外墙保温材料植入金属件后对传热性能的影响研究

蔡新利，武军，杨安琪，王吉萍，侯超，魏早宁

（1.新疆建筑科学研究院（有限责任公司），乌鲁木齐830000；2.新疆建设工程质量安全检测中心（有限责任公司），乌鲁木齐830000）

1 引言

随着社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，节能减排这一理念深入人们生活的方方面面。建筑能耗问题日益严峻，新技术和新工艺在建筑工程施工过程中对建筑节能至关重要，建筑行业必须不断总结经验，积极采用新技术，不断优化施工技术，进而推动建筑领域的发展。

围护结构的节能设计是建筑节能很关键的一项措施。由于建筑节能的需要，各种新型复合墙体已经出现，同时建筑外墙外保温系统采用的新技术与新材料种类越来越多，可以通过改善整个墙体的热工性能实现建筑节能[1]。

部分新型外墙外保温系统设计生产中需要将钢筋穿过保温材料，而通常钢筋本身导热系数较大，导致植入钢筋保温材料传热系数变大，有较大的热量散失，产生一定的冷桥效应，影响外保温系统的保温隔热效果，造成房屋内墙结露、发霉甚至滴水，影响房屋的舒适度。因为在钢筋穿过以及混凝土浇筑后，对保温材料的破坏程度不同，传热系数的变化也不尽相同，选用影响较小的保温材料可以最大可能地降低钢筋产生的热损耗，保证保温系统的保温隔热效果。通过其他措施也可以弥补钢筋冷桥造成的影响，或者进一步完善外墙外保温系统的设计与施工，在弥补损失的基础上进一步提升其保温隔热效果[2]。

2 EPS板与植入钢筋EPS板传热系数的分析

在传热系数试验架上安装EPS板（可发性聚苯乙烯泡沫塑料，1 750 mm×1 750 mm×25.06 mm），用智能型稳态热传递性质测定系统（CD-WTF1515）进行EPS板传热系数的测定，测完后在同一个试验样板上植入16根HRB400Eφ8 mm×400 mm钢筋（完全穿透），进行植入钢筋EPS板传热系数的测定。

参照GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法》[3]进行试验。传热系数是用两侧环境温度定义的，因此，要求采用合适的测量温度方法测定环境温度。测试低热阻试件时，表面换热系数非常重要，此时表面换热系数对总热阻有较大的影响。测试中高热阻试件时，如果试件两侧的空气温度和辐射温度的温差都满足准确度的要求，试验时也可以只记录空气温度。在防护热箱法中（见图1），计量箱被防护箱围绕，应控制防护箱的环境温度，使试件内不平衡热流量Φ2和流过计量箱壁的热流量Φ3减至最小。理想状态是装置内安装一个均质试件，计量箱内部与外部的温度均匀一致，而且冷侧温度和表面换热系数一致时，计量箱内、外空气温度的平衡意味试件表面的温度平衡，反之亦然，即Φ2=Φ3=0，并且穿过试件的总热流量将等于输入计量箱的热量。

图1 防护热箱

EPS板与植入钢筋EPS板传热系数试验样板分别如图2~图4所示。

图2 EPS板传热系数 试验样板

图3 植入钢筋EPS板 传热系数试验样板

注：试件厚度为25.06 mm。

经测试，EPS板传热系数为0.365 W/（m2·K），植入钢筋EPS板传热系数为0.377 W/（m2·K），EPS板在植入钢筋后传热系数变化不大。经过预热、合模、加料、加热、冷却、脱模几道工艺将EPS珠粒制成EPS制品，发泡珠粒膨胀黏结为一体，冷却脱模取出制品。EPS制品中，泡粒弹性好，泡孔壁厚，在植入钢筋过程中，泡粒紧缚钢筋，没有过多的空隙，所以，植入钢筋后传热系数变化不大。

3 XPS板与植入钢筋XPS板传热系数的分析

和EPS板与植入钢筋EPS板传热系数的测定步骤一样测定XPS板（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）与植入钢筋XPS板的传热系数，XPS板规格型号为1 750 mm×1 200 mm×25.12 mm。

XPS板与植入钢筋XPS板传热系数试验样板分别如图5、图6所示。

图5 XPS板传热系数试验样板

图6 植入钢筋XPS板 传热系数试验样板

植入钢筋XPS板传热系数试件布点与图6保持一致。

经过测试，XPS板传热系数为0.423 W/（m2·K），植入钢筋XPS板传热系数为0.460 W/（m2·K），XPS板在植入钢筋后传热系数变化稍大。XPS板没有EPS板的泡粒结构，而是相邻泡孔共用泡孔壁，且泡孔壁薄，柔韧性比EPS板差。在植入钢筋的过程中，XPS板不能紧缚钢筋，留有较大的空隙，导致传热系数变化较大。

4 总结分析

通过植入钢筋EPS板与植入钢筋EPS板的对比分析，保温材料泡沫内部结构及应力的不同导致其对传热系数的影响程度不同。植入钢筋孔处在浇筑混凝土时会灌入混凝土并致使其破坏程度更大，形成的热缺陷也越大。植入钢筋后，其他保温材料的传热系数同样会受到类似的影响，不同的材料钢筋的握裹力及破坏程度均不同，形成的热缺陷也不同。

4.1 传热系数

传热系数不确定度分量为：传热面积（尺寸测量工具的测量误差）、传热功率（传热系数测试仪的热功率表的测量值存在误差）、传热温差（传热系数测试仪的温度传感器的测量示值存在误差）、检测人员操作（操作误差）。植入钢筋后还会有钢筋空洞造成的不确定度分量，钢筋对保温材料破坏程度越大，其造成的不确定度越大。

1）传热系数数学模型：

式中，U为传热系数，W/（m2·K）；Φ为传热功率，W；A为传热面积，m2；ΔT为传热温差。

2）合成标准不确定度：

式中，μrel(U)为传热系数的合成标准不确定度；μrel(δ)为由于检测人员操作误差而引入的不确定度分量；μrel(A)为传热面积测量引入的不确定度分量；μrel(Φ)为传热功率测量引入的不确定度分量；μrel(T)为传热温差测量引入的不确定度分量。

3）扩展不确定度：

式中，Urel为传热系数的扩展不确定度；k为包含因子，取k=2；U为传热系数。

计算可得，本次试验EPS板与XPS板传热系数扩展不确定度分别为0.017 5 W/（m2·K）与0.020 3 W/（m2·K）。

4.2 导热系数

1）导热系数数学模型：

式中，λ为导热系数,W/(m·K)；Φ1为加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，W；T1为试件热面温度平均值，K；T2为试件冷面温度平均值，K；A1为计量面积，m2；d为试件平均厚度，m；e为导热系数测定仪校正系数。

2）合成标准不确定度：

式中，μrel(λ)为导热系数的合成标准不确定度；μrel(d)为厚度测量引入的不确定度分量（包括游标卡尺的误差引入的不确定度与人员读数误差引入的不确定度）；μrel(e)为用绝热材料导热系数标准参比板校正导热系数测定仪引入的不确定度分量；μrel(Φ0)为设备加热单元热流量引入的不确定度分量；μrel(T)为温度引入的不确定度分量；μrel(A1)为计量面积引入的不确定度分量；μB1rel为导热系数测定仪校准引入的不确定度分量；μB2rel为导热系数测定仪分辨力引入的不确定度分量。

3）扩展不确定度为：

式中，U1rel为导热系数的扩展不确定度；k为包含因子；μrel(λ)为导热系数的合成标准不确定度；λ为导热系数。

此次试验所用EPS板（厚25.06 mm）与XPS板（厚25.12 mm）导热系数用平板导热仪（TPMBE-300）进行检测，导热系数分别为0.037 1 W/(m·K)与0.048 4 W/(m·K)。取k=2，导热系数扩展不确定度分别为0.001 6 W/(m·K)与0.002 1 W/(m·K)。

综上，相比保温材料导热系数，其传热系数不确定度更大，植入钢筋后钢筋、孔洞及孔洞破坏程度将会引入新的不确定度分量，不确定度将会更大。不同材料的破坏程度越大，不确定度也将越大。

5 结论

通过本文的分析，得到以下结论：

1）成型工艺与材料成分的不同导致植入钢筋后对保温材料的破坏程度不同，破坏程度越大形成的热缺陷越大，影响墙体整体保温隔热效果，同时在施工浇筑过程中会导致脆性越大的材料植入钢筋孔处破坏缺陷越大。

2）鉴于植入钢筋对保温板传热系数的影响，需要保温板植入钢筋的保温体系中，在保证其他产品性能的基础上选用柔韧性较高的保温材料，或者同种材料中选用柔韧性较高的产品，同时在施工过程中应加强对保温板植筋施工质量的管控。

3）保温材料生产厂家应针对不同的保温体系优化产品某方面的性能，以快速适用于新的保温体系中，加强自身产品竞争力。