建筑材料導熱系數的幾個影響因素

【摘要】隨著建筑節能技術的迅速發展，對建筑材料的選擇面越來越寬，同時對建筑材料的熱物理特性需要更準確和全面了解，給今后的節能建筑的設計和檢測提供可靠的依據。

【關鍵詞】建筑材料；導熱系數；影響因素

【中圖號】TU111.1【文獻標示碼】A【文章編號】1005-1074(2008)11-0232-02

1概述：建筑材料的熱物理特性

建筑材料種類很多，從材料形狀來分，可分為密實塊狀材料，多孔塊狀材料，纖維狀材料，顆粒狀材料等，從分子結構來分，可分為晶體材料廠，微晶體材料和玻璃體材料；從化學成分來分，又可分為有機材料廠和無機材料。這些材料具有一系列的熱物理特性，在進行維護結構熱工計算時，往往涉及到材料的熱物理特性。為了使計算準確可靠，就必須正確地選擇材料的熱物理指標，使其與材料實際使用情況相符合。否則，計算公式無論論怎樣準確，所得到的結果與實際情況仍然會有很大的差異。然而，材料的熱功當量物理指標往往受到許多因素的影響，除了材料本身的分子結構、化學成分、容重、孔隙率的影響外，還受到外界溫度、濕度等影響。所以，要合理選擇熱功當量物理指標，就必須了解材料的這些特性。

2材料的導熱性能

導熱性能是材料的一個非常重要的熱物理指標，它說明材料傳遞熱量的一種能力。材料的導熱能力用導熱系數“λ”來表示。在工程計算中，導熱系數的單位為 w/m℃，它表示：在一塊面積為1㎡，厚度為1m的壁板上，板的兩側表面溫度差為1℃，每秒通過板面的熱量。因此，導熱系數值愈小，則材料的絕熱性能愈好。各種建筑材料的導熱系數差別很大，大致在0.020~3.500w/m℃之間，如聚胺酯泡沫塑料λ=0.022 w/m℃，而大理石λ=3.490 w/m℃。影響材料導熱系數的主要因素有：①材料的分子結構及其化學成分；②容重（包括材料的孔隙率、孔洞的性質和大小等）；③材料的濕度狀況；④材料的溫度狀況。

2.1材料的分子結構和化學成份對導熱系數的影響人們常常認為，材料的容重是影響材料導熱系數的唯一因素，其實不然，材料的分子結構和化學成分等比容重所起的作用大得多。由于建筑材料的化學成分和分子結構的不同，一般可分為結晶體構造（如建筑用鋼、石英石等）、微晶體構造（如花崗石、普通混凝土等）和玻璃體構造（如普通玻璃、膨脹礦渣珠混凝土等）。這種不同的分子結構引起導熱系數有很大的差別。玻璃體物質由于其結構沒有規律，以致不能形成晶格，各向相同的平均自由程很小，因此，其導熱系數值要比結晶體物質低得多。然而，對于多孔保溫材料來說，無論固體成分的性質是玻璃體或是結晶體，對導熱系數的影響不大。因為這些材料孔隙率很高，顆粒或纖維之間充滿著空氣，因此，氣體的導熱系數就起著主要作用，而固體部分攤影響就減少了。

2.2材料導熱系數與與容重的關系容重是指單位體積的材料重量，用“γ”來表示，單位為㎏/m3，它是影響材料導熱系數的重要因素之一。

對于大多數材料來說，都是由固相質點和其間的氣孔所組成。例如輕骨料混凝土總孔隙率大約為30～60%，而70～40%是由固體部分所組成；泡沫混凝土總孔隙率大約為56～88%，而44～12%是由固體部分所組成。所以材料的容重取決于孔隙率。當材料的比重一定時，孔隙率愈大，則容重就愈小。由于材料中有氣孔的存在，因此，材料中的偉熱方式不單純是導熱，同時還存在著孔隙中氣體的對流傳熱和孔壁之間的輻射傳熱。所以嚴格地說，多孔材料的導熱系數應當是“當量導熱系數”。材料隨著其

氣孔尺寸的增大，孔內氣體對流和孔壁之間的輻射換熱就會增加。材料的當量導熱系數也就明顯地增大。因此，在生產加氣混

凝土、泡沫玻璃等容重輕、孔隙多的材料時，從工藝上保證孔隙率大、氣孔尺寸小，是改善材料熱物理特性的重要途徑。此外，材料的氣孔形狀對導熱系數也有一定影響。一般來說，封閉型氣孔的導熱系數要比敞開形氣孔的導熱系數小。由于敞開形氣孔毛細管吸濕能力很強，這對保溫材料來說是很不得的。松散狀的纖維材料，其容重變化的輻度較大，容重大、導熱系數相應地增大；然而容重小到一定程度，材料內產生空氣循環對流換熱，同樣也會增加導熱系數。因此，松散狀的纖維材料存在著一個導熱系數最小的最佳容重。

2.3材料導熱系數與濕度的關系由于氣候、施工水分和使用的影響，都將引起建筑材料含有一定的濕度。濕度對導熱系數有著及其重要的影響。材料受潮后，在材料的孔隙率中就有了水分（包括水蒸氣和液態水）。而水的導熱系數λ=0.580 w/m℃，比靜態空氣的導熱系數λ=0.026 w/m℃大20多倍。這樣，就必然使材料的導熱系數增大。如果孔隙中的水分凍結成冰，冰的導熱系數λ=2.330 w/m℃，又是水的4倍，材料的導熱系數將更大。所以在進行圍護結構熱工計算時，應選取一定濕度下的導熱系數，并且還必須采取一切必要的措施，來控制材料的濕度，以保證圍護結構的保溫性能。

濕度是說明材料中含游離水分多少的一個指標。濕度可以用重量濕度“wz”，或用體積濕度“Wd”來表示。

重量濕度是指材料試樣中所含水分重量與試樣在干燥狀況下的重量之比，即

WZ=g1-g2g2×100%(1)

式中:g1—濕材料試樣的重量，㎏；g2—干材料試樣的重量，㎏。

體積濕度是指材料試樣中水分所占體積與試樣體積之比，即

Wd=V1V2× 100%（2）

式中:V1—試樣中水分所占的體積，m3;V2—試樣的體積，m3。

體積濕度Wd與重量濕度wz的相互關系可用下式來表示：

Wd=wz·γ干1000(3)

大多數建筑材料的導熱系數和濕度之間是線性關系.但是，也有一些建筑材料，當濕度增℃大到一定程度后，導熱系數與濕度之間的關系就不是線性了，而出現向上凸出的弧度，也就是說導熱系數增長的速度隨著濕度的進一步增加而變慢。

建筑功能圍護結構在一般的使用情況下，其材料的濕度與導熱系數的關系為線性關系，可用下式來表示：

λ濕=λ干+δwωz（4）

式中:δw為材料的重量濕度增加1%時，其導熱系數的增值。

有些材料在干燥狀態下，它們的導熱系數彼此差別很小，可是當含有一定水分時，它們之間的差別就增大。這說明水分與物體骨架的結合方式對導熱系數有很大影響。另一種現象也需指出：干燥材料的導熱系數是隨著溫度的降低而減小；潮濕材料廠當溫度在0℃以下，材料中的水分會隨著溫度下降而發生相態的變化，即水冷卻成冰，這時，材料廠的導熱系數就會增大。

2.4材料的導熱系數與溫度的關系材料的導熱系數與溫度的關系是比較復雜的，很難從數量上詳細地概括在溫度影響下導熱系數的變化情況。一般來說，材料隨著溫度的升高，其固體分子的熱運動增加，而且孔隙中空氣的導熱和孔壁間輻射換熱也增強，這就促成了材料的導熱系數的增大。然而，對于晶體材料來說，正好相反，它們的導熱系數隨著溫度的增高而減少。此外，氣孔的尺寸對導熱系數也會引起較大的影響。例如，對于直徑為5mm的氣孔來說，當溫度自0℃長至500℃時，空氣當量導熱系數將增大11.7倍；然而在直徑為1mm的氣孔中，其空氣當量導熱系數增長僅為5.3倍。但是當溫度在70~80℃以內，材料導熱系數受溫度的影響就很小.在一般的房屋建筑中，材料溫度的變化很少超過60℃，因此，在一般房屋圍護結構的熱工建筑中都不考慮溫度變化對導熱系數對導熱系數的影響。只有對處于高溫或者很低的負溫條件下，才考慮采用相應溫度下的導熱系數。

對于大多數材料來說，導熱系數與溫度的關系近似于線性關系，可用下式來表示：

λt=λo+δtt(5)

式中:λt—材料溫度為t時的導熱系數，( w/m℃)；λo—材料溫度為0℃時的導熱系數( w/m℃)；δt—當材料溫度長高1℃時，導熱系數的增值.

3材料的導熱性能

從上節中知道材料的導熱系數是衡量一種維護結構當其兩側面有一定溫差時，引起傳遞熱量多寡的一個熱工指標。然而，傳遞熱量的快慢程度，則導熱系數是反映不出來的。它要用材料的另一個熱工指標——導熱系數來衡量。

導溫系數的物理意義是表示材料在冷卻或加熱過程中，各點達到同樣溫度的速度。導溫系數愈大，則各點達到同樣溫度的速度就愈快。既溫度的擴散能力。

材料的導溫系數與材料的導熱系數成正比，與材料的體積熱容量成反比，即

α=λcγ（6）

式中:α—材料的導溫系數，（㎡/S）;λ—材料的導熱系數，（w/m℃）;c—材料的比熱，（J/㎏℃）;γ—材料的容重，（㎏/m3）

目前由于越來越多地采用了新型的輕質薄壁板材結構和材料，給設計人員提出了如何防止房間過冷過熱的問題。在這種情況下，設計圍護結構時，不但要考慮材料的導熱系數，更重要的使要考慮材料的導溫系數。影響材料導溫系數的因素和導熱系數一樣，取決于材料的分子結構、化學成分、容重和溫、濕度等。

4材料的比熱

材料的比熱是表示1公斤物質溫度升高或降低1℃時所吸收或放出的熱量，單位為J/㎏℃。材料的比熱主要取決于礦物成分和有機質的含量，無機材料的比熱要比有機材料的比熱小。

5濕度的培養

為了測定不同濕度下材料的熱物理性能，首先需將實驗的試件培養成不同含濕量。目前培養濕度的方法有兩種:

5.1解吸法將潮濕的試件進行解吸(自然風干或強迫減濕)，使試件的濕度逐漸減少，以便控制試件的各種不同的含濕量。

5.2加濕法這種方法又可以分為以下幾種:①在恒溫恒濕狀況下進行培養；②用水霧(霧化水)淋灑；③浸在室溫水中；④浸在比室溫高的熱水中。

方法①②適用于材料不宜浸入水中的試件，如玻璃棉、礦棉及強度較低的多孔材料。對于具有一定強度的塊狀材料采用方法①②加濕試件，在短時間內達不到要求的濕度時，則再用方法③較合適。方法④用于試件浸在室溫水內短時間達不到所要求的吸濕量時，如軟木等。

為了保證濕度的穩定，通過上述兩種方法培養的濕試件，要求放入密閉容器中穩定2～3日后再進行實驗。

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