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第14章　绝热和吸声材料
14.1 绝热材料
14.2 吸声材料
14.1　绝热材料
　　绝热材料是用于减少结构物与环境热交换的一种功能材料，是保温材料和隔热材料的总称。在建筑工程中绝热材料主要用于墙体、屋盖的保温隔热，热工设备、热力管道的保温，有时也用于冬季施工保温，一般空调房间、冷藏室、冷库等的围护结构上也大量使用。
　　建筑工程中使用绝热材料，一般要求其导热系数不宜小于0.17W/（m·K）,表观密度不大于600kg/m3,抗压强度不小于0.3MPa。在具体选用时，还要根据工程的特点，考虑材料的耐久性、耐火性、耐侵蚀性等是否满足要求。
14.1.1　影响材料性能的因素
　　热量通过三种传递方式传递：传导、对流和热辐射。
　　传导是指热量由高温物体流向低温物体或者由物体的高温部分流向低温部分，是由于物体各部分直接接触的物质质点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热膨胀使其密度减小从而上升，冷的液体或气体补充过来，形成循环流动，通过循环流动传递热量的方式。辐射是指靠电磁波传递热量的方式。
图14.1　热量通过围护结构的传导过程
　　在热传递过程中，往往同时存在两种或三种传热方式；但因材料都是多孔的，孔壁之间的热辐射和孔隙中空气的对流作用与热传导相比，所占的比例很小，所以在建筑热工设计时通常主要考虑热传导。
　　热量通过围护结构的传导过程如图14.1所示。实践证明，在稳定导热的情况下，通过壁体的传热量Q与壁体材料的导热能力、壁面之间的温差、传热面积和传热时间成正比，与壁体的厚度成反比，其计算公式见式（2－15(b)）。关于影响材料导热的因素第2章已作介绍，这里不再表述。
14.1.2　常用绝热材料及其性能
　　1．无机纤维状绝热材料
　　1）石棉及其制品
　　石棉是天然矿物纤维材料，主要成分是含水硅酸镁、硅酸铁，是由天然蛇纹石或角闪石经松解而成。它具有耐火、耐热、耐酸碱、绝热、防腐、隔声及绝缘等性能。除用作填充材料外，石棉还可与水泥、硅酸镁等结合制成石棉制品绝热材料，用于建筑工程的高效保温及防火覆盖等。
　　2）矿棉及其制品
　　岩棉和矿渣棉统称为矿棉。矿渣棉的原料主要是工业废料矿渣；岩棉的主要原料是天然岩石，经熔融后，用喷吹法或离心法制成。矿棉具有轻质、不燃、绝热和电绝缘等性能，且原料来源丰富，成本较低；可制成矿棉板、矿棉毡及管套等，可用于建筑的墙壁、屋顶、天花板等处的保温材料及热力管的保温材料。
　　3）玻璃棉及制品
　　玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成的一种纤维状材料，包括短棉和超细棉两种。短棉可制成沥青玻璃棉毡、板等制品；超细棉可制成普通超细棉毡、板，也可制成无碱超细玻璃棉毡等，用于房屋建筑中的保温及管道保温。
　　4）陶瓷纤维
　　陶瓷纤维以氧化硅、氧化铝为原料，经高温熔融、喷吹制成，可制成毡、毯、纸、绳等制品，最高使用温度可达1100℃～1300℃，用于高温绝热。
　　2．无机散粒状绝热材料
　　1）膨胀蛭石及其制品
　　膨胀蛭石是由天然蛭石经破碎、煅烧膨胀后制成的松散颗粒状材料，λ=（0.046～0.070）W/（m·K）,最高使用温度为1000℃～1100℃，主要用于填充墙壁、楼板及平屋顶等，保温效果好，使用时应注意防潮。
　　膨胀蛭石除用作填充材料外，也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合制成砖、板、管件等用于围护结构及管道保温。
　　2）膨胀珍珠岩
　　膨胀珍珠岩是由天然蛭石经破碎、煅烧膨胀后制成的，呈蜂窝泡沫状的白色或灰白色颗粒材料，导热系数λ=（0.047～0.070）W/（m·K），最高使用温度可以达到800℃，最低使用温度为-200℃，轻质、吸湿性好、化学稳定性好、不燃烧、耐腐蚀、施工方便。广泛应用于建筑工程的围护结构、低温和超低温制冷设备、热工设备等的绝热保温。
　　膨胀珍珠岩制品是膨胀珍珠岩配以适量的胶凝材料，经拌和、成型、养护而成的板、砖、管件等制品。
　　3．无机多孔类绝热材料
　　1）硅藻土
　　硅藻土是一种硅藻的水生植物的残骸。硅藻土是由微小的硅藻壳构成的，硅藻壳内又包含大量极其细小的微孔。硅藻土的孔隙率为50％～80％，因而具有很好的保温绝热性能。其导热系数?λ?=0.060W/（m·K），最高使用温度为900℃。硅藻土常用作填充料或制成硅藻土砖。
　　2）微孔硅酸钙制品
　　微孔硅酸钙制品是用硅藻土、石灰、石英砂、纤维增强材料及水等经搅拌成型并蒸压和干燥等工序制成的。其导热系数λ?=（0.047～0.056）W/（m·K），最高使用温度为650℃～1000℃，用于建筑物围护结构和管道保温，效果比水泥膨胀珍珠岩和水泥蛭石好。
　　3）泡沫玻璃
　　泡沫玻璃是碎玻璃加入一定的发泡剂，经粉磨、混合、装模，在800℃下煅烧生成具有大量封闭气泡的多孔材料。泡沫玻璃具有导热系数小、抗压强度高、抗冻性好、耐久性好等特点，并且可锯切、钻孔、黏结，是一种高级绝热材料，可用来砌筑墙体，也可用于冷藏设备的保温等。
　　4.多孔混凝土
　　多孔混凝土主要有加气混凝土和泡沫混凝土。其特性是孔隙率大，表观密度小，又有一定的强度，所以常用作围护墙体的保温隔热材料。
　　5.有机绝热材料
　　1）泡沫塑料
　　泡沫塑料是以各种树脂为基料，加入一定量的发泡剂、催发剂和稳定剂等辅助材料，经加热发泡而制成的一种新型轻质保温材料。泡沫塑料的种类很多，均以所用树脂来?取名。?
　　泡沫塑料具有表观密度小、绝热性能好、加工方便等优点。我国目前应用得最多的是苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料和脲醛泡沫塑料等。其可用于屋面、墙面保温及冷藏库绝热，常填充在围护结构中或夹在两层其他材料中间作夹心板。
　　2）植物纤维类绝热板
　　以植物纤维为主要成分的板材，常用作绝热材料，包括各种软质纤维板。
　　（1）软木板。软木板是用拴皮栎树或黄菠萝树皮为原料，经破碎后与皮胶溶液拌和，加压成型，在80℃的干燥室内干燥一昼夜而制成的。软木板具有表观密度小、导热系数小、抗渗和防腐性能好的特点。
　　（2）蜂窝板。蜂窝板是由两块较薄的面板，牢固地黏结在一层较厚的蜂窝状芯材两面制成的板材，也称蜂窝夹层结构。蜂窝板的特点是强度大、导热系数小、抗震好，可以制成轻质高强的结构用板材，也可以制成绝热性能良好的非结构用板材和隔声材料。
14.2　吸声材料
14.2.1　材料的吸声原理
　　声音是由于物体的振动引起的，物体振动迫使临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。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。声能的这种减弱现象，在室外空旷处尤为明显，但在室内，这种现象就不太明显，而主要是靠室内的墙壁、顶棚和地板等材料表面对声能的吸收来使声音减弱。
　　当声波遇到材料表面时，一部分被反射，一部分穿透材料，其余部分则被材料吸收。这些被吸收的能量（包括穿透部分的声能）与入射声能之比，称为吸声系数α。其计算公式为
（14－1）
式中：α——材料的吸声系数；
　　?E1——材料吸收的声能；
　　?E2——穿透材料的声能；
　　?E0——入射的全部声能。
　　当入射声能全部被吸收时，吸收系数等于1，一般材料的吸声系数在0～1之间。
　　材料的吸声性能除了与材料本身性质、厚度及材料的表面特征有关外，还与声音的频率及声音的入射方向有关。为了全面反映材料的吸声性能，通常采用125Hz、250Hz、?500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz6个频率的吸声系数表示材料吸声的频率特征。任何材料均能不同程度地吸收声音，通常把6个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，称为吸声材料。
14.2.2　建筑上常用的吸声材料
表14－1　建筑常用吸声材料
表14－1　建筑常用吸声材料
14.2.3　吸声材料的类型及其结构形式
　　1.多孔性吸声材料
　　多孔性吸声材料是比较常用的一种吸声材料，具有良好的中高频吸声性能。多孔性吸声材料具有大量内外连通的微孔和连续的气泡，通气性良好。当声波入射到材料表面时，声波很快地顺着微孔进入材料的内部，引起孔隙内的空气震动，由于摩擦、空气黏滞阻力和材料内部的热传导作用，使相当一部分声能转化为热能而被吸收。多孔材料吸声的先决条件是声波易进入微孔，不仅在材料内部，在材料表面上也应当是多孔的。
　　材料的吸声性能与材料的表观密度和内部构造有关。在建筑装修中，吸声材料的厚度、材料背后的空气层以及材料的表面状况，对吸声性能都有影响。
　　1）材料表观密度和构造的影响
　　多孔材料的表观密度增大，意味着微孔减少，能使低频吸声效果有所提高，但高频吸声性能下降。材料孔隙率高、孔隙细小,吸声性能就越好；但孔隙过小，效果反而较差。过多的封闭微孔，对吸声并不一定有利。
　　2）材料厚度的影响
　　多孔材料的低频吸声系数一般随着厚度的增加而提高，但增加厚度对高频影响不显著。材料的厚度增加到一定程度后，吸声效果的变化就不明显。因此，为提高材料吸声性能而无限制地增加厚度是不适宜的。
　　3）背后空层的影响
　　大部分吸声材料都是周边固定在龙骨上，安装在距墙面5mm～15mm处。材料背后空气层的作用相当于增加了材料的厚度，吸声效能一般随空气层厚度增加而提高。当材料距墙面的安装距离等于1/4波长的奇数倍时，可获得最大的吸声系数。根据这个原理，利用调整材料背后空气层厚度的办法，可达到提高吸声效果的目的。
　　4）表面特征的影响
　　吸声材料的表面的空洞和开口孔隙，对吸声是有利的。当材料吸湿或表面喷涂油漆、孔口充水或堵塞，会大大降低吸声材料的吸声效果。
　　多孔性吸声材料的结构与绝热材料相同，都是多孔性材料，但在材料孔隙特征要求上有很大的差别：绝热材料要求具有封闭的互不连通的气孔，但吸声材料则要求气孔是连通的，而且这种气孔越多，则吸声性能越好。
2.薄板振动吸声结构
　　薄板振动吸声结构的特点是具有低频率吸声特性，同时还有助声波的扩散。建筑中常用胶合板、薄木板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板或金属板等，将它们周边固定在墙或顶棚的龙骨上，并在背后留有空气层，即薄板振动吸声结构。
　　薄板振动吸声结构是板在声波作用下发生振动，板振动时由于板内部和龙骨间出现摩擦损耗，使声能转化为机械振动能，从而起到吸声作用。由于低频声波比高频声波容易激起薄板产生振动，所以具有低频吸声特性。
　　3.柔性吸声材料
　　具有密闭气孔和一定弹性的材料，例如聚氯乙烯泡沫塑料，表面仍为多孔材料，但因具有密闭气孔，声波引起的空气振动不易直接传递直至材料内部，只能相应地产生振动，在振动过程中由于克服材料内部的摩擦而消耗了声能，引起声波的衰减。这种材料的吸声性能是在一定的频率范围内出现一个或多个吸声频率。
　　4.穿孔板组合共振吸声结构
　　穿孔板组合共振吸声结构具有适合中频的吸声特性。这种吸声结构与单独的共振吸声器相似，可看做是多个单独共振器并联而成。这种吸声结构由穿孔板的胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板、铝合板和薄钢板等，将周边固定在龙骨上，并在背后设置空气层而构成。这种吸声结构在建筑中使用较为普遍。
14.2.4　隔声材料
　　隔声是指材料阻止声波透过的能力。隔声性能的好坏用材料的入射声能与透过声能相差的分贝数表示，差值越大，隔声性能越好。
　　通常要隔绝的声音按照传播途径可分为空气声（由于空气的振动）和固体声（由于固体的撞击或振动）两种。对于隔绝空气声，根据声学中的“质量定律”，墙或板传声的大小，主要取决于单位面积的质量，质量越大，越不易振动，隔声效果越好，故应选择密实、沉重的材料（烧结普通砖、钢筋混凝土、钢板等）作为隔声材料。对于隔绝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、房屋的框架和墙板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料或在楼板上加弹性地毯。
　　由此可见，材料的隔声原理与材料的吸声原理不同，因此，吸声效果好的疏松材料隔声效果不一定好。

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