不同因素对陶粒混凝土导热系数的影响研究

邓智成,梅迎军,杨再富,陈 敬,辛转红

(1.重庆交通大学,重庆 400074；2.重庆建工建材物流有限公司,重庆 401122；3.重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心,重庆 401122)

0 前 言

近年来,建筑节能势头正盛,各地都在全力开展建筑节能工作,但是川渝地区的节能建材发展水平较东南沿海地区仍有不小的差距,对节能建材的应用研究还有待进一步发展[1]。陶粒混凝土作为一种建筑保温材料,具有强度高、干密度低、导热系数低、耐久性好、易施工等优点,在建筑结构保温工程中有着非常广阔的应用前景。导热系数是陶粒混凝土重要的热工性能参数之一,它对混凝土结构内部的温度场影响较大,对于需要保温的建筑结构,导热系数低的陶粒混凝土可减少热量的损失[2-3]。但目前关于不同因素,特别是浸水时间对陶粒混凝土导热系数的影响研究还比较少。因此,本文利用热流计法对陶粒混凝土的导热系数的不同影响因素进行试验研究,为工程实际应用提供参考。

1 陶粒混凝土导热系数试验

1.1 试验装置

混凝土导热系数范围在3 W/(m·K)以内,测定方法主要分非稳态法和稳态法。此次试验采用稳态法中的热流计法。热流计法是一种相对测量法,无需精确计量热量参数[4]。热流计法导热系数测定仪的准确性与设备热流计系数标定有决定性的关系,在测定前应针对不同热流密度,选用与待测样板导热系数λ相近的标准参比板进行标定,不能仅仅进行一次标定就用来测定密度等级差别较大或者不同品种的建筑保温材料,否则测定结果可能产生巨大误差。另外,热流计法对试件平整度、尺寸要求非常严格,试件不平整会给测量数据带来相当大的误差。因此,试验过程中为了保证测试试件上下表面的平整度,制作了专门的类似水泥胶砂试件的试模。试验采用湖南湘仪仪器厂生产的DRPL-Ⅱ型导热系数测定仪,测量范围0.01～3 W/(m·K),测量结果精准度≤5%。

1.2 原材料选择

研究选择的水泥为P·O 42.5R级水泥；减水剂为聚羧酸高效减水剂,减水率为25%；纤维素醚为羟丙基甲基纤维素,黏度20W单位；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；陶粒、陶砂性能见表1～2。

表1 陶粒性能指标

表2 陶砂性能指标

1.3 配合比设计

混凝土强度等级LC15；密度等级1 200 kg/m3；坍落度为200～220 mm；砂率变化分别为0.35、0.40、0.45、0.50、0.55；粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%。混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比

1.4 试验方案

采用强制式搅拌机。拌和时,采用经过预湿处理的陶粒,与陶砂、水泥一起拌和约1 min后,再加入拌和用水量和外加剂,继续拌和4 min的拌和方法。采用插捣成型。

试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm,每一配比成型3块,成型后于温度(20±2)℃,湿度为95%以上的标准养护室养护28 d。标准养护至28 d后,将试件打磨制作成表面平整,并进行烘干至恒重。

混凝土导热系数按照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》(GB/T 10295—2008)测定。试验温度25℃,环境保持干燥状态避免湿度对陶粒混凝土导热系数的影响,冷板温度设置为15℃,热板温度35℃。

在浸水时间影响因素的试验中,试验采用同时成型的W3#配比的3块试件,每块试件进行连续浸水测定导热系数后,取3块试验数据平均值作为试验结果。具体浸水时间为0、0.5、1、2、4、8、12、18、24、36、48、72 h。

2 试验结果与分析

2.1 砂率对陶粒混凝土导热系数的影响

不同砂率的陶粒混凝土导热系数试验结果如图1所示。陶粒混凝土的导热系数随着砂率的增大先增大后逐渐减小。当砂率为0.45时，混凝土试件的导热系数在一定砂率范围内达到最高，较砂率为0.35时增大3.2%；当砂率为0.55时，混凝土试件的导热系数在一定砂率范围内达到最低，较砂率为0.45时减小了5.1%。这是由于混凝土在砂率为0.45时，达到最佳密实状态，混凝土干密度大，空气和水含量小，导致试件的导热系数相应变大，而在水泥用量及水灰比相同的情况下，当陶砂过量时，包裹砂的水泥量便会增加，过多的砂浆会导致混凝土内部疏松，孔隙率增大。另外，陶砂本身的导热系数小于碎石型陶粒的导热系数，因此，陶砂的含量越大，混凝土试件导热系数越小。

图1 砂率与导热系数的关系

图2 粉煤灰掺量与导热系数的关系

2.2 粉煤灰掺量对陶粒混凝土导热系数的影响

不同粉煤灰掺量的陶粒混凝土导热系数试验结果如图2所示。陶粒混凝土的导热系数随着粉煤灰掺量的增大而相应减小。当粉煤灰掺量为0～20%时，混凝土试件的导热系数虽然在减小，但变化幅度不大，掺量为20%时的试件导热系数比不掺时减小2.7%；当粉煤灰掺量为30%时，混凝土试件的导热系数明显减小，比不掺时减小6.9%。因此制备陶粒混凝土时，可适当掺加10%～20%的粉煤灰，以提高保温性能及经济效益。

2.3 浸水时间对陶粒混凝土导热系数的影响

不同浸水时间的陶粒混凝土导热系数试验结果见图3所示。陶粒混凝土的导热系数随着浸水时间的增加逐渐增大并趋于稳定。当浸水时间在0～2 h时,混凝土的导热系数增大速率最高；当浸水时间在2～24 h时,混凝土的导热系数增大速率明显放缓；当浸水时间在24～72 h时,混凝土的导热系数变化趋于稳定。这是因为陶粒混凝土前期吸水速率快,后逐渐放缓并达到饱和；而混凝土吸收的水分填补了混凝土内部的孔隙,同时由于孔隙中有了水分，增加了水蒸气扩散的传热量，还增加了毛细孔中液态水分所传导的热量，导致混凝土的导热系数增大。

图3 浸水时间与陶粒混凝土导热系数的关系

3 结 论

1)在水泥用量及水灰比相同的情况下,陶粒混凝土的导热系数随着砂率的增大先增大后逐渐减小。具体砂率的选择需要与对应的力学性能、耐久性能等进行权衡。

2)由变化规律可知，适当掺加粉煤灰，不仅能节约成本，还能提高陶粒混凝土整体的保温性能，在实际工程应用中，结合强度影响，采用10%～20%粉煤灰掺量的陶粒混凝土是可取的。

3)在浸水前期2 h内,混凝土的导热系数增大速率最高；而后,混凝土的导热系数增大速率明显放缓；在浸水24 h后,混凝土的导热系数变化趋于稳定。

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