?；⒅楸厣皾{的性能優(yōu)化設(shè)計

韓智強(qiáng),楊卓強(qiáng)

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024)

?

?；⒅楸厣皾{的性能優(yōu)化設(shè)計

韓智強(qiáng),楊卓強(qiáng)

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024)

基于傳熱學(xué)的基本理論，建立保溫隔熱模型，采用發(fā)泡技術(shù)提高材料保溫性能，通過正交試驗(yàn)尋求泡體與基本材料配比的最優(yōu)組合。結(jié)果表明：采用提出的優(yōu)化方案，?；⒅楸厣皾{的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度值均能較好滿足工程需求。

?；⒅?；保溫砂漿；正交試驗(yàn)；導(dǎo)熱系數(shù)；抗壓強(qiáng)度

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對?；⒅楸厣皾{有一定研究。Cerny[1]研究不同溫度、濕度和壓力條件下，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)、線性濕膨脹系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、水蒸氣的滲透系數(shù)和吸濕量等參數(shù)的變化規(guī)律；李珠[2]主要研究了?；⒅楸厣皾{的材料組成，并著重研究保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)；黃少文、曾亮[3]主要研究?；⒅楸厣皾{的性能優(yōu)化。

本文基于傳熱學(xué)的基本理論，以玻化微珠保溫砂漿為研究對象，采用發(fā)泡技術(shù)提高材料保溫性能，通過正交試驗(yàn)尋求泡體與基本材料配比的最優(yōu)組合，研究結(jié)果將為玻化微珠保溫砂漿工程應(yīng)用提供參考。

1　?；⒅楸厣皾{保溫隔熱機(jī)理分析

傳熱學(xué)[4]是主要研究物體間熱量傳遞變化規(guī)律的一門學(xué)科。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式分為三種：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

熱傳導(dǎo)是指在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物體之間不發(fā)生其相對位移，僅依靠微觀粒子的熱運(yùn)動產(chǎn)生熱量。由傅里葉定律可知，熱傳導(dǎo)中的熱流密度變化與同部位的溫度梯度成正比：

(1)

式中：q—熱流密度，W/m2;λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);“-”—熱傳導(dǎo)中溫度方向與熱流方向相反。

熱對流是由流體中各質(zhì)點(diǎn)間相對位移變化，導(dǎo)致熱量轉(zhuǎn)移方向的變化，包括自然對流和強(qiáng)迫對流，可通過牛頓冷卻方程描述：

Q=αF(tw-tf)

(2)

式中：α—對流換熱系數(shù)， W/(m2·K)；F—物體參與換熱的面積，m2；tw—固體表面溫度，K；tf—周圍流體介質(zhì)的溫度，K。

熱輻射是由于物體內(nèi)部原子振動而發(fā)出的一種電磁波能量傳遞。在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的相互輻射，在系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計算物體之間的熱輻射：

(3)

式中：q—熱流率；ε—物體輻射率，數(shù)值為0～1；σ—斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，一般取5.67×10-8W/(m2·K4)；A1—輻射面1的面積；F12—從輻射面1到輻射面2形狀系數(shù)值；T1—輻射面1的絕對溫度值；T2—輻射面2的絕對溫度值。

2　保溫隔熱模型建立

圖1　?；⒅榧?xì)部結(jié)構(gòu)圖

?；⒅楸厣皾{的傳熱模型是指砂漿漿體固化后形成的空間結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。砂漿漿體的固化過程[5-7]為：粉狀材料發(fā)生水化反應(yīng)后，形成成分復(fù)雜的膠凝體，隨著漿體中多余水分的蒸發(fā)，漿體逐漸失去可塑性并產(chǎn)生強(qiáng)度，將?；⒅楹屠w維緊密包裹在其中，最終形成保溫砂漿固化物。?；⒅楸厣皾{固化后，大量的?；⒅楹图?xì)纖維均勻地分布在以水泥以及其他材料組成的混合膠凝體固化物內(nèi)。因此，對玻化微珠保溫砂漿的固化物模型作如下假定：

(1)各類材料均勻分布；(2)?；⒅闉闅馀菥酆象w；(3)膠凝體為致密結(jié)構(gòu)。

為進(jìn)一步提高保溫砂漿性能，在基本配比的基礎(chǔ)上，本文提出材料優(yōu)化方案：在原有理論模型的基礎(chǔ)上，在玻化微珠保溫砂漿漿體中引入大量獨(dú)立、封閉的泡體，泡體的存在，相當(dāng)于增加了保溫砂漿模型中的氣泡聚合體的數(shù)量，可進(jìn)一步提高模型中單元體的熱阻值。在保證泡體直徑足夠小的情況下，優(yōu)化后的保溫砂漿模型仍符合原來保溫砂漿模型的所有假定，而其整體保溫性能可得到進(jìn)一步提高。

2.1試件制作

2.1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)固態(tài)材料的混合：將本次試驗(yàn)所要用到的所有固態(tài)材料作為一個整體，預(yù)先進(jìn)行混合，并攪拌均勻。攪拌均勻的固態(tài)料其實(shí)就是?；⒅楸厣皾{干粉料。

(2)液態(tài)材料準(zhǔn)備：主要是指液體發(fā)泡，將SKD液態(tài)發(fā)泡劑通過發(fā)泡裝置，制作出泡體。

2.1.2試驗(yàn)工具及磨具準(zhǔn)備

(1)主要試驗(yàn)工具：攪拌機(jī)、發(fā)泡裝置、天平、抹刀、刮杠、尺子等。為使試驗(yàn)?zāi)軐σ院蟮墓こ淌┕ぞ哂兄笇?dǎo)意義，本次試驗(yàn)所采用的攪拌設(shè)備是具備攪拌與輸送功能的移動式攪拌噴涂機(jī)。

(2)主要試塊磨具：模具A：300mm×300mm×30mm(用于制作測定導(dǎo)熱系數(shù)的試塊)。模具B：707mm×70.7mm×70.7mm(用于制作測定抗壓強(qiáng)度的試塊)。

2.1.3保溫砂漿引入泡體的攪拌

先將保溫砂漿干粉料加水進(jìn)行攪拌，待攪拌均勻時再加入泡體進(jìn)一步攪拌，直至砂漿漿體和易性達(dá)到施工要求。

2.1.4試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

將攪拌均勻的砂漿漿體通過輸送管流出后，立刻澆筑到期預(yù)先準(zhǔn)備的磨具中，待養(yǎng)護(hù)并達(dá)到強(qiáng)度要求時，即可拆模形成300mm×300mm×30mm的試塊和70.7mm×70.7mm×70.7mm的試塊。

保溫砂漿試件制作完成后，應(yīng)將試件放置在(20±5)℃的溫度條件下，放置1～2晝夜，隨后對該試件進(jìn)行編號并拆模。試件拆模后，在溫度(20±3)℃，相對濕度90%以上條件下，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d，然后對養(yǎng)護(hù)試件進(jìn)行測定。

2.2試塊測定

2.2.1試塊導(dǎo)熱系數(shù)測定

(1)測試方法的選擇

導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)法測定的方法很多[8]，本文主要采用防護(hù)熱板法進(jìn)行測定，其測定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》[9]。

(2)試驗(yàn)儀器及測試方法

防護(hù)熱板法是基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理測試的方法，要求在主加熱板兩面均放置一塊相同冷板，被測試件放置在主板和冷板之間。主板加熱后，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，可根據(jù)傅里葉公式計算被測試件的導(dǎo)熱系數(shù)值。

本試驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)儀器是DRP-5W型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。

整個測試過程中，應(yīng)注意熱板、冷板實(shí)際值與設(shè)定值的差值變化，通過調(diào)節(jié)連接冷板水柱的位置來調(diào)節(jié)差值。當(dāng)溫度差值能穩(wěn)定在0.5℃以內(nèi)，并保證熱、冷板的實(shí)際差值在(20±0.5)℃時，2.5 h后，即可讀取測試值，作為本次測定的最終結(jié)果。

該測試方法要求在整個測試過程中，測試環(huán)境相對密閉，室溫為(20±3)℃。

2.2.2試塊的抗壓強(qiáng)度測定

因保溫砂漿試塊強(qiáng)度較低，所以采用50 t萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試塊的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

抗壓強(qiáng)度計算：

f=F/A

(4)

式中：f—試件立方體的抗壓強(qiáng)度測定值，MPa；F—試件破壞荷載，N；A—試件承壓面面積，mm2。以每組試件為6個，取每組試件測值的算術(shù)平均值為該組試件的測試抗壓強(qiáng)度值，其平均值精確計算至0.01MPa。當(dāng)6個測定值中極值與平均值的差值超出20%時，應(yīng)以測試組剩余試件測試的平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

3　保溫砂漿引入泡體正交試驗(yàn)

3.1正交試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選取的因素如下：

A、SKD型泡體加入量(與保溫砂漿漿體的體積比)；

B、原基本配比(指一般的玻化微珠保溫砂漿干粉料配比，但不包含減水劑)；

C、減水劑用量(與保溫砂漿干粉材料的質(zhì)量比)；

D、用水量(與保溫砂漿干粉材料的質(zhì)量比)。

其中，因素B(原基本配比)三種配比的保溫砂漿主要性能指標(biāo)見表1。

表1　因素B主要性能指標(biāo)

本正交試驗(yàn)的因素、水平見表2。

表2　正交試驗(yàn)因素、水平表

根據(jù)試驗(yàn)因素及水平個數(shù)，按正交表來安排試驗(yàn)，本次試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果分析

(1)導(dǎo)熱系數(shù)極差分析

根據(jù)極差分析，玻化微珠砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析(極差分析)

根據(jù)極差分析結(jié)果可以看出，泡體的添加量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，其次就是基本配比的差異對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，而減水劑的用量和加水量的影響不大，這四個因素的優(yōu)組合為：A6B1C3D2。

(2)導(dǎo)熱系數(shù)方差分析

方差分析的主要目的是通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)了解對所得結(jié)果有顯著影響的因素及其最佳水平，各因素間的相互作用等信息。

表5　玻化微珠保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)方差分析

從表5可看出，因素A和因素B均對導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響，而因素C和D對導(dǎo)熱系數(shù)無顯著影響，這與極差分析結(jié)果總體一致。結(jié)合極差分析的結(jié)果可知，在尋求對導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)化方案中，因素A要比因素B更顯著。因此，在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步確定優(yōu)化配比時，以因素A作為重點(diǎn)選擇因素，并對因素B適當(dāng)調(diào)整。

3.2.2抗壓強(qiáng)度的結(jié)果分析

(1)抗壓強(qiáng)度極差分析

?；⒅樯皾{抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表6。

表6　抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析(極差分析)

通過極差分析可以看出，因素A對抗壓強(qiáng)度的影響最大，為主要因素；因素B次之，而因素C影響最小，極差分析的優(yōu)組合為：A1B3C3D1。

(2)抗壓強(qiáng)度方差分析

玻化微珠保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方差分析見表7。

表7　?；⒅楸厣皾{抗壓方差分析

方差分析結(jié)果表明：因素A和因素B對抗壓強(qiáng)度的影響都比較顯著，因素C和D均不顯著，這與極差分析的結(jié)果也總體一致。結(jié)合極差分析結(jié)果，因素A較因素B要更顯著。因此，尋求對抗壓強(qiáng)度的優(yōu)選方案中，以泡體的添加量為優(yōu)先選擇，并適當(dāng)考慮基本配比的變化。

通過正交試驗(yàn)，選出的優(yōu)組合和主次順序?yàn)椋?/p>

(1)以導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度為主要的材料性能控制目標(biāo)，并以導(dǎo)熱系數(shù)作為優(yōu)先目標(biāo)，找出最優(yōu)的材料配比方案；

(2)以流動度為重要的施工性能控制目標(biāo)，找出最佳的減水劑添加量來使加水量的范圍適當(dāng)寬泛。

這兩大問題應(yīng)在一個優(yōu)化方案中同時解決，因此需要對各個因素綜合考量。通過正交試驗(yàn)，選出的優(yōu)組合和主次順序?yàn)椋?/p>

基于導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)先考慮原則，在以上三組方案中應(yīng)選取第一組方案，即A6B1C3D2。在應(yīng)用中即以此作為基礎(chǔ)選擇，并做適當(dāng)調(diào)整。

4　結(jié)論

(1)本文以玻化微珠保溫砂漿為研究對象，采用正交試驗(yàn)的方法得出保溫砂漿最佳配比組合。結(jié)果表明：采用提出的優(yōu)化方案，?；⒅楸厣皾{導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.06 W/(m·K)以下，低于常規(guī)無機(jī)類保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)值(0.07 W/(m·K))，較好地滿足工程應(yīng)用要求；

(2)采用優(yōu)化方案生產(chǎn)的?；⒅楸厣皾{經(jīng)測試，其抗壓強(qiáng)度值較好地滿足常規(guī)保溫材料的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性。

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Optimal design for glazed hollow bead thermal insulation mortar

HAN Zhi-qiang，YANG Zhuo-qiang

(SchoolofTransportationandlogistics,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on theory of heat transfer,thermal insulation model has been established using foaming technology to improve insulation performance.The optimized ratio between foam and basic material has been found by orthogonal test.The results shows that the thermal conductivity of the material and compression strength can better meet the engineering needs.The results can give reference to the engineering application of its material.

glazed hollow bead;thermal mortar;orthogonal test;thermal conductivity;compression strength

2016-01-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50778118)；太原科技大學(xué)博士啟動金項(xiàng)目(20142030)

韓智強(qiáng)(1987—)，男，山西晉中人，碩士，助教。

1674-7046(2016)03-0035-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.007

TQ 177.6

A