陶粒混凝土導熱系數的測量及影響因素

劉 歡 龐建勇

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

·建筑材料及應用·

陶粒混凝土導熱系數的測量及影響因素

劉 歡 龐建勇

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

實驗采用了PDR 300導熱系數測定儀的設計方法——雙平板防護熱板法，通過對粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數的檢測，詳細介紹了其結構原理、測定方法和技術難點，經過數據分析，研究了含濕量、溫度和溫差對粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數值的影響，為進一步獲得較為符合實際的導熱系數提供了方法和依據。

雙平板防護熱法，粉煤灰頁巖陶粒混凝土，導熱系數，測量

0 引言

建筑耗能被視為熱度最高的領域，占社會總耗能30%左右。

當前，我國的建筑耗能超過了社會總耗能的30%，已被視為國家重點問題，就此國家發布實施了《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》和《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》。在國家政策與建筑節能標準的推動下，近年來節能建材的應用突飛猛進，新型的保溫隔熱材料也伴隨著技術發展鱗次櫛比的突現，這些新型的保溫隔熱材料較好地為建筑節能工作提供了一定的技術保證和技術發展動力。但關于保溫隔熱材料導熱性能方面的研究數據以及實際應用的數據還很少,尤其是缺少導熱系數的數據及經驗公式,在現有的設計手冊中只有傳統的保溫材料如蛙石、膨脹珍珠巖等的經驗公式。為了提高工程質量及節能效率，滿足節能設計和產品驗收的需求,有必要對各種保溫隔熱材料進行實驗研究[1，2]。保溫隔熱材料的導熱系數值不僅是評價材料的熱力學性能指標，還是材料在實際工程應用時的一個重要理論設計依據。材料的導熱系數值隨其孔隙水飽和度的增加而增加，但一般情況下，實驗測定的導熱系數都是材料烘干后的，而材料在實際應用時，需充分考慮含水率和溫度對導熱系數的影響。因此，本實驗利用雙熱板法對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的導熱系數值及其影響因素進行研究分析，即在試驗周期內，在不同試驗天數(即不同含水率)、溫度和溫差條件下測出相應的值，并利用關系擬合成相應的實驗公式[3-7]。

1 粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導熱系數測量儀器

1.1 測量儀器

本次實驗中采用的實驗儀器是沈陽鑫合經緯機械電子設備有限公司生產的PDR 300導熱系數測定儀，它是按照GB 10294—2008絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法原理設計的一種雙平板法新型檢測設備，這種穩定測量法可用于測量各種絕熱保溫材料和非良導熱材料的導熱系數。該實驗儀器裝置如圖1，圖2所示。

1.2 PDR 300導熱系數測定儀結構原理

如圖2所示，在計量加熱單元和冷板單元中間各放置相同的兩塊試樣，而計量加熱單元中加熱面板周圍裝置防護板，促使熱量沿著試件方向導出，微機設置冷熱板溫度，一段時間熱量傳遞平衡后，試件冷熱面溫度不再隨時間變化，此狀態為一維恒定熱流狀態。通過試件的熱量Q和試件被測導熱系數λ、冷熱板溫差Δt成正比，和試件的厚度δ成反比的線性關系設計的，根據傅里葉定律，公式：

1.3 PDR 300導熱系數測定儀技術性能

PDR 300導熱系數測定儀測量范圍是0.01 W/(m·K)～1 W/(m·K)，相對誤差可控制在4%以內，重復性誤差不大于1%，冷板溫度要低于99 ℃，熱板溫度范圍很廣，且可用于測定低溫導熱系數，測量結果穩定可靠。

但平板法也有缺點：穩定時間較長，系統一般需要5 h～7 h穩定讀數；測試試件為干燥的；試件的厚度和面積對結果精度有較大影響；同時，儀器的絕熱條件也會影響到測量結果的準確性。

1.4 PDR 300導熱系數測定儀測量要點

試件表面和冷熱板表面之間存在空隙，這是影響結果精確度的一個重要因素，為了減少熱阻，儀器自身采用壓緊裝置，打磨加工試件表面或填充石膏、鋁粉、石墨粉等皆可提高材料導熱系數精確度。由于PDR 300導熱系數測定儀采用加熱器傳遞熱量，與加熱量相比，要求熱損失要小到可以忽略不計，必要時，可以對加熱單元和試件的表面采取保溫措施。

2 粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件

本實驗研究的粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土是由水泥、石子、陶粒、砂子、粉煤灰、外摻料和外加劑等材料按一定比例配合，經攪拌、成型、養護而成的混凝土，在具有一般混凝土的物理力學性能基礎上，同時具有良好的保溫隔熱性能，還符合節能減排、綠色環保的要求。根據本試驗儀器PDR 300導熱系數測定儀的要求，制作的試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，圖3是試驗制造的部分試件。

3 實驗測試結果分析

在實驗周期內，測量其質量變化(含水率變化)，及含水率對導熱系數的影響。測量時間定為7 d，14 d，28 d，60 d，然后將試件放入105 ℃的烘箱里烘干至恒重。實驗中，通過測量值分別對比了溫度和溫差對28 d和烘干后試件導熱系數的影響。

3.1 含水率

粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土在實際工程應用中含有大量水分，尤其是在工程前期，混凝土灑水養護過程中，混凝土內部充滿了孔隙水，而水的導熱系數是空氣的20多倍，受含水率影響，混凝土初期應用時的導熱系數比較大。隨著工程應用時間的延續，由于粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土中采用了頁巖陶粒，此種保溫材料具有一定的吸水性，粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的含水率會越來越高，原本被空氣充填的氣孔空間就被水分占據了，其有效導熱系數明顯升高。當外界溫度低時，混凝土內部的孔隙水將結冰，冰的導熱系數又是水的4倍，這樣粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土的導熱系數就進一步增大，保溫隔熱性能會隨之降低。在試驗周期內，測定試件質量，其含水率以及導熱系數值見表1。

表1 實驗周期內質量和導熱系數值

在實驗周期內,各試件的質量一直在減小，直至烘干到恒重。即試件的含水量一直在減少，且實驗前期的下降速度比后期稍快。在兩試件平均溫度為30 ℃、溫差為10 ℃條件下，測得導熱系數值同樣隨著時間減少，直至試件被烘干恒定。因此，粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導熱系數值隨含水率降低而減小，兩者之間的關系見圖4，其實驗公式為：

λ=0.195 83+0.010 04ω。

粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土由于摻入了陶粒和粉煤灰這些保溫材料，含水量變化與普通混凝土有所不同。因為粉煤灰的摻量越高，水泥水化的需水量越少，混凝土中自由水分的含量就越大，在養護的過程中，前期含水率會迅速下降，隨著混凝土中自由水含量的降低，保溫材料陶粒吸收的水分會大量的返出來，返水量隨著陶粒摻量的增加而增加，故此粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土含水量的減小是個緩慢過程，其導熱系數值也會緩慢減少。因此，生產廠家所提供的粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土導熱系數值僅是干燥狀態時的數值，比實驗中的實際數值小得多，不能作為實際工程的有效數據。

3.2 溫度

溫度是影響導熱系數的另一個重要因素,因為當溫度增加時，材料內部的分子運動就會加劇，傳熱的效率就會加快，導熱系數就增大了。

1)試件冷熱板平均溫度。

在齡期28 d時，針對相同溫差，不同均溫條件，實驗對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件進行測定，具體數據見表2。

表2 溫差Δt=10 ℃不同溫度下的導熱系數測定值

由表2數據可得,粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件在28 d齡期、冷熱板溫差Δt=10 ℃時，導熱系數值隨試件冷熱板平均溫度的升高而增大。導熱系數與冷熱板平均溫度的關系見圖5。其實驗擬合線性化公式為：

λ=0.204 05+7.75e-4t。

2)試件冷熱表面溫差。

為了進一步研究溫度對粉煤灰頁巖陶粒保溫隔熱混凝土試件導熱系數的影響，在齡期28 d，試件冷熱板平均溫度30 ℃情況下，測試了不同溫差下的導熱系數(見圖6)，具體數據見表3。

表3 均溫30 ℃不同溫差下的導熱系數測定值

本次試驗線性化擬合公式為：

λ=0.199 85+0.002 88Δt。

4 結語

本文對粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數進行了測試，基于雙平板防護熱板法測試原理和測定方法技術等，提出了造成材料導熱系數差異的影響因素，并根據試驗給出粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數與溫度的關系，根據分析可以得出：

1)PDR 300導熱系數測定儀采用防護熱平板法的原理，滿足了材料檢測研究部門對材料導熱系數的高精度測試要求，自動化程度高，性能穩定，是適用的。攻克其技術難點，可使得結果更加精確。

2)本次試驗線性化公式λ=0.195 83+0.010 04ω反映了含水率對粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數之間的關系，表明使用地區粉煤灰頁巖陶粒混凝土時，其導熱系數在氣候干燥與氣候濕潤地區有很大差距。

3)給出了導熱系數與溫度的變化關系，并分別給出均溫和溫差影響實驗公式λ=0.204 05+7.75e-4t和λ=0.199 85+0.002 88Δt，由其變化規律可知，在年平均溫度跨度較廣、室內外溫差較大的地區，粉煤灰頁巖陶粒混凝土的導熱系數波動很大，這對熱工設計及計算意義重大，應以現場實測的數據為準。

4)本次試驗研究了粉煤灰頁巖陶粒混凝土導熱系數測定時影響因素并得出數據及實驗公式，是實際工程應用時的一個重要理論設計依據，能夠提高節能效率，滿足工程質量，符合節能設計和產品驗收的要求。

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Measurement of thermal conductivity factor and the influence of ceramsite concrete

Liu Huan Pang Jianyong

(CivilConstructionCollege,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

This experiment adopts PDR 300 design method of coefficient of thermal conductivity meter, double plate protection hot plate method, through to the coefficient of thermal conductivity of lytag concrete detection, introduces in detail the measuring principle, measuring technology, the operation process and the problems, through data analysis, on influence of water content, temperature, and temperature difference on heat conductivity of flyash shale ceramisite, in order to further obtain more accord with the actual methods and basis was provided for the coefficient of thermal conductivity.

double tablet protective heat method, lytag concrete, coefficient of thermal conductivity, measurement

2015-01-28

劉 歡(1989- )，女，在讀碩士； 龐建勇(1964- )，男，教授

1009-6825(2015)10-0117-03

TU528

A