无机保温板的研制及热工性能计算

摘  要：通过正交试验，选取膨胀珍珠岩类轻骨料、骨胶比、可再分散乳胶粉和纤维素醚4个影响因素进行分析，选择最佳配合比。制备了干表观密度为236 kg/m3，28 d抗压强度为0.49 MPa，导热系数为0.053 w，(m·K)的基于膨胀珍珠岩的无机保温板。通过对无机保温板在3种不同墙体上应用时的热工计算表明，该无机保温板可以满足夏热冬冷地区节能65％建筑设计标准的要求。

关键词：无机保温板：膨胀珍珠岩；热工计算

0 引 言

近几年无机类外墙保温系统越来越受到人们的青睐，其中采用玻化微珠或膨胀珍珠岩的无机保温砂浆研究和应用较多。膨胀珍珠岩颗粒内部呈蜂窝结构，具有质轻、隔热、吸声、无毒及耐腐蚀等特点，被广泛应用于制备无机类保温砂浆和保温板。但此类保温砂浆均为现场施工产品，与实际工程应用的产品性能和标准要求偏差较大，使现场检测和监管处于困境之中。而采用其制造的保温板，虽然已经有很长的历史，但传统生产工艺主要采用水玻璃为胶凝材料，其耐碱性和耐水性差，用于外墙外保温系统时，后期可能产生各种问题。开发可以在工厂预制、充分保证产品质量、满足工程需求的新型无机类保温板，成为今后发展的方向之一。

本文采用膨胀珍珠岩类产品，以硅酸盐水泥为胶凝材料研制无机保温板，对其配方和各项性能展开研究，并对其应用于3种不同基层墙体时的热工参数进行了计算分析。

1试 验

1.1原材料

膨胀珍珠岩(P1、P2)：普通型膨胀珍珠岩，性能见表1；

玻化微珠(P3)：性能见表1。

表1膨胀珍珠岩和玻化微珠的主要性能

代号	原材料	粒度/mm	堆积密度/Kg·m3	1h吸水率/%
P1	膨胀珍珠岩	1.0~3.0	59.08	455
P2	膨胀珍珠岩	0.6~1.5	151.69	250
P3	玻化微珠	0.1~0.3	112.50	432

水泥：太仓海螺公司生产，早强52．5级普通硅酸盐水泥，实测28 d抗压强度为52．02 MPa；可再分散乳胶粉：由山西三维集团股份有限公司提供；纤维素醚：黏度为10万mPa．s，由上海惠广精细化工有限公司提供；自制液体外加剂：具有减水、引气、改善和易性等功能，原料由上海地清建材有限公司提供。

1.2制备工艺

为减少膨胀珍珠岩在搅拌过程中被挤压破损，先将称量好的水泥、可再分散乳胶粉、纤维素醚混合搅拌60 s，再加水搅拌60 s，静置90 s后，加入混合好的膨胀珍珠岩，一起搅拌30 s，为保证其搅拌性能，添加自制液体外加剂，以拌合料呈外观松散，手握成团不出水，松手后不散为佳。然后将拌好的拌合料分2次装入试模，每次装模后用小刀轻微插捣密实，最后用金属直尺将试件表面刮平，成型后的试件用聚乙烯薄膜覆盖，在温度为(20±2)℃环境下静置(48±4)h后，试件编号、脱模，并立即置于温度(20±2)℃、湿度95％以上的标准养护条件下养护至28 d。

1.3性能测试方法

试件的干密度及抗压强度参照JG/T283—2010《膨胀玻化微珠轻质砂浆》进行测试，试件尺寸为40 mm×40 mm×160mm；导热系数按GB/T10294--2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》进行测试，试件尺寸为300mm×300 mm×30 mm。

2正交试验

2.1试验方案及试验结果

性能良好的无机保温板要求干表观密度越小越好、28 d抗压强度越大越好、导热系数越小越好，这3项指标互相关联，通过试验对各项影响因素和性能指标进行综合比较和分析，得出最优配方。根据探索性试验以及大量文献资料，选取混合骨料配比(按质量比计算)、骨胶比(骨料和水泥的质量比)、可再分散乳胶粉和纤维素醚掺量4个因素、3个水平进行正交试验，正交试验因素水平见表2：试验方案及测试结果见表3。

表2 无机保温板因素水平

水平	因素
	混合骨料（A）	骨胶比（B）	可再分散乳胶粉掺量/%（C）	纤维素醚掺量/%（D）
1	P1	1.0:0.8	4	0.35
2	P1:P2(1:1)	1.0:0.9	6	0.55
3	P1:P3(8:2)	1.0:1.0	8	0.75

 

表3无机保温板试验方案及试验结果

试样	A	B	C	D	干密度/Kg·m3	28d抗压强度/MPa	导热系数/W/(m·K)
1	1	1	1	1	225	0.39	0.050
2	1	2	2	2	253	0.58	0.069
3	1	3	3	3	261	0.63	0.059
4	2	1	2	3	236	0.49	0.053
5	2	2	3	1	263	0.66	0.060
6	2	3	1	2	275	0.78	0.056
7	3	1	3	2	257	0.66	0.054
8	3	2	1	3	276	0.67	0.060
9	3	3	2	1	299	1.10	0.061

2.2结果分析与讨论

正交试验极差分析见表4。

表4无机保温板正交试验极差分析

项目		A	B	C	D
干密度	k1	246	239	259	262
	k2	258	264	263	262
	k3	277	278	260	258
	R1	31	39	4	4
28d抗压强度	k1	0.53	0.51	0.61	0.72
	k2	0.64	0.64	0.72	0.67
	k3	0.81	0.84	0.65	0.60
	R2	0.28	0.33	0.11	0.12
导热系数	k1	0.059	0.052	0.055	0.057
	k2	0.056	0.063	0.061	0.060
	k3	0.058	0.059	0.058	0.057
	R3	0.003	0.011	0.006	0.003

由表4可知，骨胶比是影响干密度、抗压强度和导热系数3项指标的最主要因素。随着骨胶比的减小(膨胀珍珠岩质量固定时，水泥质量增多)，无机保温板的干密度增大、抗压强度也提高，导热系数除个别点外，在0.050、0.061 W/(m·K)内略有增加。从试件上看，水泥浆体主要粘附在膨胀珍珠岩颗粒表面，而颗粒与颗粒之间的空隙并没有全部填充，存在较多的空隙。随着水泥用量提高，膨胀珍珠岩颗粒表面包裹的水泥浆体增多，强度增加趋势明显。而导热系数主要由孔隙决定，水泥用量增大后，孔隙率会有所降低，但不明显，因此，导热系数增大并不显著。个别试件的导热系数偏大，可能由于该试件的部分孔隙形成了连通孔，对流作用加强的结果田。在满足抗压强度的条件下，导热系数越低越好，所以骨胶比确定为1.0:0.8。

从表4还可以看出，混合骨料对干密度和强度的影响也很大，对导热系数的影响并不十分显著，主要是因为不同粒径的膨胀珍珠岩复配后，改善了骨料的颗粒级配(见图1)。

 

图l骨料的级配区曲线

从图1可以看出，单一级配的P1由于粗颗粒多，颗粒之间存在明显的空隙，增大了无机保温板空隙率，获得了较低的干密度，但由于孔隙连通，导致其导热系数也比较大。而P3粒径过小，填充了大颗粒之间的空隙，增加了无机保温板的密实度，虽提高了强度，但也导致了干密度和导热系数的明显增大。当P1和P2以1：1质量比复配时，颗粒级配良好，P2颗粒既占据了Pl大颗粒之间的空隙，又增加了大小颗粒之间的接触点，还截断了空隙之间的通道，使空隙成为“密闭”孔隙。选择P1：P2=1：l复配作为保温板的骨料时，保温板的强度较高，而干密度和导热系数较低。

表4结果还表明，可再分散乳胶粉和纤维素醚均不是影响干密度、强度和导热系数的主要因素。综合考虑选择可再分散乳胶粉掺量为6％，纤维素醚掺量为0.75％。最优方案为A281C2D3，即最佳配合比为：膨胀珍珠岩按Pl：P2=l：l的质量比混合，骨胶比为1.0：0.8，可再分散乳胶粉掺量为6％，纤维素醚掺量为0.75％。

3热工性能计算

膨胀珍珠岩类无机保温板保温系统的基本结构形式见图2。

图2中l层为膨胀珍珠岩轻质抗裂砂浆(厚10咖柚)，实测导热系数A为0．096 W，(m·K)，修正系数取1.20；2层为膨胀珍珠岩无机保温板，尺寸为300mm×300mm，厚度6分别取30mm、40 mm、50mm，实测导热系数A为0.053 W／(m·K)，修正系数取1.15；3层为粘结层；4层为墙体基体，分别采用240mm厚灰砂砖、190 mm厚混凝土空心砌块、200mm厚加气混凝土砌块，热阻R分别为0.218、0.200、0.830（m2·K）/W；5层为14mm厚石灰膏砂浆，热阻R为0.017(m2·K)，W。根据GB 50176-93《民用建筑热工设计规范》进行热工性能计算，结果见表5。

表5 无机保温板保温系统复合墙体热工计算结果

墙体材料	保温板厚度/mm	热桥部位		主体部位		外墙平均传热系数Km/W/(m2·K)
		热阻R0/(m2·K/W)	传热系数/W/(m2·K)	热阻R/(m2·K)/W	传热系数Kp/W/(m2·K)
240mm厚灰砂砖	30	0.80	1.25	0.96	1.04	1.09
	40	0.97	1.03	1.13	0.89	0.93
	50	1.13	0.89	1.29	0.77	0.80
190mm厚混凝土空心砌块	30	0.80	1.25	0.95	1.05	1.11
	40	0.97	1.03	1.11	0.90	0.94
	50	1.13	0.89	1.27	0.79	0.82
200mm厚加气混凝土砌块	30	0.80	1.25	1.58	0.63	0.79
	40	0.97	1.03	1.74	0.57	0.69
	50	1.13	0.89	1.90	0.53	0.62

从表5可以看出，对于240mm厚灰砂砖、190mm厚混凝土空心砌块、200 mm厚加气混凝土砌块这3种墙体，当保温板厚度分别不小于40mm、40mm和30mm，本文设计的3种墙体结构的平均传热系数均小于1.0W/(m2·K)，满足JGJ134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的规定，完全满足节能65％的指标要求。该结果表明，膨胀珍珠岩无机保温板在外墙保温结构体系中具有广阔的发展前景。

4结论

(1)正交试验结果表明，骨胶比和混合骨料对保温板的性能影响最为显著。在膨胀珍珠岩为Pl和P2按1：1的质量比混合，骨胶比为1.0:0.8，可再分散乳胶粉掺量为6％，纤维素醚掺量为0.75％的条件下，能制得性能良好的膨胀珍珠岩无机保温板，其干表观密度为236 kg/m3，28 d抗压强度为0.49 MPa，导热系数为0.053 W/(m·K)。

(2)当保温板厚度不小于40 mm时，本文设计的3种墙体结构均可以满足夏热冬冷地区节能65％的设计要求。

 

-------摘自《新型建筑材料》2014年9期