王曉暉 張輝

(1 四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 瀘州 646000)

(2 瀘州臨港產(chǎn)業(yè)建設(shè)有限公司 瀘州 646000)

1 引言

隨著綠色建筑概念的提出,保溫材料的研發(fā)也逐漸成為當(dāng)下的研究熱點。因此,不少研究學(xué)者對保溫材料的研發(fā)開展了相關(guān)試驗研究,張曉晨等[1]研究臨空與貼壁工況下擠壓型聚苯乙烯寬度對豎向逆流火蔓延與傳熱演化的影響。郭顏鳳[2]綜述了聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的保溫性能,燃燒性能及節(jié)能效果等,介紹了常用阻燃保溫材料的性能。楊鴻昌[3]討論了發(fā)泡倍率,鋁膜,濕度,阻燃劑對保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。宋偉杉等[4]制備硬質(zhì)聚氨酯/膨脹蛭石復(fù)合保溫材料,探討了膨脹蛭石不同粒徑以及不同填充比對復(fù)合材料性能的影響。鄭育春[5]將磷石膏脫水得到半水石膏,并利用脫水后的磷石膏,水泥和聚苯顆粒,制備了磷石膏-水泥-聚苯顆粒保溫板。沈玲華等[6]為有效提高建筑容積率,降低建筑能耗,研制了新型TRC 自保溫三明治墻體結(jié)構(gòu)。

上述研究學(xué)者通過試驗配比制備了高性能的保溫材料,但是由于我國南北方環(huán)境相差較大,對保溫材料的耐候性性能要去有著明顯的不同,因此,不少研究學(xué)者對保溫材料開展了數(shù)值計算和試驗分析。丁楊等[7]結(jié)合荷載和濕度等因素對屋面保溫復(fù)合材料及部品的傳熱規(guī)律和施工過程進(jìn)行模擬。彭軍等[8]對戶外耐候性涂料在不同氣候特征條件下的老化性能研究進(jìn)行了概述,介紹了國內(nèi)外戶外涂料老化實驗方法。陸松巖等[9]利用FLAC3D 數(shù)值模擬方法,分析了改性聚苯板、?；⒅楸厣皾{和普通混凝土3 種保溫層材料在夏天和冬天環(huán)境下的保溫特性。董晶亮等[10]對保溫材料開展耐候性能試驗,得出保溫材料在耐候性能試驗中,導(dǎo)熱系數(shù)隨時間延長逐漸上升。華治國[11]通過模擬的氣候條件,研究了新型保溫材料的耐久性試驗方法及耐久性指標(biāo)的確立。陳麗華等[12]通過對巖棉板和巖棉條經(jīng)水浸和高溫高濕環(huán)境處理前后,研究分析巖棉板和巖棉條的耐水性及耐久性。

上述研究學(xué)者通過在不同環(huán)境下對各保溫材料進(jìn)行耐久性性能測試,得出了保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的演變規(guī)律,但在不同環(huán)境下保溫材料的抗壓強度測試較少。因此本文選擇四種保溫材料(聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、巖棉板和擠塑板),分析測試其在碳化、凍融和干濕環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的演變規(guī)律,所測得的結(jié)果能夠為今后綠色建筑施工作為參考。

2 材料與方法

2.1 材料

選取A 公司生產(chǎn)的聚苯乙烯泡沫板,B 公司生產(chǎn)的聚氨酯泡沫板,C 公司生產(chǎn)的巖棉板,D 公司生產(chǎn)的擠塑板,各保溫材料的性能如表1 所示。

表1 建筑材料的性能指標(biāo)Table 1 Performance parameters of selected building materials

2.2 方法

參考保溫材料耐久性性能測試標(biāo)準(zhǔn),分別在碳化環(huán)境、凍融環(huán)境和干濕環(huán)境下,對上述4 種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的變化規(guī)律進(jìn)行測試。

(1)將試件放入碳化箱中進(jìn)行養(yǎng)護12 h 后,放入導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和萬能試驗機中進(jìn)行測試,以此記為1 個循環(huán)。

(2)將試件放入冷凍箱中進(jìn)行冷凍12 h 后,放入導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和萬能試驗機中進(jìn)行測試,以此記為1 個循環(huán)。

(3)將試件放入烘箱中進(jìn)行烘干6 h 后,放入水箱中進(jìn)行浸泡6 h 后將試件放入導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和萬能試驗機中進(jìn)行測試,以此記為1 個循環(huán)。

3 凍融環(huán)境下性能變化

在不同凍融循環(huán)次數(shù)下對4 材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規(guī)律如表2 所示。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K),增長比例為71.43%,抗壓強度為0.23 MPa,下降比例為36.11%;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/(m·K),增長比例為47.06%,抗壓強度為0.16 MPa,下降比例為38.46%;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 W/(m · K),增長比例為35.48%,抗壓強度為 0.61 MPa,下降比例為16.44%;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/mK,增長比例為41.38%,抗壓強度為0.51 MPa,下降比例為20.31%?？梢?對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐凍融影響;對于力學(xué)性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐凍融影響。因此建議在凍融環(huán)境下,應(yīng)優(yōu)先選用擠塑板和巖棉板。

圖1 凍融環(huán)境下性能變化Fig.1 Performance change in freeze-thaw environment

表2 凍融循環(huán)30 次后各保溫材料的變化率Table 2 Change rate of each insulating material after 30 freeze-thaw cycles

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是因為在凍融循環(huán)過程中,保溫材料中的水會發(fā)生相變:由液態(tài)水變成固態(tài)冰或由固態(tài)冰變成液態(tài)水。由于水與冰的密度不同,固態(tài)冰的體積比等質(zhì)量液態(tài)水的體積大,當(dāng)液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰時,冰晶生長體積膨脹,導(dǎo)致材料發(fā)生受拉破壞。由于四種保溫材料都是多孔介質(zhì)材料,即孔隙結(jié)構(gòu)較多,因此在凍融環(huán)境下遭受到的破壞很大,從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加,抗壓強度逐漸下降的現(xiàn)象。

結(jié)合參考文獻(xiàn)[13]進(jìn)一步的從微觀結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分析可以得出,凍融循環(huán)后各保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)也存在著更多的孔隙,質(zhì)地也會更加的疏松,并且主要組成材料會出現(xiàn):完整性形態(tài)-少量絲絮化形態(tài)-大量絲絮化形態(tài),這一類的形態(tài)變化。微觀形態(tài)的變化也能夠反映出保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的變化規(guī)律,即保溫材料中的主要阻熱、抗壓材料在凍融環(huán)境下會發(fā)生破壞,從而導(dǎo)致整個保溫材料的性能失效。

4 干濕環(huán)境下性能變化

在不同干濕循環(huán)次數(shù)下對4 種保溫材料進(jìn)行熱工性能和力學(xué)性能測試,得到圖2。從圖1 中可以看出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規(guī)律如表3 所示。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/(m·K),增長比例為42.85%,抗壓強度為0.28 MPa,下降比例為22.22%;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.021 W/(m·K),增長比例為23.53%,抗壓強度為0.19 MPa,下降比例為26.92%;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m · K),增長比例為13.89%,抗壓強度為0.67 MPa,下降比例為8.22%;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K),增長比例為20.69%,抗壓強度為0.56 MPa,下降比例為12.5%?？梢?對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐干濕影響;對于力學(xué)性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐干濕影響。因此建議在干濕環(huán)境下,應(yīng)優(yōu)先選用擠塑板和巖棉板。

圖2 干濕環(huán)境下性能變化Fig.2 Performance change in dry and wet environment

表3 干濕循環(huán)30 次后各保溫材料的變化率Table 3 Change rate of each insulating material after 30 dry and wet cycles

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是因為在干濕循環(huán)過程中,保溫材料通常會經(jīng)歷3 個典型階段:大幅變化階段、過渡階段和平緩階段。由于保溫材料的孔隙率較高,在濕潤狀態(tài)下吸收的水分也也就越多,但當(dāng)在干燥狀態(tài)下失去水分的速率也會變快。因此,在反復(fù)干燥、濕潤狀態(tài)下保溫材料會出現(xiàn)脹縮變形,并且膨脹率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加。因此在干濕環(huán)境下保溫材料遭受到的破壞較大,從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加,抗壓強度逐漸下降的現(xiàn)象。

結(jié)合參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)一步的從微觀結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分析可以得出,干濕循環(huán)后各保溫材料的微觀孔結(jié)構(gòu)的分布情況發(fā)生了較大的改變,即孔徑分布曲線峰值下降,孔徑分布曲線變得更加扁平,各小孔徑逐漸形成大孔徑。根據(jù)吳中偉院士[15]的研究結(jié)果可知:材料中20 nm 以下的孔為無害孔,20—50 nm 的孔為少害孔,50—200 nm 的孔為有害孔,而200 nm 以上的孔為多害孔。因此,可以得出在干濕循環(huán)環(huán)境下,各保溫材料中的有害孔會逐漸增加,從而導(dǎo)致整個保溫材料的性能失效。

5 碳化環(huán)境下性能變化

在不同碳化循環(huán)次數(shù)下對4 種保溫材料進(jìn)行熱工性能和力學(xué)性能測試,得到圖3。從圖3 中可以看出,隨著碳化循環(huán)次數(shù)的增加,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降,變化規(guī)律如表4 所示。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.032 W/(m·K),增長比例為52.38%;抗壓強度為0.26 MPa,下降比例為27.78%;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/(m·K),增長比例為29.41%;抗壓強度為0.18 MPa,下降比例為30.77%;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/(m · K),增長比例為25.81%;抗壓強度為 0.63 MPa,下降比例為13.70%;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 W/(m·K),增長比例為27.59%;抗壓強度為0.53 MPa,下降比例為17.19%?？梢?對于熱工性能來說,聚苯乙烯泡沫板最不耐碳化影響;對于力學(xué)性能來說,聚氨酯泡沫板最不耐碳化影響。因此建議在碳化環(huán)境下,應(yīng)選用擠塑板和巖棉板。

圖3 碳化環(huán)境下性能變化Fig.3 Performance change in carbonation environment

表4 碳化循環(huán)30 次后各保溫材料的變化率Table 4 Change rate of each insulating material after 30 carbonation cycles

這是因為在碳化環(huán)境下,空氣中的二氧化碳會侵入材料內(nèi)部,與保溫材料的化學(xué)組成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使得保溫材料變得疏松、脫落,進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,導(dǎo)致各保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加,抗壓強度下降。

6 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K),抗壓強度為0.23 MPa;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/(m·K),抗壓強度為0.16 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 W/(m·K),抗壓強度為0.61 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/(m·K),抗壓強度為0.51 MPa。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/(m·K),抗壓強度為0.28 MPa;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.021 W/(m·K),抗壓強度為0.19 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K),抗壓強度為0.67 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K),抗壓強度為0.56 MPa。

(3)隨著碳化循環(huán)次數(shù)的增加,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強度則逐漸下降。當(dāng)循環(huán)30 次后,聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.032 W/(m·K),抗壓強度為0.26 MPa;聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/(m·K),抗壓強度為0.18 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/(m·K),抗壓強度為0.63 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 W/(m·K),抗壓強度為0.53 MPa。

因此,根據(jù)本文實驗結(jié)果建議在3 種環(huán)境下選擇保溫材料的順序為:巖棉板、擠塑板、聚苯乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板(以抗壓強度變化率為評價指標(biāo)時);巖棉板、擠塑板、聚氨酯泡沫板、聚苯乙烯泡沫板(以導(dǎo)熱系數(shù)變化率為評價指標(biāo)時)。