水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響因素研究

曹國舉 宮經(jīng)偉 藺元 陳瑞 王亮

摘?要：為了研究水泥石在服役期的導(dǎo)熱系數(shù)影響因素，選取0.25、0.3、0.4、0.5、0.6五種水平水膠比制作水泥石試件，采用QTM-500導(dǎo)熱儀測定了水泥石在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，采用甲醇法測定其孔隙率，推出密實狀態(tài)下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系式;利用正交試驗方法，選用水膠比、粉煤灰摻量、礦渣摻量作為主要因素，考察不同溫度下各個因素對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的大小順序以及顯著性， 最終得到水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測方程。研究結(jié)果表明：水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與水膠比、孔隙率呈負相關(guān)性，與溫度呈正相關(guān)性，溫度每提高1 ℃，密實狀態(tài)下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)增大0.006 8 kJ/（m·℃·h）;在不同溫度下，各因素對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的大小順序為水膠比>礦渣摻量>粉煤灰摻量，且各因素對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響均特別顯著;通過對試驗結(jié)果進行多元回歸分析，得到水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與各因素之間的關(guān)系式，其預(yù)測精度較高。

關(guān)鍵詞：水泥石;導(dǎo)熱系數(shù);溫度;影響因素;正交試驗

中圖分類號：TV41;TU528?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.020

Abstract：In order to study the influencing factors of thermal conductivity of cement stone in service life， five levels of water-binder ratio （0.25，0.3，0.4，0.5 and 0.6） were selected to make cement paste specimen. The thermal conductivity of cement stone at different temperatures （20 ℃， 0 ℃ and -30 ℃） was measured by QTM-500 thermal conductivity instrument. The variation rule of thermal conductivity was investigated at different temperatures， and the porosity of cement paste was measured by methanol method. The relation between thermal conductivity of cement stone and temperature in dense state was deduced. The study used orthogonal test method， selected the water cement ratio， fly ash and slag as major factors， investigated thermal conductivity and significant of cement stone affected by the various factors at different temperature. Finally， the prediction equation of thermal conductivity of cement stone was obtained. The results show that the thermal conductivity of cement stone with water binder ratio and the porosity has negative correlation and is positively correlated with temperature. When the temperature increases by 1 ℃， the thermal conductivity of cement stone increases by 0.006 8 kJ/（m·℃· h）. Under different temperatures， the influence of various factors to the thermal conductivity of cement stone is as follows： water binder ratio > slag content > fly ash content， and the influence of various factors to the thermal conductivity of cement stone is very significant. The prediction equation between the thermal conductivity of cement stone and various factors has been obtained by multiple regression of the results of the test， and the prediction accuracy of this equation is high.

Key words： cement stone; thermal conductivity; temperature; influencing factor; orthogonal test

導(dǎo)熱系數(shù)是溫度場計算的重要指標之一。多年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者提出了大量混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估模型[1-4]。連續(xù)相且體積分數(shù)較大的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有著較大的影響，得到密實狀態(tài)下水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)對提高混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估模型計算精度具有重要的意義。另外，隨著高性能混凝土的發(fā)展，各種礦物摻和料（粉煤灰、礦渣等）得到了廣泛的應(yīng)用，關(guān)于摻有礦物摻和料多組分的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)研究被廣泛關(guān)注。目前關(guān)于水泥石的研究大多限于其碳化性能[5]、熱變形性能[6]、干燥收縮[7]等方面，而對水泥石導(dǎo)熱性能方面鮮有研究。

我國幅員遼闊，新疆地區(qū)具有低溫、晝夜溫差大的特點，與常溫環(huán)境相比，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度環(huán)境下有所差異，為此，選取28 d齡期不同水膠比（0.25、0.3、0.4、0.5、0.6）的水泥漿體，利用QTM-500瞬態(tài)導(dǎo)熱儀測定水泥石在不同溫度（20 ℃、0 ℃、-30 ℃）下的導(dǎo)熱系數(shù)，采用甲醇法測定其孔隙率，推導(dǎo)密實狀態(tài)下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，并選用水膠比、粉煤灰摻量、礦渣摻量作為主要因素，測定不同溫度下的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)，通過極差、方差分析方法考察水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響大小順序以及顯著性，最后通過多元線性回歸分析得到各個因素與水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，為水泥石導(dǎo)熱性能深入認識、混凝土導(dǎo)熱性能全面分析、導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估模型提供重要數(shù)據(jù)參數(shù)以及理論基礎(chǔ)。

1?原材料及試驗方法

1.1?試驗用原材料

（1）水泥：采用天山PI.42.5硅酸鹽水泥，密度為3 097 kg/m3。

（2）粉煤灰：采用新疆福陽新型環(huán)保節(jié)能建材有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，燒失量為2.3%，需水量為95%，密度為2 360 kg/m3，比表面積為3 900 cm2/g。

（3）礦渣：采用新疆寶新盛源建材有限公司生產(chǎn)的S75礦渣，礦渣密度為2 880 kg/m3，比表面積為4 280 cm2 /g。

（4）水：試驗室自來水，水質(zhì)滿足《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144—2001）中混凝土拌和用水水質(zhì)要求。

1.2?水泥石試件設(shè)計參數(shù)的選取以及配合比

為考察不同水膠比在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)影響規(guī)律，選取水膠比為0.25、0.3、0.4、0.5、0.6五種水平，測定其孔隙率并分別在20 ℃、0 ℃、-30 ℃下測定其導(dǎo)熱系數(shù)，配合比設(shè)計見表1。

為考察不同配合比設(shè)計參數(shù)對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響大小順序和顯著性關(guān)系，利用正交試驗方法，選取水膠比、礦渣摻量、粉煤灰摻量3個參數(shù)作為考察因素，每個因素均設(shè)4個水平，各水平取值見表2。根據(jù)選擇的因素和水平情況，選用L16（45）正交表，主要材料用量見表3。按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352—2006）要求制作試件，試件尺寸（100 mm×100 mm×100 mm）均大于標準測試參比板尺寸（2 mm×5 mm×10 mm），每種方案制備試件3個，3 d齡期后將制備好的試件拆模，并將試件置于溫度為20 ℃、濕度大于95%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

2?導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率測試原理及步驟

2.1?導(dǎo)熱系數(shù)測試原理

導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法（瞬態(tài)法）兩類。由于穩(wěn)態(tài)法測試周期長，因此試驗采用具有快速測量、精確度高、樣品制備簡單等優(yōu)點的非穩(wěn)態(tài)法。近年來非穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用較多的有熱線法、熱絲法、熱探針法、瞬態(tài)板熱源法和閃光法。經(jīng)過國內(nèi)外科技工作者的大量研究和試驗，研制出了各種智能導(dǎo)熱儀，其中最具代表性的是基于熱絲法的QTM-500瞬態(tài)導(dǎo)熱儀[8-9]，其一維圓柱坐標瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

2.2?導(dǎo)熱系數(shù)測試步驟

試驗采用瞬態(tài)測試法，利用QTM-500導(dǎo)熱儀對水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)進行測試，測試步驟如下：

（1）為了防止試件表面不平整對測試結(jié)果帶來誤差，試件養(yǎng)護完成后對其進行打磨，以保證試件表面的平整度，使試件測試表面與導(dǎo)熱儀探頭緊密接觸。

（2）為消除不同濕度的影響，分別將每組中兩個試塊放入烘干箱進行干燥，烘干溫度為50 ℃±1 ℃，烘干達到恒重為止，然后對試件進行導(dǎo)熱系數(shù)測試。取3次測量平均值作為水泥石干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。不同溫度（20 ℃、0 ℃、-30 ℃）環(huán)境利用高低溫控制試驗箱來控制。

2.3?孔隙率測試原理及步驟

材料的孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率，以n表示。試驗采用基于阿基米德原理的甲醇法[10]測定混凝土的孔隙率。

首先稱量試樣干質(zhì)量m0，將稱量完后試樣放入注滿無水甲醇的容器中，浸泡48 h直至前后兩次稱重變化小于5%為止，作為飽和狀態(tài);接著把試樣取出放入稱重用的小吊籃內(nèi)，將其掛在天平的吊鉤上，使試樣繼續(xù)浸沒于無水甲醇中，稱取飽和試樣的懸浮質(zhì)量m1;最后將飽和試樣取出，用濕布擦去飽和面干試樣表面的甲醇，快速稱量飽和試樣的質(zhì)量m2。通過下式計算孔隙率：

3?試驗結(jié)果及分析

3.1?水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率相關(guān)性分析

水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率相關(guān)性試驗結(jié)果見表4，不同溫度條件下，水膠比、孔隙率對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律見圖1、圖2。

從圖1、圖2可以明顯看出，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與水膠比、孔隙率均呈負相關(guān)性且與溫度呈正相關(guān)性。原因是水泥石的孔隙率很大程度上取決于水泥石的水膠比，水膠比越大孔隙率越大，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于固體導(dǎo)熱系數(shù)，故水膠比越大、孔隙率越大導(dǎo)熱系數(shù)越小。而水泥石結(jié)構(gòu)中C-S-H凝膠是占主導(dǎo)地位的成分，水泥石固相的約2/3由它組成。C-S-H凝膠是結(jié)晶度差的無定形結(jié)構(gòu)，非晶體導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)也隨著溫度的升高而升高，故水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈正相關(guān)性。

將孔隙率與水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系線向孔隙率為0（原點）方向延長與縱軸相交，可得到該溫度下密實水泥石導(dǎo)熱系數(shù)（圖2），20 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)為4.58 kJ/（m·℃·h），0 ℃時為4.50 kJ/（m·℃·h），-30 ℃時為4.25 kJ/（m·℃·h），則密實水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系為λ=0.006 8T+4.465 5，如圖3所示。

3.2?水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響因素試驗結(jié)果分析

水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響因素試驗結(jié)果見表5。

3.2.1?溫度對礦物摻和料水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響

摻有礦物摻和料的水泥石在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律見圖4。從圖4可以看出，摻和料水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與溫度基本呈正相關(guān)性，水膠比越小，規(guī)律越明顯，原因是水膠比越小，孔隙率越小，水泥石體積分數(shù)越大，導(dǎo)熱系數(shù)對溫度越敏感，而通過試驗得出水泥石對導(dǎo)熱系數(shù)的敏感系數(shù)為0.006 8，空氣對導(dǎo)熱系數(shù)的敏感系數(shù)為0.002 9[11]，小于水泥石對溫度的敏感系數(shù)，故水膠比越小規(guī)律越明顯。圖4?水泥石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

3.2.2?極差分析

正交試驗結(jié)果極差如圖5所示。由圖5可以看出，溫度為-30～20 ℃時，各因素對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響的大小關(guān)系為水膠比>礦渣摻量>粉煤灰摻量。水膠比對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響最大的原因主要是水膠比對水泥石孔隙率的影響較大，而空氣導(dǎo)熱系數(shù)在任何溫度下都遠小于固體的導(dǎo)熱系數(shù)，故水膠比對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。

各個因素與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖6～圖8。從圖6～圖8可以看出，在不同試驗溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)與水膠比、礦渣摻量、粉煤灰摻量均具有負相關(guān)性，水膠比越大、孔隙率越大、導(dǎo)熱系數(shù)越低，而與礦渣、粉煤灰摻量呈負相關(guān)性的原因主要是粉煤灰、礦渣在水泥基體中主要起微集料的作用。姜自超[12]測得粉煤灰導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 kJ/（m·℃·h），僅為試驗測得的密實狀態(tài)下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的13%，因此可以認為粉煤灰、礦渣顆粒導(dǎo)熱系數(shù)低于水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)是影響摻和料水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素之一，而且一部分礦渣、粉煤灰與水化產(chǎn)物Ca（OH）2晶體發(fā)生反應(yīng)，使水泥石的Ca（OH）2晶體減少，C-S-H凝膠增加，凝膠孔增多，在其綜合作用下，導(dǎo)熱系數(shù)與礦渣摻量、粉煤灰摻量呈負相關(guān)性。

3.2.3?方差分析

試驗結(jié)果方差分析見表6。由表6可知，溫度為-30～20 ℃時，水膠比、礦渣摻量、粉煤灰摻量對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響均特別顯著，且顯著性大小順序與極差一致。因此，在設(shè)計水泥石導(dǎo)熱系數(shù)時，需同時考慮水膠比、礦渣和粉煤灰3個因素。由表7可以看出，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度下的試驗水平為優(yōu)良。

3.2.4?多元線性回歸

對試驗結(jié)果進行回歸分析，得到各種因素與水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的回歸關(guān)系式：

預(yù)測值與實測值相對誤差為-5.19%～5.59%，R2=0.904 3，說明回歸方程具有較高精確度和可靠性。從式（4）可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)與水膠比、礦渣摻量、粉煤灰摻量均呈負相關(guān)性，與溫度呈正相關(guān)性。

4?結(jié)?語

（1）不同溫度條件下，水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與水膠比、孔隙率均呈負相關(guān)性，與溫度呈正相關(guān)性，溫度每提高1 ℃，密實狀態(tài)下水泥石導(dǎo)熱系數(shù)增大0.006 8 kJ/（m·℃·h）。

（2）不同溫度條件下，水膠比對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響最大，其次是礦渣摻量，粉煤灰摻量對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)影響最小;水膠比、礦渣摻量、粉煤灰摻量對水泥石導(dǎo)熱系數(shù)的影響均特別顯著，且試驗變差系數(shù)優(yōu)良。

（3）通過多元線性回歸分析得出水泥石導(dǎo)熱系數(shù)與各因素的關(guān)系式，回歸預(yù)測方程具有較高精確度和可靠性。

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