不同温度条件下混凝土导热系数影响因素研究

2019-12-21

长江科学院院报 2019年12期

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

以上研究加深了对混凝土导热性能的理解，提供了较强的理论指导，但上述影响因素研究过程中的试验都是在20 ℃以上条件下进行的。我国幅员辽阔，新疆地区具有低温、昼夜温差大的特点，混凝土在不同温度条件下易形成较大的温度梯度从而引起表面开裂[13]，且与常温条件下相比，非干燥状态混凝土在负温环境中。由于混凝土是多孔结构，孔隙中的水溶液随着温度的降低不同大小孔径的水溶液逐渐结冰[14]，而冰的导热系数大约是水的4倍，加之组成成分骨料、水泥石以及孔隙水、冰的导热系数都将随着温度变化而变化，将导致混凝土的导热系数发生变化，目前关于混凝土在不同温度条件下的导热系数影响方面研究尚少。

表1 混凝土试件配合比

注：C1—C4用于研究在保持砂率不变的情况下骨料体积分数在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响；C4，C5—C7用于研究砂率在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响；C4，C8—C10用于研究水胶比、饱和度在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响；C4，CF1—CF3、CK1—CK3用于研究粉煤灰、矿渣掺量在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响，CF1—CF3中有粉煤灰，而CK1—CK3中有矿渣。

为此，本文采用QTM-500导热仪测量不同温度条件下(-30～20 ℃)的混凝土导热系数，着重考察骨料体积分数、砂率、水胶比、饱和度、粉煤灰掺量、矿渣掺量等因素在不同温度条件下对导热系数的影响规律，最终通过对试验数据进行多元回归得出混凝土导热系数与各因素之间的关系式，以此对混凝土导热系数进行更加全面的研究，为混凝土结构内部温度场的精确计算、保温隔热性能以及表面裂缝的控制提供更为全面的理论依据。

2 试验

2.1 试验用原材料

(1)水泥：乌鲁木齐达坂城PI.42.5硅酸盐水泥，密度为3 097 kg/m3。

(2)粉煤灰：采用新疆福阳新型环保节能建材有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰烧失量为2.3%，需水量为95%，密度为2 360 kg/m3，比表面积为3 900 cm2/g。

(3)矿渣：采用新疆宝新盛源建材有限公司生产的S75矿渣，矿渣密度为2 880 kg/m3，比表面积为4 280 cm2/g。

(4)细骨料：乌鲁木齐料场中砂，含泥量为0.9%，细度模数为2.7，表观密度为2 639 kg/m3。

(5)粗骨料：乌鲁木齐料场5～20 mm碎石，表观密度为3 000 kg/m3。

(6)水：实验室自来用水，水质满足《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)和《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2001)中混凝土拌合用水水质要求。

2.2 试验方案

试验方案见表1。

2.3 导热系数测试仪器及步骤

2.3.1 测试仪器

多年来，众多国内外专家学者对混凝土导热系数的测试手段方面做了大量研究，主要有稳态测试法[11]和非稳态测试法[12]。本试验中含有饱和水的试件，为避免水分迁移对混凝土导热系数测试的影响，本试验采用瞬态测试法。经过国内外科技工作者的大量研究和试验，研制出各种智能导热仪，其中最具有代表性的是基于热丝法的QTM-500瞬态导热仪(2003)，其测试原理见文献[15]—文献[16]，本文不再赘述。QTM-500快速导热仪，可快速(60～100 s)和简便地测定样品的导热系数，配置的PD-31探头可以测量-100～1 000 ℃下的导热系数，测试范围：0.082 8～43.2 kJ/(m·℃·h)，试验偏差在±3%以内。

2.3.2 测试步骤

试验材料与仪器如图1所示。导热系数测试步骤为：

(1)为了减小试件表面的不平整对测试结果带来的误差，试件养护完成后，对其进行切割、打磨，试件的最小尺寸大于矫正板尺寸(2 mm×5 mm×10 mm)，如图1(a)所示，以保证试件测试表面与导热仪探头紧密接触。

(2)将每组中的2个试件放入烘干箱中进行烘干，烘干温度在(50±2)℃，烘干至恒重，并测得烘干质量m2，测试不同温度下试件的导热系数，以此作为在干燥状态下的混凝土导热系数。

图1 试验材料与仪器

(3)为了模拟混凝土的不同饱和度状态，分别将步骤(2)中干燥后的试件放入真空饱水机中48 h进行充分吸水，使其达到饱和状态，并测得饱和状态下的质量m1，然后逐步对其进行恒温(50±2)℃干燥，通过式(1)计算其饱和度,即

(1)

式中:Sr为混凝土饱和度(%)；mi为混凝土试件的质量(kg)；m2为混凝土干燥状态下的质量(kg)；m1为混凝土饱和状态下的质量(kg)。

(4)放入高低温控制试验箱内进行了测试，如图1(b)所示。测试过程中控制温度为-30,-20,-10,0,10,20 ℃。导热仪如图1(c)所示，每个测试温度稳定2 h，并取3次测量结果的平均值为有效导热系数。

3 试验结果与分析

3.1 骨料体积分数、砂率在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响

以C1、C2、C3、C4组(骨料体积分数分别为0.3,0.4,0.5,0.6)为试验对象，用于研究骨料体积分数在不同温度条件下对导热系数的影响，试验结果如图2所示。

图2 不同骨料体积分数的混凝土导热系数随温度的变化

从图2(a)中可以看出，在骨料体积分数一定的情况下，混凝土导热系数与温度呈明显的负相关性；在温度一定的情况下，混凝土导热系数与骨料体积分数呈明显的正相关性，这与文献[10]试验结果相一致。从图2(b)中可以看出，-30～20 ℃范围内，温度每增加1 ℃，骨料体积分数V骨料在0.3～0.6之间的混凝土导热系数减少的范围为0.005 6～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。

以C4、C5、C6、C7组(砂率分别为0.3,0.35,0.4,0.45，骨料体积分数不变)为试验对象，用于研究砂率在不同温度条件下对导热系数的影响，试验结果如图3所示。

图3 不同砂率的混凝土导热系数随温度的变化

从图3(a)中可以明显看出，在温度一定情况下，砂率越大，混凝土导热系数越小，这与文献[12]试验结果相一致。这是因为水泥石与骨料之间存在界面热阻[12]，界面热阻越大，导热系数越小，混凝土中的骨料并不是单一粒径的规则球体，而是不同粒径且形状不规则的粒子，界面热阻与骨料种类、表面粗糙度等都有关，界面热阻随颗粒尺寸的减小而增大，砂率越大，平均粒径越小，界面热阻越大，故混凝土导热系数随砂率增大而减小；从图3(b)中可以看出，在砂率一定的情况下，混凝土导热系数与温度呈负相关性，在-30～20 ℃范围内，温度每增加1 ℃，砂率在0.3～0.5之间的混凝土导热系数减少的范围为0.014 1～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。

3.2 水胶比、饱和度在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响

以C11、C4、C12、C13组(水胶比分别为0.3,0.4,0.5,0.6)为试验对象，用于研究水胶比、饱和度在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响，试验结果如图4所示。

图4 干燥、饱和状态下不同水胶比的混凝土导热系数随温度的变化规律

从图4中可以看出，4种不同水胶比混凝土导热系数与温度呈负相关性。从图4(a)中可以看出，在干燥状态下，-30～20 ℃范围内，温度每增加1 ℃，水胶比在0.3～0.6之间时，混凝土导热系数减少的范围为0.014 1～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。当温度一定时，混凝土导热系数随着水胶比的增大而减小，这与文献[10]试验结果相一致，这是由于水胶比越大，孔隙率越高，而气体的导热系数在任何温度下都远小于固体的导热系数，故水胶比越大，导热系数越小。从图4(b)中可以看出，在饱和状态下，温度每增加1 ℃，混凝土导热系数增加的范围为0.005 2～0.028 8 kJ/(m·℃·h)。

从图5中可以看出，饱和状态下较干燥状态下混凝土导热系数有明显的提高，且水胶比越大，混凝土的导热系数从干燥到饱和状态增幅越大，在-10 ℃时，增幅达到最大，水胶比为0.3,0.4,0.5,0.6的混凝土导热系数分别提高了10.59%,13.39%,27.09%，32.04%。这是由于混凝土是多孔结构，饱和度越高，混凝土中水泥石与骨料之间的界面热阻越小[17]，导热系数越大；而且饱和状态下，水占据了混凝土内部的大小孔隙，而水的导热系数为2.16 kJ/(m·℃·h)，远大于空气的导热系数(0.086 4 kJ/(m·℃·h))，故饱和状态下的导热系数大于干燥状态下的导热系数；随着温度的降低，混凝土内部大小孔隙中的水在0 ℃以下陆续结冰，混凝土大孔以及毛细孔内的水在-10 ℃时基本都已结冰。由于冰的导热系数约是水的4倍，故在-10～0 ℃时，随着温度的降低，饱和状态下混凝土导热系数增加百分率会有一个急剧上升的趋势。

图5 从干燥到饱和状态下混凝土导热系数在不同温度下的增加百分率

3.3 粉煤灰、矿渣掺量在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响

以C4、CF1、CF2、CF3(粉煤灰掺量分别为0%，10%，20%，30%)以及C4、CK1、CK2、CK3组(矿渣掺量分别为0%，10%，20%，30%)试验对象，用于研究粉煤灰、矿渣掺量在不同温度条件下对混凝土导热系数的影响，试验结果如图6和图7所示。

图6 不同粉煤灰、矿渣掺量的混凝土导热系数随温度的变化

图7 混凝土导热系数在不同温度下对比

从图6中(a)、(b)可知，4种不同掺量的粉煤灰、矿渣混凝土的导热系数与温度呈负相关性，-30～20 ℃范围内，温度每增加1 ℃，粉煤灰掺量为0%～30%的混凝土导热系数减少的范围为0.014 7～0.019 7 kJ/(m·℃·h)，矿渣掺量为0%～30%的混凝土导热系数减少的范围为0.009 3～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。当温度一定时，混凝土的导热系数随着粉煤灰、矿渣掺量的增加而减小，这与文献[10]试验结果相一致，这主要是由于粉煤灰、矿渣一部分发生二次水化，另一部分起微集料的作用。姜自超等[18]测得的粉煤灰导热系数为0.581 8 kJ/(m·℃·h)，本试验通过对矿渣进行压实并测得矿渣导热系数为0.491 8 kJ/(m·℃·h)，测得的密实状态下的水泥石导热系数为4.797 4 kJ/(m·℃·h)，远大于粉煤灰、矿渣导热系数。因此，粉煤灰、矿渣导热系数低于水泥石的导热系数是混凝土导热系数随着粉煤灰、矿渣掺量的增加而减小的主要原因。

从图7(a)中可以看出：当掺量相等且掺量在10%～20%时，掺矿渣混凝土导热系数一般稍大于掺粉煤灰混凝土导热系数；当掺量在30%时，掺矿渣混凝土导热系数一般稍小于掺粉煤灰混凝土导热系数。从图7(b)中可以看出：当粉煤灰、矿渣掺量为30%时，混凝土导热系数显著降低，其降低范围在4%～8%之间，掺矿渣混凝土导热系数降低幅度稍大于掺粉煤灰混凝土导热系数降低幅度。当掺量相等时且掺量在10%～20%时，掺矿渣混凝土导热系数降低幅度稍小于掺粉煤灰混凝土导热系数降低幅度，这主要是由于当掺量较高时，粉煤灰、矿渣在水泥基体中主要起微集料的作用；当掺量较低时，由于矿渣活性高于粉煤灰活性，矿渣发生二次水化的占比较高，使混凝土变得较为密实，一定程度上会提高混凝土导热系数，抵消由于在水泥基体中起微集料的作用而降低的部分，故整体上会表现出掺矿渣混凝土导热系数降低幅度稍小于掺粉煤灰混凝土导热系数降低幅度的现象。

表2 混凝土导热系数实测值与预测值误差

Table 2 Errors of thermal conductivity of concrete between measured values and predicted values

温度/℃C3C4(饱和)C6C9实测值预测值相对误差/%实测值预测值相对误差/%实测值预测值相对误差/%实测值预测值相对误差/%206.46816.2581-3.257.58057.1632-5.516.66846.69120.346.79646.7085-1.29106.52036.4181-1.577.58927.3232-3.516.84296.85120.126.86416.86850.0606.67946.5781-1.527.75517.4832-3.516.87627.01121.966.96317.02850.94-106.80626.7381-1.008.32467.6432-8.197.19647.1712-0.357.19217.1885-0.05-206.85586.89810.628.38587.8032-6.957.20047.33121.827.44957.3485-1.36-306.96777.05811.308.48707.9632-6.177.58457.4912-1.237.62847.5085-1.57

注：实测值和预测值的单位均为kJ/(m·℃·h)。

4 混凝土导热系数多元回归与验证

通过对其中12组混凝土在不同温度下的试验结果进行多元回归，得到混凝土导热系数λ与温度T、水胶比W/C、骨料体积分数V骨料、砂率SP、饱和度Sr、粉煤灰掺量F/C和矿渣掺量K/C之间的预测方程为

λ=-0.016T-2.047W/C-4.439SP+

6.551V骨料+0.25Sr-1.617F/C

-1.665K/C+5.675 。

(2)

为进一步验证回归方程的精确性，选取分别考虑到骨料体积分数、饱和度、砂率、水胶比等因素的4组混凝土(C3、C4(Sr=100%)、C6、C9)在不同温度下的实测导热系数与预测值对比，如图8所示，可以看出，预测值与实测值有较好的吻合。以C3、C4(饱和)、C6、C9组混凝土在不同温度下的导热系数为例，通过对预测值与实测值作比较，如表2所示，从表2可以看出，预测值与实测值相对误差均在-8.19%～1.96%之间。这表明多元回归方程对混凝土导热系数在不同温度条件下的预测有一定的参考价值。