陶粒混凝土导热系数的测量及影响因素

刘 欢 庞建勇

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

·建筑材料及应用·

陶粒混凝土导热系数的测量及影响因素

刘 欢 庞建勇

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

实验采用了PDR 300导热系数测定仪的设计方法——双平板防护热板法，通过对粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数的检测，详细介绍了其结构原理、测定方法和技术难点，经过数据分析，研究了含湿量、温度和温差对粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数值的影响，为进一步获得较为符合实际的导热系数提供了方法和依据。

双平板防护热法，粉煤灰页岩陶粒混凝土，导热系数，测量

0 引言

建筑耗能被视为热度最高的领域，占社会总耗能30%左右。

当前，我国的建筑耗能超过了社会总耗能的30%，已被视为国家重点问题，就此国家发布实施了《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》和《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》。在国家政策与建筑节能标准的推动下，近年来节能建材的应用突飞猛进，新型的保温隔热材料也伴随着技术发展鳞次栉比的突现，这些新型的保温隔热材料较好地为建筑节能工作提供了一定的技术保证和技术发展动力。但关于保温隔热材料导热性能方面的研究数据以及实际应用的数据还很少,尤其是缺少导热系数的数据及经验公式,在现有的设计手册中只有传统的保温材料如蛙石、膨胀珍珠岩等的经验公式。为了提高工程质量及节能效率，满足节能设计和产品验收的需求,有必要对各种保温隔热材料进行实验研究[1，2]。保温隔热材料的导热系数值不仅是评价材料的热力学性能指标，还是材料在实际工程应用时的一个重要理论设计依据。材料的导热系数值随其孔隙水饱和度的增加而增加，但一般情况下，实验测定的导热系数都是材料烘干后的，而材料在实际应用时，需充分考虑含水率和温度对导热系数的影响。因此，本实验利用双热板法对粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土的导热系数值及其影响因素进行研究分析，即在试验周期内，在不同试验天数(即不同含水率)、温度和温差条件下测出相应的值，并利用关系拟合成相应的实验公式[3-7]。

1 粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土导热系数测量仪器

1.1 测量仪器

本次实验中采用的实验仪器是沈阳鑫合经纬机械电子设备有限公司生产的PDR 300导热系数测定仪，它是按照GB 10294—2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法原理设计的一种双平板法新型检测设备，这种稳定测量法可用于测量各种绝热保温材料和非良导热材料的导热系数。该实验仪器装置如图1，图2所示。

1.2 PDR 300导热系数测定仪结构原理

如图2所示，在计量加热单元和冷板单元中间各放置相同的两块试样，而计量加热单元中加热面板周围装置防护板，促使热量沿着试件方向导出，微机设置冷热板温度，一段时间热量传递平衡后，试件冷热面温度不再随时间变化，此状态为一维恒定热流状态。通过试件的热量Q和试件被测导热系数λ、冷热板温差Δt成正比，和试件的厚度δ成反比的线性关系设计的，根据傅里叶定律，公式：

1.3 PDR 300导热系数测定仪技术性能

PDR 300导热系数测定仪测量范围是0.01 W/(m·K)～1 W/(m·K)，相对误差可控制在4%以内，重复性误差不大于1%，冷板温度要低于99 ℃，热板温度范围很广，且可用于测定低温导热系数，测量结果稳定可靠。

但平板法也有缺点：稳定时间较长，系统一般需要5 h～7 h稳定读数；测试试件为干燥的；试件的厚度和面积对结果精度有较大影响；同时，仪器的绝热条件也会影响到测量结果的准确性。

1.4 PDR 300导热系数测定仪测量要点

试件表面和冷热板表面之间存在空隙，这是影响结果精确度的一个重要因素，为了减少热阻，仪器自身采用压紧装置，打磨加工试件表面或填充石膏、铝粉、石墨粉等皆可提高材料导热系数精确度。由于PDR 300导热系数测定仪采用加热器传递热量，与加热量相比，要求热损失要小到可以忽略不计，必要时，可以对加热单元和试件的表面采取保温措施。

2 粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土试件

本实验研究的粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土是由水泥、石子、陶粒、砂子、粉煤灰、外掺料和外加剂等材料按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而成的混凝土，在具有一般混凝土的物理力学性能基础上，同时具有良好的保温隔热性能，还符合节能减排、绿色环保的要求。根据本试验仪器PDR 300导热系数测定仪的要求，制作的试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，图3是试验制造的部分试件。

3 实验测试结果分析

在实验周期内，测量其质量变化(含水率变化)，及含水率对导热系数的影响。测量时间定为7 d，14 d，28 d，60 d，然后将试件放入105 ℃的烘箱里烘干至恒重。实验中，通过测量值分别对比了温度和温差对28 d和烘干后试件导热系数的影响。

3.1 含水率

粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土在实际工程应用中含有大量水分，尤其是在工程前期，混凝土洒水养护过程中，混凝土内部充满了孔隙水，而水的导热系数是空气的20多倍，受含水率影响，混凝土初期应用时的导热系数比较大。随着工程应用时间的延续，由于粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土中采用了页岩陶粒，此种保温材料具有一定的吸水性，粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土的含水率会越来越高，原本被空气充填的气孔空间就被水分占据了，其有效导热系数明显升高。当外界温度低时，混凝土内部的孔隙水将结冰，冰的导热系数又是水的4倍，这样粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土的导热系数就进一步增大，保温隔热性能会随之降低。在试验周期内，测定试件质量，其含水率以及导热系数值见表1。

表1 实验周期内质量和导热系数值

在实验周期内,各试件的质量一直在减小，直至烘干到恒重。即试件的含水量一直在减少，且实验前期的下降速度比后期稍快。在两试件平均温度为30 ℃、温差为10 ℃条件下，测得导热系数值同样随着时间减少，直至试件被烘干恒定。因此，粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土导热系数值随含水率降低而减小，两者之间的关系见图4，其实验公式为：

λ=0.195 83+0.010 04ω。

粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土由于掺入了陶粒和粉煤灰这些保温材料，含水量变化与普通混凝土有所不同。因为粉煤灰的掺量越高，水泥水化的需水量越少，混凝土中自由水分的含量就越大，在养护的过程中，前期含水率会迅速下降，随着混凝土中自由水含量的降低，保温材料陶粒吸收的水分会大量的返出来，返水量随着陶粒掺量的增加而增加，故此粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土含水量的减小是个缓慢过程，其导热系数值也会缓慢减少。因此，生产厂家所提供的粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土导热系数值仅是干燥状态时的数值，比实验中的实际数值小得多，不能作为实际工程的有效数据。

3.2 温度

温度是影响导热系数的另一个重要因素,因为当温度增加时，材料内部的分子运动就会加剧，传热的效率就会加快，导热系数就增大了。

1)试件冷热板平均温度。

在龄期28 d时，针对相同温差，不同均温条件，实验对粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土试件进行测定，具体数据见表2。

表2 温差Δt=10 ℃不同温度下的导热系数测定值

由表2数据可得,粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土试件在28 d龄期、冷热板温差Δt=10 ℃时，导热系数值随试件冷热板平均温度的升高而增大。导热系数与冷热板平均温度的关系见图5。其实验拟合线性化公式为：

λ=0.204 05+7.75e-4t。

2)试件冷热表面温差。

为了进一步研究温度对粉煤灰页岩陶粒保温隔热混凝土试件导热系数的影响，在龄期28 d，试件冷热板平均温度30 ℃情况下，测试了不同温差下的导热系数(见图6)，具体数据见表3。

表3 均温30 ℃不同温差下的导热系数测定值

本次试验线性化拟合公式为：

λ=0.199 85+0.002 88Δt。

4 结语

本文对粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数进行了测试，基于双平板防护热板法测试原理和测定方法技术等，提出了造成材料导热系数差异的影响因素，并根据试验给出粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数与温度的关系，根据分析可以得出：

1)PDR 300导热系数测定仪采用防护热平板法的原理，满足了材料检测研究部门对材料导热系数的高精度测试要求，自动化程度高，性能稳定，是适用的。攻克其技术难点，可使得结果更加精确。

2)本次试验线性化公式λ=0.195 83+0.010 04ω反映了含水率对粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数之间的关系，表明使用地区粉煤灰页岩陶粒混凝土时，其导热系数在气候干燥与气候湿润地区有很大差距。

3)给出了导热系数与温度的变化关系，并分别给出均温和温差影响实验公式λ=0.204 05+7.75e-4t和λ=0.199 85+0.002 88Δt，由其变化规律可知，在年平均温度跨度较广、室内外温差较大的地区，粉煤灰页岩陶粒混凝土的导热系数波动很大，这对热工设计及计算意义重大，应以现场实测的数据为准。

4)本次试验研究了粉煤灰页岩陶粒混凝土导热系数测定时影响因素并得出数据及实验公式，是实际工程应用时的一个重要理论设计依据，能够提高节能效率，满足工程质量，符合节能设计和产品验收的要求。

[1] 胡吉士,方子晋.建筑节能与设计方法:夏热冬冷地区暨浙江省5居住建筑节能设计标准6的应用[M].北京:中国计划出版社,2005.

[2] Gyoung-SeokChoi,Jae-SikKanga,Young-SunJeong,et al.An experimental study on thermal ProPertiesofeom Position insulation[J]. Thermochimiea Aeta,2007(455):75-79.

[3] 张德信.建筑保温隔热材料[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 中国建筑科学研究院混凝土研究所.国外轻骨料混凝土应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1982.

[5] 范锦忠.粉煤灰陶粒混凝土的主要性能和应用[J].粉煤灰,2008(2):45-48.

[6] 刘文燕,赵 勇.混凝土结构基本热工参数研究进展[A].第十三届全国结构工程学术会议论文集[C].2004:88-92.

[7] 林中鹤.稳态平板法实验样品的绝热分析[J].华中师范大学学报,1994,28(1):56-58.

Measurement of thermal conductivity factor and the influence of ceramsite concrete

Liu Huan Pang Jianyong

(CivilConstructionCollege,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

This experiment adopts PDR 300 design method of coefficient of thermal conductivity meter, double plate protection hot plate method, through to the coefficient of thermal conductivity of lytag concrete detection, introduces in detail the measuring principle, measuring technology, the operation process and the problems, through data analysis, on influence of water content, temperature, and temperature difference on heat conductivity of flyash shale ceramisite, in order to further obtain more accord with the actual methods and basis was provided for the coefficient of thermal conductivity.

double tablet protective heat method, lytag concrete, coefficient of thermal conductivity, measurement

2015-01-28

刘 欢(1989- )，女，在读硕士； 庞建勇(1964- )，男，教授

1009-6825(2015)10-0117-03

TU528

A