常用的绝热材料

11　绝热材料和吸声材料

(1)了解材料的绝热原理、影响材料绝热性能的主要因素及常用绝热材料的品种。

(2)了解材料的吸声原理、影响材料吸声性能的主要因素及常用绝热材料的品种。

11.1　绝热材料

土木工程中用于保温、隔热的材料统称为绝热材料，通常把导热系数小于0.23W/(m·K)的材料称为绝热材料。其中，保温材料是指用于控制室内热量外流的材料；隔热材料是指用于防止热量进入室内的材料。绝热材料可以减少建筑物与外部环境之间的热量交换，降低建筑物的能耗，对于保持室内温度稳定具有重要意义。因此，在提倡绿色建筑、节能减排的今天，绝热材料在建筑工程中作用不容小觑。

11.1.1　绝热材料的性质

不同材料的绝热性能不同，材料的绝热性能以导热系数λ为主要的技术评定指标。材料的导热系数越小，材料本身传递的热量就越少，导热性越差，因此，该材料的绝热性能就越好。材料的绝热性与λ值成反比。材料的导热性会同时受到多种因素的影响。

1)材料的性质

不同的材料的导热系数λ值是不一样的，一般情况下，金属类材料导热系数最大，其次是非金属材料，然后是液体，气体最小。而对于同一种材料，若内部的结构不同，导热系数也有一定差别，其导热系数从大到小依次是：结晶结构、微晶体结构、玻璃体结构。在实际应用中，可以通过改变材料的微观结构来降低材料的导热系数。

2)材料的表观密度与孔隙特征

表观密度越小的材料，孔隙率越大，导热系数越小。但在相同孔隙率的情况下，若孔隙的尺寸越大，由于对流作用的影响，使得导热系数也越大；相互连通的孔隙比封闭孔隙的导热性强。因此，对于表观密度很小的材料，正好相对应的是材料导热系数最小的情况下，如纤维状材料，当松散状的纤维被压实至某一个极限时，此时导热系数反而会增大。

3)湿度

绝热材料吸湿受潮后，含水量增大，导热系数也随之增大。因为受潮的材料中内部孔隙含有较多的水分，孔隙中水分子的热传导和蒸汽的蒸发作用起主要的导热作用。而水的导热系数(0.58W/(m·K))比空气的导热系数(0.023W/(m·K))大20多倍。若外界温度降低，孔隙中的水结成冰(2.20W/(m·K))，将使材料的导热性能更大，绝热性更差。因此，绝热材料使用时必须注意防水防潮。

4)温度

材料的使用环境温度升高时，材料的导热系数值随之增大，因为材料固体分子的热运动增加，孔隙中空气的导热和孔隙壁的辐射作用也随之增加，因此材料的导热性能随着温度的升高而增大。但事实上，当温度在0～50℃范围内，导热系数基本不变。唯有在高温或者负温下的材料，才应考虑温度的影响。

5)材料的热流方向

某些各向异性的材料，如木材等纤维状材料，当热流与材料的纤维方向平行时，热流受到的阻力越小，导热系数越大；相反，当热流与材料的纤维方向垂直时，热流受到的阻力就越大，导热系数就越小，材料的绝热性能就越好。

工程上选用绝热材料时，一般要求其导热系数不大于0.23W/(m·K)，表观密度小于600kg/m3，抗压强度不小于0.30MPa。因此，为了保证材料的绝热性能，应尽量选择导热系数较小的材料，另外还要保证材料具有良好的抗冻性、抗渗性、耐热性、耐水性、防火性等。优质的绝热材料要具备大孔隙率，且孔隙以封闭、细小的为主，绝热材料多为有机或无机的非金属材料。

11.1.2　常用的绝热材料

1)纤维状绝热材料

(1)岩矿棉及其制品

岩矿棉是岩棉和矿渣棉的统称，由熔融的天然岩石(白云石、花岗石和玄武岩等)经喷吹制成的纤维材料称为岩棉，由熔融的矿渣(各种工业矿渣，如铜矿渣)经喷吹制成的纤维材料称为矿渣棉。将矿棉与有机胶结剂结合可以制成矿棉板、毡、筒等制品。岩矿棉及其制品的特点：轻质、绝热、不易燃烧、吸声、电绝缘，成本低，常用作建筑物各部位的保温材料及热力管道的保温材料。

(2)石棉及其制品

石棉是一种比较常见的天然矿物纤维，其主要化学成分是含水硅酸镁，常见的石棉保温隔热材料有石棉粉、石棉板、石棉涂料和石棉毡等。石棉的抗拉强度高、耐火、耐高温、耐热、耐酸碱、绝热和电绝缘性好，常用于热表面的绝热工程和防火覆盖等。

(3)玻璃棉及其制品

玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃为主要原料，经高温熔融之后制成的纤维状材料。玻璃棉除可用作围护结构及管道绝热外，还可用作低温保冷工程材料。

(4)植物纤维复合板

植物纤维复合板是以植物纤维为原材料加入胶结料和填料制成的。如木丝板和甘蔗板分别是利用木材的下脚料和甘蔗渣作为原料，经过加工制成的保温隔热性材料。一般用于天花板、隔墙板或护墙板的保温隔热。

2)散粒状绝热材料

(1)膨胀蛭石及其制品

蛭石是一种含镁、铁和水铝硅酸盐的天然矿物，由云母类矿物经风化而成，具有层状结构。将天然蛭石破碎、预热后快速通过煅烧带，可使蛭石膨胀8～30倍，煅烧后的膨胀蛭石堆积密度为80～200kg/m3，导热系数为0.046～0.07W/(m·K)，可在最高温度为1000～1100℃的条件下使用。膨胀蛭石是一种良好的保温隔热性材料，可用胶凝材料(如水泥、水玻璃等)将膨胀蛭石胶结在一起制成膨胀蛭石制品，还可直接作松散填充材料，起保温隔热、隔音效果，但使用过程中应注意防水防潮。

(2)膨胀珍珠岩及其制品

膨胀珍珠岩是以天然珍珠岩等为原料，经过高温煅烧后得到的白色或灰白色的蜂窝状松散颗粒。膨胀珍珠岩的堆积密度为40～300kg/m3，导热系数为0.047～0.07W/(m·K)，最高使用温度可达800℃，最低使用温度为-200℃。膨胀珍珠岩除可用作填充材料外，还可与水泥、水玻璃、沥青、黏土等结合制成膨胀珍珠岩绝热制品。

3)多孔状绝热材料

(1)泡沫玻璃

在玻璃粉中加入1%～2%发泡剂(石灰石或碳化钙)配制而成的混合料经煅烧而形成的多孔材料称为泡沫玻璃。它是由大量的尺寸为0.10～5.00mm的封闭孔隙组成的，孔隙体积在泡沫玻璃中占总体积的85%～95%。泡沫玻璃的导热系数小、抗压强度高、防火、防水、抗冻性、耐久性好，便于进行机械加工，性能稳定，可用作砌筑墙体，天花板、地板、屋顶等保温材料，也可用于冷藏设备的保温材料。

(2)泡沫塑料

泡沫塑料是以各种树脂为基料，加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料，经加热发泡而制成的保温隔热性材料。目前常用的有聚苯乙烯、聚氯乙烯及聚氨酯等泡沫塑料。常用作复合墙板、屋面板的夹心层、冷藏设备的外包层等。

(3)微孔硅酸钙制品

微孔硅酸钙制品是以二氧化硅粉末(硅藻土)、石灰等材料经搅拌、成型、蒸压和干燥等工序制成的。常用于围护结构及管道保温。

4)有机绝热材料

(1)软木板

软木板是以栓皮、栎树皮、黄菠萝树皮为主要原料，破碎后与皮胶溶液拌合均匀，再加工成型制成的。软木板的特点：表观密度小，绝热性能好，抗渗、防腐蚀，常用于粘贴热沥青的裂缝，冷库的绝热处理等。

(2)蜂窝板

蜂窝板是在一层较厚的蜂窝状芯材，两面粘贴两块较薄的面板而制成的蜂窝夹层结构板。蜂窝状芯材是由浸泡过合成树脂的牛皮纸、玻璃布和铝片等经过加工而成的呈六角形蜂窝状的材料，厚度可根据使用要求不同采用不同的规格。而面板则是浸渍过树脂的牛皮纸、玻璃布或者不经树脂浸泡的胶合板、纤维板和石膏板等。在生产过程中，必须使用合适的胶黏剂，确保面板与芯材粘贴牢固，才能保证蜂窝板的保温隔热性能。蜂窝板具有比强度大、导热系数小、抗震性能好等特点。

(3)窗用绝热薄膜

又称为新型防热片，其厚度为12～50μm。主要用于建筑物窗户的绝热处理，起遮阳作用，将大部分阳光反射出去，并降低紫外线的穿透率，防止室内陈设物褪色，还能减低冬季热量损失，节约能源，增加美感等。

11.1.3　常用的绝热材料的性能

常用绝热材料的技术性能如表11.1所示。

表11.1　常用绝热材料的技术性能

11.2　吸声材料

几乎所有的材料对声音都有一定的吸收作用，只是吸收程度不同而已。习惯上把能较强吸收空气中传播的声能的材料称为吸声材料。在会议室、电影院、音乐厅等场所。若采用合适的吸声材料，能有效改善声波在室内的传播质量，减少噪音污染，并能保持良好的音响效果。

11.2.1　材料的吸声原理及影响因素

1)材料的吸声原理

声音的传播源于物质的振动。声源的振动使临近的空气随之振动而成为声波，并利用空气介质向四周传播，声音具有方向性，沿发射的方向最响。声波在传播过程中，若遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料传递到另一侧，其余部分则传递给材料并转化为其他能量(一般为热能)消耗掉。这些被消耗的能量E(包括部分穿透材料的声能)与原来传递给材料的全部声能E0之比，称为吸声系数α，它是评定材料吸声性能优劣的主要指标。即

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吸声系数α的大小与声音的频率及声音的入射方向等有关。因此吸声系数是以声音从各个方向入射的吸收平均值来表示的，而且需指出是对哪一频率的吸收。通常采用常规的6个频率，即125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz。实际上，所有材料的吸声系数均介于0至1之间，即每种材料都有一定的吸声能力，但不可能吸收所有的声能。一般将对上述6个频率的平均吸声系数大于0.20的材料列为吸声材料。

大部分吸声材料为疏松多孔的材料，如矿渣棉、毯子、玻璃棉等。多孔吸声材料有大量相互连通的开口孔及连续气泡，通气性好，当声波入射到材料表面时，声波能快速进入材料内部的孔隙，引起孔隙或气泡内的空气振动；由于摩擦作用，使相当一部分声能转化为热能并被吸收。多孔材料吸声的首要条件是声波能快速进入孔隙，因此吸声材料的内部和表面都应当是多孔的。多孔性吸声材料的吸声系数，一般从低频到高频逐渐增大，故对高、中频声音的吸收效果较好。

2)影响多孔性吸声材料吸声效果的因素

(1)材料的表观密度

同一种多孔材料(如泡沫玻璃)，当其表观密度增大(即孔隙率减小)时，对低频声音的吸声效果有所提高，但对高频声音的吸声效果则有所降低。

(2)材料的厚度

增加多孔材料的厚度，可以提高材料对低频声音的吸声效果，但对高频声音无多大影响。

(3)材料的孔隙特征

材料的孔隙越细小越多，吸声效果则越好；孔隙粗大的，效果都比较差。如果材料中的孔隙大多为不连通的封闭气泡(如聚氯乙烯泡沫塑料)，空气不能进入，则声波也不能进入，从吸声原理上看，已不属于多孔性吸声材料，故其吸声效果大大降低。当多孔材料表面涂刷油漆或受潮吸湿时，材料孔隙被水分或涂料所堵塞，则其吸声效果也将大大降低。

11.2.2　常用的吸声材料

建筑上常用的吸声材料及性能如表11.2所示。

表11.2　常用的吸声材料的性能

11.3　隔声材料

虽然吸声和隔声都是把声音的传播局限在某个范围内，但两者所用的材料却是不一样的。吸声性能好的材料，多是疏松、多孔的轻质材料，但不能把它们简单地当做隔声材料来使用。人们要隔绝的声音按传播途径可分为空气声(由于空气的振动)和固体声(由于固体的撞击或振动)两种。对空气声，根据声学中的“质量定律”，墙或板传声的大小主要取决于其单位体积质量(kg/m3)，质量越大，越不易振动，隔声效果越好。因此，必须选用密实、质量大的材料作为隔声材料，如黏土砖、钢板、混凝土和钢筋混凝土等。对固体声最有效的隔绝措施，是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和隔墙及楼板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料，或在楼板上加弹性地毯等。

复习思考题

1.填空题

(1)绝热材料包括________________材料和_________材料。土木工程中，常把导热系数小于_________的材料称为绝热材料

(2)优良的绝热材料是具有_________孔隙率，并以_________孔隙为主的吸湿性和吸水率较_________的有机或无机非金属材料。

(3)评定材料吸声性能优劣的主要指标是______________。

(4)建筑工程中，一般选用________、________的材料作为吸声材料。

(5)通常选用质量________的材料作为隔声材料。

2.简述题

(1)什么是绝热材料？在建筑上使用绝热材料有什么意义？

(2)影响材料导热系数的因素有哪些？

(3)在选用和安装吸声材料时应注意哪些问题？

(4)为什么不能简单地将一些吸声材料用作隔声材料？