营口天瑞新型建筑材料有限公司  贾恩荣

 一、概述：

当今世界的三大问题是人口、资源和环境问题。资源问题又以能源为首要问题。经济的发展，依赖于能源的发展，需要能源提供动力。我国是能源相对缺乏的国家，随着经济建设的高速发展，能源短缺将成为制约国民经济发展的重要因素。由此可见，我们要使经济得到可持续发展，非要依赖于节能不可。而建筑耗能又占总耗能的30%以上，因此，自上世纪70年代至今建筑节能在世界上蓬勃兴起，成为大家共同关心的热点。由于建筑材料及建筑保温材料是实现建筑节能最基本的条件，我国加大在此方面的重视。在建筑物的围护结构中，不论是商用建筑还是民用建筑，逐步推广使用轻质高效的玻璃棉、岩棉、泡沫塑料等保温材料，以尽可能降低建筑物的能耗。由于建筑节能制约建筑可持续发展，开发研制新型环保复合保温材料对降低建筑能耗有着不可低估的作用。节能本身又是无污染的能源，而研制开发新型环保复合保温材料是节约能源的重要手段之一。

建筑节能不仅仅依赖建筑节能法规的颁布执行，它的实现还涉及一个庞大的产业群体，其中保温隔热材料与制品是影响建筑节能一个重要的影响因素。建筑保温材料的研制与应用越来越受到世界各国的普遍重视，新型保温材料不断涌现。从建筑保温材料的材质和品种上看，国内外对以聚苯乙烯为主要原料的保温材料研究相对广泛，但绝大部分都是在板材领域，如聚苯板、钢丝网架夹芯复合内外墙板、金属复合夹芯板等。虽然聚苯板作为保温材料在使用中具有良好的保温效果，但由于板材的特点使得聚苯板在施工中与主体联接时以点固定为主、面固定为辅，板材之间要进行必要拼接、粘接，不适应外形较复杂的建筑物的保温，施工工艺较复杂，综合成本高。同时由于聚苯板的憎水性与常规的亲水性材料不适应，导致其面层以外的后续施工质量不易保证，容易出现面层砂浆开裂、脱落、空鼓等质量问题，因此对建筑物的外装饰如面砖、涂料的使用或施工构成了很大的制约。不定型的发泡浆体保温材料可以克服板材类的这些不足，因此其构成了建筑保温隔热材料的重要组成部分。

欧美等发达国家在浆体保温材料的研究与应用方面起步较早，技术较为成熟，在研究和应用上已卓有成效。目前，发达国家在浆体保温材料研制开发方面是以轻质多功能复合浆体保温材料为主。此类浆体保温材料的各项性能较传统浆体保温材料明显提高，如具有较低的导热系数和良好的使用安全性及耐久性等。同时这类复合浆体保温材料又具有优异的功能性，如无氟里昂阻燃型聚氨酯泡沫复合浆体保温材料、超轻质全憎水硅酸钙浆体保温材料等，可以满足不同使用条件的要求。此外，国外非常重视保温材料工业的环保问题，积极发展“绿色”保温材料制品，从原材料准备（开采或运输）、产品生产及使用，以及日后的处理问题，都要求最大限度地节约资源和减少对环境的危害。保温材料工业是国外资源重新回收利用的一个很成功的典型，它节约了自然资源，降低了废弃物流动环境的压力，同时在生产过程中消耗较少的能量。例如美国十分鼓励在保温材料工业中大量使用可再回收利用的原料，美国环境保护总局（EPA）规定了如果想要获得超过10000美元联邦基金的资助，建筑工程中选用保温材料所含最低回收利用成分必须达到规定标准。

我国的保温材料目前正处于发展调整时期，虽然取得了一些可喜的进步，但总体上技术水平落后，尤其浆体保温材料的研究开发方面，更是相对落后。目前我国大量应用在土建工程上的浆体保温材料仍然是以传统单一浆体保温材料为主，其导热系数偏大，吸水率很高，抗裂性、耐候性差，施工时需多次成活，施工效率低下，保温砂浆为现场配制，其质量不易控制，应用有很大局限性。另外，中国作为一个发展中的大国，工农业正呈现出蓬勃发展的新局面，因此我国和其他发展中国家一样面临环境污染日益加剧的问题。所以，如何利用工业的废弃物开发出性能优异的保温材料实现节能降耗、节约资源、减少环境污染，是当前我国浆体保温材料研究的热点，是适合中国国情的保温材料研究方向。

其具体研究内容包括以下几个方面：

（1）以废弃的EPS颗粒为主并配有部分优质纳米型膨胀珍珠岩作为保温骨料。从保温骨料的粒径、级配、孔隙率及孔结构入手，最大程度地降低材料的导热系数，增强材料的保温效果。

（2）对EPS颗粒进行合理改性，克服EPS亲水性差缺陷，确保与无机材料的有效复合，实现对废弃EPS的再利用。

（3）优选其他原材料，并通过实验运用数理统计的理论数据和方法确定最佳配合比。

（4）对所选用研制的材料性能机理进行深入分析。

本课题是以硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，配有适量的复合纤维，充分利用EPS耐化学腐蚀性优良，不吸水，韧性大，抗裂性好等特点，开发一种导热系数小、防火不燃、低碳环保、施工便捷、安全可靠的粉体散状、适量加水搅拌呈膏状可喷涂可涂抹的新型保温材料。

二、课题研究意义

本论文从建筑保温节能的观点出发，针对我国北方地区，尤其是部分夏热冬冷地区的气候条件而研制的一种具有保温性能好、相关技术性能优良、施工方便、成本低、便于推广等优点的高性能环保复合发泡体保温材料。该材料的成功研制及推广必将对我国建筑节能事业的发展，产生一定的带动作用，具有重要的现实意义。

三、建筑传热过程理论研究基础

（一）建筑传热过程

建筑物的房间是借助围护结构而与外界环境隔开，并通过房间采暖和空气调节在室内创造出一定的热湿环境和空气条件。但建筑物在实际的使用过程中其内部的热力系统要受到室外的空气湿度、温度、太阳辐射强度、风向、风速以及临室空气温湿度等外扰因素影响。这些因素以通过热交换和通过空气交换两种方式影响室内的热湿状态。通过热交换是指周围空气温度及太阳辐射都会通过不透明的板壁围护结构和半透明的门、窗、玻璃等向房间进行热交换，以及太阳辐射透过半透明的玻璃向房间射入辐射热等。建筑的板壁围护结构主要指：外墙、屋顶等围护结构，地面、内墙等围护结构和外窗、外门等。外扰通过板壁围护结构的热传递过程，不论是以导热还是以辐射形式进行，不论是立即影响到室内还是逐渐影响到室内，都是首先作用到围护结构的内表面使其温度发生变化，然后再以对流形式与室内空气发生热交换，从而影响室内的热环境。

（二）建筑传热方式

传热是热量从高温区向低温区自发的流动，是一种由温度差引起的能量转移现象。自然界里，无论在任何一种介质内部，还是在两种介质之间，只要有温度差存在就会出现传热过程。

导热，是依靠物体内分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在宏观上物体各部分无相对位移的热传递现象。在固体、液体和气体中均可发生，但在地球重力场的作用范围内，单纯的导热过程只会发生于密实的固体中。对于墙体导热主要发生在材料内部。

热对流，是依靠流体分子的随机运动和流体整体的宏观运动，将热量从一处传到另一处的现象。主要发生在液体和气体中，但在多孔性的固体绝热材料中，孔隙内的气体也会发生对流传热。在传热和绝热工程中，对流传热须与固体壁发生接触才能完成，因此存在流体与固体壁接触的换热现象。当流体经过物体表面时，只要二者存在温度差，即有换热现象出现。在壁面附近，由于流体的速度很低，热量的传递主要是通过分子的随机运动来实现，可以将其看作是导热和对流同时存在的过程。对于墙体，热对流主要发生在墙内表面与室内空气换热和墙外表面与室外对流换热。

热辐射，是依靠物体表面对外发射电磁波而传递热量的现象。任何物体，只要其温度大于绝对温度都会对外辐射能量，并且不需要直接接触和传递介质，当辐射电磁波遇到其他物体时，将有一部分转化成热量。物体的辐射随着温度的升高而增大，当两物体存在温差时，由于辐射力的差异，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，其结果为热量从高温物体传递给低温物体。对于墙体，发生热辐射与发生热对流是同时进行的。

从建筑传热的角度出发，除考虑墙体所起的作用，还必须考虑居住舒适性。分两种情况：一是冬季墙体的保温。冬季为了保持室内的温度，室内的温度必须大于室外的温度。此时墙体的散热是在室内温度不随时间变化的条件下进行的，因而称之为稳定传热，稳定传热对墙体材料的保温性要求高。其二，是夏季墙体的隔热。由于室外温度随时间变化，作用于墙体通过传热而使室内温度也随之变化，故称之为不稳定传热。为了使室内温度不升高，对墙体材料的隔热性要求高。

本课题主要针对北方寒冷地区的建筑保温而提出的，因此主要是以稳定传热为基础。

（三）墙体的稳定传热

（1）墙体内表面吸热

由于室内的温度大于室外的温度，室内的热量通过墙体向室外传递时，必然形成室内温度、墙体内表面温度、墙体自身温度、墙体外表面温度及室外温度依次递减的温度状态。墙体内表面向外侧传热的同时必须从室内空气中得到相等的热量，否则就可能保持墙体内表面温度的不稳定。在这一过程中，既有与室内空气的对流换热，同时存在内表面与室内空间各相对表面的辐射换热。

总之，墙体传热热阻R越大，通过墙体所传出的热量就越少。墙体的传热热阻与传热系数互为倒数关系，因此传热系数和传热热阻都是衡量墙体在稳定传热条件下的重要热工指标。

（四）墙体的不稳定传热

建筑物在自然条件下使用，其实际气候因素的变化都近于周期性，如春夏秋冬的变化、昼夜的交替，以及固定的某段时间气候变化因素等，都可以认为是周期性的热作用。在周期性热作用中，最简单、最基本的是简谐热作用，即温度随时间呈正弦函数或余弦函数的规律变化。在简谐热作用下，材料和墙体内部温度的分布、温度波波幅的衰减程度以及相位的延迟多少，都与所选的材料、构造情况和边界条件有直接的关系。其中蓄热系数是一个主要的指标，建筑材料在周期性波动的热作用下，均有蓄存热量和放出热量的能力，借以调节材料层表面温度的波动。在实际的工程实践中，墙体的厚度是有限的。在此情况下，材料层受到简谐温度波作用时，其表面温度的波动与各构造层组成材料的热物理性能有密切关系。由此可见，墙体阻止热量的传递很大程度上依赖于组成墙体材料的保温性。

（五）材料的绝热性

绝热就是最大限度的阻抗热量的传递。所以，就要求绝热材料须具有较小的导热系数、换热系数和辐射换热系数，或由绝热材料组成的绝热层具有较高的热阻值。

从以上分析的导热机制上看，材料的导热系数主要受下列因素影响：

1、材料的组成与结构

有机高分子材料的导热系数小于无机材料。无机材料中，非金属的导热系数小于金属材料；气态物质的导热系数小液态物质，液态物质小于固体。

2、表观密度

表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。其体积既包括固体部分的体积又包括孔隙的体积。在低温状态下，孔隙中的气体可以看作是无对流的静止气体，仅有导热，没有对流换热。由于静止空气的导热系数比固体的导热系数小，所以，随着孔隙率的提高或表观密度的降低，其导热系数变小。

由以上我们可以看出，材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降低的。当表观密度小于某一个临界值后，由于孔隙率太高，空隙中的空气开始产生对流，同时由于气体对热辐射的阻抗能力很低，如果孔隙率过高，辐射传热也相应加强，这时材料的总传热系数反而增大。

对于多孔绝热材料，只有当材料导热系数λ、对流换热系数αw和辐射换热系数αξ三者之和最小时，才具有最低的绝热性能。此时材料的表观密度，称为最佳密度。

3、孔隙的大小与特性

在表观密度相同的条件下，孔隙的尺寸越小，导热系数越小。当孔径小至一定尺寸后，空气将完全被气孔壁吸附，孔隙接近于真空状态，导热系数降到最小。当孔隙体积大到一定程度，孔隙内部空气出现对流，导热系数变大。对于相同孔隙率和孔径尺寸，当孔隙彼此连通时，导热系数较大；当孔隙彼此密封时，导热系数较小。

4、湿度

水中的导热系数比静止空气的导热系数大得多，因此，材料的孔隙吸水后或材料的平衡含水率提高，导热系数相应增大。

5、热流方向

如果材料是各向异性的，则在不同方向上的导热系数也各不相同，甚至差别很大。所以，为降低材料的导热系数必须尽可能的减小热流方向性的影响。

6、温度

由于辐射传热的影响，多孔材料的导热系数一般随着温度的升高而增大。

但对于多孔固体材料的辐射传热，可以通过增加孔隙壁的数量来增大热阻。这与孔隙体积较小有利于防止对流传热是一致的。所以，材料的孔隙率越大，尤其是体积小而且封闭的孔隙越多，对降低材料的导热系数越有利。

通过以上对影响材料导热系数因素的分析可以知道，要使得材料的绝热性能提高可以通过以下途径获得：

1．尽量降低材料的表观密度，使其表观密度符合绝热最佳密度

2．尽量采用有机高分子材料和无定形的无机材料

3．在材料的表观密度尽可能达到绝热最佳密度时，应尽可能增加材料内部的孔隙数量，孔隙细小，呈封闭状态，通过孔隙壁对孔隙内的气体分子吸附作用，而使孔隙内能自由运动的气体分子数量尽可能小

4．材料中使用纤维时，应尽量减小纤维的直径，避免形成热流方向的不利影响

四、环保复合发泡体保温材料的特征要求

（一）保温材料的强度

本课题中提出保温材料强度与轻质的矛盾统一是需要解决的关键，也是研究的难点之一。本课题采用的思路如下：

（1）保温材料中的骨料，均采用孔隙率大的轻质材料，如EPS颗粒、纳米型膨胀珍珠岩等。所以骨料的自身强度很小，基本上起不到“骨架”作用。为此，保温材料的强度主要来自于无机胶凝材料。利用水化反应生成水化产物，形成由晶体和凝胶体组成的网状结构，充填骨料间的空隙并将保温骨料和其他材料胶结在一起，从而形成强度。

（2）然而无机胶凝材料与保温骨料存在亲和性问题。由于部分骨料表面的憎水性，使得两种材料相互排斥，因此要求通过对保温骨料的表面改性，确保骨料与胶凝材料粘接强度，充分发挥其弹性增强效果，为保温材料提供足够的抗拉及抗折强度。从而确保材料在使用中具备足够的抵抗外力破坏的能力。

（二）机喷RQW轻质复合保温材料的抗裂性能

无机胶凝材料虽然提供了强度来源，但本身存在收缩的性质，因此在材料中必须加入抑制收缩的组分。由矿物纤维为主要材料，加以增强添加剂及改性工艺制造而成的高强度特种微纤维，能够在保温材料中起到明显的抑制收缩，防止开裂的作用。超强丝表面的改性处理，使其同基料的结合力明显提高。而且掺入超强纤维能使材料内部裂缝碰到邻近的微纤维时立即被阻挡，因而防止了裂缝的扩大，提高了保温材料的断裂韧性，从而提高了保温材料的抗拉强度和因塑性收缩、温度应力、干缩等因素导致的裂纹的抗裂能力。同时可以改善保温材料的抗冻融能力，延长保温材料的使用寿命。

然而，实际工程中纤维往往因为分散问题而未能更好地发挥出阻裂、抗收缩的作用。因此，纤维的分散以及胶凝材料、保温骨料的均匀混合是本课题的难点之二。

（三）机喷RQW轻质复合保温材料的保温性

导热系数是评定保温材料优劣的一个重要指标，目前大多数无机浆体保温材料的导热系数偏高，或者单纯追求导热系数而影响其强度的获得。从理论上讲，孔隙多受力面积减小，强度下降，或轻质骨料的比例不当而影响胶凝材料强度的发挥，降低了整体强度。总之，在保证必要的强度下，能使导热系数减至最小，是本课题的难点之三。

（四）机喷RQW轻质复合保温材料的施工性

传统的水泥膨胀珍珠岩保温砂浆吸水率很大，施工时需多次成活，施工效率低下，保温砂浆为现场配制，其质量不易控制和保证。机喷RQW轻质复合保温材料必须克服传统保温砂浆存在的吸水性大、和易性差等问题，并具有良好的触变性能，涂抹省力，易于操作，施工性好，减少施工成活次数。同时对施工技术及施工工具要求较低，采用机械工艺喷涂更能显著提高施工效率，并且突破传统保温砂浆类现场配制质量不易控制的等缺陷。

（五）机喷RQW轻质复合保温材料的环保性

资源的合理利用，包括两个方面：既要充分发挥材料的可利用价值，又要注重材料开发的节能环保作用。以废弃聚苯乙烯颗粒为主要的保温骨料，将其加以回收利用，既有利于资源的可持续使用，又有利于治理“白色垃圾”净化生态环境。同时此材料生产过程中没有废气、废渣、废液的产生，生产工艺简单，噪音很小，不会影响工人的健康。材料中所使用的组分，要考虑到无刺激性和放射性，在生产、施工及使用过程中安全、无害。这也是开发新型保温材料的必要条件。

五、机喷RQW轻质复合保温材料的绿色评价

（一）简述

随着人们环保意识的不断加强，人们选择使用绿色产品的愿望越来越强烈。目前在全球的生产和消费领域已迅速形成了一股绿色浪潮。据专家们估计：在未来十年内，绿色产品有可能成为世界主要商品市场的主导产品。目前较权威的观点认为绿色产品是指在其寿命周期中通过采用先进的技术能经济地满足用户功能和使用性能的要求，同时实现节省资源和能源、减小或消除环境污染，且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的产品。

从绿色产品的定义可以看出，绿色产品由三个基本要素组成，即：

（1）产品的技术先进性。技术先进性是绿色产品设计和生产的前提。绿色产品强调在其寿命周期中采用先进的技术，从技术上保证安全、可靠、经济地实现产品的各项功能和性能，保证产品寿命周期全过程具有很好的绿色特性。

（2）产品绿色性。产品的绿色特性包括节能、降耗、环保和劳保四个方面的内容，它是通过在产品寿命周期的各个阶段中采取各种绿色措施，并实施严格管理来实现的。

（3）产品的经济性。经济性对绿色产品是必不可少的因素之一。一个产品若不具备用户可接受的价格，就不可能走向市场。从寿命周期的角度来看，产品成本应包括企业成本、用户成本和社会成本，即所谓的寿命周期成本。

总之，只有在产品寿命周期中将技术先进性、绿色性以及经济性融合为一个整体，才能获得真正的绿色产品。

（二）机喷RQW轻质复合保温材料的技术先进性

机喷RQW轻质复合保温材料中采用了特殊的EPS颗粒改性工艺，使废弃的EPS能够被大量利用，通过科学的使用外加剂和增强纤维使用材料的各项性能都达到目前国内同类产品的先进水平。传统的浆体保温材料，其吸水率很大，抗裂性，耐候性差，应用有很大的局限性，施工时需要多次成活，施工工率低下，且多为现场配制，其质量不易控制和保证。机喷RQW轻质复合保温材料充分利用EPS耐化学腐蚀性优良，不吸水，韧性大，抗裂性好等特点，采用特殊的技术工艺实现其与无机胶凝材料有效的复合，是一种导热系数小、施工方便、使用安全的粉体散状涂抹式保温材料。它的保温隔热性施工性好，可减少施工成活次数，提高施工效率。抗裂性，耐候性有显著提高，应用于外保温，突破传统保温砂浆现场配制，质量不易控制的缺陷。机喷RQW轻质复合保温材料是可喷可涂抹式保温材料，能与基体形成一个整体，不存在类似板材与墙体间形成的空腔；同时靠材料自身的高粘结性，能够彻底解决负风压对保温层的破坏。本材料以无机材料及耐腐蚀的EPS为主，自身耐老化性能好。使用时在保温层外面辅以抗裂砂浆和贴瓷、涂料等，减小了外界环境对保温层侵蚀破坏作用，因此本产品耐老化使用寿命长、维护费用低。

（三）机喷RQW轻质复合保温材料的绿色性

绿色性是指材料在整个寿命周期内对环境的综合影响。节能型浆体保温材料是以废弃的聚苯乙烯颗粒作为保温骨料的，因此使这些资源再生利用，同时减少“白色垃圾”对环境的影响，起到净化环境的作用。材料的生产工艺、设备简单，能耗低，而且生产基本是就地取材，运输能耗小。材料生产中很少采用不可再生和枯竭资源。

材料的生产具有工艺简单，对生产条件要求不高等特点，基本没有化学反应发生，不需要高温及燃料，没有“废渣”、“废液”、“废气”的排放。生产过程清洁，原材料中不含有对人体有害的组分，确保生产人员的安全。生产噪音小，不会影响生产人员身体健康及周边居民的正常生活。

（四）机喷RQW轻质复合保温材料的经济性

材料的经济性包括材料寿命周期成本和材料寿命周期效益两个方面。其中材料寿命周期成本可用LCCA（Life Cycle Costing Assessment）方法进行定量。LCCA可定义为：与产品整个寿命周期相关的所有内部资金和外部资金耗费的总和。

（五）机喷RQW轻质复合保温材料的综合评价

绿色建筑材料的科学和权威的定义目前仍在研究确定阶段。绿色建筑材料的概念来自于生态环境材料，其主要特征首先是节约资源和能源；其次是减少环境污染，避免温室效应与臭氧层的破坏；第三是容易回收和循环利用。作为生态环境材料一个重要分支，按其含义绿色建筑材料应指在材料的生产、使用、废弃和再生循环过程中以与生态环境相协调，满足最少资源和能源消耗，最小或无环境污染，最佳使用性能，最高循环再利用率要求设计生产的建筑材料。节能环保型浆体保温材料在其生产及使用过程中，最大程度的节约资源和能源，没有环境污染，具有技术先进性、绿色性、经济性的显著特点，因此属于绿色建筑材料的范畴。它的成功研制适应了当前社会对建筑产品的要求，对环境的保护做出了较大的贡献。随着节能环保型浆体保温材料的不断发展和完善，必将对环境材料的发展起到一个推动作用。

（六）机喷RQW轻质复合保温材料的施工工艺流程

该材料是一种浆体型保温材料，具有确定的施工工艺流程来保证使用安全。由于外墙的外饰面通常有涂料和面砖两种，所以保温材料的构造体系略有差别。 

六、结语

经过近几年的实例工程，近100万平方米的应用，保温效果良好，均能达到理论上的设计要求。目前建筑市场上用的保温材料，无论是有机保温材料，还是无机保温材料，都存在着自身一定的缺陷，有待不断创新与完善之处。再好的保温材料也必须结合规范的施工工艺和专业施工队伍相结合、相配套，精心设计，精心施工，才能彰显异采，从而就能真正达到国家提出的建筑节能相关标准的要求，达到安全、健康、绿色、环保的目的。