再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)與分析

朱麗華，戴 軍，白國(guó)良，張鋒劍

（西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

將廢棄混凝土加工成再生骨料來(lái)制作再生混凝土是發(fā)展環(huán)保型建筑材料的重要方向，這種混凝土的循環(huán)利用方式既實(shí)現(xiàn)了建筑材料資源的二次有效利用，又解決了天然骨料匱乏及大量砂石開(kāi)采致使自然環(huán)境惡化的困窘局面［1］.

現(xiàn)階段，或許是考慮到再生混凝土性能的不確定性，除部分應(yīng)用于承重構(gòu)件外，大量再生混凝土被應(yīng)用于圍護(hù)構(gòu)件等非承重構(gòu)件上.圍護(hù)構(gòu)件除有一定的強(qiáng)度要求外，還應(yīng)具備良好的保溫隔熱性能.再生骨料存在內(nèi)部缺陷，周圍又有水泥砂漿包裹，因而其組分復(fù)雜、形態(tài)多樣.再生骨料在密度、吸水率及壓碎指標(biāo)等方面均與普通骨料存在差異，這導(dǎo)致再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與普通混凝土相比也存在差異.當(dāng)然，再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度可以通過(guò)調(diào)整配合比、骨料改性、摻加活性礦物等來(lái)改善；但是，如何改善再生混凝土的熱工性能，使其滿足工程應(yīng)用的需求，依然是亟待解決的問(wèn)題.研究再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了大量研究.這些研究普遍認(rèn)為，骨料類型、孔隙數(shù)量及分布、密實(shí)度、內(nèi)部溫度及濕度是影響混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素.然而，關(guān)于再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的研究很少，肖建莊等［2］的研究表明，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著再生粗骨料取代率的增大而減小.

本文采用水灰比、單位體積用水量、再生粗骨料取代率和再生細(xì)骨料取代率這4個(gè)影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，研究各因素對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；分析再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理，同時(shí)提出再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原理

測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，可將再生混凝土的導(dǎo)熱過(guò)程理想化為大平壁導(dǎo)熱，再生混凝土試件兩側(cè)表面各點(diǎn)的溫度相等，形成兩個(gè)等溫面，等溫面之間的溫度差（Δt）產(chǎn)生了沿溫度梯度相反的降度方向的熱流（ΔQ），公式為：

式中：ΔS 為等溫面的面積；n 為等溫面的法線方向；λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，則通過(guò)一定厚度材料層的熱量越少，其保溫性能就越好.

1.2 試驗(yàn)材料

天然骨料：西安渭河的卵石和河砂；水泥：陜西秦嶺水泥廠生產(chǎn)的PC32.5復(fù)合硅酸鹽水泥；再生骨料：西安市某廢棄工廠拆除構(gòu)件后的混凝土經(jīng)破碎、清洗、篩分后得到.天然骨料和再生骨料性能指標(biāo)見(jiàn)表1所示.

1.3 試驗(yàn)方案及試件制備

再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)采用四因素三水平的正交試驗(yàn)方案，見(jiàn)表2 所示.考慮因素為水灰比（mW／mC）、單位體積用水量（ρW）、再生粗骨料取代率（RCA）和再生細(xì)骨料取代率（RFA）.試驗(yàn)共9 組，每組2塊試件.

表1 骨料的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance index of aggregate

表2 正交試驗(yàn)水平表Table 2 Level of orthogonal experiment

制作尺寸為200mm×200mm×30mm 的木模，內(nèi)部均勻涂抹薄層機(jī)油.人工拌和水泥、骨料和水，振搗均勻后將再生混凝土拌和物灌入木模，在室溫（20±5）℃的條件下靜置24h，拆模并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d.測(cè)試前將試件放入80℃烘箱中烘至干燥，稱出其固定質(zhì)量M.再生混凝土的密度能夠反映其密實(shí)度，而再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)受其密實(shí)度的影響，所以，再生混凝土試件的質(zhì)量和密度是試驗(yàn)中的重要參數(shù).

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)儀器有穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀、烘箱、穩(wěn)壓器.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀主要由加熱板、冷板、測(cè)量?jī)x表、量熱儀表和計(jì)時(shí)器等組成.再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)按照GB／T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定熱流計(jì)法》進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

分別測(cè)定9組共18塊試件的導(dǎo)熱系數(shù)，每組結(jié)果取2塊試件測(cè)試值的平均值；同時(shí)記錄試件干燥后的質(zhì)量M，計(jì)算其密度，所得結(jié)果見(jiàn)表3.再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系如圖1所示，由圖1可知，隨著再生混凝土密度的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大.

2.2 極差和方差分析

通過(guò)極差分析，可以得到各因素對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響強(qiáng)弱，同時(shí)可以得到基于試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值的優(yōu)化組合.本文對(duì)再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和密度進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4，其中：K1，K2，K3分別為因素A，B，C，D 的第1，2，3水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)（或密度）之和；k1，k2，k3 分別為K1，K2，K3對(duì)應(yīng)的平均值.

表3 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及其密度Table 3 Thermal conductivity and density of recycled concrete

圖1 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系Fig.1 Relationship between thermal conductivity and density of recycled concrete

由表4可知，4 個(gè)因素對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響強(qiáng)弱順序?yàn)镃＞D＞A＞B.因素C 的極差最大，即再生粗骨料取代率是影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的最大因素；因素A 和B對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響很小，幾乎可以忽略.材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，則通過(guò)一定厚度材料層的熱量越少，其保溫隔熱的能力也就越強(qiáng).由表4可知，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最小的配合比為A2B3C3D3.

4個(gè)因素對(duì)再生混凝土密度的影響強(qiáng)弱順序?yàn)镈＞C＞A＞B.因素C 的極差稍小于因素D，即再生細(xì)骨料取代率是影響再生混凝土密度的最大因素.

表4 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和密度的極差分析Table 4 Range analysis of thermal conductivity and density of recycled concrete

通過(guò)方差分析可以找出并比較對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響的因素.對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5所示.

選定顯著水平α＝0.05，則F0.05（2，2）＝19；由表5可知FC和FD值均大于19，這表明再生粗、細(xì)骨料取代率對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)具有顯著影響；水灰比和單位體積用水量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)顯著影響.再生混凝土密度的方差分析結(jié)果同導(dǎo)熱系數(shù)類似，即再生粗、細(xì)骨料取代率對(duì)再生混凝土密度具有顯著影響.

表5 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的方差分析Table 5 Variance analysis of thermal conductivity of recycled concrete

2.3 規(guī)律分析

由表4可知，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨因素A 和B的變化量很小，即水灰比和單位體積用水量對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響很小.隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)顯著下降.再生細(xì)骨料取代率的增加也會(huì)使再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)下降，但當(dāng)再生細(xì)骨料取代率由70%變化到100%時(shí)，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度減小，其原因可能是骨料間的級(jí)配效應(yīng)導(dǎo)致該組試件的導(dǎo)熱系數(shù)變化不顯著.

再生混凝土密度隨著水灰比和再生粗、細(xì)骨料取代率的增加而降低，其原因是再生混凝土拌和物中用水量越大，烘干后水分損失就越多，再生混凝土的質(zhì)量也就越小.

2.4 內(nèi)在機(jī)理分析

正交試驗(yàn)中考慮的影響因素是基于配合比層次的，這便于在工程實(shí)踐中對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行控制，但基于這4個(gè)影響因素顯然無(wú)法很好地解釋再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理.

再生混凝土與普通混凝土的區(qū)別在于前者采用了部分或者全部的再生骨料，但兩者的制作工藝是相同的.再生骨料性能的退化主要體現(xiàn)在物理性能層面，為此，不妨將再生混凝土看作一種退化的普通混凝土，嘗試根據(jù)普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理來(lái)解釋再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理.

常溫下，混凝土的濕度、孔隙數(shù)量及分布、骨料類型是影響其導(dǎo)熱系數(shù)變化的主要因素.本試驗(yàn)中的試件經(jīng)過(guò)了烘干這一環(huán)節(jié)，從而弱化了濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.骨料類型可以用再生混凝土中骨料的加權(quán)壓碎指標(biāo)來(lái)表征.從正交試驗(yàn)的極差分析中可知，再生粗骨料取代率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響大于再生細(xì)骨料取代率.本文定義再生骨料對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)C 如下式所示：

式中：η1 和η2 分別為再生粗骨料和再生細(xì)骨料的取代率；q1和q2分別為再生粗骨料和再生細(xì)骨料的壓碎指標(biāo)百分?jǐn)?shù)；q′1為天然粗骨料的壓碎指標(biāo)百分?jǐn)?shù)；ρ為再生細(xì)骨料對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響的折減系數(shù)，取正交試驗(yàn)的極差比值，ρ＝0.114／0.201＝0.56.骨料影響系數(shù)C 與再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖2所示.

圖2 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與骨料影響系數(shù)C 的關(guān)系Fig.2 Relationship between thermal conductivity of recycled concrete and aggregate impact factor C

給定顯著水平α＝0.01，則可得臨界值Fα，計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)的臨界值R0.01＝0.515.圖1 中再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和密度的相關(guān)系數(shù)為0.813，圖2中再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與骨料影響系數(shù)C 的相關(guān)系數(shù)為0.957.可見(jiàn)，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與骨料影響系數(shù)C 的線性相關(guān)關(guān)系更為顯著.再生骨料吸收的水在混凝土硬化過(guò)程中作為自由水保留下來(lái)，造成基體孔隙增加、密度降低.因此，骨料影響系數(shù)C不僅能體現(xiàn)再生混凝土中骨料的組成，而且也能體現(xiàn)再生混凝土孔隙的變化.相比再生混凝土干燥后的密度，C 值更能全面反映再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的變化.

上述分析表明，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理與普通混凝土是一致的，在內(nèi)部溫、濕度相同的情況下，孔隙情況和骨料特性仍是影響其導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素.

3 導(dǎo)熱系數(shù)的理論分析和計(jì)算

混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算模型主要有兩類：一類是假設(shè)混凝土為典型的多孔材料，通過(guò)試驗(yàn)獲得骨料在基體中的分布情況，然后計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，該模型應(yīng)用范圍不廣；第二類是考慮熱流在混凝土內(nèi)部的傳遞途徑，一條路徑通過(guò)連續(xù)的砂漿層，另一條路徑通過(guò)不連續(xù)的砂漿和骨料［3－4］.再生混凝土內(nèi)部組分復(fù)雜，不易獲得骨料在基體中的分布情況.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用第二類計(jì)算模型中的典型模型，即Campbell－Allen和Thorne模型，其計(jì)算公式如下：

式中：m＝1－（1－p）1／3，p 是砂漿在混凝土中的體積分?jǐn)?shù)；λm，λa分別為砂漿和骨料的導(dǎo)熱系數(shù).由于再生混凝土中既含有天然粗、細(xì)骨料，又含有再生粗、細(xì)骨料，所以此處的λm和λa需要重新定義.本文建議λm取水、水泥、天然細(xì)骨料、再生細(xì)骨料分別按平行傳導(dǎo)模型、串聯(lián)模型計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)熱系數(shù)平均值；λa取天然粗骨料和再生粗骨料分別按平行傳導(dǎo)模型、串聯(lián)模型計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)熱系數(shù)平均值.

再生骨料是原始混凝土經(jīng)破碎后加工而成的，因此可將再生骨料的導(dǎo)熱系數(shù)取為普通混凝土的導(dǎo)熱系 數(shù)［5］，取 為1.4 W／（m·K）.本試驗(yàn)溫度為20℃，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.576 W／（m·K）；普通水泥導(dǎo)熱系數(shù)為1.233 W／（m·K）；天然粗骨料為花崗巖，其導(dǎo)熱系數(shù)為2.913W／（m·K）；天然細(xì)骨料為石英砂，其導(dǎo)熱系數(shù)為3.086W／（m·K）.根據(jù)以上參數(shù)和公式（3），可以獲得再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型計(jì)算值.同時(shí)，對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行的分析表明，導(dǎo)熱系數(shù)與骨料影響系數(shù)C存在明顯線性相關(guān)關(guān)系，其試驗(yàn)值、模型計(jì)算值與C值間的關(guān)系見(jiàn)圖3所示.

圖3 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值、計(jì)算值與C 值的關(guān)系Fig.3 Relationship between experimental values，calculated values of thermal conductivity of recycled concrete and Cvalues

由圖3可知，導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值小于Campbell－Allen和Thorne模型的計(jì)算值，且再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型計(jì)算值與骨料影響系數(shù)C 之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系.其原因可能是本試驗(yàn)中的再生粗、細(xì)骨料取代率均較高；再生骨料吸水率較高，附加用水多［6］，試件經(jīng)過(guò)烘干后保持干燥狀態(tài)，其中的孔隙較多且分布較廣，從而導(dǎo)致再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)值較小.同時(shí)，當(dāng)再生混凝土孔隙中的水分降低時(shí)，水蒸氣擴(kuò)散的傳熱量會(huì)減少；水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.576W／（m·K），而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.030 W／（m·K），當(dāng)空氣替代了孔隙中的水分之后，也會(huì)造成再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降［7］.

孔隙分布會(huì)影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的大小，而前述內(nèi)在機(jī)理分析表明C 值能夠體現(xiàn)再生骨料和再生混凝土中孔隙的分布狀況，因此，本文通過(guò)骨料影響系數(shù)C 來(lái)修正再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型的計(jì)算值，以便與試驗(yàn)值吻合.由于再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)值和計(jì)算值都與C 值存在線性相關(guān)關(guān)系，本文提出修正公式如下：

式中：λ″為修正后的導(dǎo)熱系數(shù)；λ′為導(dǎo)熱系數(shù)模型計(jì)算值；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值.將式（3）代入式（4），f（C）用圖3中兩個(gè)線性擬合公式的差值表達(dá)，可得到如下公式：

根據(jù)式（5）計(jì)算再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正值，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表6.由表6 可知，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正值與試驗(yàn)值之間的誤差較小.式（5）中的參數(shù)均可從再生混凝土配合比設(shè)計(jì)中獲得，因此該修正公式具有很好的可操作性，便于工程實(shí)際應(yīng)用.

表6 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)修正值與試驗(yàn)值的對(duì)比Table 6 Comparison between modified values and experimental values of thermal conductivity of recycled concrete

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)研究表明，4個(gè)影響因素中，再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響最大，再生細(xì)骨料取代率次之，水灰比和單位體積用水量的影響很小.

（2）對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行的分析表明，孔隙狀態(tài)和骨料特性仍是影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的主要原因.

（3）定義了骨料影響系數(shù)C，分析表明再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著C 值的增加而降低，兩者間的線性相關(guān)關(guān)系顯著，并且骨料影響系數(shù)C 能夠更好地解釋再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理.

（4）基于普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的模型計(jì)算公式和試驗(yàn)結(jié)果，提出了修正的再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式，且修正值與試驗(yàn)值兩者吻合較好.

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