新型建筑复合保温材料隔热性能高效检测分析

新型建筑复合保温材料隔热性能高效检测分析

王婷

上海灵鹿建设工程检测有限公司 201699

摘要：本文重点研究蒙特卡罗检测法高效检测复合保温材料隔热性能，打造多种模型，结合各公式计算得到材料热阻、蓄热系数，以此为依据，确定材料结构热惰性指标，再根据材料传热面积，实现对平均热导系数的精准计算。与此同时，测量得到材料厚度，并计算材料热惰性系数，从而设计出材料隔热性能指标。此外，开展对比式仿真实验，分析实验结果，总结试验结论，凸显出新型检测方法检测优势的同时，实现对材料隔热性、防火性的有效判断。

关键词：新型建筑；复合保温材料；隔热性能检测

前言：检测复合保温材料隔热性能时，以往所使用的检测材料热导率的方法缺乏全面性，无法检测到材料热设计对材料本身隔热性能的影响，致使检测结果与实际存在较大偏差。对此，需注重检测方法的优化，运用蒙特卡罗检测法，实现对材料隔热性能的高效检测，还能从根本上处理检测精度、效率低的问题。

1 复合保温材料性能检测意义

保温材料隔热性能的检测工作是现阶段建设行业、工业重点关注的研究内容。复合材料有着安装便捷、质量好的优势，备受建筑施工单位的青睐，极具发展前景。但受技术、条件的限制，当前在研究该类材料时，一般注重对其生产以及隔热性能的进行深层次研究与改良，全面分析材料本身所拥有的热传导性能，在此基础上，对材料应用需求、使用成本等方面加以综合考量，着手于检测工作的开展。对材料性能进行检测时，能够进一步增强材料保温、抗压性能，实现建筑墙体稳定，并获得良好保温效果。由于复合材料不具备较高的热导系数，因此，性能检测工作的开展极为必要，可从根本上保障材料选用合理性，发挥出材料性能优势，并达到节约成本、节能环保的目的，同时，还可细致、有效分析复合保温材料隔热节能效果^[1]。

2传统材料隔热性能检测方法存在的不足

基于阻抗的测试方法检测原理是借助材料入射声波对温度的色散来获取材料导热系数，该方法主要检测内容包括材料的隔热性能与抗冲击性能，但无法对材料柔韧性进行检测，致使检测结果精度受到影响，在缺乏具体性能数值参考的情况下，不能够将材料有效应用于新型建筑中；基于层间温度变化的检测方法具体操作如下：在隔热层、透气层之间设置弹簧，在此基础上，对低辐射环境进行适当调节，测量不同辐射条件下，各层的实际温度值，做好数据整理，以此为依据，展开深入分析，明确材料弹簧对其自身隔热性能的影响。这一检测方法在对材料性能进行检测时，可提供给检测工作良好的透气环境，但对材料抗冲击性弱、柔韧性弱等缺点没有做到综合考量，使得最终得到的检测结果缺乏参考性、真实性；基于改进电容层析检测方法的实现需借助复合材料系统模型，根据模型中直观反馈的材料缺陷，制定出可行的弥补方案，并加以实施，以保证材料的完整性，同时，还有助于材料各方面性能的有效保障。但实际检测时，主要依据材料热导率值进行，却没有考虑材料防火性能差的缺点，影响检测精确度^[2]。

3 复合保温材料隔热性能检测原理

新型建筑的建设与发展需应用到大量复合型保温材料，为发挥出其保温、隔热性能，并在建筑使用中加以彰显，就需注重对其性能的高效检测，以保证材料选用合理性。现阶段执行的高效检测工作检测原理如下：打造并联、串联的复合保温材料模型，实现对材料热导率的精准计算，紧接着借助三维立方计算公式，计算得出基体、孔隙值，再根据模型，对材料的隔热性能进行深入测试，利用热导率数值实现对性能的有效、高效检测。

针对复合材料的热导需设计出两种模型即并联模型、串联模型，表达式分别为：

式中，k_e、k_c、k_d代表复合保温材料、连续保温材料、填充保温材料的热导率，而 代表填充材料体积分数，利用公式能够准确得到复合保温材料热导率值。若待测量材料为球形，其直径为d，不间断建筑中间距设定为l，得到三维立方计算公式：

式中， ，其含义为基体； ，表示材料孔隙。因复合材料中含有的颗粒呈不均匀分布状态，为保证检测工作开展有效性，获得正确的热导率，决定借助两个公式计算、验证检测结果，公式为：

计算过程中，若发现 ，则需再执行另一计算工作，公式为：

式中， ，对公式计算得到的材料热导率进行检验，若与实际数值不相符，则需使用其他公式模型进行计算

式中，C₁、C₂分别代表材料的结晶因子、自由因子； 代表材料中聚合物、填料热导率。通过对材料热导率进行计算，为实现对材料隔热性能的检测，参照检测表达式为：

针对复合保温材料，打造相应的热导模型，结合不同公式，得到准确的热导率值，以保证材料隔热性能检测工作秩序、质量、高效推进^[3]。

4 复合保温材料隔热性能检测方法

4.1隔热性能指标分析

计算并得到精准的材料热阻与蓄热系数，以此为依据，确定出单层、多层匀质复合保温材料结构热惰性指标，再根据材料热流方向以及实际传热面积，得到材料的平均热导系数，以保证材料层热惰性指标的精准获取，完成此项工作后，对材料厚度进行测量，汇总测量结果，依据热惰性系数，计算得出新型建筑复合保温材料隔热性能指标。一般来说，建筑外围结构材料隔热性能控制指标的构成主要有两部分即热惰性指标D、表面最高温度

，其中，前者是评价材料隔热性能的重要指标，需经过计算才能得到

式中，R_i、S_i分别对应各层复合保温材料热阻、蓄热系数，若建筑某层结构在设计、施工时，应用到两种以上的复合材料，则可定义为非匀质复合保温材料，而在计算该层材料平均热导系数时，也有着相应的公式：

其中， 为该层材料热流放线传热面积； 为材料传热面积上的导热系数； 为材料传热面积上的蓄热系数，这层建筑的材料惰性指标为

热阻、蓄热系数能够直接反映材料抗热流能力与温度抵抗能力，且热惰性指标可看做成抵抗热流和温度在材料层中的传播指标，热惰性主要受热波穿透建筑时长所影响，通常来说，若时间越长，热惰性会越大，与此同时，材料波动幅度也会随之减弱，可从真正意义上增强新型建筑墙体结构整体稳定性^[4]。在此期间，若材料厚度值相一致，以往所使用的提高材料热阻、蓄热系数的方式将无法起到提高热惰性指标的作用，对此，需依照新的计算公式进行计算

式中，δ代表材料层厚度，借助该公式，在保证各项已知数值正确的情况下，可计算得到厚度的单位函数是热阻，在此基础上，科学定义材料热惰性系数

再根据热惰性指标相关公式，可将其转化为

当建筑中应用的复合保温材料相同时，材料的热惰性指标便可视为材料厚度的单值函数，若厚度持续增大，热惰性指标也会随之上升。如果建筑外围结构厚度不变，热惰性指标的影响因素则为热惰性系数，彼此间关系为正相关，同时，材料的热惰性能也受材料本身热惰性系数的直接影响。通过准确计算材料热惰性系数，能够为热惰性指标的计算提供可靠数据支持，并降低计算难度最终得到材料隔热性能指标计算公式

4.2蒙特卡罗检测法

将材料隔热性能指标的分析结果作为基础，借助材料厚度方向，实现辐射导热，与此同时，对材料边界温度应遵从的边界条件进行科学定义，再根据导热、辐射热流密度对材料的总热流密度进行计算，依托计算结果，合理调节温度场，在此基础上，对材料隔热性能热设计流程进行系统化分析，并探讨出单层、多层材料变化规律，以此实现对材料隔热性能的检测。通常情况下，单层材料介质是单层材料隔热稳态导热耦合的重要构成，将材料厚度方向作为基础，着手于辐射导热工作，导热能量计算的方程表示如下

式中，a代表材料长度；T代表温度；x代表材料辐射指数；qr为辐射热流密度，为将材料边界温度边界条件考虑在内，则对其条件进行定义

其中， 表示材料已知温度， 为材料边界厚度，科学融合上文两个方程，构建出可计算出材料温度分布的方程组，进行化简得到相应的计算公式

对公式进行推导、分析，能够发现导热、辐射热流密度是材料总热流密度的基本构成，换算得到的公式为

根据所得公式，能够对材料第i层边界厚度进行计算，其计算公式表示为

因材料内部温度在不利用仪器测量的情况下无法知晓，同时，不能直观得到材料辐射热流密度。对此，可先拟定材料最初温度值，以此为依据，开展换热、辐射传输计算工作，从而确定材料辐射热流密度的初略分布，再利用推导出的计算公式，着手于温度场的合理调控。在对材料隔热性能进行热设计时，所需遵循的设计流程如下：合理给定材料层边界厚度值；以网格的形式对该层进行科学划分；初始化材料温度场；辐射换热计算材料，确定此时平均热流密度，并将此作为依据，执行温度场的调控工作；系统化分析温度场；对处理过后的材料边界厚度进行计算；结合计算结果，实现对材料隔热性能的检测，并得到检测值^[5]。

以单层隔热为基础，着手于多层材料隔热设计工作，在计算多层材料边界厚度时，参照的公式为：

式中， 代表多层材料导热能量、边界厚度、边界高、低温。完成边界厚度计算工作后，深入研究、分析不同类型层材料变化情况，并找出其中隐藏的变化规律，以此达到对材料隔热性能检测的目的，而最终需利用的检测公式为：

依托于探寻得到的变化规律，结合给定公式，可准确计算出蒙特卡罗检测法下材料隔热性能的检测结果。

5 检测仿真设计与结果研究

为保证使用蒙特卡罗检测法后，能够得到准确的隔热性能检测结果，实现对复合保温材料本身所具有的防火性、柔韧性的有效判断，便执行仿真对比实验。始终保持实验温度不变，为30℃，试验设备包括5台主机、电阻炉、表面温度测试仪，其中，电阻炉最大运行功率为2500W，最小功率为1000W，而测试仪可检测最高温度为800℃，最低为0℃。实验开展期间，共选取三个时间，依托于材料层厚度，检测材料柔韧性。一般情况下，仿真实验选用的材料层厚度小于3cm，测试数据如下：加热时间设定为3min时，采用蒙特卡罗检测法得到的材料厚度为2cm，而加热时间为4min时，材料厚度为2.5cm，继续延长加热时间，在第五分钟时，材料的厚度增长至3cm。与此同时，实验过程中，又设置对比性实验，采用的检测方法如下，将实验置于低辐射环境下，对加热时长进行控制，为保证对比实验参考性、有效性，材料加热时长也设定为3min、4min、5min，在此期间，对材料厚度进行测量。实验数据如下：加热时长设定为3min时，材料厚度值为2.8cm，而加热时间为4min、5min时，所对应的材料厚度分别为4.5cm、6cm。通过对两次实验得到的数据进行分析，使用蒙特卡罗检测法的材料厚度始终小于3cm，极大程度地提高材料隔热柔韧性。而低辐射环境下，尽管实验流程、基本条件相同，但当加热至4min以上时，材料厚度便不满足所规定要求，严重影响材料整体柔韧性。

完成以上实验后，再开展材料防火性能的检测工作，所参照依据为导热系数。当温度上升至2000℃时，材料会燃烧，且随着导热系数的不断增大，材料本身具备的导热性能越明显，与此同时，热量传递速率也呈现显著升高趋势。但因复合保温材料的特殊性，不具备良好的导热性，因此，需严格控制导热系数值，通常越小越好。

在对材料防火性能进行检测时，同样采用对比式实验方法。分别为蒙特卡罗检测法、基于改进ETC的隔热材料胶层无损检测法。使用前者开展实验时，得到的检测数据如下：导热系数（W/mK）为2时，温度值为1500℃，适当调高导热系数；当其数值为6时，对应温度为1200℃；将导热系数增加至10，温度为650℃。根据数据可得到对应结论即随着导热系数的增加，温度越低，当导热系数值分别为2、4、6时，温度在1000～1500℃范围内，材料未出现燃烧现象。实验结果表明，应用蒙特卡罗检测法的导热系数小，同时，还可以有效提高材料防火性能。而采用第二种检测方法所得到的实验结论刚好相反，当导热系数持续增大时，温度也会越来越高，系数为4时，温度为1100℃；系数增加至6时，温度达到1700℃。

通过两项对比性实验的开展，结合不同实验数据，可分析出复合保温材料具备良好的防火性能与柔韧性，可起到隔热的作用。

结束语：通过开展对比性实验，以此探索出其他种材料隔热性能检测方法存在的不足，并凸显出蒙特卡罗检测法的应用优势。合理调控材料加热时间，对材料厚度进行测量，可实现对材料柔韧性能的高效检测，再借助实验找出温度与导热系数之间的联系，以此为基础，检测材料防火性能。结合实验结果，可对蒙特卡罗检测法的隔热性能加以验证，从而达到高效检测的目的，并彰显出复合保温材料在新型建筑施工中的应用价值。

参考文献：

[1]夏蕊芳,程国庆.新型建筑节能墙体保温材料力学和热工性能研究[J].功能材料,2019,50(9):5.

[2]郑玲玲,陈清,杨闯.新型保温材料的性能与前景及其应用研究[J].建筑发展,2021,4(10):33-34.

[3]胡炜.新型建筑墙体节能材料与检测分析[J].建材发展导向,2020,18(11):1.

[4]杨愦绪,杨文静,许冠雄,等.新型建筑材料及建筑节能保温技术分析[J].工程技术研究,2020,5(19):2.

[5]朱静,张帅.建筑外墙节能材料保温隔热能耗控制仿真研究[J].居舍,2020(34):33-34.