自保溫隔熱混凝土力學性能與導熱系數試驗研究

郭宇菲 （安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著經濟的發展，綠色建筑和節能建筑是當前土木工程材料的研究熱點[1]。目前國內對于保溫混凝土的研究主要是對混凝土內摻入具有保溫性能的材料從而改善其熱工性能[2-3]。應用在工程領域的阻熱材料種類繁多，性能也不同，而且其性能常常隨著溫度、施工條件、環境濕度和施工環境等因素不同而發生變化，從而影響其阻熱效果。根據材料材質和形態不同可以劃分為不同的類型。按材質可劃分為無機、有機和復合型保溫材料三大類；按形態可劃分為纖維狀、氣泡狀、微孔狀、復合型、塊狀、膏狀、粒狀、板狀等[4-5]。

許多學者對此展開了大量研究工作，如太原理工大學劉元珍和張澤平分別摻入玻化微珠降和煤矸石來低混凝土的導熱系數[6-8]，但卻存在降低混凝土強度的劣勢。本文在此基礎上，使用常用的陶粒和玻化微珠作為阻熱材料，摻入混凝土中構成多孔自保溫隔熱材料，對其基本性能進行室內試驗測試。

1 自保溫隔熱機理分析

由陶粒、玻化微珠等制成的保溫混凝土材料，也可以稱為多孔結構的保溫材料。多孔結構的保溫材料中有很多不規則封閉的圖形類似于多孔結構材料中的封閉氣孔，它們之間具有一定的空隙。一定熱量從溫度高的區域向溫度低的區域傳遞，為了能夠提高材料的保溫阻熱性能、就是讓熱量從高溫區到達低溫區的時間變長、路線變長。當熱量開始傳遞時，在沒有碰到氣孔之前，一直是在固相中互相傳遞熱能。碰到氣孔以后熱量的傳遞過程就會發生變化，熱量傳遞的路線分為兩條，一條按原來的路線，繼續通過固相來傳遞，但傳遞的路線發生了改變，總的傳遞路線也會大大的增加，傳遞熱能的速度就會放緩；另一條路線是通過氣孔的內部來傳遞熱能，包括高溫的固體表面上的氣體輻射和對流的傳熱，氣體的對流熱傳遞，熱傳導的氣體，熱氣體上的冷固體表面的輻射和對流的傳熱與固體表面的熱和冷的固體表面輻射傳熱。由于空氣的熱傳導系數遠遠低于固體的導熱系數，因此傳熱通過氣孔阻力很大，使得傳熱率大大降低，這就是該材料阻熱原理，由于材料含有大量的孔，所以改善阻熱效果[9-10]。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗膠凝材料、粗骨料、細骨料和外加劑如表1所示。

材料組成 表1

2.2 試驗方案設計

混凝土的配合比為水泥：陶粒：石子：水=1∶1.84∶1.84∶0.45，采用正交方法對保溫混凝土進行了多種配合比試驗，在標準養護條件下養護28d后，測試了試件的隔熱性能和力學性能，導熱系數測試采用雙平板法導熱系數測定儀測試，抗壓強度采用萬能試驗壓力機測試，獲得極限抗壓破壞荷載，利用公式fcu=F/A計算抗壓強度值，式中，fcu為試件抗壓強度，MPa；F為抗壓極限破壞荷載，kN；A為試件截面面積，m2。

針對試驗數據，對影響保溫隔熱混凝土的因素進行了極差分析，得出影響因素的主次順序。本實驗的因素水平見表2：因素A為陶粒摻量，取其占粗骨料用量的20%、40%和60%；因素B為玻化微珠用量，分別為60 kg/m3、100 kg/m3和140 kg/m3；因素C為粉煤灰用量，取占水泥用量的10%、20%和30%。

實驗因素水平 表2

2.3 試驗結果

按照正交試驗設計各組混凝土配合比，得到9組試驗的各項室內物理力學和導熱性能如表3所示，室內試驗部分試件照片如圖1所示。

正交試驗及室內試驗結果 表3

圖1 室內試驗部分試件

3 試驗結果分析

3.1 強度與保溫性能分析

由表3試驗結果可知，摻入陶粒和玻化微珠后，由于其本身強度較低，替代了強度較高的粗骨料，其強度較普通混凝土有較大下降，且隨著摻入量越大，強度下降越多。而保溫隔熱性能卻有較大幅度的提高，材料的導熱系數明顯降低，一般低于0.30 W/（m·K），較一般混凝土有較大的提高，說明材料的自保溫性能良好。

為了探究各影響因素對材料宏觀性能的影響順序，采用極差分析的方法對試驗數據進行極差分析。

3.2 極差分析

對材料抗壓強度和導熱系數試驗數據進行極差分析，結果見表4。通過極差分析表作極差分析R值變化趨勢見圖2。由圖2可得，各因素對抗壓強度、導熱系數的影響由大到小均為：B玻化微珠用量＞A陶粒摻量＞C粉煤灰摻量；玻化微珠和陶粒是影響材料抗壓強度和保溫性能的主要因素，兩者極差相差不大。對于抗壓強度指標而言，因素A的R值為3.77，因素B的R值為4.20；對于導熱系數指標而言，因素A的R值為0.0207，因素B的R值為0.0316；因素C粉煤灰摻量相較于前兩者，影響程度較小，R值也較小。

極差分析結果 表4

圖2 各影響因素R值趨勢圖

造成上述現象的原因在于，陶粒和玻化微珠摻入混凝土中，使得材料中存在大量孔隙和氣體。此外，陶粒本身的強度較低，筒壓強度僅為1～2 MPa，顯著低于所替代的碎石，而玻化微珠呈粉末狀，強度依舊較低，因此導致混凝土表面密度、導熱系數和強度均降低。陶粒與碎石之間的界面強化度和機械嚙合作用下降，當混凝土破壞時，陶粒本身容易受到破壞，同時界面也會遭到破壞，混凝土強度就會降低，而且過高的砂率很容易產生分層離析和泌水，導致混凝土穩定性降低。

3.3 方差分析

對保溫隔熱混凝土抗壓強度、導熱系數指標進行方差分析，分析結果見表5。

由表5方差分析表可知，對于抗壓強度，玻化微珠摻量影響顯著，陶粒和粉煤灰摻量有一定影響；對于導熱系數，玻化微珠和陶粒摻量影響顯著，而粉煤灰摻量影響較小，且方差分析結果與極差分析類似，玻化微珠和陶粒摻量為主要影響因素，粉煤灰影響程度較小，為次要因素。

4 結論

①針對現有對綠色建筑、多功能建筑的要求，提出采用自保溫混凝土材料，利用陶粒、玻化微珠本身多孔、質輕、阻熱、耐高溫的優勢，摻入混凝土中以提高材料的保溫性能。

②設計了不同混凝土配合比的正交試驗，對保溫混凝土材料的抗壓強度、導熱系數等指標進行室內試驗，配制出的混凝抗壓強度在12.5～22.3 MPa之間，導熱系數在0.2089～0.2650 W/(K·m)之間，可見其保溫性能明顯提高而強度值也有所下降，原因在于多孔的陶粒和玻化微珠本身強度較低，同時延長了熱量傳遞路徑的同時，增強保溫性能。

③通過極差分析可得，三個影響因素對材料性能的影響順序均為玻化微珠摻量＞陶粒摻量＞粉煤灰摻量，且前兩者屬于主要影響因素，后者屬于次要影響因素；通過方差分析可得，對于抗壓強度，玻化微珠摻量影響顯著，陶粒和粉煤灰摻量有一定影響，對于導熱系數，玻化微珠和陶粒摻量為主要影響因素，粉煤灰影響較小。

抗壓強度方差分析 表5