礦渣—生土材料被動蒸發(fā)降溫功能的評價

譚曉倩 李蓮蓮

摘 要：利用發(fā)泡劑、聚丙烯纖維、堿激發(fā)礦渣和生土制備的多孔屋面材料，能在多孔結構中儲存大量雨水，通過水分的被動蒸發(fā)來達到降低室內(nèi)溫度的效果。通過分形理論研究表明：材料中孔的分形維數(shù)越大，蒸發(fā)降溫效果越好。覆蓋該多孔材料作為屋面表層后，室內(nèi)溫度明顯低于普通屋面層。

關鍵詞：礦渣；生土；屋頂；蒸發(fā)降溫；分形維數(shù)

中圖分類號：TU201.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0011-02

Abstract： The porous roofing material made of blowing agent polypropylene fiber alkali-activated slag and raw soil can store a large amount of rain water in the porous structure and achieve the effect of lowering indoor temperature by passive evaporation of water. The study of fractal theory shows that the larger the fractal dimension of pores in the material is， the better the evaporative cooling effect is. When the porous material is used as the surface of the roof， the indoor temperature is obviously lower than that of the common roof.

Keywords： slag； raw soil； roof； evaporative cooling； fractal dimension全球夏季高溫已經(jīng)成為一個棘手問題，如何通過建筑材料或房屋結構設計達到室內(nèi)節(jié)能致冷是目前的普遍追求。本文嘗試制備一種可放置于屋頂?shù)牡V渣-生土基輕質(zhì)多孔材料，利用其孔隙儲存雨水，而在晴天通過被動蒸發(fā)降溫功能[1]來釋放潛熱達到降低室內(nèi)溫度減少耗能的效果。本文中的材料均利用堿性激發(fā)劑激發(fā)礦渣和生土作為基材，并在攪拌過程中摻加發(fā)泡劑賦予基材的多孔性能，同時摻入聚丙烯纖維作為增強材料。用此多孔材料作為屋面表層制作了四個實驗模擬房，測量了模擬房內(nèi)的溫度變化情況。同時用分形理論建立起該材料的微觀結構和宏觀性能之間的聯(lián)系。

1 實驗

樣品制備：

共設計了三種不同配比的試樣，見表1。攪拌物分別放入40mm×40mm×160mm 和300mm×300mm×30mm的鋼模具中成型。24小時后脫模并放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28天。

2 結果和討論

2.1 孔結構的分形分析

材料中孔的結構形狀和尺寸大小對材料的吸水性能有很大影響。只有在一定尺寸范圍內(nèi)的孔才能更好地吸水并把水分包裹在孔中。圖1的a和b分別為P2樣品的光學照片和掃描電鏡照片。從圖中可見孔徑大部分分布在400μm左右，孔壁上存在許多連通孔，這種結構非常利于水分的吸收及存儲。

各配比材料的孔徑尺寸通過壓汞實驗進行測定。表明三種配比試樣均具有尖銳的孔分布峰，P1孔徑范圍大部分在200μm左右，P2在400μm左右，P3在900μm左右。通過描繪材料的logr和log（dv/dr）分布圖可以得出當把孔徑分布轉換為logr和log（dv/dr）關系圖后，會得到一段接近直線的區(qū)域，這些直線段符合（lg（-dv/dr）=（2-D）logr）的規(guī)律[2]，并且相關系數(shù)都接近1。表明本研究的多孔材料的孔結構具有自相似性，屬于分形結構。公式中的2-D為描繪的直線斜率，D即為數(shù)值為2和3之間的孔結構的分形維數(shù)。P1、P2、P3的分形維數(shù)分別為2.88、2.97、2.78，P2的分形維數(shù)是最大的，即P2的孔結構是各試樣中最復雜的，其孔表面是最粗糙的，從而也導致了P2配比的材料的吸水性能最強，因為吸水性能受孔的結構形貌影響。

試樣P1、P2、P3每立方米材料中吸收水的質(zhì)量分別為624g、703g、452g，該數(shù)據(jù)表明P2的吸水性能最佳，這與分形維數(shù)的大小相契合。

2.2 溫度

制作了四個實驗模擬房，其中4號房屋頂為一層60mm厚的水泥板。1、2、3號實驗房的屋頂除了相同規(guī)格的水泥板外，還分別覆蓋了一層采用P1、P2、P3的材料配比制作的多孔屋面材料。將四個模擬房放入42℃的烘箱中，用多路溫度測試儀分別測試各房間內(nèi)的溫度變化趨勢。

圖2為各實驗房內(nèi)的溫度隨時間變化情況。結果表明，當外界溫度從22℃升高至42℃，且在42℃上下波動。4號房的溫度在240分鐘內(nèi)迅速上升到了42℃。而2號房間則經(jīng)過3350分鐘后溫度才升高至42℃，可見相比4號房，2號房的升溫時間足足延遲了3110分鐘。1號和3號房間的升溫時間介于2號和4號房之間。

結果表明覆蓋多孔材料的房間的溫度均低于普通水泥屋面板屋頂房間。2號房的平均溫度甚至比4號房低了3℃之多。而覆蓋礦渣-生土多孔材料板的房間中，3號房間溫度最高，其次為1號房間，2號房間的溫度是最低的。可見這個規(guī)律與多孔材料孔的分形維數(shù)相一致。再次表明材料孔的分形維數(shù)越大，孔的結構也就越復雜，內(nèi)表面越粗糙，從而吸水及儲存水的能力越強。大量的水分通過被動蒸發(fā)降溫性能降低了房間內(nèi)的溫度。這也表明孔結構的分形維數(shù)對屋面材料的被動蒸發(fā)降溫性能可以進行很好地預測。多孔材料的被動蒸發(fā)降溫性能顯著降低升溫速率，使房間保持一個舒適的溫度。

3 結束語

礦渣-生土多孔屋面材料板可以有效地通過被動蒸發(fā)降溫功能延緩升溫速率，從而獲得較低的室內(nèi)溫度是可行的。同時被動蒸發(fā)降溫性能與材料孔結構分形維數(shù)具有很好的一致性，即分形維數(shù)越大，被動蒸發(fā)降溫的效果越明顯。

礦渣-生土多孔屋面材料不但可以降低建筑能耗及減小二氧化碳的排放，節(jié)省不可再生的化石資源，而且為材料微觀分形結構對被動蒸發(fā)降溫功能進行評價提供了一種很好的途徑。

參考文獻：

[1]唐明，等.壓汞測孔評價混凝土材料孔隙分形特征的研究[J].沈陽建筑工程學院學報（自然科學版），2001，17（4）：272-275.

[2]孟慶林，等.建筑蒸發(fā)降溫基礎[M].北京：科學出版社，2006.