不同因素對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究

鄧智成,梅迎軍,楊再富,陳 敬,辛轉(zhuǎn)紅

(1.重慶交通大學(xué),重慶 400074；2.重慶建工建材物流有限公司,重慶 401122；3.重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心,重慶 401122)

0 前 言

近年來,建筑節(jié)能勢頭正盛,各地都在全力開展建筑節(jié)能工作,但是川渝地區(qū)的節(jié)能建材發(fā)展水平較東南沿海地區(qū)仍有不小的差距,對節(jié)能建材的應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步發(fā)展[1]。陶粒混凝土作為一種建筑保溫材料,具有強(qiáng)度高、干密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐久性好、易施工等優(yōu)點(diǎn),在建筑結(jié)構(gòu)保溫工程中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。導(dǎo)熱系數(shù)是陶粒混凝土重要的熱工性能參數(shù)之一,它對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場影響較大,對于需要保溫的建筑結(jié)構(gòu),導(dǎo)熱系數(shù)低的陶粒混凝土可減少熱量的損失[2-3]。但目前關(guān)于不同因素,特別是浸水時(shí)間對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究還比較少。因此,本文利用熱流計(jì)法對陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)的不同影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究,為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

混凝土導(dǎo)熱系數(shù)范圍在3 W/(m·K)以內(nèi),測定方法主要分非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。此次試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法中的熱流計(jì)法。熱流計(jì)法是一種相對測量法,無需精確計(jì)量熱量參數(shù)[4]。熱流計(jì)法導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的準(zhǔn)確性與設(shè)備熱流計(jì)系數(shù)標(biāo)定有決定性的關(guān)系,在測定前應(yīng)針對不同熱流密度,選用與待測樣板導(dǎo)熱系數(shù)λ相近的標(biāo)準(zhǔn)參比板進(jìn)行標(biāo)定,不能僅僅進(jìn)行一次標(biāo)定就用來測定密度等級差別較大或者不同品種的建筑保溫材料,否則測定結(jié)果可能產(chǎn)生巨大誤差。另外,熱流計(jì)法對試件平整度、尺寸要求非常嚴(yán)格,試件不平整會給測量數(shù)據(jù)帶來相當(dāng)大的誤差。因此,試驗(yàn)過程中為了保證測試試件上下表面的平整度,制作了專門的類似水泥膠砂試件的試模。試驗(yàn)采用湖南湘儀儀器廠生產(chǎn)的DRPL-Ⅱ型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀,測量范圍0.01～3 W/(m·K),測量結(jié)果精準(zhǔn)度≤5%。

1.2 原材料選擇

研究選擇的水泥為P·O 42.5R級水泥；減水劑為聚羧酸高效減水劑,減水率為25%；纖維素醚為羥丙基甲基纖維素,黏度20W單位；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；陶粒、陶砂性能見表1～2。

表1 陶粒性能指標(biāo)

表2 陶砂性能指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

混凝土強(qiáng)度等級LC15；密度等級1 200 kg/m3；坍落度為200～220 mm；砂率變化分別為0.35、0.40、0.45、0.50、0.55；粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%。混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

1.4 試驗(yàn)方案

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。拌和時(shí),采用經(jīng)過預(yù)濕處理的陶粒,與陶砂、水泥一起拌和約1 min后,再加入拌和用水量和外加劑,繼續(xù)拌和4 min的拌和方法。采用插搗成型。

試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm,每一配比成型3塊,成型后于溫度(20±2)℃,濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后,將試件打磨制作成表面平整,并進(jìn)行烘干至恒重。

混凝土導(dǎo)熱系數(shù)按照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計(jì)法》(GB/T 10295—2008)測定。試驗(yàn)溫度25℃,環(huán)境保持干燥狀態(tài)避免濕度對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響,冷板溫度設(shè)置為15℃,熱板溫度35℃。

在浸水時(shí)間影響因素的試驗(yàn)中,試驗(yàn)采用同時(shí)成型的W3#配比的3塊試件,每塊試件進(jìn)行連續(xù)浸水測定導(dǎo)熱系數(shù)后,取3塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。具體浸水時(shí)間為0、0.5、1、2、4、8、12、18、24、36、48、72 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂率對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同砂率的陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著砂率的增大先增大后逐漸減小。當(dāng)砂率為0.45時(shí)，混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)在一定砂率范圍內(nèi)達(dá)到最高，較砂率為0.35時(shí)增大3.2%；當(dāng)砂率為0.55時(shí)，混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)在一定砂率范圍內(nèi)達(dá)到最低，較砂率為0.45時(shí)減小了5.1%。這是由于混凝土在砂率為0.45時(shí)，達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)，混凝土干密度大，空氣和水含量小，導(dǎo)致試件的導(dǎo)熱系數(shù)相應(yīng)變大，而在水泥用量及水灰比相同的情況下，當(dāng)陶砂過量時(shí)，包裹砂的水泥量便會增加，過多的砂漿會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部疏松，孔隙率增大。另外，陶砂本身的導(dǎo)熱系數(shù)小于碎石型陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，陶砂的含量越大，混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)越小。

圖1 砂率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

圖2 粉煤灰摻量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

2.2 粉煤灰摻量對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同粉煤灰摻量的陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而相應(yīng)減小。當(dāng)粉煤灰摻量為0～20%時(shí)，混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)雖然在減小，但變化幅度不大，摻量為20%時(shí)的試件導(dǎo)熱系數(shù)比不摻時(shí)減小2.7%；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)明顯減小，比不摻時(shí)減小6.9%。因此制備陶粒混凝土?xí)r，可適當(dāng)摻加10%～20%的粉煤灰，以提高保溫性能及經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 浸水時(shí)間對陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同浸水時(shí)間的陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著浸水時(shí)間的增加逐漸增大并趨于穩(wěn)定。當(dāng)浸水時(shí)間在0～2 h時(shí),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大速率最高；當(dāng)浸水時(shí)間在2～24 h時(shí),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大速率明顯放緩；當(dāng)浸水時(shí)間在24～72 h時(shí),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)變化趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樘樟；炷燎捌谖俾士?后逐漸放緩并達(dá)到飽和；而混凝土吸收的水分填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部的孔隙,同時(shí)由于孔隙中有了水分，增加了水蒸氣擴(kuò)散的傳熱量，還增加了毛細(xì)孔中液態(tài)水分所傳導(dǎo)的熱量，導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大。

圖3 浸水時(shí)間與陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

1)在水泥用量及水灰比相同的情況下,陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著砂率的增大先增大后逐漸減小。具體砂率的選擇需要與對應(yīng)的力學(xué)性能、耐久性能等進(jìn)行權(quán)衡。

2)由變化規(guī)律可知，適當(dāng)摻加粉煤灰，不僅能節(jié)約成本，還能提高陶粒混凝土整體的保溫性能，在實(shí)際工程應(yīng)用中，結(jié)合強(qiáng)度影響，采用10%～20%粉煤灰摻量的陶粒混凝土是可取的。

3)在浸水前期2 h內(nèi),混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大速率最高；而后,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大速率明顯放緩；在浸水24 h后,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)變化趨于穩(wěn)定。

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