劉 歡 龐建勇

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

·建筑材料及應(yīng)用·

陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的測量及影響因素

劉 歡 龐建勇

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

實(shí)驗(yàn)采用了PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的設(shè)計(jì)方法——雙平板防護(hù)熱板法，通過對粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)的檢測，詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)原理、測定方法和技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，研究了含濕量、溫度和溫差對粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)值的影響，為進(jìn)一步獲得較為符合實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)提供了方法和依據(jù)。

雙平板防護(hù)熱法，粉煤灰頁巖陶?；炷?，導(dǎo)熱系數(shù)，測量

0 引言

建筑耗能被視為熱度最高的領(lǐng)域，占社會(huì)總耗能30%左右。

當(dāng)前，我國的建筑耗能超過了社會(huì)總耗能的30%，已被視為國家重點(diǎn)問題，就此國家發(fā)布實(shí)施了《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》和《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。在國家政策與建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，近年來節(jié)能建材的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，新型的保溫隔熱材料也伴隨著技術(shù)發(fā)展鱗次櫛比的突現(xiàn)，這些新型的保溫隔熱材料較好地為建筑節(jié)能工作提供了一定的技術(shù)保證和技術(shù)發(fā)展動(dòng)力。但關(guān)于保溫隔熱材料導(dǎo)熱性能方面的研究數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)還很少,尤其是缺少導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式,在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊中只有傳統(tǒng)的保溫材料如蛙石、膨脹珍珠巖等的經(jīng)驗(yàn)公式。為了提高工程質(zhì)量及節(jié)能效率，滿足節(jié)能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品驗(yàn)收的需求,有必要對各種保溫隔熱材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[1，2]。保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不僅是評價(jià)材料的熱力學(xué)性能指標(biāo)，還是材料在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要理論設(shè)計(jì)依據(jù)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)值隨其孔隙水飽和度的增加而增加，但一般情況下，實(shí)驗(yàn)測定的導(dǎo)熱系數(shù)都是材料烘干后的，而材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需充分考慮含水率和溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。因此，本實(shí)驗(yàn)利用雙熱板法對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)值及其影響因素進(jìn)行研究分析，即在試驗(yàn)周期內(nèi)，在不同試驗(yàn)天數(shù)(即不同含水率)、溫度和溫差條件下測出相應(yīng)的值，并利用關(guān)系擬合成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)公式[3-7]。

1 粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測量儀器

1.1 測量儀器

本次實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)儀器是沈陽鑫合經(jīng)緯機(jī)械電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，它是按照GB 10294—2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法原理設(shè)計(jì)的一種雙平板法新型檢測設(shè)備，這種穩(wěn)定測量法可用于測量各種絕熱保溫材料和非良導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)。該實(shí)驗(yàn)儀器裝置如圖1，圖2所示。

1.2 PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，在計(jì)量加熱單元和冷板單元中間各放置相同的兩塊試樣，而計(jì)量加熱單元中加熱面板周圍裝置防護(hù)板，促使熱量沿著試件方向?qū)С?，微機(jī)設(shè)置冷熱板溫度，一段時(shí)間熱量傳遞平衡后，試件冷熱面溫度不再隨時(shí)間變化，此狀態(tài)為一維恒定熱流狀態(tài)。通過試件的熱量Q和試件被測導(dǎo)熱系數(shù)λ、冷熱板溫差Δt成正比，和試件的厚度δ成反比的線性關(guān)系設(shè)計(jì)的，根據(jù)傅里葉定律，公式：

1.3 PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀技術(shù)性能

PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量范圍是0.01 W/(m·K)～1 W/(m·K)，相對誤差可控制在4%以內(nèi)，重復(fù)性誤差不大于1%，冷板溫度要低于99 ℃，熱板溫度范圍很廣，且可用于測定低溫導(dǎo)熱系數(shù)，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

但平板法也有缺點(diǎn)：穩(wěn)定時(shí)間較長，系統(tǒng)一般需要5 h～7 h穩(wěn)定讀數(shù)；測試試件為干燥的；試件的厚度和面積對結(jié)果精度有較大影響；同時(shí)，儀器的絕熱條件也會(huì)影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量要點(diǎn)

試件表面和冷熱板表面之間存在空隙，這是影響結(jié)果精確度的一個(gè)重要因素，為了減少熱阻，儀器自身采用壓緊裝置，打磨加工試件表面或填充石膏、鋁粉、石墨粉等皆可提高材料導(dǎo)熱系數(shù)精確度。由于PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀采用加熱器傳遞熱量，與加熱量相比，要求熱損失要小到可以忽略不計(jì)，必要時(shí)，可以對加熱單元和試件的表面采取保溫措施。

2 粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件

本實(shí)驗(yàn)研究的粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土是由水泥、石子、陶粒、砂子、粉煤灰、外摻料和外加劑等材料按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成的混凝土，在具有一般混凝土的物理力學(xué)性能基礎(chǔ)上，同時(shí)具有良好的保溫隔熱性能，還符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求。根據(jù)本試驗(yàn)儀器PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的要求，制作的試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，圖3是試驗(yàn)制造的部分試件。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，測量其質(zhì)量變化(含水率變化)，及含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。測量時(shí)間定為7 d，14 d，28 d，60 d，然后將試件放入105 ℃的烘箱里烘干至恒重。實(shí)驗(yàn)中，通過測量值分別對比了溫度和溫差對28 d和烘干后試件導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

3.1 含水率

粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中含有大量水分，尤其是在工程前期，混凝土灑水養(yǎng)護(hù)過程中，混凝土內(nèi)部充滿了孔隙水，而水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的20多倍，受含水率影響，混凝土初期應(yīng)用時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)比較大。隨著工程應(yīng)用時(shí)間的延續(xù)，由于粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土中采用了頁巖陶粒，此種保溫材料具有一定的吸水性，粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的含水率會(huì)越來越高，原本被空氣充填的氣孔空間就被水分占據(jù)了，其有效導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高。當(dāng)外界溫度低時(shí)，混凝土內(nèi)部的孔隙水將結(jié)冰，冰的導(dǎo)熱系數(shù)又是水的4倍，這樣粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)就進(jìn)一步增大，保溫隔熱性能會(huì)隨之降低。在試驗(yàn)周期內(nèi)，測定試件質(zhì)量，其含水率以及導(dǎo)熱系數(shù)值見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)質(zhì)量和導(dǎo)熱系數(shù)值

在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),各試件的質(zhì)量一直在減小，直至烘干到恒重。即試件的含水量一直在減少，且實(shí)驗(yàn)前期的下降速度比后期稍快。在兩試件平均溫度為30 ℃、溫差為10 ℃條件下，測得導(dǎo)熱系數(shù)值同樣隨著時(shí)間減少，直至試件被烘干恒定。因此，粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)值隨含水率降低而減小，兩者之間的關(guān)系見圖4，其實(shí)驗(yàn)公式為：

λ=0.195 83+0.010 04ω。

粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土由于摻入了陶粒和粉煤灰這些保溫材料，含水量變化與普通混凝土有所不同。因?yàn)榉勖夯业膿搅吭礁?，水泥水化的需水量越少，混凝土中自由水分的含量就越大，在養(yǎng)護(hù)的過程中，前期含水率會(huì)迅速下降，隨著混凝土中自由水含量的降低，保溫材料陶粒吸收的水分會(huì)大量的返出來，返水量隨著陶粒摻量的增加而增加，故此粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土含水量的減小是個(gè)緩慢過程，其導(dǎo)熱系數(shù)值也會(huì)緩慢減少。因此，生產(chǎn)廠家所提供的粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)值僅是干燥狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，比實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際數(shù)值小得多，不能作為實(shí)際工程的有效數(shù)據(jù)。

3.2 溫度

溫度是影響導(dǎo)熱系數(shù)的另一個(gè)重要因素,因?yàn)楫?dāng)溫度增加時(shí)，材料內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)就會(huì)加劇，傳熱的效率就會(huì)加快，導(dǎo)熱系數(shù)就增大了。

1)試件冷熱板平均溫度。

在齡期28 d時(shí)，針對相同溫差，不同均溫條件，實(shí)驗(yàn)對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件進(jìn)行測定，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 溫差Δt=10 ℃不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)測定值

由表2數(shù)據(jù)可得,粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件在28 d齡期、冷熱板溫差Δt=10 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)值隨試件冷熱板平均溫度的升高而增大。導(dǎo)熱系數(shù)與冷熱板平均溫度的關(guān)系見圖5。其實(shí)驗(yàn)擬合線性化公式為：

λ=0.204 05+7.75e-4t。

2)試件冷熱表面溫差。

為了進(jìn)一步研究溫度對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在齡期28 d，試件冷熱板平均溫度30 ℃情況下，測試了不同溫差下的導(dǎo)熱系數(shù)(見圖6)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 均溫30 ℃不同溫差下的導(dǎo)熱系數(shù)測定值

本次試驗(yàn)線性化擬合公式為：

λ=0.199 85+0.002 88Δt。

4 結(jié)語

本文對粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，基于雙平板防護(hù)熱板法測試原理和測定方法技術(shù)等，提出了造成材料導(dǎo)熱系數(shù)差異的影響因素，并根據(jù)試驗(yàn)給出粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系，根據(jù)分析可以得出：

1)PDR 300導(dǎo)熱系數(shù)測定儀采用防護(hù)熱平板法的原理，滿足了材料檢測研究部門對材料導(dǎo)熱系數(shù)的高精度測試要求，自動(dòng)化程度高，性能穩(wěn)定，是適用的。攻克其技術(shù)難點(diǎn)，可使得結(jié)果更加精確。

2)本次試驗(yàn)線性化公式λ=0.195 83+0.010 04ω反映了含水率對粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，表明使用地區(qū)粉煤灰頁巖陶?；炷?xí)r，其導(dǎo)熱系數(shù)在氣候干燥與氣候濕潤地區(qū)有很大差距。

3)給出了導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的變化關(guān)系，并分別給出均溫和溫差影響實(shí)驗(yàn)公式λ=0.204 05+7.75e-4t和λ=0.199 85+0.002 88Δt，由其變化規(guī)律可知，在年平均溫度跨度較廣、室內(nèi)外溫差較大的地區(qū)，粉煤灰頁巖陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)波動(dòng)很大，這對熱工設(shè)計(jì)及計(jì)算意義重大，應(yīng)以現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4)本次試驗(yàn)研究了粉煤灰頁巖陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)測定時(shí)影響因素并得出數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)公式，是實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要理論設(shè)計(jì)依據(jù)，能夠提高節(jié)能效率，滿足工程質(zhì)量，符合節(jié)能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品驗(yàn)收的要求。

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Measurement of thermal conductivity factor and the influence of ceramsite concrete

Liu Huan Pang Jianyong

(CivilConstructionCollege,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

This experiment adopts PDR 300 design method of coefficient of thermal conductivity meter, double plate protection hot plate method, through to the coefficient of thermal conductivity of lytag concrete detection, introduces in detail the measuring principle, measuring technology, the operation process and the problems, through data analysis, on influence of water content, temperature, and temperature difference on heat conductivity of flyash shale ceramisite, in order to further obtain more accord with the actual methods and basis was provided for the coefficient of thermal conductivity.

double tablet protective heat method, lytag concrete, coefficient of thermal conductivity, measurement

2015-01-28

劉 歡(1989- )，女，在讀碩士； 龐建勇(1964- )，男，教授

1009-6825(2015)10-0117-03

TU528

A