第十一章其它工程材料

第十一章其它工程材料11.1绝热材料在建筑上，将主要作为保温、隔热使用的材料通称为绝热材料。把用于控制室内热量外流的材料叫做保温材料；把防止室外热量进入室内的材料叫做隔热材料。保温材料和隔热材料的本质是一样的，其标准术语为绝热材料。11.1.1导热性11.1.1.1传热方式有三种：传导、对流和辐射。“传导”是依靠物体内各部分直接接触的物质近质点（分子，原子，自由电子等）作热运动而引起的热能传递过程；“对流”是指较热的液体或气体，因遇热膨胀而密度减小从而上升，冷的液体或气体就会补充过来，形成分子的循环流动，这样热量就从高温的地方通过分子的相对位移，转向低温的地方；“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，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体的能量，其结果为热从高温物体传递给低温物体。11.1.1.2热阻和导热系数当材料的两表面间出现了温度差，热量就会自动地从高温的一面向低温一面传导。在稳定状态下，通过测量热流量、材料两表面温度及其有效传热面积，可以计算材料的热阻：R=A(T1-T2)/Q如果热阻与温度呈现线性关系，且试件能代表整体材料，试件具有足够的厚度，则材料的导热系数可用下式计算：λ=d/R=Qd/A(T1-T2)λ的物理意义:是在稳定传热条件下，当材料单位层厚度内的温差为1℃时，在1h内通过1m2表面积的热11.1.1.3影响材料导热系数的因素影响材料保温性能的主要因素是导热系数的大小，导热系数愈小，保温性能愈好。材料的导热系数受以下因素影响：（1）物质构造金属材料＞无机非金属材料＞有机材料。（2）微观结构相同组成的材料：结晶结构＞微晶结构＞玻璃体结构。（3）孔隙构造。由于材料中固体物质的导热能力比空气要大得多，故表观密度小的材料，因其孔隙率大，导热系数就小。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸愈大，导热系数就愈大；互相连通孔隙比封闭孔隙导热性要高。对于表观密度很小的材料，特别是纤维状材料（如超细玻璃纤维），当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大，这是由于孔隙增大且互相连通的孔隙大大增多，而使对流作用加强的结果。因此这类材料存在一最佳表观密度，即在这个表观密度时导热系数最小。（4）湿度。材料吸湿受潮后，其导热系数就会增大，这在多孔材料中最为明显。这是由于当材料的孔隙中有了水分（包括水蒸气）后，则孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用，而水的λ为0.58Ｗ／（ｍ·Ｋ），比空气的λ=0.029Ｗ／（ｍ·Ｋ）大20倍左右。如果孔隙中的水结成了冰，则冰的λ=2.33Ｗ／（ｍ·Ｋ），其结果使材料的导热系数更加增大。故绝热材料在应用时必须注意防水避潮。（5）温度。材料的导热系数随温度的升高而增大，因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，当温度在０～50℃范围内时并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。（6）热流方向。对于各向异性的材料，如木材等纤维质的材料，当热流平行于纤维方向时，热流受到阻力小，而热流垂直于纤维方向时，受到的阻力就大。11.1.2绝热材料的类型（1）多孔型（2）纤维型（3）反射型11.1.3常用保温材料绝热材料应具备的基本条件（1）导热系数小于0.23W(Mk)（2）足够的抗压强度（一般不低于0.3Mpa）（3）使用温度-40-60℃，在温度、湿度变化时保持尺寸稳定性，以及防火性能。1.纤维状保温隔热材料（ｌ）石棉及其制品。石棉是一种天然矿物纤维，主要化学成分是含水硅酸镁，具有耐火、耐热、耐酸碱、绝热、防腐、隔音及绝缘等特性。常制成石棉粉、石棉纸板、石棉毡等制品，用于建筑工程的高效能保温及防火覆盖等。（2）矿棉及其制品。矿棉一般包括矿渣棉和岩石棉。矿渣棉所用原料有高炉硬矿渣、铜矿渣等，并加一些调节原料（钙质和硅质原料）。岩棉的主要原料为天然岩石（白云石、花岗石、玄武岩等）。上述原料经熔融后，用喷吹法或离心法制成细纤维。矿棉具有轻质、不燃、绝热和电绝缘等性能，且原料来源广，成本较低。可制成矿棉板、矿棉毡及管壳等。可用作建筑物的墙壁、屋顶、天花板等处的保温和吸声材料，以及热力管道的保温材料。（３）玻璃棉及其制品。玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成纤维状材料，包括短棉和超细棉两种。（４）植物纤维复合板。系以植物纤维为主要材料加入胶结料和填料而制成。如木丝板是以木材下脚料制成木丝，加入硅酸钠溶液及普通硅酸盐水泥混合，经成型、冷压、养护、干燥而制成。甘蔗板是以甘蔗渣为原料，经过蒸制、加压、干燥等工序制成的一种轻质、吸声、保温材料。2.散粒状保温隔热材料（1）膨胀蛭石及其制品。蛭石是一种天然矿物，经850～1000°C燃烧，体积急剧膨胀(可膨胀５～20倍)而成为松散颗粒，其堆积密度为80～200kg／m3，导热系数0.046～0.07W/(m·K)，用于填充墙壁、楼板及平屋顶，保温效果佳。可在1000～1100℃下使用。膨胀蛭石也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合，制成砖、板、管壳等用于围护结构及管道保温。（２）膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩、黑耀岩或松脂岩为原料，经煅烧体积急剧膨胀（约20倍）而得蜂窝状白色或灰白色松散颗料。堆积密度为40～300kg／m3，λ=0.025～0.048Ｗ／(ｍ·Ｋ)，耐热800°C，为高效能保温保冷填充材料。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配以适量胶凝材料，经拌和、成型、养护（或干燥、或焙烧）后两制成的板、砖、管等产品。（２）膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩、黑耀岩或松脂岩为原料，经煅烧体积急剧膨胀（约20倍）而得蜂窝状白色或灰白色松散颗料。堆积密度为40～300kg／m3，λ=0.025～0.048Ｗ／(ｍ·Ｋ)，耐热800°C，为高效能保温保冷填充材料。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配以适量胶凝材料，经拌和、成型、养护（或干燥、或焙烧）后两制成的板、砖、管等产品。3.多孔性保温隔热材料(１)微孔硅酸钙制品。微孔硅酸钙制品是用粉状二氧化硅材料（硅藻土）、石灰、纤维增强材料及水等经搅拌、成型、蒸压处理和干燥等工序而制成。用于围护结构及管道保温。(２)泡沫玻璃。它是采用碎玻璃加入１％～２％发泡剂（石灰石或碳化钙），经粉磨、混合、装模，在800℃下烧成后形成含有大量封闭气泡（直径0.1～5mm）的制品。它具有导热系数小、抗压强度和抗冻性高、耐久性好等特点，且易于进行锯切、钻孔等机械加工，为高级保温材料，也常用于冷藏库隔热。(３)多孔混凝土和轻骨料混凝土。(4)泡沫塑料。泡沫塑料是以合成树脂为基料，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轻质保温、防震材料。目前我国生产的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯及脲醛树脂等泡沫塑料。11.2吸声材料、隔声材料11.2.1材料吸声的吸声性声音起源于物体的振动，它迫使邻近的空气跟着振动而成为声波，并在空气介质中向四周传播。当声波遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的部分则传递给材料，在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，其间相当一部分声能转化为热能而被吸收掉。这些被吸收的能量（Ｅ）（包括部分穿透材料的声能在内）与传递给材料的全部声能（E0）之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数（α），用公式表示为0EE吸声系数与声音的频率及声音的入射方向有关。因此吸声系数用声音从各方向入射的吸收平均值表示，并应指出是对哪一频率的吸收。通常采用常用规定的六个频率：125、250、500、1000、2000、4000Hz。任何材料对声音都能吸收，只是吸收程度有很大的不同。通常是将对上述六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，列为吸声材料。吸声材料大多为疏松多孔的材料，如矿渣棉、毯子等，其吸声机理是声波深入材料的孔隙，且孔隙多为内部互相贯通的开口孔，受到空气分子摩擦和粘滞阻力，以及使细小纤维作机械振动，从而使声能转变为热能。这类多孔性吸声材料的吸声系数，一般从低频到高频逐渐增大，故对高频和中频的声音吸收效果较好。2.影响多孔性材料吸声性能的因素（１）材料的表观密度。对同一种多孔材料（例如超细玻璃纤维）而言，当其表观密度增大时（即空隙率减小时），对低频的吸声效果有所提高，而对高频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，可提高对低频的吸声效果，而对高频则没有多大的影响。（３）材料的孔隙特征。孔隙愈多愈细小，吸声效果愈好。如果孔隙太大，则效果就差。如果材料中的孔隙大部分为单独的封闭的气泡（如聚氯乙烯泡沫塑料），则因声波不能进入，从吸声机理上来讲，就不属多孔性吸声材料。当多孔材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，则因材料的孔隙被水分或涂料所堵塞，其吸声效果亦将大大降低。11.2.2建筑上常用吸声材料及安装方法建筑工程中常用吸声材料有：石膏砂浆（掺有水泥、玻璃纤维）、石膏砂浆（掺有水泥、石棉纤维）、水泥膨胀珍珠岩板、矿渣棉、沥青矿渣棉毡、玻璃棉、起细玻璃棉、泡沫玻璃、泡沫塑料、软木板、木丝板、穿孔纤维板、工业毛毡、地毯、帷幕等。除了采用多孔吸声材料吸声外，还可将材料组成不同的吸声结构，达到更好的吸声效果。常用的吸声结构形式有薄板共振吸声结构和穿孔板吸声结构。薄板共振吸声结构系采用薄板钉牢在靠墙的木龙骨上，薄板与板后的空气层构成了薄板共振吸声结构。穿孔板吸声结构是用穿孔的胶合板、纤维板、金属板或石膏板等为结构主体，与板后的墙面之间的空气层（空气层中有时可填充多孔材料）构成吸声结构。该结构吸声的频带较宽，对中频的吸声能力最强。11.2.3隔声材料必须指出：吸声性能好的材料，不能简单地就把它们作为隔声材料来使用。人们要隔绝的声音按着传播的途径可分为空气声（由于空气的振动）和固体声（由于固体的撞击或振动）两种。对隔空气声，根据声学中的“质量定律”，墙或板传声的大小，主要取决于其单位面积质量，质量越大，越不易振动，则隔声效果越好，故对此必须选用密实、沉重的材料（如粘土砖、钢板、钢筋混凝土）作为隔声材料。对隔固体声最有效的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。11.3装饰材料在建筑上，把铺设、粘贴或涂刷在建筑内外表面，主要起装饰作用的材料，称为装饰材料。常用的建筑装饰材料第一节天然石材一、石材定义：凡是由天然岩石开采而得到的毛料，或经加工而制成的块状或板状岩石，统称为石材。石材是古老的建筑材料之一，由于其抗压强度高，耐磨、耐久性好、美观而且便于就地取材，所以现在仍然被广泛的使用。石材在建筑中常被用作砌体材料、装饰材料，还可以作为胶结材料和人造石的原料。常用的岩石岩石：一、岩石按其成因不同可以分为三大类火成岩、沉积岩、变质岩，其种类、特点、用途见表13-1※天然石材的岩石品种极多，但按它们最原始的生成原因来说，实际上就是两大类，即火成的和水成的。也就是说，凡是由地下岩浆冷凝而成的岩石，统称为火成岩；凡是由江、河、湖、海洋水下沉淀而成的岩石，统称为沉积岩。这两大类原始成因的岩石中，有一部分(特别是距今几十亿年和十几亿年的较古老岩石)在地球发展演化过程中，经过多次地壳运动时高温、高压条件下的强烈变化(地质学上称为“变质作用”)，形成了一种新的岩石，统称为“变质岩”。所以当今人们所见到的地球表层各种各样的岩石，归纳起来就是三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。岩石种类常用岩石特点用途火成岩花岗岩表观密度2500-2800Kg/m^3、抗压强度120-250MPa、孔隙率小、吸水率低、耐磨性好、耐久性高、呈灰白色建筑物基础、闸坝、台阶、路面、混凝土骨料、设备衬里辉率岩表观密度2900-3300Kg/m^3、抗压强度200-350MPa、有较高的耐酸性、韧性、抗风化性好、呈绿色饰面材料、混凝土骨料、化工设备衬里玄武岩表观密度2900-3300Kg.m^3、抗压强度250-500MPa、结构细密、强度高、硬度大、颜色较深高强混凝土骨料、道路路面沉积岩石灰岩表观密度2600-280