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(diǎn)。因此,不少研究學(xué)者對(duì)保溫材料的研發(fā)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)試驗(yàn)配比制備了高性能的保溫材料,但是由于我國(guó)南北方環(huán)境相差較大,對(duì)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(duì)保溫材料開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)分析。丁楊等[7]結(jié)合荷載和濕度等因素對(duì)屋面保溫復(fù)合材料及部品的傳熱規(guī)律和施工過(guò)程進(jìn)行模擬。彭軍等[8]對(duì)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(guó)內(nèi)外戶外涂料老化實(shí)驗(yàn)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、玻化微珠保溫砂漿和普通混凝土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(duì)保溫材料開(kāi)展耐候性能試驗(yàn),得出保溫材料在耐候性能試驗(yàn)中,導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸上升。華治國(guó)[11]通過(guò)模擬的氣候條件,研究了新型保溫材料的耐久性試驗(yàn)方法及耐久性指標(biāo)的確立。陳麗華等[12]通過(guò)對(duì)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(guò)在不同環(huán)境下對(duì)各保溫材料進(jìn)行耐久性性能測(cè)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(qiáng)度測(cè)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(cè)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(qiáng)度的演變規(guī)律,所測(cè)得的結(jié)果能夠?yàn)榻窈缶G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(cè)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(duì)上述4 種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)試。

(1)將試件放入碳化箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)12 h 后,放入導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試,以此記為1 個(gè)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(cè)試儀和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試,以此記為1 個(gè)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(cè)試儀和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試,以此記為1 個(gè)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(duì)4 材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升、抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為71.43%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為47.06%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為35.48%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為41.38%,抗壓強(qiáng)度為0.51 MPa,下降比例為20.31%。可見(jiàn),對(duì)于熱工性能來(lái)說(shuō),聚苯乙烯泡沫板最不耐凍融影響;對(duì)于力學(xué)性能來(lái)說(shuō),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?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過(guò)程中,保溫材料中的水會(huì)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(shí),冰晶生長(zhǎng)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(qiáng)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(huì)更加的疏松,并且主要組成材料會(huì)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(qiáng)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(huì)發(fā)生破壞,從而導(dǎo)致整個(gè)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(duì)4 種保溫材料進(jìn)行熱工性能和力學(xué)性能測(cè)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(qiáng)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(zhǎng)比例為42.85%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為23.53%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為13.89%,抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為20.69%,抗壓強(qiáng)度為0.56 MPa,下降比例為12.5%?？梢?jiàn),對(duì)于熱工性能來(lái)說(shuō),聚苯乙烯泡沫板最不耐干濕影響;對(duì)于力學(xué)性能來(lái)說(shuō),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?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過(guò)程中,保溫材料通常會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)典型階段:大幅變化階段、過(guò)渡階段和平緩階段。由于保溫材料的孔隙率較高,在濕潤(rùn)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(huì)變快。因此,在反復(fù)干燥、濕潤(rùn)狀態(tài)下保溫材料會(huì)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(qiáng)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(wú)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(huì)逐漸增加,從而導(dǎo)致整個(gè)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(duì)4 種保溫材料進(jìn)行熱工性能和力學(xué)性能測(cè)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(qiáng)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(zhǎng)比例為52.38%;抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為29.41%;抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為25.81%;抗壓強(qiáng)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(zhǎng)比例為27.59%;抗壓強(qiáng)度為0.53 MPa,下降比例為17.19%?？梢?jiàn),對(duì)于熱工性能來(lái)說(shuō),聚苯乙烯泡沫板最不耐碳化影響;對(duì)于力學(xué)性能來(lái)說(shuō),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?yàn)樵谔蓟h(huán)境下,空氣中的二氧化碳會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為0.16 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.042 W/(m·K),抗壓強(qiáng)度為0.61 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/(m·K),抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為0.19 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K),抗壓強(qiáng)度為0.67 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K),抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為0.18 MPa;巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/(m·K),抗壓強(qiáng)度為0.63 MPa;擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 W/(m·K),抗壓強(qiáng)度為0.53 MPa。

因此,根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果建議在3 種環(huán)境下選擇保溫材料的順序?yàn)?巖棉板、擠塑板、聚苯乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板(以抗壓強(qiáng)度變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí));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(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí))。