第三节 建筑材料检测圆管法和圆球法
建筑材料检测圆管法和圆球法，是测定建筑材料导热系数的两种常用方法，也是评价建筑材料节能效果的主要方法。
圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理，直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。要求被测材料应当可以卷曲成圆管状，并包裹于加热圆管的外侧，由于该方法的原理是基于一维稳态导热模型，所以在测试的过程中应尽可能在试样中维持一维稳态温度场，以确保能够获得准确的导热系数。
圆球法是以同心球壁稳定导热规律作为基础的。在球坐标中，考虑到温度仅随半径r而变，故是一维稳定温度场导热。实验时，在不同直径为的两个同心圆球的圆壳之间均匀地充填被测材料，内球中则装有电加热元件。从而在稳定导热条件下，只要测定被测试材料两边即内外球壁上的温度以及通过的热流，就可用公式计算被测材料的导热系数。
一、材料导热系数的圆管法
导热系数是反映物质导热性能的物理量，要确定物质的导热系数一般可通过理论计算和试验测定两种途径。其中，理论计算法是先确定物质的导热机理、分析导热的物理模型，然后通过数学分析和计算来得到物质的导热系数。但由于导热系数因物质成分、质地、结构的不同而有所差异，用理论计算法求得的导热系数，不一定符合材料的实际情况。实践证明，圆管法是测定材料导热系数的好方法。
采圆管法测定的关键是如何维持一维稳态温度场，为了减少由于圆管端部热损失产生的非一维效应，根据圆管法的测量要求，常用圆管式导热仪多数还应采用辅助加热器，即在测试的两端设置辅助加热器，以保证在允许的范围内轴向温度梯度相对于径向温度梯度的大小，从而使测量段具有良好的一维温度场特性。圆管法的结构如图4-4所示。
图4-4 圆管法的结构示意
圆管法的检测方法及装置、试样要求等方面，应符合国家标准《绝热层稳态传热性质的测定 圆管法》（GB/T 10296—2008）中的规定。
（一）圆管法的适用条件
圆管法适用于通常高于周围环境温度的圆管绝热层（包括纵、横接缝、防潮层及覆皮等）稳态热传递特性的测定。这种方法允许测定管在试件或者测定管材料的最高使用温度下运行。测定温度的下限受试件外表温度和为达到特定的测量精度所需温差的约束。通常测定装置是在15～35℃控制的静止空气中运行，但也可以延伸到其他环境温度、流速和其他气体中，试件外表温度可以靠加热或冷却的外壳，或者使用一层附加绝热层来达到某一温度值。
（二）圆管法的测定装置
《绝热层稳态传热性质的测定 圆管法》（GB/T 10296—2008）中的规定，圆管法应采用圆管防护端头型测定装置，在计量段两端头处，依靠用隔缝分开个别加热的防护段使其轴向热流减到最小。测定装置由被分段加热的测定管和控制仪器、测量测定管各段温度的仪器、试件外表面温度测量仪器、环境温度及耗于计量段加热功率的仪器等组成。圆管法的防护端头型测定装置，如图4-5所示。
图4-5 圆管法的防护端头型测定装置
1—测定管右防护段；2—测定管计量段；3—测定管左防护段；4—加热管左防护段；5—跨过加热管隔缝的控制热电偶；6—防护端测量热电偶；7—跨过测定管隔缝的控制热电偶；8—测定管计量段测量热电偶之一
1.圆管法的外形尺寸
圆管法应用于具有圆筒形截面，或可以卷曲成管状材料的测定管，其外径为公称管径之一。对于管子外形尺寸上没有太多的限制， 但计量段应当有足够长度，以确保端头的轴向热损失与测得的总热流相比是足够的小，以达到测定所期望的精度。对于一个外径为88.9mm的防护端头装置，0.6m的计量段长度与约1m的试件总长可以满足要求。
在通常情况下，对于一种制品或材料，应至少在接近有关范围内的两种管径上进行测定，测得的导热系数如果误差比较大，可在不同管子尺寸测得的同一热传递特性不同值之间内插，但管子的绝热层厚度及温度均应相同。
2.圆管法的隔缝要求
防护端头型装置在测定管和内加热管上用隔缝使计量段和防护段间的热交换减到最小。但隔缝的宽度不得超过4mm，其间用绝热材料填满。每个隔缝内部应有隔板阻挡计量段与防护段的热交换。
测定管和加热管表面每个隔缝两侧不超过25mm 处，应当安装温差热电偶或热电堆。在任何跨越隔缝的高导热支撑部件上也应在对应部位安装示差热电偶。
3.方位及热电偶布置
圆管法一般应用于具有水平轴的测定管装置。测定管计量段表面温度应至少由4支热电偶测定其平均值，当计量段长度较长时，每150mm管长应有至少一支热电偶。它们被纵向设置在计量段等长度段的中心，并应以螺旋线形沿管周等间距角整圈数布置，间距角一般为45°～90°。
4.圆管法温度传感器
圆管法一般用热电偶作为温度传感器。热电偶应单独进行标定或取自经过标定的同一等级热电偶线材。测定金属表面温度时，热电偶线直径不得大于0.63mm；测定非金属表面温度时，热电偶线直径不得大于0.40mm。用几支热电偶并联测定平均温度时，各热电偶结点间应电绝缘，各支热电偶电阻应相等。
5.温度测定系统要求
温度测定系统应具有较高的准确度，要足以把确定温差的误差限制在可接受的范围内。如假定某试件的径向温差为20K，而温差测量误差允许范围不超过1%，则温差测定必须准确地控制在0.2K以内；温度是个别测定的，假如误差是随机的，则温度的测定必须准确到0.14K以内。很显然，当温差较大时温度和温差测定允许的绝对误差可以大得多。
6.圆管法的电源要求
计量段加热器所用的电源应当很好地整定，可以采用直流电，也可以采用交流电。防护段加热器所用的电源，如果不用温控仪也应当加以整定。
7.圆管法的功率测量
计量段加热器的平均功率测量的准确度应不低于±0.5%。但必须注意使测得的功率仅是消耗于计量段加热用，未考虑其他方面用。
8.环境温度控制测量
有温度控制的封闭室，在测定管和环境空气之间的温差不超过200℃时，环境温度变化应维持在±1℃以内；温差超过200℃时，环境温度变化应维持在±2℃以内，并能保持在适用条件中规定范围内的任何温度上。
环境气体温度传感器的设计和安置，应不会直接受测定管或其他热源的影响。可以用实验确定其合适的位置，需要时应加辐射屏蔽，不允许将温度传感器直接置于装置上部。
9.外部或外加绝热层
用受温度控制的外套或外加绝热层将试件围起，都可用于改变试件外表面温度。在任何一种情况下，试件外表面温度测量热电偶应在外套或外加绝热层放置以前装好。外套或外加绝热层面对试件的内表面，其发射率应当大于0.80。
（三）圆管法的试件要求
圆管法测试的试件可以是刚性、半刚性、可曲折的或有适当包含的松散材料，不论是否是均质的或是否各向同性的，可包括切缝、接头、其他覆皮、金属元件或外套。试件应在其全长内，尺寸和形状比较均匀（试件本身固有的不均匀性，如接缝的错位或其他特意布置的不规则处除外）。一般试件的外形是圆的，与圆管的孔径同心。
1.圆管法的试件预处理
为确保圆管法测定结果可靠准确，一般试件应在测定之前予以干燥或按产品规定的条件处理至稳定状态。正常情况下在102～200℃的温度下干燥到恒重。热敏感材料不应暴露在会改变试件性质的温度下。如试件在给定的温度范围内使用，则应在这个给定温度范围的上限、空气流动控制的环境下，将试件调节到恒定的质量。
2.圆管法试件安装要求
将试件按照测定要求固定安装在测定管上。试件安装用的密封黏合剂、捆扎带等，使用时应考虑到测定的实际要求。
3.圆管法试件外形尺寸
试件装配于测定管上以后，测量其外形尺寸的平均值，测量的误差应小于±0.5%。用软质钢尺测量试件的周长，计算求得试件的直径d2。
将计量段把要求分成若干等份（最少为4等份），并在每一等份的中点处进行测量。在每个防护段中心处也应进行附加测量。
以上各项测定均应避开接缝、箍带等不规则处。当每一测定值与计量段的平均值之差超过±5%时，试件就应当废弃。
4.测试试件外表面温度
测定试件外表面平均温度T2的热电偶，应按下述规定附在绝热层的表面上。
（1）热电偶的位置 计量段应至少分成4等份，表面的热电偶应在长度方向上位于每等份的中间。大型装置需要更多的热电偶。对于圆形，热电偶也应当在圆周上等距离的布置成整数圈的螺旋形式，且相邻位置之间的角距为45°～90°，应尽可能避开接头或其他不规则物一个试件厚度的距离。为符合记录试件表面温度的需要，可用外加热电偶记录该处表面温度及位置。
（2）热电偶的固定 热电偶应牢固地固定在试件的表面上，这样结点和所需长度（对非金属表面不少于100mm，金属表面不少于10mm）的相邻导线与表面能保持良好的接触，但不应改变邻近表面的辐射发射率的特性。对于表面温度不均匀的试件，应使用与热电偶结点系牢的小金属箔片（约为20mm×20mm）。这类金属箔片的表面发射率近似于试件表面的发射率。
5.圆管法的高热导元件
应在轴向高热导元件（如金属外套和套管）上安装热电偶，测量轴向的温度梯度，以便计算轴向传热率。有此类元件的试件应该使用防护端头型装置进行测试，这些热电偶应安装在计量段与防护段之间的隔缝两侧，每边等距约为15mm处的底部和顶部。
（四）圆管法的测定过程
1.圆管法的尺寸测量
测量计量段的长度L、试件外周长和为描述外形或另外要求的其他尺寸。通常在圆管法里常用的尺寸，应当是在10～35℃的环境温度下测得的。如果要求在测定温度下的实际尺寸，可由在环境温度下测量的尺寸和用事先测量或已知热膨胀系数计算获得，或者可以在运行的温度下直接测量。任何基于运行温度下尺寸的特性也应如此定义。
2.圆管法的计量长度
对于防护端头管装置，计量段长度L是计量段两端的隔缝的中心线的距离。对于标定或计算端头型管，测试长度L是端帽之间的距离。
3.圆管法的直径测量
试件的外径应按照“圆管法试件外形尺寸”的方法进行测量。
4.圆管法的环境要求
在控制到要求的环境温度的小室或密封箱中进行装置操作，在测定的过程中，温度变化不超过±1K或测试管与环境温差的±1%，两者以大者为准。除非需要明显的流速以达到温度均匀或者空气的速度的影响是测试条件的一部分，测试应在基本静止的空气（或其他所需气体）中进行。任何强制的流速应进行测量，并在报告中给出其大小和方向。
5.圆管法测试管温度
如果在测定管温度范围内进行测定，至少应在这个温度范围上限、下限和中值附近做3次测定。如果只需要某一温度时的数据，可在该温度下进行测定；或者在略高于或略低于所需温度下进行测定，然后用内插法求得所需值。
6.圆管法的防护平衡
当采用防护端头法时，调整每个防护段的温度，使测量段与防护段之间隔缝的温差（在测定管表面隔缝处测得）趋近于零，或者不大于导致测得热流量误差为±1%的数值。经常会要求进行两个测试，一个为防护段的温度略高于计量段；另一个为防护段的温度略低于计量段。对这两次测试进行内插，得到沿着内部连接桥的平衡热流为零的准确值和计量段功率输入的准确值。并提供符合1%判据最大允许不平衡值的信息。一个经常被使用的判据，是不平衡不大于试件温度差的0.5%。
（五）圆管法的结果计算
圆管法的结果计算，主要包括线传热率、线热阻、线导热系数、表面传热系数和圆管绝热层导热系数等。
（1）圆管法的线传热率 线传热率可按式（4-16）进行计算：
TrL=qL/（T0-Ta）=Q/L/（T0-Ta） （4-16）
式中 
—线传热率，W/（m·K）；
qL——线热流密度，W/m；
T0——测定管计量段的平均温度，即圆管的表面温度，K；
Ta——环境空气的温度，K；
Q——热流量，W；
L——计量段的长度，m。
（2）圆管法的线热阻 线热阻可按式（4-17）进行计算：
RL=（T0-T2）/qL （4-17）
式中 RL——线热阻，（m·K）/W；
T2——试件外表面（即绝热层外表面）的平均温度，K。
（3）圆管法的线导热系数 线导热系数可按式（4-18）进行计算：
CL=1/RL= Q/L/（T0-T2） （4-18）
式中 CL——线导热系数，（m·K）/W。
（4）圆管法的表面传热系数 表面传热系数可按式（4-19）进行计算：
h2= Q/πdL（T0-T2） （4-19）
式中 h2——表面传热系数，W/（m2·K）。
（5）圆管绝热层导热系数 圆管绝热层导热系数可按式（4-20）进行计算：
λp=Qln（d2/d0）/2πL（T0-T2） （4-20）
式中 λp——圆管绝热层导热系数，W/（m·K）；
d2——绝热层外直径，m；
d0——测定管的直径，m。
（六）圆管法的测试报告
圆管法的测试报告，是材料导热系数检测最重要的组成部分，是对材料测试过程的正确性进行检查，也是对检测试验的技术总结。
测试报告主要应包括以下内容。
①材料的名称、公称尺寸、形状和密度；
②试件的预处理或干燥方法；
③计量段的平均温度；
④试件表面的平均温度；
⑤环境条件：包括平均温度和强制流动时的风速和方向、控制外表面温度的方法；
⑥计量段的平均输入功率；
⑦测试的日期和时间；
⑧测试人员的签名等。
二、材料导热系数的圆球法
采用圆球法测定绝热材料稳态传热性质时，内球发出的热流径向通过试样传到外球，这种方法没有单试件护热板法测定中的侧向热量损失和背向热量损失，其理论误差比较小，测定装置的构造和操作都比较简单。因此，圆球法是测定颗粒状绝热材料传热性质的一种较好方法。
颗粒状绝热材料是典型的多孔性材料，其传热性质的特点是除具有固体传导传热外，还存在气体传导、辐射和对流传热。所以，测定结果为被测材料的综合传热性质，称为表观导热系数。在使用测定结果时必须充分考虑到上述因素。
圆球法只适用于测定干燥的材料。试样表观导热系数的测定范围为0.02～1.0W/（m·K）。由于圆球法的测定结果为给定平均温度和温差下试样的表观导热系数，当表观导热系数与测定温差无关时，测定的结果为试件的平
图4-6 圆球装置示意
B1—内球；B2—外球；C1—内球测温热电偶；
C2—外球测温热电偶；H—发热器；S—支撑管；
T—加料口盖；D1—外球外径；D2—外球内径；
D—发热器内径
均可测导热系数；当试件的径向尺寸（外球与内球半径之差）大于确定被测材料导热系数所需的最小厚度，且测定结果与测定温差无关时，测定结果为材料的导热系数。
圆球法的检测方法及装置、试样要求等方面，应当符合国家标准《绝热材料稳态传热性质的测定 圆球法》（GB/T 11833—2014）中的 有关规定。
（一）圆球法的基本原理
圆球传热装置主要由同心设置的发热内球和冷却外球两部分组成，其装置示意如图4-6所示。
内球和外球的温度稳定时，内球发出的热流量Q径向通过试件传到外球，测定内球发热功率、内球外表面与外球内表面的温度和球体的几何尺寸，然后可计算被测材料的表观导热系数。可用式（4-21）进行计算：
λa=Q（D2-D1）/2πD1D2（T1-T2） （4-21）
式中 λa——被测材料的导热系数，W/（m·K）；
Q——内球发出的热流量，数值上等于施加在内球发热器的电功率，W；
D1——内球外径，m；
D2——外球内径，m；
T1——内球外表面温度，K；
T2——外球内表面温度，K。
（二）圆球法的测定装置
1.测定装置的尺寸
圆球法测定装置的尺寸，随着材料的颗粒尺寸而确定。外球内径与内球外径之差的1/2，即0.5（D2-D1）应至少为试件颗粒直径的10倍。外球内径和内球外径的比值，一般应控制在1.4～2.5之间。
2.测定的加热单元
内连体为空心厚壁球，由高导热系数的金属材料制成。球面在工作温度下不应与试件和环境有任何化学反应。圆球的外表面应加工到圆度小于外径的±0.2%。在运行过程中内球表面的温度不均匀性，应当小于内球和外球温度差的±2%。所有工作表面均应进行处理，使在工作温度下的总半球辐射率大于0.80。
内球的空腔部分装有电加热器，加热器用绝缘支架制成球形，加热器引线在内球出口处应接成四线制，以便准确地测定内球的发热功率。引线应避免使用铜线，防止因引线散热而造成显著误差。适当选择电流和电压导线的材料和直径，由电流导线的发热量补偿电压导线的传热损失，可使导线传热引起的误差降低至最小。
3.测定的冷却单元
圆球法的外球体应分为上、下两个半球。上半球的顶部应设有加料孔，加料孔应配有密闭的盖子。当加料孔面积较大时，盖子应采取专门的措施防止其温度偏离外球温度。外球体应控制在恒定的低于加热单元的温度。内表面温度不均匀性应小于测定温差的2%。金属球体可用通过恒温的流体来保持恒温。当温度较高时，也可用电加热器进行控温或二者并用。内表面的半球发射率大于0.80。
内、外球应保持同心，其偏心距离应小于内球外径的2.5%。可采用支撑管保持内外球的同心，以防止内球自重压迫试件而造成变形。支撑管应用低导热系数的材料进行制作，其横断面应尽量小。在任何情况下，由支撑管传递的热量应当小于内球发热量的5%，并应按式（4-21）计算表观导热系数。如外球温度低于环境空气的露足，外球上半球、下半球及盖子的接缝处应设置“O”形的密封圈或其他密封措施，以防止试件出现吸潮。
4.圆球法的防护罩
为了减少室内空气波动对外球温度的影响，圆球部分应当用防护罩与室内空气加以隔离。当外球温度显著高于室温或低于室温时，防护罩内还应设置保温层。
5.圆球法测定仪表
圆球法测定所用的仪表，主要有温度测定传感器、温度测定仪表和功率测定仪表。
（1）温度测定传感器 内球和外球温度用埋设在内、外球球体内或球面沟槽中的热电偶进行测定。热电偶线的直径应小于0.3mm，所有热电偶丝误差极限应满足附录B中专用级的要求，应避免使用铜-康铜热电偶。否则，应单独校正筛选，并制定热电对照表。内球埋设热电偶的数量应不少于4个，上半球和下半球各2个。
热电偶位置应避开支撑管和上、下半球接缝等温度场可能被扭曲的部位。外球埋设的热电偶数量与内球应当相同。内、外球热电偶也可以接成温差式，这样可以直接测量内外球的温度差。此时热电偶必须与内外球体电气绝缘。
（2）温度测定仪表 温度和温差测定仪表是圆球法中的主要仪器，其灵敏度和准确度如何决定测量结果的精度，因此，要求其灵敏度和准确度应优于温差的±0.20%或±0.1℃（两者取大者）。
（3）功率测定仪表 内球加热功率测定仪表的灵敏度和准确度应优于±0.10%。
6.温度的控制系统
圆球法中内球加热方式可以采用恒热流法或恒温度法。当采用恒温流法时，供热电压的波动应小于±0.10%，每2h的漂移应小于±0.10%。当采用恒温度法时，内球外表面温度波动和漂移引起的测试误差应小于±0.30%，加热功率的波动也应小于±0.30%。实践证明，采用恒温度法可显著缩短测试的时间。
（三）圆球法的试件准备
试件是进行材料导热系数测定不可缺少的，试件制作与准备对测定结果有重要影响，因此，在正式进行测定之前必须按照以下规定进行试件准备。
（1）试件应当按照材料的产品标准所规定的方法进行抽样，并尽可能缩小到所需数量。
（2）均匀颗粒材料的粒径应小于试料层厚度的1/10。对于混合级配的材料，当大颗粒材料的含量少于10%时，最大颗粒的粒径可以放宽到试料层厚度的1/5。
（3）抽取的试样应在105℃±5℃通风的烘箱中调节到恒重，即4h的质量变化小于0.5%。烘干后的试样应放入干燥器中冷却备用。
（4）按照被测材料的产品标准所规定的方法测定试样的堆积密度。
（5）在试样整个准备的过程中，要注意对试样的保护，应防止试样表面被污染，尤其是较高导热系数的试样更应注意。
（四）圆球法的测定步骤
圆球法的测定步骤，主要包括对测定试件进行安装、选择确定测定的温差、外球内表面温度控制和内球发热流量的测定。
1.对测定试件进行安装
按照装置的试料腔容积和测定时密度计算试件应装填的质量，测定时密度一般为松散密度的1.1倍。按规定称取试样并将其分为两份，先打开上半球装填下半球，装填量为试件质量的1/2；然后安装上半球，从球顶的加料孔装入另一份试样。试样应填满腔体，特别要注意顶部不应有空隙。称量试样装料前的质量和装料后的剩余质量，以确定试件的质量，其准确度应优于±0.5%。
2.选择确定测定的温差
颗粒材料的传热性质与温差密切有关，在选择确定测定温差时，应按下述条件之一选择：
①按照材料产品标准中的要求；②按照被测定试件或样品的使用条件；③确定温度与热性质之间的关系时，温差要尽可能小（10～20K）；④当要求试件内的传热减到最小时，按照测定温差所需的准确度选择最低温差。
3.外球内表面温度控制
调节上半球和下半球的液体流量或电功率，控制上、下两个半球的温度，使上、下两个半球的温度之差不超过测定温差的±1.0%。
4.内球发热流量的测定
在以上各测定步骤完成的基础上，对内球发热量进行测定。内球发热量在数值上等于施加在内球发热器上的电功率。在测定施加于内球发热器的平均电功率时一般要精确到±0.2%。
（五）圆球法的结果计算
圆球法的测定结果计算，主要包括料腔的装填密度、表观导热系数和测定时平均温度的计算等。
（1）料腔的装填密度 根据称量、装入料腔内试件的质量和试件料腔的容积，用式（4-22）可计算出试件的装填密度：
（4-22）
式中 ρ——试件的装填密度，kg/m3；
m——试件的质量，kg。
（2）表观导热系数 试件的表观导热系数可按式（4-23）进行计算：
（4-23）
式中 λa1——试件的表观导热系数，W/（m·K）；
λ'——支撑管材料的导热系数，W/（m·K）；
F'——支撑管横截面面积，m2；
L——支撑管的长度，一般情况其数值L=0.5（D2-D1），m。
（3）测定时平均温度 利用测定的平均值，按式（4-24）计算测定时的平均温度：
（4-24）
（六）圆球法的测试报告
圆球法的测试报告，是材料导热系数检测最重要的组成部分，是对材料测试过程的正确性进行检查，也是对检测试验的技术总结。测试报告主要应包括以下内容。
①材料的名称、标志及物理性质说明（如松散材料的颗粒级配等）；
②状态调节的方法和温度；
③测定时试件的密度；
④测定时的平均温度和温差；
⑤测定日期和测定持续时间；
⑥装置的尺寸；
⑦必要时给出热性质的值为纵坐标，相应的测试平均温度为横坐标的图或表；
⑧给出所测热性质数值的最大预计误差；
⑨测试人员的签名等。