侯 風(fēng)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 450000)

高性能空心玻璃微珠水泥基復(fù)合材料的熱學(xué)試驗

侯 風(fēng)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 450000)

本文將從仿真和實驗相結(jié)合的角度建立高性能空心玻璃微珠水泥基復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化模型，研究微珠增強(qiáng)水泥后宏觀的熱性能與微珠空心結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系。本文研究的主要內(nèi)容有：宏觀熱學(xué)實驗：當(dāng)微珠摻入量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%時，將這些試件分別在JW～3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀上進(jìn)行熱學(xué)實驗，將宏觀熱學(xué)實驗得出的數(shù)據(jù)與有限元仿真分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

空心玻璃微珠；水泥基；復(fù)合材料；有限元分析；熱學(xué)行為

通過建立中空玻璃微珠增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的有限元計算模型，對中空玻璃微珠水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算；同時對空心玻璃微珠導(dǎo)熱特性和復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的一些控制參數(shù)對等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。從它的研究結(jié)果可知：復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)會隨著微珠填充的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出非線性的降低趨勢。主要原因是微珠內(nèi)部惰性氣體的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，并且內(nèi)部氣體占據(jù)了微珠大部分的體積，必然導(dǎo)致復(fù)合材料的整體導(dǎo)熱性能的急劇下降[1]。

一、試驗材料的選擇及配合比方案

本文通過對中空玻璃微珠填充體積對等效導(dǎo)熱系數(shù)熱學(xué)實驗研究，與數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。試驗方案采用的是水泥、砂子、水、微珠、減水劑按著一定的比例混合的拌合物，試驗是用空心玻璃微珠等量替換砂子制作而成的水泥基復(fù)合材料。本實驗中采用工程中最常用的C30型號普通水泥。

表1 試驗材料用量

本實驗使用的是中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司研發(fā)并提供的H60型空心玻璃微珠，微珠形狀為規(guī)則的球殼體，直徑大小為40～80微米，體積密度為0.6g/cm3，抗壓強(qiáng)度為9MPa；水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥；砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；水選用自來水；減水劑選用萘系粉末狀高效減水劑，鄭州建科混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的JKH-1型高效減水劑。

二、試件的制作

制作試件用水泥砂漿采用人工攪拌，為了避免玻璃微珠在攪拌過程中被撞擊、擠壓破壞。先把水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行預(yù)先攪拌，當(dāng)把其攪拌均勻后，在將微珠加進(jìn)去攪拌，當(dāng)這三種物質(zhì)全部攪拌均勻時，攪拌桶內(nèi)材料的顏色均勻，無單一材料顏色即攪拌均勻。然后在慢慢的加入適量的水。試塊的模具采用的尺寸為300mm×300mm×10mm。按表1中每個配合比均制作出3組試件。

(一)實驗設(shè)備簡介

實驗設(shè)備采用JW～3型熱流計式導(dǎo)熱儀，

1.主要技術(shù)參數(shù)如下：

測量范圍：試樣熱阻應(yīng)大于0.1m.k/w

熱板溫度：室溫～60℃

泠板溫度：室溫～5℃

試樣尺寸：300×300(mm)

電源電壓：～220V±20V AC50HZ

環(huán)境條件：溫度5～40℃、相對濕度<90%

測量誤差：≤±5%

2.儀器的構(gòu)造和原理

儀器有三部分組成

(1)主體部分：JW～3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的主體部分是有三部分組成：熱板、冷板、熱流計。熱板表面尺寸300mm×300mm×6mm，熱板是將銅板和加熱器緊密的結(jié)合在一起，熱板內(nèi)部設(shè)置控溫?zé)犭娕肌乜卮胧┎捎玫氖侵悄芑臏y量儀，用智能化的測量儀控制器來控制加熱電壓。冷卻板的規(guī)格尺寸為300mm×300mm×30mm，采用恒溫的冷水對鋁板進(jìn)行冷卻，采用螺旋形逆向流動的液體槽對進(jìn)出水進(jìn)行控制。冷板在工作臺上是可以自由移動的，這樣導(dǎo)熱儀的工作臺上就可以夾上不同厚度的試件。

(2)冷熱源及控制系統(tǒng)：JW～3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的熱源使用的是電子調(diào)壓器來進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的，這樣就能把我們預(yù)先設(shè)定的電壓進(jìn)行整流，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓就成為了直流電壓，控制熱板溫度主要是通過控溫系統(tǒng)。冷源是由壓縮機(jī)組、水槽、水泵、攪拌、加熱控制電路、水溫顯示燈組成了。

(3)智能化測量儀:89C52微電腦系統(tǒng)是智能化測量儀上采用的微電腦系統(tǒng)，這種微電腦系統(tǒng)共有十六個測量通道，第一條測量線路通道是標(biāo)準(zhǔn)鉑材料制作成的電阻進(jìn)行的測溫，第一條測量通道測到的溫度就是熱偶端點補(bǔ)償溫度。熱板側(cè)控溫?zé)犭娕及仓糜诘诙l通道，熱板側(cè)熱流計表面熱電偶位于第三、四通道，冷板側(cè)熱流計表面熱電偶位于第五、六路通道內(nèi)，從七路通道到十二路通道是測量工作臺裝置中各處的空氣溫度，而測量熱流計輸出熱電勢的高低是在第十三到十六路通道中進(jìn)行的。

(二)導(dǎo)熱系數(shù)測量的理論基礎(chǔ)——傅里葉導(dǎo)熱定律。熱力學(xué)第二定律表明：在一個物體里面的只要存在著溫度差，熱量就會自動的從高溫處傳到低溫處。這個過程就稱為熱傳遞的過程，熱傳遞這個能量傳遞的過程靠的是溫差的推動，此傳遞過程稱為熱傳遞過程。從熱量的傳遞機(jī)理上來分類，我們把熱的傳遞過程分為三類：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

要完成導(dǎo)熱這一過程必須需要滿足三個條件：(1)物體內(nèi)部有溫差的存在并且各部分物質(zhì)沒有宏觀的位移。(2)兩個溫度不同的物體接觸，擴(kuò)散過程是構(gòu)成微觀粒子的隨機(jī)熱運動，熱傳導(dǎo)是物質(zhì)的固有屬性。

一般說來，研究導(dǎo)熱問題的理論基礎(chǔ)就是導(dǎo)熱熱流速率方程，這個方程把物體內(nèi)特定地點、特點時間的溫度和導(dǎo)熱熱流密度聯(lián)系在一起，導(dǎo)熱熱流速率方程是傅里葉導(dǎo)熱定律。這個方程沒有精確的推導(dǎo)過程，而是通過實驗的現(xiàn)象長期的觀察總結(jié)出來的。傅里葉定律可以描述為：在各向同性的連續(xù)物體中，任何時刻、任何地點的局部導(dǎo)熱熱流密度數(shù)值與溫度梯度成正比例變化，但是方向是反向的[2]?？梢杂萌缦碌臄?shù)學(xué)表達(dá)式表示：

(1)

公式中的負(fù)號，表示溫度梯度的正方向與熱量傳遞的正方向不同，它們之間是相反的關(guān)系，公式中的λ是導(dǎo)熱系數(shù)。

物質(zhì)的導(dǎo)熱性能的強(qiáng)弱一般采用導(dǎo)熱系數(shù)的大小來表征，一個物質(zhì)熱性能的重要表征在熱傳導(dǎo)理論中采用導(dǎo)熱系數(shù)這個熱物理參數(shù)來表示。傅里葉定律直接定義并且給出了導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式：

(2)

導(dǎo)熱系數(shù)λ等于單位溫度梯度，單位時間內(nèi)垂直于單位面積上通過的熱流量。

在我們的工作中，許許多多的材料都有自己獨特的導(dǎo)熱系數(shù)，這些不同材料、不同導(dǎo)熱系數(shù)，一般都是通過不同的試驗方法測定的[3]。這些試驗方法的理論基礎(chǔ)大部分都是依據(jù)式2建立的，通過測量被測樣品的熱流和溫度梯度的基礎(chǔ)上測量出來的。

(三)空心玻璃微珠水泥基復(fù)合材料試驗結(jié)果。待儀器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，每隔15min記錄一次數(shù)據(jù)，觀察試驗數(shù)據(jù)，若試驗數(shù)據(jù)不是單調(diào)的往一個方向變化時，并且變化的幅度小于±3%。試驗結(jié)束。

(四)試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析。通過試驗測得的水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.28w/m·k，而水泥的導(dǎo)熱系0.93w/m·k，實際值是試驗值的3倍多，造成這種結(jié)果的原因很大一部分是由于試件制作過程中的人為因素，試件的表面粗糙不平。在試驗過程中試件與熱板、冷板的接觸不太嚴(yán)密，有一部分空氣存留在試件與熱、冷板之間。而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023w/m·k，因此試件的導(dǎo)熱系數(shù)試驗值偏小。

圖2 試驗數(shù)據(jù)與ABAQUS模擬數(shù)據(jù)

當(dāng)中空玻璃微珠摻量分別為5%，10%，15%，20%，25%，30%時，用ABAQUS仿真模擬軟件模擬出了中空玻璃微珠水泥材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并用數(shù)學(xué)軟件繪制出了導(dǎo)熱系數(shù)隨摻量的變化曲線(圖2)。 中空玻璃微珠摻量對中空玻璃微珠水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低的作用。中空玻璃微珠水泥基復(fù)合材料與沒有加中空玻璃微珠的純水泥(0.93w/m·k)相比，當(dāng)中空玻璃微珠填充水泥基的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%的時候，中空玻璃微珠水泥基復(fù)合材料實驗室測出的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1605w/m·k，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低了82.74%。而當(dāng)摻入量為30%時，用ABAQUS數(shù)值模擬出來水泥基的導(dǎo)熱系數(shù)0.1059w/m·k，此時拿純水泥的導(dǎo)熱系數(shù)與ABAQUS計算出來的導(dǎo)熱系數(shù)相比，導(dǎo)熱系數(shù)降低了88.61%。而且，隨著中空玻璃微珠摻量的增大，曲線出現(xiàn)了非線性的變化趨勢，而且這種趨勢是逐漸降低的[61]。

(五)實驗小結(jié)、存在的問題及展望。通過對中空玻璃微珠水泥基復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的研究可知，在水泥、砂子的攪拌過程中加入一定量的中空玻璃微珠能夠有效的降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠滿足中國建筑節(jié)能的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

目前，已經(jīng)研發(fā)出了中空玻璃微珠保溫混凝土，這種保溫混凝土的保溫性能優(yōu)越、使用方便、造價成本比較低。與常見的粘貼類的保溫材料相比，保溫混凝土能有效的減少施工的過程，減少了工程現(xiàn)場的濕作業(yè)。所以，我們對空心玻璃微珠水泥基復(fù)合材料的微觀探索研究和宏觀的導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗，是為了能研究出更好的墻體保溫材料。

本文把中空玻璃微珠作為輕質(zhì)隔熱水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)相，研究質(zhì)輕、隔熱、耐高溫的水泥砂漿復(fù)合材料，利用ABAQUS仿真模擬程序?qū)ξ⒂^模型進(jìn)行了仿真計算。同時利用JW-3型建筑材料熱流導(dǎo)熱儀對中空玻璃微珠水泥材料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的宏觀實驗。并對ABAQUS仿真計算的結(jié)果與導(dǎo)熱儀的測定結(jié)果進(jìn)行了對比分析。并得出了中空玻璃微珠水泥材料的導(dǎo)熱系數(shù)與微珠的分布、摻加、內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的依賴關(guān)系，并得出了以下結(jié)論：

(1)掌握了中空玻璃微珠水泥復(fù)合材料的配合比。

(2)宏觀熱學(xué)實驗表明：隨著中空玻璃微珠摻量的增加，中空玻璃微珠水泥材料的導(dǎo)熱系數(shù)是降低的。

在實驗室的熱工性能的實驗過程中，由于試件比較薄，在試件的安裝固定過程中，會造成部分的試件斷裂，在后續(xù)的研究試驗中，建議將試件的厚度加厚至30mm。在本文的水泥砂漿配合比的設(shè)計問題上，由于加入的中空玻璃微珠的粒徑比較小，在等量替換砂子的時，微珠的比表面積比較小，需要的水量就加大，由于水泥砂漿的強(qiáng)度等級時由水灰比(水泥量：用水量)決定的。當(dāng)加入玻璃微珠后，水泥砂漿的強(qiáng)度的降低也有可能是水灰比的變化引起的。在后續(xù)的研究中，希望能保持水泥和水用量不變情況下來研究復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度才是有意義的。也可以將水泥、水、砂子的用量不變的情況下，研究出一種外加劑，加入這樣外加劑下，可以使水的用量不變。我們會繼續(xù)往這個方向努力。也希望廣大科研人員致力于這方面的研究，為其后續(xù)研究提供參考。

[1]張賦. 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)仿真與性能預(yù)測一體化研究[D].蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2013.

[2]郝麗宏. 雙平板式導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的研制[D].天津: 天津大學(xué), 2004.

[3]羅濤. 電力電纜溫度場及載流量計算方法研究[D].重慶: 重慶大學(xué), 2009.

侯風(fēng)(1988-)，男，河南開封人，碩士，助教，研究方向:有限元理論與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。