第12章土木工程材料_功能材料

第12章功能材料本章导学学习目的：本章主要介绍绝热材料及吸声材料的作用原理及基本要求。对常用品种只做简介。教学要求：通过学习了解这类材料的特点12.1吸声材料12.1.1吸声材料的作用及基本要求（一）材料的吸声性能声音来源于物体的振动，声音在传播过程中，一部分由于声能随着距离的增大而扩散，另一部分则因空气分子的吸收而减弱。当声波遇到材料表面时，大多数材料都有一定的吸声作用，材料吸声性能的优劣常用吸声系数表示。吸声系数（A）表示材料吸声性能大小的量值，是指声波遇到材料表面时被吸收的声能（E）与入射声能（E0）之比，用下式表示：A=E/E0假如入射能的60%被吸收，其余的40%反射，则该材料的吸声系数A就等于0.6。当入射声能（E0）100%被吸收，无反射时，吸收系数等于1。一般材料的吸声系数在0～1之间。材料的吸声特性除与声波方向有关外，尚与声波的频率有关，同一材料，对于高、中、低不同频率的吸声系数是不同的。为了全面反映材料的吸声性能，规定取125、250、500、1000、2000、4000Hz（赫兹）等六个频率的吸声系数来表示材料的频率特性，凡六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，称为吸声材料。材料吸声系数越高，吸声效果越好。吸声材料的种类是很多的，表12—1所列为常用的几种吸声材料。多孔材料是普遍应用的吸声材料，多孔性吸声材料具有大量内外连通的微孔，通气性良好，当声波入射到材料表面，很快顺着微孔进入材料内部，孔隙内空气分子受到摩擦和粘滞阻力，或使细小纤维作机械振动，而使声能转变为热能，这类材料吸声的先决条件是声波易于进入微孔，不仅材料内部，在材料表面上也应是多孔的。影响多孔吸声材料的吸声效果的主要因素是：1．材料的表观密度对同一种多孔材料（如超细玻璃纤维），当其表观密度增大（也孔隙率减小）时，对低频的吸声效果有所提高，而对高频效果有所降低。2．材料的厚度增加厚度可提高低频吸声效果，而对高频吸声无大影响。3．孔隙特征孔隙小效果好，粗大孔隙效果就差。如果材料中孔隙大部分为封闭气孔，因空气不能进入，就不能作为多孔吸声材料（如聚氯乙烯泡沫塑料），当材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，材料孔隙就被油漆或水分堵塞，吸声效果也大大降低。（二）选用吸声材料的基本要求为了保持室内良好音响效果，减少噪音，改善声波的传播，在音乐厅，电影院，大会堂，播音室及工厂噪音大的车间等内部的墙面，地面，天棚等部位，应适当选用吸声材料，选用时应注意如下要求：1．为了发挥吸声材料的作用，必须选择材料的气孔是开放的，互相连通的。开放连通的气孔越多，吸声性能越好。这与绝热材料有着完全不同的要求。同样都是多孔材料，但由于使用功能不同，则对气孔的要求不同，绝热材料希望是封闭的，不连通的气孔。2．尽可能选用吸声系数较高的材料，以求得到较好的技术经济效果。3．安装时应考虑到减少材料受碰撞的机会和因吸湿引起的胀缩影响，因为多数吸声材料强度较低，多孔吸声材料吸湿性较大。12.1.2常用的吸声材料名称厚度（cm）表观密度（kg/m3）各频率下的吸声材料装置情况125250500100020004000粉刷在墙上1石膏砂浆(掺有水泥、玻璃纤维)2.20.240.120.090.300.320.83喷射在钢丝网板条上，表面滚平，后有15cm空气层2石膏砂浆(掺有水泥、石棉纤维)1.30.250.780.970.810.820.85贴实3水泥膨胀珍珠岩板23500.160.460.640.480.560.56贴实4矿渣棉3.138.02102400.100.350.210.650.600.650.950.750.850.880.720.92贴实5沥青矿渣棉毡6.02000.190.510.670.700.850.86贴实6玻璃棉5.05.0801300.060.100.080.120.180.310.440.760.720.850.820.99贴实超细玻璃棉5.015.020200.100.500.350.800.850.850.850.850.860.860.860.807酚醛玻璃纤维板(除去表面硬皮层)8.01000.250.550.800.920.980.95贴实8泡沫玻璃4.012600.110.320.520.440.520.33贴实9脲醛泡沫塑料5.0200.220.290.400.680.950.94贴实10软木板2.52600.050.110.250.630.700.70贴实11木丝板3.00.100.360.620.530.710.90钉在木龙骨上，后留10cm空气层12穿孔纤维板(穿孔率5%，孔径5mm)1.60.130.380.720.890.820.66钉在木龙骨上后留5cm空气层13胶合板（三夹板）0.30.210.730.210.190.080.12钉在木龙骨上，后留5cm空气层14胶合板0.30.600..380.180.050.050.08钉在木龙骨上，后留10cm空气层15穿孔胶合板(五夹板)(孔径5mm，孔心距25mm)0.50.010.250.550.300.160.19钉在木龙骨上，后留5cm空气层16穿孔胶合板(五夹板)(孔径5mm，孔心距25mm)0.50.230.690.860.470.260.27钉在木龙骨上，后留5cm空气层但在空气层内填充矿物棉17穿心胶合板(五夹板)(孔径5mm，孔心距25mm0.50.200.950.610.320.230.55钉在木龙骨上，后留10cm空气层，填充矿物棉18工业毛毡33700.100.280.550.600.600.59张贴在墙上19地毯厚0.200.300.50铺于木格栅楼板上20帷幕厚0.100.500.60有折叠、靠墙装置21木条子0.250.650.664cm木条，钉在木龙骨上，木条之间空开0.5cm，后填2.5cm矿物棉12.2绝热材料12.2.1绝热材料的作用及基本要求绝热材料是指防止建筑物和暖气设备（如暖气管道等）的热量散失，或隔绝外界热量的传入（如冷藏库等）而选用的材料。本节主要讨论建筑用绝热材料。在任何介质中，当两处存在着温度差时，在这两部分之间就产生热的传递现象，热能将由温度较高的部分转移至温度较低的部分。如房屋内部的空气与室外的空气之间存在着温度差时，就会通过房屋外围结构，主要是外墙、门窗、屋顶等产生传热现象。冬天，由于室内气温高于室外气温，热量从室内经围护结构向外传递，造成热损失。夏天，室外气温高，热的传递方向相反，即热量经由围护结构传至室内而使室温提高。为了保持室内有适于人们工作，学习与生活的气温环境，房屋的围护结构所采用的建筑材料必须具有一定的保温隔热性能，在冬天不至使热量从室内向外传递，在夏天不致使热量从室外向室内传递。围护结构保温隔热性能好，可使室内冬暖夏凉，节约供暖和降温的能源，据统计可节省能源消耗25～50%，因此合理使用绝热材料具有重要的节能意义。材料的导热系数是衡量材料保温隔热性或绝热性的主要指标，导热系数越小，则绝热性愈好。影响材料导热系数的因素，如第一章所述，主要是材料的化学组成、结构、孔隙率与孔隙特征、含水率及介质的温度，其中以孔隙率（或表观密度）与含水率的影响最大。同类材料，其导热系数可根据表观密度来确定，表观密度愈小，导热系数也愈小，许多材料建立了λ=f(γ0)形式的经验公式。材料的含水量增大，导热系数也随之增加，至于材料含水量大小则应根据材料在房屋围护结构中实际使用的条件来估计。实际使用条件包括当地的气候条件，房间的使用性质、房间的朝向和围护结构的构造方式等。对多数绝热材料，可取空气相对湿度为80～85%时，材料的平衡含水率作为参考值，对选用的材料作导热系数测定时，也尽量在此条件下进行。对绝热材料的基本要求是导热系数不大于0.23W/(m•K)，表观密度不大于600kg/m3，而抗压强度大于0.3MPa。在建筑工程中绝热材料主要用于墙体和屋顶的保温绝热以及热工设备，热力管道的保温，有时也用于冬季施工的保温，在冷藏室和冷藏设备上也普遍使用。在选用绝热材料时，应综合考虑结构物的用途、使用环境温度、湿度及部位、围护结构的构造，施工难易程度、材料来源、技术经济效益等。12.2.2常用的绝热材料（一）无机绝热材料1、纤维状材料无机绝热材料是矿物材料制成的，呈纤维状、散粒状或多孔构造，可制成片、板、卷材或壳状等型式的制品。无机绝热材料的表观密度较大，但不易腐朽，不会燃烧，有的能耐高温。纤维状材料是以矿棉，玻璃棉或石棉为主要原料的产品，由于不燃，吸音，耐久，价格便宜，施工简便而广泛用于住宅建筑和热工设备的表面。1）矿棉及矿棉制品矿棉是用岩石（玄武岩）或高炉矿渣的熔融体，以压缩空气或蒸汽喷成的玻璃质纤维材料。前者称为岩石棉，后者称为矿渣棉，它们的生产工艺和成品性能相近，所以统称为矿物棉或矿棉。矿棉的表观密度与纤维直径有关，如一级品的矿渣棉在19.6KPa压力下表观密度在100kg/m3以下，导热系数小于0.044W/(m•K)。岩石棉最高使用温度为700℃，矿渣棉为600℃。矿棉使用时易被压实，多制成8～10mm的矿棉粒填充在坚固外壳（如空心墙或楼板）中。矿棉毡是在熔融体形成纤维时，将熔融沥青喷射在纤维表面，再经加压而成。矿棉毡表观密度为135～160kg/m3，导热系数为0.048～0.052W/(m•K)，最高使用温度为250℃，适用于墙体及屋面的保温。用酚醛树脂为粘结剂成型的矿棉板，表观密度小于150kg/m3，导热系数低于0.046W/(m•K)，抗折强度为0.2MPa。板的耐火性高，吸湿性小，可代替高级软木板用于冷藏库及建筑物的隔热2）玻璃棉及其制品玻璃纤维是由玻璃熔融物制成的纤维，其中短纤维（150mm以下）组织蓬松，类似棉絮，常称作玻璃棉。玻璃棉表观密度为100～150kg/m3，导热系数低于0.035～0.058W/(m•K)。最高使用温度，含碱玻璃棉为300℃，无碱玻璃棉为600℃。与矿棉相似，也可制成沥青玻璃棉毡和酚醛树脂玻璃棉板。玻璃棉制品可用于围护结构的保温。2、粒状材料粒状绝热材料主要有膨胀蛭石和膨胀珍珠岩。1）膨胀蛭石及其制品蛭石是一种天然矿物，在850～1000℃的温度下煅烧时，体积急剧膨胀，单个颗粒的体积能膨胀5～20倍，蛭石在热膨胀时很像水蛭（蚂蝗）蠕动，因而得名。煅烧膨胀后为膨胀蛭石。膨胀蛭石的主要特性是：堆积密度80～200kg/m3，导热系数0.046～0.070W/m•K，可在1000～1100℃温度下使用，不蛀，不腐，但吸水性较大，膨胀蛭石可以呈松散状，铺设于墙壁，楼板，屋面等夹层中，作为隔热，隔声之用。使用时应注意防潮，以免吸水后影响隔热效果。膨胀蛭石也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合，浇制成板，用于墙体，楼板和屋面等构件的隔热。水泥制品通常用10～15%的水泥，85～90%的膨胀蛭石（按体积计），用适量的水经拌和、成型和养护而成。制品的表观密度为300～400kg/m3，相应的导热系数为0.08～0.10W/(m•K)，抗压强度0.2～1MPa，耐热温度600℃。水玻璃膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石、水玻璃和适量氟硅酸钠（Na2SiF6）配制而成，其表观密度为300～400kg/m3，相应的导热系数为0.079～0.084W/(m•K)，抗压强度为0.35～0.65MPa，耐热温度为900℃。2）膨胀珍珠岩其制品膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩煅烧膨胀而得，呈蜂窝泡沫状的白色或灰白色颗粒，是一种高效能的绝热材料。具有表观密度小，导热系为数低，低温绝热性好，吸声强，施工方便等特点。建筑上广泛用于围护结构，低温及超低温保冷设备，热工设备等处的保温绝热。也用于制作吸声材料。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配合适量胶凝材料（如水泥、水玻璃、沥青、磷酸盐等），经过搅拌、成型、养护，（干燥或焙烧）而制成的具有一定形状的板、块、管、壳等制品，水泥膨胀珍珠岩制品表观密度为300～400kg/m3，导热系数为0.058～0.087W/(m•K)，抗压强度为0.5～1.0MPa。为水玻璃胶结材料可获得表观密度和导热系数更低的膨胀珍