建筑节能材料导热系数测定方法综述

董恒瑞，秦砚瑶，邓铃夕，刘军

（1中煤科工集团重庆设计研究院有限公司 绿色建筑技术中心，重庆 400016；2贵州磷镁材料有限公司，贵州贵阳 551109）

0 概述

节能材料的导热系数是评价其保温性能优劣的重要技术指标，是工程节能设计中不可或缺的设计参数[1]。不同种类、不同材性、不同孔结构的保温材料对应的测试方法并不一样，若选用不当，则难以真正表征出该保温材料的真实导热系数，在一定程度上影响节能工作高质量发展。

经过近几十年测试技术的发展，材料导热系数测定方法逐渐丰富，准确度也越来越高，根据导热过程的宏观机理可分为稳态热流法和动态热流法两大类，其中常见的热流计法、防护热流计法、防护热板法为稳态法的范畴；热线法、热脉冲法、瞬态平面热源法等属于动态法的一种[2]。国内外相关标准规范对常用的建筑保温材料导热系数的测定方法有明确规定，本文结合保温材料研究经验和相关资料，在标准规范提供方法的基础上对常用的几种测定保温材料导热系数的方法进行对比综述，并通过试验测试分析提出较为合理的测定方法。

1 稳态热流法

稳态热流法是经典的建筑保温材料导热系数测定方法，至今仍在广泛应用，其原理是利用热量稳定传热过程中传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，通过试样的热流密度、两侧温差和厚度，计算得出材料的导热系数[2-3]。试验室常见的建筑材料导热系数测定方法中热流计法、防护热流计法和防护热板法均属于稳态热流计法。

1.1 热流计法

热流计设备是一种不需精确计量热量参数的相对法设备[4]，采用校准过的热流传感器测量通过样品的热流，得到导热系数的绝对值[5]。热流计导热系数测定仪装置主要由测控主机、加热板、单块或双块测定板、热流传感器、冷却板、低温恒温槽组成。

1.1.1 测试原理

测量时，将厚度一定的方形样品 （一般为300×300mm、400×400mm、600×600mm三种）插入设备冷热平板间并设置一定的温度梯度ΔT，使用已校准标定的热流传感器测量试件的热流，通过输入试件厚度、冷热板温度梯度和通过的稳定热流即可计算材料的导热系数[4]，图1是几种不同形式的热流计法测定装置原理示意图。

热流计法的优点是设备价格相对防护热板法便宜，易于操作，测量结果较精确，测定速度快，环境温度对测量时间影响小[4-5]。缺点主要是温度和测量范围有限，对测定样品平整度要求高，样品表面的尖锐颗粒易使传感器损坏，每次测量时均须进行校准标定，并且在不同季节测定的样品的重复率相对较低。

图1 热流计法工作结构原理

1.1.2 试验

选用该仪器进行测试，试验结果表明：该方法的离散型较大，同种原材料配制的不同密度等级的陶粒混凝土，如图2所示。

测试结果显示，所测导热系数在900～1100密度等级狭窄范围内无明显线性关系。分析认为热流计法导热系数测定仪的准确性与设备热流计系数标定有决定性的关系，在测定前应针对不同材料的热流密度，选用与待测样板导热系数λ相近的标准参比板进行标定后再进行测试，同时不能仅仅进行一次标定就用来测定密度等级差别较大或者不同品种的建筑保温材料，否则测定结果可能产生较大误差。

图2 陶粒混凝土表观密度与导热系数的关系

1.2 防护热流计法

防护热流计法测定原理与热流计法基本一致，不同之处是待测样品被保护加热器包围，测定温度范围、测试精确度和导热系数测量范围更宽[6]，对于需要较高量程的样品可采用防护热流计法进行。图3为防护热流计法工作原理示意图。

图3 防护热流计法导热仪结构原理

图4 防护热板法导热系数测定仪结构原理

1.3 防护热板法

1.3.1 测试原理

防护热板法的测定原理和使用冷热板的热流计法相近，工作原理如图4所示。热板（热源）位于两块样品的中间，冷板居于两外侧面，导热系数测定仪机箱温度和冷热板温度稳定后两块样品获得由内向外的对称的稳定的热流，并使加热器的能量被测定样品完全吸收，测量过程中，精确设定输入到热板上的能量，通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整，热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量施加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程计算出保温材料在一定测定温度下的导热系数[7]。

1.3.2 仪器装置

根据装置不同的设计原理，防护热板法导热系数测定仪有两种型式的防护热板装置——单试件装置和双试件装置[7]。市场上常见的主要是双试件装置导热系数测定仪，该仪器主要由电脑主机、测定主机、冷热板、防护板、恒温水槽（一个或两个）组成。

1.3.3 试验

同热流计法一样，待测样品要具有代表性，不平整度控制在厚度的±1%以内，且选用的两块样品要均匀。

防护热板法导热系数测定仪测量精度较高，温度范围框宽（-180℃到650℃），量程广（一般可达2W/m·K），噪声小，因防护热板法使用的是绝对法，故无需对测量单元进行标定。该方法仪器测定界面数据详实，可实时了解导热系数测定过程的变化曲线，利于判断保温材料导热系数的准确性，如图5所示，采用某厂生产的D300FXB型双试件防护热板法导热系数测定仪测试B05级粉煤灰蒸压加气混凝土导热系数的试验曲线。

图5 防护热板法导热仪测定B05粉煤灰加气混凝土界面

该测定方法不足之处是测定时间较长，对环境温度要求高，机箱温度设定需与环境相一致，且易受测定环境温度的干扰进而影响测定值，防护热板法导热系数测定仪的价格较高，使用维护成本也相对较高。

2 动态热流法

动态热流法的原理是样品导入和导出的热流量不相等，样品内任意一点的温度和热含量随时间而变化的导热过程，也称为瞬态导热过程[8]，例如热脉冲法、热线法等都属于这类动态方法。

2.1 热脉冲法

《轻骨料混凝土技术规程》JGJ 51-2002中7.5给出的导热系数测定的建议方法是热脉冲法，标准中第7.5.1这样写到：导热系数可采用热脉冲法进行测定，其适用于测定干燥或不同含湿状况下轻骨料混凝土的导热系数、导温系数和比热容[9]。

2.1.1 测定原理及装置

热脉冲法导热系数测定仪是由一个加热器和放置在加热器两侧材料相同的三块试件 （一薄两厚）以及测温热电偶组成，如图6所示。热脉冲法测定装置简单，购买相关仪器、仪表可自行组装；测定时间短，每次试验10～20min左右；测定范围广，可测定密度30～3000 kg/m3的干燥和潮湿的块状和粉状的保温材料。

图6 热脉冲法测定导热系数示意

该种方法虽然测定时间短、装置简单，但测定原理较复杂，对样品加工要求较高，测定结果重复性偏低，误差一般达到10%左右，测定样品的初始外界温度和试验过程外界温度要求恒定，故对试验室温度要求较高。

2.1.2 试验

采用该方法测试时待测样品需三块为一组，必须是同一种材料一次成型，相互之间的密度差小于5%，试样表面平整、厚度均匀，其中薄试件的不平整度应小于试件厚度的1%[9]。

结合陶粒混凝土项目，采用热脉冲法检测不同密度等级的陶粒混凝土导热系数，见图7试验结果。

图7 陶粒混凝土表观密度与导热系数的关系

2.2 热线法

2.2.1 测定原理

热线法是在样品 （通常为大的块状样品）中插入一根热线。测定时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，由此可得到材料的导热系数。其基本原理是在均质均温的试样中放置一根电阻丝，即所谓的“热线”，一旦热线在恒定功率作用下放热，则热线和热线附近试样的温度将会升高，根据其温度随时间的变化关系就可以确定试样的导热系数[10]，图8为热线法测定原理示意图，图9为某厂家热线法测定仪。这种方法不仅适用于干燥材料而且还适用于含湿材料，此方法测量时间比较短，一般不超过300s，所测量材料一般为导热系数小于2W/m·K的各向同性均质材料。

图8 热线法测定原理示意

图9 热线法测定仪

2.2 .2要点总结

热线法具有简便、快速、易于操作、设备简单的优点，从而在工程技术和科学研究中得到较为广泛应用，但该方法制备样品较复杂，主要适用于粉状低导热系数材料，测定精度在5%～15%之间，测定精度一般[11]。

3 试验

结合陶粒混凝土项目试验，对比轻质混凝土常用的热脉冲法、热流计法和防护热板法三种方法的准确性。

首先按照《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51-2002中给出的热脉冲法测试1100级、1200级、1300级陶粒混凝土，然后用同一配比陶粒混凝土分别采用热流计法和防护热板法进行对比测试。试验结果如表1所示。

表1 不同测试方法结果汇总

通过对比可知：防护热板法测试的结果与检测机构权威数据更接近，且与标准给出的参考值更接近，并且不同密度等级之间的连续性更好；热流计法的误差相对较大，且不同密度等级的结果较离散，这可能跟系数标定存在自身误差有关。

4 结论

导热系数是建筑保温材料的一项重要指标，在保证待测样板符合规定的情况下，需要根据要求选用合适的测试方法，而目前导热系数的测定方法还没有统一的国家或行业层面的标准方法。通过对比分析，本文建议有条件的实验室采用防护热板法测定建筑保温材料的导热系数，一方面可以确保测定结果的准确性，另一方面可在测定结果偏差较大时实时查看数据记录，了解误差原因，提高可重复率。对测定结果准确度要求不太高的单位可以采用热脉冲法，该种方法测定时间较短，造价低廉，维护成本较低，同时准确度也相对较高。