不同环境下四种保温材料的耐久性性能试验研究

王晓晖 张辉

(1 四川化工职业技术学院 泸州 646000)

(2 泸州临港产业建设有限公司 泸州 646000)

1 引言

随着绿色建筑概念的提出,保温材料的研发也逐渐成为当下的研究热点。因此,不少研究学者对保温材料的研发开展了相关试验研究,张晓晨等[1]研究临空与贴壁工况下挤压型聚苯乙烯宽度对竖向逆流火蔓延与传热演化的影响。郭颜凤[2]综述了聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的保温性能,燃烧性能及节能效果等,介绍了常用阻燃保温材料的性能。杨鸿昌[3]讨论了发泡倍率,铝膜,湿度,阻燃剂对保温材料导热系数的影响。宋伟杉等[4]制备硬质聚氨酯/膨胀蛭石复合保温材料,探讨了膨胀蛭石不同粒径以及不同填充比对复合材料性能的影响。郑育春[5]将磷石膏脱水得到半水石膏,并利用脱水后的磷石膏,水泥和聚苯颗粒,制备了磷石膏-水泥-聚苯颗粒保温板。沈玲华等[6]为有效提高建筑容积率,降低建筑能耗,研制了新型TRC 自保温三明治墙体结构。

上述研究学者通过试验配比制备了高性能的保温材料,但是由于我国南北方环境相差较大,对保温材料的耐候性性能要去有着明显的不同,因此,不少研究学者对保温材料开展了数值计算和试验分析。丁杨等[7]结合荷载和湿度等因素对屋面保温复合材料及部品的传热规律和施工过程进行模拟。彭军等[8]对户外耐候性涂料在不同气候特征条件下的老化性能研究进行了概述,介绍了国内外户外涂料老化实验方法。陆松岩等[9]利用FLAC3D 数值模拟方法,分析了改性聚苯板、玻化微珠保温砂浆和普通混凝土3 种保温层材料在夏天和冬天环境下的保温特性。董晶亮等[10]对保温材料开展耐候性能试验,得出保温材料在耐候性能试验中,导热系数随时间延长逐渐上升。华治国[11]通过模拟的气候条件,研究了新型保温材料的耐久性试验方法及耐久性指标的确立。陈丽华等[12]通过对岩棉板和岩棉条经水浸和高温高湿环境处理前后,研究分析岩棉板和岩棉条的耐水性及耐久性。

上述研究学者通过在不同环境下对各保温材料进行耐久性性能测试,得出了保温材料的导热系数的演变规律,但在不同环境下保温材料的抗压强度测试较少。因此本文选择四种保温材料(聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板、岩棉板和挤塑板),分析测试其在碳化、冻融和干湿环境下的导热系数和抗压强度的演变规律,所测得的结果能够为今后绿色建筑施工作为参考。

2 材料与方法

2.1 材料

选取A 公司生产的聚苯乙烯泡沫板,B 公司生产的聚氨酯泡沫板,C 公司生产的岩棉板,D 公司生产的挤塑板,各保温材料的性能如表1 所示。

表1 建筑材料的性能指标Table 1 Performance parameters of selected building materials

2.2 方法

参考保温材料耐久性性能测试标准,分别在碳化环境、冻融环境和干湿环境下,对上述4 种保温材料的导热系数和抗压强度的变化规律进行测试。

(1)将试件放入碳化箱中进行养护12 h 后,放入导热系数测试仪和万能试验机中进行测试,以此记为1 个循环。

(2)将试件放入冷冻箱中进行冷冻12 h 后,放入导热系数测试仪和万能试验机中进行测试,以此记为1 个循环。

(3)将试件放入烘箱中进行烘干6 h 后,放入水箱中进行浸泡6 h 后将试件放入导热系数测试仪和万能试验机中进行测试,以此记为1 个循环。

3 冻融环境下性能变化

在不同冻融循环次数下对4 材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降,变化规律如表2 所示。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.036 W/(m·K),增长比例为71.43%,抗压强度为0.23 MPa,下降比例为36.11%;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.025 W/(m·K),增长比例为47.06%,抗压强度为0.16 MPa,下降比例为38.46%;岩棉板的导热系数为0.042 W/(m · K),增长比例为35.48%,抗压强度为 0.61 MPa,下降比例为16.44%;挤塑板的导热系数为0.041 W/mK,增长比例为41.38%,抗压强度为0.51 MPa,下降比例为20.31%。可见,对于热工性能来说,聚苯乙烯泡沫板最不耐冻融影响;对于力学性能来说,聚氨酯泡沫板最不耐冻融影响。因此建议在冻融环境下,应优先选用挤塑板和岩棉板。

图1 冻融环境下性能变化Fig.1 Performance change in freeze-thaw environment

表2 冻融循环30 次后各保温材料的变化率Table 2 Change rate of each insulating material after 30 freeze-thaw cycles

出现这一现象的原因是因为在冻融循环过程中,保温材料中的水会发生相变:由液态水变成固态冰或由固态冰变成液态水。由于水与冰的密度不同,固态冰的体积比等质量液态水的体积大,当液态水转变为固态冰时,冰晶生长体积膨胀,导致材料发生受拉破坏。由于四种保温材料都是多孔介质材料,即孔隙结构较多,因此在冻融环境下遭受到的破坏很大,从而导致导热系数迅速增加,抗压强度逐渐下降的现象。

结合参考文献[13]进一步的从微观结构层次进行分析可以得出,冻融循环后各保温材料的微观结构也存在着更多的孔隙,质地也会更加的疏松,并且主要组成材料会出现:完整性形态-少量丝絮化形态-大量丝絮化形态,这一类的形态变化。微观形态的变化也能够反映出保温材料的导热系数和抗压强度的变化规律,即保温材料中的主要阻热、抗压材料在冻融环境下会发生破坏,从而导致整个保温材料的性能失效。

4 干湿环境下性能变化

在不同干湿循环次数下对4 种保温材料进行热工性能和力学性能测试,得到图2。从图1 中可以看出,随着干湿循环次数的增加,保温材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降,变化规律如表3 所示。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.030 W/(m·K),增长比例为42.85%,抗压强度为0.28 MPa,下降比例为22.22%;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.021 W/(m·K),增长比例为23.53%,抗压强度为0.19 MPa,下降比例为26.92%;岩棉板的导热系数为0.036 W/(m · K),增长比例为13.89%,抗压强度为0.67 MPa,下降比例为8.22%;挤塑板的导热系数为0.035 W/(m·K),增长比例为20.69%,抗压强度为0.56 MPa,下降比例为12.5%。可见,对于热工性能来说,聚苯乙烯泡沫板最不耐干湿影响;对于力学性能来说,聚氨酯泡沫板最不耐干湿影响。因此建议在干湿环境下,应优先选用挤塑板和岩棉板。

图2 干湿环境下性能变化Fig.2 Performance change in dry and wet environment

表3 干湿循环30 次后各保温材料的变化率Table 3 Change rate of each insulating material after 30 dry and wet cycles

出现这一现象的原因是因为在干湿循环过程中,保温材料通常会经历3 个典型阶段:大幅变化阶段、过渡阶段和平缓阶段。由于保温材料的孔隙率较高,在湿润状态下吸收的水分也也就越多,但当在干燥状态下失去水分的速率也会变快。因此,在反复干燥、湿润状态下保温材料会出现胀缩变形,并且膨胀率随着干湿循环次数的增加而增加。因此在干湿环境下保温材料遭受到的破坏较大,从而导致导热系数迅速增加,抗压强度逐渐下降的现象。

结合参考文献[14]进一步的从微观结构层次进行分析可以得出,干湿循环后各保温材料的微观孔结构的分布情况发生了较大的改变,即孔径分布曲线峰值下降,孔径分布曲线变得更加扁平,各小孔径逐渐形成大孔径。根据吴中伟院士[15]的研究结果可知:材料中20 nm 以下的孔为无害孔,20—50 nm 的孔为少害孔,50—200 nm 的孔为有害孔,而200 nm 以上的孔为多害孔。因此,可以得出在干湿循环环境下,各保温材料中的有害孔会逐渐增加,从而导致整个保温材料的性能失效。

5 碳化环境下性能变化

在不同碳化循环次数下对4 种保温材料进行热工性能和力学性能测试,得到图3。从图3 中可以看出,随着碳化循环次数的增加,保温材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降,变化规律如表4 所示。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.032 W/(m·K),增长比例为52.38%;抗压强度为0.26 MPa,下降比例为27.78%;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.022 W/(m·K),增长比例为29.41%;抗压强度为0.18 MPa,下降比例为30.77%;岩棉板的导热系数为0.039 W/(m · K),增长比例为25.81%;抗压强度为 0.63 MPa,下降比例为13.70%;挤塑板的导热系数为0.037 W/(m·K),增长比例为27.59%;抗压强度为0.53 MPa,下降比例为17.19%。可见,对于热工性能来说,聚苯乙烯泡沫板最不耐碳化影响;对于力学性能来说,聚氨酯泡沫板最不耐碳化影响。因此建议在碳化环境下,应选用挤塑板和岩棉板。

图3 碳化环境下性能变化Fig.3 Performance change in carbonation environment

表4 碳化循环30 次后各保温材料的变化率Table 4 Change rate of each insulating material after 30 carbonation cycles

这是因为在碳化环境下,空气中的二氧化碳会侵入材料内部,与保温材料的化学组成成分发生化学反应,使得保温材料变得疏松、脱落,进而导致材料内部结构发生破坏,导致各保温材料的导热系数增加,抗压强度下降。

6 结论

(1)随着冻融循环次数的增加,保温材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.036 W/(m·K),抗压强度为0.23 MPa;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.025 W/(m·K),抗压强度为0.16 MPa;岩棉板的导热系数为0.042 W/(m·K),抗压强度为0.61 MPa;挤塑板的导热系数为0.041 W/(m·K),抗压强度为0.51 MPa。

(2)随着干湿循环次数的增加,保温材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.030 W/(m·K),抗压强度为0.28 MPa;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.021 W/(m·K),抗压强度为0.19 MPa;岩棉板的导热系数为0.036 W/(m·K),抗压强度为0.67 MPa;挤塑板的导热系数为0.035 W/(m·K),抗压强度为0.56 MPa。

(3)随着碳化循环次数的增加,保温材料的导热系数逐渐上升、抗压强度则逐渐下降。当循环30 次后,聚苯乙烯泡沫板的导热系数为0.032 W/(m·K),抗压强度为0.26 MPa;聚氨酯泡沫板的导热系数为0.022 W/(m·K),抗压强度为0.18 MPa;岩棉板的导热系数为0.039 W/(m·K),抗压强度为0.63 MPa;挤塑板的导热系数为0.037 W/(m·K),抗压强度为0.53 MPa。

因此,根据本文实验结果建议在3 种环境下选择保温材料的顺序为:岩棉板、挤塑板、聚苯乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板(以抗压强度变化率为评价指标时);岩棉板、挤塑板、聚氨酯泡沫板、聚苯乙烯泡沫板(以导热系数变化率为评价指标时)。