含水率及溫度對(duì)鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

隨著建筑市場(chǎng)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(gè)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(hù)環(huán)境，同時(shí)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(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》中有關(guān)于保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量和計(jì)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(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，而且給定的導(dǎo)熱系數(shù)皆為特定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。而實(shí)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(qiáng)的吸水性，在環(huán)境濕度較大時(shí)易吸潮，嚴(yán)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(yàn)在本課題組已有的基礎(chǔ)上，將分別對(duì)不同濕度和溫度下的鋼渣泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，以探究含水率和溫度對(duì)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(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，該標(biāo)號(hào)水泥表觀密度為3 100 kg/m3，凝結(jié)硬化快，耐久性好且價(jià)格低廉，其主要成分及性能指標(biāo)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(biāo)Tab.2 Performance index of cement

試驗(yàn)用鋼渣為某公司提供，鋼渣陳伏時(shí)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(xué)成分，w/%Tab.3 Chemical composition of steel slag powder,w/%

1.2 試驗(yàn)儀器

1.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀

采用沈陽紫微機(jī)電設(shè)備有限公司所產(chǎn)的CD-DR3030導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(jì)量區(qū)域內(nèi)的試件中建立一維恒定熱流；當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)，熱傳導(dǎo)過程就會(huì)發(fā)生，熱量從高溫處向低溫處傳遞。傅里葉導(dǎo)熱定律在一維穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)熱量與材料導(dǎo)熱系數(shù)的比例關(guān)系可知[9-10]：假設(shè)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(shí)間內(nèi)通過ds傳遞的熱量dQ值為

其中：Q為單位時(shí)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(dǎo)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(yàn)箱

采用無錫索亞特試驗(yàn)設(shè)備有限公司制造的CDJS系列高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，其可以模擬周期性性溫濕度變化環(huán)境，主要性能指標(biāo)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(dòng)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(dòng)約1 min，使固體發(fā)泡劑完全溶解，然后快速攪動(dòng)，溶液產(chǎn)生大量的泡沫。相對(duì)于機(jī)器而言，手動(dòng)便于控制力度，更容易防止攪拌過度導(dǎo)致泡沫炸裂，攪拌時(shí)間為5 min，攪拌的泡沫細(xì)小均勻?yàn)樽罴?，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?dāng)嚢璩删鶆虻臐{體，攪拌時(shí)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?yàn)橹梗瑪嚢钑r(shí)間在3 min左右為宜，若攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，則容易導(dǎo)致泡沫炸裂；最后，將混合漿體澆注入模具。經(jīng)多次試驗(yàn)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(dǎo)致坍塌，在覆膜的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至齡期。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

采用重濕度法[12-13]對(duì)試件的含水率進(jìn)行控制，即對(duì)試件表面分別均勻噴灑相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?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(hù)6 h。放入導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀前，用吸水性好的干毛巾對(duì)試件表面進(jìn)行擦拭，防止有流動(dòng)水干擾試驗(yàn)．并將養(yǎng)護(hù)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(yàn)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(shè)為15℃，熱板溫度設(shè)為35℃。鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)在不同含水率下的測(cè)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(rèn)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(yàn)所測(cè)量的含水率為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增加而增加，增加趨勢(shì)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(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，在本試驗(yàn)鋼渣泡沫混凝土中熱量傳遞的主要方式是熱傳導(dǎo)，其他2種方式傳遞的熱量可以忽略不計(jì)。而鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部熱傳導(dǎo)途徑主要有3種，分別是固體和固體導(dǎo)熱傳遞、固體和氣體導(dǎo)熱傳遞、固體和液體導(dǎo)熱傳遞，由文獻(xiàn)[14]可知，水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.599 W/(m·K)，水泥的導(dǎo)熱系數(shù)約為1.063 W/(m·K)，而空氣導(dǎo)熱系數(shù)約為0.020 W/(m·K)，其遠(yuǎn)小于其他介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部連通孔不含水或者含水量較少時(shí)，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(jì)；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(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)所有的連通孔均充滿水時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到極限，所以導(dǎo)熱系數(shù)不會(huì)一直增長(zhǎng)下去。

表6 鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)和含水率的關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)和含水率關(guān)系的曲線。由圖3可知，鋼渣泡沫混凝土板的導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(guān)系數(shù)。

2.2 溫度對(duì)鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱情況下，對(duì)于1 m厚的導(dǎo)熱材料，當(dāng)其兩側(cè)表面的溫差為1℃時(shí)，在1 s內(nèi)的時(shí)間內(nèi)，通過1 m2面積時(shí)傳遞的熱量。顯而易見，當(dāng)兩側(cè)表面的溫度越高，則材料的導(dǎo)熱系數(shù)也越高。試驗(yàn)分別設(shè)置7個(gè)溫度，溫度梯度均為20℃，對(duì)鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和溫度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，測(cè)得數(shù)據(jù)如表7。

鋼渣泡沫混凝土平均導(dǎo)熱系數(shù)和溫度的關(guān)系曲線如圖4。由圖4可知，鋼渣泡沫混凝土板的導(dǎo)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(guān)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(dǎo)熱系數(shù)和溫度Tab.7 Thermal conductivity and temperature of steel slag foamed concrete

當(dāng)熱量在鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部傳導(dǎo)時(shí)，固體依靠分子或原子等微觀粒子的振動(dòng)進(jìn)行傳遞，而對(duì)于氣體來說，熱量通過氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)理，當(dāng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)變快，所以溫度越高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高。

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

通過中國(guó)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(duì)濕度對(duì)鋼渣泡沫混混凝土的保溫性能進(jìn)行研究，每個(gè)溫-濕度段運(yùn)行1 h，共24段為一個(gè)循環(huán)，每段之間的等待時(shí)間不計(jì)入循環(huán)總時(shí)間。將鋼渣泡沫混凝土板放入濕熱交變?cè)囼?yàn)箱，如圖5所示，待一個(gè)循環(huán)結(jié)束后將其拿出，對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定(熱板溫度為35℃，冷板為15℃)，測(cè)得數(shù)據(jù)見表8。

圖4 鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和溫度的關(guān)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(yàn)Fig.5 Periodic temperature-humidity cycle test

表8 鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)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(jìn)行，鋼渣泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增高，但是增高的趨勢(shì)趨于平緩，其原因在于，周期性溫-濕度作用會(huì)在鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生周期性的溫-濕度應(yīng)力，從而使鋼渣泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)損傷，而且會(huì)導(dǎo)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(jìn)而造成鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)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(huì)隨著溫-濕度循環(huán)的進(jìn)行而趨于飽和，因此，鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增高的趨勢(shì)趨于平緩。

圖6為鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和周期性溫-濕度循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖6可知，鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加并不是沿直線增加，且增加趨勢(shì)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(dāng)所有的連通孔均充滿水時(shí)，通過固液傳遞和液液傳遞的熱量達(dá)到極限，所以鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)不會(huì)一直增長(zhǎng)下去。

2)鋼渣泡沫混凝土的導(dǎo)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(guān)系。

3)鋼渣泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫-濕度循環(huán)的進(jìn)行逐漸增高，但增高趨勢(shì)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(huì)隨著溫-濕度循環(huán)的進(jìn)行而趨于飽和，因此，鋼渣泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增高的趨勢(shì)越來越小。