。

測試結果顯示，所測導熱系數(shù)在900～1100密度等級狹窄范圍內(nèi)無明顯線性關系。分析認為熱流計法導熱系數(shù)測定儀的準確性與設備熱流計系數(shù)標定有決定性的關系，在測定前應針對不同材料的熱流密度，選用與待測樣板導熱系數(shù)λ相近的標準參比板進行標定后再進行測試，同時不能僅僅進行一次標定就用來測定密度等級差別較大或者不同品種的建筑保溫材料，否則測定結果可能產(chǎn)生較大誤差。

圖2 陶粒混凝土表觀密度與導熱系數(shù)的關系

1.2 防護熱流計法

防護熱流計法測定原理與熱流計法基本一致，不同之處是待測樣品被保護加熱器包圍，測定溫度范圍、測試精確度和導熱系數(shù)測量范圍更寬[6]，對于需要較高量程的樣品可采用防護熱流計法進行。圖3為防護熱流計法工作原理示意圖。

圖3 防護熱流計法導熱儀結構原理

圖4 防護熱板法導熱系數(shù)測定儀結構原理

1.3 防護熱板法

1.3.1 測試原理

防護熱板法的測定原理和使用冷熱板的熱流計法相近，工作原理如圖4所示。熱板（熱源）位于兩塊樣品的中間，冷板居于兩外側面，導熱系數(shù)測定儀機箱溫度和冷熱板溫度穩(wěn)定后兩塊樣品獲得由內(nèi)向外的對稱的穩(wěn)定的熱流，并使加熱器的能量被測定樣品完全吸收，測量過程中，精確設定輸入到熱板上的能量，通過調整輸入到輔助加熱器上的能量，對熱源與輔助板之間的測量溫度和溫度梯度進行調整，熱板周圍的保護加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器后是散熱器，散熱器和輔助加熱器接觸良好，確保熱量的移除與改善控制。測量施加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度，應用Fourier方程計算出保溫材料在一定測定溫度下的導熱系數(shù)[7]。

1.3.2 儀器裝置

根據(jù)裝置不同的設計原理，防護熱板法導熱系數(shù)測定儀有兩種型式的防護熱板裝置——單試件裝置和雙試件裝置[7]。市場上常見的主要是雙試件裝置導熱系數(shù)測定儀，該儀器主要由電腦主機、測定主機、冷熱板、防護板、恒溫水槽（一個或兩個）組成。

1.3.3 試驗

同熱流計法一樣，待測樣品要具有代表性，不平整度控制在厚度的±1%以內(nèi)，且選用的兩塊樣品要均勻。

防護熱板法導熱系數(shù)測定儀測量精度較高，溫度范圍框寬（-180℃到650℃），量程廣（一般可達2W/m·K），噪聲小，因防護熱板法使用的是絕對法，故無需對測量單元進行標定。該方法儀器測定界面數(shù)據(jù)詳實，可實時了解導熱系數(shù)測定過程的變化曲線，利于判斷保溫材料導熱系數(shù)的準確性，如圖5所示，采用某廠生產(chǎn)的D300FXB型雙試件防護熱板法導熱系數(shù)測定儀測試B05級粉煤灰蒸壓加氣混凝土導熱系數(shù)的試驗曲線。

圖5 防護熱板法導熱儀測定B05粉煤灰加氣混凝土界面

該測定方法不足之處是測定時間較長，對環(huán)境溫度要求高，機箱溫度設定需與環(huán)境相一致，且易受測定環(huán)境溫度的干擾進而影響測定值，防護熱板法導熱系數(shù)測定儀的價格較高，使用維護成本也相對較高。

2 動態(tài)熱流法

動態(tài)熱流法的原理是樣品導入和導出的熱流量不相等，樣品內(nèi)任意一點的溫度和熱含量隨時間而變化的導熱過程，也稱為瞬態(tài)導熱過程[8]，例如熱脈沖法、熱線法等都屬于這類動態(tài)方法。

2.1 熱脈沖法

《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ 51-2002中7.5給出的導熱系數(shù)測定的建議方法是熱脈沖法，標準中第7.5.1這樣寫到：導熱系數(shù)可采用熱脈沖法進行測定，其適用于測定干燥或不同含濕狀況下輕骨料混凝土的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)和比熱容[9]。

2.1.1 測定原理及裝置

熱脈沖法導熱系數(shù)測定儀是由一個加熱器和放置在加熱器兩側材料相同的三塊試件 （一薄兩厚）以及測溫熱電偶組成，如圖6所示。熱脈沖法測定裝置簡單，購買相關儀器、儀表可自行組裝；測定時間短，每次試驗10～20min左右；測定范圍廣，可測定密度30～3000 kg/m3的干燥和潮濕的塊狀和粉狀的保溫材料。

圖6 熱脈沖法測定導熱系數(shù)示意

該種方法雖然測定時間短、裝置簡單，但測定原理較復雜，對樣品加工要求較高，測定結果重復性偏低，誤差一般達到10%左右，測定樣品的初始外界溫度和試驗過程外界溫度要求恒定，故對試驗室溫度要求較高。

2.1.2 試驗

采用該方法測試時待測樣品需三塊為一組，必須是同一種材料一次成型，相互之間的密度差小于5%，試樣表面平整、厚度均勻，其中薄試件的不平整度應小于試件厚度的1%[9]。

結合陶?；炷另椖?，采用熱脈沖法檢測不同密度等級的陶?；炷翆嵯禂?shù)，見圖7試驗結果。

圖7 陶?；炷帘碛^密度與導熱系數(shù)的關系

2.2 熱線法

2.2.1 測定原理

熱線法是在樣品 （通常為大的塊狀樣品）中插入一根熱線。測定時，在熱線上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關系。由于被測材料的導熱性能決定這一關系，由此可得到材料的導熱系數(shù)。其基本原理是在均質均溫的試樣中放置一根電阻絲，即所謂的“熱線”，一旦熱線在恒定功率作用下放熱，則熱線和熱線附近試樣的溫度將會升高，根據(jù)其溫度隨時間的變化關系就可以確定試樣的導熱系數(shù)[10]，圖8為熱線法測定原理示意圖，圖9為某廠家熱線法測定儀。這種方法不僅適用于干燥材料而且還適用于含濕材料，此方法測量時間比較短，一般不超過300s，所測量材料一般為導熱系數(shù)小于2W/m·K的各向同性均質材料。

圖8 熱線法測定原理示意

圖9 熱線法測定儀

2.2 .2要點總結

熱線法具有簡便、快速、易于操作、設備簡單的優(yōu)點，從而在工程技術和科學研究中得到較為廣泛應用，但該方法制備樣品較復雜，主要適用于粉狀低導熱系數(shù)材料，測定精度在5%～15%之間，測定精度一般[11]。

3 試驗

結合陶?；炷另椖吭囼?，對比輕質混凝土常用的熱脈沖法、熱流計法和防護熱板法三種方法的準確性。

首先按照《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ51-2002中給出的熱脈沖法測試1100級、1200級、1300級陶?；炷?，然后用同一配比陶?；炷练謩e采用熱流計法和防護熱板法進行對比測試。試驗結果如表1所示。

表1 不同測試方法結果匯總

通過對比可知：防護熱板法測試的結果與檢測機構權威數(shù)據(jù)更接近，且與標準給出的參考值更接近，并且不同密度等級之間的連續(xù)性更好；熱流計法的誤差相對較大，且不同密度等級的結果較離散，這可能跟系數(shù)標定存在自身誤差有關。

4 結論

導熱系數(shù)是建筑保溫材料的一項重要指標，在保證待測樣板符合規(guī)定的情況下，需要根據(jù)要求選用合適的測試方法，而目前導熱系數(shù)的測定方法還沒有統(tǒng)一的國家或行業(yè)層面的標準方法。通過對比分析，本文建議有條件的實驗室采用防護熱板法測定建筑保溫材料的導熱系數(shù)，一方面可以確保測定結果的準確性，另一方面可在測定結果偏差較大時實時查看數(shù)據(jù)記錄，了解誤差原因，提高可重復率。對測定結果準確度要求不太高的單位可以采用熱脈沖法，該種方法測定時間較短，造價低廉，維護成本較低，同時準確度也相對較高。