土木工程材料教學(xué)課件第11章

1、第十一章 建筑功能材料一 、在建筑中，習(xí)慣上將用于控制室內(nèi)外熱量外流的材料叫做保溫材料；把防止室外熱量進(jìn)入室內(nèi)的材料叫隔熱材料。保溫、隔熱材料統(tǒng)稱為絕熱材料。絕熱材料應(yīng)具有較小的傳導(dǎo)熱量的能力，主要用于建筑物墻壁和屋面的保溫；也用于熱力設(shè)備及管道的保溫及制冷工程和設(shè)備的隔熱。絕熱材料按其成分分為有機(jī)絕熱材料和無機(jī)絕熱材料兩種。二、基本要求：通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)了解絕熱、吸聲在建筑中的意義及常見的絕熱、吸聲材料，理解絕熱與吸聲的概念及機(jī)理，掌握絕熱和吸聲材料的構(gòu)造特點(diǎn)及影響其性能的因素。第一節(jié) 材料的導(dǎo)熱性和熱容量一、建筑絕熱的意義1、熱本質(zhì)上是物質(zhì)中的分子、原子和電子等微觀結(jié)構(gòu)的組成部分的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)

2、和震動(dòng)所釋放的能量，熱在物質(zhì)內(nèi)的傳遞為傳熱。傳熱可以分為三種基本方式：導(dǎo)熱、對流和輻射。三種基本傳熱方式并不是完全獨(dú)立的，在具體的傳熱過程中都是三種基本傳熱方式的復(fù)合作用，只不過有的傳熱是以某一種方式為主。2、建筑材料的傳熱是以傳導(dǎo)為主的。當(dāng)室內(nèi)外存在溫差時(shí)，就會(huì)通過房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(外墻、門窗及屋頂?shù)?產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象。冬天由于室內(nèi)溫度高于室外，熱量從室內(nèi)經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外傳出，造成熱損失；夏天室外溫度高，熱的傳遞正相反，則熱經(jīng)由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳至室內(nèi)而使室內(nèi)溫度升高。為了常年保持室內(nèi)有適宜于人們工作、學(xué)習(xí)和生活的氣溫，房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)所采用的建筑材料必須具有一定的絕熱性能，這樣使室內(nèi)冬暖夏涼，減少供暖和降

3、溫用的石油、煤、電等資源的耗用量，這對節(jié)能具有十分重要的意義。二導(dǎo)熱系數(shù)及影響因素（一）、導(dǎo)熱性:Q=AZ（t1-t2)/a 式中：材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/MK；Q材料傳導(dǎo)的熱量，J；A傳熱面積， 平方米；t1-t2傳熱時(shí)材料兩面的溫度差，；a傳熱材料的厚度，m.導(dǎo)熱系數(shù)是評定材料導(dǎo)熱性能的重要物理指標(biāo)。通常是通過實(shí)驗(yàn)來測定的，對于絕大多數(shù)材料，所測得的導(dǎo)熱系數(shù)值實(shí)際上為傳導(dǎo)、對流和輻射的綜合結(jié)果，因此嚴(yán)格地講，實(shí)測值為該材料的等效或表觀導(dǎo)熱系數(shù)值。絕大多數(shù)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.0233.49W/M。K之間，值越小，說明材料越不易導(dǎo)熱。通常把導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.175W/M。K的材料稱為絕熱材料

4、。 （二）、影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素 主要因素有：材料的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、濕度、溫度和熱流方向等。1、化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)不同化學(xué)成分的材料其導(dǎo)熱性能有很大的差異，如金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)都比非金屬材料大的多，所以建筑絕熱材料幾乎沒有金屬材料。具有不同微觀結(jié)構(gòu)的材料，它們的導(dǎo)熱系數(shù)有很大的差異。一般結(jié)晶結(jié)構(gòu)的為最大，微晶結(jié)構(gòu)的次之，玻璃結(jié)構(gòu)的最小。因此有時(shí)為了獲得導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，可通過改變其微觀結(jié)構(gòu)的辦法來實(shí)現(xiàn)。如將熔融的高爐礦渣通過不同的冷卻速度，可形成微觀結(jié)構(gòu)不同的材料，其中通過驟冷所得高爐膨脹礦渣珠具有玻璃體結(jié)構(gòu)，是一種較好的絕熱材料。但對于多孔的絕熱材料，無論固體部分的微觀結(jié)

5、構(gòu)屬玻璃體或晶體，和孔隙中的空氣相比，還是氣體對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更大。 2、孔結(jié)構(gòu)材料的孔結(jié)構(gòu)包括兩方面的含義：孔隙率與孔隙特征。在孔隙特征相近的情況下，在工程上可用體積密度來代替孔隙率以表征孔結(jié)構(gòu)對導(dǎo)熱性能的影響。體積密度越小，孔隙率越大，即在材料的表觀體積內(nèi)氣體占的比例越大，則導(dǎo)熱系數(shù)越小。絕大多數(shù)的絕熱材料正是利用這一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)絕熱的。如多孔混凝土、膨脹珍珠巖、泡沫塑料等。在孔隙率相近的情況下，孔徑越大，孔隙互相連通的越多，導(dǎo)熱系數(shù)越大。這是由于氣體產(chǎn)生了對流的結(jié)果。有些纖維材料，當(dāng)體積密度低于某一極限時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)反而增大就是這個(gè)原因。因此這類材料存在一個(gè)最佳體積密度，即在這個(gè)體積密度下導(dǎo)熱

6、系數(shù)最小，當(dāng)體積密度超過或低于這個(gè)限值時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)都將增大。3、濕度材料吸濕受潮后，其導(dǎo)熱系數(shù)就增大，在多孔材料中最為明顯。這是由于在材料的孔隙中有了水分（包括水蒸氣和液態(tài)水）后，除了孔隙中剩余空氣分子得到熱、對流以及部分孔壁的輻射之外，孔隙中蒸汽的擴(kuò)散和水分子的熱傳導(dǎo)起著主要作用。因水的導(dǎo)熱能力（0.58W/M.K）比孔隙中的空氣的導(dǎo)熱能力（0.023W/M.K）大20倍左右。若孔隙中的水結(jié)成了冰（2.3W/M.K），則導(dǎo)熱系數(shù)更大。4、溫度材料的導(dǎo)熱性能隨著溫度的不同而不同，一般來講，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，材料固體分子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁的輻射

7、作用也有所增加。但這種影響在050范圍內(nèi)并不大，只有對處于高溫或負(fù)溫下才有影響。5、熱流方向?qū)τ诟飨虍愋圆牧希缒静牡壤w維質(zhì)的材料，當(dāng)熱流平行于纖維延伸方向時(shí)，熱流受到的阻力?。欢怪庇诶w維方向時(shí)，受到的阻力最大。在使用此類材料時(shí)要考慮這個(gè)因素。上述各項(xiàng)因素中以孔結(jié)構(gòu)和濕度對導(dǎo)熱系數(shù)影響最大。孔結(jié)構(gòu)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響在工程上可近視地用體積密度來處理。體積密度是由材料本身的組成和結(jié)構(gòu)決定的，組成、結(jié)構(gòu)不同，材料的導(dǎo)熱性能也就不同，所以在工程上體積密度是決定材料導(dǎo)熱性能的重要依據(jù)，也是選擇絕熱材料的重要依據(jù)之一。至于濕度應(yīng)根據(jù)使用條件來估計(jì)，在測定導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)最好在接近使用條件的溫、濕度的條件下來進(jìn)行

8、。決熱材料一般特點(diǎn)是輕質(zhì)多孔、表觀密度小、導(dǎo)熱性能低。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)小于0.175W/MK，表觀密度不應(yīng)小于1000Kg/m2,由于建筑構(gòu)造和施工安裝上的需要，還要求絕熱材料具有足夠的強(qiáng)度，通常應(yīng)大于0.3MPa。三 熱容量是指材料受熱時(shí)吸收熱量、冷卻時(shí)放出熱量的性能。熱容量的大小用比熱（或稱熱容量系數(shù)表示）材料受熱（或冷卻）時(shí)，吸收（或放出）的熱量的大小與材料的比熱、質(zhì)量，溫度差成正比。Q=cm(t2-t1) ; 則 c=Q/m(t2-t1);式中：Q材料吸收（或放出）前后的熱量，KJ；m材料質(zhì)量，Kg;（t2-t1)材料受熱（或冷卻）前后的溫度差，K；c材料的比熱，KJ/KgK

9、。由上式可知，比熱表示1Kg材料，溫度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的熱量。比熱與材料質(zhì)量的乘積，稱為熱容量。采用熱容量較大的材料作為墻體材料，對保持建筑物內(nèi)部的溫度的穩(wěn)定是十分有利。此外在冬季施工加熱材料時(shí)也要利用材料的熱容量進(jìn)行計(jì)算。工程中常用材料的比熱值見表9-1。常見材料的比熱值 返回鍵 返回鍵材料名稱鋼材混凝土松木普通粘土磚干砂水比熱 J/KgK0.481031.001032.721030.881030.51034.18103第二節(jié) 無機(jī)絕熱材料無機(jī)絕熱材料主要是用礦物質(zhì)經(jīng)加工而成的，常見的纖維狀、散粒狀、或制成板、塊、片、卷材、套管等制品。無機(jī)絕熱材料按絕熱材料構(gòu)造狀態(tài)可分為纖

10、維狀材料、顆粒狀材料和多孔材料三類。一 、纖維狀材料 纖維狀材料常有天然的（如石棉）與人造的（如礦棉、巖棉和玻璃棉）兩類。 一）石棉及制品 石棉是一種天然的非金屬礦物，具有絕熱、放火、耐酸堿、不腐蝕、耐熱等特點(diǎn)，常制成石棉粉、石棉灰、石棉紙、石棉板等制品。1 、石棉粉 它是將石棉礦石經(jīng)機(jī)械加工、粉碎處理、除去雜質(zhì)后所得到的一種短纖維粉狀石棉。石棉粉的堆密度一般不大于600Kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.082W/mK，適用于各種熱設(shè)備及管道的保溫隔熱。2、石棉灰 它有碳酸鈣石棉灰、碳酸沒石棉灰和硅藻石棉灰三類，其中碳酸鎂石棉灰的性能最好，堆密度一般為140Kg/m3左右，=0.05,耐熱度為450

11、度，是一種高效能的絕熱材料。3 、石棉紙與石棉紙板 石棉紙是由石棉纖維與粘結(jié)材料制成的絕熱材料，厚度為0.2-1.0mm。石棉紙板（又稱隔熱紙板）厚度為2-20mm，表觀密度為200-600Kg/m3，使用溫度不大于600，適用于結(jié)構(gòu)放火和熱表面絕熱。（二） 礦渣棉及其制品 礦渣棉是利用工業(yè)廢渣為主要原料，經(jīng)熔化、高速離心法或噴吹法等工序制成的一種棉絲狀材料。一般，在0.02MPa壓力下，表觀密度不大于150Kg/m3，不大于0.04W/mK。但在施工操作中，對人體有刺癢皮膚的缺點(diǎn)。為克服這一缺點(diǎn)，常用瀝青或樹脂為粘結(jié)材料，制成各種規(guī)格的板、氈、管套等制品。礦渣棉還可以作為吸聲、防震材料。（三

12、） 巖棉及制品 它是以精選的玄武巖為主要材料，經(jīng)高溫熔融加工制成的人造無機(jī)纖維。一般，表觀密度不大于150Kg/m3，不大于0.04W/mK,建筑巖棉常用于建筑物及直徑較大的罐體、鍋爐等的 絕熱。（四） 玻璃棉及制品 它是指定長的玻璃纖維，它包括短棉和超細(xì)棉兩種，一般，表觀密度在120-150Kg/m3之間，不大于0.041W/mK，多制成板或管套，用于維護(hù)結(jié)構(gòu)及管道保溫。二 顆粒狀材料 主要有膨脹珍珠巖和膨脹蛭石。（一）膨脹珍珠巖及其制品 它是以珍珠巖、黑曜巖或松脂巖為主要原料，經(jīng)破碎、胚燒等工序膨脹制成的一種白色松散的顆粒狀材料，其堆密度很小一般不大于250Kg/m3,不大于0.065W/

13、mK，最高使用溫度為800，是一種高效能的絕熱材料，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。它的制品主要有用于高溫條件下的磷酸鹽膨脹珍珠巖制品、水玻璃膨脹珍珠巖制品，在600以下及在常溫下使用的水泥膨脹珍珠巖制品和瀝青膨脹珍珠巖制品。（二） 膨脹蛭石及其制品 他是將蛭石經(jīng)培燒膨脹后而制的一種松散顆粒狀材料，起堆密度很小 在80-200Kg/m3，在0.05-0.07W/mK，最高使用溫度為1000-1100，可用于填充墻壁、模板及平屋面保溫等。 三 多孔材料 （一）泡沫混凝土和加氣混凝土 泡沫混凝土是將水泥、水和泡沫劑拌合后，經(jīng)硬化而成的一種多孔混凝土，其堆密度為300-500Kg/m3,=0.082-

14、0.186W/mK,加氣混凝土的堆密度在400-700Kg/m3,=0.093-0.164W/mK。上述兩種混凝土的 抗壓強(qiáng)度不大于0.4MPa，最高使用溫度不大于600，適宜用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱。（二）泡沫玻璃 它是以玻璃粉與發(fā)泡劑（如碳酸鈣）混合，在高溫下燒制而成的，在玻璃內(nèi)部形成大量的氣泡（氣孔率可達(dá)80%以上），堆密度為120-600Kg/m3,=0.058-0.128W/mK，抗壓強(qiáng)度為0.8-15MPa，可鋸割，粘結(jié)，易于加工，是一種高級的絕熱材料，可砌筑墻體。（三）微孔硅酸鈣制品 微孔硅酸鈣是將硅藻土、石灰、水等材料經(jīng)拌合、成型、蒸發(fā)、烘干而成的多孔材料，其孔隙率極高（可

15、達(dá)90%），孔徑極小，堆密度為250Kg/m3，=0.04W/mK，抗壓強(qiáng)度大于0.5MPa，最高使用溫度為650，多用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及管道保溫。 返回鍵第三節(jié) 有機(jī)絕熱材料有機(jī)絕熱材料是指用有機(jī)材料（木材、樹脂等）為原料經(jīng)加工制成。有機(jī)絕熱材料由于吸濕性大，易腐蝕，不耐久，不耐高溫，故只能在低溫下用于保溫隔熱。 一 、軟木板 是由栓樹或黃菠蘿樹皮等為原料經(jīng)加工制得的一種板狀材料，其規(guī)格一般為100050050mm，由于軟木中含有大量的微孔，所以具有表觀密度?。ㄐ∮?60Kg/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)低（0.058W/mK)和抗腐蝕性能高等特點(diǎn)。二 、木絲板 它是由木絲和膠結(jié)材料（菱苦土或水泥）經(jīng)成型、冷

16、壓、干燥、養(yǎng)護(hù)而制成。目前生產(chǎn)的水泥木絲軟木板的規(guī)格是長1200-2850m，寬600-900m，厚度10-20mm，其中表觀密度為300-600Kg/m3，=0.11-0.26W/mK，多用于天花板、閣墻板或護(hù)墻板。 三 、毛氈 它是以劣質(zhì)馬毛（或牛毛）、植物纖維及漿糊等制成的。毛氈質(zhì)輕、保溫性能好，在建筑工程中常用作門窗框處的保溫。四、 輕質(zhì)鈣塑板 在樹脂中加入大量的碳酸鈣、亞硫酸鈣等鈣鹽填充料和必要的添加劑，加工塑制成的復(fù)合材料稱為鈣塑材料。此類材料按不同的工藝制成板材，就是輕質(zhì)鈣塑板，這種板材具有溫度變形小、尺寸穩(wěn)定、難燃，便于鋸、刨、釘?shù)燃庸ぃ湫阅苁牵罕碛^密度在100-150Kg/m3之間；抗壓強(qiáng)度在0.1-0.3MPa之間；=0.047W/mK；在建筑中廣泛的用作天花板、吸音板以及墻面裝飾，具有裝飾、吸聲、和絕熱等綜合建筑功能。五、 泡沫塑料 它是以樹脂為基料，加入一定量的發(fā)泡劑，再經(jīng)加熱發(fā)泡而制得的一種新型的輕質(zhì)材料，可用于屋面、墻面保溫，冷庫隔熱及制成夾心復(fù)合板。目前我國生產(chǎn)的有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨脂泡沫