玻化微珠复合混凝土等效导热系数研究.pdf

2 0 1 5年 第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 0l 5 No 3 Ma r c h 玻化微珠复合混凝土等效导热系数研究 张 冰 程忠庆 唐 军务 ( 海军 工程 大学 勤务 学 院 ， 天津 3 0 0 4 5 0 ) 摘 要 ： 分析 了玻化微珠复合混凝 土的传热机理 ， 对该混凝 土中热流的传递途 径进行 了划 分 ， 构 建 了基 于最小 热阻理 论的导热 系数 计算模 型， 并 用相关文献试验数据对模型进行 了验证 。结果表明 ， 该模 型能够较精确 的预 测玻 化微珠 复合 混凝 土干燥状 态下的导热 系数 。 后续研究还可考虑舍湿率 ， 以及玻 化微 珠的细度模数 对玻 化微 珠复合混 凝 土 的 导 热性 能 的影 响 关键词 ： 导热 系数 ； 建模 ； 玻化微珠 ； 混凝土 Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e me c h a n i s m o f t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f e x p e n d e d a n d v i t rifi e d b e a d s c o n c r e t e ， t h e c h a n n e l s o f t h e r ma l c o n d u c t i v i t y i n c o n c r e t e a r e d i v i d e d ， t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y c o e f f i c i e n t i s mo d e l e d b a s e d o n t h e t h e o r y o f mi n i mu m t h e r ma l r e s i s t a n c e a n d t h e mo d e l b y u s i n g t h e d a t a o f o t h e r r e l a t e d l i t e r a t u r e s i s c o n fi rm e d T h e r e s u h s i n d i c a t e t h a t t h e mo d e l c a n c a l c u l a t e t h e t h e rm a l c o n d u c t i v i t y c o e ffic i e n t u n d e r a ri d s t a t e e x a c t l y T h e s u b s e q u e n t r e s e a r c h s h o u l d b e l a u n c h e d i n t h e fi e l d o f i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f t h e rm a l c o n d u c t i v i t y i n c o n c r e t e i n c l u d i n g mo i s t u r e c o n t e n t a n d fi n e n e s s mo du l e o f e xp a nd e d a nd v i t r i fie d be a d s Ke y wo r d s ： C o e ffic i e n t o f t h e rm a l c o n d u c t i v i t y ； Mo d e l i n g ； E x p e n d e d a n d v i t r i fi e d b e a d s ； C o n c r e t e 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 5 8 0 4 0前 言 玻化微珠复合混凝土是在普通混凝 土 中掺人 一 定 比例 的 玻 化 微 珠 以及 外 加 剂 配 制 而 成 的 新 型 复合混凝土 。其导热系数随玻化微珠掺量 、 水泥掺 量 、 强度 等级 、 砂率及级配 、 水灰 比， 以及外加剂等 因素 的不 同而不 同。通 过实 验研 究获 得混 凝 土导热 系数与水灰 比、 骨料种类 、 孔 隙率等 因素之 间的关 系受到试验方法 和条件的限制 ， 很难作 为一般规律 加 以推广和应用 。模型计算则较少受到试验条件的 限制 ， 更加具有推广应用价值 。本文的重点是通过 对玻化微珠 复合混凝土传热机理 的分析 ， 构建基于 最 小 热 阻 理论 的 玻 化 微珠 复 合 混凝 土等 效 导 热 系 数计算模型 ， 并用其他文献 的相关试验数据验证模 型 的可靠 性 。 1 玻 化微 珠复 合混 凝 土的传 热机 理分 析 建 筑材 料 的 传热 性 能是 传 导 、 对 流 和 辐射 的综 合效应 。由热力学第二定律可知 ， 热量总是从高温 物体 白发地传向低温物体。隔热材料具有减弱热交 换强度和阻碍热量传递的功能 。玻化微珠复合混凝 土是 由砂石料 、 水泥 、 玻化微珠 和气体相组成 的多 元复合材料 。当热量在传递过程 中遇到导热系数低 的中空微球时 小部分热量沿着微球传导 ， 而 大部 分热量则绕过微球 ， 这样热量在复合材料 中的传递 路 径 变 长 和 复 杂 化 ， 所 以 材 料 的保 温性 能得 到 提 一 5 8 一 高 。通常 热量在建筑围护结构 内的传递主要有 三 种方式 ： 一是通过 固体和气体的热传导 ： 二是 在微 球 、 砂 浆 和 骨 料 之 间 的 热 辐 射 三 是混 凝 土 内 和微 球 内的气体 对 流 。S k o c h d o p o l e 1 经 实验研 究后 指 出 ， 微 球直 径小 于 4 m m 时 其 内部 的气 体 不会 发 生 自然 对 流 由于玻 化 微珠 中 空微 球 的 直径 通 常 在 0 5 1 6 ram之间 ， 故不考虑空气的 自然对流。 本文 中的复 合混凝土所处环境均在常温情况下 ( 在非高温条件 下) ， 故通过辐射传递 的热量也可忽略。 对玻化微珠复合混凝土 的传 热机 理进行分析 时 ， 文献 2 3 1 采用理想化的模 型 ， 假设 昆凝 土没有 和 玻化 微 珠进 行 混 合搅 拌 ， 将 两 种材 料 分 层 堆放 在 一 起来计算传热系数。该理想化 的模型与实际情况 差别较大 误差也较大 。第二类是借鉴计算多孑 L 材 料 导 热 系数 的 Ha m i l t o n a n d G r o s s e r I 4 I 模 型 而 建 立 的。普通混凝 土材料是人工合成材料 ， 并不是典型 的多孔材料 ， 直接采用多孔材料模型来计算混凝土 导热系数并不合适 。同时， 该模型还需要通过实验 来获得组成材料在混凝土中的分布情况 ， 也限制 了 该模型的应用 。第三类是考虑热流在混凝土组成材 料 中传递情况而建立的模 型 ，代表性 的是 C a mp b e l l A l l e n a n d T h r o n e 模 型5 - 6 1 。 该模 型按 照 混凝 土材 料组 成 人 为 的来 划分 热 流 途径 ， 这 种 人 为 的 划分 方 法不 一 定满 足 最 小热 阻 理论 法 则 ， 该 法 则 属 于 自然 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 冰 程忠庆 ， 唐军务 玻化微珠复合混凝土等效导热系数研究 界 的最小 阻 力 法则 在 热流 途 径划 分 时应 充 分 考 虑 该法则 。最小热阻理论f7 是指热量在物体 内传递 时 ， 热流会沿热 阻最小 的通道传 递 ， 或者说通 道在 流过 定 向热 流 量 时呈 现 最 小热 阻 状 态 ， 相 应 通 道 的 总热阻即为最小热阻。本文构建的模型是建立在最 小 热 阻理 论基 础上 的 。 2模型 的 建立 2 1 划分 热 流途径 从混凝土的组分构成来看 ， 玻化微珠 复合混凝 土 可 以 被 视 为 由水 泥 包 裹 砂 石 骨 料 和玻 化 微 珠 组 成的复合材料 。每一个微小单元可以看成由含砂石 骨料的混凝土和不含砂石骨料 的砂浆加玻 化微珠 组成 的单元体 。因此 ， 本文将玻化微珠复合混凝土 中热流传递途径划分成二条 ： (I) 含砂石骨料 的混 凝 土 ； ( I 1) 含玻 化 微 珠 的砂 浆 ， 其 示 意 图如 图 1所 示 A C 图 1玻 化 微 珠 复 合 混 凝 土 中 热 流 途 径 不 意 图 假设混凝土横截面面积 、 长度 、 宽度 、 厚度分别 为 S 、 A、 B和 L， 则 横截 面 的面 积 S = AB 。引入 比例 系 数 K。来描述沿热流途径 I和 传递 的热量 占总传 递 热 流 的 比例 ， K 的物 理 意 义 为 ： 热 流 途径 I( 含 砂 石骨料 的混凝土) ， 这一热流途径 的传热面积 S 1与 混 凝土 横截 面 面积 S之 比。 2 2 模型推导 先分别计算途径 I和 的热阻 尺 。 和 R 。R 可 看作 由骨料和砂浆按照串联规律组成的等效热阻 ； R 可看作 由砂浆和玻化微珠按 照串联 规律组成的 等效热阻 ， 即 Rl = Ra + R l ( 1 ) R 2 = R 。 + ( 2 ) 式 中 ： 。 ， ， R 。 ， R 分 别 表 示 骨 料 、玻 化 微 珠 和两个热流途径中砂浆的热阻。 由热阻与导热系数的关系式可得 ： r 尺 = ( 3 ) R ： ： ( 4 ) 假设 玻化微珠复合混凝土 中骨 料和玻化微珠 的体积分数分别为 。 和 可得 ： V 。S L 。 = KS = KS LV S L = 千= (6 ) = ( 7 ) ( 二 ) 二 Rm 2 - = 将式( 5 ) ( 8 ) 代入式( 1 ) 中， 可得 ： + + 假设通过玻化微珠复合混凝土的总热量 为 Q， 则有 Q = Q + Q z ( 1 1 ) 式 中 ： Q ， Q ： 分别 为途 径 I和途径 I 1 所传 递的 热量 。 同时 Q ： 半 ( 1 2 ) Q ： ( 1 3 ) 式 中 ： A T为 两 侧 温 度 差 ； A ， A 分 别 为 途 径 I 和途径 的导热系数 。假定该混凝土总的导热系数 为 A， 分别将式( 1 2 )、 ( 1 3 ) 代入式 ( 1 1 )， 可得 A = A l K+ A 2 ( 1 ) ( 1 4 ) 分别把式( 3 ) 、 ( 4 ) 、 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 代入式 ( 1 4 ) 中 ， 可 求得玻化微珠 复合混凝 土的等效 导热 系数计算公 式 为 A = ：K 可+ 1= ( 1 - + K ) 二 ( 1 5 ) 十 ( 1 _ K) A 。 ( 1 一 K) A 2 3 K值 分 析 式( 1 5 ) 为本文构 建 的玻化微珠 复合混凝土等 效导热系数的计算公式 从公式可以看 出等效导热 系数除了跟骨料的掺量 。 ，玻化微珠 的掺量 ， 骨 料 的导热系数 A 。 ， 砂浆 的导热系数 A ， 以及玻化微 珠 的导热系数 A 。 有关外 ，还与 K值有关 。当 K = 0 一 S 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3期 混 凝 土与水 泥制 品 总第 2 2 7期 时 ，玻化微珠复合混凝土组成变为砂浆和玻化微 珠 ： 当 K = I时 ， 玻化微珠混凝土组成变为骨料和砂 浆 。 K的取值应综合考虑该复合混凝土组成和最小 热阻理论 。根据 K值定义 ， 假设 当有足够 的砂浆对 骨料进行包裹的 的最小值为 ， 用公式表示为： K 一 乩 0 ， 则 K 。 ， 因此 的取 值 应 满 足 K K 。 假设 能够使 总 的热 阻最 小 的 为 K ， 即为 由 最小热阻理论所求得的 K值。 与 K 相比存在两 种 可 能性 ： 当 K 时 ， 应 取 K= K ， 这 时 K 的 取 值既满足最小热阻理论 ， 又满足砂浆对骨料包裹的 要求 ；当 K K 时 ，说明由最小热 阻理论求得的 不能 满足砂 浆对 骨料 包裹 的要 求 ， 应 取 K = K 。 K 对应 的是使玻化微珠 复合混凝土热阻最小 的划分热流的方法 ， 一般可通过数值计算的方法得 到。即将 K从 到 1 0按一定的步长进行取值 ， 得 到等效导热 系数与 K值之间的关系曲线 ， 查找最小 导 热 系数对 应 的 值 ， 并 与 进行 比较 。 3算例 分析 和模 型验 证 文献 5 中， 采用瞬态热线法测得的干燥状况下 水泥混凝土和粗骨料的导热系数 ， 见表 1 。 本文取其 平均值来验证模型的可靠性。即砂浆和粗骨料 的导 热系数分别取为 A m = 1 7 ， 九= 3 6 。 表 1 实 测 砂 浆 和 骨 料 的 导 热 系 数圈W ( m K) 以文献 9 中水 平 1 为 例 ， 玻 化微 珠 的 导热 系 数 取 0 0 4 ， 粗 骨 料 占该 混 凝 土 的体 积 比为 0 3 2 。采 用 本 文所 建立 的模 型 ， 按 式 ( 1 5 ) 绘 制 从 0 3 2至 1 0 混 凝 土导 热 系数 与 K 值之 间 的关 系 曲 线 ， 如 图 2所 示 。 曼 堇 骚 豢 仲 图 2 玻化微珠 复便 混凝 土导热系数与 K值之间 的关系 由图 2可知 ， 当 K的取值超过粗骨料体积分数 ( O - 3 2 ) 后 ， 导热系数最小值为 1 2 0 5( W m K) ， 与其 对 应 的 值 为 0 3 4 。在 热 流途 径 I中 ， 砂浆 主 要 起 到 包 裹 和粘 结 粗骨 料 的作 用 ， K 的取 值 应 为 ： K ： 其中： 为热流途径 I中砂浆的体积分数。 该 体 积 分数 取 决 于粗 骨料 形 状 、 级 配 和 粗 骨料 和 混 凝土之间界面状态 。包裹骨料的砂浆的体积分数一 般在 0 1 0 0 2 O之 间， 本文取 中间值 0 1 5 ， 则有基于 混凝土组成考虑的 K最小取值 K = 0 4 7 。对于水平 1混凝土 ， 当 K= 0 4 7时 ， 其对应 的导热 系数计算值 为 1 2 8 4 ( W m K) 。 文献 9 1 在 进 行 正 交 试 验 时 ， 水 泥 强度 等 级 、 玻 化微珠掺量 、 石子用 量 、 砂用量 四个影 响因素分别 取了三个水平 ， 本模型中相应的 A 和 应 当做相应 的调 整 。 按照 上 述方 法 计算 得 到 的导 热 系数 的 理论 值与实测值如表 2所示 。 表 2 导热系数理论值与实测值 比较 4结 语 本 文在 对玻 化 微珠 复合 混 凝 土热 流 途径 进 行 划 分时引入参数 使得热流途径划分结果不仅满足 砂浆对粗骨料包裹 的要求 ， 也满足最小热阻理论的 要求 。与传统混凝土导热 系数计算模型相 比较 ， 本 模型的计算精度有了较大的提高 。本模型计算 的理 论值略高于试验的实测值 ， 说明干燥状态下粗骨料， 一 6 0一 玻化 微 珠 和 砂 浆 之 间存 在 较 为 显 著 的界 面 热 阻。 为简化计算 ， 本模型未考虑玻化微珠颗粒 的细度模 数的影响 ， 用总体积参量这个参数代替 了具体孑 L 径 分布。文献 1 l 1 表明 ， 随着玻化微珠孑 L 径的变化 ， 其 传热机理也会发生改变 。当孔径大到一定程度后 ， 传热方式 由热传导变为热对流 ； 当孔径小到一定程 度 ， 传热方式 由热传导变为热辐射。因此 ， 后续研究 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张冰 ， 程忠庆 ， 唐军务 玻化微珠复合混凝土等效导热系数研究 可 考 虑玻 化 微珠 颗 粒 的 细度 模 数 ， 粗 骨 料 与水 泥砂 浆之间的界面热阻，以及含湿率对玻化微珠复合混 凝 土导 热性 能 的影 响 。 参 考 文献 ： 1 S k o c h d o p o l e R E T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f f o a m p l a s t i c s J E n g i n e e r i n g P r o g r e s s ， 1 9 6 1 ， 5 7 ： 5 5 5 9 【 2 】 张泽平 玻化微珠 保温混 凝土及 其结构 的基本 性能试 验 与理论分 析研究 D 太原 ： 太原理工大学， 2 0 0 9 ： 1 0 1 2 3 代学 灵 玻化微珠整体式保温 隔热建筑研究 D J 太 原： 太原 理工大学。 2 0 1 0 ： 3 l 一 3 3 【 4 】 周顺鄂， 卢 志远， 严 云 泡沫混凝土 导热系数模 型研 究 J 1 材 料导报 2 0 0 9 2 3 ( 3 ) ： 6 9 7 4 【 5 】 K h a n M I F a c t o r s a f f e c t i n g t h e t h e rm a 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 E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 2 ， 3 7 ( 6 ) ： 6 0 7 - 6 1 4 6 张枫， 肖建庄， 宋 志文 混 凝上导热 系数 的理论 模型及应 用 J 商 品混凝土， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 2 3 2 6 【 7 陈则韶， 钱军， 叶火 复合材料等 效导热系数 的理论推算 J 中 国科学技术大学学报， 1 9 9 2 ， 2 2 ( 4 ) ：4 1 6 4 2 3 【 8 】 于承训 工程传热学 M 成都： 西南交通大学 出版社， 1 9 9 0 【 9 】 张泽平， 董彦莉 ， 李珠 玻化微 珠保温混凝 土正交试 验研究 J 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 6 5 7 1 0 】张伟平， 邢 益善， 顾 祥林 基 于细观 复合材料 的混凝 土导 热系数 模型【 J J 结构工程师， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 4 4 1 1 K i m K o o k Ha n ， J e o n S a n g E u n ， K i m J i n K e u n ， e t a 1 A n e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e rm 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 1 Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 3 3 3 ( 3 ) ： 3 6 3 3 7 1 收 稿 日期 ： 2 01 4 1 2 2 5 作者简介 ： 张冰( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 博 士研 究生。 通讯地址 ： 天津市塘沽区河北路 l 号 联 系 电话 ： 1 8 9 0 2 0 6 0 6 0 8 E- ma i l ：z h a n g bin g 01 1 8 9 1 6 3 c o m 提供排水管生产许可证全套试验设备 J S检查井盖试验机 GB T2 3 8 5 8 2 0 0 9 1 数字中文显示仪表 2荷载 1 0 0 0 k N变最 2 0 ra m 3显示加载速度、曲线存储打印等 啊 HG一2刚度 试验机 试验机适用外径： 300 20o0mm SSZ渗 水砖试验 机 用于环保型渗水砖渗水量的测试 GC排水管外压试验成套设备 GB TI 6 7 5 2 2 0 0 6 1 试验直径 D 3 0 0 -1 5 0 0 m 3 0 0 0 m m，L 2 0 0 0 4 0 0 0 mm 2酉 己 置显示峰值、加载速度、曲线、存储打印 D H电杆荷载位移测试仪 ( 整套检测设备) 程 l O 2 0 0 k N，位移 1 2 m S H I I 荷载测试仪 ( 峰值保持) 1 适用于排水管、管桩等各种构造物体 的测量与分析 2量程 2 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 2 0 0 0 k N G C管桩成套测试设备 ( 整套检测设备) 混凝土搅拌站试验检测设备 提供市政项目检测设备 提供各种建材试验设备 Y D烟道试验机 1 试验机最大承载压力为 3 0 0 k N 2 数显仪表精度 1 可显示峰值、加载 曲线、速度、打印、数据存储等 G S I I 型排水管内水压试验机( G B T 1 6 7 5 2 2 0 0 6 ) 试验机 采用 电动液压 控制 ， 对水泥混凝土管进 行 内水压试验 。试验 直 径 ：D3 0 0 D3 0 0 0 mm 提供 GS 1手动内水 压设备 厂商 ：无锡市伟源机械厂 电话 ：0 5 1 0 - 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