預(yù)拌全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素分析

鄧鈴夕，董恒瑞，陳宇生,，楊再富，石從黎,

（1重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶401122；3重慶建工建材物流有限公司，重慶401122）

預(yù)拌全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素分析

鄧鈴夕1，董恒瑞2，陳宇生2,3，楊再富3，石從黎2,3

（1重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶401122；3重慶建工建材物流有限公司，重慶401122）

全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是一項(xiàng)重要的熱工指標(biāo)，其導(dǎo)熱性能受多方面因素的影響，該文結(jié)合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)書籍文獻(xiàn)對影響全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的多種因素進(jìn)行了總結(jié)、分析和探討，以期促進(jìn)預(yù)拌全輕混凝土技術(shù)的進(jìn)步。

導(dǎo)熱系數(shù)；干表觀密度；輕骨料；配合比；含水率；均勻性；平整度

0 引言

近年來，節(jié)能工作在我國的發(fā)展十分迅速，建筑節(jié)能勢在必行，但全國各地區(qū)節(jié)能建材建筑的發(fā)展水平仍參差不齊，特別是中西部地區(qū)每年的新建建筑中高耗能建筑占比依然很大，建筑節(jié)能工作任重而道遠(yuǎn)[1]。發(fā)展節(jié)能建筑必優(yōu)先發(fā)展節(jié)能建材，隨著國家對低碳節(jié)能的要求越來越高，高保溫、低導(dǎo)熱的材料應(yīng)用將越來越廣泛。以重慶市為例，其修訂的《居住建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求：自2010年06月01日起，重慶主城區(qū)新報(bào)建項(xiàng)目的樓面都必須進(jìn)行保溫處理[2,3]。全輕混凝土作為一種集強(qiáng)度較高、表觀密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐久性好、易施工于一身的建筑保溫材料，在樓地面層和屋面層中的應(yīng)用前景一片光明。

全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、綠色建筑評價(jià)的重要指標(biāo)，有利于根據(jù)不同的節(jié)能要求合理選擇不同密度等級的全輕混凝土。為此，該文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)書籍文獻(xiàn)對影響全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的各種因素進(jìn)行了分析探討，并在此基礎(chǔ)上提出自己的建議。

1 導(dǎo)熱系數(shù)物理意義

導(dǎo)熱系數(shù)λ是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的均勻干燥材料，兩側(cè)表面的溫差為1℃（1K），在1s內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量，如圖1所示。其物理意義是：在穩(wěn)態(tài)條件下，材料在線性一維空間中傳遞熱量的能力，不同密度、不同材質(zhì)的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大[4]。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)物理量描述（上）及熱流計(jì)法測試儀器（下）

2 全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素

全輕混凝土的熱量傳遞主要以傳導(dǎo)為主、對流和輻射為輔的方式進(jìn)行[4-5]，其干表觀密度、輕骨料指標(biāo)（表觀密度、堆積密度、燒脹程度、孔徑、孔結(jié)構(gòu)、顆粒級配大小、顆粒粒形等）、配比工藝、含水率、均勻性、樣品平整度、測試環(huán)境溫度等均可對全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生不同程度的明顯影響。

2.1 干表觀密度

熱量在固體中的傳遞速率遠(yuǎn)大于氣體，因此對一定體積的材料而言其干表觀密度越小、導(dǎo)熱系數(shù)就越低。全輕混凝土作為一種宏觀均質(zhì)、微觀多相的保溫材料，具備保溫性能的原因主要是輕骨料的填充作用使得混凝土中存在大量孔隙，研究其保溫性能時(shí)可視為均勻地分布有大量微孔。不同密度等級的全輕混凝土，影響其導(dǎo)熱系數(shù)最主要的因素是干表觀密度。

以1300～1500密度等級的全輕混凝土為例，全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與干表觀密度具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)線性擬合后方程y=0.00189x-2.2666（R=0.9120），見下圖2。

圖2 陶?；炷粮杀碛^密度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線

2.2 輕骨料

全輕混凝土中55%左右的組分由輕粗細(xì)骨料組成，輕骨料自身相關(guān)指標(biāo)對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響明顯。以輕粗骨料為例，常用輕骨料主要為粉煤灰陶粒、頁巖陶粒、淤泥陶粒以及加氣混凝土破碎骨料、爐渣、自燃煤矸石、火山渣等，不同品種的粗骨料的燒脹程度、孔徑、孔結(jié)構(gòu)、顆粒級配大小、顆粒分布、礦物組成不同[6]?？疾旃橇蠁我蛔兞繒r(shí)，骨料的燒脹程度越高，內(nèi)部孔體積（孔隙率）越大，骨料密度越小，強(qiáng)度也相對降低；燒脹程度相同時(shí)，輕粗骨料顆粒內(nèi)部孔徑尺寸不同、封閉孔和連通孔占比不同，都影響熱量的對流和傳導(dǎo)，最終影響全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；圖3為不同燒成工藝下的淤泥陶?？捉Y(jié)構(gòu)。

圖3 不同燒成工藝下的淤泥陶粒孔結(jié)構(gòu)

輕骨料顆粒級配對熱力學(xué)性能同樣會產(chǎn)生影響，骨料級配不合理影響混凝土中骨料的分布，進(jìn)而影響漿料和細(xì)骨料的分布。由于預(yù)拌全輕混凝土干表觀密度一般在1000級及以上，骨料導(dǎo)熱系數(shù)λ骨小于凈漿和細(xì)骨料組成的漿體的導(dǎo)熱系數(shù)λ漿，所以新拌全輕混凝土呈現(xiàn)“懸浮—密實(shí)”結(jié)構(gòu)時(shí)，漿體之間相互連通，熱流偏向于沿漿體（相當(dāng)于冷橋）的路徑傳遞，而全輕混凝土呈“骨架—密實(shí)”結(jié)構(gòu)時(shí)，漿體被粗骨料“分割”得更分散，熱流傳遞路徑延長，所配制混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相對小于“懸浮—密實(shí)”的全輕混凝土，見圖4，圖5。

圖5 “懸浮—密實(shí)”結(jié)構(gòu)的傳熱模型

圖6 全輕混凝土拌合物氣泡量對比

另外有研究表明：材料的化學(xué)成分、礦物組成和分子結(jié)構(gòu)不同，材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，玻璃體結(jié)構(gòu)相對于晶體的導(dǎo)熱系數(shù)小得多[7]，但由于全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)一般都在0.23W/（m·K）以上，礦物組分的影響可以忽落不計(jì)。

2.3 配比及工藝

全輕混凝土配合比不同，密度等級不同；相同配比的混凝土摻加的外加劑引氣成分不同時(shí)，雖然對容重的影響不大，但卻可增加漿體的氣泡含量，增大熱流傳遞的路徑，進(jìn)而在一定程度上降低全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；例如：在配制密度等級為1100 kg/ m3以下的全輕混凝土?xí)r，摻加HPMC（羥丙基甲基纖維素）在攪拌時(shí)將明顯引入氣泡，如圖6所示，特別是輕粗骨料為碎石型時(shí)對空氣的引入更明顯，配制的混凝土容重降低、導(dǎo)熱系數(shù)降低、強(qiáng)度也明顯下降。

由于輕骨料自由下落過程力度不足，為保證混凝土拌合物的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：全輕混凝土拌合物須采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌[8]。另外，全輕混凝土攪拌時(shí)間過長也將影響導(dǎo)熱系數(shù)，輕骨料在強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌過程中會有少量的破碎，這一點(diǎn)在用加氣混凝土破碎塊作為骨料時(shí)十分明顯，較長時(shí)間的攪拌破壞原有的混合物體系，打破粗細(xì)骨料比例，容重、孔隙率將發(fā)生改變，最終影響產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4 含水率

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下靜態(tài)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.025 W/（m·K）、水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.58 W/（m·K），全輕混凝土受潮時(shí)，內(nèi)部孔隙中就會存在一定量的水和水蒸氣，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大。

標(biāo)準(zhǔn)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002表4.2.7輕骨料混凝土的各種熱物理系數(shù)中可知：在體積平衡含水率6%時(shí)，全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)約為絕干狀態(tài)時(shí)的1.3～1.4倍。

從全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測試試驗(yàn)結(jié)果看出，見表1：1100級（1070kg/m3）全輕混凝土含水率增大5.5%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)由0.32964增大到0.37238 W/(m·K)，增大27.3%；1000級（970kg/ m3）全輕混凝土含水率增大6.2%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增大了12.9%。

表1 全輕混凝土含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

2.5 均勻性

新拌全輕混凝土同普通混凝土一樣會出現(xiàn)離析、泌水及陶粒易上浮的現(xiàn)象，若全輕混凝土出現(xiàn)離析分層或者上浮分層情況時(shí)，將改變混凝土自身的均勻性，其保溫性能將出現(xiàn)變化，如圖7所示的全輕混凝土板，由于漿骨分層，實(shí)際具有保溫作用的厚度降低，而計(jì)算時(shí)的厚度還是測試樣板總厚度，經(jīng)導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試后，λ值將增大。

圖7 全輕混凝土漿骨分層

2.6 測試樣品平整度

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對保溫材料試件平整度有嚴(yán)格限制，一般要求不平整度小于試件厚度D的±1%以內(nèi)[9]，對全輕混凝土這種硬質(zhì)材料來說，試件平整度好，可較少或避免儀器冷熱板與試件之間產(chǎn)生的空氣夾層。圖8分別是表面不合格的待測全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)樣板和表面平整光滑的合格樣板。

圖8 全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測試樣板

空氣夾層的存在會對全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生明顯影響，以30×300×300 mm的1100密度等級的全輕混凝土試件為例，計(jì)算說明空氣夾層的影響。具體如下：假定該全輕混凝土試件單面的平整度均為0.2 mm，則冷熱板與試件之間空氣夾層總厚度為0.4mm?？諝忪o態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.025 W/（m·K）；1100密度等級全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)推薦值0.31 W/（m·K）。

則：空氣夾層總熱阻R=0.0004/0.025=0.0160 m2·K/W

全輕混凝土熱阻R=0.03/0.31=0.0968 m2·K/W

空氣夾層總熱阻約占試件熱阻的百分率：0.0160/0.0968= 16.5%，可以看出全輕混凝土試件不平整對導(dǎo)熱系數(shù)測試值產(chǎn)生很大的影響，這在導(dǎo)熱系數(shù)測試時(shí)是必須要避免的。

2.7 測試環(huán)境溫度

在表征全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，需要描述冷熱板平均溫度[9]，在測試環(huán)境溫度與冷熱板平均溫度相同時(shí)，材料導(dǎo)熱系數(shù)值理想。在不同溫度環(huán)境下測定導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，材料導(dǎo)熱系數(shù)λ測試值不同。溫度升高，材料分子熱運(yùn)動增強(qiáng)，同時(shí)空氣的導(dǎo)熱和孔壁的輻射作用也增大，在一定溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)與測試環(huán)境溫度呈線性函數(shù)關(guān)系：

λ=λ0（1+bt）

其中，λ：參考溫度時(shí)材料導(dǎo)熱系數(shù)；

b：常數(shù)（對全輕混凝土而言，b＞0）；

t：試件的平均溫度。

因此在測定全輕混凝土?xí)r須保證試驗(yàn)室環(huán)境溫度前后一致，且環(huán)境溫度與冷熱板平均溫度一致，所測試導(dǎo)熱系數(shù)值才具有較好的可比性。

3 結(jié)論

全輕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素很多，干表觀密度、輕骨料、混凝土配制攪拌、含水率、混凝土均勻性、平整度、測試環(huán)境溫度是主要影響因素，只有準(zhǔn)確把控各因素，才能盡可能減小測試誤差，準(zhǔn)確檢測不同密度等級的全輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，測試結(jié)果才具有代表性、普遍性、適用性。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Influential Factors of ThermalConductivity Coefficientof Premixed FullLightweightAggregate Concrete

The thermal conductivity coefficient of premixed fulllightweight aggregate concrete is an importantindicator of thermodynamic parameters, and its thermalperformance is affected by various factors.This paper,combined with the relevantstandards,work experience and related books and literature,summaries,analyzes and discusses the various factors influencing the thermal conductivity coefficient of full lightweight aggregate concrete in hope of promoting the progress ofpremixed fulllightweightaggregate concrete technology.

thermalconductivity coefficient;dry apparentdensity;lightweightaggregate;mix ratio;moisture content;uniformity;flatness;temperature

TU528

A

1671-9107（2017）02-0037-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.037

2016-11-22

鄧鈴夕（1988-），女，四川渠縣人，研究生，主要從事新型節(jié)能建材及修補(bǔ)材料研究。