建筑工程材料导热系数测定方法及影响因素研究

黎明才

（广东裕恒工程检测技术有限责任公司）

0 绪言

导热系数是评价各种建筑材料保温性能优劣的重要技术指标，在建筑工程设计中经常用到。随着检测技术的革新，材料导热系数的检测方法越来越多，精度也越来越高。按导热机理来区分，可分为稳态热流法和动态热流法两个大类。动态热流法包括热脉冲法、热线法、瞬态平面热源法等。本文结合以往研究的经验和相关技术资料，采用几种测定导热系数的方法进行对比研究，并通过试验测试分析研究，并提出较为合理的测定方法。同时，通过分析研究，探讨导热系数的影响因素有哪些。

1 检测规范

目前，为了规范导热系数检测，我国已经将各检测方法制定成标准，主要检测标准方法如下：

GB/T 10294—2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法[1]。

GB/T 10295—2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法[2]。

GB/T 10297—2015 非金属固体材料导热系数的测定 热线法[3]。

GB/T 22588—2008 闪点法测量热扩散系数或导热系数[4]。

GB/T 32064—2015 建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法[5]。

GB/T 32981—2016 墙体材料当量导热系数测定方法[6]。

GB/T 36133—2018 耐火材料导热系数试验方法（铂电阻温度计法）[7]。

GB/T 3651—2008 金属高温导热系数测量方法[8]。

根据随机数字表法进行2016年6月-2018年2月90例COPD并呼吸衰竭患者分成不同组。观察组男22例,女23例;年龄54岁-77岁,平均60.71±2.12岁。COPD发病时间1年-21年,平均(12.21±0.45)年。对照组男23例,女22例;年龄54岁-78岁,平均60.45±2.11岁。COPD发病时间1年-20年,平均(12.24±0.41)年。两组一般资料无明显差异。

GB/T 37796—2019 隔热耐火材料 导热试验方法（量热计法）[9]。

GB/T 5990—2006 耐火材料导热系数试验方法（热线法）[10]。

2 检测方法及原理

2.1 稳态热流法

稳态热流法的原理是，通过利用热量稳定传热过程中，传热速度等于散热速度，达到热量平衡，再通过傅里叶一维稳态热传导模型，将样品的热流密度、两侧温差和厚度带入模型，从而计算得出样品的导热系数。稳态热流法包括热流计法、防护热板法、防护热流计法等。

2.1.1 热流计法

热流计的装置主要由测试主机、测试板、加热板、冷却板、热流传感器和低温恒温槽组成。检测时，将某厚度的试样插入设备冷热平板间，并设置一定的温度梯度，采用已计量的热流传感器，测量试件的热流，再通过输入试样厚度、冷热板间的温度梯度，以及通过的稳定热流，便可计算材料的导热系数。该检测方法的优点是设备价格较为便宜，测试速度快，易操作，测量结果较精确，湿度对检测结果影响不大。缺点则是对检测样品的平整度要求比较高，如果不平整则需要重新加工，温度和测量范围有限，传感器容易被样品表面的尖锐颗粒损坏，并且需要保证试样与面板紧密接触，每次检测前均须进行校准标定，重现性较低。试样整个表面的不平整度应控制在试样厚度的2%以内。热流计检测导热系数示意图如图1 所示。

图1 热流计法测试导热系数示意图

防护热流计测试方法和热流计法检测原理是一样的，只是增加了防护板，提高了测试精度和量程，其检测原理示意图如图2 所示。

图2 防护热流计测试导热系数示意图

2.1.3 防护热板法

防护热板法测试原理如图3 所示，热板（热源）位于两块样品的中间，冷板置于两外侧面，导热系数检测仪的机箱温度与冷热板温度稳定后，两块试样获得从内向外、对称的稳定的热流，加热器的能量被检测试样完全吸收，检测过程中，精确控制输入到热板上的能量，通过调节输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板的温度梯度和测试温度进行调整，保证从热板到辅助加热器的热流是线性的。通过施加到热板上的能量、温度梯度及两片试样的厚度，则可以计算出保温材料的导热系数。

图3 防护热板法测试导热系数示意图

2.2 动态热流法

动态热流法的原理是试样的导入和导出的热流量不等，试样内任意点的温度和热含量均随时间而变化的导热过程，主要包含有热脉冲法、热线法等检测方法。

2.2.1 热脉冲法

热脉冲法测定法是通过一个加热器和放置在加热器两侧材料相同的三块试样以及测温热电偶来进行检测。该方法虽然检测时间短、设备简单，但其原理较复杂，对试样加工要求较高，测定结果重现性较低，测定试样时需要初始和试验过程中的外界温度保持恒定。

2.2.2 热线法

热线法是在较大的块状试样中插入一根热线，施加一恒定的加热功率，使其温度逐步上升，测量热线或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。通过其温度随时间的变化情况就可以得出试样的导热系数。该方法不但适用于干燥材料，且还适用于含湿材料。热线法由于具有操作简单、设备便宜的优点，从而在建筑工程中得到广泛应用，但由于制备样品较为复杂，主要应用于粉状低导热系数的材料。

3 影响导热系数高低的因素

3.1 含水率

试样的含水率对其导热系数影响很大，吸湿受潮后，其导热系数会升高。这是因为水的导热系数比空气的导热系数高20 倍左右。材料传热分为三种形式，导热、对流和辐射传热。在多孔材料保持干燥的时候，孔隙中没有水分，且各孔洞为封闭孔时，这些孔隙间主要通过辐射传热，这样导热效率较低。但如果这些孔为连通孔时，则主要是进行对流换热。当材料含水率较高时，吸收了太多水分，则各孔隙填充了大量自用水，这时，材料主要通过导热来进行换热，此时传热效率很高，从而导热系数则增大。

3.2 密度

密度是导热系数高低的又一个重要影响因素。对同一材料而言，密度高低反映的是该材料的密实程度，密度越大，则该材料越密实；反之，则越疏松。有研究表明，在无其它因素的影响下，孔隙率越大的材料，导热系数就会越低。材料的导热系数随着密度降低而逐渐降低，但随后也可能升高。举个例子，玻化微珠保温砂浆的导热系数随着密度降低而不断降低，但之后有升高的趋势。这是因为随着密度降低，玻化微珠保温砂浆的空隙不断增大，材料从导热传递，中间孔隙间变成了辐射传热，从而导热系数降低。但随着密度的进一步降低，各孔隙间变成了连通孔，这是传热方式又改变成了对流换热，从而导热系数又开始升高。

3.3 温度

温度也对材料的导热系数有较大影响。这是因为随着温度升高，分子的热运动增强，从而使得材料孔隙中的空气运动加快，从而提高换热效率；同时也会增加孔壁间的热辐射，升高材料的导热系数。有研究表明，材料温度越高，导热系数将升高，导热性能将变好。

3.4 材料结构与热流方向

材料结构和热流方向也会对导热系数有一定的影响，对于各向异性的材料而言，沿着纤维延伸的热流在传播的过程中较为容易，因为这主要发生的传热过程是导热过程，那么导热系数就会较高；但如果热流是沿着纤维的垂直方向传播的，则纤维间不能直接导热，主要通过辐射或对流传热进行，传热过程比较困难，从而导热系数较低。因此，采用节能材料时，得考虑到材料结构与热流方向。

4 试验研究

本文按照标准GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》[11]的规定，成型了I 型玻化微珠保温砂浆，并分别按照GB/T 10294—2008、GB/T 10295—2008、GB/T 10297—2015 进行测定，其试验结果如表1 所示。

表1 不同测试方法测定玻化微珠保温砂浆导热系数对比情况

由检测结果可以看出，防护热板法得出的导热系数较低，而标准GB/T 20473—2006 规定的仲裁方法也是防护热板法。这是因为防护热板法精度较高，测试环境更稳定，重现性好，比热线法和热流计这些方法更加稳定。因此，在情况允许时，尽量选择防护热板法来进行检测。

5 结论

材料的导热系数在建筑工程中经常用到，虽然它是通过测定划算的间接参数，但在建筑节能设计中具有十分重要的作用。我主要提出以下两点建议：

⑴在条件允许时，尽量选择较为稳定，重现性高的防护热板法进行测定；

⑵在测定时，充分考虑到含水率、密度、温度、结构和传热方向的影响，保证测试的可靠性和重现性。