建筑節能環保型房屋工程的保溫材料選擇研究

李 季

（中煤科工重慶設計研究院（集團）有限公司，重慶 400042）

建筑材料毫無疑問占據了整個房屋建筑工程里最為基礎和重要的一環，房屋的建筑施工設計、建筑結構和經濟效益的考量等建筑科學都需要考慮建筑材料的選擇問題［1］。隨著國家對文明環保綠色和諧發展的推進，在建筑行業里也需要做到節能環保的新要求，新型環保節能建筑材料開始越來越廣泛地應用到建筑工程中。保溫材料的使用需要考慮到保溫材料的各種性能指標和各種保溫材料所具有的不同理化性質，從而確保保溫材料的合理選擇。

1 環保節能建筑材料

建筑材料一般指在建筑工程中所使用到的各種材料。早期的建筑材料主要是木材、磚石、鋼筋混凝土等，稱為傳統建筑材料［3］，現在仍被廣泛使用的傳統建筑材料僅有鋼筋混凝土，以鋼筋為框架現澆混凝土施工是主流的施工技術，而其他傳統建筑材料如木材等，在生產和加工過程和施工過程中會產生大量的能源消耗和環境污染物，開始慢慢被新型建筑材料所取代。節能環保建筑材料的發展和進步是綠色發展和可持續發展理念下的必然結果。節能環保建筑材料是在滿足基本的建筑工程的目標下，同時具有節能環保特點的新型建筑材料，得到建筑行業各個領域越來越多的關注和認同。

2 建筑工程保溫體系要求和保溫材料的 性能指標

2.1 建筑工程保溫體系要求

目前主流的外墻保溫技術分兩種：外墻內保溫和外保溫。兩者相較，內保溫施工簡單，成本低廉，可設計性強，但熱橋問題始終是內保溫體系中難以解決的重點，外保溫系統的技術較為成熟，雖然成本較高，但保溫效果和維護保養便捷。根據國標GB 50016-2006、GB 50045-95，建筑工程中對各部分保溫體系要求見表1。

表1 建筑工程保溫體系要求Table 1 Building engineering insulation system requirements

2.2 保溫材料性能指標

2.2.1 導熱系數

導熱系數（熱導率）是保溫材料對熱量傳遞的有效程度，反映了材料的對溫度的傳遞能力，保溫材料的導熱系數關系式［4］：φ=-λ·S·(Δt/Δx)，其中，φ為熱流量，λ為導熱系數，S為傳熱面積，Δt為溫差，Δx為厚度。

材料本身的性質如密度等是決定導熱系數大小的本征影響因素，除此之外，材料的內部結構對導熱系數的影響也較大。除材料的物理化學性質和結構之外，材料的導熱系數還由許多因素決定，如材料工作環境因素如溫度、濕度和氣壓等相關。一般而言，保溫層的厚度也和材料的導熱系數成反比關系。從施工角度而言，保溫材料的熱導率一定程度上反映了建筑的保溫效果。對于保溫材料而言，導熱系數需要在0.12W/m2·K以下，而當導熱系數低于0.05W/m2·K時，稱之為高效保溫材料。

2.2.2 容重

容重（重度）是指標準單位體積下的本征重量，在建筑工程中，一般以材料在110℃烘干處理后，松散狀態下單位體積的重量［5］。容重過大時保溫管道的荷重過大，容重過小時保溫材料的強度指標達不到標準，因此保溫材料的容重有一個最佳區間。在保溫材料處于最佳區間，且保溫材料的導熱系數較小時具有較好的保溫效果。但在實際的工程施工時，考慮到結構部件的自身的重量，保溫材料的載重和施工過程中的能源消耗問題，在保溫材料的保溫效果相似的情況下，容重較小的保溫材料是優先的選用對象。

2.2.3 最高使用溫度

通常來說，由于建筑工程中保溫材料所處環境，服役溫度遠遠高于房屋內的溫度，且在建筑工程施工過程中，保溫材料需要經受高低溫交替、風吹雨淋、暴曬等外力的作用。符合建筑工程的設計需求下，所能承受的最高溫度環境稱為材料的最高使用溫度［6］。值得注意的是，是保溫材料的服役過程中，如果環境溫度較高甚至超出了材料的最高使用溫度，需要及時停止該類材料的使用，防止整個建筑工程保溫系統的崩潰破壞。

現代機械制造工藝的內涵隨著機械制造行業的發展，已經從傳統的單純的制造加工轉變為從設計到制造加工到測試到投入使用再到后期的保養維修等一系列過程的總稱。房貴如老先生曾經為“現代機械制造工藝”做過這樣一個定義：現代機械制造工藝是傳統工藝與計算機、自動化等高新技術相結合的結果?，F代機械制造工藝是以傳統的機械制造工藝為前提并進行改進創新，并應用計算機等高新技術提高設計、生產等過程的效率，而形成的一個綜合技術工藝。

2.2.4 含水率

保溫材料表現出對水的吸收性質，即吸水性，吸水性的程度以材料的吸水率表征。當保溫材料吸收水情況下，一但遇冷，材料內部吸收的水蒸氣冷凝成液態水或固態冰，由于水的導熱系數遠高于保溫材料，保溫材料吸收的水分會導致其導熱系數大幅度提高，且由于水形態變化時的體積變化很大，當保溫材料吸水率較大時可能會引起材料的開裂，對保溫性結構造成破壞［7］。在建筑工程應用中，為了防止保溫材料對水的吸收，會在保溫層中添加部分憎水劑如礦棉板、珍珠巖等。

2.2.5 線膨脹系數

當材料受熱時，由于溫度升高導致分子間運動變強，宏觀上的表現就是材料的受熱膨脹［8］。材料的膨脹特性一般由線膨脹系數來表征。線膨脹系數越大，表明材料在受熱時分子運動更劇烈，內部應力更高。當內應力大過臨界值時可能導致保溫材料的結構破壞，影響保溫體系。在建筑施工過程中，往往會在建筑材料中設計膨脹縫來減少夏季溫度過高導致的膨脹開裂。

2.2.6 防火性

建筑材料的防火性能是建筑工程中極其重要的指標，關系到住戶和施工工人的人身安全，保溫材料也需要擁有出色的防火性能，增加失火逃生的概率［9］。

3 保溫材料種類與選擇

3.1 硬泡聚氨酯保溫材料

聚氨酯保溫材料是以異氰酸酯和多元醇類為原料，加入催化劑、添加劑等經過復雜化學反應得到的硬質泡沫材料。目前，聚氨酯材料主要運用于保溫體系，其次運用于結構材料中。對聚氨酯材料的施工技術被劃為新型節能技術的范圍，在實際的工程運用當中，聚氨酯保溫材料具有穩定的保溫、抗裂和耐磨緩沖作用［10］。同時以施工角度來看，聚氨酯材料的施工過程簡單快速，且具有一定的美學價值，兼容許多不同的建筑風格，維護和更換也十分便捷，聚氨酯所具有的阻燃特性也成為了建筑工程中保溫材料的優先選擇項。然而，現階段聚氨酯保溫材料的生產過程仍然較為繁瑣，高昂的造價限制了聚氨酯材料的廣泛應用。

3.2 聚苯顆粒保溫料漿材料

聚苯乙烯作為現在主要的熱塑性塑料大量應用于日常生活中，通過對廢棄的聚苯乙烯塑料進行回收和再加工，將其加工成微顆粒作為原料與其他粉料按比例混合配置成聚苯顆粒保溫漿，緩解廢棄塑料污染問題的同時提供了不菲的商業價值。且聚苯顆粒保溫漿的施工極為簡單，保溫效果也較好。

具體建筑工程中，保溫層的抗裂、抗滲問題是使用聚苯顆粒保溫料漿為主體的保溫體系所具有的主要問題［11］。聚苯顆粒保溫砂漿極易受到水的影響，當材料受潮或暴曬時，砂漿容易產生內應力從而失效，所以聚苯顆粒保溫料漿施工過程不可添加添加劑，且需要嚴格控制砂漿和水的混合比例及抹涂時間。平時的運輸和保存過程都需要注意水分的影響，應注意防潮、防雨、防曝曬，以防止砂漿涂層的失效或開裂。

3.3 聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯泡沫塑料是將聚苯乙烯樹脂加熱發泡處理，經過膨脹和擠塑的方式制備而成的輕質材料［12］。聚苯乙烯泡沫塑料不易吸水，耐酸堿，擁有一定的柔性，且有加工方便、價格低廉的特點，受到建筑市場的青睞。在建筑工程的保溫體系中，聚苯乙烯泡沫塑料常用于外墻保溫。

3.4 聚氨酯泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料是以異氰酸酯和多元醇類為原料經過聚合發泡處理制備得到的高分子聚合物，按泡沫塑料的硬度可分為軟質、半硬質和硬質三類，其中軟質居多，而硬質主要運用于絕熱領域［13］。聚氨酯的化學性質較為穩定，不與典型的有機溶劑如酒精、油脂類互溶，耐磨易加工。但國內對聚氨酯泡沫塑料的生產技術仍處于較低水平，阻礙了其在建筑工程中的大量應用。

3.5 玻璃棉

玻璃棉是通過高溫將硅砂、石灰石等礦物熔融，再經過特殊處理拉成纖維狀的玻璃纖維，在其成型的過程中，按照不同的設計需求可以制成不同種類的制品如板、管等［14］。由于玻璃棉制品屬于無機非金屬材料，擁有良好的隔絕溫度和隔絕震動的特性，且玻璃棉的多孔結構也使得其擁有優良的隔音效果，但也導致了玻璃棉吸水率較大，玻璃棉材料受潮后各項性能都有明顯的下降，使用壽命較短。

3.6 新型玻璃材料

玻璃的主要成分是二氧化硅等氧化物或硅酸、碳酸鹽復鹽，玻璃材料在上個世紀初就已經開始應用于日常生活中，以其美觀、通透的特點作為商品的展示柜等應用于建筑工程中，隨著玻璃工業的發展，新型的玻璃材料如中空玻璃、吸熱玻璃等作為功能性的建筑材料出現在房屋工程中。由于玻璃的化學成分和陶瓷類似，玻璃的導熱系數和陶瓷相當，遠遠低于各種金屬材料。但玻璃屬于非晶體，受溫度影響很大，其熱膨脹系數較大。

市場上常見玻璃的參數見表2。其中低輻射鍍膜玻璃的傳熱系數最小，保溫隔熱能力最佳。

表2 常見玻璃的參數信息Table 2 Parameter information of common glass in the market

除了上述幾種高分子保溫材料之外，還有巖棉、砂加氣混凝土等新型無機非金屬保溫材料，一般無機保溫材料都是不可燃的，服役壽命長，相較高分子保溫材料而言，無機保溫材料的強度高，但生產流程繁瑣，成本較高。對幾種高分子保溫材料的保溫性能進行比較，聚氨酯材料的導熱系數最低，耐高溫，而聚苯乙烯耐濕性表現最好。

4 結語

隨著我國對綠色發展、環境友好、節能減排等理念的提倡，建筑行業也在慢慢發展和改變，在滿足基礎功能前提下更注重環保節能。對建筑保溫材料而言，由于不同建筑的功能需求不同，所以需要有更為細致的選擇，同時也要加強對新型環保材料的開發，為現代化環境友好型建筑工程提供有力的保證。