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基于建筑节能的墙体保温材料的发展分析

发布者:花绒YT保温材料        发布日期:2017-09-04 13:53


  随着世界能源的不断消耗各国日益重视节能环保建筑节能也日趋成为各国政府关注的焦点之一。建筑节能是减轻环境污染、解决能源危机的重要途径之一建筑能耗占社会总能耗30%左右。到2020年,全社会的新增建筑全部达到节能65%的目标,而像北京这种特大城市,从2012年就率先执行节能75%的设计标准;与此同时,国家标准对新建建筑的节能水平要求是要达到或接近于同等气候条件下的发达国家的节能平;因此,大力推进墙体材料的改性与革新,开发并推广新型生态环保节能墙体和屋面材料体系势在必行。

  目前,国内外使用的墙体保温材料主要分为传统的无机保温材料(岩棉、玻璃棉等)和有机合成保温材料(聚氨酯、聚苯乙烯等)两大类。然而,对于传统的无机保温材料,无论从其生产加工的复杂程度、能源消耗、还是价格、长期稳定性方面都使得传统无机保温材料的广泛使用受到限制;相比无机保温材料,虽然有机合成保温材料的保温效果优异,如,聚苯板和聚氨酯泡沫等材料占据了中国的墙体保温材料体系的占有较大份额,但其火灾隐患和接连的重大事故(央视新址火灾、上海静安火灾等),造成了重大的人身伤亡和巨大的经济损失。因此,现代建筑要求科研人员研发更加安全节能、绿色环保、施工方便、经济可行的新型墙体保温材料。

建筑节能的墙体保温材料

  2 墙体保温材料研究现状及存在问题

  目前,欧洲主要使用聚苯乙烯和岩棉作为墙体保温材料;美国在20世纪60年代引进这些保温材料,发展和改进了欧洲的膨胀板EPS板(聚苯乙稀板)薄抹灰外保温系统施工技术,使其更适用于美国的建筑体系和气候条件。上世纪末到本世纪初,世界各国做了大量建筑节能与墙体保温材料的相关研究。Davidovits,Kodah等分别研究了复合保温材料的性能,对比并分析了不同保温材料的成本和保温效果。美国Oak Bridge国家实验室对混凝土砌块、水泥块、砖等墙体的外保温体系进行了对比研究,研究发现混凝土砌块的墙体保温体系的保温性能要优于其它几种。EIFS industry Members Association联合美国能源部、Oak Bridge国家实验室等进行了长达3年的研究,调研检测有阻热和防潮功能的新型墙体保温系统的湿热传递状况,重点研究了如何使建筑节能更高效、如何减少温室气体排放、如何降低使用成本等。

  目前,国外的墙体保温材料种类较为齐全,发展较为成熟。而国内的墙体保温体系仍然以传统的墙体保温材料为主,较为单一。其国内墙体保温材料主要存在以下问题:(1)品种单一,亟待开发;(2)现有保温材料耗能高,很难满足当代社会的发展需求;(3)成本较高效益回收慢;(4)各种保温材料鱼龙混杂,没有形成统一的质量标准和监督体制。

  3 主要传统墙体保温材料的对比分析

  3.1 聚苯乙烯(polyvinyl benzene)泡沫塑料板

  聚苯乙烯泡沫塑料板是一种有机材料,分为模塑聚苯乙烯板(EPS)和挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)。

  EPS聚苯板的导热系数较低,一般≤0.042W/(m·K),所以该材料具有优异的保温隔热性能,其防水性能及抗风压、抗冲击性能也很优异。此外,EPS质量轻、易加工、成本低而且加工技术成熟,已经占据了我国墙体保温材料的主导地位。但是,EPS聚苯板的耐火等级仅为B2级,受热变形温度仅为70~98℃,而且该类材料受热容易燃烧并产生大量浓烟,放出大量的热,故认为EPS聚苯板不属于当代建筑墙体保温体系的范畴,应该逐渐退出市场。尽管近期一些研究通过向该材料中添加阻燃剂、优化生产工艺和配比等方法致力于改善EPS等性能,但最终其耐火等级也仅能提高到B1级。

  XPS板,即挤塑聚苯乙烯泡沫板,简称挤塑板,这是20世纪60年代研制成功的有机保温材料。与EPS聚苯板相比,其强度、保温、抗水汽渗透等性能有较大提高,其导热系数≤0.03W/(m·K)。因此,相比于EPS聚苯板,XPS板在保温性和强度等方面都提高了一个档次。但由于这两者材质相同,同属于有机材料,故XPS板的耐火性也很差仅为B2级,经过改性之后的XPS板的耐火等级勉强能达到B1级。2009年央视大火中燃烧的央视大楼就是采用了XPS板作为其墙体保温材料,使得其成为大火的真正帮凶。因此,板也不XPS被未来所看好,也应该逐渐降低其市场份额。

  3.2 聚氨酯(polyurethane,PU)

  聚氨酯(PU)是由德国化学家Bayer在20世纪30年代所发明,自其发明以来迅速用于制造泡沫塑料、纤维、弹性体、合成革、涂料、胶粘剂和医用材料等材料。应用在建筑节能中主要是聚氨酯硬质泡沫塑料。

  PU有着极好的保温性能,其导热系数可达到0.022W/(m·K),远低于传统的保温材料,保温隔热性能好,环境污染少,节能效果好。另外,该材料具有高抗压、低吸水率、防潮、不透气、质轻、耐腐蚀、不降解等特点,在浸水条件下其保温性能和抗压强度仍然毫无损失。因此,PU材料特别适用于建筑物的隔热保温与防潮保护作用。然而,PU也是一种有机材料,燃烧等级为B2级,为可燃材料,虽然添加阻燃剂后的聚氨酯的耐火等级可达到B1级,但是仍然无法达到公安部所规定的A级标准;更让人担心的是,该材料在受热时容易分解产生大量的一氧化碳、氰化氢、甲醛等有毒性气体并伴有大量的浓烟,直接对人的生命安全构成危害。聚氨酯在耐火方面的缺陷直接影响了其应用。表1为聚苯乙烯泡沫材料聚氨酯材料的对比情况。

  3.3 岩(矿)棉(Rock wool)

  岩棉应用于建筑墙体保温体系,在欧洲已有几十年的历史,并且已形成了成熟的产品标准和系统认证指南。岩棉属无机类保温材料,主要包括矿渣棉、岩棉、玻璃棉和陶瓷纤维等其导热系数小于0.44W/(m·K),保温性能优异;另外,其具有质轻、不燃、耐久、不受虫蛀等优良特点。因此,岩棉曾被广泛地应用于墙体保温体系中,是一种优良的保温隔热材料。一般情况下,岩棉均属不燃材料,防火等级为A级。但由于岩棉容重较大,而且内部强度较低,这就需要在建筑施工中对其进行固定;另外,由于岩棉吸水性较强,建筑施工中就必须对岩棉进行密封处理,这毫无疑问加大了建筑施工的复杂性和成本。上述这些缺陷使得岩棉在使用过程中受到限制,并且由于建筑施工中的密封工作很难做好,使得岩棉吸水,从而使其保温性能大大降低。

  3.4 膨胀珍珠岩(Expanded perlite)

  膨胀珍珠岩是另一种传统的无机保温材料其常被用作轻质骨料而掺人混凝土中,从而实现墙体的保温效果。膨胀珍珠岩的颗粒本身具有内部多孔的特点从而其具有质轻、吸声以及可用作保温材料的特点。其高温下导热系数为0.05~0.15kcal/(m·h·℃),耐火度>1250℃,是一种传统的建筑保温材料,应用十分广泛。虽然如此,但膨胀珍珠岩也存在致命的缺陷。其吸水率较高,而且吸水容易产生膨胀而开裂,加之墙体温度变化会使其进一步产生开裂。另外,珍珠岩通常与水泥混在一起使用,从而使得硬化水泥的强度与膨胀珍珠岩的保温效果无法同时发挥。

  4 几种新型保温墙体材料介绍

  4.1 酚醛树脂(phenolic resin)发泡保温材料(PF)

  酚醛树脂发泡保温材料属于有机高分子型材料。改性后的酚醛树脂材料的耐火型完全可以达到A级,并且该种保温材料具有质轻、无毒、无滴落等优点。酚醛树脂发泡材料由于闭孔率高而使得其导热系数低,仅为0.23W/(m·K)左右,因此其具有非常优异的保温隔热性能,并且其抗水性和隔汽性也非常突出。这一系列的优点使得酚醛树脂保温材料成为国际上公认的最有前途的新型墙体保温材料之一,因此未来必将成为建筑保温材料的主流。

  4.2 发泡矿物聚合物保温材料

  发泡矿物聚合物以粉煤灰基发泡地质聚合物为代表。粉煤灰是我国的主要工业固废之一,随着电力行业的迅速发展燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加。粉煤灰基矿物聚合物的研究随着粉煤灰利用的加强,越来越受到各国研究人员的重视。

  粉煤灰基泡沫矿物聚合物具有节能、环保、利废、降低建筑成本等优点。以粉煤灰为原料,通过碱性激发剂对其进行激发,并通过化学或物理等方法进行发泡,可以制备出容重不同的发泡地质聚合物。Svingala等制备了容重在1000~1200kg/m3的泡沫矿物聚合物的抗压强度在2.9~9.5MPa。Zhao等制备了容重在400~1200kg/m3的泡沫矿物聚合物(经过1050℃的高温烧结)的抗压强度在5~32MPa。该种材料的防火性能为A级不燃,导热系数可达到0.048W/(m·K)左右,因此其保温性和防火性都很好。另外,该材料用作墙体保温材料的操作工艺简单而且成本低廉。但发泡地质聚合物也普遍存在一些问题,例如:表面易开裂,易吸水等。这些问题在一定程度上限制了发泡地质聚合物作为墙体保温材料。

  4.3 泡沫玻璃(foam glass)保温材料

  泡沫玻璃是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等,经过细粉碎和均匀混合后,再经过高温熔化,发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料,被誉为“无需更换的永久保温隔热材料”。

  该种保温材料容重较低,机械强度大,导热系数为0.058W/(m·K)左右,固有着很好的保温效果。另外,泡沫玻璃容易加工使用寿命长(与建筑物同寿命),而且耐火等级为A级,是一种性能优越的防火保温、抗腐蚀、吸声材料。但是该种材料在我国应用很少原因主要是生产成本高,与其他保温材料相比还缺乏竞争力。

  4.4 STP真空绝热板

  STP真空绝热板是目前世界上最为先进的高效保温材料之一,它是真空保温材料中的一种,主要是由填充芯材与真空保护表层复合而成,它能有效地避免空气对流引起的热传递,因此具有极低的导热系数,≤0.008W/(m·K)。其耐火等级为A级,使用寿命可与建筑物同寿命。虽然该种材料作为墙体保温材料的生产成本较髙,但它属于一次性投资是一种高效环保的新型保温材料,因此有着广阔的应用前景。

  5 其他

  除上述介绍的墙体保温材料外,市场上常见的保温材料还有泡沫混凝土、三聚氰胺泡沫、硅酸钙、保温砂浆等。它们的应用范围和性能各有优劣,这里就不再赘述。

  Liefke给出了不同墙体保温材料的最高使用温度的对比图,从图1中可以发现,尽管聚苯乙稀和聚氨酯等材质轻、应用广,但是使用温度较低,极易着火,岩棉、珍珠岩使用温度较高,但是成本较高。硅酸钙、泡沫混凝土和泡沫矿物聚合物的使用温度最高,达到了1000℃,硅酸钙的成本也较高。泡沫矿物聚合物主要使用粉煤灰作为原料,成本很低。

  6 结论与展望

  2012年5月住房和城乡建设部提出的《“十二五”建筑节能专项规划》要求,到“十二五”期末,建筑节能形成1.16亿吨标准煤节能能力。到2015年,城镇新建建筑能源利用效率与“十一五”期末相比,提,30%以上。到2020年,全社会的建筑节能达到65%,特大城市北京则需要执行更高水平的节能标准,达到75%,新建建筑节能水平达到或接近同等气候条件发达国家水平。大力推进新型墙体材料革新,开发推广新型生态环保节能墙体和屋面材料体系势在必行。虽然目前有机类保温材料保温效果好,但容易引发火灾;而无机材料虽然耐火等级高,但保温效果较差。就目前而言,酚醛树脂板、发泡地质聚合物等是较为理想的新型保温材料,未来必定在墙体保温材料市场中占据主导地位;而XPS,EPS,膨胀珍珠岩若不加以改进,必将退出未来的建材市场;而泡沫玻璃、STP真空绝热板等则在短期内很难解决生产成本问题,因此其市场竞争力在短期内也难以获得提高,其应用也将受到限制。因此,目前迫切需要研发新材料或在已有材料基础上进行改进,以求获得一种绿色环保、价格低廉、防火保温的墙体保温材料。

  建筑节能的墙体保温材料相关问答

  问:外墙保温材料按材料形状分类有哪些?

  答:1、整体保温隔热材料。2、外墙保温材料松散隔热保温材料。3、板状隔热保温材料

  问:发泡水泥外墙保温材料的优点是什么?

  答:发泡水泥的导热系数低且隔热性能突出,因此能提高热效率从而达到节约能源的效果;对于高层建筑物来说,可以减轻混凝土对整个建筑物的负荷;住宅楼的地板层是铺设地板采暖管材用以直接供热及传导热量和隔绝声音的途径;发泡水泥砌块可使用粉煤灰、矿渣粉等工业废弃物做为主要原料,环保利废。

  问:微晶无机保温砂浆是什么?

  答:微晶无机保温砂浆是国家建材院最新研制的新一代环保型保温砂浆,具有保温隔热性好、强度高、耐老化(可与建筑物同寿命)、操作方便等特点。本产品以微晶、砂岩为主要骨料,以水泥为基料,具有极低的体积收缩率、优异的抗裂性,其抗压、粘结强度是目前建筑保温材料不能比拟的。


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  本文标题:基于建筑节能的墙体保温材料的发展分析


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