再生混凝土導(dǎo)熱性能影響因素及研究進(jìn)展

肖建莊，郝潞岑，曹萬(wàn)智，許碧菀

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院上海 200092；2.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730030）

建筑行業(yè)不但耗能巨大，同時(shí)也排放大量的CO2。全球建筑行業(yè)每年消耗的電能和排放的CO2分別以年均2.5%和1.0%的速度增長(zhǎng)［1］。在建筑行業(yè)消耗的能源中，房屋制冷和制熱能耗所占比例約為20%；相關(guān)研究預(yù)測(cè)2050年制熱和制冷能耗會(huì)占到建筑總能耗的50%以上［2］。導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土傳熱性能的重要指標(biāo)。導(dǎo)熱系數(shù)較低的混凝土可以阻礙建筑傳熱和降低建筑能耗。Real等［3］研究表明，與普通混凝土相比，在建筑中使用輕骨料混凝土，可以降低15%的采暖能耗。而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與骨料的物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系，如骨料的孔隙率和密度等。

城鎮(zhèn)化進(jìn)程產(chǎn)生了大量的建筑固體廢棄物，目前中國(guó)每年產(chǎn)生大約1 800萬(wàn)t建筑固體廢棄物［4］，占城市垃圾的30%～40%；且未來(lái)10年建筑固體廢棄物的排放量還將持續(xù)提高［5］。因此，建筑固體廢棄物的資源化是行業(yè)發(fā)展的必然要求和基本方向。目前，利用再生骨料與再生粉體制備混凝土（即再生混凝土）的相關(guān)研究，關(guān)注點(diǎn)主要集中于再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能等方面［6-7］。再生骨料因表面附著老砂漿，孔隙率較高，密度低于天然骨料，吸水率高于天然骨料，其所制備混凝土力學(xué)性能和耐久性能均較普通混凝土弱［6-7］。然而，較高的孔隙率使得再生骨料的導(dǎo)熱系數(shù)低于天然骨料，因此摻入再生骨料勢(shì)必會(huì)影響混凝土的熱工性能［1］。Sargam［8］等研究表明，摻入再生骨料可以明顯降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。近年來(lái)，使用再生微粉取代部分水泥制備混凝土的研究逐年增加；相關(guān)研究表明［9］，摻入再生微粉會(huì)明顯影響混凝土孔隙率、密度和強(qiáng)度等。

目前已有較多關(guān)于再生骨料和再生微粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能研究的綜述［10-11］，但關(guān)于再生混凝土熱力學(xué)性能的綜述還較少。本文重點(diǎn)總結(jié)再生混凝土導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展，分析關(guān)鍵影響因素，如再生骨料性質(zhì)與取代率、再生微粉及環(huán)境溫度等對(duì)再生混凝土材料導(dǎo)熱性能的影響。

1 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)理論

如表1所示，現(xiàn)有多孔復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)模型主要包括并聯(lián)模型、串聯(lián)模型、Maxwell-Eucken模型、有效介質(zhì)理論和Russel模型［12-13］。在這些模型基礎(chǔ)上，Harmathy等［14］進(jìn)一步考慮混凝土孔隙率、等效固體導(dǎo)熱系數(shù)及含濕量的影響提出混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式。Campbell-Allen等［15］則基于粗骨料相和砂漿相，提出另一混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型。Khan［16］就Harmathy和Campbell-Allen and Thorne模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)Campbell-Allen and Thorne計(jì)算模型在粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)較低時(shí)，模型準(zhǔn)確度較高；然而隨著粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，該模型預(yù)測(cè)值超出試驗(yàn)測(cè)試值的13%～32%；而Harmathy公式的預(yù)測(cè)值則超出實(shí)際值17%～49%。

混凝土為一種多相復(fù)合材料，主要包括連續(xù)相水泥砂漿、分散相粗骨料、骨料和水泥砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)及孔隙。因此，采用兩相導(dǎo)熱系數(shù)模型來(lái)計(jì)算混凝土導(dǎo)熱系數(shù)存在一定誤差。Wang等［12］通過(guò)定義一個(gè)考慮組份相數(shù)和幾何維度的參數(shù)建立了統(tǒng)一方程用來(lái)計(jì)算多相復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)。Gong等［17］提出了一種新的有效介質(zhì)理論用來(lái)計(jì)算多相或者多組分復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)參數(shù)km來(lái)定義固體相和空氣相之間的熱傳導(dǎo)，相關(guān)公式見表1。王立成等［18］在Maxwell理論的基礎(chǔ)上提出了水泥砂漿、界面過(guò)渡區(qū)單元以及宏觀混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)模型。Chu等［19］將混凝土認(rèn)為是固-液-氣三相，基于串、并聯(lián)導(dǎo)熱系數(shù)模型，假設(shè)串、并聯(lián)模型隨機(jī)分布在混凝土內(nèi)部，建立了混凝土三相導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型。陳春等［20］基于最小熱阻理論，考慮混凝土內(nèi)部孔隙作用，建立了基于砂漿相、骨料相和孔隙相的三相混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型，計(jì)算了8種混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在－14.0%～5.1%之間，而采用Campbell-Allen and Thorne模型計(jì)算的結(jié)果誤差在11.0%～32.1%之間，這說(shuō)明三相混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型的計(jì)算誤差低于兩相模型。

表1 多孔復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)模型Tab.1 Thermal conductivity model of porous composite materials

如圖1所示，再生混凝土內(nèi)部包括新水泥砂漿、舊水泥砂漿、粗骨料、新界面過(guò)渡區(qū)、舊界面過(guò)渡區(qū)，并且這些相中均包含一定量的孔隙，采用現(xiàn)有的兩相或者三相模型進(jìn)行再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)將會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。目前關(guān)于再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型還停留在基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)擬合，以及對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)熱系數(shù)模型的修正。Zhu等［21］通過(guò)定義再生骨料物理性能以及取代率的影響因素c對(duì)Campbell-Allen and Thorne模型進(jìn)行修正，建立了再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型，見公式（1）和（2）。Ngohpok等［22］通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系式，如公式（3）所示。

式中：η1為再生粗骨料取代率；q1為再生粗骨料壓碎指標(biāo)；q′1為天然粗骨料壓碎指標(biāo)；η2為再生細(xì)骨料取代率；q2為再生細(xì)骨料壓碎指標(biāo)；α折減系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)確定。

式中：ρ為再生混凝土的表觀密度。

從圖1可以看出，由于老砂漿的存在，再生粗骨料的導(dǎo)熱系數(shù)與天然粗骨料存在較大差別，肖建莊等［23］認(rèn)為再生粗骨料的導(dǎo)熱系數(shù)與普通混凝土一致。再生混凝土中存在兩種骨料，因此在計(jì)算其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，需要考慮再生骨料和天然骨料組合下的骨料導(dǎo)熱系數(shù)。肖建莊等［23］基于并聯(lián)傳熱和串聯(lián)傳熱理論計(jì)算不同再生骨料取代率下的骨料組合等效導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 再生混凝土細(xì)觀示意圖Fig.1 Schematic microstructure of recycled aggregate concrete

采用現(xiàn)有Harmathy模型［14］、Campbell-Allen and Thorne模型［15］和Zhu修正后的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型［21］對(duì)文獻(xiàn)［24］中的再生混凝土進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。選取天然粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)2.913 W·（m·K）－1，天然細(xì)骨料導(dǎo)熱系數(shù)3.086 W·（m·K）－1，水泥導(dǎo)熱系數(shù)1.233 W·（m·K）－1，水導(dǎo)熱系數(shù)0.576 W·（m·K）－1，再生粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)視為與普通混凝土一致，取1.890 W·（m·K）－1［21］。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，Campbell-Allen and Thorne模型、Harmathy模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均有較大誤差，Zhu等人修正后的再生混凝土模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)誤差較前兩種相對(duì)較小，但是誤差依舊在10%以上。這主要是因?yàn)樵偕橇蟻?lái)源不同，導(dǎo)致其導(dǎo)熱性能離散性較大。因此，在計(jì)算再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，不能簡(jiǎn)單將再生骨料導(dǎo)熱系數(shù)等同于普通混凝土，需針對(duì)再生骨料的物理性質(zhì)（如表面舊砂漿含量、孔隙率等）建立相應(yīng)的再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型。

表2 相關(guān)導(dǎo)熱系數(shù)模型計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Tab.2 Comparison of calculated and experimental values of relevant thermal conductivity models

2 影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的因素

混凝土連續(xù)相和非連續(xù)相的物理性質(zhì)直接影響混凝土的導(dǎo)熱性能。影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素包括再生骨料性質(zhì)、再生微粉性質(zhì)及其取代率等；同時(shí)，相關(guān)研究［1］表明測(cè)試溫度也會(huì)對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，詳 細(xì)對(duì)比分析如下文所述。

表3 再生混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)摘要Tab.3 Summary of experimental test database of recycled aggregate concrete

2.1 再生骨料物理性能

不同來(lái)源的再生骨料物理性能差別較大，因而對(duì)所制備的再生混凝土導(dǎo)熱性能影響不同。Miguel等［30］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，摻有兩種不同來(lái)源再生粗骨料的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.7和1.6 W·（m·K）－1。此外，不同來(lái)源再生細(xì)骨料對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)性能影響更大，如摻有兩種不同來(lái)源再生細(xì)骨料的再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2和1.6 W·（m·K）－1。Laneyrie等［31］研究了實(shí)驗(yàn)室制備的再生粗骨料和工廠生產(chǎn)的再生粗骨料對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)相同取代率下，兩種再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下并無(wú)明顯區(qū)別，但將混凝土加熱至300℃后，采用實(shí)驗(yàn)室制備的再生粗骨料拌合的混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)比后者高13%。

對(duì)表3進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到不同骨料密度和吸水率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖2所示。圖2a為骨料密度與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系圖，可以看出，再生粗骨料密度基本低于2.6 kg·m－3，再生粗骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低于2 W·（m·K）－1。天然粗骨料（nature coarse aggregate，NCA）密度明顯高于再生粗骨料，普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也高于再生混凝土。并且隨著骨料密度增加，骨料表面舊砂漿密實(shí)度增加，骨料的孔隙率降低，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

骨料的吸水率對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響明顯，Kazmi等［32］總結(jié)了不同骨料吸水率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，其所擬合的骨料吸水率與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：k為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；X為骨料吸水率。

圖2b為骨料吸水率與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系圖，可以看出，再生粗骨料的吸水率均大于4%，而天然粗骨料的吸水率均低于2%。使用吸水率較高的骨料的再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也低于天然混凝土。因?yàn)樵偕橇侠仙皾{的孔隙率要高于天然骨料，并且在混凝土破碎的過(guò)程中會(huì)對(duì)再生骨料造成一定的損傷，也使得再生骨料的孔隙率高于天然骨料，導(dǎo)致再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低于普通混凝土。

圖2 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Fig.2 Thermal conductivity of concrete

Kazmi等［32］研究不同方式的再生骨料預(yù)處理方法對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如表4所示。由表4可知，采用處理后再生粗骨料拌合的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)均有所增加，尤其是使用碳化+石灰水浸泡混合作用后的再生粗骨料，采用其拌合的混凝土與普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)基本沒(méi)有區(qū)別。因?yàn)樘蓟男院螅趸寂c未水化水泥發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣，填補(bǔ)了再生骨料表面舊砂漿的部分孔隙，使得其孔隙率降低，進(jìn)而導(dǎo)致再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加。再生骨料浸泡石灰水后，骨料內(nèi)部氫氧化鈣豐富，再將骨料進(jìn)行碳化改性，生成大量的碳酸鈣充分填補(bǔ)骨料表面舊砂漿的孔隙，進(jìn)而使得混凝土導(dǎo)熱系數(shù)明顯提升。機(jī)械研磨和酸浸泡的方法會(huì)將再生骨料表面的舊砂漿去除，進(jìn)而使得骨料孔隙率降低，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加。

表4 不同預(yù)處理再生粗骨料再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)［32］Tab.4 Thermal conductivity of RC with different preprocess of RCA

2.2 再生骨料取代率

通過(guò)對(duì)表3進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到不同再生粗、細(xì)骨料取代率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖3和圖4所示。圖3a為不同再生粗骨料取代率的混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，可以看出相同再生粗骨料取代率下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較為離散。為了進(jìn)一步揭示再生粗骨料取代率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，引入相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的概念，相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算見公式（5）式中：kr為相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)；kn為再生骨料取代率為n時(shí)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；k0為再生骨料取代率為0，即普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。

不同再生粗骨料取代率的再生混凝土相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)見圖3b，隨著再生粗骨料的增加，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)。當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，相比普通混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)下降了11%～29%。

圖3 再生粗骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Fig.3 Thermal conductivity of recycled coarse aggregate concrete

如圖4所示，與再生粗骨料相似，不同再生細(xì)骨料取代率下的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)同樣呈現(xiàn)較為離散的現(xiàn)象。但是隨著再生細(xì)骨料取代率的增加，混凝土的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。再生細(xì)骨料取代率為100%時(shí)，相比普通混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)下降了12%～48%。

圖4 再生細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Fig.4 Thermal conductivity of recycled fine aggregate concrete

相比于再生粗骨料取代率，相同取代率的情況下，再生細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的下降幅度要高于再生粗骨料混凝土，但是離散性也更大。這是因?yàn)樵偕?xì)骨料相比于再生粗骨料孔隙率更高，再生細(xì)骨料性能波動(dòng)也較大。并且再生細(xì)骨料中含有一定量的粉料，粉料含量和成份的不同對(duì)混凝土性能有很大的影響，進(jìn)一步導(dǎo)致再生細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)較為離散。

通過(guò)圖3和圖4可以看出，總體而言，隨著再生粗、細(xì)骨料取代率的增加，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低，但是相同取代率的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)差異較大、離散性較高，對(duì)相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)與再生骨料取代率進(jìn)行線性回歸，擬合度較低。通過(guò)前述研究已知，混凝土中各相材料占比對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，需要進(jìn)一步細(xì)化參數(shù)，進(jìn)而得到更為理想的數(shù)據(jù)規(guī)律。眾多研究表明，水灰比（w/c，質(zhì)量比）對(duì)混凝土各項(xiàng)性能有著較大的影響。為了進(jìn)一步細(xì)化分析再生骨料取代率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，按水灰比將圖3和圖4中再生粗、細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)水灰比0.4～0.5和0.5～0.6分為兩類，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖5所示。通過(guò)對(duì)再生粗骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行擬合得到如下結(jié)果：

圖5 不同水灰比再生骨料混凝土相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 Relative thermal conductivity of recycled aggregate concrete with different water to binder ratios

通過(guò)對(duì)再生細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行擬合得到如下結(jié)果：

式（6）～（9）中：kr為再生混凝土相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)；x為再生粗（細(xì)）骨料取代率。

通過(guò)公式（6）～（9）可以看出，當(dāng)水灰比較大時(shí)，再生粗、細(xì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)離散程度降低，這可能是因?yàn)殡S著水灰比的增加，混凝土中液相的比例增加，降低了再生骨料性能波動(dòng)對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)離散性的影響。但是這種細(xì)分方法還具有一定的局限性，數(shù)據(jù)擬合程度有所改善，但是數(shù)據(jù)擬合程度還處于一個(gè)相對(duì)較低的水平，尤其對(duì)于再生細(xì)骨料混凝土。

2.3 再生微粉

水泥膠凝材料的組成對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)也有著明顯的影響，Demirbo?a等［36］研究表明，摻入30%的硅灰、粉煤灰和高爐渣后，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)分別降低了40%、33%和14%。Omrane等［26］研究表明，火山灰材料替代水泥后可以明顯降低再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)火山灰材料摻入20%時(shí)，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)從1.64 W·（m·K）－1降低至1.39 W·（m·K）－1，降低了15.2%。Cantero等［29］研究了再生微粉取代率為0～25%的普通混凝土和再生混凝土（再生粗骨料取代率為50%）的導(dǎo)熱性能，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著再生微粉取代率的增加，普通混凝土和再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)都呈線性降低，這說(shuō)明再生微粉摻入混凝土后對(duì)混凝土的保溫隔熱性能有一定的改善作用。但也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生微粉取代率較低時(shí)，對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。游帆等［34］分別使用再生微粉取代了3.5%和7.0%的水泥制備再生混凝土，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3種混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)差別在4%以內(nèi)，影響甚微。

圖6 再生微粉取代率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響［29］Fig.6 Effect of recycled powder replacement ratio on thermal conductivity

2.4 環(huán)境溫度

已有研究表明，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低［1，37］。Zhao等［24］研究了再生粗骨料取代率為0～100%的再生混凝土在高溫環(huán)境下的導(dǎo)熱性能，結(jié)果如圖7a所示，表明隨著溫度的升高和取代率增大，再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低，并且隨著取代率的增加，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低量增加，相比于20℃，環(huán)境溫度為800℃時(shí)，再生粗骨料取代率為0、50%和100%的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別降低了37%、42%和47%。潘凱楠［35］研究了再生細(xì)骨料取代率和再生粗細(xì)骨料耦合作用再生混凝土在高溫環(huán)境下的熱工性能，研究結(jié)果如圖7b所示，表明當(dāng)溫度小于300℃時(shí)，由于再生混凝土中水分散失，其導(dǎo)熱系數(shù)迅速降低。當(dāng)溫度到達(dá)530℃時(shí)，由于氫氧化鈣分解為氧化鈣和水，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部濕度短暫提升，進(jìn)而使得混凝土導(dǎo)熱系數(shù)略有升高。當(dāng)溫度大于530℃小于800℃時(shí)，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降。圖7中，RCA50表示再生粗骨料取代率為50%，RFA50表示再生細(xì)骨料取代率為50%，RCA100-RFA100表示再生粗細(xì)骨料取代率均為100%，以此類推。Laneyrie等［31］同樣研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生混凝土溫度升高，再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低。

圖7 再生骨料混凝土高溫環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù)[24,35]Fig.7 Thermal conductivity of recycled aggregate concrete at an elevated temperature[24,35]

3 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)公式

混凝土密度與混凝土內(nèi)部孔隙率有明顯的關(guān)系，增加混凝土的孔隙率會(huì)明顯降低混凝土的密度，降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。相關(guān)研究［38-42］總結(jié)了泡沫混凝土、噴射纖維混凝土、木質(zhì)骨料混凝土等混凝土密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，各類混凝土的密度在374～1 984 kg·m－3之間，導(dǎo)熱系數(shù)在0.116～1.99 W·（m·K）－1之間，導(dǎo)熱系數(shù)與密度具有較高的關(guān)聯(lián)度（R2），即隨著混凝土密度的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)增加。

表5 不同混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系Tab.5 Relationship between thermal conductivity and density of different concretes

將表3中再生混凝土密度與導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)（90組）進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度成指數(shù)關(guān)系，二者關(guān)聯(lián)度較好。因此，可以用公式（10）來(lái)預(yù)測(cè)密度在1 500～2 500 kg·m－3之間的再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖8 再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度的相關(guān)性Fig.8 General correlation between thermal conductivity and density of recycled concrete

4 功能化再生混凝土

再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低于普通混凝土，從而使得再生混凝土墻體的傳熱系數(shù)低于普通混凝土墻體。將再生混凝土墻體應(yīng)用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中將有助于降低建筑制熱和制冷能耗。同時(shí)，基于生命周期評(píng)價(jià)（LCA）的角度，采用再生混凝土對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)低于普通混凝土［43］。相關(guān)研究表明，生產(chǎn)再生骨料的能耗遠(yuǎn)低于生產(chǎn)天然骨料，生產(chǎn)再生粗、細(xì)骨料將分別減少58%和54%的非可再生能源消耗，同時(shí)分別減少65%和61%的碳排放，并且再生細(xì)骨料生產(chǎn)過(guò)程還會(huì)降低46%的二氧化硫的排放［44］。基于全生命周期角度，使用再生骨料替代天然骨料可以有效地降低混凝土全生命周期的能耗和碳排放，當(dāng)混凝土使用100%再生粗骨料取代時(shí)，碳排放最大可以降低約15%［45］。建筑業(yè)除了在建造階段外，運(yùn)行維護(hù)階段也會(huì)排放大量的二氧化碳和造成大量的能量消耗。再生混凝土的熱工性能優(yōu)于普通混凝土，但是僅采用再生混凝土制備外圍護(hù)結(jié)構(gòu)并不能滿足現(xiàn)有節(jié)能規(guī)范的要求，因此需要再生混凝土的功能化技術(shù)創(chuàng)新，在保證一定的力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，賦予再生混凝土更多的功能，如泡沫再生混凝土、儲(chǔ)能再生混凝土、輕骨料再生混凝土等。

4.1 泡沫再生混凝土

Ganesan等［46］制備密度在700～1 400 kg·m－3的泡沫混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.24～0.74 W·（m·K）－1，遠(yuǎn)低于普通混凝土。Liu等［47］使用棕櫚果殼制備了輕骨料泡沫混凝土，研究表明，輕骨料泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土磚和黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)分別低33%和56%。王洪鎮(zhèn)等［48］通過(guò)物理化學(xué)混合發(fā)泡的方式制備了孔徑更小的輕集料微孔混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.14～0.2 W·（m·K）－1。將再生混凝土結(jié)合發(fā)泡工藝制備泡沫再生混凝土可以有效地提升再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。張景文［49］研究發(fā)現(xiàn)發(fā)泡劑和再生微粉摻量對(duì)再生微粉泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，其中再生微粉摻量為15%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最佳，為0.116 W·（m·K）－1。

4.2 儲(chǔ)能再生混凝土

Hunger等［50］在混凝土中摻入相變材料微膠囊后，由于含氣量的增加和石蠟導(dǎo)熱系數(shù)較低，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)呈線性降低。Xu等［51］的研究表明，隨著石蠟/膨脹蛭石骨料取代率的增加，導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，如當(dāng)取代率為100%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了64%。儲(chǔ)能混凝土制備的方法有很多種，Shafigh等［52］詳細(xì)介紹了各種將相變材料摻入混凝土中的方法。其中，通過(guò)真空吸附法將液體相變材料吸附到多孔骨料中，然后將其與其他材料混合制備儲(chǔ)能混凝土是目前應(yīng)用較為廣泛的方法。再生骨料因?yàn)槠浔砻娓街呐f砂漿，孔隙率較高，是一種吸附相變材料的良好載體。Suttaphakdee等［53］研究表明，儲(chǔ)能再生磚混凝土具有良好的儲(chǔ)能能力和較低的導(dǎo)熱系數(shù)。

4.3 輕骨料再生混凝土

Hanif等［54］使用粉煤灰空心微珠為載體，吸附氣凝膠后制備粉煤灰-氣凝膠輕質(zhì)骨料。研究表明，摻入5%的粉煤灰-氣凝膠輕質(zhì)骨料后，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)下降了23.3%。Wang等［55］按體積比1∶1將?；⒅閾饺朐偕炷林?，得到再生保溫混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)最低可以達(dá)到0.322 W·（m·K）-1，遠(yuǎn)低于普通混凝土，并且其力學(xué)性能和耐久性能表現(xiàn)良好。Pavlu等［56］將聚苯顆粒EPS摻入再生混凝土發(fā)現(xiàn)，摻入30%的EPS，再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低了68.5%。Guo等［57］研究表明，隨著?；⒅閾搅康脑黾樱偕鼗炷恋臒嶙杳黠@增加。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了再生混凝土導(dǎo)熱性能的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)回顧了混凝土導(dǎo)熱系數(shù)理論，剖析了影響再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，分析擬合了再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)現(xiàn)有功能性再生混凝土進(jìn)行了評(píng)述。

再生骨料的物理性質(zhì)對(duì)再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響，主要表現(xiàn)為骨料吸水率較高，密度較低時(shí)（即孔隙率較高時(shí)），混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低。再生骨料取代率對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有著顯著的影響，且細(xì)骨料較粗骨料影響更大，再生粗骨料全取代時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低量可達(dá)29%，再生細(xì)骨料全取代時(shí)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低量可達(dá)48%。同時(shí)，采用再生微粉取代部分水泥時(shí)，可以有效降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。環(huán)境溫度對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有顯著的影響，隨著溫度的升高，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，并且隨著再生骨料取代率的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)降低量增加。

基于再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合分析，提出了再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與密度的經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系式（公式10），可以用于密度范圍為1 500～2 500 kg·m－3的再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)。

再生骨料附著砂漿含量、再生細(xì)骨料孔隙率、不同種類再生粉體以及不同粒徑再生粉體等對(duì)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響還需要進(jìn)一步研究，為建立適宜于再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)理論奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

將不同類型的再生混凝土應(yīng)用于不同的建筑結(jié)構(gòu)中，是一種提高廢棄混凝土資源化利用率的有效途徑；將傳統(tǒng)再生混凝土與功能化再生混凝土相組合，以實(shí)現(xiàn)再生混凝土結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，是未來(lái)的一個(gè)研究方向。

作者貢獻(xiàn)聲明：

肖建莊：論文的選題、指導(dǎo)、修改。

郝潞岑：具體工作的開展和論文撰寫。

曹萬(wàn)智：論文的指導(dǎo)、修改。

許碧菀：論文的修改。