建筑工程材料導熱系數(shù)測定方法及影響因素研究

黎明才

（廣東裕恒工程檢測技術(shù)有限責任公司）

0 緒言

導熱系數(shù)是評價各種建筑材料保溫性能優(yōu)劣的重要技術(shù)指標，在建筑工程設計中經(jīng)常用到。隨著檢測技術(shù)的革新，材料導熱系數(shù)的檢測方法越來越多，精度也越來越高。按導熱機理來區(qū)分，可分為穩(wěn)態(tài)熱流法和動態(tài)熱流法兩個大類。動態(tài)熱流法包括熱脈沖法、熱線法、瞬態(tài)平面熱源法等。本文結(jié)合以往研究的經(jīng)驗和相關技術(shù)資料，采用幾種測定導熱系數(shù)的方法進行對比研究，并通過試驗測試分析研究，并提出較為合理的測定方法。同時，通過分析研究，探討導熱系數(shù)的影響因素有哪些。

1 檢測規(guī)范

目前，為了規(guī)范導熱系數(shù)檢測，我國已經(jīng)將各檢測方法制定成標準，主要檢測標準方法如下：

GB/T 10294—2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 防護熱板法[1]。

GB/T 10295—2008 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 熱流計法[2]。

GB/T 10297—2015 非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定 熱線法[3]。

GB/T 22588—2008 閃點法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)[4]。

GB/T 32064—2015 建筑用材料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測試法[5]。

GB/T 32981—2016 墻體材料當量導熱系數(shù)測定方法[6]。

GB/T 36133—2018 耐火材料導熱系數(shù)試驗方法（鉑電阻溫度計法）[7]。

GB/T 3651—2008 金屬高溫導熱系數(shù)測量方法[8]。

根據(jù)隨機數(shù)字表法進行2016年6月-2018年2月90例COPD并呼吸衰竭患者分成不同組。觀察組男22例,女23例;年齡54歲-77歲,平均60.71±2.12歲。COPD發(fā)病時間1年-21年,平均(12.21±0.45)年。對照組男23例,女22例;年齡54歲-78歲,平均60.45±2.11歲。COPD發(fā)病時間1年-20年,平均(12.24±0.41)年。兩組一般資料無明顯差異。

GB/T 37796—2019 隔熱耐火材料 導熱試驗方法（量熱計法）[9]。

GB/T 5990—2006 耐火材料導熱系數(shù)試驗方法（熱線法）[10]。

2 檢測方法及原理

2.1 穩(wěn)態(tài)熱流法

穩(wěn)態(tài)熱流法的原理是，通過利用熱量穩(wěn)定傳熱過程中，傳熱速度等于散熱速度，達到熱量平衡，再通過傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導模型，將樣品的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度帶入模型，從而計算得出樣品的導熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱流法包括熱流計法、防護熱板法、防護熱流計法等。

2.1.1 熱流計法

熱流計的裝置主要由測試主機、測試板、加熱板、冷卻板、熱流傳感器和低溫恒溫槽組成。檢測時，將某厚度的試樣插入設備冷熱平板間，并設置一定的溫度梯度，采用已計量的熱流傳感器，測量試件的熱流，再通過輸入試樣厚度、冷熱板間的溫度梯度，以及通過的穩(wěn)定熱流，便可計算材料的導熱系數(shù)。該檢測方法的優(yōu)點是設備價格較為便宜，測試速度快，易操作，測量結(jié)果較精確，濕度對檢測結(jié)果影響不大。缺點則是對檢測樣品的平整度要求比較高，如果不平整則需要重新加工，溫度和測量范圍有限，傳感器容易被樣品表面的尖銳顆粒損壞，并且需要保證試樣與面板緊密接觸，每次檢測前均須進行校準標定，重現(xiàn)性較低。試樣整個表面的不平整度應控制在試樣厚度的2%以內(nèi)。熱流計檢測導熱系數(shù)示意圖如圖1 所示。

圖1 熱流計法測試導熱系數(shù)示意圖

防護熱流計測試方法和熱流計法檢測原理是一樣的，只是增加了防護板，提高了測試精度和量程，其檢測原理示意圖如圖2 所示。

圖2 防護熱流計測試導熱系數(shù)示意圖

2.1.3 防護熱板法

防護熱板法測試原理如圖3 所示，熱板（熱源）位于兩塊樣品的中間，冷板置于兩外側(cè)面，導熱系數(shù)檢測儀的機箱溫度與冷熱板溫度穩(wěn)定后，兩塊試樣獲得從內(nèi)向外、對稱的穩(wěn)定的熱流，加熱器的能量被檢測試樣完全吸收，檢測過程中，精確控制輸入到熱板上的能量，通過調(diào)節(jié)輸入到輔助加熱器上的能量，對熱源與輔助板的溫度梯度和測試溫度進行調(diào)整，保證從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的。通過施加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片試樣的厚度，則可以計算出保溫材料的導熱系數(shù)。

圖3 防護熱板法測試導熱系數(shù)示意圖

2.2 動態(tài)熱流法

動態(tài)熱流法的原理是試樣的導入和導出的熱流量不等，試樣內(nèi)任意點的溫度和熱含量均隨時間而變化的導熱過程，主要包含有熱脈沖法、熱線法等檢測方法。

2.2.1 熱脈沖法

熱脈沖法測定法是通過一個加熱器和放置在加熱器兩側(cè)材料相同的三塊試樣以及測溫熱電偶來進行檢測。該方法雖然檢測時間短、設備簡單，但其原理較復雜，對試樣加工要求較高，測定結(jié)果重現(xiàn)性較低，測定試樣時需要初始和試驗過程中的外界溫度保持恒定。

2.2.2 熱線法

熱線法是在較大的塊狀試樣中插入一根熱線，施加一恒定的加熱功率，使其溫度逐步上升，測量熱線或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關系。通過其溫度隨時間的變化情況就可以得出試樣的導熱系數(shù)。該方法不但適用于干燥材料，且還適用于含濕材料。熱線法由于具有操作簡單、設備便宜的優(yōu)點，從而在建筑工程中得到廣泛應用，但由于制備樣品較為復雜，主要應用于粉狀低導熱系數(shù)的材料。

3 影響導熱系數(shù)高低的因素

3.1 含水率

試樣的含水率對其導熱系數(shù)影響很大，吸濕受潮后，其導熱系數(shù)會升高。這是因為水的導熱系數(shù)比空氣的導熱系數(shù)高20 倍左右。材料傳熱分為三種形式，導熱、對流和輻射傳熱。在多孔材料保持干燥的時候，孔隙中沒有水分，且各孔洞為封閉孔時，這些孔隙間主要通過輻射傳熱，這樣導熱效率較低。但如果這些孔為連通孔時，則主要是進行對流換熱。當材料含水率較高時，吸收了太多水分，則各孔隙填充了大量自用水，這時，材料主要通過導熱來進行換熱，此時傳熱效率很高，從而導熱系數(shù)則增大。

3.2 密度

密度是導熱系數(shù)高低的又一個重要影響因素。對同一材料而言，密度高低反映的是該材料的密實程度，密度越大，則該材料越密實；反之，則越疏松。有研究表明，在無其它因素的影響下，孔隙率越大的材料，導熱系數(shù)就會越低。材料的導熱系數(shù)隨著密度降低而逐漸降低，但隨后也可能升高。舉個例子，玻化微珠保溫砂漿的導熱系數(shù)隨著密度降低而不斷降低，但之后有升高的趨勢。這是因為隨著密度降低，玻化微珠保溫砂漿的空隙不斷增大，材料從導熱傳遞，中間孔隙間變成了輻射傳熱，從而導熱系數(shù)降低。但隨著密度的進一步降低，各孔隙間變成了連通孔，這是傳熱方式又改變成了對流換熱，從而導熱系數(shù)又開始升高。

3.3 溫度

溫度也對材料的導熱系數(shù)有較大影響。這是因為隨著溫度升高，分子的熱運動增強，從而使得材料孔隙中的空氣運動加快，從而提高換熱效率；同時也會增加孔壁間的熱輻射，升高材料的導熱系數(shù)。有研究表明，材料溫度越高，導熱系數(shù)將升高，導熱性能將變好。

3.4 材料結(jié)構(gòu)與熱流方向

材料結(jié)構(gòu)和熱流方向也會對導熱系數(shù)有一定的影響，對于各向異性的材料而言，沿著纖維延伸的熱流在傳播的過程中較為容易，因為這主要發(fā)生的傳熱過程是導熱過程，那么導熱系數(shù)就會較高；但如果熱流是沿著纖維的垂直方向傳播的，則纖維間不能直接導熱，主要通過輻射或?qū)α鱾鳠徇M行，傳熱過程比較困難，從而導熱系數(shù)較低。因此，采用節(jié)能材料時，得考慮到材料結(jié)構(gòu)與熱流方向。

4 試驗研究

本文按照標準GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》[11]的規(guī)定，成型了I 型玻化微珠保溫砂漿，并分別按照GB/T 10294—2008、GB/T 10295—2008、GB/T 10297—2015 進行測定，其試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 不同測試方法測定玻化微珠保溫砂漿導熱系數(shù)對比情況

由檢測結(jié)果可以看出，防護熱板法得出的導熱系數(shù)較低，而標準GB/T 20473—2006 規(guī)定的仲裁方法也是防護熱板法。這是因為防護熱板法精度較高，測試環(huán)境更穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，比熱線法和熱流計這些方法更加穩(wěn)定。因此，在情況允許時，盡量選擇防護熱板法來進行檢測。

5 結(jié)論

材料的導熱系數(shù)在建筑工程中經(jīng)常用到，雖然它是通過測定劃算的間接參數(shù)，但在建筑節(jié)能設計中具有十分重要的作用。我主要提出以下兩點建議：

⑴在條件允許時，盡量選擇較為穩(wěn)定，重現(xiàn)性高的防護熱板法進行測定；

⑵在測定時，充分考慮到含水率、密度、溫度、結(jié)構(gòu)和傳熱方向的影響，保證測試的可靠性和重現(xiàn)性。