第三章建筑保温隔热材料的概述3.1保温隔热材料的概念保温隔热材料是指具有防止建筑物内部热量损失或隔绝外界热量传入的材料。

一般将其中用于高温环境，导热系数小于0.23W/(m·k)的材料称为轻质耐火材料（轻质绝热材料）；将用于较低温环境，导热系数小于0.14W/(m·k)的材料统称为保温材料；将导热系数小于0.05W/(m·k)的材料称为高效保温隔热材料。

在建筑领域，保温材料主要负责围护结构在冬季保持室内适当温度的能力，传热过程常按照稳定传热考虑，并以传热系数值或热阻值来评价。

隔热材料主要负责围护结构在夏季隔离热辐射和室外高温的影响，使室内温度保持适当温度的能力，传热过程按24h为周期的周期性传热来考虑，以夏季室外计算温度条件下（较热天气下）围护结构内表面最高温度值来评价。

3.2保温隔热材料的绝热原理在任何介质中，当两处存在温差时，热量都会由温度高的部分传递至温度低的部分。

热量传递的基本方式主要有热传递、热对流和热辐射三种。

所有物质的热现象都是物质内部粒子相互碰撞、振动、传递和运动的结果。

绝热材料均是由固相和气相构成，其制品在使用过程中，随着体积密度、气孔率的不同，导热方式和能力也有差别。

在主晶相和基质固相中，热量主要以热传导方式进行，组成晶体的质点牢固地处在一定的位置，相互间存在一定的距离，质点只能在平衡位置附近作微小的振动，而不能像气体分子那样杂乱地自由运动，所以也不能像气体那样依靠质点间的直接碰撞来传递热能。

金属中热传导主要靠自由电子的运动来实现，而非金属晶体中，晶格振动是它们的主要导热机构。

热量是由晶格振动的格波来传递的，这种格波分为声频支和光频支。

在温度不太高的传热过程中，光频支格波的能量很微弱，主要是声频支格波作出贡献。

根据气体热传导依靠气体分子碰撞的原理，我们可以推断，晶体热传导是声子碰撞的结果。

在很多晶体中热量传递的速度是很缓慢的，这是因为晶格振动并非是线性的，晶格间存在着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞而使声子的平均自由程减小。

格波间相互作用越强，声子间碰撞几率越大，相应的平均自由程越小，热导率也就越低。

所以，这种声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。

此外，晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起格波的散射，这也等效于声子平均自由程的减小，从而降低热导率。

相对的，在高温环境中，固体材料中分子、原子等质点的转动和振动都会辐射出相应的高频电磁波。

这种在低温时表现很弱的热辐射，在高温条件下却成为材料的重要热传导途径[29]。

与固体导热相比，气体的绝热性能更为优越。

在气孔中，热量主要以辐射和热对流方式进行，尤其在高温阶段。

材料中封闭的微小气孔内空气不产生对流，处于相对静止的状态，热量传递相当缓慢，所以热导率较小；相反，对于那些孔隙粗大且连通的气孔，空气可能产生热对流，从而增加了热导率。

多孔、粉末和纤维材料中这种绝热机制表现十分突出。

这是因为在材料内气孔形成了连续相，其热导率在很大程度上受到气孔相热导率的影响。

而且，一些具有显著各向异性的材料和膨胀系数较大的多相复合材料，由于存在大的内应力而产生微裂纹，气孔会以扁平微裂纹的形式出现并沿着晶界发展，使热流受到严重的阻碍。

这样，即使气孔率很小的材料，其热导率也会明显减小。

3.3保温隔热材料的分类保温隔热材料按结构特点可分为纤维材料、粒状材料和多孔材料。

按使用温度可分为：①低温绝热材料（使用温度小于900℃）如硅藻土砖、石棉、膨胀蛭石、矿棉等；②中温绝热材料（使用温度在900～1200℃），如硅藻土砖、膨胀珍珠岩、轻质粘土砖和耐火纤维等；③高温绝热材料（使用温度大于1200℃），如轻质高铝砖、轻质刚玉砖、轻质镁砖、空心球制品及高温耐火纤维制品等[30]。

按材质还可分为有机、无机和金属三类。

无机绝热材料是用矿物质原料做成的呈松散状、纤维状或多孔状的材料，可加工成板材卷材或套管等形式的制品。

有机保温材料是用有机原料（如树脂、软木、木丝、刨花等）制成。

有机绝热材料的保温绝热性能比无机材料的好，且表观密度一般也小于后者，但是耐久性和阻燃性均不如无机绝热材料。

金属保温材料主要是以金属面层与有机聚合物复合成保温材料为主，在建筑领域也占有一席之地。

3.4保温隔热材料的主要性能指标保温隔热材料的性能指标主要有：导热系数λ[W/(m·k)]、表观密度(kg/m3)、强度(MPa)、含水率(%)、最高使用温度(℃)、线膨胀系数等。

（1）导热系数材料传递热量的性质称为导热性，它反映了材料的导热能力，是保温材料的主要物理特性。

导热系数在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对表面的绝对温差为1K时，其单位面积、单位时间内所通过的热量。

材料的导热系数越小，则绝热性能越好。

导热系数与材料的表观密度、含水率、内部结构和保温层尺寸密切相关，其中以表观密度和含水率对材料导热系数影响最大。

表观密度小，气孔率大的材料导热系数小。

如纤维状保温材料，当表观密度较小时，其导热系数随容重的增加而降低，并存在一个最低导热系数的容重值；而其他保温材料的导热系数会随着容重增大而增大。

含水率对导热系数影响表现在材料吸水性大将使导热系数急剧增大，严重破坏保温效果。

（2）表观密度材料中固体物质的导热能力比空气大很多，所以其内部气孔率越大，表观密度越小，导热系数也较小，而且孔隙的大小和特征也影响着导热系数，如在孔隙相同的条件下，孔隙尺寸越大，相互连通的气孔容易造成热对流而使导热系数增大。

工程中尽量采用容重小的保温材料，一般软质和半硬质材料的容重不得大于150kg/m3，硬质材料的容重不得大于220kg/m3。

（3）含水率保温材料吸收水的性质为吸水性。

保温材料的吸湿性对保温效果影响很大，原因在于水的导热系数约为孔隙内空气导热系数的20倍。

材料吸湿后，除了孔隙中剩余的空气分子的传热、对流及部分孔壁的辐射作用以外，孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导在传热中起主导作用，尤其是吸收的水分遇冷后凝结成冰，会大大提高材料的导热系数，严重者会引起材料的开裂，破坏保温结构，因此防水性差的保温材料可以在其中加入适量的憎水剂，如憎水矿棉板和憎水珍珠岩等，还可以对材料表面进行改性处理。

（4）抗压强度及线膨胀系数抗压强度是材料受到压缩力作用而破坏时，单位原始横截面上承受的最大压力负荷。

材料的抗压强度与加工工艺、气孔率等密切相关。

气孔率高，容重变小，抗压强度降低。

绝热材料的强度一般都很低，除了如具有一定强度的加气混泥土等少数能独自承重的材料外，在围护结构中经常把绝热材料层与承重结构材料层复合使用。

线膨胀系数是反映保温板材尺寸稳定性的指标，一般绝热材料要求线膨胀系数小于2%。

（5）最高使用温度最高使用温度是指保温材料长期安全、可靠工作所能承受的极限温度。

有机保温材料的阻燃性和热稳定性差，所以使用温度较低，而无机保温材料能够弥补这一缺陷，甚至有些无机材料的最高使用温度可达上千度。

总之，一般保温材料应该在其使用温度下，保持其理化性能稳定，符合设计和运行的技术要求。

在上述指标中，导热系数是衡量材料保温绝热性能的最重要指标。

材料的导热系数值越小，其绝热性能越好。

绝大多数建筑材料的导热系数介于0.035～3.5W/(m·k)之间。

建筑工程上对绝热材料的基本要求是：导热系数不宜大于0.17W/(m·k)，表观密度不大于600kg/m3，抗压强度则应大于0.3MPa。

实际应用中，一般用于建筑屋面，围护结构的绝热材料多指导热系数小于0.23W/(m·k)的建筑材料。

而且，在选用绝热材料时，应综合考虑结构的用途、使用环境湿度、温度及部位、维护结构的构造、施工难易程度、材料来源和技术经济效益等[31]。

3.5国内外保温隔热材料的研究现状随着工业化进程的推进和节约能源理念的深入人心，绝热材料得到了迅猛发展。

过去单一的保温材料已经不能满足现阶段的使用现状，于是更多复合型、环保性保温材料逐渐受到市场的关注和开发利用。

目前使用的保温材料有以下几种。

3.5.1无机纤维保温隔热材料（1）矿渣棉及其制品矿渣棉是以工业废料高炉矿渣为主要原料，辅加适量的熔剂型材料，熔化后用高速离心法或喷吹法制成的一种具有保温、隔热、吸声、防震等多功能的无机纤维材料。

表观密度为114～130kg/m3,导热系数为0.044～0.046W/(m·k)，最高使用温度600℃。

特点是：质量轻、导热系数低、不燃、防蛀、耐化学腐蚀、吸音性好且价格低廉；但是其吸水性大、弹性小、可作填充用。

目前国内矿渣棉生产能力达3000吨/年的就有80家，生产企业有180家左右，设计能力55万吨。

主要制品有：沥青矿渣棉毡、酚醛树脂矿渣棉板(管壳)、矿棉半硬板、矿棉保温带等制品[32]。

（2）岩石棉及其制品岩石棉是以火山玄武岩为主要原料，外加一定数量的石灰石或少量萤石，经1450℃以上高温熔化，用蒸汽或压缩空气喷吹，或用多级离心机离心加压而制成的一种人工无机短纤维。

表观密度为80～110kg/m3，导热系数为0.041～0.050W/(m·k)，纤维长2～15cm，直径4～10μm，渣球含量(0.5mm渣球)5%～10%，吸湿率≤1%，使用温度700℃。

其特点是：轻质、保温、吸音、防震、耐热、耐腐蚀、不燃，制品为中性，对任何材料均无腐蚀性、化学稳定性好，能将声能转变成热能，可重复使用且在使用期内体积稳定，是一种良好的绝热建筑材料。

主要制品有：岩石棉板(L YB)、岩石棉轻板(L YK)、岩棉保温带等[32]。

（3）玻璃棉及其制品玻璃棉及制品是继岩棉之后，出现的一种容重轻、绝热性能好的隔热保温材料，它是由大量相互交错的玻璃纤维构成多孔结构，具有较好的保温和吸音性，重量轻(一般为10～96kg/m)，软化点为500℃左右，化学稳定性高、不燃烧、不腐朽、吸湿性小[32]。

其主要制品及性能如表3.1.表3.1玻璃棉制品及性能3.5.2无机松散粒状保温材料（1）膨胀蛭石及其绝热制品膨胀蛭石是由蛭石经烘干、破碎、筛选、焙烧(900～1000℃)、膨胀而成。

其层状碎片内部具有无数细小的薄层孔隙，充满空气，故表观密度极轻，导热系数为0.046～0.070W/(m·k)，最高使用温度为1000～1100℃，可松散铺设与夹壁、楼板、屋面等作围护结构保温、隔热、吸声之用，但由于此材料吸水率较高，需铺设防潮层，以免影响保温吸声效果。

目前主要制品有水泥膨胀蛭石制品、水玻璃膨胀蛭石制品等[33]。

（2）膨胀珍珠岩及其绝热制品膨胀珍珠岩简称珍珠岩粉，是以珍珠岩、黑曜岩或松脂岩为原料，经破碎、筛分、预热在高温(1260℃)中悬浮瞬间焙烧，体积骤然膨胀而成。

色白或灰白，颗粒结构呈蜂窝泡沫状，是一种高效能保温绝热材料。