不同孔隙率下含濕加氣混凝土的有效導熱系數

姚曉莉，易思陽，范利武，徐 旭，俞自濤，葛 堅

（1.浙江大學 熱工與動力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州310027；2.中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州310018；3.浙江大學 建筑技術研究所，浙江 杭州310058）

蒸壓加氣混凝土作為一種質輕、高強且保溫隔熱性能良好的多孔建筑材料［1］，目前已被廣泛應用于建筑外露梁柱外保溫以及非承重墻主體中.在研究加氣混凝土、木材及多孔陶瓷磚等多孔建材的耐候性、火災情況下材料內部的熱應力以及進行建筑能耗分析、圍護結構熱工性能設計時，都需要掌握材料的導熱性能參數，尤其是材料的有效導熱系數.決定多孔建材有效導熱系數的因素包括骨架有效導熱系數、微觀孔隙結構、各相所占體積分數、孔隙幾何尺寸與分布等［2-3］，其中含水率和孔隙率是多孔建材有效導熱系數的主要決定因素［4-5］.多孔建材具有疏松多孔的結構特點，極易吸濕，且材料內部易發(fā)生冷凝而使其濕分的比例進一步增加［6］，因此在進行建筑熱工設計時應考慮水分對墻體材料導熱性能的影響.Campbell-Allen等［7］根據混凝土各組分有效導熱系數來預測混凝土的有效導熱系數，并且考慮了水分質量變化對混凝土各組分和整體導熱性能的影響.Khan［8］研究了低含水率下幾種混凝土的有效導熱系數，實驗發(fā)現(xiàn)對于質量含水率僅為6.4%的玄武巖混凝土，其有效導熱系數較干樣的有效導熱系數提高了近55%，足見含水率對多孔建材導熱性能的影響程度.

對于加氣混凝土砌塊，目前已有研究中可查到的主要是在氣干狀態(tài)下的有效導熱系數，其含濕狀態(tài)下的有效導熱系數數據相對較少.目前較多的研究工作總結了水分對典型多孔建材如水泥基復合材料、混凝土、木材等有效導熱系數的影響.已有研究大多集中在低含水率情況下，對接近飽和的含濕多孔建材有效導熱系數的細致研究工作較少［9-10］.Clarke等［11］發(fā)現(xiàn)當典型多孔建材處于低含水率時，其有效導熱系數基本隨著含水率的提高呈線性增長的趨勢，但是當含水率高于某個值時（尤其是對于材料內部出現(xiàn)的冷凝或受潮極端情況），這一線性趨勢會發(fā)生較大變化.Clarke等［11］還指出，混凝土試樣內部結構的變化可使其有效導熱系數改變30%左右.因此，針對含水率（尤其是較高的含水率）和孔隙率對加氣混凝土有效導熱系數的影響進行深入研究具有顯著的工程意義.

Stuckes等［12］通過穩(wěn)態(tài)防護熱板法測量了質量含水率低于15%的幾種不同密度加氣混凝土的有效導熱系數，發(fā)現(xiàn)其值不僅受水分的影響較大，而且隨著材料孔隙率的減小而迅速增大.雖然Stuckes等［12］總結了不同含水率對不同比重加氣混凝土有效導熱系數的影響，但是該研究僅考慮了材料低含濕的情況，并且是基于穩(wěn)態(tài)法測量有效導熱系數，并未對測量結果的誤差范圍進行討論，測量結果的可靠性有待進一步驗證.相較于穩(wěn)態(tài)方法，瞬態(tài)測試方法不僅測試時間短［13］、對材料外形尺寸要求較低，而且測量前后被測樣品溫升較小.在研究含濕多孔材料的有效導熱系數時，采用瞬態(tài)方法可以有效減少測量過程中溫差對材料內部濕度場的影響.

本文將采用基于瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk熱常數分析儀對不同孔隙率下具有較高含水率的加氣混凝土的有效導熱系數進行表征并分析其變化規(guī)律.

1 實 驗

1.1 加氣混凝土的物性表征

所選用的試樣是由浙江開元新型墻體材料有限公司生產的基于通用標準GB 11968-2006 型號為B04、B05、B06級的高性能蒸壓輕質砂加氣混凝土砌塊（以下簡稱加氣混凝土），其外觀如圖1（a）所示.3種加氣混凝土試樣表面的氣孔分布均勻且孔隙大小較為均一.由局部放大圖可知，3種試樣的表觀孔隙尺寸及形態(tài)略有不同，B04、B05級試樣的表觀孔隙較為規(guī)整，而B06 級的孔隙形態(tài)則存在差異.如圖1（b）所示為B04 級試樣的局部放大（81倍）掃描電子顯微鏡圖，由圖可知，該試樣的宏觀孔徑分布在1.0mm 左右，并且孔與孔之間呈相互連通狀；圖1（b）中右上角為氣孔內部放大10 000倍觀測到的呈片狀結構的微觀膠凝孔，即砂加氣混凝土結晶度良好的水化產物托勃莫來石.

圖1 加氣混凝土的形貌表征Fig.1 Morphology characterization of aerated concrete

采用多種手段對試樣的容積密度、骨架密度、微觀孔隙率、開口孔隙率以及總孔隙率等關鍵物性進行全面表征.其中，表觀密度可由遵循阿基米德排水法測得的材料體積計算得到（標準ASTM C642-13［14］）；骨架密度的測量采用比重瓶法［15］測試試樣的真實密度.為獲取材料內部的孔徑分布，采用壓汞儀（AutoPore IV 9510）對3種試樣分別進行孔隙結構表征（標準ISO 15901-1：2005［16］），其中壓入的汞體積增量ΔV 與孔隙直徑d 的關系如圖2所示.材料內部孔大致可分為2 種，其孔徑范圍分別為10～103nm 和104～105nm.此外，B05與B06級試樣孔徑在10～103nm 的分布規(guī)律基本一致；而對于孔徑約為105nm 的宏觀孔而言，B04與B05級的試樣孔隙率較為接近，均略高于B06級，這與從圖1（a）所觀察到的特征基本一致.試樣的開口孔隙率則根據文獻［15］的描述進行測量，其原理是采用抽真空飽和法抽除試樣內部的空氣制得飽和含濕樣，稱取濕飽和試樣的質量，并根據如下公式計算得到開口孔隙率：

式中：mw為含濕試樣的質量，md為絕干試樣的質量，V 為試樣容積，ρw 為水的密度.試樣的總孔隙率則根據標準GBT 23564.4-2009采用下式進行計算：

式中：ρ為表觀密度，ρm 為骨架密度.對3種加氣混凝土試樣均采用多個平行樣品進行測試，得到的基本物性表征數據如表1所示.

圖2 壓汞儀表征的加氣混凝土微觀孔徑分布Fig.2 Microscopic pore size distribution curve of aerated concrete determined by mercury intrusion porosimetry

表1 加氣混凝土試樣的基本物理特性Tab.1 Fundamental physical properties of aerated concrete samples

1.2 含濕試樣的制備過程

目前工程應用中常采用質量含水率φm來表征材料的含濕程度，其定義如下：

式中：mw為含濕狀態(tài)下試樣的質量，md為絕干狀態(tài)下試樣的質量.

文獻［12］、［17］采用體積含水率來表征材料的含濕狀態(tài)，其定義如下：

式中：Vw為含濕狀態(tài)下試樣的體積，Vd為絕干狀態(tài)下試樣的體積.

在已知密度的情況下，質量含水率和體積含水率可以通過一定關系進行相互轉化，其公式如下：

鎮(zhèn)江市引航道水利樞紐工程位于鎮(zhèn)江市北部內河與長江鎮(zhèn)揚河段六圩彎道之間的引航道上，其主要功能是擋洪、排澇、蓄水、引排水（換水）、控制內江水位與水質并滿足小型船只的通航要求。工程由水閘、節(jié)制閘，雙向流的泵、船閘、公路橋以及景觀塔樓、堤防等組成。主體建筑物采用鉆孔灌柱樁基礎，設計樁徑120 cm，樁長 50 m，共356根。

為研究不同含濕狀態(tài)下加氣混凝土試樣的導熱性能，根據前密后疏的取點原則，針對3種不同型號的加氣混凝土試樣，測量材料在絕干和質量含水率為1%～100%的18種含濕狀態(tài)下的有效導熱系數值.對比文獻［11］的數據和實際工程應用中的狀況，本研究所觀察到的最高含水率屬于較高的含水率范疇.由開口孔隙率可知，當質量含水率達到100%時，試樣接近但是仍未達到濕飽和狀態(tài).對于幾乎飽和含濕狀態(tài)下的試樣制備和有效導熱系數的測試，需要利用特殊的壓力容器，因此本文暫不討論該狀態(tài)下的測試.

為獲得不同質量含水率的試樣，對試樣進行不同程度的加濕.含濕試樣的基本制備過程如下.

1）初始試樣的表面存在一定的不平整度，測量時為減小2種試樣間的接觸熱阻，采用砂紙對試樣表面進行打磨加工，以保證試樣的平整度.

2）完成試樣前期準備工作后，將試樣放入預先設定為105±1 ℃的烘箱中烘干至恒重（間隔30 min前后試樣質量變化率小于0.001），待試樣在烘箱內冷卻后，采用精密天平（精度為0.01 mg）稱量此時絕干試樣的質量并進行記錄.

3）通過往試樣中加入定量水以制備不同含水率的試樣，并在加濕后采用聚氯乙烯薄膜對試樣進行密封包裝以防止?jié)穹窒蛲饬魇?

4）將包裝好的含濕試樣放入預設溫度為70±1 ℃的恒溫箱中養(yǎng)護半周，促使試樣內部濕分充分滲透，以保證試樣內部濕度場的均勻.

5）將經過恒溫養(yǎng)護后的試樣在室溫（20±3 ℃）環(huán)境下冷卻放置一周，稱取其最終質量，從而得到具有一定含水率的含濕試樣，其含水率的不確定度小于2%.

1.3 有效導熱系數測試條件選取

含濕加氣混凝土有效導熱系數的測量實驗選用基于瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk 熱常數分析儀（TPS 2 500S，測試范圍為0.005～500 W／（m·℃），儀器誤差為±5%）.根據加氣混凝土的力學性能及Hot Disk熱常數分析儀附屬試樣夾持器具的尺寸，確定本文試樣的尺寸為100mm×100mm×30mm.由于加氣混凝土試樣的宏觀孔徑可達1mm，為了更加全面地表征試樣的熱物性，應在探頭探測深度滿足試件尺寸的前提下，盡量選取大直徑的探頭.另外，考慮到輸入功率過大或測量時間過長會誘發(fā)含濕試樣內部濕分遷移，對實驗結果造成影響，而過小的測試功率則會出現(xiàn)探頭探測深度不夠而造成數據不具整體代表性.為了選取適用于含濕試樣有效導熱系數測量的探頭，選取3種不同直徑尺寸的探頭，并通過多次調整輸入功率、探測時間參數，對絕干試樣的有效導熱系數進行測試.

2 實驗結果與數據分析

2.1 儀器重復性驗證

為獲得可靠的實驗數據，對于不同孔隙率的加氣混凝土試樣，每種含水率下各選取比重相近的3組試樣進行平行測量，并取測量結果的平均值作為該含水率下試樣的有效導熱系數值.為驗證Hot Disk熱常數分析儀在含濕多孔建材有效導熱系數測試中的重復性，同一含水率下每組試樣（20±3 ℃）各進行5次有效導熱系數測量，并計算測量結果的相對偏差.結果表明：對于B04級加氣混凝土，整個測量結果中誤差最大的是當φm＝25%時測得的試樣有效導熱系數，相對偏差σRSD＝0.71%；而B05級試樣測試結果的最大偏差出現(xiàn)在φm＝13%時，σRSD＝0.89%；B06 級 的 測 量 結 果 的 最 大 偏 差σmax＝0.96%，出現(xiàn)在φm＝13%時.3種類型試樣的測試結果的最大偏差均低于本文的實驗要求，這表明Hot Disk儀器適用于含濕加氣混凝土有效導熱系數的測量.

2.2 含水率的影響

實驗測得的3種加氣混凝土的有效導熱系數隨質量含水率的變化規(guī)律如圖3所示.從整體曲線變化趨勢可知，3種不同孔隙率的加氣混凝土試樣的有效導熱系數隨著質量含水率的增加均呈單調增長的趨勢.由測量結果可得，B04、B05、B06 級加氣混凝土絕干試樣的有效導熱系數分別為0.117、0.143和0.177 W／（m·℃），當φm＝100%時，試樣的有效導熱系數分別為0.430、0.540和0.651 W／（m·℃）.

從圖3可知，當φm＜15%時，3種試樣的有效導熱系數隨著質量含水率的增長均呈明顯增大趨勢.當φm≈15%時，材料的有效導熱系數變化曲線出現(xiàn)拐點.此后，水分對試樣導熱性能的影響程度有所下降，有效導熱系數的增長速率較之前增長速率有所降低，整體增長較為緩和.通過擬合曲線可知，有效導熱系數與質量含水率之間基本呈分段線性相關，與Clarke等［11］發(fā)現(xiàn)的規(guī)律基本一致.Koronthalyova等［17］對幾種不同容積密度的多孔硅酸鈣板的有效導熱系數隨含水率的變化規(guī)律進行較為深入的研究.研究結果表明：即使對于不同容積密度的硅酸鈣板，其有效導熱系數隨質量含水率的變化趨勢在φm＝15%～20%時都存在一個拐點，且前半階段有效導熱系數增長率較快，過了拐點后增長有所減緩，2個階段下試樣有效導熱系數與質量含水率呈一定的線性關系.Rudtsch等［18-19］的研究發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象.對該現(xiàn)象的一個可能的合理解釋如下：對于干燥試樣，其初始階段的有效導熱系數遠低于水分的有效導熱系數，且此時試樣具有較強的吸濕性能，因此其有效導熱系數對含水率的變化較為敏感.

圖3 加混凝土的有效導熱系數隨質量含水率的變化規(guī)律Fig.3 Change rule of thermal conductivity of aerated concrete with moisture content

由圖3可知，對于3種不同孔隙率的試樣，當φm＜9%時，測得試樣的有效導熱系數標準偏差較小，最大偏 差 分 別 為0.013 1、0.019 3 和0.015 2 W／（m·℃），同一含水率下3 組實驗的結果重復性較好.當φm＝15%～75%時，測得的有效導熱數值波動幅度較大.對于B04級試樣，當φm＝55%時，有效導熱系數的波動達到0.024 0 W／（m·℃）；B05級的最大有效導熱波動出現(xiàn)在φm＝25%時，為0.024 1 W／（m·℃）；而B06級的最大有效導熱波動則出現(xiàn)在φm＝55%處，為0.012 8 W／（m·℃）.當 試 樣 接 近飽和含濕狀態(tài)時，實驗測得結果的相對誤差變小，3種試樣最大偏差分別為0.008 5、0.014 9和0.012 2 W／（m·℃），低 于φm＝15%～75%時 的 實 驗 結果偏差.

當質量含水率較低時（φm＜5%），由圖1（b）可知，材料存在微觀膠凝孔.此時，由于材料內部孔隙表面存在毛細吸附力，可吸附若干層水分子并形成較為穩(wěn)定的結合水層，此時孔隙內部水分多以緊密結合水或結合水的形式呈現(xiàn)［20］；通過壓汞儀表征可知材料內部存在大量體積較大而開口較小的瓶狀孔［7］，材料內部濕分難以發(fā)生遷移，因而實驗測量時的準確性較高.當孔隙含水率逐漸增大時，孔隙內部水分逐漸累積并散布在材料連通孔內壁，形成孤立液橋，此時重力對孔隙內部水分的影響逐漸增強.當進行有效導熱系數測量時，探頭加熱區(qū)域的試樣內部濕分將發(fā)生遷移，造成連續(xù)幾次試樣有效導熱系數測量結果誤差較大，測試前后質量變化也相對較大.當試樣趨近濕飽和時，試樣孔隙內部液橋逐漸連通成一體，測量過程中探頭會使加熱區(qū)域的濕度場發(fā)生變化，被蒸發(fā)區(qū)域將會被周圍水分回流補充；即使實驗前后試樣質量有變化，最終測量結果的波動仍然減小.

為定量分析質量含水率對試樣有效導熱系數的影響程度，以有效導熱系數相對提高率ψ 作為評價標準，其公式如下：

式中：k為試樣有效導熱系數，k0為絕干試樣的有效導熱系數.所得的有效導熱系數相對提高率計算值如圖4所示，與文獻［11］、［18］中總結的幾種多孔建材的有效導熱系數提高率隨體積含水率的變化趨勢一致.除了B04級試樣在φv＜15%時有效導熱系數變化率較大，其他2種試樣的實驗數據基本落在輕質混凝土和輕質磚2條變化趨勢曲線的中間，且與輕質混凝土有效導熱系數提升率的變化趨勢較為接近.不考慮施工前磚塊自身含水和由氣溫驟降所造成的凝結對加氣混凝土砌塊內部含水率的影響，對于年平均相對濕度大于60%的地區(qū)，加氣混凝土的平衡質量含水率可達5%左右（規(guī)范JGJ／T 17-2008）.由圖4可知，加氣混凝土的有效導熱系數提高了一半.若考慮磚塊自身含水及水分在材料內部的凝結或受潮，材料整體的保溫性能將大大下降.材料在接近濕飽和時，材料有效導熱系數增長了近3倍，會對保溫性能產生較大的不利影響.

圖4 有效導熱系數的相對提高率隨體積含水率的變化規(guī)律Fig.4 Relative increase rate of thermal conductivity with volumetric moisture content

2.3 孔隙率的影響

如圖1和表1所示，對于本文所研究的3種加氣混凝土試樣而言，其宏觀差別主要體現(xiàn)在孔隙率上.胡亞才等［21］測量了不同質量含水率下木材試樣的有效導熱系數，并通過對試樣內部微觀結構進行表征，發(fā)現(xiàn)材料的微結構對其傳熱性能有顯著影響，且在同一含水率下，高孔隙率的材料傳熱能力較低.為研究孔隙率及孔徑大小對材料導熱性能的影響，本文對實驗結果進行歸納，部分質量含水率下的試樣有效導熱系數隨總孔隙率的變化規(guī)律如圖5所示.

圖5 有效導熱系數隨總孔隙率與質量含水率的變化規(guī)律Fig.5 Variation of thermal conductivity with porosity and moisture content

由圖5可知，在同一質量含水率下，隨著孔隙率的增大，試樣的有效導熱系數逐漸降低；在同一孔隙率下，試樣的有效導熱系數隨著質量含水率的增加呈增大趨勢，且各含水率情況下有效導熱系數的變化趨勢基本平行，證明有效導熱系數隨含水率的變化基本不受孔隙率的影響.通過前文對加氣混凝土試樣的微觀表征可知，材料的傳熱過程基本分為2個部分：固體骨架導熱和孔隙內部導熱.20℃時水的有效導熱系數（約為0.60 W／（m·℃））遠大于干空氣的有效導熱系數（約為0.03 W／（m·℃）），因此，當孔隙含水時，熱量遵循最小熱阻原則由高導熱的濕分側進行傳遞.而當含濕率不變時，加氣混凝土孔隙率的提高將導致導熱性能高于空氣的骨架比重下降而使整體有效導熱性能下降.

2.4 有效導熱系數的預測公式

由分段線性擬合加氣混凝土有效導熱系數隨含水率變化的擬合曲線可知，當φm＜15%時，不同孔隙率下的有效導熱系數隨質量含水率的變化趨勢呈平行狀態(tài)；當φm＞15%時，不同孔隙率下有效導熱系數的擬合曲線的斜率呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律.通過對擬合線斜率及截距與孔隙率間的關系曲線分別進行線性和二次多項式擬合，最終獲得基于質量含水率和孔隙率變化的加氣混凝土有效導熱系數分段線性近似預測公式：

當φm＜15%時，由此預測公式計算得到的有效導熱系數值與實驗值的最大偏差為2.4%；當φm＞15%時，由于實驗數據本身的線性擬合度較差，將實驗數值代入式（7）得到的最大偏差為6.3%.

3 結 論

采用基于瞬態(tài)平面熱源法的Hot Disk熱常數分析儀測試了絕干加氣混凝土的有效導熱系數.測試結果表明：Hot Disk熱常數分析儀的測量結果具有較好的重復性，適用于含濕建筑材料導熱性能的測試.運用該方法對不同孔隙率下的具有較高水率的加氣混凝土試樣（φm最高達到100%）的有效導熱系數進行了測試，所得結論如下.

（1）加氣混凝土的有效導熱性能受孔隙結構及其內部成分組成影響較大，且隨材料含水率的提升呈單調增長趨勢，隨孔隙率的增大呈降低趨勢.

（2）在φm＜15%時，不同孔隙率的材料導熱性能均隨質量含水率的增大迅速增加，其可能的原因是初始階段試樣的導熱性能遠低于水分的導熱性能.此時，試樣具有較強的吸濕性能，因此試樣的有效導熱系數隨質量含水率的變化較為敏感.在質量含水率較低時，有效導熱系數測量的重復性較好.

（3）當φm＞15%時，有效導熱系數隨質量含水率的變化減緩.在φm＝15%～80%時，實驗測得的數據波動較大.這可能是由于探頭加熱區(qū)域濕分蒸發(fā)，分散水團不能及時補給所造成的；而當試樣的含水率進一步提高時，導熱測量結果重復性再次提高.

（4）通過分段線性擬合加氣混凝土有效導熱系數隨質量含水率的變化曲線，總結出一個基于孔隙率和質量含水率變化的有效導熱系數近似預測模型，為工程實際應用中預測不同孔隙率和含水率下加氣混凝土的有效導熱系數提供了參考依據.

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