淺談常用建筑材料的導熱系數測定方法及影響因素

陳培莉（潮州市建筑工程質量檢測站）

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淺談常用建筑材料的導熱系數測定方法及影響因素

陳培莉
（潮州市建筑工程質量檢測站）

【摘要】隨著我國建筑節能工作的不斷開展，各種新型節能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應用。導熱系數是建筑節能材料主要的節能指標。本文筆者將對常用建筑材料的導熱系數的測定方法進行簡要的闡述，并對其影響因素進行探討，以確保提高測定方法的準確性，減少誤差。

【關鍵詞】建筑材料；導熱系數；測定方法

1　引言

隨著我國建筑節能工作的不斷開展，各種新型節能材料在建筑工程中得到了非常廣泛的應用。建筑材料的絕熱性能是需要重點評定的指標。根據相關的規范規定，對于建筑工程中所應用的節能材料，在進入施工現場之前應對其導熱系數等主要技術指標進行見證取樣復驗。然而，在實際的建筑工程中，一些檢測人員對于節能材料導熱系數等指標的檢測標準、方法等并不熟悉，這就導致了檢測所得到的結果無法真實地反映節能材料的性能。本文將根據相關的規范和標準，對材料導熱系數的影響因素進行分析，主要的影響因素包括密度、濕度、分子結構及化學成分、熱流方向、溫度等。并探討導熱系數的幾種主要測定方法，主要包括穩態法和非穩態法。以確保提高測定方法的準確性，減少誤差。

2　導熱系數的影響因素

導熱系數λ是指對于1m厚的材料的兩側溫度在1K或1℃的情況下，1s的單位時間內通過1m2面積所傳遞的熱量，其單位為W/（m.K）。根據導熱系數的概念可以知道，材料的導熱系數值越大，則表示其絕熱性能就越差。對于不同的材料，其導熱系數可能相差較大，并且材料導熱系數的影響因素較大，一般情況下主要包括密度、濕度、分子結構及化學成分、熱流方向、溫度等。因此，為了準確地測定材料的導熱系數，應對材料導熱系數的主要影響因素進行分析和探討。

2.1密度

一般情況下，材料的密度越大，材料的導熱系數就越大，反之，材料的導熱系數就越小。而對于含有孔隙的材料而言，材料的導熱系數的主要影響因素為材料的孔隙率和孔隙特征。一般情況下，材料的孔隙率越大，則材料的導熱系數就越低。在材料的孔隙率相同的情況下，具有相互連通的孔隙的材料會比孔隙封閉的材料的導熱系數高，這是因為連通的孔隙具有空氣對流的作用。此外，孔隙的尺寸越大，則材料的導熱系數就越大。

2.2濕度

水的導熱系數會比材料的導熱系數大很多，因此在材料受潮之后，材料的孔隙內就會存在較多的水蒸氣和水，這就會提高材料的導熱系數。一般情況下，材料的含水率越大，則導熱系數就越大。冰的導熱系數是水的導熱系數的4倍，如果材料中的水分被凍成冰，則材料的導熱系數會比含水的材料大大增加。如表1所示為加氣混凝土導熱系數與含水率之間的關系。

表1　加氣混凝土導熱系數與含水率之間的關系

2.3分子結構及化學成分

材料的分子結構及化學成分對材料導熱系數的影響非常大。比如說，玻璃體物質的導熱系數會比晶體的導熱系數小很多，這是因為玻璃體物質不能形成晶格的形式。而對于多孔材料而言，無論固體部分的結構是晶體還是玻璃體，都不會對材料的導熱系數有較大的影響。這是因為多孔材料主要是由其內的空氣決定材料的導熱系數，而固體部分的影響就減弱了。

2.4熱流方向

對于各向異性的材料而言，材料不同方向的導熱性能會有所不同，因此熱流方向也會影響材料的導熱系數。一般情況下，如果熱流沿著材料纖維的延伸方向，則熱量所受到的阻力就越小，導熱系數就大，反之，如果熱流沿著材料纖維的垂直方向，導熱吸水就越小。

2.5溫度

溫度會對材料的導熱系數造成較大的影響，這是因為溫度越高，材料固體分子的熱運動就越強，這就會增加材料孔隙中空氣的導熱和孔壁件的輻射作用。因此可以認為，隨著溫度的增加，材料的導熱系數就增加。

3　導熱系數檢測方法

一般情況下，對建筑材材料的導熱系數進行測定，可以采用的方法包括穩態法和非穩態法，其中穩態法包括防護熱板法和熱流計法，而非穩態法則包括脈沖法。以下將對這幾種導熱系數的檢測方法進行介紹。

3.1穩態法

穩態法具有的優點為原理簡單、計算方便、精度高等，但是其試驗裝置復雜、試驗時間長，此外穩態法對試件的要求較高。如果試件存在尺寸和平整度方面的穩態，則會產生接觸熱阻，這會影響測試的精度。

3.1.1防護熱板法

⑴原理

防護熱板法的基本原理為在穩態條件下，防護熱板裝置的中心計量區域內在具有平行表面的均勻板狀試件中，建立類似于以兩個平行勻溫平板為界，無線大平板中存在的一維恒定熱流。導熱系數λ的計算公式如下：

式中，Q代表一維恒定熱流；A代表計算單元的面積；ΔT代表試件冷熱表面的溫度差；d代表厚度。

⑵裝置

一般情況下可以采用的防護熱板裝置為雙試件裝置和單試件裝置。在雙試件裝置中，兩個幾乎相同的試件中夾一個加熱單元，各個試件的外側設置一個冷卻單元。如圖1所示為雙試件防護熱板裝置。在單試件裝置中，加熱單元的一側用絕熱材料和背防護單元代替試件冷卻單元。

圖1　雙試件防護熱板裝置

⑶檢測要點

①試件的選擇與尺寸。當采用雙試件防護熱板裝置進行材料導熱系數的檢測時，所采用的兩個試件的尺寸應確保一致，根據要求，兩個試件的厚度誤差應控制在2%以內。試件的尺寸應確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時其厚度不得小于實際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應進行加工，確保平整，并且與面板之間應保證緊密接觸。試件表面的不平行度應控制在厚度的±2%以內。

③狀態調節。在對試件的導熱系數進行檢測之前，應將加工好的試件放置在干燥器內進行狀態的調節。如果檢測的時間在試件從實驗室空氣中吸收顯著水分所需要的時間以內，則應在試件干燥結束之前，將其及時放置在干燥器內以確保試件保持干燥的狀態。如果檢測的時間超過試件從實驗室空氣中吸收顯著水分所需要的時間，則將試件放置在標準的試驗室的空氣，使試件的狀態調節到與室內空氣平衡。根據要求，標準的試驗室空氣狀態為293K±1K，50%±10%RH。

④過渡時間和測量間隔。根據要求，試驗裝置和試件應確保有足夠的熱平衡時間，這樣可以準確的測量得到材料的熱性質。當試件內部存在傳質現象時，對試件測定的時間應控制在24h以上。

3.1.2熱流計法

⑴原理

熱流計法的基本原理是指熱板和冷板在恒定溫度的穩定狀態下，熱流計裝置在熱流傳感器中心測量部分和試件中心部分建立類似于無限大平壁中存在的單向穩定熱流。

⑵裝置

在熱流計法中，所采用裝置如圖2所示，其主要組成部分包括加熱單元、熱流傳感器、試件以及冷卻單元。

圖2　熱流計裝置

⑶檢測要點

①試件選擇與尺寸。當采用雙試件熱流計裝置對導熱系數進行檢測時，兩個試件的厚度差值應控制在2%以內。試件的尺寸應確保完全覆蓋加熱單元的表面，同時其厚度不得小于實際使用厚度。

②試件制備。試件的表面應進行加工，確保平整，并且與面板之間應保證緊密接觸。試件表面的不平行度應控制在厚度的±2%以內。

③狀態調節。在熱流計法中，試件狀態的條件與防護熱板法中的描述相同。

④過渡時間。如果在缺少類似經驗的情況下，采用熱流計裝置檢測時，其測定的時間間隔應為密度、比熱、厚度與熱阻的乘積或者300s的時間。一般應進行5次熱阻值的讀數，每次讀數之間的差值應控制在±1%以內。

3.2非穩態法

非穩態法主要包括脈沖法。這種方法設備簡單、操作方便，不需要孔溫制冷裝置，并且能夠對不同濕度下的材料的熱物系數進行測定。對材料進行一次試驗即可得到導熱系數、導溫系數以及比熱等參數。

3.2.1原理

脈沖法的基本原理為在試驗過程中，在較短的時間內對試件進行加熱，使其溫度發生變化，根據材料溫度的變化特點即可計算得到材料的導熱系數。

3.2.2裝置

在脈沖法中，所采用的裝置的主要組成部分包括一個加熱器、三塊試件以及測溫熱電等。

3.2.3檢測要點

⑴試件選擇

一個試件主要包括三塊試件，其中一塊薄試件和兩塊厚試件，薄試件的尺寸為200mm×20mm×（20～30）mm，厚試件的尺寸為200mm×20mm×（60～100）mm。根據要求，試件表觀密度之間的差值應控制在5%以內。試件的表面應確保平整，厚度應確保均勻。試件之間的接觸面應確保緊密。

⑵狀態調節。試件的狀態應根據測定的條件進行調整。如果需要測定不同含水量下試件的導熱系數，則應將試件放置在規定的濕度環境中。如果需要測定干燥狀態下的導熱系數，則應將試件烘干至恒重。

4　結語

對于建筑材料而言，導熱系數是其節能性質的重要指標。材料的導熱系數的影響因素有很多，并且可以采取的檢測方法有很多，因此在對建筑材料的導熱系數進行測定之前，應根據材料的特性選擇合適的檢測方法，以提高檢測精度，確保數據的準確性。●

【參考文獻】

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