珊瑚砂混凝土熱濕物性參數(shù)研究

王瑩瑩, 黃津津, 王登甲, 劉艷峰, 劉加平

(1.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

珊瑚沉積物可以用作混凝土中的骨料[1],與傳統(tǒng)混凝土相比,珊瑚砂混凝土具有更好的耐腐蝕性、更低的密度和細(xì)度模量,用珊瑚砂制作的輕質(zhì)混凝土砌塊在島嶼地區(qū)已廣泛應(yīng)用[2].由于地理位置限制,將河砂輸送到島嶼施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)大大增加成本[3],利用珊瑚砂不僅可以降低工程造價(jià),而且能夠提高建筑的耐腐蝕性，以適應(yīng)海水的干燥-潤(rùn)濕循環(huán)環(huán)境.因此，眾學(xué)者對(duì)珊瑚砂混凝土的抗壓及耐久性能開(kāi)展了許多研究[4-6],但對(duì)其熱濕物性參數(shù)的研究并不多見(jiàn).

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)受骨料類型、孔隙率及干濕狀態(tài)等的影響,且溫濕度對(duì)其影響較大[7].因?yàn)樵诟邷馗邼褡饔孟?液態(tài)水在材料內(nèi)部孔隙的儲(chǔ)存、蒸發(fā)與遷移,使傳熱過(guò)程變?yōu)槿?固、液、氣)熱傳導(dǎo).Khoukhi等[8]認(rèn)為必須要求建筑保溫材料制造商提供產(chǎn)品在不同工作溫度和濕度下的導(dǎo)熱系數(shù),以準(zhǔn)確進(jìn)行建筑能耗的評(píng)估,當(dāng)絕緣層含水率分別為0%與30%時(shí),建筑冷負(fù)荷相差8%.輕質(zhì)骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱對(duì)水分含量有很大的依賴性[9],其導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增加而增加[10-12],且孔隙率越大含濕量對(duì)其有效導(dǎo)熱系數(shù)影響越明顯[13].因此,將材料干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)用于高溫高濕地區(qū)的建筑能耗計(jì)算，將導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確、冷凝風(fēng)險(xiǎn)增大等問(wèn)題[14].

在低緯度島礁地區(qū),建筑常年處在高溫高濕的環(huán)境中,建筑傳熱與傳濕過(guò)程相互耦合,且忽略溫濕度對(duì)建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響必然造成建筑能耗計(jì)算的不準(zhǔn)確.吸水系數(shù)和等溫吸濕曲線是建筑熱濕耦合傳遞過(guò)程計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù),吸水系數(shù)常用于評(píng)估建筑材料由于毛細(xì)作用對(duì)吸水速率的影響,等溫吸濕曲線可以反映出吸附水對(duì)相對(duì)濕度的依賴性.因此,本文對(duì)低緯度島礁地區(qū)新興的珊瑚砂混凝土(CSC)的熱濕物性參數(shù)進(jìn)行研究,利用微粒學(xué)水銀孔隙度儀獲得了CSC的孔隙率及孔徑分布;研究了溫濕度對(duì)CSC導(dǎo)熱系數(shù)的影響,得到了CSC的導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度變化的函數(shù)關(guān)系式、CSC的吸水系數(shù)及等溫吸濕曲線,為準(zhǔn)確計(jì)算建筑能耗及建筑熱濕傳遞研究提供基礎(chǔ)參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

從工程中的小型珊瑚砂混凝土砌塊上截取所需試件,珊瑚砂混凝土配合比如表1所示.將混凝土制作成1～5mm的顆粒用于壓汞試驗(yàn),測(cè)試材料的孔隙率和孔徑分布.根據(jù)ASTM C1794—2015《用部分浸泡法測(cè)定吸水系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，制作了3塊吸水面積大于等于100cm2的試件,用于材料的吸水系數(shù)測(cè)試.根據(jù)GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定-防護(hù)熱板法》,制作2塊尺寸為200mm×200mm的試件,用于穩(wěn)態(tài)保護(hù)熱板法測(cè)試不同溫度下試件的導(dǎo)熱系數(shù).制作3塊尺寸大于傳感器面積(25mm×40mm)的試件,用于瞬態(tài)法測(cè)試材料在不同濕度下的導(dǎo)熱系數(shù).導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試用試件的平均密度為1615.02kg/m3,其參數(shù)如表2所示.

表1 珊瑚砂混凝土配合比

表2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試件的參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

用Auto Pore IV 9500 V1.09微粒學(xué)水銀孔隙度儀測(cè)試CSC的孔隙率及孔徑分布,其測(cè)量范圍為0～6×105nm,精度為±0.1%,工作壓力為414MPa.參考ASTM C1794—2015，用自行搭建的試驗(yàn)裝置測(cè)試CSC的吸水系數(shù),裝置示意圖如圖1所示.用德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的GHP456型穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試在不同溫度下干燥CSC材料的導(dǎo)熱系數(shù),其測(cè)量范圍為0.01～2.00W/(m·K),測(cè)量精度為±0.1%.用基于平面源原理設(shè)計(jì)[15]的西安夏溪科技生產(chǎn)的TC3000型瞬態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試不同濕度工況下CSC材料的導(dǎo)熱系數(shù),其測(cè)試范圍為0.005～10.000W/(m·K),精度為±3%;為了構(gòu)造具有穩(wěn)定相對(duì)濕度的環(huán)境,將材料放置在德國(guó)Binder公司生產(chǎn)的KMF115型恒溫恒濕箱中,其控溫范圍為-10～100℃,精度為±2%,濕度調(diào)節(jié)范圍為0%～100%,精度為±3%.

圖1 吸水系數(shù)測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the water absorption coefficient test device

1.3 試驗(yàn)方法

利用微粒學(xué)水銀孔隙度儀,汞在不同壓力下,將侵入不同孔徑大小的孔內(nèi),從而測(cè)試材料的孔徑分布及孔隙率.測(cè)量材料的吸水系數(shù)時(shí),首先將試件干燥并將其周圍用石蠟密封以防止水的入侵,然后將材料放入水箱內(nèi)的支架上,使試件底部被水浸沒(méi)1.0～1.5cm,在一定時(shí)間段內(nèi)取出并擦干試件底部的液態(tài)水,稱取試件此時(shí)的質(zhì)量.

干燥CSC材料在不同溫度工況下的導(dǎo)熱系數(shù)直接利用GHP456測(cè)得,考慮中國(guó)不同地區(qū)的氣候變化及建筑實(shí)際所處環(huán)境的溫度波動(dòng)范圍,將工況設(shè)置為-20～50℃,每隔10℃測(cè)試1次.測(cè)量CSC材料在不同濕度下的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),需要將材料放置在不同濕度環(huán)境中達(dá)到熱濕平衡,為保證其熱濕狀態(tài)不發(fā)生改變,直接在恒溫恒濕箱內(nèi)測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù).溫度取25、35℃,相對(duì)濕度取0%、30%、50%、70%、85%、100%,試驗(yàn)主要過(guò)程如下：

(1)將試件放入鼓風(fēng)干燥箱,105℃下烘干至恒重(連續(xù)3次間隔24h測(cè)得試件的質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%),將烘干后的試件用保鮮膜包裹冷卻至室溫,取試件此時(shí)的質(zhì)量為其初始質(zhì)量m0.

(2)將試件放入恒溫恒濕箱,設(shè)定對(duì)應(yīng)的溫濕度.在每個(gè)工況下放置3d后,每隔24h進(jìn)行1次測(cè)量,直至試件在連續(xù)3次測(cè)得的質(zhì)量變化率小于0.1%則認(rèn)為達(dá)到平衡.

(3)利用瞬態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量材料在不同溫濕度工況下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),每種工況下測(cè)量10組,結(jié)果取其平均值.同時(shí)用試件平衡時(shí)的質(zhì)量來(lái)計(jì)算材料在該工況下的含濕量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

2 結(jié)果與分析

2.1 CSC的孔隙率和孔徑分布

CSC的總孔隙率(體積分?jǐn)?shù))為28.76%,其內(nèi)部孔徑分布如圖2所示.由圖2可見(jiàn),CSC的平均孔徑較小,孔體積增速最大值出現(xiàn)在孔徑30～40nm,占總孔隙的3.81%.由于儀器測(cè)試精度的限制,大于6×105nm的孔徑無(wú)法細(xì)分.

圖2 CSC內(nèi)部孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of CSC

2.2 CSC的吸水系數(shù)

圖3 CSC吸水量測(cè)試曲線Fig.3 Test curve for CSC water absorption

圖3為CSC吸水量測(cè)試曲線,即在吸水過(guò)程中材料單位面積的吸水量Δm′tf隨時(shí)間變化的曲線.根據(jù)ISO 15148—2002《建筑材料和產(chǎn)品的熱濕特性-部分浸入法測(cè)定吸水系數(shù)》,可利用圖3數(shù)據(jù)計(jì)算材料的小時(shí)吸水系數(shù).由圖3可見(jiàn)：CSC單位面積的質(zhì)量增量隨時(shí)間的變化是1條曲線,曲線的斜率緩慢減小,在24h以后趨于穩(wěn)定,此時(shí)在試件表面觀測(cè)到明水,這表明液態(tài)水已經(jīng)傳遞到試樣上表面.材料的小時(shí)吸水系數(shù)Ww,24和含濕量U的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：Δmtf為材料的吸水量,即試樣在tf時(shí)刻與初始時(shí)刻的質(zhì)量差,單位為kg.

2.3 不同溫度下干燥CSC的導(dǎo)熱系數(shù)

圖4為不同溫度下CSC的導(dǎo)熱系數(shù)λθ及相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)λθ/λ20,其中相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)為不同溫度下材料導(dǎo)熱系數(shù)與20℃時(shí)材料導(dǎo)熱系數(shù)λ20的比值.由圖4可見(jiàn)：在低溫-20～10℃階段,導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高略有增大,增長(zhǎng)率為0.55%;在中溫10～20℃階段,導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)明顯降低,降低率為1.54%,這可能是由于材料本身的比熱變化[9]的影響;在高溫20～50℃階段,導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)率約為0.47%；與20℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)相比,CSC導(dǎo)熱系數(shù)最高增長(zhǎng)約1.02倍,這說(shuō)明不考慮相對(duì)濕度,在建筑環(huán)境可達(dá)到的溫度范圍內(nèi),溫度對(duì)CSC導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小.

圖4 不同溫度下CSC的導(dǎo)熱系數(shù)及相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)Fig.4 Thermal conductivity and relative thermal conductivity of CSC under different temperature conditions

2.4 CSC的等溫吸濕曲線

圖5 CSC的等溫吸濕曲線Fig.5 Moisture sorption isotherms of CSC

根據(jù)不同濕度下CSC含濕量的變化,繪制了CSC的等溫吸濕曲線,如圖5所示.由圖5可見(jiàn),等溫吸濕曲線分為3個(gè)階段：第1階段,相對(duì)濕度0%～30%,CSC含濕量平穩(wěn)增加;第2階段,相對(duì)濕度30%～85%,CSC含濕量增加緩慢;第3階段,相對(duì)濕度85%～100%,CSC含濕量迅速增加.這主要是因?yàn)樵诘拖鄬?duì)濕度下CSC孔內(nèi)多為濕空氣,隨著相對(duì)濕度的增加,濕空氣逐漸填充以至于其孔隙內(nèi)的水蒸汽分壓力增高,且由于孔隙逐漸被濕空氣充滿所以含濕量增長(zhǎng)緩慢,進(jìn)一步增大相對(duì)濕度,其內(nèi)部水蒸汽分壓力進(jìn)一步增大,這時(shí)材料內(nèi)部出現(xiàn)液態(tài)水,且液態(tài)水逐漸增多甚至吸附到孔壁上形成水橋[16],導(dǎo)致其含濕量迅速增大.

2.5 不同相對(duì)濕度下CSC的導(dǎo)熱系數(shù)

當(dāng)濕空氣滲入材料內(nèi)部時(shí),隨著相對(duì)濕度的變化,材料孔隙內(nèi)部可能出現(xiàn)氣態(tài)、氣液共存態(tài)和液態(tài),繼而存在水蒸汽的儲(chǔ)存、蒸發(fā)與遷移的過(guò)程,使材料內(nèi)部的濕分布發(fā)生變化,其傳熱傳濕過(guò)程高度耦合[7,13],將造成導(dǎo)熱系數(shù)的巨大變化.孔隙率的差異使材料導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度的變化幅度不同,且由于孔徑分布的差異,導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加變化速率也不同.

圖6為CSC導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度的變化曲線.由圖6可見(jiàn)：其導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),這與文獻(xiàn)[17]中所研究材料在不同溫濕度下導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)相同,并與文獻(xiàn)中得到的相對(duì)濕度與導(dǎo)熱系數(shù)呈非線性關(guān)系的結(jié)論相似[9,11-13,16-18];當(dāng)相對(duì)濕度從0%增至100%時(shí),CSC的導(dǎo)熱系數(shù)在25℃ 下的增長(zhǎng)率約為29.5%,在35℃下的增長(zhǎng)率約為49.0%.

圖6 CSC導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度的變化Fig.6 Thermal conductivity of CSC changes with relative humidity

由圖6還可見(jiàn)：混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度的增高而增大,且該過(guò)程可分為3個(gè)階段,隨濕度的增加,第1階段導(dǎo)熱系數(shù)緩慢上升,第2階段導(dǎo)熱系數(shù)變化趨于平緩,第3階段導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加.這和CSC的等溫吸濕特性相符合,一方面,由CSC的吸濕曲線可以看出隨著相對(duì)濕度的增加含濕量有1個(gè)趨于平緩的變化過(guò)程,導(dǎo)熱系數(shù)在這個(gè)階段增加緩慢;另一方面,混凝土中的被困水可能以氣液平衡的方式存在[9].低相對(duì)濕度時(shí),部分濕空氣進(jìn)入孔的內(nèi)部,導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加;相對(duì)濕度進(jìn)一步增大時(shí),其導(dǎo)熱系數(shù)顯示出平穩(wěn)甚至稍有下降的趨勢(shì),這可能是由于濕空氣開(kāi)始充滿其內(nèi)部的孔隙并與孔壁之間產(chǎn)生壓力,雖然濕空氣的填充會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)增大,但是其與孔壁之間的空氣層,相當(dāng)于1層接觸熱阻,在壓力作用下將對(duì)傳熱非常不利,這時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)將隨相對(duì)濕度上升的緩慢甚者有所降低;進(jìn)一步提升相對(duì)濕度,孔內(nèi)部的濕空氣開(kāi)始滲透,且孔內(nèi)逐漸變?yōu)闅庖汗泊鎽B(tài),對(duì)傳熱的阻礙將減小,這時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)又重新回升;在相對(duì)濕度增至100%時(shí),材料內(nèi)部液態(tài)水的含量大大增高,這時(shí)材料內(nèi)部氣液共存狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水居多狀態(tài),可以觀測(cè)到導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)迅速.

對(duì)比已有的研究[18-20],輕質(zhì)混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著水濕量的增加先迅速增加后趨于平緩,且試驗(yàn)多是利用浸泡法改變材料的含濕量,這種情況下材料含濕量的變化完全是由于液態(tài)水的入侵導(dǎo)致,而本研究中改變的是環(huán)境相對(duì)濕度,在材料內(nèi)部發(fā)生的冷凝-蒸發(fā)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程[9]更接近實(shí)際狀態(tài).因此,在后續(xù)研究中,結(jié)合孔徑大小分析相對(duì)濕度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響的理論探索更有意義.

3 結(jié)論

(2)在干燥狀態(tài)下,珊瑚砂混凝土-20～50℃下的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高并非單調(diào)遞增;溫度對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)影響較小,導(dǎo)熱系數(shù)最大變化率約為0.55%.

(3)在25、35℃,相對(duì)濕度0%～100%下,珊瑚砂混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度變化的過(guò)程可分為平穩(wěn)上升階段、趨于平緩階段和迅速增加3個(gè)階段,與其等溫吸濕特性相符合.

(4)當(dāng)相對(duì)濕度在0%～100%范圍內(nèi)變化時(shí),無(wú)論是在35℃還是在25℃下,珊瑚砂混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨相對(duì)濕度變化過(guò)程均可近似成二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系.當(dāng)相對(duì)濕度從0%增至100%時(shí)，CSC的導(dǎo)熱系數(shù)在25、35℃下分別增長(zhǎng)約29.5%、49.0%.