高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料的熱學試驗

侯 風

(鄭州工業應用技術學院 河南 鄭州 450000)

高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料的熱學試驗

侯 風

(鄭州工業應用技術學院 河南 鄭州 450000)

本文將從仿真和實驗相結合的角度建立高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料細觀結構演化模型，研究微珠增強水泥后宏觀的熱性能與微珠空心結構的依賴關系。本文研究的主要內容有：宏觀熱學實驗：當微珠摻入量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%時，將這些試件分別在JW～3型導熱系數測定儀上進行熱學實驗，將宏觀熱學實驗得出的數據與有限元仿真分析的數據進行對比。

空心玻璃微珠；水泥基；復合材料；有限元分析；熱學行為

通過建立中空玻璃微珠增強水泥基復合材料的有限元計算模型，對中空玻璃微珠水泥基復合材料的導熱系數進行了數值模擬計算；同時對空心玻璃微珠導熱特性和復合材料微結構的一些控制參數對等效導熱系數的影響進行了研究。從它的研究結果可知：復合材料的導熱系數會隨著微珠填充的體積分數呈現出非線性的降低趨勢。主要原因是微珠內部惰性氣體的導熱系數非常小，并且內部氣體占據了微珠大部分的體積，必然導致復合材料的整體導熱性能的急劇下降[1]。

一、試驗材料的選擇及配合比方案

本文通過對中空玻璃微珠填充體積對等效導熱系數熱學實驗研究，與數值模擬結構進行對比分析。試驗方案采用的是水泥、砂子、水、微珠、減水劑按著一定的比例混合的拌合物，試驗是用空心玻璃微珠等量替換砂子制作而成的水泥基復合材料。本實驗中采用工程中最常用的C30型號普通水泥。

表1 試驗材料用量

本實驗使用的是中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司研發并提供的H60型空心玻璃微珠，微珠形狀為規則的球殼體，直徑大小為40～80微米，體積密度為0.6g/cm3，抗壓強度為9MPa；水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥；砂為ISO標準砂；水選用自來水；減水劑選用萘系粉末狀高效減水劑，鄭州建科混凝土外加劑有限公司生產的JKH-1型高效減水劑。

二、試件的制作

制作試件用水泥砂漿采用人工攪拌，為了避免玻璃微珠在攪拌過程中被撞擊、擠壓破壞。先把水泥、標準砂進行預先攪拌，當把其攪拌均勻后，在將微珠加進去攪拌，當這三種物質全部攪拌均勻時，攪拌桶內材料的顏色均勻，無單一材料顏色即攪拌均勻。然后在慢慢的加入適量的水。試塊的模具采用的尺寸為300mm×300mm×10mm。按表1中每個配合比均制作出3組試件。

(一)實驗設備簡介

實驗設備采用JW～3型熱流計式導熱儀，

1.主要技術參數如下：

測量范圍：試樣熱阻應大于0.1m.k/w

熱板溫度：室溫～60℃

泠板溫度：室溫～5℃

試樣尺寸：300×300(mm)

電源電壓：～220V±20V AC50HZ

環境條件：溫度5～40℃、相對濕度<90%

測量誤差：≤±5%

2.儀器的構造和原理

儀器有三部分組成

(1)主體部分：JW～3型導熱系數測定儀的主體部分是有三部分組成：熱板、冷板、熱流計。熱板表面尺寸300mm×300mm×6mm，熱板是將銅板和加熱器緊密的結合在一起，熱板內部設置控溫熱電偶。溫控措施采用的是智能化的測量儀，用智能化的測量儀控制器來控制加熱電壓。冷卻板的規格尺寸為300mm×300mm×30mm，采用恒溫的冷水對鋁板進行冷卻，采用螺旋形逆向流動的液體槽對進出水進行控制。冷板在工作臺上是可以自由移動的，這樣導熱儀的工作臺上就可以夾上不同厚度的試件。

(2)冷熱源及控制系統：JW～3型導熱系數測定儀的熱源使用的是電子調壓器來進行電壓調節的，這樣就能把我們預先設定的電壓進行整流，然后進行轉換，轉換后的電壓就成為了直流電壓，控制熱板溫度主要是通過控溫系統。冷源是由壓縮機組、水槽、水泵、攪拌、加熱控制電路、水溫顯示燈組成了。

(3)智能化測量儀:89C52微電腦系統是智能化測量儀上采用的微電腦系統，這種微電腦系統共有十六個測量通道，第一條測量線路通道是標準鉑材料制作成的電阻進行的測溫，第一條測量通道測到的溫度就是熱偶端點補償溫度。熱板側控溫熱電偶安置于第二條通道，熱板側熱流計表面熱電偶位于第三、四通道，冷板側熱流計表面熱電偶位于第五、六路通道內，從七路通道到十二路通道是測量工作臺裝置中各處的空氣溫度，而測量熱流計輸出熱電勢的高低是在第十三到十六路通道中進行的。

(二)導熱系數測量的理論基礎——傅里葉導熱定律。熱力學第二定律表明：在一個物體里面的只要存在著溫度差，熱量就會自動的從高溫處傳到低溫處。這個過程就稱為熱傳遞的過程，熱傳遞這個能量傳遞的過程靠的是溫差的推動，此傳遞過程稱為熱傳遞過程。從熱量的傳遞機理上來分類，我們把熱的傳遞過程分為三類：熱傳導、熱對流和熱輻射。

要完成導熱這一過程必須需要滿足三個條件：(1)物體內部有溫差的存在并且各部分物質沒有宏觀的位移。(2)兩個溫度不同的物體接觸，擴散過程是構成微觀粒子的隨機熱運動，熱傳導是物質的固有屬性。

一般說來，研究導熱問題的理論基礎就是導熱熱流速率方程，這個方程把物體內特定地點、特點時間的溫度和導熱熱流密度聯系在一起，導熱熱流速率方程是傅里葉導熱定律。這個方程沒有精確的推導過程，而是通過實驗的現象長期的觀察總結出來的。傅里葉定律可以描述為：在各向同性的連續物體中，任何時刻、任何地點的局部導熱熱流密度數值與溫度梯度成正比例變化，但是方向是反向的[2]。可以用如下的數學表達式表示：

(1)

公式中的負號，表示溫度梯度的正方向與熱量傳遞的正方向不同，它們之間是相反的關系，公式中的λ是導熱系數。

物質的導熱性能的強弱一般采用導熱系數的大小來表征，一個物質熱性能的重要表征在熱傳導理論中采用導熱系數這個熱物理參數來表示。傅里葉定律直接定義并且給出了導熱系數的計算公式：

(2)

導熱系數λ等于單位溫度梯度，單位時間內垂直于單位面積上通過的熱流量。

在我們的工作中，許許多多的材料都有自己獨特的導熱系數，這些不同材料、不同導熱系數，一般都是通過不同的試驗方法測定的[3]。這些試驗方法的理論基礎大部分都是依據式2建立的，通過測量被測樣品的熱流和溫度梯度的基礎上測量出來的。

(三)空心玻璃微珠水泥基復合材料試驗結果。待儀器進入穩定狀態后，每隔15min記錄一次數據，觀察試驗數據，若試驗數據不是單調的往一個方向變化時，并且變化的幅度小于±3%。試驗結束。

(四)試驗數據及結果分析。通過試驗測得的水泥砂漿的導熱系數為0.28w/m·k，而水泥的導熱系0.93w/m·k，實際值是試驗值的3倍多，造成這種結果的原因很大一部分是由于試件制作過程中的人為因素，試件的表面粗糙不平。在試驗過程中試件與熱板、冷板的接觸不太嚴密，有一部分空氣存留在試件與熱、冷板之間。而空氣的導熱系數為0.023w/m·k，因此試件的導熱系數試驗值偏小。

圖2 試驗數據與ABAQUS模擬數據

當中空玻璃微珠摻量分別為5%，10%，15%，20%，25%，30%時，用ABAQUS仿真模擬軟件模擬出了中空玻璃微珠水泥材料的導熱系數，并用數學軟件繪制出了導熱系數隨摻量的變化曲線(圖2)。 中空玻璃微珠摻量對中空玻璃微珠水泥基復合材料的導熱系數降低的作用。中空玻璃微珠水泥基復合材料與沒有加中空玻璃微珠的純水泥(0.93w/m·k)相比，當中空玻璃微珠填充水泥基的體積分數達到30%的時候，中空玻璃微珠水泥基復合材料實驗室測出的導熱系數為0.1605w/m·k，復合材料的導熱系數降低了82.74%。而當摻入量為30%時，用ABAQUS數值模擬出來水泥基的導熱系數0.1059w/m·k，此時拿純水泥的導熱系數與ABAQUS計算出來的導熱系數相比，導熱系數降低了88.61%。而且，隨著中空玻璃微珠摻量的增大，曲線出現了非線性的變化趨勢，而且這種趨勢是逐漸降低的[61]。

(五)實驗小結、存在的問題及展望。通過對中空玻璃微珠水泥基復合材料等效導熱系數的研究可知，在水泥、砂子的攪拌過程中加入一定量的中空玻璃微珠能夠有效的降低復合材料的導熱系數，能夠滿足中國建筑節能的強制標準。

目前，已經研發出了中空玻璃微珠保溫混凝土，這種保溫混凝土的保溫性能優越、使用方便、造價成本比較低。與常見的粘貼類的保溫材料相比，保溫混凝土能有效的減少施工的過程，減少了工程現場的濕作業。所以，我們對空心玻璃微珠水泥基復合材料的微觀探索研究和宏觀的導熱系數測定試驗，是為了能研究出更好的墻體保溫材料。

本文把中空玻璃微珠作為輕質隔熱水泥基復合材料的增強相，研究質輕、隔熱、耐高溫的水泥砂漿復合材料，利用ABAQUS仿真模擬程序對微觀模型進行了仿真計算。同時利用JW-3型建筑材料熱流導熱儀對中空玻璃微珠水泥材料進行了導熱系數的宏觀實驗。并對ABAQUS仿真計算的結果與導熱儀的測定結果進行了對比分析。并得出了中空玻璃微珠水泥材料的導熱系數與微珠的分布、摻加、內部結構之間的依賴關系，并得出了以下結論：

(1)掌握了中空玻璃微珠水泥復合材料的配合比。

(2)宏觀熱學實驗表明：隨著中空玻璃微珠摻量的增加，中空玻璃微珠水泥材料的導熱系數是降低的。

在實驗室的熱工性能的實驗過程中，由于試件比較薄，在試件的安裝固定過程中，會造成部分的試件斷裂，在后續的研究試驗中，建議將試件的厚度加厚至30mm。在本文的水泥砂漿配合比的設計問題上，由于加入的中空玻璃微珠的粒徑比較小，在等量替換砂子的時，微珠的比表面積比較小，需要的水量就加大，由于水泥砂漿的強度等級時由水灰比(水泥量：用水量)決定的。當加入玻璃微珠后，水泥砂漿的強度的降低也有可能是水灰比的變化引起的。在后續的研究中，希望能保持水泥和水用量不變情況下來研究復合材料的抗壓強度才是有意義的。也可以將水泥、水、砂子的用量不變的情況下，研究出一種外加劑，加入這樣外加劑下，可以使水的用量不變。我們會繼續往這個方向努力。也希望廣大科研人員致力于這方面的研究，為其后續研究提供參考。

[1]張賦. 復合材料微結構仿真與性能預測一體化研究[D].蘭州: 蘭州理工大學, 2013.

[2]郝麗宏. 雙平板式導熱系數測定儀的研制[D].天津: 天津大學, 2004.

[3]羅濤. 電力電纜溫度場及載流量計算方法研究[D].重慶: 重慶大學, 2009.

侯風(1988-)，男，河南開封人，碩士，助教，研究方向:有限元理論與結構優化設計。