不同溫度條件下混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素研究

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

以上研究加深了對(duì)混凝土導(dǎo)熱性能的理解，提供了較強(qiáng)的理論指導(dǎo)，但上述影響因素研究過(guò)程中的試驗(yàn)都是在20 ℃以上條件下進(jìn)行的。我國(guó)幅員遼闊，新疆地區(qū)具有低溫、晝夜溫差大的特點(diǎn)，混凝土在不同溫度條件下易形成較大的溫度梯度從而引起表面開(kāi)裂[13]，且與常溫條件下相比，非干燥狀態(tài)混凝土在負(fù)溫環(huán)境中。由于混凝土是多孔結(jié)構(gòu)，孔隙中的水溶液隨著溫度的降低不同大小孔徑的水溶液逐漸結(jié)冰[14]，而冰的導(dǎo)熱系數(shù)大約是水的4倍，加之組成成分骨料、水泥石以及孔隙水、冰的導(dǎo)熱系數(shù)都將隨著溫度變化而變化，將導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，目前關(guān)于混凝土在不同溫度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)影響方面研究尚少。

表1 混凝土試件配合比

注：C1—C4用于研究在保持砂率不變的情況下骨料體積分?jǐn)?shù)在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；C4，C5—C7用于研究砂率在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；C4，C8—C10用于研究水膠比、飽和度在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響；C4，CF1—CF3、CK1—CK3用于研究粉煤灰、礦渣摻量在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，CF1—CF3中有粉煤灰，而CK1—CK3中有礦渣。

為此，本文采用QTM-500導(dǎo)熱儀測(cè)量不同溫度條件下(-30～20 ℃)的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，著重考察骨料體積分?jǐn)?shù)、砂率、水膠比、飽和度、粉煤灰摻量、礦渣摻量等因素在不同溫度條件下對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，最終通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸得出混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與各因素之間的關(guān)系式，以此對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行更加全面的研究，為混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的精確計(jì)算、保溫隔熱性能以及表面裂縫的控制提供更為全面的理論依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)用原材料

(1)水泥：烏魯木齊達(dá)坂城PI.42.5硅酸鹽水泥，密度為3 097 kg/m3。

(2)粉煤灰：采用新疆福陽(yáng)新型環(huán)保節(jié)能建材有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。粉煤灰燒失量為2.3%，需水量為95%，密度為2 360 kg/m3，比表面積為3 900 cm2/g。

(3)礦渣：采用新疆寶新盛源建材有限公司生產(chǎn)的S75礦渣，礦渣密度為2 880 kg/m3，比表面積為4 280 cm2/g。

(4)細(xì)骨料：烏魯木齊料場(chǎng)中砂，含泥量為0.9%，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 639 kg/m3。

(5)粗骨料：烏魯木齊料場(chǎng)5～20 mm碎石，表觀密度為3 000 kg/m3。

(6)水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)用水，水質(zhì)滿足《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)和《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2001)中混凝土拌合用水水質(zhì)要求。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀器及步驟

2.3.1 測(cè)試儀器

多年來(lái)，眾多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試手段方面做了大量研究，主要有穩(wěn)態(tài)測(cè)試法[11]和非穩(wěn)態(tài)測(cè)試法[12]。本試驗(yàn)中含有飽和水的試件，為避免水分遷移對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的影響，本試驗(yàn)采用瞬態(tài)測(cè)試法。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科技工作者的大量研究和試驗(yàn)，研制出各種智能導(dǎo)熱儀，其中最具有代表性的是基于熱絲法的QTM-500瞬態(tài)導(dǎo)熱儀(2003)，其測(cè)試原理見(jiàn)文獻(xiàn)[15]—文獻(xiàn)[16]，本文不再贅述。QTM-500快速導(dǎo)熱儀，可快速(60～100 s)和簡(jiǎn)便地測(cè)定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，配置的PD-31探頭可以測(cè)量-100～1 000 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試范圍：0.082 8～43.2 kJ/(m·℃·h)，試驗(yàn)偏差在±3%以內(nèi)。

2.3.2 測(cè)試步驟

試驗(yàn)材料與儀器如圖1所示。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試步驟為：

(1)為了減小試件表面的不平整對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的誤差，試件養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)其進(jìn)行切割、打磨，試件的最小尺寸大于矯正板尺寸(2 mm×5 mm×10 mm)，如圖1(a)所示，以保證試件測(cè)試表面與導(dǎo)熱儀探頭緊密接觸。

(2)將每組中的2個(gè)試件放入烘干箱中進(jìn)行烘干，烘干溫度在(50±2)℃，烘干至恒重，并測(cè)得烘干質(zhì)量m2，測(cè)試不同溫度下試件的導(dǎo)熱系數(shù)，以此作為在干燥狀態(tài)下的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 試驗(yàn)材料與儀器

(3)為了模擬混凝土的不同飽和度狀態(tài)，分別將步驟(2)中干燥后的試件放入真空飽水機(jī)中48 h進(jìn)行充分吸水，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，并測(cè)得飽和狀態(tài)下的質(zhì)量m1，然后逐步對(duì)其進(jìn)行恒溫(50±2)℃干燥，通過(guò)式(1)計(jì)算其飽和度,即

(1)

式中:Sr為混凝土飽和度(%)；mi為混凝土試件的質(zhì)量(kg)；m2為混凝土干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(kg)；m1為混凝土飽和狀態(tài)下的質(zhì)量(kg)。

(4)放入高低溫控制試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，如圖1(b)所示。測(cè)試過(guò)程中控制溫度為-30,-20,-10,0,10,20 ℃。導(dǎo)熱儀如圖1(c)所示，每個(gè)測(cè)試溫度穩(wěn)定2 h，并取3次測(cè)量結(jié)果的平均值為有效導(dǎo)熱系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 骨料體積分?jǐn)?shù)、砂率在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以C1、C2、C3、C4組(骨料體積分?jǐn)?shù)分別為0.3,0.4,0.5,0.6)為試驗(yàn)對(duì)象，用于研究骨料體積分?jǐn)?shù)在不同溫度條件下對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同骨料體積分?jǐn)?shù)的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

從圖2(a)中可以看出，在骨料體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)性；在溫度一定的情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與骨料體積分?jǐn)?shù)呈明顯的正相關(guān)性，這與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果相一致。從圖2(b)中可以看出，-30～20 ℃范圍內(nèi)，溫度每增加1 ℃，骨料體積分?jǐn)?shù)V骨料在0.3～0.6之間的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)減少的范圍為0.005 6～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。

以C4、C5、C6、C7組(砂率分別為0.3,0.35,0.4,0.45，骨料體積分?jǐn)?shù)不變)為試驗(yàn)對(duì)象，用于研究砂率在不同溫度條件下對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同砂率的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

從圖3(a)中可以明顯看出，在溫度一定情況下，砂率越大，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)越小，這與文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)結(jié)果相一致。這是因?yàn)樗嗍c骨料之間存在界面熱阻[12]，界面熱阻越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，混凝土中的骨料并不是單一粒徑的規(guī)則球體，而是不同粒徑且形狀不規(guī)則的粒子，界面熱阻與骨料種類、表面粗糙度等都有關(guān)，界面熱阻隨顆粒尺寸的減小而增大，砂率越大，平均粒徑越小，界面熱阻越大，故混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨砂率增大而減??；從圖3(b)中可以看出，在砂率一定的情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)性，在-30～20 ℃范圍內(nèi)，溫度每增加1 ℃，砂率在0.3～0.5之間的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)減少的范圍為0.014 1～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。

3.2 水膠比、飽和度在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以C11、C4、C12、C13組(水膠比分別為0.3,0.4,0.5,0.6)為試驗(yàn)對(duì)象，用于研究水膠比、飽和度在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 干燥、飽和狀態(tài)下不同水膠比的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

從圖4中可以看出，4種不同水膠比混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)性。從圖4(a)中可以看出，在干燥狀態(tài)下，-30～20 ℃范圍內(nèi)，溫度每增加1 ℃，水膠比在0.3～0.6之間時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)減少的范圍為0.014 1～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。當(dāng)溫度一定時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著水膠比的增大而減小，這與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果相一致，這是由于水膠比越大，孔隙率越高，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)在任何溫度下都遠(yuǎn)小于固體的導(dǎo)熱系數(shù)，故水膠比越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小。從圖4(b)中可以看出，在飽和狀態(tài)下，溫度每增加1 ℃，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加的范圍為0.005 2～0.028 8 kJ/(m·℃·h)。

從圖5中可以看出，飽和狀態(tài)下較干燥狀態(tài)下混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有明顯的提高，且水膠比越大，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從干燥到飽和狀態(tài)增幅越大，在-10 ℃時(shí)，增幅達(dá)到最大，水膠比為0.3,0.4,0.5,0.6的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別提高了10.59%,13.39%,27.09%，32.04%。這是由于混凝土是多孔結(jié)構(gòu)，飽和度越高，混凝土中水泥石與骨料之間的界面熱阻越小[17]，導(dǎo)熱系數(shù)越大；而且飽和狀態(tài)下，水占據(jù)了混凝土內(nèi)部的大小孔隙，而水的導(dǎo)熱系數(shù)為2.16 kJ/(m·℃·h)，遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(0.086 4 kJ/(m·℃·h))，故飽和狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)大于干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)；隨著溫度的降低，混凝土內(nèi)部大小孔隙中的水在0 ℃以下陸續(xù)結(jié)冰，混凝土大孔以及毛細(xì)孔內(nèi)的水在-10 ℃時(shí)基本都已結(jié)冰。由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)約是水的4倍，故在-10～0 ℃時(shí)，隨著溫度的降低，飽和狀態(tài)下混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加百分率會(huì)有一個(gè)急劇上升的趨勢(shì)。

圖5 從干燥到飽和狀態(tài)下混凝土導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度下的增加百分率

3.3 粉煤灰、礦渣摻量在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以C4、CF1、CF2、CF3(粉煤灰摻量分別為0%，10%，20%，30%)以及C4、CK1、CK2、CK3組(礦渣摻量分別為0%，10%，20%，30%)試驗(yàn)對(duì)象，用于研究粉煤灰、礦渣摻量在不同溫度條件下對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 不同粉煤灰、礦渣摻量的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

圖7 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度下對(duì)比

從圖6中(a)、(b)可知，4種不同摻量的粉煤灰、礦渣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)性，-30～20 ℃范圍內(nèi)，溫度每增加1 ℃，粉煤灰摻量為0%～30%的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)減少的范圍為0.014 7～0.019 7 kJ/(m·℃·h)，礦渣摻量為0%～30%的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)減少的范圍為0.009 3～0.019 7 kJ/(m·℃·h)。當(dāng)溫度一定時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰、礦渣摻量的增加而減小，這與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果相一致，這主要是由于粉煤灰、礦渣一部分發(fā)生二次水化，另一部分起微集料的作用。姜自超等[18]測(cè)得的粉煤灰導(dǎo)熱系數(shù)為0.581 8 kJ/(m·℃·h)，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)礦渣進(jìn)行壓實(shí)并測(cè)得礦渣導(dǎo)熱系數(shù)為0.491 8 kJ/(m·℃·h)，測(cè)得的密實(shí)狀態(tài)下的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)為4.797 4 kJ/(m·℃·h)，遠(yuǎn)大于粉煤灰、礦渣導(dǎo)熱系數(shù)。因此，粉煤灰、礦渣導(dǎo)熱系數(shù)低于水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰、礦渣摻量的增加而減小的主要原因。

從圖7(a)中可以看出：當(dāng)摻量相等且摻量在10%～20%時(shí)，摻礦渣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)一般稍大于摻粉煤灰混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；當(dāng)摻量在30%時(shí)，摻礦渣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)一般稍小于摻粉煤灰混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。從圖7(b)中可以看出：當(dāng)粉煤灰、礦渣摻量為30%時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，其降低范圍在4%～8%之間，摻礦渣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度稍大于摻粉煤灰混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度。當(dāng)摻量相等時(shí)且摻量在10%～20%時(shí)，摻礦渣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度稍小于摻粉煤灰混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度，這主要是由于當(dāng)摻量較高時(shí)，粉煤灰、礦渣在水泥基體中主要起微集料的作用；當(dāng)摻量較低時(shí)，由于礦渣活性高于粉煤灰活性，礦渣發(fā)生二次水化的占比較高，使混凝土變得較為密實(shí)，一定程度上會(huì)提高混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，抵消由于在水泥基體中起微集料的作用而降低的部分，故整體上會(huì)表現(xiàn)出摻礦渣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度稍小于摻粉煤灰混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度的現(xiàn)象。

表2 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值誤差

Table 2 Errors of thermal conductivity of concrete between measured values and predicted values

溫度/℃C3C4(飽和)C6C9實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差/%實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差/%實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差/%實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差/%206.46816.2581-3.257.58057.1632-5.516.66846.69120.346.79646.7085-1.29106.52036.4181-1.577.58927.3232-3.516.84296.85120.126.86416.86850.0606.67946.5781-1.527.75517.4832-3.516.87627.01121.966.96317.02850.94-106.80626.7381-1.008.32467.6432-8.197.19647.1712-0.357.19217.1885-0.05-206.85586.89810.628.38587.8032-6.957.20047.33121.827.44957.3485-1.36-306.96777.05811.308.48707.9632-6.177.58457.4912-1.237.62847.5085-1.57

注：實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的單位均為kJ/(m·℃·h)。

4 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)多元回歸與驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)其中12組混凝土在不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸，得到混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ與溫度T、水膠比W/C、骨料體積分?jǐn)?shù)V骨料、砂率SP、飽和度Sr、粉煤灰摻量F/C和礦渣摻量K/C之間的預(yù)測(cè)方程為

λ=-0.016T-2.047W/C-4.439SP+

6.551V骨料+0.25Sr-1.617F/C

-1.665K/C+5.675 。

(2)

為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸方程的精確性，選取分別考慮到骨料體積分?jǐn)?shù)、飽和度、砂率、水膠比等因素的4組混凝土(C3、C4(Sr=100%)、C6、C9)在不同溫度下的實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)與預(yù)測(cè)值對(duì)比，如圖8所示，可以看出，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值有較好的吻合。以C3、C4(飽和)、C6、C9組混凝土在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為例，通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作比較，如表2所示，從表2可以看出，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在-8.19%～1.96%之間。這表明多元回歸方程對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度條件下的預(yù)測(cè)有一定的參考價(jià)值。

圖8 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

5 結(jié) 論

(1)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)性；骨料對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，在保持砂率不變的情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著骨料體積分?jǐn)?shù)的增大而增大；在保持骨料體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著砂率的增大而減小。

(2)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著水膠比的增大而減小，飽和狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)大于干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著溫度的降低，尤其在0～-10 ℃之間時(shí)，飽和狀態(tài)下混凝土導(dǎo)熱系數(shù)驟增。

(3)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰、礦渣摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小且減小的幅度越來(lái)越大；當(dāng)粉煤灰、礦渣摻量為30%時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。

(4)對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與各因素之間關(guān)系進(jìn)行多元回歸，得到混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與各因素之間的預(yù)測(cè)方程：λ=-0.016T-2.047W/C-4.439SP+6.551V骨料+0.25Sr-1.617F/C-1.665K/C+5.675。該方程對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度條件下的預(yù)測(cè)有一定的參考價(jià)值。

需要指出的是，由于負(fù)溫條件下，孔隙水結(jié)冰，體積增大，只有當(dāng)孔隙率超過(guò)一定程度且飽和狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)多次正負(fù)溫交替變化才會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。本試驗(yàn)僅考察單次從正溫到負(fù)溫過(guò)程中不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)于多次正負(fù)溫交替變化對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響需要作進(jìn)一步的研究分析。