外墻保溫材料植入金屬件后對傳熱性能的影響研究

蔡新利，武軍，楊安琪，王吉萍，侯超，魏早寧

（1.新疆建筑科學研究院（有限責任公司），烏魯木齊830000；2.新疆建設工程質量安全檢測中心（有限責任公司），烏魯木齊830000）

1 引言

隨著社會經濟的快速發展和科學技術的不斷進步，節能減排這一理念深入人們生活的方方面面。建筑能耗問題日益嚴峻，新技術和新工藝在建筑工程施工過程中對建筑節能至關重要，建筑行業必須不斷總結經驗，積極采用新技術，不斷優化施工技術，進而推動建筑領域的發展。

圍護結構的節能設計是建筑節能很關鍵的一項措施。由于建筑節能的需要，各種新型復合墻體已經出現，同時建筑外墻外保溫系統采用的新技術與新材料種類越來越多，可以通過改善整個墻體的熱工性能實現建筑節能[1]。

部分新型外墻外保溫系統設計生產中需要將鋼筋穿過保溫材料，而通常鋼筋本身導熱系數較大，導致植入鋼筋保溫材料傳熱系數變大，有較大的熱量散失，產生一定的冷橋效應，影響外保溫系統的保溫隔熱效果，造成房屋內墻結露、發霉甚至滴水，影響房屋的舒適度。因為在鋼筋穿過以及混凝土澆筑后，對保溫材料的破壞程度不同，傳熱系數的變化也不盡相同，選用影響較小的保溫材料可以最大可能地降低鋼筋產生的熱損耗，保證保溫系統的保溫隔熱效果。通過其他措施也可以彌補鋼筋冷橋造成的影響，或者進一步完善外墻外保溫系統的設計與施工，在彌補損失的基礎上進一步提升其保溫隔熱效果[2]。

2 EPS板與植入鋼筋EPS板傳熱系數的分析

在傳熱系數試驗架上安裝EPS板（可發性聚苯乙烯泡沫塑料，1 750 mm×1 750 mm×25.06 mm），用智能型穩態熱傳遞性質測定系統（CD-WTF1515）進行EPS板傳熱系數的測定，測完后在同一個試驗樣板上植入16根HRB400Eφ8 mm×400 mm鋼筋（完全穿透），進行植入鋼筋EPS板傳熱系數的測定。

參照GB/T 13475—2008《絕熱穩態傳熱性質的測定 標定和防護熱箱法》[3]進行試驗。傳熱系數是用兩側環境溫度定義的，因此，要求采用合適的測量溫度方法測定環境溫度。測試低熱阻試件時，表面換熱系數非常重要，此時表面換熱系數對總熱阻有較大的影響。測試中高熱阻試件時，如果試件兩側的空氣溫度和輻射溫度的溫差都滿足準確度的要求，試驗時也可以只記錄空氣溫度。在防護熱箱法中（見圖1），計量箱被防護箱圍繞，應控制防護箱的環境溫度，使試件內不平衡熱流量Φ2和流過計量箱壁的熱流量Φ3減至最小。理想狀態是裝置內安裝一個均質試件，計量箱內部與外部的溫度均勻一致，而且冷側溫度和表面換熱系數一致時，計量箱內、外空氣溫度的平衡意味試件表面的溫度平衡，反之亦然，即Φ2=Φ3=0，并且穿過試件的總熱流量將等于輸入計量箱的熱量。

圖1 防護熱箱

EPS板與植入鋼筋EPS板傳熱系數試驗樣板分別如圖2~圖4所示。

圖2 EPS板傳熱系數 試驗樣板

圖3 植入鋼筋EPS板 傳熱系數試驗樣板

注：試件厚度為25.06 mm。

經測試，EPS板傳熱系數為0.365 W/（m2·K），植入鋼筋EPS板傳熱系數為0.377 W/（m2·K），EPS板在植入鋼筋后傳熱系數變化不大。經過預熱、合模、加料、加熱、冷卻、脫模幾道工藝將EPS珠粒制成EPS制品，發泡珠粒膨脹黏結為一體，冷卻脫模取出制品。EPS制品中，泡粒彈性好，泡孔壁厚，在植入鋼筋過程中，泡粒緊縛鋼筋，沒有過多的空隙，所以，植入鋼筋后傳熱系數變化不大。

3 XPS板與植入鋼筋XPS板傳熱系數的分析

和EPS板與植入鋼筋EPS板傳熱系數的測定步驟一樣測定XPS板（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）與植入鋼筋XPS板的傳熱系數，XPS板規格型號為1 750 mm×1 200 mm×25.12 mm。

XPS板與植入鋼筋XPS板傳熱系數試驗樣板分別如圖5、圖6所示。

圖5 XPS板傳熱系數試驗樣板

圖6 植入鋼筋XPS板 傳熱系數試驗樣板

植入鋼筋XPS板傳熱系數試件布點與圖6保持一致。

經過測試，XPS板傳熱系數為0.423 W/（m2·K），植入鋼筋XPS板傳熱系數為0.460 W/（m2·K），XPS板在植入鋼筋后傳熱系數變化稍大。XPS板沒有EPS板的泡粒結構，而是相鄰泡孔共用泡孔壁，且泡孔壁薄，柔韌性比EPS板差。在植入鋼筋的過程中，XPS板不能緊縛鋼筋，留有較大的空隙，導致傳熱系數變化較大。

4 總結分析

通過植入鋼筋EPS板與植入鋼筋EPS板的對比分析，保溫材料泡沫內部結構及應力的不同導致其對傳熱系數的影響程度不同。植入鋼筋孔處在澆筑混凝土時會灌入混凝土并致使其破壞程度更大，形成的熱缺陷也越大。植入鋼筋后，其他保溫材料的傳熱系數同樣會受到類似的影響，不同的材料鋼筋的握裹力及破壞程度均不同，形成的熱缺陷也不同。

4.1 傳熱系數

傳熱系數不確定度分量為：傳熱面積（尺寸測量工具的測量誤差）、傳熱功率（傳熱系數測試儀的熱功率表的測量值存在誤差）、傳熱溫差（傳熱系數測試儀的溫度傳感器的測量示值存在誤差）、檢測人員操作（操作誤差）。植入鋼筋后還會有鋼筋空洞造成的不確定度分量，鋼筋對保溫材料破壞程度越大，其造成的不確定度越大。

1）傳熱系數數學模型：

式中，U為傳熱系數，W/（m2·K）；Φ為傳熱功率，W；A為傳熱面積，m2；ΔT為傳熱溫差。

2）合成標準不確定度：

式中，μrel(U)為傳熱系數的合成標準不確定度；μrel(δ)為由于檢測人員操作誤差而引入的不確定度分量；μrel(A)為傳熱面積測量引入的不確定度分量；μrel(Φ)為傳熱功率測量引入的不確定度分量；μrel(T)為傳熱溫差測量引入的不確定度分量。

3）擴展不確定度：

式中，Urel為傳熱系數的擴展不確定度；k為包含因子，取k=2；U為傳熱系數。

計算可得，本次試驗EPS板與XPS板傳熱系數擴展不確定度分別為0.017 5 W/（m2·K）與0.020 3 W/（m2·K）。

4.2 導熱系數

1）導熱系數數學模型：

式中，λ為導熱系數,W/(m·K)；Φ1為加熱單元計量部分的平均熱流量，其值等于平均發熱功率，W；T1為試件熱面溫度平均值，K；T2為試件冷面溫度平均值，K；A1為計量面積，m2；d為試件平均厚度，m；e為導熱系數測定儀校正系數。

2）合成標準不確定度：

式中，μrel(λ)為導熱系數的合成標準不確定度；μrel(d)為厚度測量引入的不確定度分量（包括游標卡尺的誤差引入的不確定度與人員讀數誤差引入的不確定度）；μrel(e)為用絕熱材料導熱系數標準參比板校正導熱系數測定儀引入的不確定度分量；μrel(Φ0)為設備加熱單元熱流量引入的不確定度分量；μrel(T)為溫度引入的不確定度分量；μrel(A1)為計量面積引入的不確定度分量；μB1rel為導熱系數測定儀校準引入的不確定度分量；μB2rel為導熱系數測定儀分辨力引入的不確定度分量。

3）擴展不確定度為：

式中，U1rel為導熱系數的擴展不確定度；k為包含因子；μrel(λ)為導熱系數的合成標準不確定度；λ為導熱系數。

此次試驗所用EPS板（厚25.06 mm）與XPS板（厚25.12 mm）導熱系數用平板導熱儀（TPMBE-300）進行檢測，導熱系數分別為0.037 1 W/(m·K)與0.048 4 W/(m·K)。取k=2，導熱系數擴展不確定度分別為0.001 6 W/(m·K)與0.002 1 W/(m·K)。

綜上，相比保溫材料導熱系數，其傳熱系數不確定度更大，植入鋼筋后鋼筋、孔洞及孔洞破壞程度將會引入新的不確定度分量，不確定度將會更大。不同材料的破壞程度越大，不確定度也將越大。

5 結論

通過本文的分析，得到以下結論：

1）成型工藝與材料成分的不同導致植入鋼筋后對保溫材料的破壞程度不同，破壞程度越大形成的熱缺陷越大，影響墻體整體保溫隔熱效果，同時在施工澆筑過程中會導致脆性越大的材料植入鋼筋孔處破壞缺陷越大。

2）鑒于植入鋼筋對保溫板傳熱系數的影響，需要保溫板植入鋼筋的保溫體系中，在保證其他產品性能的基礎上選用柔韌性較高的保溫材料，或者同種材料中選用柔韌性較高的產品，同時在施工過程中應加強對保溫板植筋施工質量的管控。

3）保溫材料生產廠家應針對不同的保溫體系優化產品某方面的性能，以快速適用于新的保溫體系中，加強自身產品競爭力。