多孔膨胀珍珠岩混凝土比热容与导热系数测定及其保温性能评价.pdf

全国中文核 心期刊 杆 癯 彘 巍 多孔膨胀珍珠岩混凝士比热容与 导热系数测定及其保温性能评价 赵维霞， 杨海勇， 陈晏， 杨萍， 杨进超 ( 西北核技术研究所， 陕西 西安7 1 0 0 2 4 ) 摘要： 膨胀珍珠岩混凝土具有导热系数小、 质量轻、 结构性能好等优点， 在建筑围护结构， 特别是屋面保温隔热工程中得到了大量的 应用 。通过防护热板法对多孔膨胀珍珠岩混凝土的 比热容和导热系数进行测试 ，并将测试结果 与传统 建筑材 料的相应热学参数进行比 较， 为建筑节能设计提供了试验依据。 关键词 ： 膨胀珍珠岩混凝土： 比热容； 导热系数： 保温性能 中图分类号： T U 1 1 1 ． 1 9 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 1 — 0 0 7 8 — 0 3 M e a s ur e m e nt of s pe c i fic t he r mal ／ t he r m a l c ond uc t i v i t y c o e ffi c i e nt of p or o us e xpa nde d p e ar l i t e c on cr e t e and ev a l ua t i on of he a t pr e s e r va t i on pr op e rt y Z HA0 We i x i a ， Y ANG Ha i y o n g ， C HE N Mi n， Y ANG ， Y ANG． ~ n c h a o ( No r t h we s t Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Nu c l e a r T e c h n o l o g y ， Xi a n 71 0 0 2 4， S h a n x i ， Ch i n a ) 膨胀珍珠岩混凝土制品作为一种新型节能材料已在建筑 工程中得到广泛应用_ 1 l 。膨胀珍珠岩颗粒内部呈蜂窝结构， 具 有质轻、 绝缘、 吸声、 无毒及耐腐蚀等特点圆 用其配制的轻骨 料混凝土耐磨、 隔热保温、 体积稳定且无碱集料反应危害， 与 同强度等级普通混凝土相比， 可降低自 重2 0 ％ 一 2 5 ％ I3 ] 。 本文针 对密度等级9 0 0 — 1 3 0 0级， 抗压强度低于1 0 M P a 的膨胀珍珠 岩混凝土进行了比热容和导热系数的测定， 并通过对其蓄热 系数、 热阻和热惰性指标的计算， 简要评价材料的保温性能。 1 试验 1 ． 1 原材 料 水泥： 天山牌P 0 3 2 ． 5 水泥； 粉煤灰： I 级粉煤灰； 发泡 剂： M p s 型新型水泥发泡剂； 膨胀剂： U E A - H型膨胀剂， 水泥 灰色； 减水剂： F D N — I 1 型高效减水剂， 黄褐色。水泥及膨胀珍 珠岩的性能指标分别见表 1 和表2 。 表 1 水泥 的性能指标 收稿 日期 ： 2 0 1 0 — 0 7 — 1 9 作 者简 介： 赵维霞 ， 女， 1 9 7 9年生 ， 山东德州人 ， 工程师。地址 ： 8 4 1 7 0 0 新 疆乌鲁 木齐 市 2 1 信 箱 1 5 6分箱 ， 电话 ： 0 9 9 6 — 2 3 5 8 6 9 2 ， E— ma i l ： z h a o we i x i a 6 2 9 @s i n a ．C B。 7 8 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 1] 表 2 膨胀珍珠岩 的性能指标 1 ． 2 试验配合 比 ’ 试验在设计同强度等级普通混凝土( C C ) 基础上， 配制了 2 种不同发泡成孔机理的多孔膨胀珍珠岩混凝土，分别是以 发泡剂为主的混凝土( F C ) 和不掺加发泡剂的混凝土( L A C ) 。 与F C相比， L A C是采用多孔结构的轻集料( 如膨胀珍珠岩) 调整材料密度等级， 保证匀质性； 同时利用搅拌时引入的气泡 代替了发泡剂形成的气泡， 简化了工艺。除发泡剂外， 其余原 材料种类相同， 混凝土结构相似。混凝土配合比见表3 o 表 3 混凝土配合 比 k g ／ m 项 目水泥粉煤灰膨胀珍珠岩膨胀剂减水 剂发泡剂水 C C 1 3 7 8 ( 砂 ) 9 FC 6 0 2 5 1 5 6 ． 0 0 ． 8 5 3 ． 0 4 5 L AC 3 O 5 5 1 5 8．5 0 ． 8 5 5 5 1 I 3 试验方法 I ． 3 ． 1 比热容 比热容为表征单位物质热容量的物理量。测试过程中3 种混凝土的等压比热容C 随温度t 变化的函数式如下： ( ) = A( 0 ) + A( 1 ) t + A( 2 ) t 2 + A( 3 ) t 3 + A( 4 ) t ( 1 ) 对于C C ： 试验温区2 4 ～ 2 7 5 ℃， 试验压力9 ． 0 M P a 。 其中： A( 0 ) -- - 6 ． 3 3 x 1 0 ～ ； A ( 1 ) = 7 ． 5 8 x 1 0 ； A ( 2 ) = _ 5 ． 3 3 x l 0 4 ： A( 3 ) = 1 ． 8 2 x 1 0 ： A( 4 ) = 一 1 ． 8 3 x 1 0 。 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵维霞， 等： 多孔膨胀珍珠岩混凝土比热容与导热系数测定及其保温性能评价 ( 2 ) 对于F C ： 试验温区2 3 2 7 7 q C ， 试验压力9 ． 0 M P a 。 其中： A( 0 ) = 3 ． 4 9 ~ 1 0 ～ A( 1 ) = 7 ． 7 4 x 1 0 。 ； A ( 2 ) = 一 6 ． 4 5 x 1 0 ； A( 3 ) = 2 ． 8 8 x 1 0 ～ ： A( 4 ) 一 4 ． 0 6 x 1 0 。 。 ( 3 ) 对于L A C ： 试验温区3 0 2 8 8 ℃， 试验压力9 ． 0 M P a 。 中： A ( 0 ) = 5 ． 9 0 x 1 0； A( 1 ) = 7 ． 2 5 x 1 0 。 ； A ( 2 ) = 一 4 ． 7 9 x 1 0 ； A( 3 ) = 1 ． 9 0 x 1 0 ： A( 4 ) = 一 2 ． 5 6 x l 0 0 。 1 ． 3 ． 2 导热系数 依据 G B 1 0 2 9 4 —8 8 《 绝热材料稳态热阻及有关特性的测 定防护热板法》 ，采用T P M B E 一 3 0 0 平板导热仪进行测试， 热 板2 5 ℃， 冷板一 5 ℃， 平均1 0 c c ， 试件规格为： 3 0 0 m in x 3 0 0 m m x 2 0 m m， 标准养护 2 8 d 。测量导热系统的瞬态方法( 热脉冲快 速法) 是以稳定导热原理为基础， 在试验材料中给以短时间 加热， 测试时间为4 h 左右， 使试验材料的温度发生变化， 根 据其变化特点计算出材料的导热系数。稳态方法测量材料导 热系数 A的原理公式为 ： A ：旦 t l — t 2 式中： 0 ——通过试件的稳定热流强度， w／ m ； ( ! ——试件厚度， r n ； ≠ 、 厂分别为试件两侧面温度， ℃。 2 结果与分析 2 ． 1 比热容 根据比热容 ( ) 的测试计算函数式分别计算出3 种混 凝土的比热容随温度的变化， 结果见图1 。 t } 图 1 3种混凝土 比热容 变化曲线 由图 1 可以看出， 3种混凝土的等压比热容随着温度 的升高而增大， 且变化趋势相近。其中C C和 L A C的比热 容数据较接近[ 均从 2 0℃的0 ． 7 J ／ ( g ℃) 变化到 3 0 0℃的 1 ． 5 J ／ ( g ℃) ] ， 而v c [ 3 o o℃时为 1 ． 3 6 J ／ ( g ℃) ] 比前 2 种材料 稍低。 2 ． 2 导热系数 3 种混凝土的导热系数测试数据结果见表4 。 由表4 可知， F C 、 L A C与C C相比， 密度分别降低6 0 ％和 4 3 ％， 孔隙率明显增大， 导热系数有所降低。这主要由于膨胀 表 4 3种混凝土的导 热系数 珍珠岩混凝土的导热系数与密度之间有密切的关系。密度的 大小主要反映了材料内部的孔隙率大小，其导热系数是由骨 架与气孔中空气的导热系数共同决定的， 一般情况下， 孑 L 隙多， 空气含量多， 材料的导热系数也就越小， 因此， 随着密度的降 低， 导热系数降低。 另外， F C的密度、 孔隙率均低于 L A C ， 但其 导热系数却略高于L A C ， 这主要由于导热系数不仅与孔隙率 有关， 还与材料内部的孔结构有很大的联系。L A C孔大小较 均匀， 且孔结构密闭不连通， 因此， 其导热系数更小些， 相应保 温性能有所提高。 2 ． 3 其 它热 工指 标 2 ． 3 ． 1 蓄热系数 蓄热系数是材料层的表面对不稳定热作用敏感程度的一 个特征指标， 材料蓄热系数越大， 表面温度波动越小， 材料蓄 热系数的计算公式如下圈 ： r ————————一一 5 = 、 ／ 』L = 0 ．5 1 V 1 式中： S ——材料的蓄热系数， W／ ( m K ) ； A ——材料的导热系数， W／ ( m K ) ； 卜热作用周期， 以2 4 h 为 1 个周期的热作用是基本 的， 即T = 2 4 ； c ——材料的比热容， J ／ ( g q C ) ； 厂材料的密度， k g ／ m 。 2 ． 3 ． 2 热 阻 热阻是材料层抵抗热流通过的能力， 热阻越大， 在同样的 温差条件下， 通过材料层的热量越少， 围护结构的保温效果越 好。 R： A 式中： ——材料的热阻， m K A V ； A ——材料的导热系数， W／ ( m K ) ； 6 ——材料厚度， n l 。 2 ． 3 ． 3 热惰性指标 传热热阻 只代表围护结构抵抗导热的能力， 它只能代 表作为在稳定传热时建筑围护结构的评价指标。对于实际建 筑围护结构来说， 处于经常不稳定传热状态， 此时一股多采用 建筑围护结构的传热热阻 和材料的蓄热系数 S的乘积即 围护结构的热惰性指标D来评价围护结构热工性能的指标， N E W BUI L Dl NG MAT E RI AL S 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵维霞， 等： 多孔膨胀珍珠岩混凝土比热容与导热系数测定及其保温性能评价 其表达式如下： D= S 由于热阻 表达了材料层抵抗热流波的能力， 而蓄热系 数表达材料层抵抗温度波的能力， 所以热惰性指标D则是表 达了围护结构抵抗热流波和温度波在材料层传播的指标。 3 混凝土保温隔热性能 为了更好地评价多孔膨胀珍珠岩混凝土的保温隔热性 能，本文把3 种混凝土与常用几种材料砌体保温隔热性能列 表进行对比 ， 详见表 5 。 表 5 3 种混凝土与几种常用材料砌体的 保温隔热性能对 比 由表5 可见，多孔膨胀珍珠岩混凝土F C和L A C的导热 系数值为耐火黏土砖的l 6 ．0 ％、 1 2 ． 3 ％， 因而相同厚度时， 可获 得较大热阻， 这是轻骨料混凝土的突出优点； 材料的蓄热系数 除与材料的导热系统的比热容有关外， 还与表观密度有关， 轻 ●， ． ．． ● ‘t ．． ．● ●● ．． ． ●● ． ． _． -●‘ ． _ ● ． ⋯’●● J． ． _ ● ’． ．_●‘ ． _ ●。⋯ ●● ● 骨料混凝土的蓄热系数较小， 加之结构轻薄， 故其热稳定性不 足。但是评价轻型结构的保温隔热性能主要是考虑其热阻和 热稳定性两方面， 由表 5 还可看出， L A C和 F C的D值分别 达到t 0 ． 1 1 和5 ． 8 4 ， 远高于其它的常用砌体材料。 D值越大， 说明外来热波穿透围护结构需要的时间越长，波动幅度被减 弱的程度也越大， 围护结构的热惰性越好， 越有利于房间的整 体稳定性， 所以， 对于一般建筑围护结构来说， 用热惰性指标 D作为评价值是比较全面的。 参考文献 ： [ 1 ] 徐雅 芳． 陶粒 混凝 土在高 效屋面保温 工程 中的技 术性能及 经济 比较叨． 建筑施工 ， 2 0 0 2 ， 2 4( 6 ) ： 4 7 1 — 4 7 2 ． 【 2 ] 马眷荣． 建筑材料辞典【 M 】 ．北京： 化学工业出版社， 2 0 0 3 ： 3 4 0 ． 【 3 ] 柳孝图． 建筑物蛐 M ] ． 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 0 ： 3 6 9 — 3 7 2 ． 【 4 ] K ． D i ． 福庚． 房屋围护 部分的建筑热工学 [ M]． 谭天佑 ，梁绍俭， 译． 北京： 建筑 工程 出版社 ， 1 9 5 7 ． 【 5 ] 朱盈豹 ．保 温材料在建筑墙 体节能中 的应用[ M】 ． j t 京 ： 中国建材 工业 出版社， 2 0 0 3 ： 9 ． 【 6 ] G B 1 0 2 9 7 -- 1 9 9 8 ， 非金属 固体材料导热系数的测定【 S ] ． 【 7 ] 王秀 芬_ 力 口 气 混凝土性 能及优化 的试验研 究[ D 】 ． 西 安： 西安建筑 科技大学． f 8 ] 高连玉， 郭福胜． 加气混凝土应用及其关键技术[ J J ．房材与应用， 2 0 0 2( 1 ) ： 3 — 8 ． A 。 ( 上接第 4 2页) 氢气， 内压力不断得到补充， 因而迅速膨胀。随着石灰、 水泥 不断水化， 极限剪应力不断增大， 这时铝粉的反应仍在继续进 行， 只要气泡内压力继续大于上层料浆的重力和极限剪应力， 膨胀就会继续下去。当料浆迅速稠化， 极限剪应力急剧增大， 膨胀才会逐渐缓慢下来。当铝粉反应结束， 气泡内不再增加 内压力， 或者这种内压力不足以克服上层料浆的重力和料浆 的极限剪应力时， 膨胀过程停止。 3 ． 3 坯体 的硬 化 具有一定结构强度的坯体经过切割后， 还要进行室温静 养， 即完成水化合成过程， 这主要是钙质材料与硅质材料的水 化合成硬化后的产品。 水泥水化生成的C a ( O H ) ： 与粉煤灰中的活性S i O 反应， 生成碱度较高的水化硅酸钙， 随着 S i O 的不断溶解， 水泥水 化的C — S — H凝胶与石灰、粉煤灰合成的C — S — H等水化硅酸 钙的碱度不断降低， 开始变成半结晶的低钙水化硅酸钙。 8 0 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 1 4 聚苯乙稀泡沫加气混凝土砌块的性能 聚苯乙烯泡沫加气混凝土砌块的较佳配合比为：水料比 0 ．4 ， 粉煤灰4 0 ％ ， 聚苯乙烯 1 5 ％， ／ ／7 , ( 水泥) ： m( 石灰) = 6 ： 1 ， 石膏 1 ％，经测试其密度级别为B 0 6 ， 1 4 d 抗压强度为4 ． 1 M P a ， 导 热系数为0 ． 1 3 W／ ( m K ) 。 5 结语 ( 1 ) 利用废弃的聚苯乙 烯泡沫颗粒以及工业废料为原料， 减少环境污染， 能够达到资源的再生利用。 ( 2 ) 掺废弃聚苯乙烯制备的免蒸压加气混凝土保温砌块 密度小， 导热系数低， 保温性能好。 采用较佳的配合比， 其密度 等级为B 0 6 ， 1 4 d 抗压强度为4 ． 1 M P a ， 导热系数为0 ． 1 3 W ／ ( m K ) ， 符合G B ／ T 1 1 9 6 8 --2 0 0 6 《 蒸压加气混凝土砌块》 要求。 参考文献 ： [ 1 ] 钱觉时．粉煤灰特性与粉煤灰混凝土 E 京： 科 学出版社 ， 2 0 0 2 ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m