混凝土导热系数试验与分析.pdf

第 1 3 卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG M ATE RI AL S Vo1 1 3，No 1 Fe b ， 2 O1 0 文章编 号： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 1 7 0 5 混凝土导 热 系数试验 与分析 肖建庄 ， 宋志文 ， 张枫 ( 1 同济大学 建筑工程系， 上海 2 0 0 0 9 2 ；2 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ：为 了研 究基 于现 代施 工 工艺制 成的 混凝 土导 热 系数 ， 通 过稳 态平板 导热 仪 对 多种 混凝 土 ( 包 括普 通 混凝 土、 高强混凝 土 、 再 生 混凝 土 以及 配 筋混凝 土) 试 件进 行 了导热 系数试 验 ， 考察 了 包括 骨 料体 积 分数 、 水灰 比 、 骨料 类型 、 外掺 料掺 量 、 温度 、 干 湿状 态及 钢 筋体 积 分数 等 因素 对 混 凝 土导 热 系数 的影 响 ； 进 一 步考察 了再 生粗 骨料取 代 率对再 生 混凝 土导热 系数 的影 响 通 过这 些 因素的显著 性分析 ， 得 到 了各 因素对 混凝 土导热 系数影 响的显著 性 大 小依 次 为 ： 干 湿状 态 、 再 生粗 骨料取代 率 、 温度 、 骨料体 积 分数 、 骨料 类型 、 钢 筋体积 分数 、 水灰 比 、 掺 和料 种 类 关键词 ：导热 系数 ；再 生粗 骨料 ； 显 著性 分析 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 1 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 0 1 0 0 1 0 0 4 An Ex pe r i me n t a l S t u d y o n Th e r ma l Co nd u c t i v i t y o f Co nc r e t e XI AO Ji a n z h u a n g ，S ONG ZH i we n ， ZHANG Fe n g ( 1 _De p a r t me n t o f B u i l d i n g En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a ； 2 Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u dy t he r ma l c o ndu c t i v i t y o f c on c r e t e pr o d uc e d by mod e r n c o ns t r uc t i o n t e c h no l og y， i nf l u e n c i n g f a c t o r s o n t he r ma l c o ndu c t i v i t y o f No r ma l s t r e n gt h c o nc r e t e，hi g h p e r f o r ma nc e c o n c r e t e，r e c y c l e d c o nc r e t e a s we l l a s r e i nf or c e d c o nc r e t e w e r e q ua nt i t a t i v e l y i nv e s t i ga t e d by t he s t a bl e pl a t e t h e r ma l c on d u c t i v i t y me t e r S e v e n t e s t i n g v a r i a b l e s ， i n c l u d i n g t h e a g g r e g a t e v o l u me c o n t e n t ，wa t e r c e me n t r a t i o( )，t y pe s o f a gg r e g a t e，a d mi x t u r e c o nt e nt ，t e m p e r a t u r e，m o i s t ur e of s p e c i m e n a n d r e i nf or c e me n t v ol u m e c o nt e nt we r e c o ns i de r e d i n t h i s t e s t W i t h r e g a r d t o r e c yc l e d c o nc r e t e，r e c y c l e d a gg r e g a t e r e pl a c e m e n t p e r c e nt a ge wa s a l s o c on s i d e r e d The s e ma i n i nf l u e nc e f a c t or s on t he t he r m a l c o nd uc t i v i t y o f c o n c r e t e we r e i n- v e s t i ga t e d by t h e o ut s t a nd i n g a n a l ys i s The r e s u l t s s ho w t ha t t he s i g ni f i c a nc e o f t he s e f a c t o r s i s a s f o l l o ws f r o m g r e a t e s t t o l e a s t ：m o i s t ur e，r e c y c l e d c oa r s e a gg r e ga t e r e p l a c e me nt r a t i o，t e m p e r a t u r e，v ol u me f r a c t i o n s o f a g g r e g a t e s ，t y p e s o f a g g r e g a t e ，v o l u me r a t i o s o f r e i n f o r c e me n t ，m m a n d t y p e s o f a d mi x t u r e s Ke y wo r d s：t h e r ma l c o ndu c t i v i t y；r e c y c l e d c oa r s e a g gr e g a t e；o ut s t a n di ng a n a l ys i s 研 究表 明 ： 骨 料 类 型 、 孔 隙 率 、 于 湿状 态对 混凝 土导热系数的影响最大- 】 文献E s 最早对混凝 土 热工参数( 包括导热系数) 进行了系统 的研究 ， 它给 出了混凝土导热系数和 比热容的计算方法 但是 ， 这 些方法本质上是纯经验的 ， 计算 中的 自变量 主要是 混凝 土 配合 比和骨 料 的 岩石 成 分 根据 国 内 的相 关 研究 c 6 _ 9 j ， 影 响混凝 土导 热系数 的主要 因素有 骨料 的 矿物学特征和混凝土拌和物中的含水量 由于现代混凝土在水泥用量 、 外掺料( 如大掺量 粉煤灰 、 磨细矿渣等) 、 骨料规格 ( 粒径与压碎指标) 与施工工艺( 大流动性等) 等方面与以前的混凝土存 在较 大差异 ， 这 势必 导 致 混凝 土 的热力 学 性 能 与 以 收稿 日期 2 0 0 9 O 卜0 9 ；修订 日期 ： 2 0 0 9 0 7 0 6 基金项 目： 上海市青年科技启明星计 划( 跟踪 ) 项 目( 0 6 QH1 4 O 1 2 ) ； 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B AK4 8 B 0 3 ) 第一作者 ： 肖建庄( 1 9 6 8 一 ) ，男 ，山东沂南人 ，同济大学教授 ，博士生导师 ， 博 士 E ma i l ： j z x t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 建筑材料学报 第 1 3卷 前 的混凝 土有较 大 的不 同 但 迄今 为止 ， 国 内外 在这 方面的定量研究报道较少 ， 热力学性能 的许多定量 指标大多引 自 2 O世纪 4 o年代 国外 的有关研究结 论 盯 因此 ， 有 必要对 基 于现代工 艺制 成 的混凝 土 的 导热 系数进 行系统 研究 1 混凝土导热 系数试验 1 1试验 原理 假设混凝土壁 内导热为典型的大平壁导热 由 导热过 程可 以看 出 ， 平 壁 导 热量 与平 壁 两侧 表 面 温 差成正 比， 与壁厚成反比， 并且与材料的导热性能有 关 因此， 通过平壁的热流量为： 一 厶 s ( 1 ) r ) 式 中： 为通 过平 壁 的热 流量 ， W ； S为壁 面 积 ， r n z ； 为壁厚 ， m； A t 为壁 两侧表 面 的温 差 ， 由式 ( 1 ) 可得 到导热 系数 的表达式 为 ： 一 1 2试 件制 备 试 件尺寸 为 2 5 0 mmx 2 5 0 mmx 6 0 mm， 成 型 后在标准养护室养护 2 8 d 备用 各试件的配合 比见 表 1 C G C 1的配合 比与 C 8 O基 准混 凝土 相 同 ， 2 8 d 立方 体抗 压强 度为 8 6 7 8 MP a ， 坍 落 度为 2 2 c m 再 生混 凝 土 的配合 比与基 准混 凝 土试 件 C 3 o相 同 ， 试 件 C 3 o的 2 8 d立方体抗压强度为 3 8 6 2 MP a 3种 钢筋体积分数混凝土试件 ( RC GC 1 ， 2 ， 3 ) 中的钢筋 布置 见 图 1 表 1 试件配合 比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n s Re i n f o r c e me nt v 0 l u me c on t e n t 1 ( RC- GC3 ) Re i n f o r c e me n t v o l ume c o n t e n t 3 ( RC- GC2 ) Re i n I o r c e me nt v o l u me c o nt e n t 5 ( RC GC1 ) 图 1 钢筋布置详图 F i g 1 De s c r i p t i o n o f r e i n o r c e me n t i n t h e c o n c r e t e ( s i z e ： mm) 生 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 肖建庄 ， 等 ： 混凝土导热系数试验 与分析 l 9 1 3试验 设备 与方法 混 凝土 导热 系数按 照 G B 1 0 2 9 4 - 1 9 8 8 4 绝热 材 料稳态 热 阻及 有关 特 性 的 测定 防护 热 板 法 进 行 测 试 为 了消 除试件 不平 整带来 的误 差 ， 本试 验通过 直 接测量试件两侧面的电动势 ， 然后根据热电偶作用 原 理 近似得 到试 件 两侧 面 的温 度 差 ， 试 验装 置 如 图 2断示 T h e r ma l c o n d u c t i v i t y i n s t r u me n t 图 2 导热 系数试验装置 图 Fi g 2 Ex p e r i me n t a l d e v i c e f o r t h e r ma l c o n d u c t i v i t y 2试 验 结 果及 分 析 2 1 骨料体 积分 数对 导热 系数 的影 响 在 2 5且环境保持干燥 的条件下骨料体积分 数对导热系数 的影响如 图 3所示 由图 3 可见 ： 试件 的导热系数随骨料体积分数 的提高而提高 这是 由 于混凝 土各组 分 中骨 料 的导 热 系数 最 高 ， 因此 骨 料 含量高的混凝土其导热系数也高 盲 蕤 图 3 骨料体积分数对导热系数的影响 Fi g 3 Ef f e c t s o f a gg r e g a t e v ol u me c ont e n t on t h e r m a l c o ndu c t i vi t y 2 2骨料类 型对导 热 系数 的影 响 本试 验 采用硅 质 和钙质 2种粗 骨料 来考 察骨 料 类 型对混 凝土 导热 系 数 的影 响 ， 试 验 结 果 如 图 4所 示 由图 4可 以看 出 ， 钙质 骨料 混凝 土 的导热 系数低 盲 专 8争 兰 毒 图 4 骨料类 型对导热 系数 的影 响 Fi g 4 Ef f e ct s of t y pe s of a g gr e ga t e s on t h e r ma l c o nd uc t i vi t y 于硅 质骨料 混凝 土 这表 明骨料 的导 热系 数越低 ， 混 凝土导热系数也越低 ， 反之亦然 这与文献 1 O 3 的结 论 相一 致 2 3水灰 比对导 热 系数 的影响 干燥条件下不同水灰 比混凝土的导热系数如 图 5所示 由图 5可 以看 出 ， 混凝 土 导热 系数 随水 灰 比 的提高而降低 这是 因为： ( 1 ) 水泥导热系数 比水高， 因此水灰 比越低 ， 试件导热系数越高 ； ( 2 ) 在干燥条 件下， 水灰 比越高 ， 混凝土孔 隙越大 ， 其导热系数也 就越 低 罾 壹 孳 芭 l苎 图 5 水灰 比对导热系数 的影响 Fi g 5 E f f e c t s o f m m o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y 2 4 掺 和料 对导 热 系数的影 响 在其他条件保持不变的条件下 ， 不同外掺料( 矿 渣 ， 粉煤灰) 及掺量对混凝 土导热 系数的影响见 图 蚤 襄 70 65 60 5 5 5 0 4 5 40 图 6 掺和料对导热系数 的影响 Fi g 6 Ef f e c t s o f a dmi xt ur e s on t h e r ma l c o nd uc t i vi t y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 O 建筑材料学报 第 1 3卷 6 由图 6可见 ， 外掺料能降低混凝土的导热系数 ； 当 掺量不大时， 矿渣和粉煤灰对混凝土导热系数无 明 显影 响 ； 当掺 量 为 3 0 9 6 ( 质 量 分 数 ) 时 ， 粉 煤 灰 可 明 显 降低 混凝土 的导热 系数 2 5温 度 、 干 湿状态 对导 热系数 的影响 不 同温度 、 干湿状 态下 C - GC 1的导 热系 数见 表 2 由表 2可见 ， C - GC 1的导热 系数 随温 度 的提 高 而 下降， 与干试件相 比， 饱水试 件的导热系数 显著提 高 这表 明干湿状 态是 影 响混 凝 土导 热 系数 的关 键 因素 表 2温 度 、 干湿 状 态 对 C- GC1导 热 系数 的 影 响 Ta b l e 2 Ef f e c t s o f t e mp e r a t u r e a n d mo i s t u r eW ( m K) 2 6 再 生粗 骨料取 代率对 导热 系数 的影响 不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的导热系 数如图 7所示 由图 7可见 ， 再生混凝土的导热系数 比普通混凝土低， 且随再生粗骨料取代率的提高而 减小 当再生粗骨料取代率为 1 0 0 ( 质量分数) 时 ， 再 生混凝 土 的导热系 数约为 普通混 凝土 的 8 5 Re c yc l e d c oa r s e a g gr e ga t e r e p l a c e me n t r a t io f b y ma s s ) 图 7 再生粗骨料取代率对导热系数 的影响 Fi g 7 Ef f e c t s o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e r e p l a c e me n t r a t i o o n t h e r m a l c o nd uc t i v i t y 2 7 钢 筋体 积分数对 导热 系数 的影响 钢筋 体积分 数对 混凝土 导热 系数 的影 响如 图 8 所示 由图 8 可见， 混凝土的导热系数随钢筋体积分 数的提高而提高 因此 ， 当混凝土钢筋体积分数较高 时 ， 不能 忽略钢 筋对 混凝土 导热 系数 的影响 兽 一 专 芒 图 8钢筋体积分数对导热系数 的影响 Fi g 8 Ef f e c t s of r e i nf o r c e me nt v o l u me c o nt e n t on t he r ma l c o nd uc t i v i t y 3混凝土导热 系数影响因素的显著性 分 析 3 1 显 著性 检验 的一元 方差分 析依 据E 令 影 响混 凝 土 导 热 系数 的某 因素 为 A， A 有 r 种 水平 ， 且各 种水平 下有 次重 复试 验 ， 则 可得 1 组 试 验值 X ， 一1 ， 2 ， ， r ； j 一1 ， 2 ， 假定 X 服从 正态分 布 N( ， ) ， 且所 有 X 均 相 互独 立 将 每个水 平看成 1个组 ， 可得 总离差 平方 和 Q 为 ： Q 一 Q + QA ( 3 ) 式 中 ： Q 为 组 内离 差 平 方 和 ； QA为 组 间 离差 平 方 和 Q 服从 自由度 为 Nr的 分 布 ， Nr n ； Q 服从 自由度 为 r 一1的 。分 布 ， 且 Q 与 Q 相互 独立 则 ： F 一 ( N = = = S 2 ( 4 ) 一 Q E r ) 一 E 服从 自由度为 ( r 一 1 ，Nr ) 的 F 分布 ， 式 中 ： S 圣为 组 内均 方离 差 ， S 一Q ( Nr ) ； s 为组 间均 方 离 差 ， s = = = Q ( r 一 1 ) 因此 ， 可 对 因素 A 进 行 F 检 验 ， F值 越大 ， 该 因素 的影 响就越 显著 3 2 混 凝土导 热 系数影 响因素 的显著性 检验 根 据试 验结 果 及 相关 显 著性 检验 依 据 ， 对 影 响 混凝土导热系数 的各 因素进行了一元方差分析检 验 ， F值 如 表 3 所 示 按 F值 大 小 界 定 ， 则 混 凝 土 导 表 3 显著性检验结果 Ta b l e 3 Re s et o f o u t s t a n d i n g a n a l y s i s 茎 兰 篓 三 、 4结 语 粗 骨 料 取 代 率 、温度 、 骨料体积分数、 骨料类型、 钢筋 体积分数、 水灰比、 掺和料种类 1 骨料对混凝土的导热系数影响较大 混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 肖建庄 ， 等 ： 混凝 土导热 系数试 验与分析 2 1 的导热系数随骨料体积分数 的提高而提高； 骨料的 导 热 系数 越低 其混凝 土 的导 热系数 也越 低 2 水灰 比下降会使混凝土的导热系数提高 由 于高强混凝土的水灰 比较普通混凝土低， 因此高强 混 凝土 的导热 系数 较高 3 掺 和 料 掺量 的提 高会 使 混 凝 土 的导 热 系数 下 降 ； 当掺量 不大时 ， 矿渣 和粉煤 灰对 混凝 土导 热 系 数 无 明显 影 响 ； 当掺 量 达 3 O 时 ， 粉 煤 灰 可 明显 降 低 混凝土 的导热 系数 4 。温度 的提 高会 使混 凝土 的导 热 系数 下 降 ； 当 混凝 土从 干燥状 态 转变 为 饱 水 状 态 时 ， 其 导 热 系数 显 著提高 5 再生粗骨料取代率的提高会使再生混凝土 的导热系数减小 ； 钢筋体积分数提高会使混凝土的 导热系数随之提高 ； 当混凝土钢筋体积分数较高时， 不能忽 略钢筋 对导 热系数 的影 响 6 混凝 土 导 热 系数 影 响 因 素显 著 性 大 小 依 次 为： 干湿状态 、 再生粗骨料取代率、 温度 、 骨料体积分 数 、 骨料 类型 、 钢筋 体积分 数 、 水 灰 比 、 掺 和料种 类 参考文 献 ： r 1 C AMP B E L L AL L E N D， THORNE C P T h e t h e r ma 1 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 2 HARMATHY T Z Th 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 t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s口 J o u r n a l o f Ma t e r i a l s ， 1 9 7 0 ， 5 ( 1 ) ： 4 7 7 4 3 MAR S HAL L A L Th e t h e r ma l p r o p e r t ie s o f c o n c r e t e J Bu i l d i n g S c i e n c e ， 1 9 7 2 ( 7 ) ： 1 6 7 1 7 4 4 KHAN M I ， B HATT ACHAR J E E B 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 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 A C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s C Os ma n i a ： Os ma n i a Un i v e r s i t y Hy d e r a b a d。 1 9 9 5 5 US B R 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 ( B u l l e t i n No 1 ， P a r t VI I ) J R Co l o r a d o ： s n ， 1 9 4 0 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 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 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 nc r e t e s t r u c t u r e M B e ij i n g ： P e o p l e S C o mmu n i c a t i o n P u b l i s h i n g Ho u s e ， 1 9 91 ( i n Ch i ne s e ) 吴赣 昌 半 刚性路 面温度 应力 分析 M 北京 ： 科 学 出版社 ， 1 9 95 W U Ga n - c h a n g Ana l y s i s o f t h e r ma l s t r e s s i n s e mi r i g i d p a v e me n t s t r u c t u r e M B e l l i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 1 9 9 5 ( i n C h i n e s e ) 朱伯芳 大体积混凝土温度应 力与温度 控制 M 北京 ： 中国 电力出版社 ， 1 9 9 9 ZH U Bo f a n g M a s s c o n c r e t e t h e r ma l s t r e s s a n d t he r ma l c o n t r o l M B e ij i n g ： C h i n a El e c t r i c P o w e r P r e s s ， 1 9 9 9 ( i n C h i n e s e ) 董毓利 混凝土结构 的火 安全设 计 I N 北 京 ： 科 学 出版社 ， 2 0 0 1 D ONG Yu l i F i r e s a f e t y d e s i g n o n c o n c r e t e s t r u c t u r e M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 1 ( i n Ch i n e s e ) KH AN M I F a c t o r s a f f e c t i n g t h e t he r ma l pr 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 En v i r o n me n t ， 2 0 0 2， 3 7 ( 6 )： 6 07 6 1 4 汪 荣鑫 数理统计 M 西安 ： 西安交通大学出版社 ， 2 0 0 2 WANG R o n g x i n Ma t h e ma t i c a l s t a t i s t i c s M Xi a n ： Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 0 2 ( i n Ch i n e s e ) 邓朝晖 建筑材料导热系数 的影 响因素及测 定方法 口 工 程 质量 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 5 1 8 DENG Cha c h u i Af f e c t i n g f a c t o r s a n d t e s t me t h o d s o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f b u i l d i n g ma t e r i a l s J Qu a l i t y Te s t ， 2 0 0 8 ( 4 )： 1 5 1 8 ( i n Ch i n e s e ) KO0K HAN K， SANG- EUN J ， J I N- KEUN 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 nt a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 3， 3 3 ( 3 )： 3 6 3 3 7 I 黄运标 再 生 混 凝 土 高温 性 能 研 究 D 上 海 ： 同济 大 学 ， 2 0 0 6 H UANG Yu n b i a o Re s e a r c h o n t he t he r ma l p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o n c r e t e D S h a n g h a i ： T o n g i i Un i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m