绝热材料性能特点及使用中需注意的问题
中国建筑科学研究院 冯金秋
[摘要] 本文介绍各种泡沫塑料绝热材料和胶粉EPS颗粒保温浆料性能特点和使用中需注意的有关问题。
绝热材料在建筑中的应用范围主要包括建筑物的屋面、外墙和地面等建筑外围护结构以及供暖、空调设备和管道。此外，某些居住建筑的楼板、分户隔墙以及地下室的外围护结构也存在保温隔热问题。
建筑物的保温隔热有两个主要目的，一是保证居住环境的舒适性和节约能耗，另一个目的则是防止表面结露。后者往往会被设计人员忽视。由于保温不足，冬季外墙内表面结露发霉的现象屡见不鲜。然而分户墙、楼板表面结露现象确鲜为人知。随着商品房的发展和分户采暖形式的出现，这种现象将会愈加突出。这是因为楼板和分户墙未做保温。由于采用分户采暖，住户室内空气相对湿度过高，相邻住户又无人居住，致使楼板和墙面温度低于室内空气露点温度而结露。为防止结露而需设置保温层的典型例子是地下室。如果地下室墙面不做保温，在夏季闷热天气，由于地下土壤温度低，可导致墙面温度低于室内空气露点温度而结露。
1 模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)
EPS板由可发性聚苯乙烯珠粒加热预发泡后，在模具中加热成型。EPS由完全封闭的多面体形蜂窝构成。蜂窝的直径为0.2～0.5mm，蜂窝壁厚为0.001mm。EPS由约98%的空气和2%的聚苯乙烯组成。截留在蜂窝内的空气是一种不良导体，对泡沫塑料优良的绝热性能起决定性的作用。和含有其他气体（例如，新制成的聚氨酯泡沫塑料蜂窝空腔中充满着氟里昂气体）的泡沫塑料不同，聚苯乙烯泡沫塑料中的空气能长期留在蜂窝内而不会发生变化，因此保温性能能够长期稳定不变。
图1-1示出了在其他参数不变的情况下，导热系数与密度的关系。由图可以看出，在密度从30至50 kg/m3的范围内，导热系数处于最小值。在平均温度为10℃，密度为20kg/m3时，导热系数为0.033～0.036W/(m·K)。密度小于15 kg/m3时，导热系数随密度的减小而急剧增大。
EPS板是由无数的珠粒经加热加压粘结一起而成。珠粒之间的粘结程度是非常重要的，它将直接影响EPS板的吸水率、机械强度和其他物理性能。而珠粒粘结的好坏主要是由EPS原料决定的。此外，加工工艺和产品密度对此也有一定影响。例如，低密度（10kg/m3以下）的EPS板珠粒间的粘结就很差，珠粒很容易剥落。
EPS板导热系数小，弹性多孔结构能吸收热湿应力，即使在罕见的气候条件下材料中出现水蒸气凝结并且结冰，自身结构也不会破坏，具有很好的使用耐久性。EPS板自重轻，且具有一定的抗压、抗拉强度，靠自身强度能支承抹面保护层，不需要拉接件，避免形成热桥。EPS板化学稳定性好，耐酸碱，具有很好的使用耐久性。
由于具有上述诸多优点，并且价格适中，使得EPS板已成为当今世界上使用最广泛的绝热材料，下面首先介绍有关EPS板使用的几项性能。
(1)老化性能：
老化试验机试验：日本WEL-6X-HCE型老化试验机，氙灯功率6kW，每小时降雨12分钟，加热48分钟，温度55℃，相对湿度95%。EPS板试样1表面裸露，试样2表面覆盖一层牛皮纸。试验500小时后，试样1表面呈凹凸不平状，凹陷深度小于1mm。试样2 EPS板表面无变化。
室外自然暴露试验：EPS板表面裸露，分别放置在屋面、阳台经受日光照射，在不到1个月的时间内，EPS板表面即开始粉化。即使放在朝北的窗外，经过一个冬季室外暴露，表面也已明显粉化。
使用调查：意大利某朝南的外墙，用EPS板做外保温，表面只喷涂一薄层涂料作为保护层。使用10年后取样检验，EPS板的多孔结构、密度、热工性能和力学性能没有发生任何变化。国内铁路冷藏车箱用EPS板做保温层，使用8～10年后拆换下来，扔在露天经受日晒风吹雨淋，只是表皮变得粗糙。用电热丝切割后观察，切割表面与新的产品并无区别。经试验室检测，密度为17.8kg/m3，导热系数为0.0335W/(m·K)。车厢底部EPS板，因长期受盐水浸泡，密度为103.8kg/m3，导热系数为0.0386W/(m·K)。在70℃下烘12天，密度下降为30.5kg/m3。折断后观察，EPS颗粒表面被盐水浸成黄色。将颗粒切开后，内部仍为白色。
以上情况表明，EPS板具有很好的使用耐久性。不过当EPS板直接暴露于室外气候条件下时，表面又极易受到损坏。然而，当EPS板表面做有保护层时，哪怕只有一层牛皮纸，都能具有良好的耐自然老化性能。
(2)耐热性和尺寸稳定性：
EPS板的尺寸变化可分为热效应和后收缩两种变化。温度变化引起的变形是可逆的。EPS板在加热成型后会产生收缩，这就是后收缩。后收缩的收缩率起初较快，以后逐渐变慢。收缩到某一极限值后就不再收缩。如图1-2所示。
用不同的原料和不同的加工条件生产的EPS板，其后收缩量是不同的。由巴斯夫原料制造的EPS板的后收缩量为0.3%～0.5%。
EPS板在70℃下的尺寸变化率一般在0.07%至0.38%之间。在混凝土构件中，以EPS板为夹心层的复合墙体在窑内养护温度超过90℃，养护时间8小时的情况下，EPS板的厚度明显缩小。在温度较高的热水中，EPS板外观发生明显变化，表面呈凹凸不平状。EPS板在100℃以上的环境温度下尺寸会大幅度收缩。
(3)受潮性能及其对热阻的影响：EPS板在23℃水中等温浸泡96小时的吸水率一般在0.51%至0.74%之间。实际使用时，EPS板两表面间存在温差和水蒸气分压力差。一般来说，EPS板用于外墙和屋面保温时，不会产生明显的受潮问题。然而，当EPS板一侧长期处于高温高湿环境，另一侧处于低温环境并且被透水蒸气性不好的材料封闭时，EPS板会严重受潮。
普通屋面冬季受潮模拟试验：在EPS板下表面模拟冬季室内气候条件(温度21℃，相对湿度42%)，上表面模拟冬季室外气候条件(温度－7℃，相对湿度100%)。EPS板试样密度16kg/m3，有的四周边缘用透水蒸气性小的薄膜密封，有的冷表面密封，有的边缘和冷表面都密封，还有个别试样完全不密封。经过120天试验后，EPS板的重量吸湿率不大于0.2%，导热系数平均增加2.2%。
湿热环境受潮模拟试验：试样尺寸300mm×300mm，厚度25mm。用两层隔气层把试样四周及上表面密封起来，使试样下表面处于湿热环境(温度29℃，相对湿度100%)，上表面处于低温环境(温度4℃，相对湿度75%)。这种情况代表一种导致受潮的严酷的边界条件。水蒸气被从湿淋淋的下表面朝着上表面驱赶，并且又因有密封层而不能由上表面向外干燥。试样分为EPS-1，EPS-2，URE和XPS四种材料，四种材料的密度分别为16，30，32和38kg/m3。试验期间定期测量试样的体积含湿量和热阻。试验结果示于图1-3和图1-4。图中，热阻比为试样受潮后的热阻与干燥状态下的热阻之比。由图1-3可以看出，经过400天后，EPS-1，EPS-2和URE的体积含湿量都已超过30%，唯独XPS试样甚至在经过1800天后体积含湿量仍然不到10%。
实际使用情况调查发现，一些倒置式屋面使用三年后，EPS板和URE板体积含湿量均超过40%，热阻下降了60%～70%。同时也发现XPS板吸湿量很小。
EPS板用于外墙及普通屋面保温时，长期使用过程中含湿量增加不大，保温性能变化很小。但当屋面防水层失效后，EPS板仍有可能严重受潮。北京某办公楼屋面在原有防水层上铺5cm厚EPS板加强保温，EPS板上再铺8cm厚沥青珍珠岩，上面再做防水层。由于防水层失效漏水，致使EPS板体积含湿量高达25%，由图1-4推算，保温效能下降了60%。
选用EPS板时需注意其老化性能、耐热性和尺寸稳定性、受潮性能及其对热阻的影响。
EPS板长期使用温度在75℃以下。用于屋面保温时，需注意防止EPS板过热。由于EPS板热阻大，其上表面有可能因温度过高而产生收缩。可采用浅色涂料或架空屋面做法降低保温屋面的表面温度。
在EPS板薄抹面外保温系统中，为避免后收缩造成抹面层开裂，要求EPS板成型后在常温下至少存放40天。或者在70℃下至少养护1周。同时要求尺寸稳定性在0.3%以下。
EPS板在表面裸露的情况下极易因直射阳光和风化作用而损坏。因此，在外保温或屋面保温层施工过程中，应及时做保护层。
用于倒置式屋面以及冷库、空调等低温管道保温时，EPS板有可能严重受潮。受潮后其保温效能将大幅度下降。因此，设计倒置式屋面时，应将防水层做成一定坡度，并采用透气性好的材料(如河卵石)作为EPS板上的压载。这样可有效减小EPS板受潮危险。用于冷库、空调等低温管道保温时，必须在EPS板外表面设置隔汽层。
2. 胶粉EPS颗粒保温浆料
胶粉EPS颗粒保温浆料由矿物胶凝材料、少量高分子聚合物和EPS颗粒集料组成。其中EPS颗粒体积一般都在80%以上。产品属于干拌灰浆，EPS颗粒与胶凝材料可分开包装。使用时两种材料混合并加水搅拌。主要用作现场抹灰保温材料。
保温浆料中EPS颗粒所占比例以及固化砂浆的密度对其导热系数起决定性作用。此外，保温浆料的吸水率对保温性能也有重要影响。各厂家产品由于添加剂不同，其吸水率可能有很大差别。
目前国内市场上有各式各样的保温浆料。选用保温浆料时，不要被其名称所迷惑。首先应弄清浆料中使用什么材料作为保温材料，再者是用什么东西作为胶凝材料。EPS颗粒具有可靠的保温性能，在各种保温浆料中，目前值得推荐的只有EPS颗粒保温浆料一种。对于胶凝材料，应特别注意不能含有对人体有害的物质（例如甲醛），尤其是用作内保温时。
EPS颗粒保温浆料可用于外墙内保温和外保温。由于它可在任意形状的建筑构件上方便地抹涂，特别适用于外墙内表面热桥部位的保温。由于EPS颗粒保温浆料的导热系数接近于EPS的两倍，又由于最大抹灰厚度受到一定限制，在寒冷地区和严寒地区使用会有一定的局限性。EPS颗粒保温浆料特别适用于夏热冬冷地区外墙保温和寒冷、严寒地区的室内分户隔墙和楼板保温。
EPS颗粒保温浆料在有可能受潮的部位使用时，应采取可靠的防水或隔气措施。
中国建筑科学研究院 冯金秋
[摘要] 本文介绍各种泡沫塑料绝热材料和胶粉EPS颗粒保温浆料性能特点和使用中需注意的有关问题。
绝热材料在建筑中的应用范围主要包括建筑物的屋面、外墙和地面等建筑外围护结构以及供暖、空调设备和管道。此外，某些居住建筑的楼板、分户隔墙以及地下室的外围护结构也存在保温隔热问题。
建筑物的保温隔热有两个主要目的，一是保证居住环境的舒适性和节约能耗，另一个目的则是防止表面结露。后者往往会被设计人员忽视。由于保温不足，冬季外墙内表面结露发霉的现象屡见不鲜。然而分户墙、楼板表面结露现象确鲜为人知。随着商品房的发展和分户采暖形式的出现，这种现象将会愈加突出。这是因为楼板和分户墙未做保温。由于采用分户采暖，住户室内空气相对湿度过高，相邻住户又无人居住，致使楼板和墙面温度低于室内空气露点温度而结露。为防止结露而需设置保温层的典型例子是地下室。如果地下室墙面不做保温，在夏季闷热天气，由于地下土壤温度低，可导致墙面温度低于室内空气露点温度而结露。
1 模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)
EPS板由可发性聚苯乙烯珠粒加热预发泡后，在模具中加热成型。EPS由完全封闭的多面体形蜂窝构成。蜂窝的直径为0.2～0.5mm，蜂窝壁厚为0.001mm。EPS由约98%的空气和2%的聚苯乙烯组成。截留在蜂窝内的空气是一种不良导体，对泡沫塑料优良的绝热性能起决定性的作用。和含有其他气体（例如，新制成的聚氨酯泡沫塑料蜂窝空腔中充满着氟里昂气体）的泡沫塑料不同，聚苯乙烯泡沫塑料中的空气能长期留在蜂窝内而不会发生变化，因此保温性能能够长期稳定不变。
图1-1示出了在其他参数不变的情况下，导热系数与密度的关系。由图可以看出，在密度从30至50 kg/m3的范围内，导热系数处于最小值。在平均温度为10℃，密度为20kg/m3时，导热系数为0.033～0.036W/(m·K)。密度小于15 kg/m3时，导热系数随密度的减小而急剧增大。
EPS板是由无数的珠粒经加热加压粘结一起而成。珠粒之间的粘结程度是非常重要的，它将直接影响EPS板的吸水率、机械强度和其他物理性能。而珠粒粘结的好坏主要是由EPS原料决定的。此外，加工工艺和产品密度对此也有一定影响。例如，低密度（10kg/m3以下）的EPS板珠粒间的粘结就很差，珠粒很容易剥落。
EPS板导热系数小，弹性多孔结构能吸收热湿应力，即使在罕见的气候条件下材料中出现水蒸气凝结并且结冰，自身结构也不会破坏，具有很好的使用耐久性。EPS板自重轻，且具有一定的抗压、抗拉强度，靠自身强度能支承抹面保护层，不需要拉接件，避免形成热桥。EPS板化学稳定性好，耐酸碱，具有很好的使用耐久性。
由于具有上述诸多优点，并且价格适中，使得EPS板已成为当今世界上使用最广泛的绝热材料，下面首先介绍有关EPS板使用的几项性能。
(1)老化性能：
老化试验机试验：日本WEL-6X-HCE型老化试验机，氙灯功率6kW，每小时降雨12分钟，加热48分钟，温度55℃，相对湿度95%。EPS板试样1表面裸露，试样2表面覆盖一层牛皮纸。试验500小时后，试样1表面呈凹凸不平状，凹陷深度小于1mm。试样2 EPS板表面无变化。
室外自然暴露试验：EPS板表面裸露，分别放置在屋面、阳台经受日光照射，在不到1个月的时间内，EPS板表面即开始粉化。即使放在朝北的窗外，经过一个冬季室外暴露，表面也已明显粉化。
使用调查：意大利某朝南的外墙，用EPS板做外保温，表面只喷涂一薄层涂料作为保护层。使用10年后取样检验，EPS板的多孔结构、密度、热工性能和力学性能没有发生任何变化。国内铁路冷藏车箱用EPS板做保温层，使用8～10年后拆换下来，扔在露天经受日晒风吹雨淋，只是表皮变得粗糙。用电热丝切割后观察，切割表面与新的产品并无区别。经试验室检测，密度为17.8kg/m3，导热系数为0.0335W/(m·K)。车厢底部EPS板，因长期受盐水浸泡，密度为103.8kg/m3，导热系数为0.0386W/(m·K)。在70℃下烘12天，密度下降为30.5kg/m3。折断后观察，EPS颗粒表面被盐水浸成黄色。将颗粒切开后，内部仍为白色。
以上情况表明，EPS板具有很好的使用耐久性。不过当EPS板直接暴露于室外气候条件下时，表面又极易受到损坏。然而，当EPS板表面做有保护层时，哪怕只有一层牛皮纸，都能具有良好的耐自然老化性能。
(2)耐热性和尺寸稳定性：
EPS板的尺寸变化可分为热效应和后收缩两种变化。温度变化引起的变形是可逆的。EPS板在加热成型后会产生收缩，这就是后收缩。后收缩的收缩率起初较快，以后逐渐变慢。收缩到某一极限值后就不再收缩。如图1-2所示。
用不同的原料和不同的加工条件生产的EPS板，其后收缩量是不同的。由巴斯夫原料制造的EPS板的后收缩量为0.3%～0.5%。
EPS板在70℃下的尺寸变化率一般在0.07%至0.38%之间。在混凝土构件中，以EPS板为夹心层的复合墙体在窑内养护温度超过90℃，养护时间8小时的情况下，EPS板的厚度明显缩小。在温度较高的热水中，EPS板外观发生明显变化，表面呈凹凸不平状。EPS板在100℃以上的环境温度下尺寸会大幅度收缩。
(3)受潮性能及其对热阻的影响：EPS板在23℃水中等温浸泡96小时的吸水率一般在0.51%至0.74%之间。实际使用时，EPS板两表面间存在温差和水蒸气分压力差。一般来说，EPS板用于外墙和屋面保温时，不会产生明显的受潮问题。然而，当EPS板一侧长期处于高温高湿环境，另一侧处于低温环境并且被透水蒸气性不好的材料封闭时，EPS板会严重受潮。
普通屋面冬季受潮模拟试验：在EPS板下表面模拟冬季室内气候条件(温度21℃，相对湿度42%)，上表面模拟冬季室外气候条件(温度－7℃，相对湿度100%)。EPS板试样密度16kg/m3，有的四周边缘用透水蒸气性小的薄膜密封，有的冷表面密封，有的边缘和冷表面都密封，还有个别试样完全不密封。经过120天试验后，EPS板的重量吸湿率不大于0.2%，导热系数平均增加2.2%。
湿热环境受潮模拟试验：试样尺寸300mm×300mm，厚度25mm。用两层隔气层把试样四周及上表面密封起来，使试样下表面处于湿热环境(温度29℃，相对湿度100%)，上表面处于低温环境(温度4℃，相对湿度75%)。这种情况代表一种导致受潮的严酷的边界条件。水蒸气被从湿淋淋的下表面朝着上表面驱赶，并且又因有密封层而不能由上表面向外干燥。试样分为EPS-1，EPS-2，URE和XPS四种材料，四种材料的密度分别为16，30，32和38kg/m3。试验期间定期测量试样的体积含湿量和热阻。试验结果示于图1-3和图1-4。图中，热阻比为试样受潮后的热阻与干燥状态下的热阻之比。由图1-3可以看出，经过400天后，EPS-1，EPS-2和URE的体积含湿量都已超过30%，唯独XPS试样甚至在经过1800天后体积含湿量仍然不到10%。
实际使用情况调查发现，一些倒置式屋面使用三年后，EPS板和URE板体积含湿量均超过40%，热阻下降了60%～70%。同时也发现XPS板吸湿量很小。
EPS板用于外墙及普通屋面保温时，长期使用过程中含湿量增加不大，保温性能变化很小。但当屋面防水层失效后，EPS板仍有可能严重受潮。北京某办公楼屋面在原有防水层上铺5cm厚EPS板加强保温，EPS板上再铺8cm厚沥青珍珠岩，上面再做防水层。由于防水层失效漏水，致使EPS板体积含湿量高达25%，由图1-4推算，保温效能下降了60%。
选用EPS板时需注意其老化性能、耐热性和尺寸稳定性、受潮性能及其对热阻的影响。
EPS板长期使用温度在75℃以下。用于屋面保温时，需注意防止EPS板过热。由于EPS板热阻大，其上表面有可能因温度过高而产生收缩。可采用浅色涂料或架空屋面做法降低保温屋面的表面温度。
在EPS板薄抹面外保温系统中，为避免后收缩造成抹面层开裂，要求EPS板成型后在常温下至少存放40天。或者在70℃下至少养护1周。同时要求尺寸稳定性在0.3%以下。
EPS板在表面裸露的情况下极易因直射阳光和风化作用而损坏。因此，在外保温或屋面保温层施工过程中，应及时做保护层。
用于倒置式屋面以及冷库、空调等低温管道保温时，EPS板有可能严重受潮。受潮后其保温效能将大幅度下降。因此，设计倒置式屋面时，应将防水层做成一定坡度，并采用透气性好的材料(如河卵石)作为EPS板上的压载。这样可有效减小EPS板受潮危险。用于冷库、空调等低温管道保温时，必须在EPS板外表面设置隔汽层。
2. 胶粉EPS颗粒保温浆料
胶粉EPS颗粒保温浆料由矿物胶凝材料、少量高分子聚合物和EPS颗粒集料组成。其中EPS颗粒体积一般都在80%以上。产品属于干拌灰浆，EPS颗粒与胶凝材料可分开包装。使用时两种材料混合并加水搅拌。主要用作现场抹灰保温材料。
保温浆料中EPS颗粒所占比例以及固化砂浆的密度对其导热系数起决定性作用。此外，保温浆料的吸水率对保温性能也有重要影响。各厂家产品由于添加剂不同，其吸水率可能有很大差别。
目前国内市场上有各式各样的保温浆料。选用保温浆料时，不要被其名称所迷惑。首先应弄清浆料中使用什么材料作为保温材料，再者是用什么东西作为胶凝材料。EPS颗粒具有可靠的保温性能，在各种保温浆料中，目前值得推荐的只有EPS颗粒保温浆料一种。对于胶凝材料，应特别注意不能含有对人体有害的物质（例如甲醛），尤其是用作内保温时。
EPS颗粒保温浆料可用于外墙内保温和外保温。由于它可在任意形状的建筑构件上方便地抹涂，特别适用于外墙内表面热桥部位的保温。由于EPS颗粒保温浆料的导热系数接近于EPS的两倍，又由于最大抹灰厚度受到一定限制，在寒冷地区和严寒地区使用会有一定的局限性。EPS颗粒保温浆料特别适用于夏热冬冷地区外墙保温和寒冷、严寒地区的室内分户隔墙和楼板保温。
EPS颗粒保温浆料在有可能受潮的部位使用时，应采取可靠的防水或隔气措施。
