水泥混凝土导热性能影响因素及预估模型研究.pdf

第 1 5卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAI 0F B UI L DI NG MATE RI AL S Vo 【 1 5 ， No 6 De c 。 2 O1 2 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 7 7 1 0 7 水泥混凝土导热性 能影 响 因素及 预估模型研 究 刘 凯 。 ， 王 芳。 ， 王 选 仓 ( 1 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 合肥工业大学 交通运输工程学院，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 3 安徽 建筑 工业 学 院 土木 工程 学 院 ，安徽 合 肥 2 3 0 6 0 1 ； 4 长安大学 公路学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ：为提 高融冰雪效率， 研 究具有 良好导热性能的混凝土铺面材料 ， 通过试验得 出了普通 、 钢 纤 维 、 碳 纤 维混凝 土 的配合 比 ， 采 用热传 导仪 测 定 了它们 的导 热 系数 系统研 究 了骨料 体 积 分数 、 砂 率 、 水灰 比 、 温度 、 纤 维种类和 掺 量 对 混凝 土 导 热 系数 的 影 响 规 律 ， 并 基 于广 义 灰 关 联 法 对 各 因 素 进 行排 序 ， 依据 测试 结 果和影 响规 律 建 立 了以上 3类混 凝 土导 热 系数 预 估 模 型 结 果表 明 ： 钢 纤 维 混凝 土最 适 宜作 为 融冰 雪路 面材 料 ； 纤 维种 类和 掺 量 对 混 凝 土 导 热 性 能起 主 导作 用 ， 骨料 体 积 分 数 、 温度和 水灰 比 的影 响次之 ， 砂 率 的影 响最 小 关 键词 ：道路 工程 ； 预 估模 型 ；热传 导试验 ；导 热 系数 ；水 泥混凝 土 中图分 类 号 ： U4 1 6 2 1 6 ； T U5 2 8 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 O 1 2 0 6 0 0 8 I nf l u e nc e Fa c t o r o f The r ma l Co nd u c t i v i t y o f Ce me nt Co n c r e t e a nd I t s Pr e d i c t i o n M o de l LJ 【 ，Kai W AN G Fan g。W AN G Xua n c an g ( 1 Sc ho o l o f Ci v i l a nd H y d r a ul i c En gi ne e r i ng，H e f e i Unive r s i t y o f Te c hn ol o gy，He f e i 23 00 09，Ch i na； 2 Sc h o ol of Tr a ns p or t a t i on Eng i ne e r i n g，He f e i Un i v e r s i t y o f Te c hn ol og y，H e f e i 23 00 09，Ch i na； 3 Sc h oo l of Ci v i l Engi n e e r i ng，Anhui Un i ve r s i t y o f Ar c hi t e c t u r e，He f e i 2 30 601，Chi n a； 4 H i g hwa y Sc h oo l ，Ch a ng a n Un i v e r s i t y，Xi a n 71 0 06 4，Chi na ) Abs t r a c t ：I n o r d e r t o i mpr o ve t h e e f f i c i e nc y o f s no w m e l t i ng a n d d e i c i n g，p a ve m e nt c o nc r e t e m a t e r i a l t h a t po s s e s s e s g o od t he r ma l c on du c t i v i t y wa s s t ud i e d Con c r e t e m i x t ur e of c o m mo n c on c r e t e，s t e e l f i b e r c o n c r e t e a n d c a r bo n f i be r c on c r e t e w e r e ob t a i n e d t h r ou gh l a bo r a t o r y t e s t i ng Th e r m a l c on du c t i v i t y o f t he s e c o nc r e t e wa s me a s ur e d by t he r ma l c o nd uc t i v i t y de t e c t or The i nf l u e nc e o f f a c t o r s o n t h e r mal c o ndu c t i v i t y。 na me l y，a g gr e g a t e v o l ume c on t e n t ，s a n d pe r c e n t a g e，wa t e r c e m e nt r a t i o，t e mpe r a t ur e，f i be r t y pe a nd c o n t e nt we r e i n v e s t i ga t e dVa r i ou s f a c t o r s we r e s o r t e d b a s e d on ge ne r a l i z e d gr a y c o r r e l a t i o n m e t ho dPr e d i c t i o n mo de l o f t he r ma 1 c o ndu c t i v i t y o f t hr e e ki n ds of c on c r e t e we r e e s t a bl i s he d a c c o r d i n g t o t he t e s t r e s u l t s a nd t he i nf l u e nc e Th e r e s u l t s s ho w t ha t s t e e l f i be r c o nc r e t e i s s t r o ngl y r e c omme nd e d a s me l t i n g s n ow a n d de i c i n g pa v e me n t ma t e r i a 1 Fi b e r t y pe a nd c o nt e n t pl a y s d o m i n a nt r o l e on t he r ma l c on duc t i v i t y The i nf l u e nc e of a g gr e ga t e vo l ume c o nt e n t ，t e mpe r a t ur e a n d wa t e r c e me nt r a t i o i s g r e a t e r t ha n t h e s a nd pe r c e nt a ge Ke y wo r d s： r o a d e ng i ne e r i ng； pr e d i c t i o n mod e l ； t h e r m a l c ond uc t i v i t y t e s t ； t h e r m a l c o nd uc t i v i t y； Ce m e nt COnc r et e 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 1 - 1 0 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 0 8 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 1 0 8 1 5 0 ) ； 中 国博 士后 科学 基金特 别资 助项 目( 2 0 1 2 T5 0 5 3 9 ) ； 中国博 士后科学 基 金面 上项 目 ( 2 0 1 1 M5 0 1 3 7 7 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 ( 2 O 1 1 HGQ C1 0 1 7 ) 第一作者 ： 刘凯 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 湖北武汉人 ， 合肥工业大学讲师 ， 博士 E ma i l ： r o n a l d o _ l 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 5卷 近年来， 成为研究热门的能量转化型融冰雪路面 或 桥面不仅要求 铺面混凝 土材料拥 有高强 、 高抗冻 特 性 ， 还要求其拥有高传热、 导热特性 为了提高融冰雪 效率， 缩短融冰雪时间， 探索具有优 良导热性能的水 泥混凝土材 料组成 是 研究 融 冰雪铺 面 项 目的关键 问 题 国内外学者主要对混凝土导热系数影响因素、 测 试方法开 展 了相 关 研究 ， 其 中定 性分 析 了 骨料类 型 、 孔隙率、 含水量 、 温度、 水灰 比 1 。 对混凝土导热性 能 的影响规律， 但在影响程度及其关系研究方面仍显滞 后； 导热性能预估模型 以 C a mp b e l l - T h o r n e 模型 8 和 Ha mi l t o n - C r o s s e r 模型l lg 为代表 ， 它们均 为理 论模 型 ， 在数据化表示导热系数方面仍有不足 ； K i m等_ 1 o 通 过试验回归了导热系数与影响因素间的关系， 但该模 型仅以特定条件下的混凝土导热系数为基础， 考虑相 关 因素 的影 响 因此 本 文拟 分 析材 料 组成 、 纤 维种 类 和掺量对混凝 土导热性能 的影响程 度 ， 基 于试验 数据 和编程回归提出不受条件限制的导热系数预估模型， 为融冰雪路 面材料配合 比设 计提供 科学 指导 ， 为混凝 土导热性能预估提供计算方法 1 水泥混凝土材料组成 设计 1 1 普 通混 凝土 材料 组成设 计 ( 1 ) 原材 料级 配 粗 集 料采 用 粒径 5 2 O m m 和 1 0 3 0 m m 的 2种 碎 石 ， 最 大粒 径 为 2 6 5 m m， 通过 试算法确定 2 档集料的合成级配( 见表 1 ) ， 第 1档料、 第 2挡料分别 占合成后集料总质量的 5 3 和 4 7 9 6 ， 满足 J T G F 3 O 一2 0 0 3 公路水泥混凝土路面施工技术 规 范 要求 细 集 料 采 用砂 ， 按 照规 范 对 砂 级 配 的要 求 ， 进行筛分试验 ， 结果如表 2 所示 ( 2 ) 水泥混凝土配合 比设计 采用 PO 4 2 5 表 1 石料合成级 配 T a b l e 1 S y n t h e t i c g r a d a t i o n ( b y ma s s ) o f s t o n e M e s h s i z e “ g e i n s p e c i f i c a t m a “ b V s s J 0 by m a ss 0 秦岭牌普通硅酸盐水泥 融冰雪路 面要求水泥混凝 土具有较高的抗冻 、 抗渗以及高传热性能， 故选取较 小 的水灰比( 质量 比， 本文所涉及的水灰比、 用量 、 砂 率 等 除特别 说 明外 均 为 质量 比或 质 量分 数 ) 和 较 大 的水泥用量 ， 以保证路面的强度和密实度 ， 确定水泥 混凝 土实验 室 配合 比 I T ( 水 泥 ) ： m( 砂 ) ： ( 石 子 ) 一 1 ： 1 7 3 ： 3 3 5 ， 水 灰 比 m m 一0 4 1 根 据现 场 材 料 性质 、 砂石 材料 颗粒 表面含 水率 ， 对理 论 配 比进 行 换 算得到施工配合比， 如表 3所示 表 3 普通混凝土材料配合比 Ta b l e 3 M i x p r o p o r t i o n o f c o mmo n c o n c r e t e ma t e r i a l 根据 实 际经验 ， 将水 灰 比和砂 率 ( S P ) 在 初 步配 合 比基础 上 ， 各 上下 浮动 2个 百分 点 ， 得 到 9组 配合 比 ， 并 以此 成 型 试 件 进 行 试 验 ， 各 组 试 件 配 合 比见 表 4 ( 3 ) b D I 剂选择 减水剂能提高混凝土强度和 耐久性 试验中添加高效减水剂 ， 掺量为水泥质量的 0 7 5 引气剂能增强混凝土抗冻性和耐寒性 ， 而 引气剂太多会降低其强度 和导热性能 ， 故引气剂添 加量存在最佳值 ， 根据经验和试验 ， 选取 占水泥用量 0 0 0 5 的松 香树 脂类 引气 剂 1 2钢纤维 混凝 土材 料组 成设 计 众所周知 ， 钢纤维加入混凝土 中可增强其抗 弯 折 、 抗压强度 ， 拟通过外掺钢纤维来定量分析混凝土 导热性能变化 ， 其原材料同普通混凝土 钢纤维导热 系数一般为 3 6 5 4 w ( m K) ， 试验采用浙江嘉兴 市经纬钢纤维有限公 司生产的波浪形剪切钢纤维 ， 其 实 物照 片见 图 1 ， 主要 技术 指标 见表 5 以普通混凝土配合比为基础 ， 碎石最大公称粒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 刘 凯 ， 等 ： 水泥混凝土导热性 能影 响因素及预估模型研究 一 吕 纸 m mc ： 0 3 9： _ 041 ： 04 3 图 5 普通混凝土导热系数与骨料体积 分数的关系 F i g 5 Re l a t i o n s h i p b e t we e n a g g r e g a t e v o l u me c o n t e n t a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f c o mmo n c o n c r e t e 一 鲁 r 图 6 钢纤维混凝土导热 系数 与钢纤 维体积分数 的关 系 F i g 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d s t e e l f i b e r v o l u me c o n t e n t o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e g 2 3 1 0 fD J 图 7 碳 纤维混凝土导热系数与碳纤维体 积分数的关系 Fi g 。 7 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a n d c a r b o n f i b e r v o l u me c o n t e n t o f c a r b o n f i b e r c o n c r e t e 填 充 ， 混凝 土密 实性 变好 ， 故 导热 系数 增大 由图 5可知 ： 相同水灰比的混凝土试件 ， 随着骨 料 体积 分数 增大 ， 导 热系 数呈 直线 上升 ， 因为砂 石 的 导热系数约为水泥的 2倍 、 水的 6 倍 ， 故混凝土导热 系 数快 速增 大 由图 6 ， 7可知 ： ( 1 ) 随着钢纤维掺量增 加， 混凝 土导热系数明显增大 因为钢纤维是 良好的热导体 ， 其导热系数约为普通混凝土的 2 0倍 ， 能较好改善混 凝土导热性 能和力学性能 ( 2 ) 随着碳 纤维掺量增 加 ， 混凝土导热 系数 减小 虽然碳纤维 导热性 能优 良， 但碳纤维分散性较差， 难以拌和均匀 ， 需增加水 灰比及拌和次数 ， 导致成型后 的混凝土 中空气气泡 增 多 ， 即空 隙增 加 ， 故 混 凝 土 导热 系 数 反 而减 小 一 般而 言 ， 碳 纤 维 价 格 高 昂 ， 不 适 宜 在 工 程 中大 量 采 用 在 钢纤 维 和碳 纤维 混凝 土 中 ， 导 热 系数受 纤 维 种 类和掺量的影响大 ， 受水灰 比、 砂率 、 骨料体积分数 等因素的影响已不 明显 2 3 基 于广 义灰 关联 的 混凝 土 导 热 性 能 影 响 程 度 分析 混 凝 土导 热 系 数 受 多个 因 素影 响 ， 影 响程 度也 不 尽 相 同 ， 故 采用 灰 理 论 开 展研 究 序列 aT 。 表 示 导 热系数 ， z 表示影响因素 ， 将各个 序列始点零像化 ， 可得 z 。 与 2 2 的绝对关 联度 ， 其 反映 ,2C 。与 2 7 的 相似程度 将各个序列初值像和始点零像化后可得 到 z 。与 z 的相对关联度 y 其反映 。与 ， 相对 于始点 的 变 化 速 率 接 近 程 度 综 合 关 联 度 = = = 。，+( 1 一 ) ) ， 其综合体现 。与 z 的关 系和影 响 程度 ， 其 中 为 权重 ， 一般 取 0 5 另 外 ： 一 l c卅 ” ) l 一 争c 卅 12 f l = l l 一 。 l 一1 n - 1 z ? ( 埘 ) 一 z oo ( ) + ( 1 ) 1 z ? ( ) 一 oo ( ) J 一 1 + l 。 l + l s l 一 二 _ r T 干 式 中 ： 为 观测 对象 序 号 混凝 土导 热 系数及 其 影 响 因 素见 表 1 O 纤 维 影 响程 度 ( a f f e c t i o n d e g r e e o f f i b e r )为纤 维 导 热 系数 与纤维体积分数的乘积去掉单 位后 的数值 ， 根据相 关资料 ， 参考厂家提供参数 ， 钢纤维 、 碳纤维导热系 数 分别 取 4 5 W ( m K) 和 2 0 w ( 1T I K) 经 计 算 ， 综 合 关 联 度 排 序 为 ： 骨 料 体 积 分 数 ( 0 5 7 7 ) 温 度 ( 0 5 3 4 ) 水 灰 比 ( 0 5 3 0 ) 砂 率 ( O 5 1 5 ) 这 说 明骨 料体 积分 数 、 温度 、 水灰 比对 导热 系数 的影 响较 大 ， 砂 率 的影 响稍 小 分析仅 有 的 6组 ( 1 0 1 5 ) 纤 维 混 凝 土 中各 因素 与 导 热 系 数 的综 合关联度排序为： 纤维掺量( 0 6 3 0 ) 温度( 0 5 6 8 ) 骨 料 体 积 分 数 ( 0 5 6 7 ) 水 灰 比 ( 0 5 6 5 ) 砂 率 ( 0 5 4 5 ) 纤维掺量对导热系数 的影响最大 ， 骨料体 积分数 、 温度和水灰 比的影响依然相近， 砂率的影响 仍是最小 综合来看 ， 各因素影响导热系数的程度排 序为 ： 纤维种类和掺量骨料体积分数温度水 灰 比 砂率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 刘凯 ， 等 ： 水 泥混凝土导热性能影 响因素及预估模型研究 7 7 7 凝 土 ( 2 ) 采用广义灰关联法对混凝土导热性能 的影 响因素及影 响程 度进行排 序：纤维种 类和体 积分 数 骨料 体 积分 数 温 度 水灰 比 砂 率 纤 维 种 类和体积分数决定了不 同混凝土 的导热性能 ， 骨料 体积分数 、 温度和水灰 比对导热系数的影响较大 ， 砂 率 的影响最小 ( 3 ) 根据 1 5组混凝土导热系数测试值 ， 结合骨 料体积分数 、 温度 、 水灰 比、 砂率和纤 维体积分数对 混 凝土 导热 系数 的影 响规 律及 程度 ， 采 用 Ma t l a b软 件编程建立 了普通、 钢纤维、 碳纤维混凝土导热系数 预 估模 型 ， 为快 速 、 准 确 、 简便 地 确定 混 凝 土 导 热 系 数 提供 了科 学依 据和 计算 方法 参 考文 献 ： 1 2 3 4 H ABI B U ，RAM AZAN D， REM ZI S， e t a I r h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t c e me n t d o s a g e s ， s l u m p s ， a nd p u mi c e a g g r e ga t e r a t i o s o n t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d d e n s i t y o f c o n c r e t e J C e me n t a nd Co nc r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 4， 3 4( 5 ) ： 8 4 5 8 4 8 KHAN M I Fa c t o r s a f f e c t i n g t h e t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a n d a p p l i c a b i l i t y o f i t s p r e d i c t i o n mo d e l s J B u i l d i n g a n d Env i r o nme n t ， 2 0 0 2， 3 7( 3) ： 6 0 7 6 1 4 KHAN M I ，BHATTACHAR EE BRe l a t i o n s hi p b e t we e n t h e r ma l c o n d u c t i v i t i e s o f a g g r e g a t e a n d c o n c r e t e c C i v i l En g i n e e r i ng M a t e r i a l s a n d St r u c t u r e s Os m a n i a ：Os ma n i a U n i v e r s i t y Hy d e r a b a d， l 9 9 5： 1 3 - 35 肖建庄 ， 宋志文 ， 张枫 混凝 土导热 系数试验 与分析 J 建筑 5 6 7 8 9 1 O 材料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 1 ) ： l 7 2 1 XI AO J i a n z hu a n g， SONG Zh i we n， ZHANG Fe n g An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 01 0， 1 3( 1 ) ： 1 7 2 1 ( i n Ch i n e s e ) 孙红萍 ， 袁迎 曙， 蒋建华 ， 等 表层混凝土导热 系数规律 的试 验 研究 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 5 9 6 1 SUN Ho n g p i n g，YUAN Yi n g s h u， J I ANG J i a n h u a， e t a 1 Exp e r i m e n t a l s t u d y o n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e s u r f a c e l a y e r c o n c r e t e s J C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 5 9 6 1 ( i n Ch i n e s e ) 李守 巨， 范永思 ， 张德岗 ， 等 岩土材料导热系数与 L 隙率关 系 的数值模拟分析E J 岩土力学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( s ) ： 2 4 4 2 4 8 L I S h o u j u ， F AN Yo n g s i ， ZHANG D e g a n g ， e t a 1 Nu me r i c a l s i m u l a t i o n o f r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f g e o t e c h n i c a l ma t e r i a l a n d i t s p o r o s i t y J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 0 7， 2 8 ( S) ： 2 4 4 2 4 8 ( i n Ch i ne s e ) 刘兴法 混凝土结构的温度 应力分 析 M 北 京 ： 人 民交通 出 版社 ， 1 9 9 1 ： 1 3 2 2 LI U Xi n g f a An a l y s i s o f t he r ma l s t r e s s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e M B e ij i n g ： C h i n a C o mmu n i c a t i o n P r e s s ， 1 9 9 1 ： 1 3 - 2 2 ( i n Ch i n e s e ) CAM PBELI D ， TH ORNE C P Th e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 6 3 ， 1 5 ( 4 3 ) ： 3 9 4 8 H AM I LT( ) N R L CR0S S ER 0 KThe r ma l c o n d u c t i v i t y o f h e t e r o g e n e o u s t wo c o mp o n e n t s y s t e ms J I n d u s t r i a l a n d En g i n e e r i n g Ch e mi s t r y Fu n d a m e nt a l s ， Am e r i c a n Ch e mi c a l S o c i e t y ， 1 9 6 2， 1 ( 1 )： 1 8 7 1 9 1 KI M K H， J EON S E， KI M J K， e t a 1 An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 3， 3 3 ( 3 )： 3 6 3 - 3 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m