浅谈常用建筑材料的导热系数测定方法及影响因素

陈培莉（潮州市建筑工程质量检测站）



浅谈常用建筑材料的导热系数测定方法及影响因素

陈培莉
（潮州市建筑工程质量检测站）

【摘要】随着我国建筑节能工作的不断开展，各种新型节能材料在建筑工程中得到了非常广泛的应用。导热系数是建筑节能材料主要的节能指标。本文笔者将对常用建筑材料的导热系数的测定方法进行简要的阐述，并对其影响因素进行探讨，以确保提高测定方法的准确性，减少误差。

【关键词】建筑材料；导热系数；测定方法

1　引言

随着我国建筑节能工作的不断开展，各种新型节能材料在建筑工程中得到了非常广泛的应用。建筑材料的绝热性能是需要重点评定的指标。根据相关的规范规定，对于建筑工程中所应用的节能材料，在进入施工现场之前应对其导热系数等主要技术指标进行见证取样复验。然而，在实际的建筑工程中，一些检测人员对于节能材料导热系数等指标的检测标准、方法等并不熟悉，这就导致了检测所得到的结果无法真实地反映节能材料的性能。本文将根据相关的规范和标准，对材料导热系数的影响因素进行分析，主要的影响因素包括密度、湿度、分子结构及化学成分、热流方向、温度等。并探讨导热系数的几种主要测定方法，主要包括稳态法和非稳态法。以确保提高测定方法的准确性，减少误差。

2　导热系数的影响因素

导热系数λ是指对于1m厚的材料的两侧温度在1K或1℃的情况下，1s的单位时间内通过1m2面积所传递的热量，其单位为W/（m.K）。根据导热系数的概念可以知道，材料的导热系数值越大，则表示其绝热性能就越差。对于不同的材料，其导热系数可能相差较大，并且材料导热系数的影响因素较大，一般情况下主要包括密度、湿度、分子结构及化学成分、热流方向、温度等。因此，为了准确地测定材料的导热系数，应对材料导热系数的主要影响因素进行分析和探讨。

2.1密度

一般情况下，材料的密度越大，材料的导热系数就越大，反之，材料的导热系数就越小。而对于含有孔隙的材料而言，材料的导热系数的主要影响因素为材料的孔隙率和孔隙特征。一般情况下，材料的孔隙率越大，则材料的导热系数就越低。在材料的孔隙率相同的情况下，具有相互连通的孔隙的材料会比孔隙封闭的材料的导热系数高，这是因为连通的孔隙具有空气对流的作用。此外，孔隙的尺寸越大，则材料的导热系数就越大。

2.2湿度

水的导热系数会比材料的导热系数大很多，因此在材料受潮之后，材料的孔隙内就会存在较多的水蒸气和水，这就会提高材料的导热系数。一般情况下，材料的含水率越大，则导热系数就越大。冰的导热系数是水的导热系数的4倍，如果材料中的水分被冻成冰，则材料的导热系数会比含水的材料大大增加。如表1所示为加气混凝土导热系数与含水率之间的关系。

表1　加气混凝土导热系数与含水率之间的关系

2.3分子结构及化学成分

材料的分子结构及化学成分对材料导热系数的影响非常大。比如说，玻璃体物质的导热系数会比晶体的导热系数小很多，这是因为玻璃体物质不能形成晶格的形式。而对于多孔材料而言，无论固体部分的结构是晶体还是玻璃体，都不会对材料的导热系数有较大的影响。这是因为多孔材料主要是由其内的空气决定材料的导热系数，而固体部分的影响就减弱了。

2.4热流方向

对于各向异性的材料而言，材料不同方向的导热性能会有所不同，因此热流方向也会影响材料的导热系数。一般情况下，如果热流沿着材料纤维的延伸方向，则热量所受到的阻力就越小，导热系数就大，反之，如果热流沿着材料纤维的垂直方向，导热吸水就越小。

2.5温度

温度会对材料的导热系数造成较大的影响，这是因为温度越高，材料固体分子的热运动就越强，这就会增加材料孔隙中空气的导热和孔壁件的辐射作用。因此可以认为，随着温度的增加，材料的导热系数就增加。

3　导热系数检测方法

一般情况下，对建筑材材料的导热系数进行测定，可以采用的方法包括稳态法和非稳态法，其中稳态法包括防护热板法和热流计法，而非稳态法则包括脉冲法。以下将对这几种导热系数的检测方法进行介绍。

3.1稳态法

稳态法具有的优点为原理简单、计算方便、精度高等，但是其试验装置复杂、试验时间长，此外稳态法对试件的要求较高。如果试件存在尺寸和平整度方面的稳态，则会产生接触热阻，这会影响测试的精度。

3.1.1防护热板法

⑴原理

防护热板法的基本原理为在稳态条件下，防护热板装置的中心计量区域内在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于以两个平行匀温平板为界，无线大平板中存在的一维恒定热流。导热系数λ的计算公式如下：

式中，Q代表一维恒定热流；A代表计算单元的面积；ΔT代表试件冷热表面的温度差；d代表厚度。

⑵装置

一般情况下可以采用的防护热板装置为双试件装置和单试件装置。在双试件装置中，两个几乎相同的试件中夹一个加热单元，各个试件的外侧设置一个冷却单元。如图1所示为双试件防护热板装置。在单试件装置中，加热单元的一侧用绝热材料和背防护单元代替试件冷却单元。

图1　双试件防护热板装置

⑶检测要点

①试件的选择与尺寸。当采用双试件防护热板装置进行材料导热系数的检测时，所采用的两个试件的尺寸应确保一致，根据要求，两个试件的厚度误差应控制在2%以内。试件的尺寸应确保完全覆盖加热单元的表面，同时其厚度不得小于实际使用厚度。

②试件制备。试件的表面应进行加工，确保平整，并且与面板之间应保证紧密接触。试件表面的不平行度应控制在厚度的±2%以内。

③状态调节。在对试件的导热系数进行检测之前，应将加工好的试件放置在干燥器内进行状态的调节。如果检测的时间在试件从实验室空气中吸收显著水分所需要的时间以内，则应在试件干燥结束之前，将其及时放置在干燥器内以确保试件保持干燥的状态。如果检测的时间超过试件从实验室空气中吸收显著水分所需要的时间，则将试件放置在标准的试验室的空气，使试件的状态调节到与室内空气平衡。根据要求，标准的试验室空气状态为293K±1K，50%±10%RH。

④过渡时间和测量间隔。根据要求，试验装置和试件应确保有足够的热平衡时间，这样可以准确的测量得到材料的热性质。当试件内部存在传质现象时，对试件测定的时间应控制在24h以上。

3.1.2热流计法

⑴原理

热流计法的基本原理是指热板和冷板在恒定温度的稳定状态下，热流计装置在热流传感器中心测量部分和试件中心部分建立类似于无限大平壁中存在的单向稳定热流。

⑵装置

在热流计法中，所采用装置如图2所示，其主要组成部分包括加热单元、热流传感器、试件以及冷却单元。

图2　热流计装置

⑶检测要点

①试件选择与尺寸。当采用双试件热流计装置对导热系数进行检测时，两个试件的厚度差值应控制在2%以内。试件的尺寸应确保完全覆盖加热单元的表面，同时其厚度不得小于实际使用厚度。

②试件制备。试件的表面应进行加工，确保平整，并且与面板之间应保证紧密接触。试件表面的不平行度应控制在厚度的±2%以内。

③状态调节。在热流计法中，试件状态的条件与防护热板法中的描述相同。

④过渡时间。如果在缺少类似经验的情况下，采用热流计装置检测时，其测定的时间间隔应为密度、比热、厚度与热阻的乘积或者300s的时间。一般应进行5次热阻值的读数，每次读数之间的差值应控制在±1%以内。

3.2非稳态法

非稳态法主要包括脉冲法。这种方法设备简单、操作方便，不需要孔温制冷装置，并且能够对不同湿度下的材料的热物系数进行测定。对材料进行一次试验即可得到导热系数、导温系数以及比热等参数。

3.2.1原理

脉冲法的基本原理为在试验过程中，在较短的时间内对试件进行加热，使其温度发生变化，根据材料温度的变化特点即可计算得到材料的导热系数。

3.2.2装置

在脉冲法中，所采用的装置的主要组成部分包括一个加热器、三块试件以及测温热电等。

3.2.3检测要点

⑴试件选择

一个试件主要包括三块试件，其中一块薄试件和两块厚试件，薄试件的尺寸为200mm×20mm×（20～30）mm，厚试件的尺寸为200mm×20mm×（60～100）mm。根据要求，试件表观密度之间的差值应控制在5%以内。试件的表面应确保平整，厚度应确保均匀。试件之间的接触面应确保紧密。

⑵状态调节。试件的状态应根据测定的条件进行调整。如果需要测定不同含水量下试件的导热系数，则应将试件放置在规定的湿度环境中。如果需要测定干燥状态下的导热系数，则应将试件烘干至恒重。

4　结语

对于建筑材料而言，导热系数是其节能性质的重要指标。材料的导热系数的影响因素有很多，并且可以采取的检测方法有很多，因此在对建筑材料的导热系数进行测定之前，应根据材料的特性选择合适的检测方法，以提高检测精度，确保数据的准确性。●

【参考文献】

［1］邓朝晖.建筑材料导热系数的影响因素及测定方法［J］.工程质量，2008，204（07）：15-18.

［2］龙连芳.节能材料导热系数测定影响因素与质量控制［J］.能源与节能，2015，117（06）：96-99.

［3］李才对.非稳态法测量不良导体导热系数的研究［D］.昆明理工大学，2006.

［4］程晓辉.建筑绝热材料导热系数测定仪的开发［D］.河北大学，2012.