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建筑保温材料的应用范围主要包括建筑物的屋顶、外墙和地面,以及采暖、空调设备和管道。此外,一些住宅楼的楼层、隔墙和地下室周边的防护结构也存在保温隔热问题。
建筑保温主要有两个目的,一是保证居住环境的舒适性和节约能源消耗,二是防止表面凝结。后者往往被设计师忽略。由于缺乏保温,冬季外墙内表面结露发霉现象较为普遍。然而,墙体和地板表面的冷凝现象却鲜为人知。随着商品房的发展和家庭供暖的出现,这一现象将越来越突出。这是因为地板和隔墙没有隔热。由于采用分户供暖,户内室内空气相对湿度过高,且相邻户无人居住,导致地板、墙面温度低于室内空气露点温度而结露。地下室是防止冷凝所需的一个典型绝缘示例。如果地下室墙体不保温,由于夏季地下土壤温度较低,墙体温度可能低于室内空气露点温度而凝结。
EPS板是由可膨胀聚苯乙烯珠预发泡,然后在模具加热。EPS是由全封闭的多面体蜂窝组成。蜂窝直径0.2-0.5mm,蜂窝壁厚0.001mm。EPS由98%左右的空气和2%的聚苯乙烯组成。蜂窝中的空气是一种不良导体,对泡沫塑料优良的绝缘性能起着决定性的作用。不同于其他类型的泡沫材料,如填充氟里昂气体的聚氨酯泡沫蜂窝腔,聚苯乙烯泡沫中的空气可以在蜂窝内保持不变,因此保温性能将长期保持稳定。
图1-1显示了在其他参数不变的情况下,热导率和密度之间的关系。从图中可以看出,在30~50kg/m3的密度范围内,导热系数处于最小值。当平均温度为10℃,密度为20kg/m3时,导热系数为0.033-0.036w/(m·K)。当密度小于15kg/m3时,导热系数随密度的降低而急剧增大。
EPS板是由许多珠子通过加热和压制而成。珠子之间的粘合程度非常重要,它将直接影响EPS板的吸水率、机械强度等物理性能。EPS原材料是决定胶接质量的主要因素。另外,加工工艺和产品密度对其也有一定的影响。例如,低密度(10kg/m3以下)的EPS板珠间附着力差,容易脱落。
EPS板导热系数小,弹性多孔结构能吸收热湿应力。即使水汽在罕见的气候条件下凝结结冰外墙保温防火板哪种好,其结构也不会受损,具有良好的耐久性。EPS板自重轻,具有一定的抗压和抗拉强度。它能以自身的强度支撑抹灰保护层。不需要连接就可以避免热桥的形成。EPS板具有良好的化学稳定性、耐酸碱性和耐久性。
老化试验机试验:日本wel-6x-hce老化试验机,氙灯功率6kw,每小时降雨12分钟,加热48分钟,温度55℃,相对湿度95%。EPS板试样1表面外露,试样2表面覆盖一层牛皮纸。试验500小时后,试样1表面不均匀,凹陷深度小于1mm。试样2的EPS板表面无变化。
室外自然曝露试验:将EPS板的表面分别曝露在屋顶和阳台上,以防阳光照射。不到1个月,EPS板表面开始粉化。即使在朝北的窗户外面,经过一个冬天的户外暴露,表面已经明显的粉状。
使用概况:意大利朝南外墙采用EPS板,表面仅喷涂一层薄薄的涂料作为保护层。使用10年后,EPS的多孔结构、密度、热性能和力学性能均未发生变化。EPS板用作国产铁路冷藏车的保温层,使用8-10年后拆除更换,然后扔在露天,以抵御日晒雨淋,但皮肤变得粗糙。用电热丝切割后,观察到切割表面与新产品没有区别。密度为17.8kg/m3,导热系数为0.0335w/(m·K)。车厢底部EPS板长期浸泡在盐水中,密度103.8kg/m3,导热系数0.0386w/(m·K)。经70℃干燥12d后,密度降至30.5kg/m3。破胶后,EPS颗粒表面被盐水浸泡成黄色。粒子被切割后,内部仍然是白色的。
以上情况说明EPS板具有良好的耐久性。然而,当EPS板直接暴露在室外气候条件下时,其表面极易受到损伤。但是,当EPS板表面有保护层时,即使只有一层牛皮纸,也能具有良好的自然耐老化性能。
EPS板的尺寸变化可分为热效应和后收缩两种。温度变化引起的变形是可逆的。EPS板在加热成型后会收缩,称为后收缩。收缩后的收缩速度先快后慢。当收缩达到某一极限值时,它将不再收缩。如图1-2所示。
不同原料和工艺条件生产的EPS板收缩率不同。由巴斯夫原料制成的EPS板后收缩率为0.3%-0.5%。
EPS板在70℃时的尺寸变化率一般在0.07%~0.38%之间。在混凝土构件中,以EPS板为夹层的复合墙体在窑内养护温度超过90℃,养护时间为8h时,EPS板的厚度明显减小。在高温热水中,EPS板外观变化明显,表面不平整。当环境温度高于100℃时,EPS板的尺寸将大大缩小。
(3) 润湿性及其对热阻的影响:EPS板在23℃水中浸泡96h后的吸水率一般在0.51%~0.74%之间。实践中,EPS板的两个表面之间存在温差和水蒸气压差。一般来说,当EPS板用于外墙和屋面保温时,不会出现明显的受潮问题。但是,当EPS板的一侧长期处于高温高湿环境中,另一侧处于低温环境中,且被透水性差的材料封闭时,EPS板将受到严重的水分影响。
湿热环境潮湿模拟试验:试样尺寸:300 mm×300 mm,厚度:25 mm。采用两层气体屏障密封试样的周围和上表面,使试样的下表面处于湿热环境(温度29℃,相对湿度100%),上表面处于低温环境(温度4℃,相对湿度75%)。这种情况代表了导致潮湿的严重边界条件。水蒸气由湿润的下表面向上表面驱动,由于密封层的存在,不能从上表面干燥。样品分为eps-1、eps-2、ure和XPS。四种材料的密度分别为16、30、32和38kg/m3。在试验过程中,定期测量试样的体积含水量和热阻。试验结果如图1-3和图1-4所示。图中,热阻比是样品在干燥状态下阻尼后的热阻与热阻的比值。由图1-3可以看出,400天后,eps-1、eps-2和ure的体积含水量均超过30%,但1800天后XPS样品的体积含水量仍小于10%。
结果表明,使用3年后,EPS板和ure板的含水率均大于40%,热阻降低60%~70%。XPS板的吸湿性很小。
EPS板用于外墙和普通屋面保温时,在长期使用过程中,含水率增加不大,保温性能变化不大。但当屋面防水层失效时,EPS板仍可能受到严重的受潮影响。北京某写字楼屋顶在原防水层上铺设5cm厚的EPS板加强保温,在EPS板上铺设8cm厚的沥青珍珠岩,再在顶部做防水层。由于防水层失效和漏水,EPS板的体积含水率高达25%。根据图1-4,绝缘效率降低了60%。
EPS板的长期使用温度在75℃以下。用于屋面保温时,注意防止EPS板过热。由于EPS板的热阻较大,其上表面会因高温而收缩。可采用浅色涂料或架空屋面降低保温屋面表面温度。
在EPS板薄抹灰外保温系统中,为避免抹灰层后收缩开裂,要求EPS板成型后室温存放至少40天。或在70℃下固化至少1周。同时,尺寸稳定性要求小于0.3%。
EPS板在暴露于阳光下时,易受阳光直射和风化破坏。因此,在外保温或屋面保温层施工过程中,应及时做保护层。
用于倒置屋顶、冷库、空调等低温管道的保温时,EPS板可能会严重受潮。受潮后,其保温效率将大大降低。因此,在设计倒置屋面时,应将防水层做成一定的坡度,并采用渗透性好的材料(如卵石)作为EPS板的道碴。这样可以有效降低EPS板受潮的风险。用于冷藏、空调等低温管道保温时,EPS板外表面必须设置防潮层。
XPS是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成分,加入少量添加剂制成的具有闭孔结构的硬质泡沫。
XPS板长期吸水率低,特别适用于倒置屋顶和空调风道。由于XPS板不易粘结,价格昂贵,一般很少用作外墙外保温材料。
聚氨酯是以聚醚树脂或聚酯树脂为主要原料,与异氰酸酯定量混合,在发泡剂、催化剂、交联剂等作用下发泡而成
聚氨酯具有以下特点:⑴导热系数小。在现有的保温材料中,产品的导热系数最低,新聚氨酯的室温导热系数可低于0.016w/(m·K);⑵使用温度较高。添加耐温辅助材料后,使用温度可达120℃;⑶抗压强度高;(4)化学稳定性好,耐酸碱。
与不同,硬质聚氨酯泡沫是用氟利昂(CFC)或其他类型的发泡剂发泡的。泡孔内发泡剂的导热系数小于空气。随着使用时间的增加,发泡剂在环境中因扩散效应不断被空气取代,导致聚氨酯泡沫的导热系数随时间逐渐增大。为了克服这一缺点,可以采用压型钢板等气密材料作为表层进行密封,以限制或减缓位移效应。
硬质聚氨酯泡沫塑料因其温度高而被用于加热管道保温。现场喷涂聚氨酯泡沫塑料具有温度高、压缩性能好、施工方便等优点。它比EPS板更适用于屋面保温。管道(特别是地下直埋管道)和屋面采用聚氨酯泡沫保温时,应采取可靠的防水防潮措施。同时应考虑热导率随时间而增大,尽量采用密封材料作为保护层。一些厂家声称,聚氨酯泡沫塑料不吸水,还可以起到隔热和防水的作用。
聚乙烯泡沫(PE)吸水率很低,几乎不吸水。它的水蒸气渗透系数很小,几乎没有蒸汽。这是它的两个突出优点。由于分子排列的密度,聚乙烯薄膜可以阻止水分子的渗透。聚乙烯泡沫是一种微孔闭孔结构。每个气泡壁都是很好的气体隔离层。因此,聚乙烯泡沫具有优异的抗渗性和抗水蒸气性。图4-1为湿环境下泡沫塑料导热系数随时间的变化。从图中可以看出,聚乙烯泡沫塑料在潮湿环境中不会长期受潮,导热系数保持不变。这是EPS、PUR、PF等泡沫塑料无法比拟的。
聚乙烯泡沫塑料属于软质泡沫塑料。其拉伸强度和压缩性能较差,压缩蠕变采用压缩蠕变。
聚乙烯泡沫塑料具有良好的柔韧性,几乎不吸水和水蒸气。特别适用于低温管道和空调管道。也可用于普通屋面和倒置屋面。用于屋面保温时,应考虑压缩徐变。
酚醛泡沫塑料的性能和价格与聚氨酯相当,但压缩性能较低。由于其耐温、耐火性能远优于聚氨酯,特别适用于高温管道和防火要求严格的场合。脲醛树脂是将脲醛树脂完全溶解在水中,通过喷枪和泡沫乳液压缩空气产生泡沫,并自由膨胀和填充预留空间。
UF具有以下性能特点:⑴导热性与EPS相似;⑵密度一般为10-15kg/m3;⑶长期使用温度为100℃,热稳定性在200℃以上;⑷机械强度低,不能承受机械载荷。
UF发泡反应时间不超过1分钟。该产品耐老化和霉变。干燥后不会腐蚀金属。超滤泡沫存在甲醛释放问题。德国标准DIN 18159第2部分“建筑用现浇泡沫塑料、脲醛树脂保温泡沫塑料”规定,甲醛释放量应低于有害值。
脲醛树脂现浇泡沫塑料适用于填充墙体和空心砌块保温。在泡沫硬化过程中,水分会在填充空间释放,这就需要保留空间。周边材料应具有良好的透气性,使硬化泡沫充分干燥。如果材料的使用空间长期处于潮湿状态,或者材料不是用于保温而是用于保冷,则应特别考虑湿度问题。这种材料在干燥过程中收缩较大(干燥收缩率不大于4%),材料中可能出现裂纹,材料与空间接触面容易松动。这些现象与材料的干燥速率和与空间边界的结合力有关。如不允许,应提前向材料供应商提出。另外,要注意浇注孔的合理分布,保证泡沫材料完全充满填充空间。
矿棉是玻璃棉、岩棉和矿渣棉的统称。由于生产工艺的不同,岩棉可分为钟摆岩棉和沉降岩棉。岩棉采用摆锤法将采布过程分离,在采棉过程中将纤维与渣球分离,形成低密度薄层棉,然后将岩棉产品均匀摊铺,铺棉时摆动带往复摆动,调整输送带速度(自动称重反馈),高弹性、高强度。在沉降法中,岩棉采用沉降室铺棉工艺。纤维流量随时间变化,沉降室负压分布不均匀,难以形成纤维密度沿长度方向的均匀分布。
岩棉产品酸度系数高,化学性质稳定。岩棉制品中可溶性氯离子含量低,对钢件(包括奥氏体不锈钢)无腐蚀作用。无机矿物纤维使用温度高,岩棉板导热系数与温度的关系如图7-1所示。
岩棉制品在高温下会产生收缩变形,其抗收缩变形性能可以通过热稳定性来评价。当低密度岩棉制品长期使用或振动频率高、振幅小时,可能发生厚度沉降。
目前国内大多数岩棉生产厂家只能采用沉降法生产岩棉。在质量好的岩棉制品中加入防水剂,吸湿率在0.33%以下。
超细玻璃棉是由玻璃经火焰吹制而成,平均直径3-4毫米。玻璃棉制品的密度和导热系数普遍低于岩棉制品。玻璃棉制品适用于空调管道保温,并具有吸声功能。
矿物棉制品是无机材料,一般认为是耐用的。然而,一些研究数据表明,热和水蒸气的作用可能对无机矿物纤维产生有害影响。矿渣棉和岩棉在高温高湿环境下进行化学淋洗。当温度高于60℃时,在高湿度环境中会发生水化。矿渣棉和岩棉长期暴露在高温高湿环境中,会导致纤维劣化,保温性能下降。
与泡沫塑料、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩等硬质保温材料相比,矿物棉制品有两个特点:一是水分易迁移,二是透气性高。
矿物棉保温材料中的水分具有极易迁移的特性。饱和含水量的矿棉保温材料分两步干燥。在第一阶段,液态水通过重力排出,持续数小时。排水率和剩余含水量在很大程度上取决于材料的放置方向。在垂直方向上,除底部0.1M~0.2m仍处于饱和状态外,其余部位的体积含水量将迅速下降至3%~5%。第二阶段从几天持续到几个月。干燥机理是水的蒸发及其以蒸汽的形式扩散到材料的外部。如果冷侧有一层不可渗透的表层(如空气屏障)阻止干燥,水蒸气就会在这里凝结,大部分水很快就会凝结成一层薄薄的。在水的干燥(或再分配)的第二阶段,相变会影响热流和物料温度。
岩棉、玻璃棉制品可用于钢结构、混凝土及砌体屋面、外墙、隔墙、幕墙、高温管道的保温。
由于矿物棉保温材料中的水分很容易转移,对于垂直建筑构件(如外墙),由于液态水会迅速从底部排出,所以非永久性的水分不会对构件的保温性能产生显著影响。但是,它可能会对水平建筑构件(如平屋顶)产生重大影响。这主要是由于相变。在冬季,屋面结构中的水分可能通过扩散以蒸汽的形式向上迁移,水分在防水层下表面凝结成液态水。液态水在重力作用下向下迁移。这样,水分被反复转移。蒸发热主要来自室内,冷凝热则分散到室外。尽管湿度保持不变,屋顶的热阻却降低了。
对于保温层外露的通风屋面和保温层两侧有空腔的墙体,如果不采取可靠的抗渗措施,岩棉制品的高透气性将大大降低保温性能。
在常用密度范围内,矿棉制品的导热系数基本不随密度变化。然而,矿物棉制品的热阻与其厚度成正比。由此可见,荷载引起的压缩、长期荷载下的压缩蠕变和长期使用下的沉降都会导致热阻的降低。
矿棉制品的耐久性主要涉及压缩蠕变、沉降和湿变质,直接影响其保温性能。
泡沫玻璃几乎是无水的,不受蒸汽的影响。在湿热环境中长期使用,其含水量不会增加,因此导热系数不受使用环境和使用寿命的影响。
泡沫玻璃具有较高的拉伸强度,能与粘结剂牢固结合。它在不同温度下具有优异的尺寸稳定性,能有效地防止自身及其保护层开裂。
泡沫玻璃具有良好的应用前景,可广泛应用于屋面、地面、墙体及高低温管道保温。但由于其价格昂贵,产品质量参差不齐,在建筑中的应用并不普遍。另一个没有得到广泛应用的原因是宣传和开发力度不够,很多优势还没有被认识,设计和施工中的一些具体问题需要通过试点来解决。
膨胀珍珠岩保温制品是以膨胀珍珠岩为主要成分,添加或不添加增强纤维和粘结剂而制成的。该材料不燃,具有耐高温、温度范围宽、抗压强度高等特点。普通产品没有疏水性。在疏水性产品中加入憎水剂会降低表面的亲水性。
早期膨胀珍珠岩制品强度低,易损坏。普通膨胀珍珠岩制品最大的缺点是吸水率高,24小时按重量计吸水率一般在100%以上。珠光体保温制品的憎水率可达99%以上,加入憎水剂可大大提高其强度。膨胀珍珠岩保温产品不仅适用于一般屋面、地面、墙体和管道的保温,也适用于停车场大荷载的地面保温。
普通膨胀珍珠岩保温制品易吸水,在储存和运输过程中应防雨。使用时做好防水结构设计和施工。
憎水珍珠岩保温制品由于憎水剂的存在,不易与水泥砂浆粘结。同时应注意配套粘结剂的选择。
橡胶粉EPS颗粒保温浆料由矿物胶凝材料、少量高聚物和EPS颗粒骨料组成。EPS颗粒的体积一般在80%以上。本产品属于干混砂浆,EPS颗粒与胶凝材料可分开包装。使用时,将两种材料混合并用水搅拌。主要用作现场抹灰的保温材料。
EPS颗粒在保温砂浆中的比例和固化砂浆的密度对其导热性能起着决定性的作用。此外,保温浆料的吸水率对保温性能也有重要影响。由于添加剂的不同,不同厂家产品的吸水率可能会有很大差异。
目前,国内市场上有各种保温浆料。选择保温浆料时,不要混淆其名称。首先,我们应该知道什么材料是用作泥浆中的隔热材料,然后什么材料是用作胶凝材料。EPS颗粒具有可靠的隔热性能。在各种保温浆料中,仅推荐EPS颗粒保温浆料。对于胶凝材料,应特别注意不含有害物质(如甲醛),尤其是用作内保温材料时。
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