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建筑用保温材料现状及发展趋势

2020-05-27

近年来,建筑外保温材料在既有建筑节能改造和新节能型建筑中发挥了重要作用。然而,部分建筑外墙因使用易燃的有机保温材料导致建筑火灾频发,引发诸多社会安全问题。最近几年针对外墙保温材料的各种规范修订逐步升级,《建筑设计防火规范》GB 50016-2014(2018年版)、《促进绿色建材生产和应用行动方案》等,都对建材的阻燃性、环保性做出了要求。一般设计要求,人员密集场所的商用公共建筑,超过一定高度的住宅楼,其外墙外保温材料的燃烧性能应为A级。常见的A级建筑保温材料

我国在建筑行业的节能保温方面起步较晚,在众多技术方面虽然已有提高,但相比于其他发达国家仍有显著差距。因此,我国未来建筑绝热节能材料的发展要在适应本国建筑的基础上,引进国外的先进技术和节能保温材料,研发出适合我国国情的建筑保温材料,提高我国建筑保温性能。未来,我国建筑绝热节能材料必须要适应各地的建筑行情,提高外墙保温技术,积极开发新型保温材料,以此来降低能耗,提高建筑寿命。

02、建筑保温材料选择的原则

建筑能耗的高低与其自身的保温性能有着较为密切的关联,保温性能好的建筑能耗要明显低于保温性能差的建筑。为此,在建筑设计中,应当合理选择保温材料,以此来实现节能降耗的目标。建筑保温工程设计人员在选择建筑材料时,除必须考虑满足建筑节能要求和墙体保温系统性能及节能效果持久性能的要求外,同时还应考虑使用的目的、使用部位、施工方法、性能指标等各种因素,以满足各类工程需要。选择时可参考以下内容:

1)足够的强度;

2)足够的化学稳定性;抗冻性,可以抵御低温的侵袭;抗风化能力;

3)阻燃、不燃性能,满足建筑防火要求;

4)吸水率低或不吸水;

5)较长的使用寿命;

6)良好施工性、施工过程不会破坏或降低保温性能;

7)无毒无害,性价比高、环境友好的绿色建材。

03、常见建筑保温材料

3.1 建筑节能保温材料

1)矿渣、粉煤灰和页岩空心砖

矿渣、粉煤灰和页岩空心砖等,是建筑行业常用的墙体主材,主要采用工业废料制备,其价格低,作为建筑围护结构,能够起到节约资源、保护生态环境的作用。这几种建筑材料具备强度高、承载压力强等优势,但其抗震能力较差,隔热保温效能比实心粘土砖效果更好,已经成为国家建筑部门首先推荐的产品。

2)加气混凝土砌块

加气混凝土砌块是一种轻质多孔、保温隔热、防火性能良好、可钉、可锯、可刨和具有一定抗震能力的新型环保建筑材料,广泛使用于高层框架结构建筑中,也被运用在由砖墙组成的复合型墙体中。这种材料所做成的墙体砖块能够有效地节省一半能源。这种砖块在我国的保温墙材建筑中是隔热效果和保温效果都很好的材料之一。

3)岩棉板

岩棉板一般是由玄武岩、辉绿岩等原料,在加入一定辅助料的作用下,经高温熔融,用离心法制成纤维,然后经过一定处理形成均匀毛毡,再经过固化、压制、切割等工艺形成的岩棉制品。这种保温材料质轻,具有良好的保温隔热、隔声、防火、耐腐蚀等性能,燃烧性能等级可达A1级。岩棉板一般用于建筑外墙外保温,常见于石材幕墙等后侧墙体保温,在建筑保温领域具有非常广阔的市场前景。

4)泡沫陶瓷

泡沫陶瓷是一种绿色环保建筑材料,具有保温防潮、耐高温、防火阻燃的性能。泡沫陶瓷一般可以分为两类,即开孔(网状)陶瓷材料和闭孔陶瓷材料,这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料;孔隙在2~50nm之间的为介孔材料;孔隙在50nm以上的为宏孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%~95%之间,使用温度为常温~1600℃。

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3.2其他保温隔热材料

1) 胶粉聚苯颗粒保温浆料

胶粉聚苯颗粒保温浆料是由胶粉聚苯颗粒轻骨料和一些聚合物胶粉混合形成的,这种材料的强度比较高,不燃,和易性(指新拌水泥混凝土易于搅拌、运输、浇注、捣实等工序施工操作并能获得质量均匀、成型密实的性能,其含义包含流动性、粘聚性及保水性,也称混凝土的工作性)较好,通过加水和搅拌之后,会出现很强的粘聚性,施工方便,保温效果较好,能被广泛接纳和使用。

2)无机玻化微珠保温浆料

无机玻化微珠保温浆料是以玻化微珠为轻质骨料与玻化微珠保温胶粉料按照一定的比例搅拌均匀混合,通过膨胀玻化微珠形成。它里面的结构呈现闭孔空腔结构。是用于建筑墙体内外保温的一种新型无机保温砂浆材料。这种砖材的表面在通过玻化封闭处理之后,会使得砖材的外表变得非常光滑,也会增强砖材性能的稳定性。该材料质轻,隔热效果好,即便是发生火灾也不会对这种材料造成破坏。近年来,这种材料在市场上广受欢迎。

3)泡沫玻璃保温板

泡沫玻璃保温板最早是由美国匹兹堡康宁公司发明的,是由碎玻璃、发泡剂、改性剂等,经细粉碎和均匀混合后,再经过高温熔化,发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料。它由大量均匀闭孔气泡结构组成,具有重量轻、导热系数小、吸水率小、不燃烧、不霉变、强度高、耐腐蚀、无毒、不会污染地基和地下水、无放射性、物理化学性能稳定等特点。泡沫玻璃保温板是一种新型的保温、不燃、吸声材料,使用寿命等同于建筑物使用寿命,符合《建筑绝热材料的应用类型和基本要求》的规定,是一种安全可靠、经久耐用的建筑节能环保材料。

04、新型建筑绝热材料及发展方向

所谓新型建筑绝热材料,主要是指采用对生态环境无破坏的材料制作的材料,以此来确保人与自然以及建筑和谐相处。而今,新型建筑绝热材料已经成为行业发展中的重要方向。

淘汰行业落后产能,提升建筑绝热节能材料行业整体技术水平和产品质量,将是今后的重点发展方向。越来越多建筑绝热节能材料的企业将通过工艺设计提升、精细化管理的名号举措,为节能行业提供高品质产品,向部品化、集成化转变,也将从单一的材料供应商转变为系统供应商、服务商。建筑绝热保温材料在向多元化、系统化、科学化、节能结构一体化、装饰及防火、施工便利化、安全环保、生命周期长的方向发展,多功能复合保温材料、轻质化保温材料、保温装饰一体化材料、绿色环保保温材料、防潮防水保温材料、真空绝热材料、相变材料和纳米孔保温材料等新型绝热材料逐渐在建筑市场崭露头角。

1)保温材料多功能复合化

面对建筑材料性能越来越高的标准,目前使用的建筑绝热节能材料在工程应用中或多或少存在不足之处,无法同时满足保温隔热、防水、防火等要求。未来建筑墙体保温材料的发展应能同时满足两种应用需求:其一,应具有常规保温功能,这是建筑墙体保温材料必须具备的基本功能;其二,具备防水性高、防火等级高、密度低、环保等优点,即需具备综合功能。为了克服建筑绝热节能材料性能的不足,企业纷纷研制轻质多功能复合保温材料,实现有/无机材料复合互补,实现材料/构造科学复合多功能化,使保温/防火/装饰复合达到一体化,促使建筑保温材料产品向多功能复合型发展。

总之,单一的有机材料或者无机材料较难完全满足市场的需求,可以将具有不同功能特点的保温材料经一定工艺复合,提升产品性能,以此来适应建筑节能新形势对我国外墙保温材料的新要求。

 2)保温材料轻质化

在同种材质下,保温隔热材料的密度越小,隔热效果越好。材料轻质化不会增加建筑围护结构的额外负担,降低了因结构负荷过大而造成开裂、渗漏的风险。

3)保温装饰一体化

保温装饰一体化板也叫节能保温装饰一体板,是指将保温材料与多种造型、多种颜色的金属装饰板材或无机预涂装饰板在工厂进行有机复合,实现产品的预制化、标准化、组合多样化、生产工厂化、施工装配化,达到保温与装饰功能于一体的目的。保温装饰一体化板是由粘结层、保温装饰成品板、锚固件、密封材料等组成。施工方案众多,不仅适用于新建筑的外墙保温与装饰,也适用于旧建筑的节能和装饰改造;既适用于各类公共建筑,也适用于住宅建筑的外墙外保温;既适用于北方寒冷地区的建筑,也适用于南方炎热地区建筑。

保温装饰一体化是建筑保温材料行业的未来发展方向之一,有很大的发展潜力和市场前景。

4)保温材料绿色环保化

近年来,粉煤灰、废旧泡沫塑料等废弃物回收再利用,在保温隔热领域得到了广泛推广。随着对这些降解难度大、处置成本高的废弃物的大力开发,资源得到了有效运用,环保又节能。近年来,对废弃物的处理及回收再利用上国家加大了扶持力度,尽量减少对天然矿物质的需求,采用废弃物为生产原料,成为未来保温材料的发展方向之一。如有机质发泡保温制品不再使用氟里昂、丙烷而是利用水为发泡剂;继续完善、开发日用废塑料制品为主要原料的建筑隔热保温制品,液态渣的矿棉生产技术等;开发以植物纤维为主要原料的纤维质保温材料;发展无石棉硅酸钙隔热保温制品。

5)绝热保温材料的防潮防水性能

防潮防水性能是绝热保温材料重要发展方向。材料吸水率是选用绝热材料时考量的一个重要指标,常温下水的导热系数是空气的23.1倍。绝热材料吸水后会大大降低其绝热性能,也会加速对金属的腐蚀,是十分有害的。保温材料的空隙结构分为连通型、封闭型、半封闭型等几种,除少数有机泡沫塑料的空隙多数为封闭型外,其他保温材料不管空隙结构如何,其材质本身都吸水,加上连通空隙的渗透吸水,故整体吸水率较高,因此对建筑保温材料的防水防潮要求十分严格。

6)高性能绝热材料的创新研发

研制绿色环保高效长寿命的绝热材料是另一重要发展方向。绝热材料在建筑中的应用类型及设计选用应符合GB/T 17369-1998《建筑绝热材料的应用类型和基本要求》的规定。选用时除应考虑材料的导热系数(导热系数不大于0.175W/(m·K))外,还应考虑材料的吸水率、燃烧性能、强度等指标。目前,用于建筑的高效绝热材料可分为纳米孔材料、相变材料、真空材料和反辐射材料四类。

(1)真空绝热材料

建筑用真空绝热板(Super-Slim Thinsulate Panel insulation board, STP板)是近年来发展起来的一种新型高效真空绝热材料,由填充芯材(如破璃纤维、气相二氧化硅和聚氨酯等)、气体阻隔膜和吸气剂组成。通过提高板内真空度来降低空气引起的热传递,使其导热系数可以达到 0.002W/(m·K)以下,为传统保温材料导热系数的 1/10,厚度仅为传统保温材料的 1/7~1/10,从而达到保温节能、节省空间的目的。

与传统建筑用保温材料相比,真空绝热板具有一定优势。但是作为一种新型保温隔热材料,真空绝热板在建筑上的应用还存在一些问题。真空绝热板应用的前提条件是要保证其真空度未被破坏,但作为建筑物保温隔热材料应用时,其力学性能差,表面易破损,需要进一步优化其力学结构。在建筑上应用时,其与墙体粘结的材料为铝箔玻璃纤维布,这种布耐酸耐碱但是非常光滑不容易与墙体粘结,再好的粘结砂浆与之结合都留有安全隐患,而产品的布边本身也是真空范围不得钉锚,所以特有的锚固技术随之诞生,增加了产品的安全系数,同时为重量大的饰面比如石材、面砖等能够上墙提供了可行的技术保障。STP使用寿命测试大多是在实验室进行,具体在建筑上应用时的寿命时间尚未得到实践验证,其使用寿命应小于建筑物的使用寿命。相对于传统的建筑用保温材料,真空绝热板不能任意裁剪,切割,否则会破坏其真空度,需要按照现场施工要求预先订制。真空绝热板的造价偏高,材料成本和制作成本都比普通的保温材料要高,这限制了其在建筑领域大规模地使用。

STP保温板适用于新建、扩建民用及公用建筑外墙与屋面的保温工程,尤其特别适用于既有建筑的节能改造工程。

(2)相变保温材料PCM

相变材料是在某一特定的温度下,能够从一种状态到另一种状态转变的物质,物质的分子迅速由有序向无序转变,同时伴随着吸热或放热现象。在建筑节能领域,正是通过与相变材料的复合,增加建筑物的温度调节能力,达到节能、保温和舒适的目的。

建筑用相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中,无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐知类、金属或合金类等;有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物;近年来,复合相变储热材料应运而生,它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点,又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。因此,研制复合相变储热材料已成为储热材料领域的热点研究课题。但是混合相变材料也可能会带来相变潜热下降,或在长期的相变过程中容易变性等缺点。

相变建筑材料也已经逐步进入了实用阶段,但还是存在很多问题。相变建筑材料保温隔热性能的测定是一个研究难点。相变传热本身具有非线性的特点,同时还伴有液相流动、体积变化、相变材料与器壁间热阻等复杂因素,使得对其热工性能的分析变得非常困难;PCM与基体材料的相容性、长期稳定性、结合形式都会对相变储能建筑材料的结构强度、应力变化等性能发生影响;相变储能建筑材料的使用需要考虑相变材料的种类,相变温度范围,与传统材料复合的百分比,使用区域的气候以及使用建筑物的结构等因素。相变储能建筑材料的热传递模型,各种构件和相变系统的设计等方面,仍然需要进一步研究。

(3) 纳米孔保温材料

运用新的纳米技术的保温材料是研究的主要方向。目前,已经出现几种新型保温材料,如纳米孔绝热材料、复合绝热材料石棉代用品、气凝胶等。纳米孔硅质保温材料就是纳米技术在保温材料领域新的应用,组成材料内的绝大部分气孔尺寸处于纳米尺度。随着纳米技术的不断发展,技术上的突破已为时不远。

气凝胶:气凝胶被称为“改变世界的神奇材料”、“保温绝热材料”、“超级海绵”。

气凝胶毡:气凝胶毡是以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料,通过特殊工艺复合而成的柔性保温隔热毡。

(4)反射材料——石墨聚苯板

石墨聚苯板是膨胀聚苯板的一种,是在聚苯乙烯原材料里添加了红外反射剂。这种物质可以反射热辐射并将EPS的保温性能提高30%,同时防火性能很容易地实现了B2级到B1级的跨越。

石墨聚苯板是目前保温材料中性价比较高的保温产品。因为聚苯板保温产品在保温领域里应用广泛,不论是欧洲还是国内,聚苯板保温体系都具有较大的市场份额。对低于54米的住宅建筑、低于50米的公共建筑、低于24米的幕墙式建筑,该保温材料的薄抹灰保温系统是可选方案之一。

05、总结与建议

建筑节能是节能减排的重点领域,墙体保温是建筑节能的重要组成部分,而绝热节能材料是构成墙体保温系统的重要基础。随着《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)及《民用建筑节能管理规定》的实施,建筑保温材料将得到广泛的应用。建筑绝热节能材料向价值链高端产品升级、重点研制低能耗高效绝热材料、改进产品质量、进行技术创新、着重解决用户的痛点、保护资源环境等方向发展。

应大力发展轻质高强、保温隔热、防火阻燃、耐久性强、绿色环保的新型保温板材,如目前在建筑外墙使用较少的真空绝热板、防火等级较高的纤维增强复合材料保温板、多功能复合保温板等。重点研制低能耗高效绝热材料,如气凝胶毡、石墨烯、防火隔离带绝热材料和保温装饰复合一体板等新一代的工艺技术和产品。在产品创新上走开发与复合并重的途径。复合的目标是密度轻、导热系数小,在不影响主要性能的前提下提高产品的强度与防水性能。在不影响最终产品质量的前提下,以保温材料废弃物为生产原料,发展循环经济,生产燃料尽量采用清洁能源,实现环保达标,绿色生产。

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