矿渣—生土材料被动蒸发降温功能的评价

谭晓倩 李莲莲

摘 要：利用发泡剂、聚丙烯纤维、碱激发矿渣和生土制备的多孔屋面材料，能在多孔结构中储存大量雨水，通过水分的被动蒸发来达到降低室内温度的效果。通过分形理论研究表明：材料中孔的分形维数越大，蒸发降温效果越好。覆盖该多孔材料作为屋面表层后，室内温度明显低于普通屋面层。

关键词：矿渣；生土；屋顶；蒸发降温；分形维数

中图分类号：TU201.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0011-02

Abstract： The porous roofing material made of blowing agent polypropylene fiber alkali-activated slag and raw soil can store a large amount of rain water in the porous structure and achieve the effect of lowering indoor temperature by passive evaporation of water. The study of fractal theory shows that the larger the fractal dimension of pores in the material is， the better the evaporative cooling effect is. When the porous material is used as the surface of the roof， the indoor temperature is obviously lower than that of the common roof.

Keywords： slag； raw soil； roof； evaporative cooling； fractal dimension全球夏季高溫已经成为一个棘手问题，如何通过建筑材料或房屋结构设计达到室内节能致冷是目前的普遍追求。本文尝试制备一种可放置于屋顶的矿渣-生土基轻质多孔材料，利用其孔隙储存雨水，而在晴天通过被动蒸发降温功能[1]来释放潜热达到降低室内温度减少耗能的效果。本文中的材料均利用碱性激发剂激发矿渣和生土作为基材，并在搅拌过程中掺加发泡剂赋予基材的多孔性能，同时掺入聚丙烯纤维作为增强材料。用此多孔材料作为屋面表层制作了四个实验模拟房，测量了模拟房内的温度变化情况。同时用分形理论建立起该材料的微观结构和宏观性能之间的联系。

1 实验

样品制备：

共设计了三种不同配比的试样，见表1。搅拌物分别放入40mm×40mm×160mm 和300mm×300mm×30mm的钢模具中成型。24小时后脱模并放入标准养护室养护28天。

2 结果和讨论

2.1 孔结构的分形分析

材料中孔的结构形状和尺寸大小对材料的吸水性能有很大影响。只有在一定尺寸范围内的孔才能更好地吸水并把水分包裹在孔中。图1的a和b分别为P2样品的光学照片和扫描电镜照片。从图中可见孔径大部分分布在400μm左右，孔壁上存在许多连通孔，这种结构非常利于水分的吸收及存储。

各配比材料的孔径尺寸通过压汞实验进行测定。表明三种配比试样均具有尖锐的孔分布峰，P1孔径范围大部分在200μm左右，P2在400μm左右，P3在900μm左右。通过描绘材料的logr和log（dv/dr）分布图可以得出当把孔径分布转换为logr和log（dv/dr）关系图后，会得到一段接近直线的区域，这些直线段符合（lg（-dv/dr）=（2-D）logr）的规律[2]，并且相关系数都接近1。表明本研究的多孔材料的孔结构具有自相似性，属于分形结构。公式中的2-D为描绘的直线斜率，D即为数值为2和3之间的孔结构的分形维数。P1、P2、P3的分形维数分别为2.88、2.97、2.78，P2的分形维数是最大的，即P2的孔结构是各试样中最复杂的，其孔表面是最粗糙的，从而也导致了P2配比的材料的吸水性能最强，因为吸水性能受孔的结构形貌影响。

试样P1、P2、P3每立方米材料中吸收水的质量分别为624g、703g、452g，该数据表明P2的吸水性能最佳，这与分形维数的大小相契合。

2.2 温度

制作了四个实验模拟房，其中4号房屋顶为一层60mm厚的水泥板。1、2、3号实验房的屋顶除了相同规格的水泥板外，还分别覆盖了一层采用P1、P2、P3的材料配比制作的多孔屋面材料。将四个模拟房放入42℃的烘箱中，用多路温度测试仪分别测试各房间内的温度变化趋势。

图2为各实验房内的温度随时间变化情况。结果表明，当外界温度从22℃升高至42℃，且在42℃上下波动。4号房的温度在240分钟内迅速上升到了42℃。而2号房间则经过3350分钟后温度才升高至42℃，可见相比4号房，2号房的升温时间足足延迟了3110分钟。1号和3号房间的升温时间介于2号和4号房之间。

结果表明覆盖多孔材料的房间的温度均低于普通水泥屋面板屋顶房间。2号房的平均温度甚至比4号房低了3℃之多。而覆盖矿渣-生土多孔材料板的房间中，3号房间温度最高，其次为1号房间，2号房间的温度是最低的。可见这个规律与多孔材料孔的分形维数相一致。再次表明材料孔的分形维数越大，孔的结构也就越复杂，内表面越粗糙，从而吸水及储存水的能力越强。大量的水分通过被动蒸发降温性能降低了房间内的温度。这也表明孔结构的分形维数对屋面材料的被动蒸发降温性能可以进行很好地预测。多孔材料的被动蒸发降温性能显著降低升温速率，使房间保持一个舒适的温度。

3 结束语

矿渣-生土多孔屋面材料板可以有效地通过被动蒸发降温功能延缓升温速率，从而获得较低的室内温度是可行的。同时被动蒸发降温性能与材料孔结构分形维数具有很好的一致性，即分形维数越大，被动蒸发降温的效果越明显。

矿渣-生土多孔屋面材料不但可以降低建筑能耗及减小二氧化碳的排放，节省不可再生的化石资源，而且为材料微观分形结构对被动蒸发降温功能进行评价提供了一种很好的途径。

参考文献：

[1]唐明，等.压汞测孔评价混凝土材料孔隙分形特征的研究[J].沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），2001，17（4）：272-275.

[2]孟庆林，等.建筑蒸发降温基础[M].北京：科学出版社，2006.