《土木工程材料》 教案 第十二章 絕熱材料和吸聲材料

土木工程材料教案

課程信息課程名稱土木工程材料授課專業(yè)土木工程課程類型必修課公共課（）；專業(yè)基礎(chǔ)課（）；專業(yè)課（√）；選修課限選課（）；任選課（）；專業(yè)拓展課（）授課方式講授（√）；實踐課（√）；其它（）考核方式考試（）；考查（√）課程教學(xué)總學(xué)時數(shù)32學(xué)時學(xué)分?jǐn)?shù)2學(xué)分學(xué)時分配理論課20時；實踐課12學(xué)時；教材名稱土木工程材料作者柯龍；董萌；趙影出版社西安電子科技大學(xué)出版社書號978-7-5606-6993-9出版時間2023.09班級課程名稱土木工程材料授課教師授課課時2學(xué)習(xí)課題絕熱材料和吸聲材料教學(xué)基本要求對絕熱材料和吸聲材料有一個總體的、全貌的了解。教學(xué)重點、難點普通絕熱材料和吸聲材料的基本組成材料與要求。絕熱材料的作用及影響因素。絕熱材料的選用及基本要求。吸聲系數(shù)的具體計算。教學(xué)方法、手段案例導(dǎo)入法、講授法、小組討論法教學(xué)過程設(shè)計導(dǎo)入——專題講解——問題分析討論——練習(xí)——歸納總結(jié)參考案例來自教材、相關(guān)參考書教具、教材教學(xué)課件PPT、教學(xué)錄像片

教師學(xué)期授課教案授課提綱及重難點分析教學(xué)方法設(shè)計時間分配及旁注12.1絕熱材料的基本用途絕熱材料是防止住宅、生產(chǎn)車間、公共建筑及各種熱工設(shè)備中熱量傳遞的材料，也就是具有保溫隔熱性能的材料。在土木工程中，絕熱材料主要用于墻體和屋頂保溫隔熱，以及熱工設(shè)備、采暖和空調(diào)管道、冷藏設(shè)備的保溫。12.1.1絕熱材料的作用及影響因素1.絕熱材料的作用原理熱從本質(zhì)上是由組成物質(zhì)的分子、原子和電子等，在物質(zhì)內(nèi)部的移動、轉(zhuǎn)動和振動所產(chǎn)生的能量。在任何介質(zhì)中，當(dāng)兩點之間存在溫度差時，就會產(chǎn)生熱能傳遞現(xiàn)象，熱能將由溫度較高點傳遞至溫度較低點。2.影響材料導(dǎo)熱性的主要因素影響材料導(dǎo)熱性的主要因素有以下幾點：（1）材料的組成及微觀結(jié)構(gòu)。不同的材料其導(dǎo)熱系數(shù)是不同的。一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體再次之，氣體最小。（2）表觀密度與孔隙特征。由于材料中固體物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力比空氣大得多，故表觀密度小的材料，因其孔隙率大，導(dǎo)熱系數(shù)小。在孔隙率相同時，孔隙尺寸愈大，導(dǎo)熱系數(shù)愈大；連通孔隙的比封閉孔隙的導(dǎo)熱系數(shù)大。（3）材料的濕度。材料吸濕受潮后，其導(dǎo)熱系數(shù)增大，這在多孔材料中最為明顯。這是由于水的導(dǎo)熱系數(shù)0.58W/（m.K）遠(yuǎn)大于密閉空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.023W/（m.K）。（4）溫度。材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。因為溫度升高時，材料固體分子的熱運動增強(qiáng)，同時材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁間的輻射作用也有所增加。（5）熱流方向。對于各向異性的材料，如木材等纖維質(zhì)的材料，當(dāng)熱流平行于纖維方向時，熱流受阻小，故導(dǎo)熱系數(shù)大。而熱流垂直于纖維方向時，熱流受阻大，故導(dǎo)熱系數(shù)小。12.1.2常用絕熱材料絕熱材料按化學(xué)成分可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類；按材料的構(gòu)造可分為纖維狀、松散粒狀和多孔狀三種。通?？芍瞥砂?、片、卷材或管殼等多種形式的制品。一般來說，無機(jī)絕熱材料的表觀密度較大，但不易腐朽，不會燃燒，有的能耐高溫。有機(jī)絕熱材料則質(zhì)輕，絕熱性能好，但耐熱性較差。現(xiàn)將土木工程中常用的絕熱材料簡介如下。1.纖維狀保溫隔熱材料這類材料主要是以礦棉、石棉、玻璃棉及植物纖維等為主要原料，制成板、筒、氈等形狀的制品，廣泛用于住宅建筑和熱工設(shè)備、管道等的保溫隔熱。這類絕熱材料通常也是良好的吸聲材料。1）石棉及其制品石棉是一種天然礦物纖維，主要化學(xué)成分是含水硅酸鎂，具有耐火、耐熱、耐酸堿、絕熱、防腐、隔音及絕緣等特性。常制成石棉粉、石棉紙板和石棉氈等制品。2）礦棉及其制品礦棉一般包括礦渣棉和巖石棉。礦渣棉所用原料有高爐硬礦渣、銅礦渣等，并加一些調(diào)節(jié)原料（鈣質(zhì)和硅質(zhì)原料）；巖石棉的主要原料為天然巖石（白云石、花崗石或玄武巖等）。3）玻璃棉及其制品玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃經(jīng)熔融后制成的纖維材料，包括短棉和超細(xì)棉兩種。短棉的表觀密度為40~150kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035~0.058W/（m.K），價格與礦棉相近。4）植物纖維復(fù)合板植物纖維復(fù)合板是以植物纖維為主要材料加入膠結(jié)料和添加料而制成。其表觀密度為200~1200kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/（m.K），可用于墻體、地板、頂棚等，也可用于冷藏庫、包裝箱等。5）陶瓷纖維絕熱制品陶瓷纖維是以氧化硅、氧化鋁為主要原料，經(jīng)高溫熔融、蒸汽（或壓縮空氣）噴吹或離心噴吹（或溶液紡絲再經(jīng)燒結(jié)）而制成的，表觀密度為140~150kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1160~0.186W/（m.K），最高使用溫度為1100~1350℃，耐火度>1770℃，可加工成紙、繩、帶、毯、氈等制品，供高溫絕熱或吸聲之用。2.散粒狀保溫隔熱材料1）膨脹蛭石及其制品蛭石是一種天然礦物，經(jīng)850~1000℃煅燒，體積急劇膨脹，單顆粒體積能膨脹約20倍。膨脹蛭石的主要特性是表觀密度為80~900kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.046~0.070W/（m.K），可在1000~1100℃溫度下使用，不蛀、不腐，但吸水性較大。2）膨脹珍珠巖及其制品膨脹珍珠巖是由天然珍珠巖煅燒而成的，呈蜂窩泡沫狀的白色或灰白色顆粒，是一種高效能的絕熱材料。其堆積密度為40~500kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.047~0.070W/（m.K），最高使用溫度可達(dá)800℃，最低使用溫度為—200℃。3.多孔性板塊絕熱材料1）微孔硅酸鈣制品微孔硅酸鈣制品是用粉狀二氧化硅材料（硅藻土）、石灰、纖維增強(qiáng)材料及水等，經(jīng)攪拌、成型、蒸壓處理和干燥等工序而制成。2）泡沫玻璃泡沫玻璃是由玻璃粉和發(fā)泡劑等經(jīng)配料、燒制而成。氣孔率為80%~95%，氣孔直徑為0.1~5.0mm，且大量為封閉而孤立的小氣泡。3）泡沫混凝土泡沫混凝土由水泥、水、松香泡沫劑混合后，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而制成的一種多孔、輕質(zhì)、保溫、絕熱、吸聲的材料。4）加氣混凝土加氣混凝土是由水泥、石灰、粉煤灰和發(fā)泡劑（鋁粉）配制而成，是一種保溫絕熱性能良好的輕質(zhì)材料。5）硅藻土硅藻土是由水生硅藻類生物的殘散堆積而成的，其孔隙率為50%~80%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.060W/（m.K），具有很好的絕熱性能，最高使用溫度可達(dá)900℃，可用作填充料或制成制品。6）泡沫塑料泡沫塑料以各種樹脂為基料，加入一定劑量的發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等輔助材料，經(jīng)加熱發(fā)泡而制成的一種具有輕質(zhì)、保溫、絕熱、吸聲、抗震性能的材料。4.其他絕熱材料1）軟木板軟木也叫栓木。軟木板是用栓皮、棟樹皮或黃菠蘿樹皮為原料,經(jīng)破碎后與皮膠溶液拌和,再加壓成型,在溫度為80℃的干燥室中干燥一晝夜而制成。2）蜂窩板蜂窩板是由兩塊較薄的面板牢固地黏結(jié)在一層較厚的蜂窩狀芯材兩面而制成的板材,亦稱蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。3）窗用絕熱薄膜窗用絕熱薄膜是以聚酯薄膜經(jīng)紫外線吸收劑處理后,在真空中進(jìn)行蒸鍍金屬粒子沉積層,然后與一層有色透明的塑料薄膜壓黏而成。12.1.3絕熱材料的選用及基術(shù)要求綠色混凝土是一種通過改善混凝土原料，添加礦物摻和料、再生骨料和其他成分的高性能、高耐久性的混凝土。其主要分為以下幾類：1）再生骨料混凝土混凝土結(jié)構(gòu)物拆除后會產(chǎn)生大量的廢棄固體材料，如廢混凝土、廢磚塊和廢砂漿等，這些廢棄材料可以通過粉碎等機(jī)制形成可重新回收利用的混凝土骨料。2）大氣凈化混凝土大氣凈化混凝土是一種含有二氧化鐵，在日照和雨水的作用下能夠分解污染的大氣中有害物質(zhì)、凈化空氣的混凝土。3）透水混凝土透水混凝土是調(diào)整混凝土的配合比，增大粗骨料比例的一種透水透氣性能較強(qiáng)的混凝土。4）機(jī)敏混凝土機(jī)敏混凝土是一種智能建筑材料，它是一種能夠自主感知損傷并進(jìn)行自我修復(fù)的混凝土。12.1.4絕熱材料的選用及基術(shù)要求選用絕熱材料時，應(yīng)滿足的基本要求是：導(dǎo)熱系數(shù)不宜大于0.23W/（m.K），表觀密度不宜大于600kg/m3，抗壓強(qiáng)度則應(yīng)大于0.3MPa。12.1.5常用絕熱材料的技術(shù)性能常用絕熱材料的技術(shù)性能如表121所示。約30min12.2吸聲材料為了改善聲波在室內(nèi)傳播的質(zhì)量，保持良好的音響效果和減少噪聲的危害，在音樂廳、影劇院、大會堂、播音室及噪聲大的工廠車間等室內(nèi)的墻面、地面、頂棚等部位，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)奈暡牧稀?2.2.1吸聲材料的作用原理聲音起源于物體的振動，如我們在說話時聲帶的振動和擊鼓時鼓皮的振動都能產(chǎn)生聲音，聲帶和鼓皮就叫作聲源。聲源的振動迫使鄰近的空氣隨著振動而形成聲波，并在空氣介質(zhì)中向四周傳播。聲音沿發(fā)射的方向最響，稱為聲音的方向性。12.2.2吸聲材料的類型及其結(jié)構(gòu)形式1.多孔吸聲結(jié)構(gòu)多孔性吸聲材料是比較常用的一種吸聲材料，它具有良好的中高頻吸聲性能。多孔性吸聲材料具有大量的內(nèi)外連通微孔，通氣性良好。當(dāng)聲波入射到材料表面時，聲波很快地順著微孔進(jìn)入材料內(nèi)部，引起孔隙內(nèi)的空氣振動，由于摩擦，空氣黏滯阻力和材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收。1）材料的表觀密度和構(gòu)造的影響多孔材料的表觀密度增加，意味著微孔減小，能使低頻吸聲效果有所提高，但高頻吸聲性能卻下降。材料孔隙率高、孔隙細(xì)小，吸聲性能較好；孔隙過大，效果較差。但過多的封閉微孔對吸聲并不一定有利。2）材料厚度的影響多孔材料的低頻吸聲系數(shù)一般隨著厚度的增加而提高，但厚度對高頻影響不顯著。因為材料的厚度增加到一定程度后，吸聲效果的變化就不明顯，所以為提高材料吸聲效果而無限制地增加厚度是不適宜的。3）背后空氣層的影響大部分吸聲材料都是固定在龍骨上，材料背后空氣層的作用相當(dāng)于增加了材料的厚度，吸聲效果一般隨著空氣層厚度的增加而提高。4）材料孔隙特征的影響吸聲材料的表面孔洞和開口連通空隙愈多，其吸聲效果愈好。當(dāng)材料吸濕或變面噴涂油漆、空隙充水或堵塞，會大大降低吸聲材料的吸聲效果。2.薄板振動吸聲結(jié)構(gòu)薄板振動吸聲結(jié)構(gòu)的特點是具有低頻吸聲特性，同時還有助于聲波的擴(kuò)散。建筑中常用膠合板、薄木板、硬質(zhì)纖維板、石膏板、石棉水泥板或金屬板等。3.共振吸聲結(jié)構(gòu)共振吸聲結(jié)構(gòu)具有密閉的空腔和較小的開口孔隙，很像個瓶子。當(dāng)瓶腔內(nèi)的空氣受到外力激蕩，會按一定的頻率振動，這就是共振吸聲器。4.穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)具有適合中頻的吸聲特性。這種吸聲結(jié)構(gòu)與單獨的共振吸聲器相似，可看作是多個單獨共振吸聲器并聯(lián)而成。穿孔板厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及是否填充多孔吸聲材料等5.柔性吸聲結(jié)構(gòu)具有密閉氣孔和一定彈性的材料，如聚氯乙燒泡沫塑料，表面仍為多孔材料。6.懸掛空間吸聲結(jié)構(gòu)懸掛于空間的吸聲體，由于聲波與吸聲材料的兩個或兩個以上的表面接觸，增加了有效的吸聲面積，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，加上聲波的衍射作用，大大提高了吸聲效果。7.簾幕吸聲結(jié)構(gòu)簾幕吸聲結(jié)構(gòu)是用具有通氣性能的紡織品，安裝在離開墻面或窗洞一段距離處，背后設(shè)置空氣層。這種吸聲體對中、高頻都有一定的吸聲效果。簾幕的吸聲效果還與所用材料種類有關(guān)。簾幕吸聲體安裝拆卸方便，兼具裝飾作用，應(yīng)用價值高。12.2.3吸聲材料的選用及安裝注意事頂在室內(nèi)采用吸聲材料可以抑噪聲，保持良好的音質(zhì)（聲音清晰且不失真），故在教室、禮堂和劇院等室內(nèi)應(yīng)當(dāng)采用吸聲材料。吸聲材料的選用和安裝必須注意以下幾點：（1）要使吸聲材料充分發(fā)揮作用，應(yīng)將其安裝在最容易接觸聲波和反射次數(shù)最多的表面上，而不應(yīng)把它集中在天花板或某一面的墻壁上，并應(yīng)比較均勻地分布在室內(nèi)各表面上。（2）吸聲材料的強(qiáng)度一般較低，應(yīng)設(shè)置在護(hù)壁線以上，以免碰撞破損。（3）多孔吸聲材料往往易于吸濕，安裝時應(yīng)考慮