含水率及溫度對鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243002)

隨著建筑市場的日益發(fā)展，建筑材料與能源問題日漸突出，節(jié)約能源已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要方面。而鋼渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄料作為一種廢棄資源，已經(jīng)越來越多地被用于建筑等行業(yè)，成為一種重要的材料。將陶粒[1]、煤矸石[2-3]、粉煤灰[4-6]、鋼渣[7]等工業(yè)排放物加入泡沫混凝土原料中，不僅降低了泡沫混凝土的成本，還可節(jié)約資源保護環(huán)境，同時改善泡沫混凝土的一些性質(zhì)。

目前，GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定防護熱板法》中有關于保溫材料導熱系數(shù)的測量和計算方法中沒有考慮含水率的影響，規(guī)定條件均為絕干狀態(tài)下對其導熱系數(shù)進行測定，而且給定的導熱系數(shù)皆為特定溫度下的導熱系數(shù)。而實際工程中泡沫混凝土等絕大多數(shù)保溫材料屬于多孔性材料，皆具有多孔結(jié)構(gòu)，有較強的吸水性，在環(huán)境濕度較大時易吸潮，嚴重影響其熱工性能[8]，不同環(huán)境下溫度也有所不同，而且墻體結(jié)構(gòu)的保溫性能在自然環(huán)境下是逐漸衰減的。試驗在本課題組已有的基礎上，將分別對不同濕度和溫度下的鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)進行研究，以探究含水率和溫度對材料及墻體熱工參數(shù)的影響；并通過施加周期性的溫-濕度模擬自然環(huán)境的變化，研究在自然環(huán)境下鋼渣泡沫混凝土的變化規(guī)律，為鋼渣泡沫混凝土在實際工程中的應用提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，該標號水泥表觀密度為3 100 kg/m3，凝結(jié)硬化快，耐久性好且價格低廉，其主要成分及性能指標見表1，2。

表1 水泥主要成分，w/%Tab.1 Main components of cement,w/%

表2 水泥性能指標Tab.2 Performance index of cement

試驗用鋼渣為某公司提供，鋼渣陳伏時間為5 a，成分多以氧化物形式出現(xiàn)，具體見表3，其表觀密度為3 400 kg/m3，堆積密度為1 670 kg/m3。

表3 鋼渣粉末的化學成分，w/%Tab.3 Chemical composition of steel slag powder,w/%

1.2 試驗儀器

1.2.1 導熱系數(shù)測定儀

采用沈陽紫微機電設備有限公司所產(chǎn)的CD-DR3030導熱系數(shù)測定儀，其工作原理：在穩(wěn)態(tài)條件下，在處于熱板裝置中心計量區(qū)域內(nèi)的試件中建立一維恒定熱流；當物體內(nèi)部存在溫度梯度時，熱傳導過程就會發(fā)生，熱量從高溫處向低溫處傳遞。傅里葉導熱定律在一維穩(wěn)態(tài)傳熱時熱量與材料導熱系數(shù)的比例關系可知[9-10]：假設熱量傳遞方向沿著z軸，在垂直z軸的方向上取面元ds，dt時間內(nèi)通過ds傳遞的熱量dQ值為

其中：Q為單位時間通過截面的熱量；Δθ為冷板和熱板溫度差，Δθ=θ1-θ2；θ1為中心熱板面上溫度均值；θ2為左右冷板面上溫度均值；λ為材料的導熱系數(shù)；d為試件厚度；A為試件有效受熱面積。

1.2.2 高低溫交變濕熱試驗箱

采用無錫索亞特試驗設備有限公司制造的CDJS系列高低溫交變濕熱試驗箱，其可以模擬周期性性溫濕度變化環(huán)境，主要性能指標見表4。

1.3 試件的制備

鋼渣泡沫混凝土配合比[11]見表5。鋼渣泡沫混凝土的制備工藝流程見圖2。采用手動攪拌的方法制備泡沫，將稱量好的發(fā)泡劑和水混合，先慢速攪動約1 min，使固體發(fā)泡劑完全溶解，然后快速攪動，溶液產(chǎn)生大量的泡沫。相對于機器而言，手動便于控制力度，更容易防止攪拌過度導致泡沫炸裂，攪拌時間為5 min，攪拌的泡沫細小均勻為最佳，泡沫在加入漿體前需靜置2 min，使體積較大的泡沫先炸裂，從而降低泡沫混凝土在凝結(jié)硬化過程中的收縮程度；然后，先將鋼渣、水泥和外加劑等集料按配合比混合均勻，接著加入水攪拌成均勻的漿體，攪拌時間為8 min；接著，將制備好的泡沫加入漿體中，繼續(xù)攪拌至混合漿體表面沒有明顯的氣泡破滅并且均勻為止，攪拌時間在3 min左右為宜，若攪拌時間過長，則容易導致泡沫炸裂；最后，將混合漿體澆注入模具。經(jīng)多次試驗研究發(fā)現(xiàn)，分3次注入，每次間隔3 min可以有效改善鋼渣沉底。用工具將表面刮平且用塑料薄膜覆蓋防止水分蒸發(fā)過快導致坍塌，在覆膜的時候用工具將其支撐，避免薄膜接觸水泥表面，只要薄膜能防止水分蒸發(fā)即可；1～2 d后脫模放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至齡期。

圖1 導熱系數(shù)測定結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure principle of thermal conductivity measurement

表4 CDJS系列高低溫交變濕熱試驗箱Tab.4 CDJS series high and low temperature alternating humid heat test box

表5 鋼渣泡沫混凝土配合比，w/%Tab.5 Mix ratio of steel slag foam concrete,w/%

圖2 鋼渣泡沫混凝土的制備流程Fig.2 Preparation process of steel slag foamed con

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率對鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

采用重濕度法[12-13]對試件的含水率進行控制，即對試件表面分別均勻噴灑相應質(zhì)量分數(shù)的水(分別取2%,4%,6%,8%,10%,12%,14%,18%,20%,22%,24%,26%)，然后用濕毛巾覆蓋，并養(yǎng)護6 h。放入導熱系數(shù)測定儀前，用吸水性好的干毛巾對試件表面進行擦拭，防止有流動水干擾試驗．并將養(yǎng)護好的鋼渣泡沫混凝土板的兩面都裹上一層塑料模，以求在最大程度上減少試驗過程中試件內(nèi)的水分的流失，此外為防止溫度過高將水分蒸發(fā)，將冷板溫度設為15℃，熱板溫度設為35℃。鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)在不同含水率下的測量結(jié)果見表6。

鋼渣泡沫混凝土板均已靜置6 h左右，且表面潮濕但是沒有水分滲出；盡管已經(jīng)覆膜處理，但是接觸熱板的那一面溫度較高，仍有水分蒸發(fā)，但是蒸發(fā)量較小，且由于薄膜的存在，可以認為在薄膜內(nèi)部的水分總量不變，為了減小水分蒸發(fā)帶來的影響，試驗所測量的含水率為試驗結(jié)束時鋼渣泡沫混凝土板的含水率。

由表6可知：鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨著含水率的增加而增加，增加趨勢逐漸減小，其主要原因在于熱量傳遞主要有3種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射，在本試驗鋼渣泡沫混凝土中熱量傳遞的主要方式是熱傳導，其他2種方式傳遞的熱量可以忽略不計。而鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部熱傳導途徑主要有3種，分別是固體和固體導熱傳遞、固體和氣體導熱傳遞、固體和液體導熱傳遞，由文獻[14]可知，水的導熱系數(shù)約為0.599 W/(m·K)，水泥的導熱系數(shù)約為1.063 W/(m·K)，而空氣導熱系數(shù)約為0.020 W/(m·K)，其遠小于其他介質(zhì)的導熱系數(shù)。當鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部連通孔不含水或者含水量較少時，熱量主要通過鋼渣和水泥石之間的固固傳遞，其他2種方式傳遞的熱量可以忽略不計；隨著含水量的增加，鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部的連通孔逐漸充滿水，而水的導熱系數(shù)遠大于空氣的導熱系數(shù)，熱量的主體要傳遞途徑變?yōu)楣坦虃鬟f、固液傳遞、液液傳遞，所以鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨著含水率的上升而增加。然而鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部的開口孔的數(shù)量是一定的，當所有的連通孔均充滿水時，導熱系數(shù)達到極限，所以導熱系數(shù)不會一直增長下去。

表6 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和含水率Tab.6 Thermal conductivity and moisture content of steel slag foamed concrete

圖3 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和含水率的關系Fig.3 Relationship between thermal conductivity and conductivity water content of steel slag foam concrete

圖3為鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和含水率關系的曲線。由圖3可知，鋼渣泡沫混凝土板的導熱系數(shù)隨含水率的增加并不是沿直線增加，曲線的斜率越來越小，二者之間具有良好的非線性關系，經(jīng)過origin8.0擬合得到式(3)。

式中：λ為鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)，W/(m·K)；w為鋼渣泡沫混凝土試件的含水率，%；R2為相關系數(shù)。

2.2 溫度對鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱情況下，對于1 m厚的導熱材料，當其兩側(cè)表面的溫差為1℃時，在1 s內(nèi)的時間內(nèi)，通過1 m2面積時傳遞的熱量。顯而易見，當兩側(cè)表面的溫度越高，則材料的導熱系數(shù)也越高。試驗分別設置7個溫度，溫度梯度均為20℃，對鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和溫度之間的關系進行研究，測得數(shù)據(jù)如表7。

鋼渣泡沫混凝土平均導熱系數(shù)和溫度的關系曲線如圖4。由圖4可知，鋼渣泡沫混凝土板的導熱系數(shù)隨溫度的增加近似沿直線增加，二者之間具有良好的線性關系，擬合結(jié)果見式(4)。

式中：t為熱板溫度，℃。

表7 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和溫度Tab.7 Thermal conductivity and temperature of steel slag foamed concrete

當熱量在鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部傳導時，固體依靠分子或原子等微觀粒子的振動進行傳遞，而對于氣體來說，熱量通過氣體分子不規(guī)則運動時的相互碰撞將熱量從溫度高的地方傳到溫度低的地方；根據(jù)傳熱機理，當環(huán)境溫度升高，鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部孔隙中的氣體分子的不規(guī)則運動加劇，不同能量水平的氣體分子相互碰撞幾率變大，而固相原子或分子振動越發(fā)劇烈，材料單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多，從而熱傳導變快，所以溫度越高，材料的導熱系數(shù)越高。

2.3 周期性溫-濕度循環(huán)對鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

通過中國氣象網(wǎng)調(diào)取南京地區(qū)近累年平均每月最高溫度和最低溫度以及每月平均相對濕度對鋼渣泡沫混混凝土的保溫性能進行研究，每個溫-濕度段運行1 h，共24段為一個循環(huán)，每段之間的等待時間不計入循環(huán)總時間。將鋼渣泡沫混凝土板放入濕熱交變試驗箱，如圖5所示，待一個循環(huán)結(jié)束后將其拿出，對其導熱系數(shù)進行測定(熱板溫度為35℃，冷板為15℃)，測得數(shù)據(jù)見表8。

圖4 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和溫度的關系Fig.4 Relationship between thermal and temperature of steel slag foam concrete

圖5 周期性溫-濕度循環(huán)試驗Fig.5 Periodic temperature-humidity cycle test

表8 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和循環(huán)次數(shù)Tab.8 Thermal conductivity and cycle times of steel slag foamed concrete

由表8可知：隨著溫-濕度循環(huán)的進行，鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)逐漸增高，但是增高的趨勢趨于平緩，其原因在于，周期性溫-濕度作用會在鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生周期性的溫-濕度應力，從而使鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生與其對應的微結(jié)構(gòu)損傷，而且會導致鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部的封閉型孔減少，連通型孔增多，進而造成鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)上升，保溫隔熱能力下降，但是，由于周期性溫-濕度作用造成的鋼渣泡沫混凝土損傷會隨著溫-濕度循環(huán)的進行而趨于飽和，因此，鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)增高的趨勢趨于平緩。

圖6為鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和周期性溫-濕度循環(huán)次數(shù)的關系曲線，由圖6可知，鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)并不是沿直線增加，曲線的斜率越來越小，通過軟件擬合如式(5)。

圖6 鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關系Fig.6 Relationship between thermal conductivity and cycle times of steel slag foamed concrete

式中：n為周期性溫-濕度循環(huán)次數(shù)。

3 結(jié) 論

1)鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨含水率的增加并不是沿直線增加，且增加趨勢平緩，其原因在于鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部的開口孔數(shù)量一定，當所有的連通孔均充滿水時，通過固液傳遞和液液傳遞的熱量達到極限，所以鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)不會一直增長下去。

2)鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨兩側(cè)表面溫度的升高而升高，且二者之間有良好的線性關系。

3)鋼渣泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨著溫-濕度循環(huán)的進行逐漸增高，但增高趨勢平緩，其原因在于周期性溫濕-度作用造成的鋼渣泡沫混凝土損傷會隨著溫-濕度循環(huán)的進行而趨于飽和，因此，鋼渣泡沫混凝土導熱系數(shù)增高的趨勢越來越小。