预拌全轻混凝土导热系数影响因素分析

邓铃夕，董恒瑞，陈宇生,，杨再富，石从黎,

（1重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆401122；3重庆建工建材物流有限公司，重庆401122）

预拌全轻混凝土导热系数影响因素分析

邓铃夕1，董恒瑞2，陈宇生2,3，杨再富3，石从黎2,3

（1重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆401122；3重庆建工建材物流有限公司，重庆401122）

全轻混凝土的导热系数是一项重要的热工指标，其导热性能受多方面因素的影响，该文结合相关的标准规范、工作经验和相关书籍文献对影响全轻混凝土导热系数的多种因素进行了总结、分析和探讨，以期促进预拌全轻混凝土技术的进步。

导热系数；干表观密度；轻骨料；配合比；含水率；均匀性；平整度

0 引言

近年来，节能工作在我国的发展十分迅速，建筑节能势在必行，但全国各地区节能建材建筑的发展水平仍参差不齐，特别是中西部地区每年的新建建筑中高耗能建筑占比依然很大，建筑节能工作任重而道远[1]。发展节能建筑必优先发展节能建材，随着国家对低碳节能的要求越来越高，高保温、低导热的材料应用将越来越广泛。以重庆市为例，其修订的《居住建筑节能65%设计标准》中明确要求：自2010年06月01日起，重庆主城区新报建项目的楼面都必须进行保温处理[2,3]。全轻混凝土作为一种集强度较高、表观密度低、导热系数低、耐久性好、易施工于一身的建筑保温材料，在楼地面层和屋面层中的应用前景一片光明。

全轻混凝土的导热系数是建筑节能设计、绿色建筑评价的重要指标，有利于根据不同的节能要求合理选择不同密度等级的全轻混凝土。为此，该文结合相关标准规范、工作经验和相关书籍文献对影响全轻混凝土导热系数的各种因素进行了分析探讨，并在此基础上提出自己的建议。

1 导热系数物理意义

导热系数λ是指在稳定传热条件下，1m厚的均匀干燥材料，两侧表面的温差为1℃（1K），在1s内通过1m2面积传递的热量，如图1所示。其物理意义是：在稳态条件下，材料在线性一维空间中传递热量的能力，不同密度、不同材质的保温材料的导热系数差别很大[4]。

图1 导热系数物理量描述（上）及热流计法测试仪器（下）

2 全轻混凝土导热系数影响因素

全轻混凝土的热量传递主要以传导为主、对流和辐射为辅的方式进行[4-5]，其干表观密度、轻骨料指标（表观密度、堆积密度、烧胀程度、孔径、孔结构、颗粒级配大小、颗粒粒形等）、配比工艺、含水率、均匀性、样品平整度、测试环境温度等均可对全轻混凝土的导热系数产生不同程度的明显影响。

2.1 干表观密度

热量在固体中的传递速率远大于气体，因此对一定体积的材料而言其干表观密度越小、导热系数就越低。全轻混凝土作为一种宏观均质、微观多相的保温材料，具备保温性能的原因主要是轻骨料的填充作用使得混凝土中存在大量孔隙，研究其保温性能时可视为均匀地分布有大量微孔。不同密度等级的全轻混凝土，影响其导热系数最主要的因素是干表观密度。

以1300～1500密度等级的全轻混凝土为例，全轻混凝土的导热系数与干表观密度具有较好的线性关系，经线性拟合后方程y=0.00189x-2.2666（R=0.9120），见下图2。

图2 陶粒混凝土干表观密度与导热系数关系曲线

2.2 轻骨料

全轻混凝土中55%左右的组分由轻粗细骨料组成，轻骨料自身相关指标对混凝土导热系数的影响明显。以轻粗骨料为例，常用轻骨料主要为粉煤灰陶粒、页岩陶粒、淤泥陶粒以及加气混凝土破碎骨料、炉渣、自燃煤矸石、火山渣等，不同品种的粗骨料的烧胀程度、孔径、孔结构、颗粒级配大小、颗粒分布、矿物组成不同[6]。考察骨料单一变量时，骨料的烧胀程度越高，内部孔体积（孔隙率）越大，骨料密度越小，强度也相对降低；烧胀程度相同时，轻粗骨料颗粒内部孔径尺寸不同、封闭孔和连通孔占比不同，都影响热量的对流和传导，最终影响全轻混凝土的导热系数；图3为不同烧成工艺下的淤泥陶粒孔结构。

图3 不同烧成工艺下的淤泥陶粒孔结构

轻骨料颗粒级配对热力学性能同样会产生影响，骨料级配不合理影响混凝土中骨料的分布，进而影响浆料和细骨料的分布。由于预拌全轻混凝土干表观密度一般在1000级及以上，骨料导热系数λ骨小于净浆和细骨料组成的浆体的导热系数λ浆，所以新拌全轻混凝土呈现“悬浮—密实”结构时，浆体之间相互连通，热流偏向于沿浆体（相当于冷桥）的路径传递，而全轻混凝土呈“骨架—密实”结构时，浆体被粗骨料“分割”得更分散，热流传递路径延长，所配制混凝土导热系数相对小于“悬浮—密实”的全轻混凝土，见图4，图5。

图5 “悬浮—密实”结构的传热模型

图6 全轻混凝土拌合物气泡量对比

另外有研究表明：材料的化学成分、矿物组成和分子结构不同，材料的导热系数差别很大，玻璃体结构相对于晶体的导热系数小得多[7]，但由于全轻混凝土导热系数一般都在0.23W/（m·K）以上，矿物组分的影响可以忽落不计。

2.3 配比及工艺

全轻混凝土配合比不同，密度等级不同；相同配比的混凝土掺加的外加剂引气成分不同时，虽然对容重的影响不大，但却可增加浆体的气泡含量，增大热流传递的路径，进而在一定程度上降低全轻混凝土的导热系数；例如：在配制密度等级为1100 kg/ m3以下的全轻混凝土时，掺加HPMC（羟丙基甲基纤维素）在搅拌时将明显引入气泡，如图6所示，特别是轻粗骨料为碎石型时对空气的引入更明显，配制的混凝土容重降低、导热系数降低、强度也明显下降。

由于轻骨料自由下落过程力度不足，为保证混凝土拌合物的均匀性，标准中规定：全轻混凝土拌合物须采用强制式搅拌机进行搅拌[8]。另外，全轻混凝土搅拌时间过长也将影响导热系数，轻骨料在强制式搅拌机搅拌过程中会有少量的破碎，这一点在用加气混凝土破碎块作为骨料时十分明显，较长时间的搅拌破坏原有的混合物体系，打破粗细骨料比例，容重、孔隙率将发生改变，最终影响产品的导热系数。

2.4 含水率

标准状态下静态空气的导热系数约为0.025 W/（m·K）、水的导热系数约为0.58 W/（m·K），全轻混凝土受潮时，内部孔隙中就会存在一定量的水和水蒸气，混凝土的导热系数增大。

标准《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51-2002表4.2.7轻骨料混凝土的各种热物理系数中可知：在体积平衡含水率6%时，全轻混凝土的导热系数约为绝干状态时的1.3～1.4倍。

从全轻混凝土导热系数测试试验结果看出，见表1：1100级（1070kg/m3）全轻混凝土含水率增大5.5%时，导热系数由0.32964增大到0.37238 W/(m·K)，增大27.3%；1000级（970kg/ m3）全轻混凝土含水率增大6.2%时，导热系数增大了12.9%。

表1 全轻混凝土含水率与导热系数的关系

2.5 均匀性

新拌全轻混凝土同普通混凝土一样会出现离析、泌水及陶粒易上浮的现象，若全轻混凝土出现离析分层或者上浮分层情况时，将改变混凝土自身的均匀性，其保温性能将出现变化，如图7所示的全轻混凝土板，由于浆骨分层，实际具有保温作用的厚度降低，而计算时的厚度还是测试样板总厚度，经导热系数测定仪测试后，λ值将增大。

图7 全轻混凝土浆骨分层

2.6 测试样品平整度

相关标准中对保温材料试件平整度有严格限制，一般要求不平整度小于试件厚度D的±1%以内[9]，对全轻混凝土这种硬质材料来说，试件平整度好，可较少或避免仪器冷热板与试件之间产生的空气夹层。图8分别是表面不合格的待测全轻混凝土导热系数样板和表面平整光滑的合格样板。

图8 全轻混凝土导热系数测试样板

空气夹层的存在会对全轻混凝土导热系数产生明显影响，以30×300×300 mm的1100密度等级的全轻混凝土试件为例，计算说明空气夹层的影响。具体如下：假定该全轻混凝土试件单面的平整度均为0.2 mm，则冷热板与试件之间空气夹层总厚度为0.4mm。空气静态导热系数按标准状态下0.025 W/（m·K）；1100密度等级全轻混凝土导热系数取标准推荐值0.31 W/（m·K）。

则：空气夹层总热阻R=0.0004/0.025=0.0160 m2·K/W

全轻混凝土热阻R=0.03/0.31=0.0968 m2·K/W

空气夹层总热阻约占试件热阻的百分率：0.0160/0.0968= 16.5%，可以看出全轻混凝土试件不平整对导热系数测试值产生很大的影响，这在导热系数测试时是必须要避免的。

2.7 测试环境温度

在表征全轻混凝土导热系数时，需要描述冷热板平均温度[9]，在测试环境温度与冷热板平均温度相同时，材料导热系数值理想。在不同温度环境下测定导热系数时，材料导热系数λ测试值不同。温度升高，材料分子热运动增强，同时空气的导热和孔壁的辐射作用也增大，在一定温度范围内，导热系数与测试环境温度呈线性函数关系：

λ=λ0（1+bt）

其中，λ：参考温度时材料导热系数；

b：常数（对全轻混凝土而言，b＞0）；

t：试件的平均温度。

因此在测定全轻混凝土时须保证试验室环境温度前后一致，且环境温度与冷热板平均温度一致，所测试导热系数值才具有较好的可比性。

3 结论

全轻混凝土导热系数的影响因素很多，干表观密度、轻骨料、混凝土配制搅拌、含水率、混凝土均匀性、平整度、测试环境温度是主要影响因素，只有准确把控各因素，才能尽可能减小测试误差，准确检测不同密度等级的全轻混凝土的导热系数，测试结果才具有代表性、普遍性、适用性。

[1]邓朝晖．建筑材料导热系数的影响因素及测定方法[J]．工程质量，2008（07）：15-18.

[2]DBJ50T-15-2012全轻混凝土建筑地面保温工程技术规程[S].重庆：重庆出版社，2002.

[3]DBJ50-071-2010居住建筑节能65%设计标准[S].重庆：重庆出版社，2010.

[4]王立雄，党睿.建筑节能[M].北京：中国建筑工业出版社：第三版，2015.

[5]曹振，苏宇峰，张蕾，等.陶粒泡沫混凝土导热系数影响因素研究[A].2013年混凝土与水泥制品学术讨论会论文集[C]：495-501.

[6]钱觉时，罗晖，陈伟，等.污水污泥页岩陶粒的烧成工艺与性能[J].材料科学与工艺，2010（06）：852-856.

[7]刘阳杰，吴玮，陈锥等.碎石型页岩陶粒混凝土的密度、强度与导热系数的相关研究[J]．福建建材，2014（10）：24-26.

[8]JGJ51-2002轻集料混凝土技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[9]GB/T10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008.

责任编辑：孙苏，李红

Analysis on Influential Factors of ThermalConductivity Coefficientof Premixed FullLightweightAggregate Concrete

The thermal conductivity coefficient of premixed fulllightweight aggregate concrete is an importantindicator of thermodynamic parameters, and its thermalperformance is affected by various factors.This paper,combined with the relevantstandards,work experience and related books and literature,summaries,analyzes and discusses the various factors influencing the thermal conductivity coefficient of full lightweight aggregate concrete in hope of promoting the progress ofpremixed fulllightweightaggregate concrete technology.

thermalconductivity coefficient;dry apparentdensity;lightweightaggregate;mix ratio;moisture content;uniformity;flatness;temperature

TU528

A

1671-9107（2017）02-0037-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.037

2016-11-22

邓铃夕（1988-），女，四川渠县人，研究生，主要从事新型节能建材及修补材料研究。