玻化微珠保温混凝土在高温后的热工性能研究.pdf

2 0 1 3 年 第 3期 (总 第 2 8 1期 ) N u mb e r 3 i n 2 O l 3 ( T o t a 1 No 2 8 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH 玻化微珠保温混凝土在高温后的热工性能研究 任国鹏 ，杜薇 ，张泽 平 ( 太原理工大学 建筑与土木工程学院 ，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 在玻化微珠保温混凝土高温试验的基础上 ， 通过对玻化微珠保温混凝土导热系数的测定和质量热容 的理论计算 ， 得出 了玻化微珠保温混凝土的主要热工参数 ， 并且确定 了玻化微珠保温混凝土导热系数与温度的本构关系。 关键词 ： 玻化微珠保温混凝土 ；高温 ；导热系数 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 5 5 0 2 S t u d y o n t h e r m a l p r o p e r t i e s o f g l a z e d h o l l o w b e a d i n s u l a t i on c o n c r e t e a f t e r h i g h t e m p e r a t u r e REN Gu o-pc n g， D【 ，We i ， ZHANGzc - p n g ( De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e do nt h ethe r ma l e x p e r i me n t o f g l a z e dh o l l o wb e a di n s u l a t i o n c o n c r e t e ， i t s h o we dt h e t h e rm a l c o n d u c t i v i tyo f g l aze db e a d i ns u l a t i o n c o nc r e t e a n d s pe c i f i c h e a t t he o r y， o b t a i n g l az e d b e a d i ns u l a t i o n c o nc r e t e the rm a l pa r a me t e r s ， and d e t e r mi ne the the rm a l c o n d uc t i v i t y a nd t e mpe r a t u r e o fthe g l aze d b e a d i ns u l a t i o n c o n c r e t e c on s tit u t i v e r e l a t i o ns h i p Ke ywo r ds ： g l aze dh o l l o wb e a di n s u l a t i o n c anc r e t e ； h i g ht e mp e r a t u r e ； the r ma l c o n d u c t i v i ty 0 引 言 玻化微 珠保温混凝土是在普通混凝凝 土中掺人一种 轻质绝热保温材料及一些掺合料和添加剂 ， 使其既具有普 通混凝土 的力学性能 ， 又具有保温性 能的一种新型建筑节 能材料 ， 然而 由于其 骨料 与其他混凝土骨料 的差异 ， 可能 使其 高温后 的热工性能与其他混凝 土有所不 同， 因此研究 玻化微珠保温混凝 土在高温后的热工性能是很有必要 的。 混凝土的热工参数主要是指导热系数 A 、 质量热容 、 质量 密度 P 。 和热膨胀 系数 。 。 其中， 导热系数的影响因素主要为 骨料类型 、 孔 隙率 、 干湿状态 ； 质量热容 c c 随着 温度 的升 高增 长地 比较缓慢 ， 骨料类型 、 配合 比 、 含水率对质量热容 的影响不大 ； 热膨胀系数与混凝 土的配合 比、 龄期 、 试件 尺寸 、 加热速率 、 试 件是否 实心以及外界环境等有关f 1 。 本 试验 旨在通过玻化微珠保温混凝 土高温试验以及理论分 析， 确定其导热系数以及质量热容等热工参数。 1 玻化微珠保 温混凝土 的导 热 系数 混凝土的导热系数衡量混凝土传导热量的能力 ， 其定 义为在稳定 的传热条件下 ， 单位温度梯度下单位 时间内通 过单位 面积 的热量 ， 单位是 w ( m K) 。 影响混凝土导热系 数的主要因素有 ： 骨料类型 ， 含水率和配合 比。 骨料又分为 粗骨料和细骨料 ， 其 中粗骨料对混凝土 的热工性能起决定 作用 。 普通混凝土中的粗骨料类型多为火 山岩 、 水成岩破碎 而成 的碎石或卵石 ， 孔隙率很小 ， 其导热性 主要 由矿物成 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 9 - 2 0 分 、 结 晶特征 和颗粒 的结构状 况所决 定 ， 其 中矿物成分对 混凝土导热系数影响最大。 玻化微珠保温混凝土作为一种新型 的建筑 节能材料 ， 为 了能够推广其在市场上 的应用 ， 研究它 的热工性能是很 有必要 的。 本试验对玻化微珠保温混凝土 的导热系数进行 了研究 。 1 1 玻化微珠保温混凝土在高温下导热系数测定 试 验 1 1 1 原材料选用 ( 1 ) 玻化微珠 ： 一种无 机物玻璃质矿物材料 ， 由火 山岩 碎成矿砂 ， 经过特殊膨化烧结加工而成 ， 产 品呈不规 则球 状体颗粒 ， 内部 为空腔结 构 ， 表面波 化封闭 ， 理化性 能稳 定 ， 具有质轻 ， 隔热 ， 防火 ， 耐 高低 温 ， 抗老化 ， 吸水率小等 优 良特性 。 本试验采用 国家高新技术企业太原 市思科达科 技发展有限公 司生产的玻化微珠产品 ， 密度 1 2 0 e g L 。 ( 2 ) 水泥 ： 山西太原狮头水泥厂生产的 P 04 2 - 5 级水泥。 ( 3 ) 砂 ： 堆积密度 1 4 6 0 k g m ， 细度模数 2 4 。 ( 4 ) 水 ： 自来水 。 ( 5 ) 外加剂 ： 为 了宽 口径发展玻 化微珠保温混凝 土的 试验 ， 本次试验并未采用之前 自制的专用 I 、 n 、 I I I 型外加剂 ， 而是重新配制 了外加剂 。 1 1 2 试块的制作 试块制作所用的混凝土均用搅拌机搅拌 ， 投料顺序 ： 将 事先筛好 的密度为 1 2 0 g 门 L 的玻 化微珠放 入 卧式 搅拌机 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 内， 加入试验所需的全部用水 ， 预湿 1 0 m i n ， 然后再投入水 泥 、 , b h n N搅拌 3 0 s ， 最后将石子 、 砂 、 一并加入搅拌 6 mi n 。 本次试验共制作试件 3 3 0 块， 其中立方体( 1 5 0 mm 1 5 0 mlT I X 1 5 0 m m) 1 8 0 块 ， 棱柱体( 1 5 0 m mx l 5 0 m mx 3 0 0 mm) 1 5 0 块。 将搅拌好的玻化微珠保温混凝 土浆体放入钢模内 ， 在振动 台上震动 ， 将震动好的试件放在室温环境 2 4 h 后拆模 ， 放 人标准 养护室 中养护 2 8 d 。 养 护室采用 的是 自动控 制系 统 ， 能数字显示养护室内的温度与湿度并及 时进行加热和 加湿 ， 以到达试验要求 。 1 1 3 试验设备 箱式电阻炉 ， 型号为 S R J X型 ； D H R导热系数测定仪 ； 标准钢模 ； 数控卧式搅拌机 ； 振动台等 。 1 1 4 试验过程 试验时将干燥 1 个月 的试件放入 电阻炉 中进行高 温 加热 ， 经历的温度分别为 1 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 、 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0， 另 外与常温下 的试件作对 比。 高温处理的试块经过 7 d冷却 后进行导热系数的测定 。 导热系数测定在导热系数测定仪 ( 护热平板法) 上完成 ， 其原 理为当试件上 、 下两面处于不 同的温度下 ， 测量通过试样有效传热面积的热流及试样两 表面间温差和厚度 ， 计算导热系数 。 1 1 5 试验结果及分析 按前述方法测得 的玻化微珠混凝土在不 同温度下 的 导热系数平均值见表 1 。 表 1 高温后的玻化微珠保温混凝土导热系数 的平均值 温度 * C 导热系数平均值 ( W ( m K) ) 2 O 1 0 O 3 0 0 4 0 0 50 0 60 0 70 0 043 0 041 1 037 8 0_ 3 5 7 O- 3 31 0- 3 1 8 0- 3 01 由表 1 可知 ， 玻化微珠保温混凝土导热系数随温度升 高而降低 ， 3 0 0 时下降到常温 的 9 0 左右 ， 7 0 0时为常 温 的 7 0 左右 。 产生这种变化趋势的原 因是当温度上升到 3 0 0 时 ， 试件 内部骨料因脱水而疏松 ， 使得其孔隙率变大 ， 与此 同时 ， 由于水泥砂浆和骨料 的热膨胀系数的不 同 ， 玻 化微珠保温混凝土表面开始出现裂缝 ， 空气的介入 以及脱 水遗 留的孔隙使得混凝土材料 的导热系数逐渐降低 ， 随着 温 度的继续升高 ， 水泥砂浆 中的各种 晶体开始脱水破坏 ， 当温度升高到 6 0 0时 ， 晶体 内的结 晶水完 全脱掉 ， 此时 玻化微珠保温混凝土内部大部分呈现疏松状态， 导热系数 进一步降低 。 1 2 不同混凝土高温后导热系数研究成果对比 混凝土的导热系数随温度的升高逐渐降低， 欧洲规范 给 出不 同骨料混凝土 的 A 。 随温度变化的表达式如下圜 ： 硅质骨料混凝土 的表达式 ： A t = 2 - 0 2 4 ( T 1 2 0 ) + 0 0 1 2 ( 1 2 0 ) 2 ( 2 0 1 2 0 0)( 1 ) 钙质骨料混凝土的表达式 ： 5 6 A 1 0 1 6 ( 1 2 0 ) + 0 0 0 8 ( T 1 2 0 ) ( 2 0 1 2 0 0) ( 2 ) 除了轻质骨料 ( 如陶粒 、 膨胀珍珠岩 ) 外 ， 一般的骨料如 石子 、 砂等对混凝土导热系数 的影 响不大 ， 因此 B e a d e r M 和 h i t e m a n G D 只考虑温度对混凝土导热系数的影 响， 给出 了如下简化关系式 3 】 ： A = 1 9 - 0 0 0 0 8 5 T ( 0 8 0 0) ( 3 ) A cr -1 2 2 ( 8 0 0) ( 4 ) 清华大学过镇海教授建议一般混凝 土的热传导系数 计算公式 ： A cr - 1 7 2 1 7 2 x 1 0 升 0 7 1 6 x 1 0 T ( 5 ) 同济大学陆洲 导教授根据傅里叶定律测得高温下混 凝土导热系数表达式 5 3 ： A 1 6 0 0 6 T 8 5 0 ( 6 ) 本研究通过试 验确定 的玻化微珠保温混凝 土导热 系 数与温度的本构关系式为 ： A ( 1 0 0 5 5 - 0 0 0 0 4 T ) ( 2 0 7 0 0 ) ( 7 ) 不 同的研究者提出的高温下混凝土热传导 系数 随温 度变化 的曲线如图 1 所示 。 ： 8 16 I 1 4 r 1 0 0 8 0 6 0 4L一 0 图 1 2 玻化微珠保温混凝土的质量热容 C 混凝土 的质量热容是指 单位质量 的混凝 土材 料在改 变单位温度时需要 吸收或释放 的热量 ， 单位为 J ( K) 。 混凝土的质量热容实质是表征混凝土本身储热能力的大 小。 混凝土作为一种复合材料 ， 影响质量热容 的因素相对较 多， 目前研究表明混凝土的质量热容主要受骨料的类型、 组 分 的含量 、 配合 比、 含水率等影响。 对于混凝土的质量热容研究分析 中， H a r ma t h y 给出了 混凝土质量热容 的计算公式 6 3 ： C c = o J C p t + o 9 f A C f A 斗 付c A C e A ( 8 ) 式中： 、 c 执 、 C 。 广硬化水泥浆的质量热容 、 细骨料的质量 热容 、 粗骨料 的质量热容 ； O 1 一 硬 化水泥浆 、 细骨料 、 粗骨 料 占混凝 土总质量的百分 比。 普通混凝土硬化水泥浆 、 砂子、 石子的质量热容为 1 0 2 0 、 9 2 0 、 8 2 0 J ( k g K) 。 当混凝土中没有加入玻化微珠时 ， 此时的硬化水泥浆 、 细骨料 、 粗骨料所 占混凝土总质量的质量百分 比分别是 ： 2 93 、 2 4 8 、 4 5 9 。 此时普通混凝土 的质量热容为： C c = 1 0 2 0 x 0 2 9 3 + 9 2 0 x 0 2 4 8 + 8 2 0 x 0 4 5 9 = 8 7 2 7 6 J ( k g K) ( 9 ) 下转第 5 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 非稳态迁移系数 ， 试验结果见图 5 。 宝 籁 惴 轻 褪 城 0 1 2 3 试验 编号 图 5 氯 离子 扩散 系数 测试 结 果 从 图 5中可 以看 出 ， 添加 聚合 物 的 3组试样 氯离 子 扩散 系数均小于 2 1 0 m 2 s ， 抗渗性 能优 良。 5 5 0 k g m 3 胶 凝材料 的氯离子扩散系数小于 4 5 0 k g m， 胶材用 量 ， 说 明 胶凝材 料 的增加 或者膨胀 剂的加入 ， 使得 硬化混凝 土更 加致 密 ； 2 0 胶 乳 的混 凝土试样 氯 离子扩 散 系数略 高于 1 5 胶乳 的试样 ， 其原 因可能 在于胶乳量大 ， 一定 程度上 延缓或 阻碍 了水 泥水化 ， 龄期还不 足以代表 聚合物 混凝 土的抗渗性能 ， 即便如此 ， 其 5 6 d 氯离子扩散系数也低于 1 5 1 0 一 m2 s 。 电通量和氯离子扩散系数结果表 明， 聚合 物改性 自密 实混凝土具有 良好抗渗性能 ， 但含气量高而抗渗性好 的具 体机理还有待 于进一步深入研究 。 5结 论 ( 1 ) 随聚合物胶乳掺量增加 ， 自密实混凝 土 5 6 d电通 量值降低 ， 5 掺量 时降低 2 9 ， 1 0 掺量时降低 3 5 ， 1 5 掺量时降低 5 2 ， 抗渗性逐渐提高。 ( 2 ) 增稠剂对 自密实混凝土抗渗性能影响较大 ， 掺入低 上接第 5 6页 当普通混凝土 中加入玻化微珠时 ， 此时的硬化水泥浆 、 细骨料 、 粗骨料所 占混 凝土总质量的质量百分 比分别是 ： 2 7 9 、 2 8 4 、 4 3 7 。 此 时玻化微珠保温混凝土的质量热容为 ： C = 9 2 0 x 0 8 3 3 + 8 7 2 7 6 x 0 1 6 7 = 9 1 2 1 1 J ( k g K) ( 1 O ) 从 以上计算数据得知 ： 玻化微珠保温混凝土的质 量热 容 比普通混凝土的质量热容要高 ， 但是玻化微珠的加入对 混凝土的质量热容影响不大 。 目前的研究 已表 明： 当温度低 于 8 0 0时 ， 混凝土 的 骨料类 型对其质量热容 的影响不 明显 。 因此从 以上计算数 据得出的结论与这个规律是相符的。 3结语 通 过对玻化微 珠保 温混凝 土导热 系数 的试 验测 定 ， 得 出了玻 化微珠 保 温混凝 土 导热 系数 与温 度 的本 构关 系式 ， 并 通过质 量热 容 的理 论计 算 ， 得 知玻 化微 珠保 温 混 凝土 中玻 化微 珠 的加入 对混 凝土 的质量热 容 有一 定 地提 升 。 黏度 B的试样 电通量值低于加入高黏度 A的试样约 6 5 ； 聚丙 烯纤维 的加入能降低 自密实混凝 土的电通 量 ， 1 2 m m 的聚丙烯纤维的降低幅度 比6 m m 明显。 ( 3 ) 含气量分别 为 2 8 、 6 7 和 9 2 的聚合物改性 自 密实混凝土电通量值依次降低 ， 其抗渗性能逐渐提高 ； 电通 量和氯离子扩撒系数结果表明， 聚合物改性 自密实混凝土 具有 良好抗 渗性能 ， 但含气量高而抗渗性好 的具体机理还 有待于进一步深入研究 。 参考文献 ： 1 钟世云， 袁华 聚合物在混凝土中的应用 M 北京： 化学工业出 版社 ， 2 0 0 3 【 2 】I n t e ri m g u i d e l i n e s f o r t h e u s e o f s e k f - e o n s o l i d a t i n g e o n e r e t e i n p r e - e a s t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e i n s t i t u t e me mb e r p l a n t s S Un i t e d S t a t e s o f Ame r i c a： PCI 2 0 03 3 】廉慧珍 国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状【 J 】 施工技 术 ， 1 9 9 9 ( 5 ) 4 李志勇， 姚佳良， 张宇关于混凝土抗渗性能试验方法的研究【 J J 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 5 7 6 0 【 5 冯乃谦 高性能混凝土 的氯离子渗透性和导 电量【 J J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ： 3 - 5 6 】王军伟 ， 赵柯 ， 王文雷 含气量和养护龄期对混凝土抗氯离子渗 透性能影响的试验研究 J 】 铁道技术监督 ， 2 0 0 9 ( 2 ) 作者简介 联 系地址 联 系电话 ： 王涛( 1 9 7 9 - ) ， 男， 博士， 研究方向： 应用化学、 工程材料。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院金 属及化学研究所( 1 0 0 0 8 1 ) 1 3 81 1 5 551 6 9 参考文献 ： 【 1 肖建庄 ， 宋志文， 张枫 昆凝土导热系数试验与分析 J 1 建筑材料 学报 ， 2 0 1 0 2 C o mmu n i t i e s C o mmi s s i o n o f t h e E u r o p e a n E u r o c o d e N o 2 ， D e s i n g o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s S 1 9 9 0 3 】B E A DE R M， HI T EMAN G D C o n c r e t e C o n t a i n me n t A I 9 7 0 A s s e s s me n t C o n c r e t e f o r N u c l e a r Re a c t o r s S AC I S P- 3 4， De t r o i t ， 1 9 7 2： 2 9- 5 4 【 4 I过镇海 ， 李卫 昆 凝土在不同应力一温度途径下的变形试验和 本构关系【 J J _ 土木工程学报 ， 1 9 9 3 ， 2 6 ( 5 ) ： 5 8 6 9 【 5 陆洲导 冈 筋混凝土梁对火灾反应的研究 D 上海 ： 同济大学， 1 98 9 6 】HARMA T HY T Z F i r e s a f e t y d e s i g n a n d c o n c r e t e M L o n g ma n Gr o u p Un i t e d Ki ng d o m ， 1 991 作者简介： 任 国( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 联 系地址 ： 山西省太原市迎泽西大街 7 9号( 0 3 0 0 2 4 ) 联 系电话 ： 1 5 2 3 4 0 3 6 8 3 8 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m