自保温隔热混凝土力学性能与导热系数试验研究

郭宇菲 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

随着经济的发展，绿色建筑和节能建筑是当前土木工程材料的研究热点[1]。目前国内对于保温混凝土的研究主要是对混凝土内掺入具有保温性能的材料从而改善其热工性能[2-3]。应用在工程领域的阻热材料种类繁多，性能也不同，而且其性能常常随着温度、施工条件、环境湿度和施工环境等因素不同而发生变化，从而影响其阻热效果。根据材料材质和形态不同可以划分为不同的类型。按材质可划分为无机、有机和复合型保温材料三大类；按形态可划分为纤维状、气泡状、微孔状、复合型、块状、膏状、粒状、板状等[4-5]。

许多学者对此展开了大量研究工作，如太原理工大学刘元珍和张泽平分别掺入玻化微珠降和煤矸石来低混凝土的导热系数[6-8]，但却存在降低混凝土强度的劣势。本文在此基础上，使用常用的陶粒和玻化微珠作为阻热材料，掺入混凝土中构成多孔自保温隔热材料，对其基本性能进行室内试验测试。

1 自保温隔热机理分析

由陶粒、玻化微珠等制成的保温混凝土材料，也可以称为多孔结构的保温材料。多孔结构的保温材料中有很多不规则封闭的图形类似于多孔结构材料中的封闭气孔，它们之间具有一定的空隙。一定热量从温度高的区域向温度低的区域传递，为了能够提高材料的保温阻热性能、就是让热量从高温区到达低温区的时间变长、路线变长。当热量开始传递时，在没有碰到气孔之前，一直是在固相中互相传递热能。碰到气孔以后热量的传递过程就会发生变化，热量传递的路线分为两条，一条按原来的路线，继续通过固相来传递，但传递的路线发生了改变，总的传递路线也会大大的增加，传递热能的速度就会放缓；另一条路线是通过气孔的内部来传递热能，包括高温的固体表面上的气体辐射和对流的传热，气体的对流热传递，热传导的气体，热气体上的冷固体表面的辐射和对流的传热与固体表面的热和冷的固体表面辐射传热。由于空气的热传导系数远远低于固体的导热系数，因此传热通过气孔阻力很大，使得传热率大大降低，这就是该材料阻热原理，由于材料含有大量的孔，所以改善阻热效果[9-10]。

2 试验

2.1 试验材料

试验胶凝材料、粗骨料、细骨料和外加剂如表1所示。

材料组成 表1

2.2 试验方案设计

混凝土的配合比为水泥：陶粒：石子：水=1∶1.84∶1.84∶0.45，采用正交方法对保温混凝土进行了多种配合比试验，在标准养护条件下养护28d后，测试了试件的隔热性能和力学性能，导热系数测试采用双平板法导热系数测定仪测试，抗压强度采用万能试验压力机测试，获得极限抗压破坏荷载，利用公式fcu=F/A计算抗压强度值，式中，fcu为试件抗压强度，MPa；F为抗压极限破坏荷载，kN；A为试件截面面积，m2。

针对试验数据，对影响保温隔热混凝土的因素进行了极差分析，得出影响因素的主次顺序。本实验的因素水平见表2：因素A为陶粒掺量，取其占粗骨料用量的20%、40%和60%；因素B为玻化微珠用量，分别为60 kg/m3、100 kg/m3和140 kg/m3；因素C为粉煤灰用量，取占水泥用量的10%、20%和30%。

实验因素水平 表2

2.3 试验结果

按照正交试验设计各组混凝土配合比，得到9组试验的各项室内物理力学和导热性能如表3所示，室内试验部分试件照片如图1所示。

正交试验及室内试验结果 表3

图1 室内试验部分试件

3 试验结果分析

3.1 强度与保温性能分析

由表3试验结果可知，掺入陶粒和玻化微珠后，由于其本身强度较低，替代了强度较高的粗骨料，其强度较普通混凝土有较大下降，且随着掺入量越大，强度下降越多。而保温隔热性能却有较大幅度的提高，材料的导热系数明显降低，一般低于0.30 W/（m·K），较一般混凝土有较大的提高，说明材料的自保温性能良好。

为了探究各影响因素对材料宏观性能的影响顺序，采用极差分析的方法对试验数据进行极差分析。

3.2 极差分析

对材料抗压强度和导热系数试验数据进行极差分析，结果见表4。通过极差分析表作极差分析R值变化趋势见图2。由图2可得，各因素对抗压强度、导热系数的影响由大到小均为：B玻化微珠用量＞A陶粒掺量＞C粉煤灰掺量；玻化微珠和陶粒是影响材料抗压强度和保温性能的主要因素，两者极差相差不大。对于抗压强度指标而言，因素A的R值为3.77，因素B的R值为4.20；对于导热系数指标而言，因素A的R值为0.0207，因素B的R值为0.0316；因素C粉煤灰掺量相较于前两者，影响程度较小，R值也较小。

极差分析结果 表4

图2 各影响因素R值趋势图

造成上述现象的原因在于，陶粒和玻化微珠掺入混凝土中，使得材料中存在大量孔隙和气体。此外，陶粒本身的强度较低，筒压强度仅为1～2 MPa，显著低于所替代的碎石，而玻化微珠呈粉末状，强度依旧较低，因此导致混凝土表面密度、导热系数和强度均降低。陶粒与碎石之间的界面强化度和机械啮合作用下降，当混凝土破坏时，陶粒本身容易受到破坏，同时界面也会遭到破坏，混凝土强度就会降低，而且过高的砂率很容易产生分层离析和泌水，导致混凝土稳定性降低。

3.3 方差分析

对保温隔热混凝土抗压强度、导热系数指标进行方差分析，分析结果见表5。

由表5方差分析表可知，对于抗压强度，玻化微珠掺量影响显著，陶粒和粉煤灰掺量有一定影响；对于导热系数，玻化微珠和陶粒掺量影响显著，而粉煤灰掺量影响较小，且方差分析结果与极差分析类似，玻化微珠和陶粒掺量为主要影响因素，粉煤灰影响程度较小，为次要因素。

4 结论

①针对现有对绿色建筑、多功能建筑的要求，提出采用自保温混凝土材料，利用陶粒、玻化微珠本身多孔、质轻、阻热、耐高温的优势，掺入混凝土中以提高材料的保温性能。

②设计了不同混凝土配合比的正交试验，对保温混凝土材料的抗压强度、导热系数等指标进行室内试验，配制出的混凝抗压强度在12.5～22.3 MPa之间，导热系数在0.2089～0.2650 W/(K·m)之间，可见其保温性能明显提高而强度值也有所下降，原因在于多孔的陶粒和玻化微珠本身强度较低，同时延长了热量传递路径的同时，增强保温性能。

③通过极差分析可得，三个影响因素对材料性能的影响顺序均为玻化微珠掺量＞陶粒掺量＞粉煤灰掺量，且前两者属于主要影响因素，后者属于次要影响因素；通过方差分析可得，对于抗压强度，玻化微珠掺量影响显著，陶粒和粉煤灰掺量有一定影响，对于导热系数，玻化微珠和陶粒掺量为主要影响因素，粉煤灰影响较小。

抗压强度方差分析 表5