一種測定輕骨料導熱係數的方法與流程
2023-06-14 20:12:02 1
本發明涉及建築材料和細觀力學的交叉領域，尤其涉及一種測定輕骨料導熱係數的方法。
背景技術：
導熱係數是工程材料重要的性能參數，可視為衡量材料在一定溫度差下的保溫性能，其值越大，當材料在兩側處於不同溫度下時，兩側之間熱量的傳輸越大，即保溫性能越差。正確地獲得輕骨料的導熱係數是確定輕骨料混凝土在一定溫度場下的保溫性能，研製高強輕骨料混凝土的基礎。目前輕粗骨料主要的產品為粘土陶粒和頁巖陶粒，常採用的輕細骨料有粘土陶砂和頁巖陶砂。由於輕骨料在高溫燒制後，產品已經是5-40mm的微小顆粒，採用傳統的方法通過導熱儀很難準確測出顆粒狀的骨料導熱係數，因此輕骨料的平均導熱係數很難估計，國內技術規範中還沒有標準的測量方法。國內外的相關測定技術中，測量材料的導熱係數一般有瞬態法和穩態法，穩態法包括平板法、護板法、熱流計法等；瞬態法包括熱線法、熱盤法、雷射法等。然而這些方法都不能很好的測量出顆粒和粉末狀材料的導熱係數。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中難以測量輕骨料的導熱係數的缺陷，提供一種測定輕骨料導熱係數的方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
本發明提供一種測定輕骨料導熱係數的方法，包括以下步驟：
S1、製備混凝土試件，通過試驗確定導熱係數：確定水泥漿、水泥砂漿或混凝土各組分的配合比，按標準製作試件，並通過試驗測定水泥漿、水泥砂漿或混凝土的導熱係數；
S2、利用均勻質法的迭代稀釋模型推導輕骨料的導熱係數；
S21、根據迭代法，將輕骨料的體積比分成n等份，得到第i次迭代的體積比；其中，輕粗骨料的體積比計算公式為：
輕細骨料的體積比計算公式為：
其中，Va為輕粗骨料總的體積比，Vb為輕細骨料總的體積比，i＝1,…,n，Vm為水泥砂漿總的體積比，V0為水泥漿總的體積比；
S22、根據稀釋模型，結合試驗得到的各組成材料的導熱係數和體積比，推導組合物的等效導熱係數，得到最終的導熱係數；其中：
組合物為混凝土時，稀釋模型的計算公式為：
組合物為水泥砂漿時，稀釋模型的計算公式為：
其中，為水泥砂漿的導熱係數的初始值，為水泥漿的導熱係數的初始值，為計算所得的混凝土的導熱係數的最終值，為計算所得的水泥砂漿的導熱係數的最終值，λa為輕粗骨料的導熱係數，λb為輕細骨料的導熱係數；
S23、通過計算機軟體，循環執行步驟S21和步驟S22，直到i＝n結束循環；
S24、比較計算得到的組合物最終的導熱係數與試驗得到的導熱係數之間的誤差，若誤差大於規定的限值，返回步驟S21；若誤差小於或等於規定的限值，則終止計算過程，當前計算得到的λa或λb為輕粗骨料或輕細骨料的導熱係數。
進一步地，本發明的步驟S1中確定水泥漿、水泥砂漿或混凝土各組分的配合比的方法具體為：
A，確定水泥漿的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55範圍內；
B，確定水泥砂漿的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55範圍內，保持水泥砂漿中水泥漿的配合比不變，按照體積比V0，加入細骨料，確定水泥砂漿中各種組分的配合比，每一種水泥砂漿試件中的水泥漿配比和純水泥漿的配比保持一致，細骨料體積佔整個水泥砂漿的比例控制在25％-60％；
C，確定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂漿的配合比不變，按照體積比Va，加入粗骨料，確定混凝土內各種組分的配合比，每一種輕骨料混凝土試件中的水泥砂漿的配比和純水泥砂漿試件的配比一致，輕骨料體積Va佔整個混凝土體積的比例控制在20％-50％範圍內。
進一步地，本發明的步驟S1中水泥砂漿和混凝土，其各組成成分的質量比為：
水泥漿：水泥：水＝1：x
水泥砂漿：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂＝1﹕x﹕y﹕z；
混凝土：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂﹕輕粗骨料＝1﹕x﹕y﹕z﹕a；
其中，x為水灰比，y、z的取值由各自在細骨料總體積中所佔比例與其表觀密度換算決定；a的取值根據輕骨料體積比Va和輕骨料表觀密度共同確定。
進一步地，本發明的步驟S1中按標準製作試件的方法具體為：
在攪拌前浸泡輕骨料24-48小時，從水中取出輕骨料，在篩網上晾置20-25分鐘，等表面水分濾淨，開始攪拌，攪拌操作程序為：
a，依次在攪拌機中放入：輕粗骨料，水泥，河砂，陶砂攪拌1-2分鐘；
b，一邊攪拌一邊將拌合水勻速地加入攪拌機，用時2-3分鐘；
c，水倒完以後，混合物繼續攪拌3-4分鐘後，結束攪拌，步驟a、步驟b和步驟c的總體攪拌時間控制在10分鐘以內，同樣配比的試件每組做3個樣本，製作尺寸為300×300×40mm的長方體試件，養護時間28天，保持恆溫恆溼狀態，溫度18-22℃，相對溼度≥95％。
進一步地，本發明的步驟S1中通過試驗測定水泥漿、水泥砂漿或混凝土的導熱係數的方法具體為：
a，在試驗前，對上下板面進行平整度處理；將3個混凝土樣本依次放入耐馳HFM436導熱儀中進行導熱係數的測定，選取的測試條件為上下板面溫差20℃，平均溫度20℃，測出導熱係數λa；
b，在相同條件下採用導熱儀測定水泥砂漿和水泥漿的導熱係數λm和λ0。
進一步地，本發明的步驟S21中將輕骨料的體積比分成n等份的方法為：
n的取值保證每次迭代的體積比≤1％。
進一步地，本發明的步驟S24中比較計算得到的組合物最終的導熱係數與試驗得到的導熱係數之間的誤差的方法為：
令混凝土導熱係數的計算值為水泥砂漿導熱係數的計算值為通過以下公式比較混凝土導熱係數的計算值與試驗值的誤差：
通過以下公式比較水泥砂漿導熱係數的計算值與試驗值的誤差：
其中，誤差為Δ，誤差的規定限值為η；
誤差小於或等於規定的限值η，接受輕粗骨料的導熱係數λa或輕細骨料的導熱係數λb；
誤差超過限值η，轉回步驟S21，並調整輕粗骨料或輕細骨料的導熱係數。
本發明產生的有益效果是：本發明的測定輕骨料導熱係數的方法，特別適用於輕粗、細骨料顆粒細小，無法用傳統方法測量導熱係數的情況；測量時，沒有改變輕粗、細骨料的初始特徵，保證了測量對象的完好性；測量中，不必要一粒一粒地測量輕粗、細骨料顆粒的導熱係數後再做統計，可以從總體測量輕粗、細骨料的導熱係數，降低了由於試驗樣本的個體偏差造成誤差的可能性；通過本測量求出的輕粗、細骨料導熱係數比較準確地反映了混凝土或水泥砂漿材料內輕粗、細骨料的彈性特徵，為模擬混凝土或水泥砂漿導熱係數，製備輕骨料混凝土提供了優質的試驗數據。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1是本發明實施例的利用均勻質法的迭代稀釋模型推導輕骨料的導熱係數的方法流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1所示，本發明實施例的測定輕骨料導熱係數的方法，包括以下步驟：
S1、製備混凝土試件，通過試驗確定導熱係數：確定水泥漿、水泥砂漿或混凝土各組分的配合比，按標準製作試件，並通過試驗測定水泥漿、水泥砂漿或混凝土的導熱係數；
S2、利用均勻質法的迭代稀釋模型推導輕骨料的導熱係數；
S21、根據迭代法，將輕骨料的體積比分成n等份，得到第i次迭代的體積比；其中，輕粗骨料的體積比計算公式為：
輕細骨料的體積比計算公式為：
其中，Va為輕粗骨料總的體積比，Vb為輕細骨料總的體積比，i＝1,…,n，Vm為水泥砂漿總的體積比，V0為水泥漿總的體積比；
S22、根據稀釋模型，結合試驗得到的各組成材料的導熱係數和體積比，推導組合物的等效導熱係數，得到最終的導熱係數；其中：
組合物為混凝土時，稀釋模型的計算公式為：
組合物為水泥砂漿時，稀釋模型的計算公式為：
其中，為水泥砂漿的導熱係數的初始值，為水泥漿的導熱係數的初始值，為計算所得的混凝土的導熱係數的最終值，為計算所得的水泥砂漿的導熱係數的最終值，λa為輕粗骨料的導熱係數，λb為輕細骨料的導熱係數；
S23、通過計算機軟體，循環執行步驟S21和步驟S22，直到i＝n結束循環；
S24、比較計算得到的組合物最終的導熱係數與試驗得到的導熱係數之間的誤差，若誤差大於規定的限值，返回步驟S21；若誤差小於或等於規定的限值，則終止計算過程，當前計算得到的λa或λb為輕粗骨料或輕細骨料的導熱係數。
在本發明的另一個具體實施例中，該方法的步驟為：
A、製備混凝土試件，通過試驗確定導熱係數：
(1)確定水泥砂漿和混凝土各組分的配合比：為三個層次；A，確定純水泥漿的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55範圍內；B，確定純水泥砂漿的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55範圍內，保持水泥砂漿中水泥漿的配合比不變，按照體積比V0，加入細骨料，確定水泥砂漿中各種組分的配合比，每一種水泥砂漿試件中的水泥漿配比和純水泥漿的配比保持一致，細骨料體積V0佔整個水泥砂漿的比例控制在25％-60％；C，確定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂漿的配合比不變，按照體積比Va，加入粗骨料，確定混凝土內各種組分的配合比，每一種輕骨料混凝土試件中的水泥砂漿的配比和純水泥砂漿試件的配比一致，輕骨料體積Va佔整個混凝土體積的比例控制在20％-50％範圍內；
水灰比為x的水泥砂漿和混凝土,其各組成成分的質量比為：
水泥漿：水泥：水＝1：x
水泥砂漿：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂＝1﹕x﹕y﹕z；
混凝土：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂﹕輕粗骨料＝1﹕x﹕y﹕z﹕a；
y、z的取值由各自在細骨料總體積中所佔比例與其表觀密度換算決定；
a的取值根據輕骨料體積比Va和輕骨料表觀密度共同確定。
(2)按標準製作試件：為避免輕粗骨料在攪拌過程中吸水，在攪拌前浸泡24-48小時，在攪拌前，輕骨料從水中取出，在篩網上晾置20-25分鐘，等表面水分濾淨，開始攪拌，攪拌操作程序為：a，依次在攪拌機中放入：輕粗骨料，水泥，河砂，陶砂攪拌1-2分鐘；b，一邊攪拌一邊將拌合水勻速地加入攪拌機，用時2-3分鐘；c，水倒完以後，混合物繼續攪拌3-4分鐘後，結束攪拌，上述a，b，c的總體攪拌時間控制在10分鐘以內，同樣配比的試件每組做3個樣本，製作尺寸為300×300×40mm的長方體試件，養護時間28天，保持恆溫恆溼狀態，溫度18-22℃，相對溼度≥95％；
(3)確定水泥砂漿和混凝土的導熱係數：按照下列步驟：a，將3個混凝土樣本依次放入耐馳HFM436導熱儀中進行導熱係數的測定，選取的測試條件為上下板面溫差20℃，平均溫度20℃，測出導熱係數λa；b，在相同條件下採用導熱儀測定水泥砂漿和水泥漿的導熱係數λm、λ0。在試驗前，對上下板面進行平整度處理；
B、利用均勻質法的迭代稀釋模型推導輕骨料的彈性模量：
均勻質法假設輕粗骨料(輕細骨料)是微觀雜質，均勻地分布在水泥砂漿(或水泥漿)為基質的均質材料中，把混凝土(或水泥砂漿)視為雙相均勻質材料，這樣雜質和基質共同構成了材料整體，混凝土(或水泥砂漿)整體的等效導熱性能是由其內在各種組成的材料自有導熱性能和所佔比重控制，均勻質法衍生出不同的細觀模型，其中一種為稀釋模型：輕粗骨料(或輕細骨料)顆粒是圓球形，均勻分散在水泥砂漿(或水泥漿)基質中，輕粗骨料(或輕細骨料)顆粒之間沒有相互影響，在雜質體積含量比較小≤1％，在稀釋模型的上融入了迭代法：把雜質分割後放入基質，每份體積含量控制，保證體積比，雜質﹕基質小於或等於1％；每次加入後計算本次組合物的整體導熱性能；然後這個整體作為中間狀態下的一個新的基質，等待下一份雜質的摻入；不斷迭代，一直到所有的雜質融入基質，成為最終的組合物，這種模型為迭代稀釋模型；
利用迭代稀釋模型倒推出輕粗骨料(或輕細骨料)的導熱係數，先正推組合物的導熱係數，其計算步驟：在以下描述中，下標0表示水泥漿，m表示水泥砂漿，a表示輕粗骨料，b表示輕細骨料，c表示混凝土：
(1)第一步：根據迭代法，把輕粗骨料(或輕細骨料)總的體積比Va(或Vb)分成n等份，n的取值保證每次迭代的體積比≤1％，以雜質體積比是28％為例，n≥50；其中第i次迭代的體積比為，i＝1,…,n，其公式為：
或
第二步：根據稀釋模型的公式，利用各組成材料的導熱係數和體積比，推導組合物的等效導熱係數：
當組合物為混凝土時：
當組合物為水泥砂漿時：
其中，初始值(或)，即初始取值是水泥砂漿(或水泥漿)的導熱係數；當i＝n時，最終值(或)，即最終值為計算所得混凝土(或水泥砂漿)的導熱係數；
以上的過程通過計算機編製程序，不停循環，一直計算到i＝n結束。
(3)第三步：以上的步驟是從各種組成成分的導熱係數出發推導組合物的整體導熱係數的方法。反過來，令混凝土(或水泥砂漿)導熱係數的計算值(或)，利用公式4計算混凝土(或水泥砂漿)導熱係數的計算值和試驗測量值(或)的誤差Δ；誤差小於或等於規定的限值η，接受輕粗骨料(或輕細骨料)的導熱係數λa；誤差超過限值η，轉回第一步，調整輕粗骨料(或輕細骨料)的導熱係數λa(或λb)，比如當時，減少λa；當時，增加λa；重複上述步驟，當計算誤差Δ小於或等於規定的限值η條件下，終止上述過程，此時λa(或λb)即為輕粗骨料(或輕細骨料)的導熱係數：
或
下面結合幾個具體實施例的數據進行說明。
實施例1：
組合物為水泥砂漿，堆積密度為792kg/m3的頁巖陶砂的導熱係數測定。
原材料的準備：
細骨料：頁巖陶粒，粒徑0-3mm、堆積密度792kg/m3。
水泥：強度等級42.5的普通矽酸鹽水泥，相對密度3.1，比表面積3590cm2/g。
一種測定輕細骨料導熱係數的方法，其步驟是：
1)製備試件和進行試驗確定導熱係數
(a)確定配合比：當水灰比為0.35、0.45、0.55時，下表確定了水泥砂漿各組成材料的配合比(表1)。另外，當輕細骨料的體積比為0時，即表示水泥漿，不再單獨列出。
表1.水泥漿和水泥砂漿的配合比
(b)製作試件：依次在攪拌機中放入水泥、頁巖陶砂，攪拌1分鐘；將水勻速地加入攪拌機，用時2分鐘；最後等水倒完，繼續攪拌3分鐘，結束攪拌。每種配比，都製作3個同樣的試件，試件為長方體，尺寸為長300mm，寬300mm，高度40mm。養護時間為28天，養護溫度20℃，相對溼度≥95％。
(c)確定導熱係數：本實例選用的測量導熱係數的儀器為德國耐馳HFM436導熱儀。將每種配比下的水泥砂漿和水泥漿試件依次放入導熱儀中測量導熱係數。測量條件為，上下板面的溫度分別為10℃和30℃。通過上下板面的熱量傳感器可以計算板面熱量傳輸情況，結合計算機軟體計算試件的導熱係數。每組三個試件，求平均值，結果如下表(表2)。
表2.水泥砂漿和水泥漿的導熱係數的測量值
2)利用均勻質法的迭代稀釋模型推導細骨料的導熱係數
當水灰比為0.35，根據圖1的設計思路，用編寫計算程序。
第一步，根據公式3，令i＝1，假定λb＝0.2080W/(m·K)；根據實驗，確定λ0＝0.3476W/(m·K)。
第二步，令n＝100，根據公式1；
當Vb＝51％時，
第三步，循環迭代，求出水泥砂漿導熱係數。
當i＝1，
當i＝2，
……
當i＝n，
第四步，令η＝1％，對比誤差。
當Vb＝51％時，求得實驗測量值根據公式4，Δ＝1.8％>η，減小λb(可每次減小0.001，即Δλb＝0.001W/(m·K))，循環13次；最後求出Δ＝0.86％；確定頁巖陶砂的導熱係數為λb＝0.1950W/(m·K)。
同理，當水灰比分別為0.45、0.55時按照上述的步驟進行計算。
當水灰比為0.45，根據圖1的設計思路，用編寫計算程序。
第一步，根據公式3，令i＝1，假定λb＝0.1797W/(m·K)；根據實驗，確定λ0＝0.3054W/(m·K)。
第二步，令n＝100，根據公式1；
當Vb＝54％時，
第三步，第四步，同上。
當Vb＝54％時，求得實驗測量值根據公式4，Δ＝2.4％>η，減小λb(可每次減小0.001，即Δλb＝0.001W/(m·K))，循環12次；最後求出Δ＝0.75％；確定頁巖陶砂的導熱係數為λb＝0.1680W/(m·K)。
當水灰比為0.55，根據圖1的設計思路，用編寫計算程序。
第一步，根據公式3，令i＝1，假定λb＝0.1714W/(m·K)；根據實驗，確定λ0＝0.2574W/(m·K)。
第二步，令n＝100，根據公式1；
當Vb＝56％時，
第三步，第四步，同上。
當Vb＝56％時，求得實驗測量值根據公式4，Δ＝1.5％>η，減小λb(可每次減小0.001，即Δλb＝0.001W/(m·K))，循環8次；最後求出Δ＝0.75％；確定頁巖陶砂的導熱係數為λb＝0.1630W/(m·K)。
從結果可見，用不同水灰比下的試驗數據求出的細骨料的導熱係數十分接近。求以上三個數值的平均值，得到該堆積密度為792kg/m3的頁巖陶砂的導熱係數為λb＝0.1753W/(m·K)。
實施例2：
堆積密度為877kg/m3的頁巖陶粒的導熱係數測定。
原材料的準備：
輕粗骨料：粒徑4-10mm、堆積密度877kg/m3、表觀幹密度ρa＝1662kg/m3。
水泥：強度等級42.5的普通矽酸鹽水泥，相對密度3.1，比表面積3590cm2/g。
細骨料：河砂，堆積密度1539kg/m3。
一種測定輕骨料導熱係數的方法，其步驟是：
表5.水泥砂漿和混凝土的配合比
1)製備試件和進行力學試驗確定力學參數
(a)確定配合比：當輕粗骨料的體積比為＝23.2％時，上表確定了混凝土各組成材料的配合比(表5)。另外，當輕粗骨料的體積比為0時，即表示水泥砂漿，不再單獨列出。
(b)(c)兩步和實施例1相同。每組三個試件，求平均值，結果如下表(表6)。
表6.水泥砂漿和混凝土的導熱係數的測量值
2)利用均勻質法的迭代稀釋模型推導輕骨料的導熱係數
根據圖1的設計思路，用編寫計算程序。
第一步，根據公式3，假定＝0.2381W/(m·K)；根據實驗，確定＝0.4633W/(m·K)；。
第二、三和四步和實施例1相同。
令η＝1％；
當Va＝23.2％時，求得實驗測量值根據公式4，Δ＝0.4％η，減小λa(可每次減小0.001，即Δλa＝0.001W/(m·K))，循環18次；最後求出Δ＝0.88％；確定頁巖陶粒的導熱係數為λa＝0.2290W/(m·K)。
本發明提供了一種測定輕粗骨料(粘土陶粒、頁巖陶粒、膨脹珍珠巖、膨脹礦渣珠粉、煤灰陶粒等)和輕細骨料(粘土陶砂、頁巖陶砂等)導熱係數的方法。方法易行，操作簡便，特別適用於因輕骨料顆粒細小而無法用傳統方法測量導熱係數的情況，保證了測量對象的完好性，降低了由於試驗樣本的個體偏差造成誤差的可能性，通過本測量求出的輕骨料、細骨料的導熱係數比較準確地反映了混凝土材料內輕粗骨料(或輕細骨料)的導熱性能，為模擬混凝土和水泥砂漿導熱係數，製備輕骨料混凝土提供了優質的試驗數據。
本發明的方法利用細觀力學的均勻質法的迭代稀釋模型結合試驗數據測定輕質粗細骨料的導熱係數，該方法適用於正確評價輕骨料的導熱性能參數。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。