玻化微珠保温砂浆的性能优化设计

韩智强,杨卓强

(太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原 030024)



玻化微珠保温砂浆的性能优化设计

韩智强,杨卓强

(太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原 030024)

基于传热学的基本理论，建立保温隔热模型，采用发泡技术提高材料保温性能，通过正交试验寻求泡体与基本材料配比的最优组合。结果表明：采用提出的优化方案，玻化微珠保温砂浆的导热系数和抗压强度值均能较好满足工程需求。

玻化微珠；保温砂浆；正交试验；导热系数；抗压强度

近年来，国内外学者对玻化微珠保温砂浆有一定研究。Cerny[1]研究不同温度、湿度和压力条件下，砂浆导热系数、线性湿膨胀系数、热膨胀系数、水蒸气的渗透系数和吸湿量等参数的变化规律；李珠[2]主要研究了玻化微珠保温砂浆的材料组成，并着重研究保温砂浆的导热系数；黄少文、曾亮[3]主要研究玻化微珠保温砂浆的性能优化。

本文基于传热学的基本理论，以玻化微珠保温砂浆为研究对象，采用发泡技术提高材料保温性能，通过正交试验寻求泡体与基本材料配比的最优组合，研究结果将为玻化微珠保温砂浆工程应用提供参考。

1　玻化微珠保温砂浆保温隔热机理分析

传热学[4]是主要研究物体间热量传递变化规律的一门学科。根据传热机理的不同，热量传递的基本方式分为三种：热传导、热对流和热辐射。

热传导是指在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生其相对位移，仅依靠微观粒子的热运动产生热量。由傅里叶定律可知，热传导中的热流密度变化与同部位的温度梯度成正比：

(1)

式中：q—热流密度，W/m2;λ—导热系数，W/(m·K);“-”—热传导中温度方向与热流方向相反。

热对流是由流体中各质点间相对位移变化，导致热量转移方向的变化，包括自然对流和强迫对流，可通过牛顿冷却方程描述：

Q=αF(tw-tf)

(2)

式中：α—对流换热系数， W/(m2·K)；F—物体参与换热的面积，m2；tw—固体表面温度，K；tf—周围流体介质的温度，K。

热辐射是由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波能量传递。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的相互辐射，在系统中每个物体同时辐射并吸收热量。用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算物体之间的热辐射：

(3)

式中：q—热流率；ε—物体辐射率，数值为0～1；σ—斯蒂芬—波尔兹曼常数，一般取5.67×10-8W/(m2·K4)；A1—辐射面1的面积；F12—从辐射面1到辐射面2形状系数值；T1—辐射面1的绝对温度值；T2—辐射面2的绝对温度值。

2　保温隔热模型建立

图1　玻化微珠细部结构图

玻化微珠保温砂浆的传热模型是指砂浆浆体固化后形成的空间结构模型，如图1所示。砂浆浆体的固化过程[5-7]为：粉状材料发生水化反应后，形成成分复杂的胶凝体，随着浆体中多余水分的蒸发，浆体逐渐失去可塑性并产生强度，将玻化微珠和纤维紧密包裹在其中，最终形成保温砂浆固化物。玻化微珠保温砂浆固化后，大量的玻化微珠和细纤维均匀地分布在以水泥以及其他材料组成的混合胶凝体固化物内。因此，对玻化微珠保温砂浆的固化物模型作如下假定：

(1)各类材料均匀分布；(2)玻化微珠为气泡聚合体；(3)胶凝体为致密结构。

为进一步提高保温砂浆性能，在基本配比的基础上，本文提出材料优化方案：在原有理论模型的基础上，在玻化微珠保温砂浆浆体中引入大量独立、封闭的泡体，泡体的存在，相当于增加了保温砂浆模型中的气泡聚合体的数量，可进一步提高模型中单元体的热阻值。在保证泡体直径足够小的情况下，优化后的保温砂浆模型仍符合原来保温砂浆模型的所有假定，而其整体保温性能可得到进一步提高。

2.1试件制作

2.1.1试验准备

(1)固态材料的混合：将本次试验所要用到的所有固态材料作为一个整体，预先进行混合，并搅拌均匀。搅拌均匀的固态料其实就是玻化微珠保温砂浆干粉料。

(2)液态材料准备：主要是指液体发泡，将SKD液态发泡剂通过发泡装置，制作出泡体。

2.1.2试验工具及磨具准备

(1)主要试验工具：搅拌机、发泡装置、天平、抹刀、刮杠、尺子等。为使试验能对以后的工程施工具有指导意义，本次试验所采用的搅拌设备是具备搅拌与输送功能的移动式搅拌喷涂机。

(2)主要试块磨具：模具A：300mm×300mm×30mm(用于制作测定导热系数的试块)。模具B：707mm×70.7mm×70.7mm(用于制作测定抗压强度的试块)。

2.1.3保温砂浆引入泡体的搅拌

先将保温砂浆干粉料加水进行搅拌，待搅拌均匀时再加入泡体进一步搅拌，直至砂浆浆体和易性达到施工要求。

2.1.4试块的制作与养护

将搅拌均匀的砂浆浆体通过输送管流出后，立刻浇筑到期预先准备的磨具中，待养护并达到强度要求时，即可拆模形成300mm×300mm×30mm的试块和70.7mm×70.7mm×70.7mm的试块。

保温砂浆试件制作完成后，应将试件放置在(20±5)℃的温度条件下，放置1～2昼夜，随后对该试件进行编号并拆模。试件拆模后，在温度(20±3)℃，相对湿度90%以上条件下，继续养护至28d，然后对养护试件进行测定。

2.2试块测定

2.2.1试块导热系数测定

(1)测试方法的选择

导热系数稳态法测定的方法很多[8]，本文主要采用防护热板法进行测定，其测定执行标准为：GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》[9]。

(2)试验仪器及测试方法

防护热板法是基于一维稳态导热原理测试的方法，要求在主加热板两面均放置一块相同冷板，被测试件放置在主板和冷板之间。主板加热后，当传热达到稳态时，可根据傅里叶公式计算被测试件的导热系数值。

本试验所采用的实验仪器是DRP-5W型导热系数测定仪。

整个测试过程中，应注意热板、冷板实际值与设定值的差值变化，通过调节连接冷板水柱的位置来调节差值。当温度差值能稳定在0.5℃以内，并保证热、冷板的实际差值在(20±0.5)℃时，2.5 h后，即可读取测试值，作为本次测定的最终结果。

该测试方法要求在整个测试过程中，测试环境相对密闭，室温为(20±3)℃。

2.2.2试块的抗压强度测定

因保温砂浆试块强度较低，所以采用50 t万能压力试验机进行试块的单轴抗压强度试验。

抗压强度计算：

f=F/A

(4)

式中：f—试件立方体的抗压强度测定值，MPa；F—试件破坏荷载，N；A—试件承压面面积，mm2。以每组试件为6个，取每组试件测值的算术平均值为该组试件的测试抗压强度值，其平均值精确计算至0.01MPa。当6个测定值中极值与平均值的差值超出20%时，应以测试组剩余试件测试的平均值作为该组试件的抗压强度值。

3　保温砂浆引入泡体正交试验

3.1正交试验方案

本试验选取的因素如下：

A、SKD型泡体加入量(与保温砂浆浆体的体积比)；

B、原基本配比(指一般的玻化微珠保温砂浆干粉料配比，但不包含减水剂)；

C、减水剂用量(与保温砂浆干粉材料的质量比)；

D、用水量(与保温砂浆干粉材料的质量比)。

其中，因素B(原基本配比)三种配比的保温砂浆主要性能指标见表1。

表1　因素B主要性能指标

本正交试验的因素、水平见表2。

表2　正交试验因素、水平表

根据试验因素及水平个数，按正交表来安排试验，本次试验结果见表3。

3.2正交试验结果分析

3.2.1导热系数的结果分析

(1)导热系数极差分析

根据极差分析，玻化微珠砂浆导热系数的试验结果见表4。

表4　导热系数试验结果分析(极差分析)

根据极差分析结果可以看出，泡体的添加量对导热系数的影响最大，其次就是基本配比的差异对导热系数的影响，而减水剂的用量和加水量的影响不大，这四个因素的优组合为：A6B1C3D2。

(2)导热系数方差分析

方差分析的主要目的是通过分析试验数据了解对所得结果有显著影响的因素及其最佳水平，各因素间的相互作用等信息。

表5　玻化微珠保温砂浆导热系数方差分析

从表5可看出，因素A和因素B均对导热系数有显著影响，而因素C和D对导热系数无显著影响，这与极差分析结果总体一致。结合极差分析的结果可知，在寻求对导热系数的优化方案中，因素A要比因素B更显著。因此，在实际应用中进一步确定优化配比时，以因素A作为重点选择因素，并对因素B适当调整。

3.2.2抗压强度的结果分析

(1)抗压强度极差分析

玻化微珠砂浆抗压强度的试验结果极差分析见表6。

表6　抗压强度试验结果分析(极差分析)

通过极差分析可以看出，因素A对抗压强度的影响最大，为主要因素；因素B次之，而因素C影响最小，极差分析的优组合为：A1B3C3D1。

(2)抗压强度方差分析

玻化微珠保温砂浆的抗压强度试验方差分析见表7。

表7　玻化微珠保温砂浆抗压方差分析

方差分析结果表明：因素A和因素B对抗压强度的影响都比较显著，因素C和D均不显著，这与极差分析的结果也总体一致。结合极差分析结果，因素A较因素B要更显著。因此，寻求对抗压强度的优选方案中，以泡体的添加量为优先选择，并适当考虑基本配比的变化。

通过正交试验，选出的优组合和主次顺序为：

(1)以导热系数和抗压强度为主要的材料性能控制目标，并以导热系数作为优先目标，找出最优的材料配比方案；

(2)以流动度为重要的施工性能控制目标，找出最佳的减水剂添加量来使加水量的范围适当宽泛。

这两大问题应在一个优化方案中同时解决，因此需要对各个因素综合考量。通过正交试验，选出的优组合和主次顺序为：

基于导热系数优先考虑原则，在以上三组方案中应选取第一组方案，即A6B1C3D2。在应用中即以此作为基础选择，并做适当调整。

4　结论

(1)本文以玻化微珠保温砂浆为研究对象，采用正交试验的方法得出保温砂浆最佳配比组合。结果表明：采用提出的优化方案，玻化微珠保温砂浆导热系数达到0.06 W/(m·K)以下，低于常规无机类保温材料的导热系数值(0.07 W/(m·K))，较好地满足工程应用要求；

(2)采用优化方案生产的玻化微珠保温砂浆经测试，其抗压强度值较好地满足常规保温材料的抗压强度指标，进一步验证了优化方案的正确性。

[1]Cerny R,Madera J.,Podebradska J.,et a1.Effect of compressive stress on thermal and hygric properties Of Ponland cement mortar in wide temperature and moisture ranges[J].Cement and Concrete Research,2000,30(8):1267-1276.

[2]李珠,刘元珍,张泽平.高效节能玻化微珠保温砂浆:200610012729.6 [P].2006-10-25.

[3]曾亮.玻化微珠保温砂浆的性能优化与研究[D].江西：南昌大学,2008.

[4]刘源全,张国军.建筑设备[M].北京:北京大学出版社,2005.

[5]董颇.外墙内外保温的节能差异分析[J].河南城建学院学报,2009,18(3):22-24.

[6]朱晓菲，白文龙.夏热冬冷地区建筑屋顶节能设计[J].河南城建学院学报,2011,20(1):25-27.

[7]刘元珍,李珠,苏冬媛.玻化微珠保温墙模剪力墙体系模板设计[J].新型建筑材料,2008(4):59-62.

[8]闵凯,刘斌,温广.导热系数测量方法与应用分析[J].保鲜与加工,2005,5(6):35-38.

[9]绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法:GB/T10294-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

Optimal design for glazed hollow bead thermal insulation mortar

HAN Zhi-qiang，YANG Zhuo-qiang

(SchoolofTransportationandlogistics,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on theory of heat transfer,thermal insulation model has been established using foaming technology to improve insulation performance.The optimized ratio between foam and basic material has been found by orthogonal test.The results shows that the thermal conductivity of the material and compression strength can better meet the engineering needs.The results can give reference to the engineering application of its material.

glazed hollow bead;thermal mortar;orthogonal test;thermal conductivity;compression strength

2016-01-29

国家自然科学基金项目(50778118)；太原科技大学博士启动金项目(20142030)

韩智强(1987—)，男，山西晋中人，硕士，助教。

1674-7046(2016)03-0035-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.007

TQ 177.6

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