与建筑物同寿命的墙体保温体系及自保温材料研究

摘要

建筑节能是节能减排工作的重要领域,提高墙体结构保温隔热性能是建筑节能的关键问题之一。目前墙体保温体系通常以有机材料为主,存在大量的安全隐患。同时在墙体保温体系性能指标要求中经常忽视耐久性要求,特别是热学性能耐久性的要求。这会导致墙体保温体系与建筑物主体使用寿命不一致,在建筑物使用周期内需要进行二次或多次墙体保温改造,从而大幅度增加建筑物使用成本。此外,使用不恰当的墙体保温体系会给建筑物带来诸如火灾、高空坠物等安全隐患。因而必须高度重视墙体保温体系与建筑物主体使用寿命相匹配的问题,高度重视墙体保温体系安全性问题,高度重视墙体保温体系耐久性问题。
　　 本文对墙体保温体系与建筑物同寿命的内涵进行了阐述,认为墙体保温体系“与建筑物同寿命”不仅是一个时间概念,而且和建筑物使用状态及建筑物所处的环境条件关系密切。对墙体保温体系提出热学性能耐久性指标及试验方法。同时按照墙体保温体系在建筑物中使用部位和功用的不同,将墙体保温体系分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,为每类墙体保温体系建立了相应的指标体系。指标体系中涵盖了物理力学、热学性能和耐久性三个方面性能指标要求。基于与建筑物同寿命目的,建立的指标体系有助于分析评价墙体保温体系能否达到与建筑物同寿命的要求,为材料研发和评判提供了标准和依据。
　　 对常见的墙体保温体系的使用寿命和成本进行了分析。用于Ⅰ、Ⅱ类墙体保温体系的无机自保温材料,在满足热学性能耐久性情况下,可认为其基本达到与建筑物同寿命的要求。多元复合自保温材料使用寿命的影响因素比较多,其中有机组分体积分数是一个关键的因素。通过本文所建立的连续接触模型和模拟燃烧试验表明:有机保温组分体积分数存在一个极限值。当有机颗粒体积分数超过极限值之后,有机保温组分相互接触在材料中形成贯穿性条带,从而导致材料耐火性能和使用寿命迅速下降。Ⅲ类墙休保温体系的使用寿命与组成材料性能、建筑设计参数、环境条件等因素密切相关。依据欧洲的经验,Ⅲ类墙体保温体系的使用寿命一般在25～30年。分别采用LCA和LCCA法来分析墙体保温体系的使用成本,制定了两种分析方法的流程图,为评价墙体保温体系经济性提供了理论依据。
　　 在多元复合保温材料传热过程和机理研究方面,对用于研究多元复合材料传热过程的模型进行了改进。(1)基于比等效导热相等法则,建立了改进的复合材料导热系数计算方法一单元体串并联比较计算法。在复合材料传热过程分析中,考虑了热流传递方向的影响。该计算方法精度与经典的Maxwell-Eucken模型相当,并且给出了由于传热方式的不同,复合材料导热系数的可能区间。(2)基于热流传递过程中遭遇热阻层的概率分布,建立了水泥基多元复合保温材料导热系数预测模型。该模型在较大的保温组分体积分数范围内均具有良好的计算精度。(3)基于最小热阻法则,建立了水泥基基体材料导热系数预测模型,该模型通过对热流途径的划分,使传热过程不仅满足基体材料组成的要求,同时符合最小热阻理论要求。所建立的模型精度较高,更加接近于实验结果。进行了保温组分形貌参数对水泥基多元复合保温材料传热过程影响的试验研究,研究结果表明:除保温组分本身性能外,保温组分的粒径和级配也会对传热过程产生影响:在分析自保温材料研究现状和水泥基材料特点基础上,结合多元复合保温材料传热过程和机理的研究,表明水泥基多元复合自保温材料是墙体自保温材料最佳选择之一。
　　 在水泥基多元复合自保温材料耐久性及机理研究方面,进行了水泥水化龄期和碳化作用对其热学性能耐久性影响的试验研究。研究结果表明:水泥水化龄期和碳化作用对水泥基多元复合自保温材料热学性能耐久性影响比较复杂,存在正负两方面效应。合适的水灰比、细小均匀的孔径、恰当的孔壁厚度以及适当的界面数量是保证水泥基多元复合自保温材料热学性能耐久性的基础。模拟建筑物在实际使用过程中可能遭遇到的环境问题,进行了环境因素对水泥基多元复合自保温材料热学性能耐久性影响的试验研究和机理分析。通过定义界面作用影响因子的方法初步定量描述了界面作用对水泥基多元复合自保温材料热学性能耐久性的影响。试验结果和界面作用分析表明:控制有机保温组分体积分数,使界而保持为固-固界而性质,提高材料防水性等技术措施能减缓干湿循环和冻融循环作用带来的热学性能的下降,有利于保证水泥基多元复合自保温材料热学性能的耐久性。
　　 将水泥基多元复合自保温材料的设计分为强度设计、热学性能设计和耐久性设计。分别指出了各个设计内容需要考虑的影响因素。制定了水泥基多元复合自保温材料的设计流程和程序。研究了设计的关键步骤和方法。在所建立的水泥基多元复合自保温材料设计方法指导下,研发了一种保温砌块。其产品性能高于国内外的同类产品。对所研发的保温砌块工业化生产进行了探讨,并讨论了降低产品成本的技术途径。