佛山市三水区建筑工程质量检测站 广东佛山 528100
摘要：随着近几十年测试技术的发展，材料热导率的测量方法逐渐丰富，精度也越来越高。根据热传导过程的宏观机理，可分为稳态热流法和动态热流法两大类，其中常见的热流计法、保护热流计法和保护热板法属于稳态法的范畴；热线法、热脉冲法和瞬态平面热源法是动态方法之一。国内外相关标准规范对常用的建筑保温材料导热系数的测定方法有明确规定，结合保温材料研究经验和相关资料，在标准规范提供方法的基础上对常用的几种测定保温材料导热系数的方法进行对比综述，并通过试验测试分析提出较为合理的测定方法。
关键词：建筑材料；导热系数；测定方法
随着我国建筑节能工作的不断开展，各种新型节能材料在建筑工程中得到了非常广泛的应用。导热系数是建筑节能材料主要的节能指标。
一、导热系数的影响因素
1.密度。一般情况下，材料的密度越大，材料的导热系数就越大，反之，材料的导热系数就越小。而对于含有孔隙的材料而言，材料的导热系数的主要影响因素为材料的孔隙率和孔隙特征。一般情况下，材料的孔隙率越大，则材料的导热系数就越低。在材料的孔隙率相同的情况下，具有相互连通的孔隙的材料会比孔隙封闭的材料的导热系数高，这是因为连通的孔隙具有空气对流的作用。此外，孔隙的尺寸越大，则材料的导热系数就越大。
2.湿度。水的导热系数会比材料的导热系数大很多，因此在材料受潮之后，材料的孔隙内就会存在较多的水蒸气和水，这就会提高材料的导热系数。一般情况下，材料的含水率越大，则导热系数就越大。冰的导热系数是水的导热系数的4倍，如果材料中的水分被冻成冰，则材料的导热系数会比含水的材料大大增加。
3.分子结构及化学成分。材料的分子结构及化学成分对材料导热系数的影响非常大。比如说，玻璃体物质的导热系数会比晶体的导热系数小很多，这是因为玻璃体物质不能形成晶格的形式。而对于多孔材料而言，无论固体部分的结构是晶体还是玻璃体，都不会对材料的导热系数有较大的影响。这是因为多孔材料主要是由其内的空气决定材料的导热系数，而固体部分的影响就减弱了。
4.热流方向。对于各向异性的材料而言，材料不同方向的导热性能会有所不同，因此热流方向也会影响材料的导热系数。一般情况下，如果热流沿着材料纤维的延伸方向，则热量所受到的阻力就越小，导热系数就大，反之，如果热流沿着材料纤维的垂直方向，导热吸水就越小。
二、稳态热流法
1.热流计法。热流计设备是一种不需精确计量热量参数的相对法设备，采用校准过的热流传感器测量通过样品的热流，得到导热系数的绝对值。热流计导热系数测定仪装置主要由测控主机、加热板、单块或双块测定板、热流传感器、冷却板、低温恒温槽组成。（1）测试原理。测量时，将厚度一定的方形样品（一般为300×300mm、400×400mm、600×600mm三种）插入设备冷热平板间并设置一定的温度梯度ΔT，使用已校准标定的热流传感器测量试件的热流，通过输入试件厚度、冷热板温度梯度和通过的稳定热流即可计算材料的导热系数，热流计法的优点是设备价格相对防护热板法便宜，易于操作，测量结果较精确，测定速度快，环境温度对测量时间影响小。缺点主要是温度和测量范围有限，对测定样品平整度要求高，样品表面的尖锐颗粒易使传感器损坏，每次测量时均须进行校准标定，并且在不同季节测定的样品的重复率相对较低。（2）试验。选用该仪器进行测试，试验结果表明：该方法的离散型较大，同种原材料配制的不同密度等级的陶粒混凝土，测试结果显示，所测导热系数在900～1100密度等级狭窄范围内无明显线性关系。分析认为热流计法导热系数测定仪的准确性与设备热流计系数标定有决定性的关系，在测定前应针对不同材料的热流密度，选用与待测样板导热系数λ相近的标准参比板进行标定后再进行测试，同时不能仅仅进行一次标定就用来测定密度等级差别较大或者不同品种的建筑保温材料，否则测定结果可能产生较大误差。
2. 防护热流计法。防护热流计法测定原理与热流计法基本一致，不同之处是待测样品被保护加热器包围，测定温度范围、测试精确度和导热系数测量范围更宽，对于需要较高量程的样品可采用防护热流计法进行。
三、动态热流法
1.热脉冲法。（1）测定原理及装置。热脉冲法导热系数测定仪是由一个加热器和放置在加热器两侧材料相同的三块试件（一薄两厚）以及测温热电偶组成，热脉冲法测定装置简单，购买相关仪器、仪表可自行组装；测定时间短，每次试验10～20min左右；测定范围广，可测定密度30～3000 kg/m3的干燥和潮湿的块状和粉状的保温材料。该种方法虽然测定时间短、装置简单，但测定原理较复杂，对样品加工要求较高，测定结果重复性偏低，误差一般达到10%左右，测定样品的初始外界温度和试验过程外界温度要求恒定，故对试验室温度要求较高。（2）试验。采用该方法测试时待测样品需三块为一组，必须是同一种材料一次成型，相互之间的密度差小于5%，试样表面平整、厚度均匀，其中薄试件的不平整度应小于试件厚度的1%。结合陶粒混凝土项目，采用热脉冲法检测不同密度等级的陶粒混凝土导热系数。
2.热线法。（1）测定原理。热线法是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。测定时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，由此可得到材料的导热系数。其基本原理是在均质均温的试样中放置一根电阻丝，即所谓的“热线”，一旦热线在恒定功率作用下放热，则热线和热线附近试样的温度将会升高，根据其温度随时间的变化关系就可以确定试样的导热系数，这种方法不仅适用于干燥材料而且还适用于含湿材料，此方法测量时间比较短，一般不超过300s，所测量材料一般为导热系数小于2W/m·K的各向同性均质材料。（2）要点总结。热线法具有简便、快速、易于操作、设备简单的优点，从而在工程技术和科学研究中得到较为广泛应用，但该方法制备样品较复杂，主要适用于粉状低导热系数材料，测定精度在5%～15%之间，测定精度一般。（3）试验。结合陶粒混凝土项目试验，对比轻质混凝土常用的热脉冲法、热流计法和防护热板法三种方法的准确性。首先按照《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51-2002中给出的热脉冲法测试1100级、1200级、1300级陶粒混凝土，然后用同一配比陶粒混凝土分别采用热流计法和防护热板法进行对比测试。试验结果如表1所示。
表1不同测试方法结果汇总
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通过对比可知：防护热板法测试的结果与检测机构权威数据更接近，且与标准给出的参考值更接近，并且不同密度等级之间的连续性更好；热流计法的误差相对较大，且不同密度等级的结果较离散，这可能跟系数标定存在自身误差有关。
总之，导热系数是建筑保温材料的一项重要指标，在保证待测样板符合规定的情况下，需要根据要求选用合适的测试方法，而目前导热系数的测定方法还没有统一的国家或行业层面的标准方法。对测定结果准确度要求不太高的单位可以采用热脉冲法，该种方法测定时间较短，造价低廉，维护成本较低，同时准确度也相对较高。
参考文献：
[1]刘萍.关于建筑节能材料导热系数测定方法综述.2020.
[2]张立睿.稳态法测定保温材料导热系数的系统性误差.2019.