2.2.3与热有关的性质

2.2.3　与热有关的性质

为了使建筑物具有良好的室内小气候，降低建筑物的使用能耗，在选用围护结构材料时，要求材料具有良好的热工性能。通常考虑的热工性能有导热性和热容量。

（1）导热性与热阻　当材料两侧存在温差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传导热量的能力称为导热性，导热性的大小以导热系数λ表示。导热系数的物理意义是：单位厚度的材料，当两侧的温差为1K时，在单位时间内，通过单位面积的热量。导热系数的计算公式为：

式中　λ——材料的导热系数，W/（m·K）；

Q——传导的热量，J；

d——材料厚度，m；

A——材料的传热面积，m²；

t——传热时间，s；

T₂-T₁——材料两侧的温差，K。

热阻是指热量通过材料层时所受到的阻力。由于当外界条件已定时，材料传导的热量取决于材料的导热系数与材料层厚度之比，故取其倒数作为热阻的定义：

式中　R——材料层热阻，（m²·K）/W；

d——材料层厚度，m；

λ——材料的导热系数，W/（m·K）。

导热系数与热阻都是评定材料保温隔热性能的重要指标。材料的导热系数越小，热阻值越大，材料的导热性能越差，保温隔热性能越好。

由于密闭空气的导热系数很小（在静态0℃时空气的导热系数为0.023），因此孔隙率大小对材料的导热系数起着非常重要的作用。一般情况下，材料孔隙率越大、表观密度越小，导热系数越小（粗大而连通的孔隙除外）；在相同孔隙率的情况下，材料内部粗大孔隙、连通孔隙越多，孔内空气会形成流通和对流，将使材料的导热系数增大；具有细微而封闭孔材料的导热系数比具有较粗大或连通孔材料的小。由于水的导热系数较大（0.58），冰的导热系数更大（2.33），所以材料受潮或冰冻后，绝热性能会受到严重的影响。

为实施建筑节能，在相关标准和规范中，对建筑围护结构传热系数和热惰性指标均有明确规定。这两项规定数值，都须按已知材料的导热系数和材料层热阻来计算得出。

（2）热容量　材料容纳热量的能力称为热容量，其大小用比热容表示。比热容指单位质量的材料，温度每升高（或降低）1K时吸收（或放出）的热量。用公式表示如下：

式中　C——材料的比热容，J/（g·K）；

Q——材料吸收（或放出）的热量，J；

m——材料的质量，g；

T₂-T₁——材料升温（或降温）前后的温度差，K。

比热容大的材料，本身能吸入或储存较多的热量，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时缓和室内的温度波动。作为墙体、屋面等围护结构材料，应采用导热系数小、热容量适中的材料，这对维护室内温度稳定、减少热损失、节约能源起着重要作用。几种典型材料的热工性质指标见表2.2。

表2.2　几种典型材料的热工性质指标

比热容最大的材料是水，因此沿海地区的昼夜温差较小，蓄水的平屋顶能使室内冬暖夏凉。

通常把防止内部热量散失称为保温，把防止外部热量的进入称为隔热，将保温隔热统称为绝热。并将导热系数λ≤0.175的材料称为绝热材料。

（3）热变形性　材料的热变形性是指材料处于温度变化时出现膨胀或收缩的现象。由于同一材质、同一体形的材料，因温度所引起的热胀或冷缩，在单位温度下其绝对值是相等的，所以用热膨胀系数作为热变形性的指标。

材料的热膨胀系数，是在单位温度下材料因温度变化发生胀、缩量的比率，多以长度计，热膨胀系数有体膨胀系数和线膨胀系数。对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下，长度的增加量与原长度的比值，这就是线膨胀系数。线膨胀系数的表达式如下：

式中　α——材料在常温下的平均线膨胀系数，1/K；

ΔL——线膨胀或线收缩量，mm或cm；

L——材料原来的长度，mm或cm；

T₂-T₁——材料升温或降温前后的温度差，K。

建筑工程一般要求材料的热变形性不要太大，对于金属、塑料等热膨胀系数大的材料，因温度和日照都易引起伸缩，成为构件产生位移的原因，在构件结合和组合时都必须予以注意。在多种材料复合使用时，应充分考虑材料的热变形性，尽量选用线膨胀系数相近的材料，以避免材料间产生较大的温度应力出现开裂破坏。

（4）耐燃性和耐火性　材料对火焰或高温的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火、建筑结构耐火等级的一项重要因素。我国相关规范把材料按耐燃性分为非燃烧材料（如钢铁、砖、石等）、难燃材料（如纸面石膏板、水泥刨花板等）和可燃材料（如木材、竹材等）。在建筑物的不同部位，根据其使用特点和重要性可选择不同耐燃性的材料。

耐火性是材料在火焰或高温作用下，保持其不被破坏、性能不明显下降的能力。用其耐受时间（h）来表示，称为耐火极限。要注意耐燃性和耐火性概念的区别，耐燃的材料不一定耐火，耐火的一般都耐燃。如钢材是非燃烧材料，但其耐火极限仅有0.25h，故钢材虽为重要的建筑结构材料，但其耐火性却较差，使用时须进行特殊的耐火处理。