郭宇菲 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色建筑和節(jié)能建筑是當(dāng)前土木工程材料的研究熱點(diǎn)[1]。目前國內(nèi)對于保溫混凝土的研究主要是對混凝土內(nèi)摻入具有保溫性能的材料從而改善其熱工性能[2-3]。應(yīng)用在工程領(lǐng)域的阻熱材料種類繁多，性能也不同，而且其性能常常隨著溫度、施工條件、環(huán)境濕度和施工環(huán)境等因素不同而發(fā)生變化，從而影響其阻熱效果。根據(jù)材料材質(zhì)和形態(tài)不同可以劃分為不同的類型。按材質(zhì)可劃分為無機(jī)、有機(jī)和復(fù)合型保溫材料三大類；按形態(tài)可劃分為纖維狀、氣泡狀、微孔狀、復(fù)合型、塊狀、膏狀、粒狀、板狀等[4-5]。

許多學(xué)者對此展開了大量研究工作，如太原理工大學(xué)劉元珍和張澤平分別摻入玻化微珠降和煤矸石來低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)[6-8]，但卻存在降低混凝土強(qiáng)度的劣勢。本文在此基礎(chǔ)上，使用常用的陶粒和?；⒅樽鳛樽锜岵牧希瑩饺牖炷林袠?gòu)成多孔自保溫隔熱材料，對其基本性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測試。

1 自保溫隔熱機(jī)理分析

由陶粒、?；⒅榈戎瞥傻谋鼗炷敛牧?，也可以稱為多孔結(jié)構(gòu)的保溫材料。多孔結(jié)構(gòu)的保溫材料中有很多不規(guī)則封閉的圖形類似于多孔結(jié)構(gòu)材料中的封閉氣孔，它們之間具有一定的空隙。一定熱量從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域傳遞，為了能夠提高材料的保溫阻熱性能、就是讓熱量從高溫區(qū)到達(dá)低溫區(qū)的時間變長、路線變長。當(dāng)熱量開始傳遞時，在沒有碰到氣孔之前，一直是在固相中互相傳遞熱能。碰到氣孔以后熱量的傳遞過程就會發(fā)生變化，熱量傳遞的路線分為兩條，一條按原來的路線，繼續(xù)通過固相來傳遞，但傳遞的路線發(fā)生了改變，總的傳遞路線也會大大的增加，傳遞熱能的速度就會放緩；另一條路線是通過氣孔的內(nèi)部來傳遞熱能，包括高溫的固體表面上的氣體輻射和對流的傳熱，氣體的對流熱傳遞，熱傳導(dǎo)的氣體，熱氣體上的冷固體表面的輻射和對流的傳熱與固體表面的熱和冷的固體表面輻射傳熱。由于空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體的導(dǎo)熱系數(shù)，因此傳熱通過氣孔阻力很大，使得傳熱率大大降低，這就是該材料阻熱原理，由于材料含有大量的孔，所以改善阻熱效果[9-10]。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)z凝材料、粗骨料、細(xì)骨料和外加劑如表1所示。

材料組成 表1

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

混凝土的配合比為水泥：陶粒：石子：水=1∶1.84∶1.84∶0.45，采用正交方法對保溫混凝土進(jìn)行了多種配合比試驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，測試了試件的隔熱性能和力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)測試采用雙平板法導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試，抗壓強(qiáng)度采用萬能試驗(yàn)壓力機(jī)測試，獲得極限抗壓破壞荷載，利用公式fcu=F/A計算抗壓強(qiáng)度值，式中，fcu為試件抗壓強(qiáng)度，MPa；F為抗壓極限破壞荷載，kN；A為試件截面面積，m2。

針對試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對影響保溫隔熱混凝土的因素進(jìn)行了極差分析，得出影響因素的主次順序。本實(shí)驗(yàn)的因素水平見表2：因素A為陶粒摻量，取其占粗骨料用量的20%、40%和60%；因素B為?；⒅橛昧?，分別為60 kg/m3、100 kg/m3和140 kg/m3；因素C為粉煤灰用量，取占水泥用量的10%、20%和30%。

實(shí)驗(yàn)因素水平 表2

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照正交試驗(yàn)設(shè)計各組混凝土配合比，得到9組試驗(yàn)的各項室內(nèi)物理力學(xué)和導(dǎo)熱性能如表3所示，室內(nèi)試驗(yàn)部分試件照片如圖1所示。

正交試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果 表3

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)部分試件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度與保溫性能分析

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入陶粒和?；⒅楹螅捎谄浔旧韽?qiáng)度較低，替代了強(qiáng)度較高的粗骨料，其強(qiáng)度較普通混凝土有較大下降，且隨著摻入量越大，強(qiáng)度下降越多。而保溫隔熱性能卻有較大幅度的提高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，一般低于0.30 W/（m·K），較一般混凝土有較大的提高，說明材料的自保溫性能良好。

為了探究各影響因素對材料宏觀性能的影響順序，采用極差分析的方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。

3.2 極差分析

對材料抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。通過極差分析表作極差分析R值變化趨勢見圖2。由圖2可得，各因素對抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響由大到小均為：B?；⒅橛昧浚続陶粒摻量＞C粉煤灰摻量；?；⒅楹吞樟Ｊ怯绊懖牧峡箟簭?qiáng)度和保溫性能的主要因素，兩者極差相差不大。對于抗壓強(qiáng)度指標(biāo)而言，因素A的R值為3.77，因素B的R值為4.20；對于導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)而言，因素A的R值為0.0207，因素B的R值為0.0316；因素C粉煤灰摻量相較于前兩者，影響程度較小，R值也較小。

極差分析結(jié)果 表4

圖2 各影響因素R值趨勢圖

造成上述現(xiàn)象的原因在于，陶粒和?；⒅閾饺牖炷林?，使得材料中存在大量孔隙和氣體。此外，陶粒本身的強(qiáng)度較低，筒壓強(qiáng)度僅為1～2 MPa，顯著低于所替代的碎石，而?；⒅槌史勰睿瑥?qiáng)度依舊較低，因此導(dǎo)致混凝土表面密度、導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)度均降低。陶粒與碎石之間的界面強(qiáng)化度和機(jī)械嚙合作用下降，當(dāng)混凝土破壞時，陶粒本身容易受到破壞，同時界面也會遭到破壞，混凝土強(qiáng)度就會降低，而且過高的砂率很容易產(chǎn)生分層離析和泌水，導(dǎo)致混凝土穩(wěn)定性降低。

3.3 方差分析

對保溫隔熱混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5。

由表5方差分析表可知，對于抗壓強(qiáng)度，?；⒅閾搅坑绊戯@著，陶粒和粉煤灰摻量有一定影響；對于導(dǎo)熱系數(shù)，?；⒅楹吞樟搅坑绊戯@著，而粉煤灰摻量影響較小，且方差分析結(jié)果與極差分析類似，?；⒅楹吞樟搅繛橹饕绊懸蛩?，粉煤灰影響程度較小，為次要因素。

4 結(jié)論

①針對現(xiàn)有對綠色建筑、多功能建筑的要求，提出采用自保溫混凝土材料，利用陶粒、?；⒅楸旧矶嗫住①|(zhì)輕、阻熱、耐高溫的優(yōu)勢，摻入混凝土中以提高材料的保溫性能。

②設(shè)計了不同混凝土配合比的正交試驗(yàn)，對保溫混凝土材料的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，配制出的混凝抗壓強(qiáng)度在12.5～22.3 MPa之間，導(dǎo)熱系數(shù)在0.2089～0.2650 W/(K·m)之間，可見其保溫性能明顯提高而強(qiáng)度值也有所下降，原因在于多孔的陶粒和玻化微珠本身強(qiáng)度較低，同時延長了熱量傳遞路徑的同時，增強(qiáng)保溫性能。

③通過極差分析可得，三個影響因素對材料性能的影響順序均為?；⒅閾搅浚咎樟搅浚痉勖夯覔搅浚仪皟烧邔儆谥饕绊懸蛩?，后者屬于次要影響因素；通過方差分析可得，對于抗壓強(qiáng)度，?；⒅閾搅坑绊戯@著，陶粒和粉煤灰摻量有一定影響，對于導(dǎo)熱系數(shù)，?；⒅楹吞樟搅繛橹饕绊懸蛩?，粉煤灰影響較小。

抗壓強(qiáng)度方差分析 表5