保温材料是一种减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率的材料或复合材料^[1]。通常所指的保温材料是导热系数小于0.14 W/(m·K)的材料^[2]。XPS板(XPS insulation board)是20世纪60年代研制成功的一种新型绝热材料，其制备过程是将聚苯乙烯(PS)树脂、发泡剂和相关助剂通过挤出机进行连续挤出发泡成型^[3]。大量试验结果表明^[4-6]XPS板具有保温性能好、抗压性能强、吸水率低、耐久性能高及较好的抗蠕变性能等。

目前XPS板多用于寒区冻土地基以及墙体建筑材料中，其应用领域多处于季冻区，冻融循环会改变保温材料内部结构，增加其吸湿性，含水率增加会导致其保温性能和力学性能的下降，因此冻融条件下XPS板的保温性以及力学性能的研究是我国建筑节能领域急需研究的问题。

董元宏^[5]建议路用XPS保温板弹性模量应不得小于45 MPa，压缩强度应大于500 kPa。并且不同厚度XPS板的弹性模量和压缩强度差异较大。杨士葳^[6]提出表观密度的大小并不直接影响XPS板保温性能，只有合适的发泡率及均匀的空隙结构才能够达到最佳的保温隔热效果。肖群芳等^[7]对酚醛板、玻化微珠板、岩棉板和玻璃棉板进行不同体积含水率下的导热系数测定，发现这4种板材都显示出同一个特征：导热系数随含水率的增加先显著上升，后上升缓慢或变化较小。那文杰等^[8]试验中发现，EPS保温板在冻融循环条件影响下，它的导热系数可比原来增大10倍。肖绪文等^[9]研究发现影响抗弯能力的主要因素是压缩强度等级、板厚、跨距及跨厚比。

本文研究了自然状态和冻融循环条件下XPS板的吸水率，进行了不同体积含水率下的导热系数测定。并对冻融循环后XPS板的应力应变进行分析，得到冻融条件下XPS板含水率与导热系数的关系，以及应力应变随冻融循环次数的变化规律。

1 试验材料与方法 1.1 试验材料

本文所用试验材料为XPS板，学名：绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，材料来源：哈尔滨鑫凯经贸有限公司。试验试件采用带表皮挤塑板，产品生产成型日期由生产厂家提供。体积吸水率为0.2%(浸水96 h)，导热系数0.03 W/(m·K)(温度/相对湿度：25 ℃/50%)。适用范围：建筑保温领域、冷链物流领域、土工领域等^[11]。试样尺寸：100 mm×100 mm(长×宽)。材料厚度实测值：25、45、55、65、75、85 mm。六种不同厚度试件为一个组，每次试验前，试件应在温度20±5 ℃、相对湿度50%~70%环境下调节16 h以上^[15]。

1.2 试验仪器

1) JYZ-700型混凝土加速养护箱，内净尺寸：700 mm×700 mm×450 mm(长×宽×高)，温控范围：室温~100 ℃，用来测试挤塑板自然吸水；

2) TDRF-Ⅲ型砼快速冻融试验箱，单个试件桶尺寸：100 mm×100 mm×400 mm(长×宽×高)；

3) ISOMET-2114便携式热特性分析仪，便携式热特性分析仪主要由主机、传感器和充电器组成。可以进行导热系数和容积热通量，热扩散系数等实验项目指标的测定，能直接测量各向同性材料包括蜂窝绝缘材料，塑料，玻璃和矿物质。用以进行XPS板导热系数量程：0~2 W/(m·K)；

4) WDW-100微控低温电子万能试验机可以进行常规和低温环境下的抗压试验；

5) 低压材料切割机；

6) 游标卡尺：分度值0.01 mm；

7) 电子天平：分度值0.01 g。

1.3 试验方法 1.3.1 表观密度测定

参照GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》进行测试^[12]。用电子天平称其质量，精确到5%，单位为g。用游标卡尺测量每个试样尺寸，至少测量三处取其平均值，计算其体积。每个试样的质量除以其体积的其平均值。每种厚度试样取5块测表观密度取其平均值。

1.3.2 吸水率的测定

吸水率参照GB/T5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》^[13]中体积吸水率的方法对XPS板的吸水率进行检测。

1) 自然吸水率

用游标卡尺测出试件长、宽、高，并用电子天平测其初始质量；将试件浸泡于混凝土加速养护箱中，测试水温为20±2 ℃；前5 d吸水率变化较大，每隔24 h测一次试块质量，5~60 d每隔48 h测一次试块质量；测质量之前用毛巾将试块擦干，吸水率为4组的平均值。

2) 冻融循环吸水率

冻融循环吸水试验在TDRF-Ⅲ型砼快速冻融试验箱中进行的，将试块放入试样筒中并在试样筒中加水使其淹没试块，而后将试样筒置于快速冻融试验箱体中，使桶外的制冷液对试件桶的温度进行循环性的升高和降低，并对试件进行周期性的冻结和融化。箱内配有自动控温设施，温度设定为±20 ℃。芯温传感器由+20 ℃降至-20 ℃，再升至+20 ℃时为一个冻融循环，温度达到最低温度时立即升温，一个循环持续时间约为6 h。0~25次循环，每5次冻融循环后将试件取出检测一次试件的重量。25~200次冻融循环，每25次将试件取出检测一次试件的重量，直到第200次冻融循环试验结束，200次冻融循环共持续了60 d。冻融循环吸水试验共测量2组，体积吸水率取2组数据的平均值。

1.3.3 导热系数的测定

有探针式和平板式两种传感器，本次试验测试导热系数采用的是探针式传感器，测试XPS板中心部位的导热系数。一次测试时间约60 min，可测得两组数据取其平均值。

1.3.4 力学特性的测定

压缩强度测试参照GB/T 8813-2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》规定进行测试^[14]。冻融循环后的试样，将试样外表面擦干后直接测量。常温下采用无侧限单轴压缩试验，加载速率为5 mm/min。

2 结果及讨论 2.1 密度对导热系数的影响

对于同种材质的多孔保温材料，表观密度是影响其导热系数最重要的因素^[17]，XPS板表观密度和导热系数关系曲线如图 1所示。由图 1可以看出随着XPS板的密度增加，热导率呈升高的趋势，但可以看出XPS板的导热系数与表观密度并不是简单的线性关系。空气导热系数为0.026 W/(m·K)，比固体物质的导热系数小，所以随着表观密度的增加，其导热系数变大。又由于XPS板内部存在大量的隔绝空气流动的闭孔气泡，这些闭孔气泡能有效阻止空气的流动，导热系数与空隙大小及封闭程度有关，只有合适的发泡率及均匀泡孔的结构才能够达到最佳的保温隔热效果。对于相同孔隙率和孔径尺寸，当孔隙彼此连通时，导热系数较大；当孔隙彼此密闭时，导热系数较小^[18]。

2.2 吸水特性

衡量一种保温材料的优劣，吸水率为极重要的技术指标，保温材料的保温性能与其吸水率成反相关^[19]。这是由于水的导热系数是常压下空气导热系数的20多倍，比拥有闭孔气泡的挤塑板导热系数大很多。并且保温材料内部水分子会加速其老化速度，吸收的水蒸汽遇冷会凝聚成水或结为冰，从而大大地提高了其导热系数，引起保温性能的下降，甚至引起材料开裂，破坏保温结构，并诱发霉变等现象，进而导致能耗增加，缩短使用寿命^[20]。

以75 mm厚度XPS板为例进行分析，图 2为XPS板体积吸水率随自然吸水天数变化关系曲线，可以看出挤塑板吸水率变化过程可以分为三个阶段：第一个阶段，吸水率急剧增长阶段，在0~20 d时挤塑板吸水率呈阶梯状增加，第20天的体积含水率达到1.0%左右；第二个阶段，吸水率缓慢增长阶段，即在20~40 d随着浸水时间的增加，体积含水率保持在1.0%~1.2%；第三个阶段，吸水率稳定阶段，当自然吸水40 d后，随着浸水天数的增加，吸水率趋于稳定值。直到60 d停止试验，体积含水率保持在1.3%左右。表明当浸水达到一定时间后，常温下XPS板吸水率达到上限。

当保温材料吸水时，特别是XPS板这种致密泡沫保温板浸于水中时，水分子首先附着于保温板的表层。随着浸水时间的增加，水分子持续向保温板内部扩散。由于XPS板内部存在大量隔绝空气的蜂窝状气泡，水分子在压力作用下渗入气泡，这需要一定的时间，当气泡壁破坏后，水分进入很迅速地充满整个气泡，所以吸水率随浸水时间呈阶梯状增长。XPS板具有完整的闭孔式组织结构，在各气泡之间基本没有空隙的存在，可以看出自然状态下XPS板吸水率极低。

冻融循环次数对XPS板体积吸水率的影响曲线如图 3所示。相比自然吸水率，冻融循环后XPS板的吸水率发生了显著的变化。体积吸水率随冻融循环次数的增加呈线性增长，近似拟合符合关系式：y=0.632x，200次冻融循环后，体积吸水率达到12.5%，其增大数值是自然条件下吸水率9倍。

冻融循环使孔中水分不断在水-冰相态间转变，体积变化破坏XPS板的内部构造，水分子迅速进入相邻空隙，依此不断循环，水分不断逐层进入挤塑板内部，使XPS板吸水率快速增加。所以在季冻区将XPS板埋入地下时，应当考虑这种不利工况。

2.3 导热系数

采用75 mm厚度的XPS板进行导热系数的分析。图 4是XPS板导热系数与体积含水率关系曲线。由于自然条件下挤塑板吸水率极低，本次试验测试的是冻融循环后的体积含水率以及该体积含水率所对应的的导热系数。由图 4可以看出体积含水率随着冻融循环次数的增大而增大。在温度为25 ℃，密度为30 kg/m³时，测的干燥状态XPS板导热系数为0.032 9 W/(m·K)。体积含水率为12%时，导热系数为0.046 5 W/(m·K)，导热系数约增大1.4倍。

水的导热系数(0.581 W/(m·K))约为空气导热系数(0.026 W/(m·K))的22倍，填充空隙中的水分起到了“热桥”的作用，使XPS板导热系数变大，所以含水率越高导热系数越大^[21]。

图 5是XPS板导热系数与冻融循环次数关系曲线。冻融循环达到25次，设备自动停止，将达到冻融循环次数的试块拿出后擦干，进行导热系数测定。可以看出，导热系数随着冻融循环次数的增加而逐渐增大，200次冻融循环后导热系数达到0.046 5 W/(m·K)。

对比图 3可以看出，随着冻融循环次数的增加XPS板体积吸水率显著增加但导热系数的变化幅度相对较小。这是由于随着冻融循环次数的增加，水分子逐层进入XPS板内部，由图 5可知200次冻融循环后体积吸水率曲线仍未改变趋势，故200次冻融循环后XPS板吸水率并没有达到饱和，试件含水量并不均匀由外向内依次减少。本次试验导热系数的测定采用的是针式导热系数测试仪，所测的为挤塑板中心部位的导热系数，此时导热系数所对应的含水率并不均匀，这也是本次试验的不足之处。

2.4 单轴压缩

图 6~8是对75 mm厚度XPS板单轴压缩试验分析。图 6是XPS板典型应力-应变曲线。未经历冻融循环XPS板压缩强度为0.364 MPa，XPS板在应力小于0.2 MPa时变形表现为线弹性，之后发生屈服现象。屈服后XPS板表现为屈服硬化，且开始阶段仍是线形的，当应变继续增长，应力应变呈现非线性，此时XPS板的空腔结构已被破坏，产生明显的塑性变形。

图 7为XPS板0~200次冻融循环的应力应变曲线。可以看出冻融作用前后，曲线走向一致。0~150次循环，屈服点在0.2 MPa左右，200次冻融循环屈服点为0.13 MPa。冻融循环改变了XPS板内部结构，随着冻融循环次数的增加，压缩曲线整体呈现降低趋势。

图 8为XPS板压缩强度与冻融循环次数关系，压缩强度随冻融循环次数增加而减小，近似拟合符合关系式：y=0.000 5x+0.354 6。当冻融循环次数为200次时，压缩强度降低到0.246 MPa，是未经历冻融循环XPS板压缩强度的68%。从图可以看出，压缩强度的测试结果呈现一定的波动性，这是由于压缩强度的试验属于破坏性试验，不同循环次数的测试是由不同的试样完成的，试样的不一致性也造成了测试结果的差异性^[22]。

图 9为200次冻融循环后压缩强度损失量与XPS板厚度的关系。压缩强度损失量随厚度增大而增大，近似拟合符合关系式：y=0.002 6x-0.098 4。85 mm厚度压缩强度损失量最大，为0.121 MPa，降低到自然状态下压缩强度的75%。当厚度为25 mm时，压缩强度损失量为-0.025 MPa，即200次冻融循环后，压缩强度反而升高。由表1可知200次冻融循环后25 mm厚度XPS板体积含水率高达18.52%，当XPS板受到挤压时，水分在气泡中承受压应力，故200次冻融循环后，压缩强度增大。

实验室试验表明，XPS板在不同温度、湿度(饱水)和冻融循环条件的影响下，其热物理属性的改变是值得关注的。由此可见XPS板作为水工建筑物的保温材料埋入地基土中时，其热阻值必须满足基础工程的抗冻性要求，避免基础出现负温或冻结现象^[23]。

3 结论

1) XPS板导热系数随着表观密度的增大而增大。

2) 常温下，浸水天数在40 d之前，体积吸水率随着浸水天数增加而增加，40 d后随着浸水天数的增加，吸水率趋于稳定值1.3%；冻融循环后XPS板体积吸水率随冻融循环次数的增加呈线性增长，200次循环后体积吸水率达到12.5%，是60 d自然吸水的9倍。

3) 在温度20 ℃，密度为30 kg/m³，干燥状态XPS板导热系数为0.032 W/(m·K)。体积吸水率为12.5%时，导热系数为0.046 W/(m·K)，导热系数随含水量增加而增大。

4) XPS板在应力小于0.2 MPa时变形表现为线弹性，之后发生屈服现象，随着冻融循环次数的增加，屈服点降低；未经历冻融循环XPS板压缩强度为0.364 MPa，200次冻融循环后，压缩强度降低到0.246 MPa，是未经历冻融循环XPS板压缩强度的68%；压缩强度随冻融循环次数增加而减小，压缩强度损失量随厚度增大而增大。

建议设计人员在选用XPS保温板时，考虑保温板的实际工况，充分预留保温性能及力学性能的安全系数。