土木工程材料教学课件第-十二章绝热与隔声材料.pptx

第一节 绝热材料v绝热材料又称保温隔热材料，系指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。v绝热材料在建筑物中可以起到保温隔热作用，一般将材料阻抗室内热量外流的功能称为保温保温，将材料阻抗室外热量流入室内的功能称为隔热隔热。v材料保温隔热性能的好坏由材料的导热系数的大小来评价，导热系数越小，保温隔热性能越好，反之亦然。一、绝热材料的性能v材料的热物理量v热物理量的影响因素 v提高材料或复合体的绝热性能的途径v绝热材料的性能要求1、材料的热物理量v绝热就是最大限度地阻抗热流的传递（传热），传热是指热量从高温区向低温区的自发流动，是一种由于温差引起的能量转移现象。v按照传热的物理机理，传热过程主要通过三种方式进行：导热、对流和热辐射。v绝热材料须具有较小的导热系数导热系数、对流传热系数和辐射传热系数，或由绝热材料组成的复合体具有较高的热阻值热阻值或较小的传热系数传热系数，才能具有很好的绝热性能。导热系数v表示材料传递热量的一种能力，用“”表示，单位为W/(mK)。v定义为：Q/Sdx/dT S传热面积；x传热距离。它表示：在一块面积为1m、厚度为1m的板上，板的两侧表面温差为1，在1小时内通过板面的热量，因此导热系数越小，则材料的绝热性能越好。T1T2xQ T1 T2材料的热容量v材料受热（或冷却）时吸收（或放出）热量的性质称为热容量，用比热容表示：C=Q/m(T2-T1)其中：C：材料的比热容，J/(gK);Q：材料吸收或放出的热量，J;m:材料的质量，g2、热物理量的影响因素v材料的组成与结构 v材料的表观密度v孔隙的大小与特征v湿度或含水率v热流方向v温度（1）材料的组成与结构v有机高分子材料的导热系数小于无机材料；v在无机材料中，非金属材料的导热系数小于金属材料；v气态物质的导热系数小于液态物质，液态物质小于固体材料；v固体材料而言，一般分子结构越复杂，结晶程度越低，导热系数越小；v无定形结构的材料的导热系数小于晶体材料。（2）材料的表观密度v随着孔隙率的提高或表观密度的减小，其导热系数变小；v当表观密度小于某一临界值后，由于孔隙率太高，孔隙中的空气即开始产生对流；同时，气体对热辐射的阻抗能力降低。如果孔隙率过高，辐射传热也会相应加强，这时，材料总的传热系数反而增大。v对于多孔绝热材料，只有当导热系数、对流传热系数和辐射传热系数三者之和最小时，才具有很好的绝热性能。此时的材料表观密度称为最佳密度，对于纤维制品，一般为3248kg/m3，对于泡沫制品，一般为1640。（3）孔隙的大小与特征v当表观密度相同时，孔隙的尺寸越小，导热系数越小；v当孔隙尺寸小于50nm时，空气将完全被气孔壁吸附，孔隙接近于真空状态，导热系数降至最小，孔隙只有辐射传热；v当孔隙尺寸大到一定程度后，由于空气对流的出现使导热系数变大。v孔隙开口而且相互连通的比封闭而互不连通的导热系数大，而且孔隙中的空气可能发生对流传热；v多而小的封闭孔隙，不但对导热传热，而且对对流传热和辐射传热的热阻抗都是有利的。（4）湿度或含水率v由于水的导热系数为0.5815 W/(mK)，比静止空气的导热系数0.02326 W/(mK)大，因此，当环境湿度较高时，材料内部孔隙会吸收水分使其平衡含水率相应提高，导热系数相应增大。（5）热流方向v对于各向异性材料，如纤维状材料，当热流方向平行于纤维延伸方向时，其导热系数较大；垂直于纤维延伸方向时，则导热系数较小。（6）温 度v由于辐射传热的影响，多孔材料的导热系数一般随着温度的升高而增大，二者之间的关系常简化成下式：b+bTpj式中：b常温下材料的导热系数；b系数；Tpj内外表面的平均温度。3、提高材料或复合体的绝热性能的途径v降低材料的表观密度，使其表观密度符合绝热最佳密度。v在其他条件允许的情况下，尽量使用有机高分子材料或无定形的无机材料。v在表观密度一定的情况下，应使得材料内部的孔隙数量尽可能的多、尺寸尽可能的小，且互不连通。使用纤维材料时，应尽量减小纤维的直径。v利用空气夹层制成材料的复合体，夹层的厚度应尽量小，以防止空气对流的发生。v在可能的条件下，采用真空化处理或充填导热系数小于空气的气体，可使得多孔材料的传热量降到最低。4、绝热材料的性能要求v绝热材料的传热系数要尽可能的小，表观密度尽可能为最佳密度。通常绝热材料的导热系数小于0.23W/(mK)，表观密度小于500kg/m3。v绝热材料吸水率要低，应尽量不吸水和吸潮。如不可避免时，需对材料进行憎水处理或用防水材料包覆。v由于建筑安装施工和使用的需要，绝热材料须具有与施工方法和使用条件相适应的机械强度和耐热温度。一般而言，绝热材料的抗压强度应大于0.3MPa；耐热温度为自重下产生2变形时的温度。v绝热材料应具有与使用环境下的化学稳定性和一定的耐久性，而且应对环境和人体无害。二、绝热材料的组成与结构v绝热材料的成分金属绝热材料 不锈钢、铝箔、铜箔、泡沫铝、铝蜂窝等。无机绝热材料 天然矿物材料和人工合成材料。有机绝热材料 动植物材料和合成高分子材料。v绝热材料的结构与构造纤维状结构多孔结构 多孔结构材料有散粒状和微孔块状；层状结构，层状结构有层叠和夹层结构。无机绝热材料主要成分 v一些碱金属和碱土金属的硅酸盐、铝酸盐和硅铝酸盐。v天然矿物材料主要有由硅铝酸盐水化物构成的岩石 如蛭石、珍珠岩等，它们经加热使所含水分子气化、膨胀形成多孔材料；天然形成的多孔岩石，如浮石、海泡石、硅藻土、火山渣等；天然纤维状矿物，如石棉等。v人工合成矿物材料主要有经发泡工艺制成的多孔材料：如泡沫水泥、泡沫玻璃、加气混凝土、微孔硅酸钙、微孔铝酸钙等；有经熔融拉（喷吹）丝工艺制成的纤维材料，如矿渣棉、玻璃棉、岩棉和硅酸铝棉等。有机绝热材料主要成分 v动物材料有由蛋白质构成的纤维材料，如羊毛；植物材料主要是由纤维素构成的软木、木屑、刨花、芦苇、棉花等。v合成高分子材料主要是经发泡工艺制成的各种塑料和橡胶，如泡沫聚苯乙烯、泡沫聚氯乙烯、泡沫聚氨酯、泡沫酚醛塑料和泡沫橡胶等；v反辐射性能好的塑料薄膜也可用作绝热材料。结 构 类 型举 例纤维状天然的石棉与石棉制品、植物纤维、动物纤维人造的岩棉与岩棉制品、矿渣棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸盐棉及其制品、化学纤维与纤维织物散粒状天然的浮石、火山渣、硅藻土、炉渣、植物碎屑人造的膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭石及其制品、陶粒与陶砂制品、空心氧化铝球及其制品微孔状天然的硅藻土、沸石岩、软木人造的加气混凝土、泡沫玻璃、泡沫石膏、泡沫水泥、泡沫塑料、粘土陶粒、微孔硅酸盐层 状天然的木夹板人造的塑料板、吸热玻璃板、中空玻璃、蜂窝夹芯板、铝箔、泡沫夹层板常用绝热材料结构类型三、绝热材料的选用要求具有较低的导热系数，一般为0.175W/(mK)，表观密度不大于600 kg/m3。具有较低的吸湿性。具有一定的承载能力，抗压强度应大于0.3 MPa。具有良好的稳定性和足够的防火防腐能力。必须造价低廉，成型和施工方便。第二节 吸声材料v吸声材料在建筑物中的作用主要是用以改善室内收听条件、消除回音以及控制和降低噪声干扰等。v材料的吸声性能的优劣以吸声系数衡量，吸声系数是指被吸收的声能与声波传递给材料的全部声能的百分比。v在声波频率为125、250、500、1000、2000、4000Hz六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，成为吸声材料。（一）吸声材料的吸声性能 v吸声系数 v吸声系数的测量方法 v材料的吸声原理v多孔材料吸声系数的影响因素 1、吸声系数v根据能量守恒定律，若单位时间内入射到构件上的总声能为Eo，反射声能为E，构件吸收声能为E，透过构件的声能为E，则它们之间存在下列关系：Eo=E+E+Ev通常用吸声系数（）表示材料的吸声性能，吸声系数定义为：（EoE）/Eo（E+E）/Eov当入射总声能完全被材料反射时，0；无反射时，1。一般材料的吸声系数介于0和1之间，吸声系数越大，吸声效果越显著。2、吸声系数的测量方法v吸声系数与声波的入射方向（角度）有关，声波的入射角度可分为垂直入射、斜向入射和无规入射三种。v建筑中的吸声常采用在无规条件下，用驻波法测量声波垂直入射的吸声系数0，用此值比较各种材料的吸声性能。v吸声系数还与声音的频率有关，同种材料对于不同频率的声音，其吸声系数不同，一般采用125、250、500、1000、2000、4000Hz六个频率的吸声系数来表示材料的吸声频率特性。v分别测量材料在六个频率下的吸声系数，然后计算六个值的算术平均值或加权平均值，作为材料的吸声系数。3、材料的吸声原理v材料通过三种方式将入射的声能转变换成机械能或热能而被吸收：其一是通过声波进入材料内部的微孔，与孔壁发生摩擦转换为热能被吸收；其二是通过入射声波使材料振动，将声能转换为机械振动能被吸收；其三是空腔内的空气与声波产生共振，将声能转换为摩擦被吸收。4、多孔材料吸声系数的影响因素（1）材料的表观密度 同种多孔材料随表观密度增大，其低频吸声系数提高，而高频吸声系数降低。（2）孔隙及其特征 孔隙率大且孔隙均匀细小，吸声系数越高，若孔隙过大，则吸声效果变差。封闭不连通的孔隙不利于吸声，而开口而互相连通的孔隙越多，吸声效果越好。（3）材料的厚度 材料厚度增加，低频吸声系数增加，而对高频吸声系数影响不大。过厚则变化不明显。（4）材料背面的条件 如果吸声材料背面留有一定的空气层，相当于增加了材料的厚度，可以提高吸声系数。当空气层厚度等于声波波长的奇数倍时，可以获得最大的吸声系数。（二）吸声材料的结构类型 v根据吸声原理和方式，吸声材料一般具有三种结构形式：多孔结构、共振吸声结构和特殊吸声结构。v多孔吸声材料的构造特征是材料内部含有大量互相贯通的微孔，如纤维状和微孔状泡沫材料等。v共振吸声结构主要有单个共振器、孔板式共振吸声结构和薄板式共振结构三种。v特殊吸声结构是一种悬挂于室内的吸声结构，常用的形式有矩形体、平板状、圆柱状、圆锥状、棱锥状、球状和多面体等。常用绝热、吸声材料v硅酸铝纤维制品 v岩矿棉制品 v玻璃棉制品v有机合成纤维v无机泡沫材料v有机泡沫材料v层状复合材料硅酸铝纤维的耐火性与组成类类 型型低温型低温型普通型普通型高纯型高纯型高温型高温型含铬型含铬型含锆型含锆型最高使用温度100012601260140014001400长期使用温度90010001100120012001300导热系数(W/mK)0.087(318)0.133(538)0.159(760)0.189(872)0.202(850)_氧化铝含量(%)404445474955474955其它成分 SiO24852Cr2O316ZrO21215硅酸铝纤维及其制品的技术性能v耐高温性能是所有绝热材料中最高的。v导热系数小，在高温区的热传导率很小。v表观密度小，一般在90220kg/m3。v热稳定性好，即使温度急剧变化，也不会产生结构应力。v化学稳定性好，除强碱、氢氟酸、磷酸外，几乎不受其它化学品的侵蚀。v吸声性能优良。v纤维直径为23m，长度为50mm。硅酸铝纤维制品硅酸铝纤维板的性能项 目硅酸铝干法板硅酸铝湿法板颜 色白白密 度(kg/m)140(5)210(10)各热面下导热系数（w/m.k)0.035(20C)0.035(20C)0.09(400C)0.085(400C)0.126(600C)0.124(600C)0.159(800C)0.16(800C)永久线收缩（%）（保温24小时）-4.0(900-1000)-4.0(900-1000)渣球含量（%）0。25mm10.210.5纤维细度（m)2-32-3玻璃棉制品玻璃棉制品的性能产品名称表观密度（kg/m3）纤维直径 um导热系数kcal/mhC使用温度 C原棉65-90 70.0312700缝毡100-120 70.0327600保温带100-120 70.0327600半硬板100-120 70.0397400管壳100-150 70.0329400缝板100-150 70.0327600阀件120-160 400玻璃棉的应用v玻璃棉是一种优良的保温、绝热、吸声、过滤材料。v广泛应用于国防、石油化工、建筑、冶金、冷藏、交通等领域。v玻璃棉毡主要用于建筑物的隔热、隔声，通风空调设备的保温，播音室、消音室及噪音车间的吸声；v玻璃棉板用于冷库、仓库、隧道及房屋建筑的隔热、隔声。v玻璃棉管套主要用于通风、供热、供水、动力等设备管道的保温。3、岩矿棉v岩矿棉是用作绝热吸声材料的岩棉和矿渣面的等一类无机纤维材料的总称。v该类材料在外观上具有相同的纤维状形态和结构，并具有密度较小、导热系数低、不燃、耐腐蚀、化学稳定性强、吸声性能好、无毒、无污染、防蛀、价廉等优点。v生产方法：喷吹法、离心法、离心喷吹法。v广泛应用于建筑物的填充绝热、保温、吸声、隔声等领域。典型岩矿棉及其化学组成化学成分SiO2Al2O3FeOCaOMgOR2OS酸度系数岩 棉矿棉玄武岩棉 高炉矿渣47491621141781168241.51.7334036394551101415207160.61.212172.53842911344761047211微 量30.91.20.70.61.11.3 1.41.8岩棉制品项项 目目指指 标标项项 目目指指 标标渣球含量（颗粒 直 径 0.25mm）/%12.0导热系数/W/mk（表 观密度150kg/m3，平均温度70C5C。0.044纤维平均直径/m7.0表观密度/(kg/m3)150热荷重收缩温度/C 650岩矿棉的物理性能4、泡沫玻璃v泡沫玻璃是一种磨细玻璃粉为主要原料，通过添加发泡剂，经熔融发泡和退火冷却加工制得的具有均匀孔隙结构的多孔轻质玻璃制品。v结构特点 内部充满许多开口和闭口的小气孔，气孔占体积的8090，孔径约为0.15mm，甚至小到微米级。v应用 主要用于绝热、保冷和吸声工程。泡沫玻璃产品种类v根据用途分为 隔热泡沫玻璃、吸声泡沫玻璃、装饰泡沫玻璃和粒状泡沫玻璃等。v隔热泡沫玻璃的特点是闭口孔隙多、表观密度小（120200kg/m）导热系数低（0.0350.087W/mk）。v吸声泡沫玻璃的特点是开口孔隙多（4060）吸声系数高、吸水率大。v装饰泡沫玻璃有彩色和饰面两种。v粒状泡沫玻璃呈颗粒状，作为绝热填充材料用。泡沫玻璃制品项 目指 标项 目指 标表观密度/(kg/m3)120500导 热 系 数/(w/mk)0.0350.14气孔率/%8095膨胀系数/K-18106体积吸水率/%0.2吸声系数（100250Hz）0.300.34抗压强度/MPa0.7使用温度/C-270430抗折强度/MPa0.5燃烧性能不 燃泡沫玻璃产品的技术性能种 类厚厚度度mm表观表观密度密度kg/m3不同频率（不同频率（Hz）的吸声系数）的吸声系数125250500100020004000酚醛泡沫20400.120.360.890.520.560.60聚氯乙烯泡沫25100.040.040.170.560.280.58聚氨酯泡沫30560.070.160.410.870.750.72聚乙烯泡沫10260.040.040.060.080.180.29几种泡沫塑料的吸声性能酚醛泡沫塑料在屋面上的应用