建筑工程材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法及影響因素研究

黎明才

（廣東裕恒工程檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司）

0 緒言

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)各種建筑材料保溫性能優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)，在建筑工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到。隨著檢測(cè)技術(shù)的革新，材料導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法越來(lái)越多，精度也越來(lái)越高。按導(dǎo)熱機(jī)理來(lái)區(qū)分，可分為穩(wěn)態(tài)熱流法和動(dòng)態(tài)熱流法兩個(gè)大類。動(dòng)態(tài)熱流法包括熱脈沖法、熱線法、瞬態(tài)平面熱源法等。本文結(jié)合以往研究的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)資料，采用幾種測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的方法進(jìn)行對(duì)比研究，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析研究，并提出較為合理的測(cè)定方法。同時(shí)，通過(guò)分析研究，探討導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素有哪些。

1 檢測(cè)規(guī)范

目前，為了規(guī)范導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)，我國(guó)已經(jīng)將各檢測(cè)方法制定成標(biāo)準(zhǔn)，主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法如下：

GB/T 10294—2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法[1]。

GB/T 10295—2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 熱流計(jì)法[2]。

GB/T 10297—2015 非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定 熱線法[3]。

GB/T 22588—2008 閃點(diǎn)法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)[4]。

GB/T 32064—2015 建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測(cè)試法[5]。

GB/T 32981—2016 墻體材料當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法[6]。

GB/T 36133—2018 耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法（鉑電阻溫度計(jì)法）[7]。

GB/T 3651—2008 金屬高溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法[8]。

根據(jù)隨機(jī)數(shù)字表法進(jìn)行2016年6月-2018年2月90例COPD并呼吸衰竭患者分成不同組。觀察組男22例,女23例;年齡54歲-77歲,平均60.71±2.12歲。COPD發(fā)病時(shí)間1年-21年,平均(12.21±0.45)年。對(duì)照組男23例,女22例;年齡54歲-78歲,平均60.45±2.11歲。COPD發(fā)病時(shí)間1年-20年,平均(12.24±0.41)年。兩組一般資料無(wú)明顯差異。

GB/T 37796—2019 隔熱耐火材料 導(dǎo)熱試驗(yàn)方法（量熱計(jì)法）[9]。

GB/T 5990—2006 耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法（熱線法）[10]。

2 檢測(cè)方法及原理

2.1 穩(wěn)態(tài)熱流法

穩(wěn)態(tài)熱流法的原理是，通過(guò)利用熱量穩(wěn)定傳熱過(guò)程中，傳熱速度等于散熱速度，達(dá)到熱量平衡，再通過(guò)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，將樣品的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度帶入模型，從而計(jì)算得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱流法包括熱流計(jì)法、防護(hù)熱板法、防護(hù)熱流計(jì)法等。

2.1.1 熱流計(jì)法

熱流計(jì)的裝置主要由測(cè)試主機(jī)、測(cè)試板、加熱板、冷卻板、熱流傳感器和低溫恒溫槽組成。檢測(cè)時(shí)，將某厚度的試樣插入設(shè)備冷熱平板間，并設(shè)置一定的溫度梯度，采用已計(jì)量的熱流傳感器，測(cè)量試件的熱流，再通過(guò)輸入試樣厚度、冷熱板間的溫度梯度，以及通過(guò)的穩(wěn)定熱流，便可計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)。該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格較為便宜，測(cè)試速度快，易操作，測(cè)量結(jié)果較精確，濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響不大。缺點(diǎn)則是對(duì)檢測(cè)樣品的平整度要求比較高，如果不平整則需要重新加工，溫度和測(cè)量范圍有限，傳感器容易被樣品表面的尖銳顆粒損壞，并且需要保證試樣與面板緊密接觸，每次檢測(cè)前均須進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，重現(xiàn)性較低。試樣整個(gè)表面的不平整度應(yīng)控制在試樣厚度的2%以內(nèi)。熱流計(jì)檢測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)示意圖如圖1 所示。

圖1 熱流計(jì)法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)示意圖

防護(hù)熱流計(jì)測(cè)試方法和熱流計(jì)法檢測(cè)原理是一樣的，只是增加了防護(hù)板，提高了測(cè)試精度和量程，其檢測(cè)原理示意圖如圖2 所示。

圖2 防護(hù)熱流計(jì)測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)示意圖

2.1.3 防護(hù)熱板法

防護(hù)熱板法測(cè)試原理如圖3 所示，熱板（熱源）位于兩塊樣品的中間，冷板置于兩外側(cè)面，導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)儀的機(jī)箱溫度與冷熱板溫度穩(wěn)定后，兩塊試樣獲得從內(nèi)向外、對(duì)稱的穩(wěn)定的熱流，加熱器的能量被檢測(cè)試樣完全吸收，檢測(cè)過(guò)程中，精確控制輸入到熱板上的能量，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入到輔助加熱器上的能量，對(duì)熱源與輔助板的溫度梯度和測(cè)試溫度進(jìn)行調(diào)整，保證從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的。通過(guò)施加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片試樣的厚度，則可以計(jì)算出保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖3 防護(hù)熱板法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)示意圖

2.2 動(dòng)態(tài)熱流法

動(dòng)態(tài)熱流法的原理是試樣的導(dǎo)入和導(dǎo)出的熱流量不等，試樣內(nèi)任意點(diǎn)的溫度和熱含量均隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程，主要包含有熱脈沖法、熱線法等檢測(cè)方法。

2.2.1 熱脈沖法

熱脈沖法測(cè)定法是通過(guò)一個(gè)加熱器和放置在加熱器兩側(cè)材料相同的三塊試樣以及測(cè)溫?zé)犭娕紒?lái)進(jìn)行檢測(cè)。該方法雖然檢測(cè)時(shí)間短、設(shè)備簡(jiǎn)單，但其原理較復(fù)雜，對(duì)試樣加工要求較高，測(cè)定結(jié)果重現(xiàn)性較低，測(cè)定試樣時(shí)需要初始和試驗(yàn)過(guò)程中的外界溫度保持恒定。

2.2.2 熱線法

熱線法是在較大的塊狀試樣中插入一根熱線，施加一恒定的加熱功率，使其溫度逐步上升，測(cè)量熱線或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。通過(guò)其溫度隨時(shí)間的變化情況就可以得出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。該方法不但適用于干燥材料，且還適用于含濕材料。熱線法由于具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備便宜的優(yōu)點(diǎn)，從而在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，但由于制備樣品較為復(fù)雜，主要應(yīng)用于粉狀低導(dǎo)熱系數(shù)的材料。

3 影響導(dǎo)熱系數(shù)高低的因素

3.1 含水率

試樣的含水率對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，吸濕受潮后，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)升高。這是因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)高20 倍左右。材料傳熱分為三種形式，導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射傳熱。在多孔材料保持干燥的時(shí)候，孔隙中沒(méi)有水分，且各孔洞為封閉孔時(shí)，這些孔隙間主要通過(guò)輻射傳熱，這樣導(dǎo)熱效率較低。但如果這些孔為連通孔時(shí)，則主要是進(jìn)行對(duì)流換熱。當(dāng)材料含水率較高時(shí)，吸收了太多水分，則各孔隙填充了大量自用水，這時(shí)，材料主要通過(guò)導(dǎo)熱來(lái)進(jìn)行換熱，此時(shí)傳熱效率很高，從而導(dǎo)熱系數(shù)則增大。

3.2 密度

密度是導(dǎo)熱系數(shù)高低的又一個(gè)重要影響因素。對(duì)同一材料而言，密度高低反映的是該材料的密實(shí)程度，密度越大，則該材料越密實(shí)；反之，則越疏松。有研究表明，在無(wú)其它因素的影響下，孔隙率越大的材料，導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)越低。材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而逐漸降低，但隨后也可能升高。舉個(gè)例子，?；⒅楸厣皾{的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而不斷降低，但之后有升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著密度降低，?；⒅楸厣皾{的空隙不斷增大，材料從導(dǎo)熱傳遞，中間孔隙間變成了輻射傳熱，從而導(dǎo)熱系數(shù)降低。但隨著密度的進(jìn)一步降低，各孔隙間變成了連通孔，這是傳熱方式又改變成了對(duì)流換熱，從而導(dǎo)熱系數(shù)又開始升高。

3.3 溫度

溫度也對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響。這是因?yàn)殡S著溫度升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，從而使得材料孔隙中的空氣運(yùn)動(dòng)加快，從而提高換熱效率；同時(shí)也會(huì)增加孔壁間的熱輻射，升高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。有研究表明，材料溫度越高，導(dǎo)熱系數(shù)將升高，導(dǎo)熱性能將變好。

3.4 材料結(jié)構(gòu)與熱流方向

材料結(jié)構(gòu)和熱流方向也會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響，對(duì)于各向異性的材料而言，沿著纖維延伸的熱流在傳播的過(guò)程中較為容易，因?yàn)檫@主要發(fā)生的傳熱過(guò)程是導(dǎo)熱過(guò)程，那么導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)較高；但如果熱流是沿著纖維的垂直方向傳播的，則纖維間不能直接導(dǎo)熱，主要通過(guò)輻射或?qū)α鱾鳠徇M(jìn)行，傳熱過(guò)程比較困難，從而導(dǎo)熱系數(shù)較低。因此，采用節(jié)能材料時(shí)，得考慮到材料結(jié)構(gòu)與熱流方向。

4 試驗(yàn)研究

本文按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》[11]的規(guī)定，成型了I 型玻化微珠保溫砂漿，并分別按照GB/T 10294—2008、GB/T 10295—2008、GB/T 10297—2015 進(jìn)行測(cè)定，其試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同測(cè)試方法測(cè)定玻化微珠保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比情況

由檢測(cè)結(jié)果可以看出，防護(hù)熱板法得出的導(dǎo)熱系數(shù)較低，而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20473—2006 規(guī)定的仲裁方法也是防護(hù)熱板法。這是因?yàn)榉雷o(hù)熱板法精度較高，測(cè)試環(huán)境更穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，比熱線法和熱流計(jì)這些方法更加穩(wěn)定。因此，在情況允許時(shí)，盡量選擇防護(hù)熱板法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)論

材料的導(dǎo)熱系數(shù)在建筑工程中經(jīng)常用到，雖然它是通過(guò)測(cè)定劃算的間接參數(shù)，但在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中具有十分重要的作用。我主要提出以下兩點(diǎn)建議：

⑴在條件允許時(shí)，盡量選擇較為穩(wěn)定，重現(xiàn)性高的防護(hù)熱板法進(jìn)行測(cè)定；

⑵在測(cè)定時(shí)，充分考慮到含水率、密度、溫度、結(jié)構(gòu)和傳熱方向的影響，保證測(cè)試的可靠性和重現(xiàn)性。