建筑节能保温材料及其提高性能的技术分析(4).doc
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1、建筑节能保温材料 及其提高性能 的技术分析中国建筑业协会材料分会 涂平涛建筑节能保温材料及其提高性能的技术分析中国建筑业协会材料分会 涂平涛摘要:文章分析了建筑节能保温材料的类别,性能,存在问题,针对提高节能保温材料的防火、防水、减轻密度,降低导热和防开裂、脱落现象,做了技术分析,并提出了技术措施,对建筑节能保温材料的技术创新有一定的推动和促进作用。关键词:建筑节能、保温材料、无机泡沫保温材料、导热系数、吸水率、燃烧性能、防火性能。(一)有机保温材料性能与应用分析保温材料按化学性质分类,可分为无机非金属材料,有机高分子材料和金属材料。按状态分类,可分为纤维状、微孔状、气泡状和层状四大类。如表(
2、1)所示:主要保温材料分类(表1)纤维状无机天然石棉、海泡石人造矿棉(矿渣棉、岩棉)玻璃棉、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳纤维有机天然木纤维、草纤维微孔状无机天然硅藻土人造微孔硅酸钙气泡状无机人造泡沫水泥、泡沫镁水泥、泡沫石膏、泡沫玻璃、泡沫陶瓷、泡沫水玻璃珍珠岩,膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、泡沫硅酸钙、粉煤灰微珠。有机人造泡沫塑料(石墨聚苯、EPS、XPS、硬泡聚氨酯、硬质PVC泡沫板,酚醛保温板PF,脲酸泡沫板)、泡沫橡胶、钙塑制品层状金属人造铝箔当今作为建筑节能工程中约90%采用的是有机泡沫保温材料,诸如:硬泡聚氨酯PIR;石墨聚苯板;聚苯保温板EPS;挤塑聚苯板XPS;硬质PVC泡沫
3、板;酚醛保温板(PF);脲醛泡沫保温板(UF),有机保温材料一般具有密度低,导热系数低,保温效果好,吸水率低等特点。如表2所示:有机泡沫保温材料的相关性能(表2)材料名称性能石墨聚苯板EPSXPS酚醛保温板硬质PVC泡沫板脲醛泡沫板硬泡聚氨酯PIR表观密度kg/m318-2218-2227-3547-6590-1307-1035-55导热系数w/mk0.0320.0410.0300.034-0.0380.037-0.0540.0410.022-0.024吸水率%体积吸水率2-6体积吸水率2-6体积吸水率39.8-11.50.2 kg/m2201-3燃烧性能等级B1B2B2B1B250020下焦
4、化,无火焰B2我国房屋建筑节能工程始于1988年,从仿专威特的EPS贴板法系统起,有机保温板用于外墙外保温有20余年的历史,并取得了一定的效果。由于技术上,经济上的原因,目前还没有找到可以完全替代有机材料的高效保温材料应用在建筑工程上,但不意味有机材料用在节能工程中是长期导向性的材料。其原因是:1、 关于防火问题:有机材料自身没有一个是不燃材料,近年来有机外保温工程中的火灾安全频发,特别是2009年央视大楼;2011年沈阳皇朝万鑫酒店,2010年的上海“11、15”重大火灾,皆因挤塑有机聚苯板(XPS),聚苯板EPS,PV聚氨酯的直接和间接原因所致。业内有的学者提出在欧美等国,有机保温材料的应
5、用量也很大,火灾事故却不多。认为通过有效的技术和管理措施能得到解决,这个见解可能不全面。在欧美,例如在德国的高层建筑的建造和运行模式导则(MHHR)规范中,要求建筑外墙的砂浆层,保温层和防护层必须由不燃材料制成。高层建筑22m的外墙保温体系必须采用A级不燃材料。美国的建筑规范(IBC-2009),规定IIV类的建筑外墙中的有机泡沫保温塑料必须为A级,即:火焰传播指数25;产烟指数450,潜热不超过22.7MJ/m2。德国建筑法规(MBU)规定,建筑组件通常情况下必须是不燃或难燃材料,疏散楼梯处的覆盖层,抹灰层,保温层,楼板及固定装置均要采用不燃A级材料。欧美等国家对外墙外保温防火安全性能要求的
6、基本定位是:无论是哪种情况下引发的火灾,都不应出现由于外保温系统的燃烧而将火焰传播到牺牲层以外的其他楼层,并通过其它楼层的窗口或洞洞口等外墙开口将火焰引入到建筑物内而导致其它楼层失火的现象。由此可以显而易见的得知国外对有机保温材料用在外保温系统是有严格的防火要求;有高度不超过22m的规范;有使用部位要求;有本身的燃烧性能要求和耐火极限对抵抗相邻建筑火灾的侵害和阻止本身建筑火热的进一步蔓延的要求,而不是管理措施到位就能根本解决外墙外保温的防火问题,只有从材料的自身防火性能的提高,才是有效途径。再者,还应关切的问题是有机类保温材料较普遍的还存热氧老化,软化点温度不高,燃烧产生的烟毒素和滴落。如:常
7、用的发泡聚苯板-CH2CH-n 的软化点为70100,玻化温度为80,燃烧时产生黑烟并散发苯乙烯的刺激臭味。有碍于环保要求。2、有机外保温材料体系的空鼓开裂、脱落问题由有机保温材料构成的外墙外保温其保温墙面开裂脱落在国内各地皆有发生,墙面开裂脱落的原因是一个系统因素,诸如:建筑结构原因:在框架结构中,由于混凝土和围护结构填充材料变形应力不一致,墙面基底部位发生变形以及建筑物不均匀沉降或伸缩缝设置不合理所造成的保温墙面的开裂脱落;施工原因:施工环境在严寒条件(低于5)或在酷热条件下造成水泥粘接砂浆失去凝固粘接强度或酷热下造成粘接面层失水过快而无粘接强度引起的脱落。施工过程中基层处理不当平整偏差过
8、大,基层表面牢固度不够,造成保温层与墙面脱落开裂,以及不采用满粘法施工,形成空腔的烟囱效应,不仅易脱落而且会引起火势加快蔓延现象。此外粘接材料本身粘接性与强度不够,腻子材料的刚性的耐水性不够也都会造成有机保温层的脱落和开裂。但是有机保温材料的自身的诸多因素也是造成脱落开裂的原因。1)热熔缩与热氧老化:聚苯保温板的软化点70100,玻化温度80,构成墙体保温系统时,一般是在粘、钉于墙面的聚苯保温板上抹23cm的抗裂砂浆,待凝固后再做约0.6mm厚的聚合物水泥饰面层,在聚苯板的表面仅有约3cm厚水泥砂浆层,且不具隔热作用,在炎热夏季反复承受热作用,会发生不可逆的热熔缩与热氧老化,造成墙面开裂,脱落
9、。2)热应力的差异导致的开裂脱落:作为常用的聚苯板导热系数约为0.041w/mk,XPS为0.030 w/mk,硬泡聚氨酯约0.023 w/mk,而抗裂砂浆(保温板的外保护层)的导热系数约为0.93 w/mk,两层材料的导热系数相差2040倍,造成的有机保温板与抹面砂浆的胀缩系数和热应力会有较大的差异因此易产生裂缝和脱落。3)有机保温板的低抗压力和低抗冲击力造成的脱层开裂,以常用的聚苯保温板为例,作为密度20kg/cm3的聚苯板断裂弯曲负荷约25N(相当于2.5kg/cm2),弯曲弯形20mm,在受到60Kpa的压缩强度的作用下会产生10%的形变,而且这种形变还不能恢复,这就必然造成墙面开裂脱
10、落。作为有机保温材料构成的保温层自身的松软,抗冲击及承受荷载能力差,必须有高强的防护层维护,这使保温层两侧形成了不同温度场,保温效果越好,两侧温度差就越大,温度应力和膨胀系数也越大,保温层与保护层的空鼓和开裂也就十分纠结了。有机保温材料用在外墙保温系统,材料自身的防火性能,材料使用的防空鼓和开裂脱落,构造防火和有效的技术和管理措施的合理解决如何平衡,协调发展使建筑节能与消防得到顺利实施,仍是从事建筑节能保温工作者的任重而道远的目标。(二)无机保温材料的性能与应用分析:1、无机保温材料的类别无机保温材料具有极好的防火性能,特别是不产生烟毒素和滴落情况,该种材料不会像有机保温材料,随使用时间的延续
11、产生老化和降解现象,从而失去强度和使用功能。因此无机保温材料受到了工程界的青睐,特别是高无机固量的有机保温材料含。目前我国业已出现的无机保温材料,主要有:二氧化硅气凝胶保温隔热材料;硅镁泡沫保温防火材料;泡沫玻璃;泡沫陶瓷;泡沫水泥;微孔硅酸钙;岩棉;玻璃棉;水泥聚苯颗粒复合材料;复合硅酸镁防火保温材料;镁水泥珍珠岩保温材料;硅酸钠复合保温材料等。各材料的大致功能如下:1)二氧化硅气凝胶保温隔热材料:二氧化硅气凝胶多孔材料是以水玻璃为原料,采用溶胶胶凝的方法进行制备。通过酸碱二步法催化等多种优化的工序,使材料的气孔率和比表面积增高,具有多孔纳米结构,其空洞率可高达90以上,孔径尺寸仅几十纳米,
12、在500时的热导率低于0.035W/mk是目前保温性能最佳的固态材料,其生产工艺为:硅酸钠硫酸+助剂有机溶剂合成洗涤干燥予处理喷雾干燥二氧化硅气凝胶 该材料具有纳米多孔结构(孔径1-100um),低密度;低导热系数(0.013-0.018 W/mk);高孔隙率80-90;高比表面积(200-1000),在600前几乎不发生收缩现象。该材料在墙体上做保温材料使用尚有难度,其原因是造价过高,每平方米高达320元以上,机械强度不高也是使用的缺陷之一。2)硅镁防火保温板:该材料是以镁水泥为胶凝材料,以硅灰石粉、粉煤灰、玻化微珠、阻燃有机发泡颗粒材料为防火轻质填料、外加改性剂和纤维增强材料,经发泡剂、稳
13、泡剂形成的发泡液在加压空气下形成硅镁泡沫胶凝物在常温(1535)常压下固结,形成的防火保温板称为硅镁防火保温板,其性能为:硅镁防火保温板性能(表3)项目性能指标测试标准密度kg/m325050GB/T5486抗压强度MPA0.5-1.0GB/T5486导热系数W/M.K0.07-0.05GB/T10294拉拔力MPA0.2GBJ144吸水率10JC/T647蓄热系数W/M.K1.2JC/T283软化系数0.80GB/T11969燃烧性能不低于A2级GB/T14402放射性核素限量内照射指数 IRa1.0外照射指数 Ir1.0GB6566该材料的突出功能是极好的防火性能,耐火极限可达1.5小时以
14、上,生产过程无需蒸压或蒸养是典型的节能生产材料,填充料多系工、农业生产废弃物,原料易得,且价格低廉,形成的防火保温板,生产成本每立方约520元/m3。硅镁防火保温板制造技术不易掌握,是一个多因素的系统生产环节,要防止返卤、结露现象。3)泡沫玻璃与泡沫陶瓷泡沫玻璃是一种以磨细玻璃粉为主要原料,通过添加发泡剂,经烧熔发泡和退火冷却加工处理后,制得具有均匀的独立密闭气孔结构的无机保温材料。它具有防潮、防火、防腐的作用,同时具有长期使用性能不劣化的优点,其性能如表4所示:泡沫玻璃性能表4密度kg/m3气孔率吸水率抗压强度MPA导热系数W/MK使用温度燃烧性能130-16094-950.2平均0.70.
15、052-270-430不燃该材料的生产能耗较高,价格也高,每立方米生产成本约2500元,性比较脆,作为建筑保温材料有一定的局限性。将陶瓷原材料粉料,通过添加发泡剂,经烧熔发泡,退火冷却加工处理后,制得的轻质多孔材料。它具有防火、防水、耐久、尺寸稳定等优点,但缺点是存在性脆、导热系数较高,锚固易碎,成本较高,作为墙体保温具有一定的局限性,其性能如表5所示:发泡陶瓷物理性表 5项目干密度kg/m3导热系数W/MK蓄热系数W/MK平面抗拉强度MPA吸水率V/V燃烧性能性能指标2800.08-0.101.40.258A级4)微孔硅酸钙保温材料:将含硅与含钙材料,控制CaO/SiO2摩尔质量比在0.80
16、.83,加入少量增强纤维和水玻璃促进凝结,经过一定的工艺处理,加压成型为硅钙湿制品,进蒸压釜蒸压硬化,然后干燥脱水,即形成硅酸钙保温材料。该材料在国内外已得到广泛应用,具有耐热度高、保温性好、耐久抗湿性好、性能优良、价格适中(每立方米大约1600元)、外形美观、施工方便等优点,但存在表面粘结强度不高,吸水率高和生产能耗高的不足之处,其性能如表6所示:硅酸钙保温材料的物理性能表6项目密度Kg/m3导热系数w/mk抗压强度MPA抗折强度MPA线收缩率%质量含水率%性能指标170-2400.055-0.0640.40-0.500.2-0.32.07.55)岩棉、玻璃棉:岩棉是以天然岩石如玄武岩、辉绿
17、岩、安山岩为基本原料,经熔化、纤维化而制成的一种无机质纤维,其矿棉和岩棉属同一类型产品。矿棉和岩棉原料易得,可就地取材,生产成本低,是防火、长效保温、隔热、吸声的优良材料。做为保温材料必需加入树脂粘结剂(多是酚醛树脂胶),含量多为3%,才能形成板制品。作为建筑外保温材料,吸水率较高抗压强度和平面抗拉强度较差是需努力调整的。岩棉的技术性能表7项目密度Kg/m3导热率w/mk燃烧性能纤维直径m纤维软化温度吸湿率%酸度系数憎水率%树脂含量%渣球含量%性能指标80-2000.025-0.035A1级4-7900-1000983_玻璃棉:是采用天然矿石如石英砂、白云石、蜡石等,配以其它化工原料如纯碱、硼
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